Process integra-on for 1,3 PDO produc-on Prof. Luuk van - PowerPoint PPT Presentation

Process ¡integra-on ¡ ¡ for ¡1,3 ¡PDO ¡produc-on ¡ Prof. ¡Luuk ¡van ¡der ¡Wielen, ¡Department ¡of ¡Biotechnology, ¡Faculty ¡of ¡Applied ¡Sciences ¡

FERMENTER ¡ cell-­‑disrupAon ¡ Broth ¡is ¡a ¡ mul--­‑component ¡mess! ¡ • mostly ¡water ¡ cell ¡removal ¡ • (broken) ¡cells ¡and ¡their ¡contents ¡ concentraAon ¡ • 1,3 ¡PDO ¡ • Organics: ¡ ¡unconverted ¡substrates ¡ ¡ purificaAon ¡ ¡ ¡ ¡metabolic ¡byproducts ¡ • Inorganics: ¡ ¡buffer-­‑ ¡and ¡nutrient ¡salts ¡ formulaAon ¡ MARKET ¡

F N,out ¡= ¡3760969 mol/h ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Gas ¡transfer: ¡ From ¡the ¡fermenter ¡ ¡y O2,out ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ = ¡0.0725 ¡ ¡ ¡ O 2 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡= ¡433207 ¡mol ¡O 2 /h ¡ ¡y CO2,out ¡ ¡ = ¡0.1614 ¡ NH 3 ¡ ¡= ¡35970 ¡ ¡ ¡mol ¡NH 3 /h ¡ ¡y w,out ¡ ¡ ¡ ¡ ¡= ¡0.0600 ¡ ¡ H 2 O ¡ ¡= ¡225658 ¡mol ¡H 2 O/h ¡ ¡p top ¡ ¡ ¡ ¡ ¡= ¡1 ¡bar ¡ ¡ ¡ ¡CO 2 ¡ ¡= ¡607200 ¡mol ¡CO 2 /h ¡ Broth ¡mass ¡= ¡ 2250 ¡tonnes ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ F m,out ¡= ¡54920 ¡kg/h ¡ C s,out ¡ = ¡85 ¡·√ ¡10 -­‑6 ¡mol ¡glucose/kg ¡ Heat ¡= ¡51434 ¡kJ/s ¡ ¡ R p = ¡165 ¡000 ¡ C p,out ¡= ¡3.00 ¡mol ¡PDO/kg ¡ mol ¡PDO/h ¡ ¡ C x,out ¡ ¡= ¡3.275 ¡mol ¡x/kg ¡ F m,in ¡ ¡ ¡= ¡71225 ¡kg/h ¡ 35°C ¡ C s,in ¡ ¡ = ¡3 ¡mol ¡glucose/kg ¡ F N,in ¡ ¡= ¡3361320 mol/h ¡ ¡y O2,in ¡= ¡0.2100 ¡ C x,out ¡= ¡3.275 ¡mol ¡x/kg ¡ ¡ ¡y w,in ¡ ¡ = ¡0 ¡ ¡ This ¡corresponds ¡to ¡ 85 ¡g ¡dry ¡weight/kg ¡ ¡y CO2,in ¡ = ¡0 ¡ or ¡0.26 ¡kg ¡wet ¡cells ¡/kg ¡ F N,NH3 ¡= ¡35970 mol/h ¡ ¡

Growth ¡curve ¡of ¡ E.coli ¡ producing ¡1,3 ¡PDO ¡ 100 ¡ 85 ¡g ¡DW/kg ¡ is ¡a ¡ 43 ¡g ¡DW/L ¡~ ¡130 ¡g ¡wet ¡cells/L ¡ 80 ¡ much ¡higher ¡ biomass ¡ OD600 ¡ 60 ¡ concentraAon ¡ 26 ¡g ¡DW/L ¡~ ¡78 ¡g ¡wet ¡cells/L ¡ than ¡found ¡in ¡ 40 ¡ most ¡literature! ¡ 20 ¡ 0 ¡ 0 ¡ 5 ¡ 10 ¡ 15 ¡ 20 ¡ 25 ¡ 30 ¡ 35 ¡ 40 ¡ Time ¡(h) ¡ Tang ¡X ¡et ¡al. ¡Appl. ¡Environ. ¡Microbiol. ¡2009;75:1628-­‑1634 ¡ DW = dry weight of biomass

Organic ¡compounds ¡of ¡1,3 ¡PDO ¡produc-on ¡ Unconverted ¡substrates ¡ ¡~ ¡10 ¡g/kg ¡broth ¡ Total ¡organic ¡byproducts ¡ ¡~ ¡17 ¡g/kg ¡broth ¡ 7 ¡ pyruvate ¡ 6 ¡ acetate ¡ ConcentraAon ¡(g/liter) ¡ 5 ¡ 4 ¡ lactate ¡ 3 ¡ formate ¡ 2 ¡ 1 ¡ succinate ¡ 0 ¡ 0 ¡ 2 ¡ 4 ¡ 6 ¡ 8 ¡ 10 ¡ 12 ¡ 14 ¡ 16 ¡ 18 ¡ 20 ¡ 22 ¡ 24 ¡ 26 ¡ 28 ¡ 30 ¡ 32 ¡ 34 ¡ 36 ¡ 38 ¡ 40 ¡ Time ¡(h) ¡ Tang ¡X ¡et ¡al. ¡Appl. ¡Environ. ¡Microbiol. ¡2009;75:1628-­‑1634 ¡

Inorganic ¡compounds ¡in ¡broth: ¡~ ¡6-­‑7 ¡g/L ¡ Media ¡Component ¡ Ini-al ¡Concentra-on ¡(g/L) ¡ Sulfuric ¡acid ¡ 0.55 ¡ Phosphoric ¡Acid, ¡85% ¡ 1.34 ¡ KH 2 PO 4 *** ¡ 1.4 ¡ Citric ¡acid ¡monohydrate ¡ 1.02 ¡ MgSO 4 ¡·√ ¡7H 2 0 ¡ 0.6 ¡ FeSO 4 ¡·√ ¡7H 2 0 ¡ 0.400 ¡ CaCl 2 ¡ ·√ ¡2H 2 0 ¡ 0.1 ¡ Soy ¡Protein ¡4950 ¡ 0.5 ¡ Sigma ¡204 ¡AnAfoam ¡ 0.40 ¡ MnSO 4 ¡H 2 O ¡ 0.015 ¡ NaCl ¡ 0.005 ¡ ZnSO 4 ¡·√ ¡7H 2 O ¡ 0.0005 ¡ CuSO 4 ¡·√ ¡5H 2 O ¡ 0.00005 ¡ H 3 B0 3 ¡ 0.00005 ¡ Total ¡‘inorganics’ ¡produc-on~ ¡6-­‑7 ¡g/L ¡ NaMoO 4 ¡·√ ¡2H 2 O ¡ 0.00005 ¡

1,3 ¡PDO ¡processing ¡ FERMENTER ¡ Broth ¡contents ¡in ¡1,3 ¡PDO ¡produc-on ¡ • mostly ¡water * ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ~ 575 ¡g/kg ¡ cell-­‑disrupAon ¡ • wet ¡cells ¡(39 ¡g/L) ¡and ¡protein ¡(1 ¡g/L) ¡ ¡ ¡ 256 ¡g/kg ¡ cell ¡removal ¡ • 1,3 ¡PDO ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 135 ¡g/kg ¡ • organics ¡(substrate ¡sugars, ¡glycerol) * ¡ ¡ ¡ ¡ 10 ¡ ¡ ¡ ¡g/ concentraAon ¡ kg ¡ purificaAon ¡ • organics ¡(byproducts) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 17 ¡ ¡ ¡g/kg ¡ • inorganics ¡(nutrient ¡& ¡buffer ¡salts) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 6 ¡ ¡ ¡ ¡g/kg ¡ formulaAon ¡ * approximate ¡amounts ¡from ¡various ¡literature ¡source ¡(papers, ¡presenta5ons, ¡ MARKET ¡ patents ¡US ¡7919 ¡658 ¡and ¡WO ¡2004076392, ¡or ¡es5mated) ¡

1,3 ¡PDO ¡purifica-on ¡ FERMENTER ¡ Discussed ¡in ¡weeks ¡2-­‑4 ¡ cell-­‑disrupAon ¡ Not ¡required, ¡PDO ¡is ¡extracellular ¡product ¡ Process ¡steps ¡for ¡PDO ¡ General ¡DSP ¡steps ¡ cell ¡removal ¡ [A] ¡cell ¡removal ¡[B] ¡protein ¡removal ¡ ¡ concentraAon ¡ [C] ¡inorganics ¡removal ¡ ¡ ¡[D] ¡water ¡removal ¡ purificaAon ¡ [E] ¡organics ¡removal ¡ formulaAon ¡ Not ¡discussed ¡ MARKET ¡ Not ¡discussed ¡

[A] ¡Cell ¡removal ¡ F ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ Cells ¡sediment ¡too ¡slowly ¡under ¡gravity ¡ V, ¡y 1 ¡ L, ¡x 0 ¡ 1 ¡ CentrifugaAon ¡ ¡ ¡y 2 ¡ ¡x 1 ¡ 2 ¡ FiltraAon ¡ ¡y 3 ¡ ¡x 2 ¡ ¡ ¡ MicrofiltraAon ¡/ ¡membrane ¡filtraAon ¡ N ¡-­‑1 ¡ To ¡recover ¡PDO, ¡we ¡need ¡an ¡efficient ¡ (countercurrent) ¡integrated ¡wash ¡step ¡ ¡y N ¡ ¡x N ¡-­‑1 ¡ N ¡ L, ¡x N ¡ V, ¡y N ¡+1 ¡

[B] ¡Protein ¡removal ¡ Onen ¡somewhere ¡in ¡between ¡mechanical ¡and ¡molecular ¡separaAons ¡ ¡ SorpAon ¡(and ¡chromatography) ¡ depends ¡on ¡sorbent ¡availability ¡ no ¡realis5c ¡solvent ¡available ¡ ¡ ExtracAon ¡ ¡ proteins ¡are ¡non-­‑vola5le ¡ EvaporaAon ¡ depends ¡on ¡solubility ¡ PrecipitaAon ¡/ ¡crystallisaAon ¡ Membrane ¡processes ¡ depends ¡on ¡membrane ¡availability ¡

[C] ¡‘Inorganics’ ¡removal ¡ May ¡lead ¡to ¡scaling ¡and ¡corrosion ¡in ¡equipment. ¡ ¡ depends ¡on ¡sorbent ¡availability ¡ SorpAon ¡(and ¡chromatography) ¡ here ¡a ¡charged ¡sorbent ¡(ion ¡exchange ¡resin) ¡ no ¡realis5c ¡solvent ¡available ¡ ¡ ExtracAon ¡ ¡ non-­‑vola5le ¡ EvaporaAon ¡ depends ¡on ¡solubility ¡ PrecipitaAon ¡/ ¡crystallisaAon ¡ Membrane ¡processes ¡ depends ¡on ¡membrane ¡selec5vity ¡

[D] ¡Water ¡removal ¡ Water ¡is ¡most ¡abundant ¡component ¡ ¡ SorpAon ¡(and ¡chromatography) ¡ depends ¡on ¡sorbent ¡availability ¡ no ¡realis5c ¡solvent ¡available ¡ ¡ ExtracAon ¡ ¡ water ¡is ¡most ¡vola5le ¡component ¡ ¡ EvaporaAon ¡ (but ¡evapora5on ¡is ¡energy ¡intense!) ¡ depends ¡on ¡solubility ¡ PrecipitaAon ¡/ ¡crystallisaAon ¡ depends ¡on ¡membrane ¡availability, ¡ Membrane ¡processes ¡ may ¡also ¡be ¡a ¡good ¡op5on ¡

[E] ¡‘Organics’ ¡removal ¡ At ¡this ¡point, ¡all ¡components ¡(H 2 O/PDO/sugars/glycerol/other ¡byproducts) ¡ ¡ ¡ ¡ have ¡comparable ¡size, ¡polarity ¡and ¡charge ¡ solubility ¡ all ¡well ¡soluble ¡ LogP ¡PDO ¡(-­‑1), ¡glycerol ¡(-­‑3), ¡glucose ¡(-­‑3), ¡sucrose ¡(-­‑4) ¡ polarity ¡ volaAlity ¡ boiling ¡points: ¡water ¡(100 o C) ¡PDO ¡(214 o C) ¡glycerol/sugars(290+ o C) ¡ >> ¡cascade ¡of ¡dis5lla5on ¡columns ¡ >> ¡rule ¡of ¡thumb ¡– ¡desired ¡product ¡ ¡(PDO) ¡always ¡over ¡ top ¡of ¡column ¡ ¡

Op-on ¡1: ¡close ¡to ¡reality ¡ -­‑ ¡US ¡7919 ¡658 ¡(2011) ¡ FERMENTER ¡ FERMENTER ¡ [A] ¡Membranes ¡(microfiltraAon) ¡ [A] ¡cell ¡removal ¡ US ¡7919 ¡658 ¡(2011) ¡ General ¡PDO ¡steps ¡ [B] ¡protein ¡removal ¡ [B] ¡Membranes ¡(ultrafiltraAon) ¡ [C] ¡inorganics ¡removal ¡ [C] ¡Ion ¡exchange ¡(sorpAon) ¡ [D] ¡water ¡removal ¡ EvaporaAon ¡(energy ¡integraAon) ¡ [E] ¡organics ¡removal ¡ DisAllaAon ¡(energy ¡integraAon) ¡ MARKET ¡ MARKET ¡