Production of lactic acid from renewable resources using electrodialysis for product recovery

330 Pages·2017·10.22 MB·English

Downloaded from orbit.dtu.dk on: Feb 21, 2023

Production of lactic acid from renewable resources using electrodialysis for product
recovery
Garde, Arvid
Publication date:
2002
Document Version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Link back to DTU Orbit
Citation (APA):
Garde, A. (2002). Production of lactic acid from renewable resources using electrodialysis for product recovery.

General rights
Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright
owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights.

 Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research.
 You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain
 You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal

If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately
and investigate your claim.
Production of lactic acid from renewable resources using
electrodialysis for product recovery

Ph.D. Thesis
by
Arvid Garde

Department of Chemical Engineering
Technical University of Denmark

Supervisor: Ass. Prof. Gunnar Jonsson
Co-supervisor: Prof. Birgitte K. Ahring

December 2002.
Copyright © Arvid Garde, 2002
ISBN 87-90142-84-5
Printed by Book Partner, Nørhaven Digital, Copenhagen, Denmark

II
Preface

Preface

This thesis presents the results of work done in The Membrane Group, Department
of Chemical Engineering and in The Anaerobic Microbiology/Biotecnology Research
Group, Department of Biotechnology, The Technical University of Denmark, in the
period from January 1, 1998 to December 31, 2000 with Professor Gunnar Jonsson
and Professor Birgitte K. Ahring as supervisors.

The work is carried out as part of the Danish research project “Biologically Based
Packaging Materials for Foods” for which the main objective is to initiate development
of a new generation of food packaging materials based on biomass originating from
waste products from Danish crops, and to investigate the suitability of the biobased
materials for packaging of foods.

The project “Biologically Based Packaging Materials for Foods” is focused on:

• Development of biobased packaging materials originating from potato starch.

• Development of biobased packaging materials originating from polylactic acid
(PLA) produced by microbial fermentation of e.g. hemicellulose from wheat
straw and brown juice from the green crop drying industry.

• Investigation of the suitability of the biobased packaging materials for
packaging of foods.

• Optimization of the properties of the biobased packaging materials.

• Investigation of foodstuff packed in biobased packaging materials (e.g.
mushroom, orange juice and mould ripened cheeses).

In this thesis “only” the fermentative production of lactic acid from agricultural crop
residues (wheat straw) and agro-industrial waste (grass juice) are investigated in
combination with product recovery using different membrane techniques. The thesis
consists of a short summary, an introduction describing the motives for doing
research within this field, a chapter describing the theory behind the different steps of
the lactic acid process, a results section including research papers, a chapter
concerning modeling of a special electro-membrane process, a chapter in which the
economics behind a lactic acid plant is evaluated and finally concluding remarks.
III
IV
Acknowledgement

Acknowledgement

I would like to thank Gunnar Jonsson and Birgitte K. Ahring for supervision, guidance
and support. I would also like to thank pre- and present members of both the
Membrane Group and The Anaerobic Microbiology/Biotecnology Research Group.

A special thank to Anette S. Schmidt, Plant Biology and Biogeochemistry, Risø
National Laboratory, PO Box 49, DK-4000 Roskilde and Pauli Kiel, Centre for Agro-
Industrial Biotechnology, University of Southern Denmark, Niels Bohrs Vej 9, DK-
6700 Esbjerg for a good and fruitful collaboration.

Chr. Hansen A/S, Bøge Allé 10, DK-2970 Hørsholm is acknowledged for supplying
lactic acid bacteria for the initial screening and Tokuyama Europe GmbH, Düsseldorf
for supplying ionexchange membranes.

The Danish Ministry of Food, Agriculture and Fisheries is acknowledged for support
of the work by grants from the program “Increased Utilization of Renewable
Resources for Industrial Non-food Purposes (1997-2001)”.
V
VI
Sammendrag

Sammendrag

Hemicellulose fra hydrolyseret hvedestrå samt plantesaft (brunsaft) fra produktion af
foderpiller blev benyttet som udgangsmateriale for produktion af mælkesyre.
Gennem screening af forskellige mælkesyreproducerende bakterier, viste det sig, at
en kombination af Lb. pentosus og Lb. brevis kunne udnytte samtlige
sukkerkomponenter i hemicellulose hydrolysatet med et højt udbytte, nemligå 95 %.
Bakterie kombinationen kunne gro på en blanding af hemicelulose hydrolysat og
brunsaft uden tilsætning af yderligere vækst komponenter.

Ved at benytte kombinationen af Lb. pentosus og Lb. brevis var det muligt at ændre
forbehandlingen af halmen, så vådoxideringen kunne forløbe uden brug af
natriumkarbonat og ved et reduceret ilttryk på 6 bar uden negativ indvirkning på
mælkesyre udbyttet. Det var herved muligt at reducere omkostningerne ved
forbehandlingen.

Kontinuert mælkesyrefermentering af brunsaft i en Anaerobic Sludge Blanket (UASB)
reaktor viste at blandingskulturen af Lb. pentosus and Lb. brevis var i stand til at
danne granula og herved immobiliseres i reaktoren. Som følge af dannelsen af
granula var det muligt at operere med hydrauliske opholdstider der var kortere end
generationstiderne for bakterierne, hvilket medførte en maksimal produktivitet på
14.8 g/l/h ved en fortyndingshastighed på 1.07 h-1. Det var dog ikke muliget at få
omsat al sukkerstof i udløbet fra reaktoren.

Forskellige mulige processer til separation og videre oprensning af mælkesyre fra
brunsaft fermentat er blevet undersøgt. Fælles for disse flow sheets er brugen af
elektrodialyse med bipolære membraner (EDBM) til at generere og koncentrere
mælkesyre ud fra laktat. Eksperimenterne viste at EDBM enheden var yderst effektiv
med strømeffektiviteter nær det teoretisk maksimale og et energiforbrug fra 1.48-2.26
kWh/kg når mælkesyre oprenses fra en væske indeholdende laktat. En ulempe ved
at benytte EDBM er kravet til en meget ren fødevæske, der ikke må indeholde celler,
proteiner o. lign. Specielt tilstedeværelsen at selv små mængder calcium og
magnesium kan betyde udfældninger af tungtopløselige hydroxider og irreversibel
skade på membranerne. Den meget lave koncentration af divalente kationer i
væsken fra fermenteret hvedemel gjorde det muligt at benytte mikro-/ultrafiltreret
ferment direkte til forsøg med to- og trekammer EDBM. Forsøgene viste at
trekammer konfigurationen havde en højere strømeffektivitet og lavere energiforbrug
end tokammer konfigurationen. Dette skyldes hovedsageligt at der i tokammer EDBM
VII
Sammendrag

forekommer konkurrerende iontransport af laktat og hydroxid, hvilket ikke er tilfældet
ved trekammer EDBM.

Nanofiltrering blev undersøgt som en mulig forbehandling for at imødekomme
kravene om et lavt niveau af divalente kationer før behandling af fermenteringsvæske
i en EDBM-enhed. Ved nanofiltrering af fermenteret brunsaft var det muligt at
reducere indholdet af calcium med ca. 98 % og opnå en fuldstændig klar væske,
men pga. et meget højt start niveau af divalente kationer kan det være nødvendigt at
foretage to serielle nanofiltreringer. De bedste resultater blev opnået med en NF45
nanofiltreringsmembran fra DSS, Danmark. Permeatfluxen faldt fra 30 til 10 l/m2h
under en 6 gange opkoncentrering ved 30 bar. Der var ingen markant ændring ved at
benytte fermenteret brunsaft der allerede var mikro- eller ultrafiltreret, hvilket kan
skyldes det relativt lille volumen af fermenteret brunsaft i forhold til membranarealet
som blev benyttet i forsøgene.

Der blev foretaget forsøg med en ny type neddyppet vibrerende mikrofiltreringsmodul
med hule fibre, som udviste høj permeatflux under filtrering ved ekstrem lavt
transmembrantryk (TMP). Af hensyn til sammenlignelighed med andet litteratur blev
der under udviklingsarbejdet af modulet udelukkende benyttet modelopløsninger i
form af gærsuspensioner. Ved vibrationer med en amplitude på 3 mm og en frekvens
på 30 Hz var det muligt at opnå en kritisk flux på 68 l/m2/h under filtrering af en 5 g/l
gær suspension ved et transmembrantryk på 6 mbar.

Længerevarende undersøgelser af mælkesyreekstraktion fra fermenteringsvæske
med elektro-membran processer førte til udviklingen af en proces med indbygget
anti-tilsmudsningsmekanisme. Processen er blevet døbt strømvendende elektro-
forstærket dialyse og er beskrevet i en patentansøgning. Membranopsætningen
svarer til opsætningen i en Donnan dialyse proces med anionbyttermembraner, men
elektrisk strøm sendes gennem systemet for at forstærke iontransporten, der er
kontrolleret af konkurrerende transport mellem laktationer og hydroxidioner ved
skiftende pH-niveauer. Strømvending er inkorporeret for at destabilisere opbyggede
lag af organisk tilsmudsning på membranerne.
Den strømvendende elektro-forstærkede dialyse proces blev testet på både model
opløsninger og fermenteringsvæsker ved en opsætning, der simulerer en kontinuert
fermentering. Tilfredsstillende laktatfluxe kombineret med høj tilbageholdelse af
sukkerstoffer, calcium og magnesium blev konstateret. Procesfaktorer som
strømeffektivitet og energiforbrug var ikke tilfredsstillende, men det blev anslået at
optimering af udstyrsdesign og af operationsparametre gennem
computersimulationer kunne bringe disse op på et økonomisk acceptabelt niveau.
V III
Sammendrag

Ved at indføre strømvending kunne processen køre uden stop over længere
perioder, end hvis strømvending blev udeladt.
Strømvendingen medfører et effektivitetstab, der blev undersøgt ved konstruktionen
af en matematisk model, der blev implementeret som et computerprogram. Dette
program var i stand til at producere estimater for strømeffektivitet, samlet laktatflux,
energiforbrug og nødvendigt membranareal for som funktion af
strømvendingsfrekvens, laktat og hydroxid koncentrationer i føde og dialysat, samt
strømdensitet.

Et anlæg til produktion af 10,000 tons mælkesyre (88%) om året blev designet
baseret på kontinuert fermentering i en UASB reaktor og den strømvendende elektro-
forstærkede dialyse proces ved at benytte procesestimater bestemt fra
eksperimenter eller gennem simuleringer. Ekstraktionen af laktat fra
fermenteringsvæske blev kombineret med elektrodialyse med bipolære membraner,
afsaltning ved hjælp af elektrodialyse og inddampning for at opnå den ønskede
renhedsgrad og koncentration. En økonomisk evaluering af produktionen blev
foretaget, og den samlede investering blev vurderet til at være (cid:1) 26,2 mio. Med en
mælkesyrepris på 1,56 (cid:1)/kg 88% mælkesyre blev tilbagebetalingstiden udregnet til
3,4 år og forrentningen til 35 %. Anlæggets økonomiske sensitivitet overfor udsving i
mælkesyres salgspris og substratomkostninger blev ligeledes undersøgt.

IX