Succinic acid production and recovery from cheese whey fermentation broth

Abstract

Süksinik asit ((CH?)?(CO?H)2), önemli kimyasallar, ilaçlar, biyolojik olarak parçalanabilen polimerler ve gıdalar gibi çeşitli katma değerli ürünlerin üretimi için önemli bir platform kimyasalıdır. Bu çalışmanın amacı, süksinik asidi (SA) peynir altı suyundan yenilenebilir hammadde olarak fermente etmek ve daha sonra süksinik asidi fermantasyon suyundan geri kazanmaktır. Actinobacillus succinogenes, süksinik asidin 5 L'lik tezgah üstü bir fermentörde kesikli fermantasyonu için kullanıldı. Fermantasyon sürecinin optimizasyonu, NaHCO3, K2CO3 ve MgCO3 olarak adlandırılan üç farklı karbonat bazlı tamponla ve çeşitli başlangıç şeker konsantrasyonlarında yapılan denemelerle gerçekleştirildi. Daha sonra SA, üç farklı yöntem kullanılarak geri kazanıldı. Birinci yöntem, doğrudan kristalleştirmeden önce kromatografik ayırma için anyonik reçineleri içermektedir, ikinci yöntem ise bir katyonik değiştirici, nanofiltrasyon/ters ozmoz, vakumlu damıtma ve kristalleştirmeden oluşmaktadır. Son olarak, üçüncü bir SA ayırma tekniği olarak tri-n-oktilamin (TOA) ile reaktif ekstraksiyon prosesi kullanıldı. MgCO3 ile peynir altı suyu fermantasyonu, sırasıyla 15.67 g/L, 0.33 g/L/h ve 0.54 g/g ile en yüksek SA titresine, üretkenliğine ve verimine ulaşıldı. 81.2%'lik Kromotografik SA ayırma verimliliği 0,42 BV/h akış hızında, Amberlite IRA958-Cl reçinesi ile gercekleştirildi. SA'i RO membranından iki kez gecirilerek membran tarafından %95'in üzerinde reddetme ile SA'i konsantre etmede başarılı oldu. Anyonik değiştirici ile kromatografik ayırma yontemi %78 verimle, %98.5 saf SA kristalleri elde edildi. Öte yandan, NF/RO membran ile birleştirilmiş katyonik değiştirici, %65 verimle, %96,7 saflıkta SA elde edildi. Trioktilamin ile sıvı-sıvı ekstraksiyonunda %51,5 SA ekstraksiyon verimi elde edilirken, destekli sıvı membranda (SLM) %57,3 geri kazanım oranı elde edildi. SA için taşıma ve geçirgenlik katsayısı SLM'de 0,00697/h (R2 > 0,92) ve 0,08605 cm/h olarak hesaplanmıştır. Geri kazanılan SA'nın kristalliği, Fourier dönüşümü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) ve X-ışını kırınım (XRD) analizleri ile gösterildiği gibi, ilaç sınıfı kristallere uygun olduğu bulunmuştur.Succinic acid ((CH?)?(CO?H)2) is a significant platform chemical for production of various value-added products such as fine chemicals, medicines, biodegradable polymers and foods. The objective of this study was to ferment succinic acid (SA) from cheese whey as renewable feedstock, and thereafter recover succinic acid from fermentation broth. Actinobacillus succinogenes was used for batch fermentation of succinic acid in a 5L benchtop fermenter. Optimization of the fermentation process was conducted through trials with three distinct carbonate-based buffers, namely NaHCO3, K2CO3, and MgCO3 and at varied initial sugar concentrations. Thereafter, SA was recovered using three different methods. The first method involved anionic resins for chromatographic separation prior to direct crystallization, while the second method consisted of a cationic exchanger, nanofiltration/reverse osmosis, vacuum distillation, and crystallization. Finally reactive extraction with tri-n-octylamine (TOA) was employed as a third SA separation technique. Cheese whey fermentation with MgCO3 achieved the highest SA titer, productivity, and yield of 15.67 g/L, 0.33 g/L/h and 0.54 g/g, respectively. At column flow rate of 0.42 BV/h, chromatographic SA separation efficiency of 81.2% with for Amberlite IRA958-Cl. A double pass using RO membranes, was successful in concentrating SA acid with over 95% rejection. Chromatographic separation with an anionic exchanger achieved 98.5% pure SA crystals with a yield of 78%. On the other hand, cationic exchanger coupled with NF/RO membrane achieved SA purity of 96.7% and yield of 65%. Liquid-liquid extraction with trioctylamine achieved 51.5% SA extraction efficiency, while in supported liquid membrane (SLM) a recovery rate of 57.3% was achieved. The transport and permeability coefficient for SA was calculated as 0.00697/h (R2 > 0.92) and 0.08605 cm/h in the SLM. Crystallinity of recovered SA was conformable to pharma grade crystals, as indicated by the Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and X-ray diffraction (XRD) analyses.