Dessy Rahmawati_1513100075_B
Produksi butanol pada produk fermentasi aseton-butanol-etanol
dengan pemulihan in situ oleh adsorpsi
Fermentasi dengan pemulihan produk in situ (ISPR) dapat meringankan penghambatan produk dan dengan demikian dapat meningkatkan konversi dan produktivitas. Beberapa metode pemulihan butanol secar terintegrasi,termasuk adsorpsi cair-cair ekstraksi, pervaporasi) dan stripping gas telah diselidiki. Antara mereka, adsorpsi lah yang membutuhkan lebih sedikit energi, lebih mudah untuk beroperasi, Dan telah menunjukkan proses yang efektif untuk memisahkan butanol dan mengurangi penghambatan di fermentasi ABE . Tiga jenis adsorben telah banyak dipelajari untuk butanol adsorpsi: karbon aktif (AC), zeolit (SiO2 / Al2O3), dan polimer (biasanya ion-exchange) resin. Secara umum, adsorben harus memiliki kapasitas adsorpsi butanol tinggi, afinitas, dan selektivitas, dan menjadi murah dan mudah untuk menjadi diregenerasi untuk digunakan kembali. Meskipun beberapa zeolit dan silikalit bisa menyerap hampir semua butanol dari larutan encer kurang dari 10 g / L dan akan termal ulang untuk menghasilkan solusi butanol dari> 80% (w / v) biokompatibilitas mereka untuk pemulihan in situ butanol selama fermentasi.
Bahan dan metode
- Skrining adsorben untuk butanol adsorpsi
Sembilan adsorben yang berbeda (karbon aktif Norit ROW 0,8, ion resin pertukaran Amberlite IRA-900, Amberlite XAD-4, Diaion HP 2mg, Diaion HP-20, Dowex Optipore L-493, Dowex Optipore SD- 2, dan zeolit CBV901 dan CBV28014). Mereka diuji untuk kemampuan mereka untuk menyerap n-butanol dalam tabung tertutup, masing-masing berisi 25 mL model solusi (? 10 g / L butanol) dan 1 g adsorben diuji, pada 37? C. Jumlah butanol teradsorpsi per satuan berat adsorben atau pemuatan spesifik (q) ditentukan dari perbedaan antara yang (ekuilibrium) konsentrasi butanol awal dan akhir, sebagai berikut:
q ¼ ðCeq? CoÞV = W ð1Þ
di mana V adalah volume larutan, W adalah massa adsorben, dan Co dan Ceq adalah konsentrasi butanol dalam larutan di awal dan ekuilibrium, masing-masing. Koefisien
partisi (Kr), yang menunjukkan afinitas atau potensi adsorben untuk mengambil butanol dari larutan, dapat ditentukan dari berikut ini persamaan:
Kr ¼ q = Ceq
Dessy Rahmawati_1513100075_B
Dengan butanol kapasitas adsorpsi yang tinggi ditemukan di tes skrining yang lebih dipelajari untuk isoterm adsorpsi mereka pada 37? C dan 60? C. Berbagai jumlah adsorben, mulai dari 0,25 g sampai 6 g, ditambahkan ke 15 mL larutan Model (konsentrasi butanol: 39,6 ± 1,8 g / L) dan memungkinkan untuk menyeimbangkan selama 24 jam dengan agitasi di 150 rpm. Adsorpsi isoterm untuk karbon aktif, yang terbaik di antara empat adsorben dipelajari, selanjutnya dipelajari dengan solusi model yang mengandung 20 g/ L glukosa, 20 g / L aseton, 40 g / L butanol,? 4 g / L etanol, 10 g / L asam asetat, dan 4 g/L asam butirat untuk mengevaluasi butanol dan adsorpsi aseton di glukosa dan asam.
- Dinamika adsorpsi dalam kolom dikemas karbon aktif adsorpsi
Terus menerus dengan 25 g Norit ROW 0,8 dikemas dalam kaca kolom (15 cm; 2,1 cm diameter bagian dalam) dengan 10 g / L larutan butanol pada 20 ml / menit dipelajari untuk 90 menit.Sampel dari limbah dikumpulkan secara berkala untuk memantau konsentrasi butanol sampai terobosan lengkap. Karbon aktif sepenuhnya dimuat itu diregenerasi dengan pemanasan pada 200 derajat Celsius semalam, dan kemudian dicuci tiga tabung dengan penyuling air dan digunakan kembali untuk siklus absorpsi berikutnya. Kontinu adsorpsi dengan larutan model yang mengandung 10 g / L butanol, 5 g / L aseton, 2 g / L etanol, 4 g / asam L asetat dan 2 g / L asam butirat .Secara singkat, butanol, air dan campuran ABE dengan perbandingan 6: 3: 1 pertama kali terserap ke karbon aktif selama 24 jam untuk mencapai saturasi. Kemudian, gratis (unadsorbed) air dan pelarut telah dihapus dari 'basah' diaktifkan karbon dengan menepuk-nepuk dengan kertas saring. Butanol desorpsi dari yang '' dimuat "karbon aktif (berat awal: 30,37 ± 0,18 g) adalah kemudian dilakukan dengan pemanasan pada suhu meningkat secara bertahap (10 derajat C / menit), dari 25 derajat C ke 250 derajat C, sampai mencapai berat konstan. Sebuah proses pemanasan dua langkah untuk butanol desorpsi kemudian dipelajari. Secara singkat, 10 g karbon aktif yang disetimbangkan di 300 ml Model solusi (15 g / L butanol) pada 37 derajat C dengan agitasi 25 rpm selama 24 jam. Setelah menghapus air gratis dan butanol un teradsorpsi dengan kertas saring dan aspirasi melalui jarum suntik 50 ml, yang sebagian adsorben kering dipanaskan pertama di 40 derajat C untuk menghapus air, dan kemudian dipanaskan pada 200 derajat C untuk pemulihan butanol.
- Kultur dan Media
Clostridium beijeranckii CC101 digunakan dalam fermentasi botol serum tanpa kontrol pH. Clostridium acetobutylicum JB200 berasal dari ATCC 55025 digunakan untuk ABE fermentasi
dalam bioreaktor dengan kontrol pH. Budaya benih disiapkan di media pertumbuhan klostridial (CGM) yang mengandung 30 g / L glukosa, 2 g / L ekstrak ragi, 1 g / L Tryptone, mineral dan vitamin dalam buffer fosfat seperti yang dijelaskan tempat lain dan diinkubasi pada 37? C untuk? 16 jam sampai pertumbuhan aktif diamati. media itu disterilkan dengan autoklaf pada 121 derajat C dan 15 psig selama 30 menit. Batch fermentasi adalah belajar menggunakan media P2 mengandung glukosa (70 g / L), ekstrak ragi (1 g / L), penyangga fosfat (0,5 g / L KH2PO4 dan 0,5 g / L K2HPO4), amonium asetat (2,2 g / L), vitamin (1 mg / L para-aminobenzoic Asam, 1 mg / L
Dessy Rahmawati_1513100075_B thiamin dan 0,01 mg / L biotin), dan mineral garam (0,2 g / L MgSO4? 7H2O, 0,01 g /
L MnSO4? H2O, 0,01 g / L FeSO4- 7H2O, 0,01 g / L NaCl). Semua solusi dibersihkan dengan nitrogen untuk 1 jam melalui steril saringan 0,2 lm, baik sebelum atau setelah autoklaf.
- Batch fermentasi dalam botol serum
Fermentasi batch pertama kali dipelajari dengan C. CC101 beijeranckii dalam botol serum yang mengandung 80 ml media P2 dan 4 g dari adsorben (Norit ROW 0,8, Dowex SD-2, Dowex L-493, atau CBV901). sampel cair ditarik dengan jarum suntik secara berkala untuk analisis glukosa, densitas sel bebas dan fermentasi produk. Untuk mengevaluasi usabilitas dari AC dan reproduktifitas yang kinerja fermentasi dengan in situ adsorpsi, karbon aktif dalam botol serum dikumpulkan dan regenerasi dengan pemanasan pada 200 derajat C untuk berat konstan, dan kemudian dicuci tiga kali dengan air digunakan untuk fermentasi batch berikutnya. Ini diulang selama 5 siklus, dengan glukosa awal dan akhir dan butanol konsentrasi dalam kaldu fermentasi , lalu dicatat untuk setiap siklus.
-
Fermentasi Fed-batch dalam bioreaktorFermentasi ABE terintegrasi dengan sistem adsorpsi terdiri reaktor diaduk-tangki (1,5 L Volume bekerja) dan kaca eksternal kolom (i.d .: 50 mm, panjang: 400 mm, volume 250 ml) dikemas dengan 75 g karbon aktif. Bioreaktor dengan media dan kolom karbon aktif yang diautoklaf secara terpisah selama 45 menit, dan aseptik terhubung setelah sterilisasi. Sebelum inokulasi dengan 100 ml di kultur semalam JB200 di botol serum, seluruh sistem itu sparged dengan nitrogen untuk 30 menit untuk memastikan lingkungan bebas oksigen. Absorbsi di inisiasi dengan mensirkulasi fermentasi broth di antara fermentor dan kolom absorbsi pada 60 ml / menit ketika konsentrasi butanol di fermentasi kaldu telah mencapai 10 g / L selama 30 menit.
Hasil
Skrining adsorben untuk adsorpsi butanol
Pada gambar. 1. Di antara mereka, karbon aktif (Norit ROW 0,8) adalah adsorben terbaik dengan spesifik tertinggi pemuatan (q = 0,21 g butanol / g adsorben) dan koefisien partisi (Kr = 0,15 g butanol / g adsorben / g butanol / L)
Dessy Rahmawati_1513100075_B
Absorbsi Isoterm
Pada gambar 2 menunjukkan isoterm adsorpsi pada 37 derajat C dan 60 derajat
C. Secara umum, beban khusus untuk ini adsorben meningkat dengan meningkatnya konsentrasi butanol dalam larutan dan menurun dengan meningkatnya suhu dari 37 derajat C untuk 60 derajat C. Data isoterm menegaskan bahwa Norit ROW 0,8 adalah yang terbaik n-butanol adsorben dengan nilai tertinggi qm (0.48 g / g) dan nilai K termurah (1,72 g / L) pada 37 derajat C. Adsorpsi isoterm karbon aktif selanjutnyadengan ABE kaldu fermentasi, dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar. 2C. Dibandingkan dengan isoterm yang diperoleh dengan larutan butanol murni (Gambar. 2A), jumlah butanol teradsorpsi di hadapan glukosa, aseton, etanol, dan asetat dan butirat asam secara signifikan lebih rendah karena kompetisi untuk situs aktif oleh terutama aseton dan asam butirat
Gambar.2
Dinamika adsorpsi dalam kolom dikemas karbon aktif
Pada gambar 3 menunjukkan kurva adsorpsi terus menerus dengan larutan butanol (Gambar. 3A) dan solusi model yang mengandung ABE dan asetat dan butirat
asam (Gambar. 3B). Dengan 10 g / L butanol , dimulai pada 30 menit dan terobosan lengkap terjadi di 60 menit dalam siklus pertama, sementara di mulai lebih awal dalam siklus kedua. Berdasarkan terobosan. Data kurva, jumlah butanol teradsorpsi yang 8,88 g dan 8,59 g dalam siklus pertama dan kedua, masing-masing, dengan sesuai beban spesifik 0,355 g / g dan 0,344 g / g, yang sebanding dengan nilai ( 0,36 g / g) ditemukan di adsorpsi isoterm (Gambar. 2A). Data menunjukkan bahwa AC bisa diregenerasi dan digunakan kembali dengan efisiensi tinggi (> 97%) tanpa kehilangan banyak nya
Dessy Rahmawati_1513100075_B kapasitas adsorpsi. Urutan bahan kimia ini (Asam asetat, aseton, etanol, asam butirat,
dan butanol) jelas menunjukkan bahwa butanol memiliki adsorpsi yang lebih tinggi dengan AC dari spesies kimia lainnya. Berdasarkan kurva , beban tertentu yang ditemukan: butanol 0,268 g / g, aseton 0,044 g/ g, etanol 0,011 g / g, asam asetat 0,014 g / g, asam butirat 0,038 g / g. Hasil yang konsisten dengan nilai-nilai yang ditemukan di isoterm adsorpsi (Gambar. 2C) dan menegaskan bahwa AC memiliki kapasitas adsorpsi yang lebih tinggi dan selektivitas untuk butanol lebih aseton, etanol, asam asetat, dan butirat acid.
Gambar. 3
Desorpsi termal butanol dari karbon aktif
Pada gambar 4 menunjukkan desorpsi thermogravimetrical air, butanol dan
campuran ABE dari Norit ROW 0,8. Perlu dicatat bahwa lebih air teradsorpsi pada AC dari butanol dan campuran ABE. Namun, adsorpsi air lebih lemah dari butanol adsorpsi, dan desorpsi air lebih cepat dengan desorpsi lengkap pada 125 derajat C, sementara selesai desorpsi butanol terjadi pada suhu yang jauh lebih tinggi dari 200 derajat C. Seperti yang bisa dilihat di thermogravimetrical yang kurva desorpsi, sekitar 60% dari air yang terserap itu diserap ketika suhu pemanasan meningkat menjadi 100 derajat C, yang tampaknya menjadi titik belok untuk menurun butanol desorpsi menilai. Hasil penelitian menunjukkan bahwa sekitar 40% dari butanol terserap itu lebih kuat
teradsorpsi. Untuk ABE, sekitar 80% dari terserap dalam spesies diserap saat suhu telah mencapai 113 derajat C. Dengan demikian mungkin untuk mendapatkan butanol-konsentrasi tinggi pada suhu yang lebih tinggi setelah menghapus sebagian besar air terserap pada suhu yang lebih rendah. Temuan serupa dilaporkan untuk ACF-400 yang desorpsi termal dihasilkan konsentrasi butanol tinggi 150 g / L di didesorbsi yang fase dengan tingkat pemulihan konsisten 80% di 7 siklus adsorpsi-desorpsi
Dessy Rahmawati_1513100075_B menggunakan solusi Model ABE . Konsentrasi butanol jauh lebih tinggi dari 80% (w /
v) dapat diperoleh dari proses desorpsi dua langkah menggunakan silikalit dan zeolit, yang memiliki selektivitas yang lebih tinggi untuk butanol .
Gambar. 4
Batch fermentasi dengan di adsorpsi situ di botol serum
Dengan Norit ROW 0,8, semua glukosa digunakan dalam fermentasi,
menghasilkan Sebanyak 21,9 g / L butanol dengan yield 0,31 g / g glukosa yang dikonsumsi. Fermentasi dengan Dowex L-493 dan SD-2 diproduksi 14,5 g / L dan 15,2 g / L butanol, masing-masing, dengan yield 0,31 g / g, dengan 24,5 g / L dan 20,4 g / L glukosa, masing-masing, yang tersisa dalam kaldu ketika fermentasi berhenti. Sebaliknya, kontrol fermentasi diproduksi hanya 11,7 g / L butanol dengan yield 0,27 g / g, dengan 28,5 g / L glukosa yang tersisa tidak terpakai dalam kaldu. fermentasi berhenti karena penghambatan yang kuat dengan butanol di> 10 g / L. Jelas, in situ butanol adsorpsi ditingkatkan fermentasi dengan mengurangi toksisitas butanol. Namun, produksi butanol tidak membaik dengan CBV901, yang memberi produksi butanol yang sama (11,5 g / L) dan pemanfaatan glukosa untuk mereka kontrol, meskipun sejumlah besar butanol dihasilkan juga terserap, menunjukkan bahwa CBV901 hidrofobik adalah racun bagi sel dan tidak kompatibel dengan fermentasi dalam adsorpsi butanol secara in situ.
Fermentasi dengan
butanol adsorpsi
dalam bioreaktor
Dengan medium awalnya mengandung 85 g / L glukosa, 18.3 g / L butanol diproduksi di? 54 h (Gambar. 5A), memberikan butanol sebuah produktivitas 0,34 g / L h dan hasil 0,22 g / g glukosa yang dikonsumsi. fermentasi Fed-batch kemudian dipelajari dengan adsorpsi melalui kolom eksternal karbon aktif. Butanol adsorpsi yang
Dessy Rahmawati_1513100075_B diinisiasi dengan sirkulasi kaldu antara fermentor dan kolom adsorpsi ketika konsentrasi
butanol dalam kaldu mencapai 10 g / L. larutan glukosa pekat pulsa-diumpankan ke bioreaktor beberapa kali sampai fermentasi berhenti di 106 h ketika konsentrasi butanol dalam kaldu fermentasi mencapai 18,7 g / L (Gambar. 5B). Thermal desorpsi dengan memanaskan diaktifkan kolom karbon pada 200 C mengakibatkan larutan yang mengandung 167,1 g / L butanol, 20,5 g / L aseton, 2,8 g / L etanol, 3,7 g / L asetat asam dan 0,9 g / L asam butirat dengan total volume 112,5 ml. Itu Jumlah total butanol diperoleh dari desorpsi adalah 18,8 g butanol, yang hanya? 80% dari butanol ( 23.5 g) teradsorpsi di kolom berdasarkan estimasi dari isoterm adsorpsi. Itu kurang dari 100% pemulihan butanol dari desorpsi termal karena kehilangan dalam mengumpulkan kondensat dalam sistem. Demikian, 16,1 g / L butanol dihasilkan dalam fermentasi itu terserap. Dengan adsorpsi, total produksi butanol meningkat 90% karena penghambatan diringankan butanol, tapi hasil butanol dan produktivitas yang mirip dengan kontrol tanpa adsorpsi, fermentasi dihentikan karena tingginya tingkat butanol di fermentasi kaldu akumulasi dan tidak efektif dihapus oleh adsorpsi, karena kejenuhan karbon aktif dengan butanol oleh 80 h seperti yang ditunjukkan oleh peningkatan pesat dalam butanol dan aseton dalam kaldu.
Gambar.5
Fermentasi kemudian belajar dengan sel amobil di kain katun dikemas dalam bioreaktor, awalnya dioperasikan dalam modus batch berulang tanpa adsorpsi (Gambar.
6A), diikuti dengan adsorpsi dioperasikan dalam mode fed-batch (Gambar. 6B). Dalam diulang fermentasi batch, kaldu fermentasi dikeringkan dan diganti dengan media segar di akhir setiap batch untuk memulai batch baru dengan sel-sel yang sudah bergerak dalam bioreaktor. Konsisten Kinerja fermentasi dengan 16-18 g / L butanol dihasilkan dari 77 g / L glukosa dikonsumsi dalam? 48 jam, dengan butanol sebuah hasil? 0,21 g /
Dessy Rahmawati_1513100075_B g glukosa dan produktivitas 0,34 g / L h, adalah diperoleh di semua tiga batch, yang
sama dengan yang fermentasi dari sel bebas. Sebanyak tiga kolom karbon aktif (Terhubung di 170, 195,5 dan 216,5 h, masing-masing) yang digunakan untuk butanol adsorpsi dalam fermentasi fed-batch, yang terus konsentrasi butanol dalam kaldu fermentasi bawah 10 g / L dan memungkinkan fermentasi untuk melanjutkan tanpa keracunan butanol. Namun, fermentasi secara bertahap melambat untuk akhirnya menghentikan pada konsentrasi aseton tinggi 18 g / L. Selektif adsorpsi butanol oleh karbon aktif mengakibatkan akumulasi aseton, yang menjadi beracun dan terbatas fermentasi ABE. Berdasarkan isoterm adsorpsi (Gambar. 2) dan konsentrasi butanol dalam kaldu fermentasi, jumlah total butanol teradsorpsi pada karbon aktif diperkirakan 73,0 g, menunjukkan bahwa butanol 45,7 g / L dihasilkan dalam fermentasi fed-batch yang teradsorpsi. Dengan demikian, total? 54,6 g / L butanol adalah dihasilkan dari 260 g / L glukosa dalam 122 jam dalam fermentasi, dengan yield butanol keseluruhan 0,22 g / g dan produktivitas? 0,45 g / L H. Dibandingkan dengan kontrol tanpa adsorpsi, adsorpsi butanol dengan karbon aktif meningkatkan total produksi butanol oleh 230% dan produktivitas dengan? 32% di-sel amobil fermentasi Dengan demikian jelas bahwa diaktifkan adsorpsi karbon dalam penghapusan situ butanol dari kaldu fermentasi dapat sangat meningkatkan ABE fermentasi. Namun, proses mungkin dibatasi oleh akumulasi aseton sebagai karbon aktif memiliki relatif rendah aseton kapasitas adsorpsi. Salah satu solusi untuk aseton ini masalah penghambatan adalah dengan menggunakan strain Clostridium seperti rekayasa C. tyrobutyricum yang tidak menghasilkan aseton
