Investigation of a lactic acid purification process based on biological removal of contaminants in a membrane bioreactor system

Abstract

Im Zusammenhang mit der Bio-Kreislaufwirtschaft und der Nachhaltigkeit hat die Wissenschaft ihre Forschung auf die Verwertung von kostengünstigen Rohstoffen, Abfallstoffen und alternativen Verwertungstechnologien konzentriert. Das Biomolekül Milchsäure wird industriell durch die Fermentation von Glucose oder Saccharose hergestellt und findet in verschiedenen Bereichen breite Anwendung. Die konventionelle Weiterverarbeitung von Milchsäure stellt jedoch eine große Herausforderung dar. Um dieses Problem zu losen, wird in der vorliegenden Arbeit ein neuartiges biobasiertes Reinigungsverfahren fur Milchsäure untersucht, das die Fortschritte in der Biotechnologie und der Membranbioreaktortechnologie nutzt. Die Fermentationsbrühe enthält neben Milchsäure auch Verunreinigungen wie andere organische Sauren, die eine hohe physikalisch-chemische Affinitat zu Milchsäure aufweisen, so dass ihre Abtrennung mit erheblichen Schwierigkeiten und Kosten verbunden ist.Um Milchsäure von solchen Verunreinigungen zu befreien, wurde ein etablierter Mikroorganismus (d. h. ein E. coli-Stamm) so entwickelt, dass er organische Verunreinigungen selektiv abbaut, ohne Milchsäure aufzunehmen. Gleichzeitig wurde der Beitrag der Membranbioreaktor-Technologie (MBR) zur Entwicklung eines integrierten, hocheffizienten Prozesses untersucht, da Fermentation und Membrantrennung in einem einzigen Prozessschritt kombiniert werden. Die Membrantechnologie ist eine Schlüsselkomponente dieser entwickelten Technologie.Eine kostengünstige Ultrafiltrationsmembran (UF) aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) wurde ausgewählt, um in den Bioreaktor getaucht zu werden. In Anbetracht der Tatsache, dass sterile Bedingungen erforderlich sind, wurde die Wiederverwendbarkeit der UFMembran in mehreren Zyklen geprüft, wobei sich herausstellte, dass typische Sterilisationsmethoden ohne nennenswerte nachteilige Auswirkungen eingesetzt werden konnen.In Anbetracht des neuartigen Charakters des (hier untersuchten) Bio-Reinigungsverfahrens war das Hintergrundwissen auf einem niedrigen Technologiereifegrad (TRL) begrenzt, so dass zunächst ein Konzeptnachweis erforderlich war. Daher wurde fur den Konzeptnachweis ein synthetisches Medium verwendet, das die Zusammensetzung eines Stoffstroms reprasentiert, der bei der nachgeschalteten Verarbeitung von Grassilage-Pressaft entsteht. Grassilage wurde aufgrund ihres hohen Gehalts an Milchsäure und ihrer Charakterisierung als kostengunstiger agroindustrieller Reststoff ausgewählt. Dieses spezielle Ausgangsmaterial wurde auch im Rahmen des Projekts AgRefine (GA: 860477) ausgewählt, das die aktuellen Forschungsarbeiten finanzierte. Zunachst wurde der E. coli-Stamm auf seine Fahigkeit hin untersucht, auf einem synthetischen Medium zu wachsen, das Grassilage-Pressaft darstellt, ohne dabei Milchsäure zu verbrauchen. Die Validierung des Konzepts erfolgte durch eine sequenzielle Versuchsstrategie, die von Schuttelkolben bis hin zu einem Bioreaktor im Labormasstab reichte. Der letzte Schritt zur Erprobung des Bio-Reinigungsverfahrens war die Entwicklung des MBR-Betriebs. Die Milchsäure-Bioreinigung wurde erfolgreich im halbkontinuierlichen Modus betrieben, wodurch kritische Messgrößen wie die Entfernungsrate der Verunreinigungen verbessert wurden. Es wurde eine zellfreie Milchsäure-Lösung mit hoherem Reinheitsgrad gewonnen, was die technische Durchführbarkeit des Prozesses beweist.Im letzten Kapitel der Dissertation wurde der Nachweis des Konzepts auf reale Milchsäure-Fermentationsbrühen angewandt, nachdem einige vorläufige nachgeschaltete membranbasierte Aufbereitungsschritte durchgeführt worden waren. Insbesondere wurden die Permeate einer Ultrafiltration und einer Nanofiltration hinsichtlich der Effizienz der Entfernung von Verunreinigungen, der effektiven Zelltrennung und des Foulings der getauchten Membran vergleichend bewertet. Die MBR-Bioreinigung von Milchsaure erwies sich als eine vielversprechende Technologie zur Erhohung der Reinheit von Milchsäure-Lösungen, insbesondere bei relativ gering kontaminierten Prozessströmen wie –den Permeaten einer Nanofiltration.

In the context of circular bio-economy and sustainability, the scientific community has focused its research on the valorization of low-cost feedstocks and waste residues, employing alternative valorization technologies. The biomolecule of lactic acid (LA) is industrially produced through the fermentation of simple sugars and finds extensive applications invarious fields. However, conventional downstream processing of LA presents a significant challenge. Apart from LA, the fermentation broth contains impurities, such as other organic acids, which exhibit high physicochemical affinity with LA; consequently, the difficulty and the cost associated with their separation are considerable. To address this issue, the current thesisinvestigates a novel bio-based purification process for LA, leveraging advancements in biotechnology and membrane bioreactor technology.To purify LA from such impurities, a well-established microorganism (i.e. E. coli) was used; the engineered strain could selectively catabolize organic impurities without up-taking LA. Concurrently, the contribution of the Membrane Bioreactor (MBR) technology to develop an integrated, highly efficient process was investigated, as fermentation and membraneseparation are combined in a single process step. Membrane technology is a key component of the developed technology. A low-cost ultrafiltration (UF) hollow-fiber polyvinylidene fluoride (PVDF) membrane was selected to be submerged in the bioreactor. Considering that sterile conditions are required, the reusability of the UF membrane was assessed through multiple sterilization cycles, demonstrating that typical sterilization methods can be employed without significant adverse effects.Considering the novel nature and low Technology Readiness Level (TRL) of the (investigated herein) bio-purification process, the background knowledge was limited and proof-of-concept was initially required. Thus, a synthetic medium was used, representing the composition of a stream obtained from the downstream processing of grass silage leachate. In the context of the project AgRefine (GA: 860477), which funded the current research, grasssilage was selected because of its high content in LA and its characterization as low-cost agroindustrial residue. Initially, the E. coli strain was assessed for its ability to grow on the synthetic medium while not consuming LA. The concept was validated by following a sequential experimental strategy from shake-flask level to a bench-scale bioreactor. The last step to prove the bio-purification process was the development of the MBR operation. The LA biopurification successfully operated at semi-continuous mode, improving critical metrics such as the removal rate of the impurities. A cell-free and with higher purity LA solution was obtained, proving the technical feasibility of the process. The final chapter of the PhD thesis describes the proof-of concept of the biopurification process employing real LA fermentation broths after some preliminary downstream processing steps. Specifically, UF and nanofiltration (NF) permeates were comparatively assessed for impurity removal efficiency, effective cell separation, and fouling of the submerged membrane. The MBR bio-purification process was successfully demonstrated for NF permeate feed, whereas, when using the UF permeate process failurewas reported, due to cultivation contamination. Overall, the MBR bio-purification process of LA was demonstrated to be a promising technology for increasing the purity of LA solutions, particularly in relatively clean streams such as NF permeates.