Development of Continuous Mode Fermentation with Electrochemical In-situ Product Recovery for Succinic Acid Production by Actinobacillus Succinogenes
(2023) KETM05 20231Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
- Abstract
- This project utilizes an electrochemical recover unit to extract succinic acid through an anion exchange membrane. The extraction was first used in abiotic experiments using synthetic broth mimicking a fermentation with Actinobacillus succinogenes. The extraction was favored by high salinity of the anolyte and a pH controlled at pH 7 in the catholyte. Batch fermentations were coupled with the extraction unit and a maximum succinic acid flux of 286 g/m$^2$h was achieved with a membrane area of 0.00126 m$^2$. Investigation of the positive metabolic effect of the extraction unit caused by the recirculated hydrogen gas from the cathode and the extraction of inhibiting compounds did not agree with literature. Both yield and productivity... (More)
- This project utilizes an electrochemical recover unit to extract succinic acid through an anion exchange membrane. The extraction was first used in abiotic experiments using synthetic broth mimicking a fermentation with Actinobacillus succinogenes. The extraction was favored by high salinity of the anolyte and a pH controlled at pH 7 in the catholyte. Batch fermentations were coupled with the extraction unit and a maximum succinic acid flux of 286 g/m$^2$h was achieved with a membrane area of 0.00126 m$^2$. Investigation of the positive metabolic effect of the extraction unit caused by the recirculated hydrogen gas from the cathode and the extraction of inhibiting compounds did not agree with literature. Both yield and productivity decreased compared to the control. The ratio of succinic acid in comparison to the byproducts formic acid and acetic acid increased by almost four and two and half times respectively. The ratio of NADH and NAD+ did not show any significant results but might suggest that the NADH are replenished at about 48 hours of the fermentation. The extraction unit was coupled with a continuous operated fermentor and was able to extract succinic acid. This experiment gave low fluxes but very high selectivity for Succinic acid at 0.6. (Less)
- Popular Abstract (Swedish)
- Till skillnad från vad som visat sig i tidigare forskning verkar inte den elektrokemiska extraktionsenheten, som användes i detta projekt, ha någon positiv inverkan på satsvis fermentering. Projektet visade också att vid kontinuerlig fermentering ökade andelen transporterad bärnstenssyra, med denna extraktionsenhet, jämfört med satsvis fermentering.
I det här projektet användes en bakterie som heter Actinobacillus sugginogenes för att tillverka bärnstenssyra av glukos och koldioxid i en bioreaktor, en process som kallas fermentering. bioreaktorn var ihopkopplad med en extraktionsenhet som användes för att extrahera produkten, bärnstenssyra, men även några biprodukter från tillverkning. Extraktionsenheten utnyttjade två elektroder och en... (More) - Till skillnad från vad som visat sig i tidigare forskning verkar inte den elektrokemiska extraktionsenheten, som användes i detta projekt, ha någon positiv inverkan på satsvis fermentering. Projektet visade också att vid kontinuerlig fermentering ökade andelen transporterad bärnstenssyra, med denna extraktionsenhet, jämfört med satsvis fermentering.
I det här projektet användes en bakterie som heter Actinobacillus sugginogenes för att tillverka bärnstenssyra av glukos och koldioxid i en bioreaktor, en process som kallas fermentering. bioreaktorn var ihopkopplad med en extraktionsenhet som användes för att extrahera produkten, bärnstenssyra, men även några biprodukter från tillverkning. Extraktionsenheten utnyttjade två elektroder och en spänning över dessa för att transportera produkterna. På så sätt kunde produkten och biprodukterna vandra från vätskan på katodsidan, katolyten, genom ett membran till vätskan på anodsidan, anolyten.
Den elektrokemiska extraktionsenheten användes på tre olika sätt. Först abiotiskt, alltså utan några bakterier, där produkter och biprodukter manuellt tillsattes för att optimera inställningarna för extraktionen. Sedan, med en bioreaktor där produkter och biprodukter producerades samtidigt som enheten kunde separera ut dessa under fermenteringens gång. Denna reaktor matades med näring och glukos nödvändig för produktionen av bärnstenssyra i början av experimentet, vilket kallas satsvisfermentering. Slutligen, användes enheten tillsammans med en reaktor som kontinuerligt matades med näring.
Vid optimering av extraktionsenheten stod det klart att ett stigande pH hade en mycket negativ effekt på transporten. De optimala förhållandena för att transportera så mycket bärnstenssyra som möjligt var att hålla pH 7 i katolyten, använda så hög spänning som möjligt och ha en hög saltkoncentration i anolyten. Under den satsvisa fermenteringen var det däremot låg saltkoncentration som gav bäst resultat. Den högsta spänningen gav heller inte bäst resultat utan istället gav en lägre spänning en högre ström som i sin tur tillät större transport av bärnstenssyra. Användandet av extraktionenheten verkade inte ha någon positiv inverkan på fermenteringen trots att det tidigare observerats i andra studier. När den kontinuerliga reaktorn användes tillsammans med en större extraktionsenhet var andel transporterad bärnstenssyra jämfört med andelen transporterad biprodukt större än tidigare.
Att framställa bärnstenssyra genom fermentering av glukos är ett sätt att komma bort från användningen av oljebaserade produkter. Alla industrier använder sig av någon sorts utgångsprodukt, eller byggsten, i sin tillverkning och i många fall kommer de ursprungligen från råolja. Bärnstenssyra är en sådan byggsten och framställs idag från förnyelsebara produkter industriellt. För att öka konkurrenskraften och användningen av förnyelsebar bärnstenssyra måste dessa processer förbättras och utvecklas. Det här projektet har undersökt ett nytt sätt att separera ut bärnstenssyran som industriellt är ett av de mest kostsamma stegen. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9128427
- author
- Wahren, Jonatan LU
- supervisor
- organization
- alternative title
- Utveckling av kontinuerlig fermentering och extraktion av bärnstenssyra med elektrokemisk separation
- course
- KETM05 20231
- year
- 2023
- type
- H2 - Master's Degree (Two Years)
- subject
- keywords
- Fermentation, Electrochemical, Chemical engineering
- language
- English
- id
- 9128427
- date added to LUP
- 2023-06-22 10:51:34
- date last changed
- 2023-06-22 10:51:34
@misc{9128427,
abstract = {{This project utilizes an electrochemical recover unit to extract succinic acid through an anion exchange membrane. The extraction was first used in abiotic experiments using synthetic broth mimicking a fermentation with Actinobacillus succinogenes. The extraction was favored by high salinity of the anolyte and a pH controlled at pH 7 in the catholyte. Batch fermentations were coupled with the extraction unit and a maximum succinic acid flux of 286 g/m$^2$h was achieved with a membrane area of 0.00126 m$^2$. Investigation of the positive metabolic effect of the extraction unit caused by the recirculated hydrogen gas from the cathode and the extraction of inhibiting compounds did not agree with literature. Both yield and productivity decreased compared to the control. The ratio of succinic acid in comparison to the byproducts formic acid and acetic acid increased by almost four and two and half times respectively. The ratio of NADH and NAD+ did not show any significant results but might suggest that the NADH are replenished at about 48 hours of the fermentation. The extraction unit was coupled with a continuous operated fermentor and was able to extract succinic acid. This experiment gave low fluxes but very high selectivity for Succinic acid at 0.6.}},
author = {{Wahren, Jonatan}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{Development of Continuous Mode Fermentation with Electrochemical In-situ Product Recovery for Succinic Acid Production by Actinobacillus Succinogenes}},
year = {{2023}},
}