Het project heeft aangetoond dat het gebruik van MBR’s in een continu fermentatieproces de productie significant kan verhogen aan een lagere totale kost, met minder grondstoffen.
Een onlangs afgerond ISPT-project heeft succesvol aangetoond dat het gebruik van membraanbioreactoren (MBR) kan leiden tot een betere verwerking en goedkopere, duurzamere fermentatieproducten.
In traditionele biotechnologische processen resulteert fermentatie in een complexe mengeling van restbestanddelen van de grondstof, het eigenlijke product, bijproducten en de biokatalysator. Om het hoofdproduct te zuiveren wordt dit mengsel behandeld in het downstream-proces in verschillende operationele stappen. Dit gebeurt meestal ‘in batch mode’, waarbij de volledige inhoud van de fermentor in één keer wordt verwerkt. Voor producten die in grote hoeveelheden worden verkocht of producten met een lage marge, zijn continue processen gunstiger, omdat kleinere fermentoren dan gebruikt kunnen worden voor dezelfde productiecapaciteit.
Het ISPT-project onderzocht in hoeverre de integratie van membraantechnologie in het proces de doorvoer verder kan verhogen en de grootte van de fermentor kan reduceren, terwijl het uitspoelen van de biokatalysator wordt vermeden. “Op basis van de conclusies van een pre-projectfase hebben we besloten om de technische en economische haalbaarheid van de MBR-technologie te evalueren voor 2 gevallen: melkzuur- en bierproductie”, vertelt Heleen De Wever, projectenmanager Biotechnologie bij VITO, een van de partners in het project.
Verhoging productiviteit in melkzuurfermentatie
“Een switch van batch naar continue werking laat ons toe om de melkzuurproductie per volume-eenheid en tijd te verhogen met een factor 5”, zegt Heleen. “Als we een membraanfiltratiestap toevoegden om een hogere celdichtheid te bereiken, nam de productie zelfs toe met een factor 25. Bij melkzuurfermentatie lag de extra uitdaging in het combineren van dit doorgedreven proces met het gebruik van tweede generatie grondstoffen. De industrie is enorm geïnteresseerd in het gebruik van deze grondstoffen omwille van duurzaamheids- en kostenoverwegingen, maar ze kunnen inhibitoren bevatten die een negatieve impact hebben op het verdere fermentatieproces. Dit is waar het detoxificatiedeel van het project relevant werd. We waren in staat om aan te tonen dat het technisch haalbaar is om inhibitoren te verwijderen uit tweede generatie grondstoffen. En misschien nog wel interessanter, we kunnen bewijzen dat het mogelijk is om een lignocellulose hydrolysaat te fermenteren in een membraanbioreactor.”
Bier produceren van constante kwaliteit
Continue productie en werking bij hogere celdichtheden kunnen ook de efficiëntie van bierproductie grotendeels verbeteren. “We hebben aangetoond dat het kan resulteren in snelle productie van afgewerkt helder bier, zonder de nood aan een tijdrovende rijpingsfase,” zegt Heleen. “In dit geval waren een goede colloïdale stabiliteit en optimale smaakontwikkeling in het eindproduct de grootste uitdagingen.”
Ecologische voordelen
Door minder stilstand en hogere productiviteit zullen continue fermentatieprocessen doorgaans efficiënter zijn dan batchgewijze processen. Ze hebben dan ook onmiskenbare economische en ecologische voordelen. Voor MBR-concepten moest dit ook bewezen worden. Een levenscyclusanalyse (LCA) uitgevoerd door DSM, een van de industriële partners in het project, heeft aangetoond dat de koolstof-voetafdruk van 1 ton melkzuur geproduceerd in een MBR uit lignocellulose grondstof 43 % lager ligt dan de koolstof-voetafdruk van 1 ton conventioneel geproduceerd melkzuur op basis van rietsuiker. Dit is vooral te danken aan het uitgangsmateriaal (tweede generatie grondstof) en een lager energieverbruik.
Veelbelovende resultaten
Het project heeft aangetoond dat het gebruik van MBR’s in een continu fermentatieproces de productie significant kan verhogen aan een lagere totale kost, met minder grondstoffen. “Hoewel verdere procesoptimalisaties nog steeds nodig zijn, zijn dit veelbelovende resultaten voor de industrie,” concludeert Heleen.
Over het FO-10-07 project
Het FO-10-07 project startte op 1 Augustus 2012 met een 6 maanden durend pre-project, gevolgd door het eigenlijke project dat liep tot 31 mei 2016. Het project werd gecoördineerd door Corbion. De industriële partners waren Corbion, DSM en Pentair, met VITO, TNO, ECN en de Katholieke Universiteit Leuven als onderzoekspartners.
Over ISPT
Het Institute for Sustainable Process Technology verenigt industrie, universiteiten, onderzoeksorganisaties en KMO’s om innovatie te versnellen en om procestechnologie te transformeren tot een groen, clean en efficiënt streven. Naast het ontwikkelen van kennis, draagt ISPT ook bij tot demonstratie en toepassing van nieuwe technologieën.
