Bioprocess development and design for the production of succinic acid via continuous fermentation of spent sulphite liquor

Abstract

The scope of this thesis is the evaluation of spent sulphite liquor (SSL) as the main fermentation carbon source for succinic acid (SA) production in continuous cultures. Subsequently, a techno-economic analysis of a process that produces SA from SSL under continuous and fed-batch fermentations strategies is presented. The purpose of the techno-economic analysis is to investigate the economic feasibility of the succinic acid that derived from the utilization of SSL and factors in which the succinic acid production cost has high dependence.SSL is the liquid by-product stream derived from the acidic sulphite process of mainly hardwoods. This waste stream contains solubilised lignin in the form of lignosulphonates and sugars which arise after hemicelluloses degradation. The type of the using wood and the processing conditions employed in the plant are the two main elements that define the sugars contained in SSL. In this study the waste stream that was used resulting from the pulp and paper industry of the Eucalyptus globulus wood.This work was initiated with the evaluation of SSL as substrate in continuous cultures using the wild-type rumen bacterial strains Actinobacillus succinogenes and Basfia succiniciproducens. These strains are considered as two of the most promising strains for industrial implementation. The cultures were initially carried out at constant dilution rate (0.04 h-1) and varying initial commercial xylose concentrations (23-55 g/L) or constant xylose concentration (40 g/L) and varying dilution rates (0.02-0.25 h-1) showing that dilution rates of 0.02-0.15 h-1 led to satisfactory succinic acid production by both microbial strains. In continuous cultures using nanofiltrated SSL, maximum yields of SA were achieved at dilution rate of 0.02 h-1 (0.48 g/g for A. succinogenes and 0.55 g/g for B. succiniciproducens) while maximum values of productivity were obtained at dilution rate of 0.04 h-1 in the case of A. succinogenes (0.67 g/L/h) and 0.1 h-1 (1.6 g/L/h) in the case of B. succiniciproducens. During the fermentation of both strains observed biofilm creation at the solid parts of the reactor. Due to this the biomass concentration was impossible to measure, so the biomass concentrations at different dilution rates for both strains was estimated using metabolic flux analysis. In the techno-economic analysis of SA, the design of the entire SA production process was based on data obtained from experimental results and the material and energy balances were carried out using spreadsheets and validated through UniSim software. Bacterial fermentations were conducted with Basfia succiniciproducens as the SA producer. The down stream design based on direct crystallization process using ion-exchange resins for acidification step, with final purified SA crystals equal to 99% and with a recovery yield of 97% which achieved by recirculation of the side sterams in down stream process. Process simulation was performed for a range of plant capacities, 5, 30, 100 kt of SA per year. The study indicated the feasibility of fermentative SA production from SSL and the minimum selling price (MSP) for 10% annual return on investment was calculated at 2.70 $/kg for continuous and 3.06 $/kg for fed-batch strategy when commercial nitrogen sources were applied. The MSP was reduced to 2.16 $/kg and 2.76 $/kg for continuous and fed-batch respectively assuming that commercial nitrogen sources are substituted with hydrolysates of corn steep liquor (CSL). The fermentation and evaporation units were identified as significant capital and operating cost contributors and therefore the optimization of bioreactor geometrical characteristic and alternative more cost-effective evaporation technics should be considered in future research.

Στόχος της παρούσας διατριβής υπήρξε η αξιολόγηση του παράπλευρου ρεύματος που παράγεται από βιομηχανίες χαρτοπολτού (SSL), ως κύρια πρώτη ύλη για την παραγωγή ηλεκτρικού οξέος, μέσω μικροβιακών ζυμώσεων σε συνθήκες συνεχούς καλλιέργειας σε βιοαντιδραστήρα. Στα πλαίσια της επίτευξης οικονομικότερων διεργασιών, εκπονήθηκε τεχνοοικονομική ανάλυση των διεργασιών παραγωγής ηλεκτρικού οξέος, με χρήση του SSL ως πρώτη ύλη, σε συνεχείς και ημισυνεχείς ζυμώσεις. Απώτερος στόχος του εγχειρήματος αυτού ήταν η διερεύνηση της οικονομικής βιωσιμότητας της παραγωγής ηλεκτρικού οξέος αξιοποιώντας το SSL ως πρώτη ύλη, καθώς και η εύρεση στοιχείων που υποδεικνύουν τους οικονομικούς παράγοντες που σχετίζονται με την παραγωγή του προϊόντος. Το SSL αποτελεί το κύριο παράπλευρο ρεύμα που προκύπτει μετά την όξινη διαδικασία που πραγματοποιείται για την παραγωγή χαρτοπολτού κυρίως σε σκληρά ξύλα. Το υποπροϊόν αυτό περιέχει διαλύτη λιγνίνη υπό την μορφή λιγνοσουλφονικών αλάτων καθώς και σάκχαρα τα οποία προκύπτουν κατά την αποικοδόμηση της ημικυτταρίνης. Το είδος του χρησιμοποιούμενου ξύλου και οι συνθήκες επεξεργασίας αποτελούν τα δύο κύρια σημεία που καθορίζουν το είδος και την περιεκτικότητα των σακχάρων που περιέχονται στο SSL. Στη μελέτη αυτή, χρησιμοποιήθηκε το υποπροϊόν που προέκυψε από τη βιομηχανία επεξεργασίας του φυτού Eucalyptus globulus.Σαν πρώτο στάδιο της μελέτης, αξιολογήθηκε η ικανότητα χρήσης του SSL ως υπόστρωμα σε συνεχείς ζυμώσεις, χρησιμοποιώντας τα βακτηριακά στελέχη Actinobacillus succinogenes και Basfia succiniciproducens. Τα στελέχη αυτά θεωρούνται ως τα δύο πιο υποσχόμενα στελέχη για βιομηχανική εφαρμογή. Αρχικά, οι ζυμώσεις διεξήχθησαν με σταθερό ρυθμό αραίωσης ίσο με 0,04 h-1 και διαφορετικές αρχικές συγκεντρώσεις εμπορικής ξυλόζης (23-55 g/L) ή σταθερή συγκέντρωση ξυλόζης (40 g/L) και διαφορετικές τιμές ρυθμών αραίωσης (0,02-0,25 h-1). Τα αποτελέσματα αυτών των συνθηκών έδειξαν ότι και τα δύο στελέχη παρείχαν ικανοποιητική παραγωγή ηλεκτρικού οξέος σε ένα εύρος ρυθμών αραίωσης μεταξύ 0,02-0,15 h-1. Στις συνεχείς καλλιέργειες με χρήση SSL το οποίο είχε προεπεξεργαστεί με νανοδιήθηση, επετεύχθησαν μέγιστες αποδόσεις ηλεκτρικού οξέος σε ρυθμό αραίωσης 0,02 h-1. Συγκεκριμένα το στέλεχος A. succinogenes είχε απόδοση 0,48 g/g και το στέλεχος B. Succiniciproducens 0,55 g/g. Ωστόσο, η μέγιστη παραγωγικότητα του A. Succinogenes (0,67 g/L/h) παρουσιάστηκε με ρυθμό αραίωσης 0,04 h-1 ενώ στην περίπτωση του B. succiniciproducens η μέγιστη παραγωγικότητα ίση με 1,6 g/L/h επιτεύχθηκε σε ρυθμό αραίωσης 0,1 h-1. Κατά την πραγματοποίηση των ζυμώσεων και στα δύο στελέχη, παρατηρήθηκε η δημιουργία φυσικής ακινητοποίησης του μικροοργανισμού στα μέρη του βιοαντιδραστήρα. Εξαιτίας αυτού, η συγκέντρωση της βιομάζας καθίστανται αδύνατο να μετρηθεί επομένως οι συγκεντρώσεις της βιομάζας σε διαφορετικούς ρυθμούς αραίωσης και για τα δύο στελέχη προσδιορίστηκε με χρήση ανάλυσης μεταβολικής ροής. Για την τεχνοοικονομική ανάλυση του ηλεκτρικού οξέος, ο σχεδιασμός όλης της διεργασίας βασίστηκε στα πειραματικά αποτελέσματα ενώ τα ισοζύγια μάζας και ενέργειας πραγματοποιήθηκαν λύνοντας εξισώσεις που διέπουν οι νόμοι της θερμοδυναμικής και επαληθεύτηκαν μέσω του λογισμικού UniSim. Οι ζυμώσεις για την παραγωγή του ηλεκτρικού οξέος στα αποτελέσματα των οποίων βασίστηκαν οι υπολογισμοί, διενεργήθηκαν με τον μικροοργανισμό Basfia succiniciproducens. Ο πειραματικός σχεδιασμός για την παραλαβή του προϊόντος βασίστηκε στη διαδικασία της απευθείας κρυστάλλωσης του ηλεκτρικού οξέος όπου χρησιμοποιήθηκαν ρητίνες ιοντοανταλλαγής ως μέσω για την μετατροπή των οργανικών αλάτων σε οργανικά οξέα. Οι κρύσταλλοι ηλεκτρικού οξέος που προκύπτουν μέσω αυτής της διαδικασίας έχουν καθαρότητα ίση με 99% ενώ η ανάκτηση του προϊόντος τέθηκε ως 97%. Ο μεγάλος συντελεστής ανάκτησης του προϊόντος οφείλεται στην περαιτέρω επεξεργασία των παράπλευρων ρευμάτων που προκύπτουν από την συνολική διεργασία διαχωρισμού. Κατά την τεχνοοικονομική ανάλυση έγινε προσομοίωση της παραγωγής ηλεκτρικού οξέος για συνεχείς και ημισυνεχείς ζυμώσεις σε τρεις διαφορετικές δυναμικότητες παραγωγής (5, 30 και 100 kt) ηλεκτρικού οξέος ανά έτος. Σκοπός της μελέτης ήταν να αξιολογήσει την οικονομική βιωσιμότητα της βιοχημικής παραγωγής ηλεκτρικού οξέος με χρήση SSL ως πηγής άνθρακα. Από την μελέτη προέκυψε ως ελάχιστη τιμή πώλησης (MSP) ηλεκτρικού οξέος τα 2,70 $/kg στις συνεχείς ζυμώσεις και 3,06 $/kg στις ημισυνεχείς με τη χρήση εμπορικών πηγών αζώτου. Περεταίρω μελέτη για την μείωση των ελάχιστων τιμών πώλησης έδειξε ότι η χρήση πηγών αζώτου προερχόμενων από υδρολύματα θα μείωνε το κόστος πώλησης στα 2,16 $/kg και 2,76 $/kg, στις συνεχείς και ημισυνεχείς ζυμώσεις αντίστοιχα. Τα στάδια της ζύμωσης καθώς και η εξάτμιση αποδείχθηκαν σημαντικοί οικονομικοί παράγοντες όσον αφορά το λειτουργικό κόστος και το κόστος του κεφαλαίου. Επομένως, η βελτιστοποίηση των γεωμετρικών χαρακτηριστικών του βιοαντιδραστήρα καθώς και εναλλακτικές πιο οικονομικά προσιτές τεχνικές εξάτμισης, θα πρέπει να εξεταστούν σε μελλοντική έρευνα.