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

• Prof. ¡Luuk ¡van ¡der ¡Wielen, ¡Department ¡of ¡Biotechnology, ¡Faculty ¡of ¡Applied ¡Sciences ¡

Process ¡integra-on ¡ ¡ for ¡1,3 ¡PDO ¡produc-on ¡

cell-­‑disrupAon ¡ cell ¡removal ¡ concentraAon ¡ purificaAon ¡ formulaAon ¡ MARKET ¡ FERMENTER ¡

Broth ¡is ¡a ¡mul--­‑component ¡mess! ¡

• mostly ¡water ¡
• (broken) ¡cells ¡and ¡their ¡contents ¡
• 1,3 ¡PDO ¡
• Organics: ¡ ¡unconverted ¡substrates ¡ ¡

¡ ¡ ¡metabolic ¡byproducts ¡

• Inorganics: ¡ ¡buffer-­‑ ¡and ¡nutrient ¡salts ¡

Cs,out ¡= ¡85 ¡·√ ¡10-­‑6 ¡mol ¡glucose/kg ¡ Cp,out ¡= ¡3.00 ¡mol ¡PDO/kg ¡ Cx,out ¡ ¡= ¡3.275 ¡mol ¡x/kg ¡

From ¡the ¡fermenter ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Gas ¡transfer: ¡ ¡O2 ¡ ¡ ¡ ¡ ¡= ¡433207 ¡mol ¡O2/h ¡ NH3 ¡ ¡= ¡35970 ¡ ¡ ¡mol ¡NH3/h ¡ H2O ¡ ¡= ¡225658 ¡mol ¡H2O/h ¡ ¡ ¡ ¡CO2 ¡ ¡= ¡607200 ¡mol ¡CO2/h ¡ FN,out ¡= ¡3760969 mol/h ¡ ¡yO2,out ¡ ¡ ¡ ¡ ¡= ¡0.0725 ¡ ¡ ¡yCO2,out ¡ ¡= ¡0.1614 ¡ ¡yw,out ¡ ¡ ¡ ¡ ¡= ¡0.0600 ¡ ¡ ¡ptop ¡ ¡ ¡ ¡ ¡= ¡1 ¡bar ¡ Fm,out ¡= ¡54920 ¡kg/h ¡ Heat ¡= ¡51434 ¡kJ/s ¡ ¡ FN,in ¡ ¡= ¡3361320 mol/h ¡ ¡yO2,in ¡= ¡0.2100 ¡ ¡yw,in ¡ ¡= ¡0 ¡ ¡ ¡yCO2,in

¡= ¡0 ¡

FN,NH3 ¡= ¡35970 mol/h ¡ ¡ Fm,in ¡ ¡ ¡= ¡71225 ¡kg/h ¡

Cx,out ¡= ¡3.275 ¡mol ¡x/kg ¡ ¡ This ¡corresponds ¡to ¡85 ¡g ¡dry ¡weight/kg ¡

• r ¡0.26 ¡kg ¡wet ¡cells ¡/kg ¡

Cs,in ¡ ¡= ¡3 ¡mol ¡glucose/kg ¡

Rp= ¡165 ¡000 ¡ mol ¡PDO/h ¡ ¡ Broth ¡mass ¡= ¡ 2250 ¡tonnes ¡ ¡ ¡ 35°C ¡

Tang ¡X ¡et ¡al. ¡Appl. ¡Environ. ¡Microbiol. ¡2009;75:1628-­‑1634 ¡

OD600 ¡

100 ¡ 80 ¡ 60 ¡ 40 ¡ 20 ¡ 0 ¡

Time ¡(h) ¡

0 ¡ 5 ¡ 10 ¡ 15 ¡ 20 ¡ 25 ¡ 30 ¡ 35 ¡ 26 ¡g ¡DW/L ¡~ ¡78 ¡g ¡wet ¡cells/L ¡ 43 ¡g ¡DW/L ¡~ ¡130 ¡g ¡wet ¡cells/L ¡

DW = dry weight of biomass

40 ¡

Growth ¡curve ¡of ¡E.coli ¡producing ¡1,3 ¡PDO ¡

85 ¡g ¡DW/kg ¡is ¡a ¡ much ¡higher ¡ biomass ¡ concentraAon ¡ than ¡found ¡in ¡ most ¡literature! ¡

acetate ¡ pyruvate ¡ lactate ¡ formate ¡ succinate ¡ Total ¡organic ¡byproducts ¡ ¡~ ¡17 ¡g/kg ¡broth ¡

Organic ¡compounds ¡of ¡1,3 ¡PDO ¡produc-on ¡

ConcentraAon ¡(g/liter) ¡ 7 ¡ 6 ¡ 5 ¡ 4 ¡ 3 ¡ 2 ¡ 1 ¡ 0 ¡ 0 ¡ 2 ¡ 4 ¡ 6 ¡ 8 ¡ 10 ¡ 12 ¡ 14 ¡ 16 ¡ 18 ¡ 20 ¡ 22 ¡ 24 ¡ 26 ¡ 28 ¡ 30 ¡ 32 ¡ 34 ¡ 36 ¡ 38 ¡ 40 ¡

Tang ¡X ¡et ¡al. ¡Appl. ¡Environ. ¡Microbiol. ¡2009;75:1628-­‑1634 ¡

Time ¡(h) ¡

Unconverted ¡substrates ¡ ¡~ ¡10 ¡g/kg ¡broth ¡

Total ¡‘inorganics’ ¡produc-on~ ¡6-­‑7 ¡g/L ¡

Media ¡Component ¡ Ini-al ¡Concentra-on ¡(g/L) ¡ Sulfuric ¡acid ¡ 0.55 ¡ Phosphoric ¡Acid, ¡85% ¡ 1.34 ¡ KH2PO4*** ¡ 1.4 ¡ Citric ¡acid ¡monohydrate ¡ 1.02 ¡ MgSO4 ¡·√ ¡7H20 ¡ 0.6 ¡ FeSO4 ¡·√ ¡7H20 ¡ 0.400 ¡ CaCl2 ¡·√ ¡2H20 ¡ 0.1 ¡ Soy ¡Protein ¡4950 ¡ 0.5 ¡ Sigma ¡204 ¡AnAfoam ¡ 0.40 ¡ MnSO4 ¡H2O ¡ 0.015 ¡ NaCl ¡ 0.005 ¡ ZnSO4 ¡·√ ¡7H2O ¡ 0.0005 ¡ CuSO4 ¡·√ ¡5H2O ¡ 0.00005 ¡ H3B03 ¡ 0.00005 ¡ NaMoO4 ¡·√ ¡2H2O ¡ 0.00005 ¡

Inorganic ¡compounds ¡in ¡broth: ¡~ ¡6-­‑7 ¡g/L ¡

Broth ¡contents ¡in ¡1,3 ¡PDO ¡produc-on ¡

• mostly ¡water*

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡~ 575 ¡g/kg ¡

• wet ¡cells ¡(39 ¡g/L) ¡and ¡protein ¡(1 ¡g/L) ¡ ¡ ¡256 ¡g/kg ¡
• 1,3 ¡PDO

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡135 ¡g/kg ¡

• organics ¡(substrate ¡sugars, ¡glycerol)*

¡ ¡ ¡ ¡10 ¡ ¡ ¡ ¡g/ kg ¡

• organics ¡(byproducts)

¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡17 ¡ ¡ ¡g/kg ¡

• inorganics ¡(nutrient ¡& ¡buffer ¡salts) ¡ ¡ ¡ ¡ ¡6 ¡ ¡ ¡ ¡g/kg ¡

cell-­‑disrupAon ¡ cell ¡removal ¡ concentraAon ¡ purificaAon ¡ formulaAon ¡ MARKET ¡ FERMENTER ¡

*approximate ¡amounts ¡from ¡various ¡literature ¡source ¡(papers, ¡presenta5ons, ¡

patents ¡US ¡7919 ¡658 ¡and ¡WO ¡2004076392, ¡or ¡es5mated) ¡

1,3 ¡PDO ¡processing ¡

1,3 ¡PDO ¡purifica-on ¡

cell-­‑disrupAon ¡ cell ¡removal ¡ concentraAon ¡ purificaAon ¡ formulaAon ¡ MARKET ¡ FERMENTER ¡

General ¡DSP ¡steps ¡

Not ¡required, ¡PDO ¡is ¡extracellular ¡product ¡ [A] ¡cell ¡removal ¡[B] ¡protein ¡removal ¡ ¡ [C] ¡inorganics ¡removal ¡ ¡ ¡[D] ¡water ¡removal ¡ [E] ¡organics ¡removal ¡ Not ¡discussed ¡ Not ¡discussed ¡ Discussed ¡in ¡weeks ¡2-­‑4 ¡

Process ¡steps ¡for ¡PDO ¡

CentrifugaAon ¡ ¡ FiltraAon ¡ MicrofiltraAon ¡/ ¡membrane ¡filtraAon ¡ Cells ¡sediment ¡too ¡slowly ¡under ¡gravity ¡ To ¡recover ¡PDO, ¡we ¡need ¡an ¡efficient ¡ (countercurrent) ¡integrated ¡wash ¡step ¡

L, ¡xN ¡ V, ¡yN ¡+1 ¡ L, ¡x0 ¡ V, ¡y1 ¡ 1 ¡ 2 ¡ ¡ ¡ N ¡ ¡x1 ¡ ¡y2 ¡ ¡x2 ¡ ¡y3 ¡ ¡yN ¡ ¡xN ¡-­‑1 ¡ N ¡-­‑1 ¡

F ¡ ¡ ¡ ¡ ¡

[A] ¡Cell ¡removal ¡

[B] ¡Protein ¡removal ¡

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

non-­‑vola5le ¡ EvaporaAon ¡

[C] ¡‘Inorganics’ ¡removal ¡

SorpAon ¡(and ¡chromatography) ¡ ExtracAon ¡ ¡ PrecipitaAon ¡/ ¡crystallisaAon ¡ depends ¡on ¡sorbent ¡availability ¡ here ¡a ¡charged ¡sorbent ¡(ion ¡exchange ¡resin) ¡ Membrane ¡processes ¡ no ¡realis5c ¡solvent ¡available ¡ ¡ depends ¡on ¡solubility ¡ depends ¡on ¡membrane ¡selec5vity ¡ May ¡lead ¡to ¡scaling ¡and ¡corrosion ¡in ¡equipment. ¡ ¡

[D] ¡Water ¡removal ¡

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

[E] ¡‘Organics’ ¡removal ¡

solubility ¡ polarity ¡ volaAlity ¡ all ¡well ¡soluble ¡ LogP ¡PDO ¡(-­‑1), ¡glycerol ¡(-­‑3), ¡glucose ¡(-­‑3), ¡sucrose ¡(-­‑4) ¡ boiling ¡points: ¡water ¡(100oC) ¡PDO ¡(214oC) ¡glycerol/sugars(290+oC) ¡ At ¡this ¡point, ¡all ¡components ¡(H2O/PDO/sugars/glycerol/other ¡byproducts) ¡ ¡ ¡ ¡ have ¡comparable ¡size, ¡polarity ¡and ¡charge ¡ >> ¡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) ¡

[A] ¡cell ¡removal ¡ [B] ¡protein ¡removal ¡ [C] ¡inorganics ¡removal ¡ [D] ¡water ¡removal ¡ [E] ¡organics ¡removal ¡ MARKET ¡ FERMENTER ¡

General ¡PDO ¡steps ¡

[A] ¡Membranes ¡(microfiltraAon) ¡ [B] ¡Membranes ¡(ultrafiltraAon) ¡ [C] ¡Ion ¡exchange ¡(sorpAon) ¡ EvaporaAon ¡(energy ¡integraAon) ¡ DisAllaAon ¡(energy ¡integraAon) ¡ MARKET ¡

US ¡7919 ¡658 ¡(2011) ¡

FERMENTER ¡

Op-on ¡2: ¡poten-ally ¡fewer ¡steps ¡-­‑ ¡US ¡6 ¡479 ¡716 ¡(2002) ¡

[A] ¡cell ¡removal ¡ [B] ¡protein ¡removal ¡ [C] ¡inorganics ¡removal ¡ [D] ¡water ¡removal ¡ [E] ¡organics ¡removal ¡ MARKET ¡ FERMENTER ¡

General ¡PDO ¡steps ¡

Membranes ¡(microfiltraAon) ¡ Membranes ¡(ultrafiltraAon) ¡ Ion ¡exclusion ¡(sorpAon) ¡ EvaporaAon ¡(energy ¡integraAon) ¡

• ­‑-­‑-­‑ ¡

MARKET ¡

US ¡6 ¡479 ¡716 ¡(2002)

FERMENTER ¡

Selec-ng ¡between ¡op-on ¡1, ¡2, ¡and ¡many ¡

• thers ¡
• SystemaAc, ¡quanAtaAve ¡methods ¡are ¡necessary ¡to ¡evaluate ¡

economic ¡and ¡ecological ¡impacts. ¡ ¡

• The ¡design ¡method ¡is ¡staged ¡and ¡iteraAve, ¡to ¡limit ¡

unnecessary ¡computaAonal ¡and ¡ ¡(costly) ¡experimental ¡work. ¡ ¡

• Start ¡rough, ¡only ¡working ¡out ¡the ¡design ¡recipe ¡per ¡

equipment ¡in ¡detail ¡at ¡a ¡later ¡stage ¡of ¡the ¡process ¡design. ¡

Systema-c ¡design ¡method ¡

Meeuse, ¡Grievink, ¡Verheijen, ¡et ¡al ¡(1999) ¡ ¡and ¡ ¡ ¡Jadhav, ¡van ¡der ¡Stappen, ¡Boom, ¡et ¡al ¡(2002) ¡ ¡

Simplified ¡version ¡of ¡Delf ¡ Conceptual ¡Design ¡Matrix ¡ for ¡systemaAc ¡design ¡

scope ¡of ¡design ¡ knowledge ¡of ¡

• bjects ¡

synthesis ¡ analysis ¡ evaluaAon ¡ report ¡ go/no ¡go ¡ Plant ¡type ¡ Input/output ¡structure ¡ Tasks ¡blocks ¡ Unit ¡operaAons ¡ Process ¡integraAon ¡ Equipment ¡design ¡ Control ¡system ¡ FuncAonal ¡ part ¡ ImplementaAon ¡ part ¡

See ¡you ¡next ¡unit! ¡