Development of an integrated multi-enzyme – membrane system for gluconic acid production

Abstract

El desarrollo de bioprocesos es un tema de gran interés para la ingeniería de procesos, ya que necesita mejorar e implementar prácticas en la industria que garanticen un futuro sostenible. En general, la aplicabilidad de estos procesos a escala comercial está limitada por la complejidad de los biosistemas y las tecnologías de baja eficiencia, lo que conduce a que sean económicamente inviables. Por lo tanto, es necesario un profundo conocimiento del proceso y su operatividad para proponer tecnologías innovadoras que contribuyan a superar las restricciones mencionadas, mejorando así la incorporación de los bioprocesos en la industria. En esta disertación, se desarrolló un proceso intensificado para la producción y extracción de ácido glucónico utilizando un sistema multi-enzimático combinado con una extracción in situ mediante un nuevo proceso de membrana líquida. Este proceso se desarrolló utilizando celulosa microcristalina como fuente de carbono. Además, el proceso se evaluó utilizando el pseudotallo de plátano, ya que es un sustrato económico y de alta disponibilidad en Colombia.

El sistema intensificado se desarrolló en tres etapas: el diseño del sistema multi-enzimático para la producción de ácido glucónico, la configuración del sistema de extracción del ácido glucónico empleando una membrana líquida en flujo de Taylor y la integración de los dos sistemas.

En el sistema multi-enzimático, se propuso el uso de cuatro enzimas (i.e., celulasa, -glucosidasa, glucosa oxidasa y catalasa) para la producción de ácido glucónico a partir de celulosa. El sistema fue evaluado exitosamente. Primero se identificó una ventana operativa común para las cuatro enzimas, en términos de pH y temperatura y se evaluó el desempeño de las enzimas bajo las condiciones seleccionadas. Con esta información se estimó el modelo cinético para cada enzima individual. Posteriormente, se propuso y evaluó experimentalmente el sistema multi-enzimático, empleando las cuatro enzimas en un solo reactor (one-pot). El desempeño del sistema demostró que es técnicamente viable obtener ácido glucónico a partir de celulosa. Este concepto se validó aún más utilizando el pseudotallo de plátano como fuente de carbono, donde se encontró un desempeño similar de la enzima en comparación con la materia prima sintética. Se implementaron simulaciones de procesos para comparar los modelos cinéticos desarrollados previamente con el desempeño del sistema experimental multi-enzimático. Se descubrió que existe una desviación de los resultados de la simulación, por lo tanto, se deben hacer más esfuerzos para extender los modelos y recalibrar los parámetros del modelo para reproducir evidencia experimental.

La segunda etapa es la configuración y análisis de la membrana líquida en un régimen de flujo de Taylor para la recuperación de ácido glucónico. Trioctilamina/1-dodecanol se eligió como la membrana líquida, debido a su afinidad hacia el ácido glucónico y su bajo transporte de agua. Para comprender mejor la extracción reactiva del ácido glucónico con la membrana, se propuso un modelo de equilibrio líquido-líquido a partir de datos experimentales. Posteriormente, se analizó el desempeño de la membrana líquida en el régimen de flujo de Taylor en busca de variables operativas. Los resultados de los experimentos mostraron gran influencia del tiempo de espera (delay time) entre la inyección de las fases donadora y aceptora y la concentración de la fase aceptora. Anticipándose a la integración del sistema de membrana líquida con el reactor multi-enzimático, se realizaron experimentos adicionales utilizando buffer acetato de sodio. Como inconveniente, se encontró que la membrana líquida tiene mayor selectividad por el acetato que por el ácido glucónico. Como consecuencia, para el diseño del proceso integrado se cambió el buffer acetato empleado en el sistema multi-enzimático por el buffer gluconato.

La última etapa fue el desarrollo y análisis del sistema integrado para la producción de ácido glucónico combinando los dos procesos diseñados previamente. Para integrar los sistemas, se implementó una estrategia de control de pH en circuito abierto donde la extracción del producto in situ permitió regular el pH del reactor. La productividad del sistema integrado fue más alta que la obtenida con el sistema multi-enzimático one-pot. Esta mejora del sistema integrado se atribuye principalmente a la reducción de la fuerza iónica del caldo debido al transporte acoplado de iones de bicarbonato y ácido glucónico, y en una extensión inferior a la eliminación in situ del ácido glucónico. El desempeño obtenido con el sistema integrado muestra el potencial de la tecnología desarrollada y es la fuerza impulsora para continuar investigando la optimización del proceso intensificado (Texto tomado de la fuente)

Bioprocess development is a topic of high interest to process engineering since more improved practices need to be implemented in the industry to guarantee a sustainable future. In general, the applicability of these processes to a commercial scale is limited by the biosystems complexity and low-efficiency technologies leading to their economic infeasibility. Therefore, a deep process and operability understanding are necessary to propose innovative technologies that contribute to overcome the mentioned restrictions, thus improve the permeation of bioprocesses in the industry. In this dissertation, an intensified process for gluconic acid production and extraction was developed using a multi-enzyme system combined with an in situ extraction by a novel liquid membrane process. This process was developed using microcrystalline cellulose as carbon source. Additionally, the process was evaluated using plantain pseudostem since it is a cheap and highly available substrate in developing countries.

The intensified system was developed in three stages: the multi-enzyme system design for gluconic acid production, the set-up of the gluconic acid extraction system using liquid membrane in Taylor flow, and the integration of both systems.

For the multi-enzyme system, four enzymes were proposed to produce gluconic acid from cellulose (i.e., cellulase, -glucosidase, glucose oxidase, and catalase). Experimentally, the system was evaluated and proved to successfully produce gluconic acid. Initially, a common operative window in terms of pH and temperature for the enzymes was identified and their performance evaluated under those conditions. This information was used to estimate the kinetic models for the individual enzymes. Exploiting the generated process understanding, a one-pot multi-enzyme system was proposed and experimentally evaluated. The system performance proved it was technically viable to obtain gluconic acid from cellulose. This concept was further validated using plantain pseudostem as a carbon source, finding analogous enzyme performance compared to the synthetic raw material. Process simulations were implemented to compare the previously developed kinetic models with the performance of the experimental multi-enzyme system. It was found that there is a deviation of the simulation results, thus further efforts must be made to extend the models and recalibrate model parameters to reproduce experimental evidence.

The second stage is the analysis and set up of gluconic acid recovery using liquid membrane in a Taylor flow regime. Trioctylamine/1-dodecanol was chosen as the liquid membrane, due to its affinity towards gluconic acid and low water transport. To have a better understanding of the reactive gluconic acid extraction by the membrane, a liquid-liquid equilibrium model was proposed from experimental data. Afterward, the performance of the liquid membrane in Taylor flow regime was analyzed for operative variables. Experiment results showed the high influence of the delay time between the injection of the donor and acceptor phases and the receiving phase concentration. Anticipating the integration of the membrane system with the multi-enzyme reactor, further experiments using a buffer solution of sodium acetate were performed. As a drawback, it was found that there is a higher selectivity towards acetate transport than for gluconic acid, implying the change of the buffer for the enzyme system for the integrated process design.

The last stage was the development and analysis of the integrated system for gluconic acid production by combining the two processes designed previously. In order to integrate the systems, a pH open-loop control strategy was implemented where the in situ product extraction allowed regulating the reactor pH. The integrated system productivity was higher than the conventional one-pot multi-enzyme performance. This improvement of the integrated system is attributed mainly to the reduced ionic strength of the broth due to the coupled transport of bicarbonate ions and gluconic acid and in a lower extension to the gluconic acid in situ removal. The obtained performance of the integrated system shows the potential of the developed technology and is the driving force to continue investigating the optimization of the intensified process.