Разбъркването с биореактор постига значителен напредък в производството на модерни биогорива
2 минути за четене
Проблемите с климата изискват разработването на енергиен микс, благоприятстващ енергиите без въглерод.
IFPEN допринася за него по различни канали, включително биогорива от нехранителни ресурси.
The производство на лигноцелулозен етанол (или 2G етанол) изисква етап на ензимна хидролиза, за да се превърне целулозата в глюкоза, която след това ще се трансформира в етанол чрез алкохолна ферментация. Тази стъпка се извършва ензимно, но представлява една от основните икономически пречки пред развитието на процеса поради високата цена на ензимите, наречени целулази.
Повечето индустриални целулази се произвеждат от нишковидната гъба Trichoderma reesei, благодарение на високата си секреционна способност, която постига концентрации над 100 g/l [1]. Класическият производствен процес, разработен в IFPEN, се осъществява на два етапа, етап в партиден режим и етап в режим на захранване:
- първата стъпка е да се култивира гъбата в раздвижени и аерирани ферментатори от няколкостотин m 3. По време на тази стъпка се изисква много интензивно разбъркване, за да се насърчи прехвърлянето на кислород от въздуха към микроорганизмите. Нишковидната морфология на гъбата е в основата на не-нютоновото реологично поведение * на средата и при високи концентрации затруднява този трансфер [2]. В действителност, вискозитетът се увеличава, когато концентрацията на гъби се увеличава, поради което е необходимо да се осигури много значителна разбъркваща сила [3] .
- След като ферментационната среда е достатъчно концентрирана в нишковидна биомаса, ние преминаваме в режим на периодично хранене, с установяване на захранване чрез поток от индуцираща захар. Този поток е ограничен, т.е. е по-малък от максималния разходен капацитет на гъбите и причинява метаболитни промени. След това културата преминава в етап на производство, по време на който гъбите произвеждат желаните ензими (целулази).
Технологията на разбъркване на индустриалните ферментатори е от решаващо значение за производството на ензими, тъй като трябва да осигури оптимални условия по отношение на преноса на кислород и хомогенизирането на концентрациите на субстратите, като същевременно се спазва двойно ограничение: ограничаване на енергийната консумация и минимизиране на механичното въздействие на срязването върху микроорганизмите . Тази последна точка породи значителни изследователски усилия в IFPEN през последните години. Това стана възможно благодарение на разработването на иновативни инструменти за характеризиране, отнасящи се до характеризирането на реологията на средата [4] и обработката на изображения за морфологията на нишковидни гъби [5], както е показано на фигура 1.
Тези инструменти са приложени за характеризиране на ферментациите, извършвани при много различни условия на разбъркване по отношение на доставяната мощност, вида на разбъркващото устройство и размера на ферментатора. Получените данни, които са уникални в тази област, позволиха да се идентифицират съответните хидродинамични дескриптори за прогнозиране на реологията, морфологията и ферментационните характеристики на нишковидната гъба.
* чийто вискозитет варира в зависимост от скоростта на срязване.
Фигура 1: Култура на Trichoderma reesei в 3 L ферментатор и изображение от микроскопски анализ на морфологията на гъбите