Перемішування в біореакторі робить значний прогрес у виробництві вдосконаленого біопалива

2 хвилини на читання

Кліматичні проблеми вимагають розробки енергетичної суміші, що сприяє безвуглецевим енергіям.

IFPEN сприяє цьому різними каналами, включаючи біопаливо з непродовольчих ресурсів.

виробництво лігноцелюлозного етанолу (або 2G етанол) потрібен етап ферментативного гідролізу для перетворення целюлози в глюкозу, яка потім перетворюється в етанол шляхом спиртового бродіння. Цей етап здійснюється ферментативно, але становить одну з основних економічних перешкод для розвитку процесу через високу вартість ферментів, званих целюлазами.

Більшість промислових целюлаз продукується ниткоподібним грибом Trichoderma reesei, завдяки своїй високій секреційній здатності, яка досягає концентрацій вище 100 г/л [1]. Класичний виробничий процес, розроблений у IFPEN, здійснюється у два етапи, етап у періодичному режимі та етап у режимі подачі:

перший крок - вирощування гриба в збуджених та аерованих ферментерах на кілька сотень м 3. На цьому етапі потрібно дуже інтенсивне збудження, щоб сприяти передачі кисню з повітря мікроорганізмам. Ниткоподібна морфологія гриба лежить в основі неньютонівської реологічної поведінки * середовища, а при високих концентраціях - недоліки цього перенесення [2]. Дійсно, в'язкість збільшується, коли концентрація грибів зростає, отже, необхідність забезпечити дуже значну потужність перемішування [3] .
Як тільки ферментаційне середовище буде достатньо сконцентровано в ниткоподібній біомасі, ми переходимо в режим періодичної подачі з встановленням корму за допомогою потоку індукуючого цукру. Цей потік є обмежуючим, тобто він менший за максимальну споживну здатність грибів і викликає метаболічні зміни. Потім культура переходить у виробничу стадію, під час якої гриби виробляють потрібні ферменти (целюлази).

Технологія перемішування промислових ферментерів має вирішальне значення для виробництва ферментів, оскільки вона повинна забезпечувати оптимальні умови з точки зору переносу кисню та гомогенізації концентрацій субстратів, дотримуючись подвійного обмеження: обмеження енергоспоживання та мінімізація механічного впливу зсуву на мікроорганізми . Цей останній момент спричинив значні наукові зусилля в IFPEN за останні роки. Це стало можливим завдяки розробці інноваційних засобів характеризування, що стосуються характеристики реології середовищ [4] та обробки зображень для морфології ниткоподібних грибів [5], як показано на малюнку 1.

Ці інструменти застосовувались для характеристики ферментації, що проводиться в дуже різноманітних умовах перемішування з точки зору поданої потужності, типу перемішувального двигуна та розміру ферментера. Отримані дані, які є унікальними в цій галузі, дозволили ідентифікувати відповідні гідродинамічні дескриптори для прогнозування реології, морфології та ферментаційних властивостей нитчастого гриба.

* в'язкість якої змінюється в залежності від швидкості зсуву.

Рисунок 1: Культура Trichoderma reesei в 3-літровому ферментері та зображення з мікроскопічного аналізу морфології грибів

У порівнянні з різними критеріями, які зазвичай застосовуються для кількісної оцінки зсуву, критерієм, який видається найбільш актуальним, є так званий критерій EDCF-εmax для функції розсіювання/кругообігу. Цей критерій визначається співвідношенням між максимальною дисипацією енергії внаслідок лопатей перемішувального пристрою (εmax) та середнім часом між двома проходами гриба в зоні найсильнішого збудження (час циклу). Критерій EDCF-εmax особливо підходить для екстраполяції ферментацій, що вивчаються в лабораторії, у більших масштабах, оскільки він забезпечує дуже хорошу кореляцію з ключовими величинами (реологія, морфологія, ріст гриба) і, таким чином, дозволяє прогнозувати підхід до продуктивності. кількості промислових ферментерів. Це проілюстровано на малюнку 2, який демонструє еволюцію цікавих кількостей під час фази росту щодо обраного критерію.

Рисунок 2: Демонстрація відповідної залежності швидкості росту, в'язкості та морфології щодо критерію EDCF-εmax.

Під час фази виробництва ферменту спостерігалося кількісне зниження ферменту під впливом занадто сильного збудження. Протеомічний аналіз внутрішньоклітинних білків при різних рівнях збудження показує, що впливає на тип синтезованих білків зі зменшенням вироблення бажаних целюлаз на користь збільшення синтезу білків із реакцією на стрес та тих, хто бере участь у центральному метаболізмі. Цей результат свідчить про більші витрати енергії на підтримку клітин за рахунок виробництва целюлази [6] .

Оскільки критерій EDCF-εmax також можна легко пов’язати з властивостями відомих мотивів перемішування, таких як їх власна насосна здатність та енергетична потужність, він також є цінною допомогою для вибору майбутніх технологій перемішування.

Робота проводилась в основному у співпраці з професорами К. Беалом з AgroParisTech та А. В. Ніеновим з Бірмінгемського університету в рамках дипломної роботи, що фінансується Ademe, проведена в рамках IFPEN і підтримана в 2016 році [7]. .

Відгуки дисертаційної команди Ніколя Харді:

Проведена робота отримала високу оцінку наукової спільноти, про що свідчить, з одного боку, нагорода найкращого стенду на конгресі SFGP 2017 [6] у категорії Інновації в біопродукції а, з іншого боку, обкладинка ілюстрації 173 грудня 2017 року журналу Chemical Engineering Science [8, 9] .

Наукові контакти: Фредерік Оже - [email protected]

Публікації

[1] Ben Chaabane F, Chaussepied B. Процес безперервного виробництва целюлаз нитчастим грибом з використанням вуглецевого субстрату, отриманого в результаті попередньої обробки кислотою.
>> Патент США 9249402 B2; 2016 рік

[2] Gabelle JC, Jourdier E., Licht R., Ben Chaabane F., Henaut I., Morchain J., Augier F., Вплив реології на коефіцієнт масообміну під час фази росту Trichoderma reesei в перемішуваних біореакторах Chem.Eng.Sci, 75, 408-417, 2012.
>> DOI: 1 0.1016/j.ces.2012.03.053

[3] Gabelle JC, Augier F., Carvalho A., Rousset E., Morchain J., Вплив розміру резервуара на kLa та час змішування в аерованих перемішуваних реакторах з неньютонівськими рідинами., Can.J.Chem.Eng., 89, 2011.
>> DOI: 10.1002/cjce.20571

[4] Hardy N., Henaut I., Augier F., Béal C., Ben Chaabane F., Reheology of filamentous fungi: інструмент для розуміння процесу виробництва біокаталізаторів, що використовуються для виробництва біоетанолу, Rheology, Flight . 27, 43-48, 2015.
>> https://www.researchgate.net/publication/305267699

[5] Харді Н., Моро М., Гійом Д., Оже Ф., Нієнов А., Беал К., Бен Чаабен Ф., вдосконалений метод цифрового аналізу зображень, присвячений характеристиці морфології ниткоподібних грибів, Journal of Мікроскопія, вип. 266, випуск 2 2017, с. 126-140.
>> DOI: 10.1111/jmi.12523

[6] Ніколас Харді, Фадхель Бен Чаабан, Фредерік Оже, Елвін В. Нієнов, Кетрін Беал. Ідентифікація реакції динамічного напруження рідини T. reesei під час безперервного бродіння, проведеного з високою швидкістю перемішування. 16-й конгрес Французького товариства з технологічної технології (SFGP), липень 2017, Нансі, Франція
>> HAL-01561070

[7] Ніколас Харді. Докторська дисертація: Визначення критеріїв екстраполяції процесу виробництва целюлази Trichoderma reesei з використанням підходу "зменшення масштабу", 2016 р.
>> HAL-01637274