Hochskalierung fortschrittlicher Biotreibstoffe und der biochemischen Produktion

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/501453
• Projekttitel Englisch: Scaling up advanced biofuels and biochemical production

Schlüsselwörter (Englisch)

integrated recovery technology, biofuel, biochemical production, scale-up

Kurzbeschreibung (Englisch)

In the fermentative production of hydrocarbons, product separation is often complicated by droplet stabilization and impaired coalescence, leading to emulsion formation. Dutch partners have co-developed a proprietary reactor concept to overcome this issue. In the proposed project, the project partners will further develop and scale up the technology for application in advanced biofuel or biochemical production.

Schlussbericht (Deutsch)

In der biotechnologischen Produktion von Kraftstoffen  und Chemikalien ist die effiziente Produktabtrennung nach wie vor in vielen Fällen technisch problematisch und auch mit erheblichen Kosten verbunden.  Öl-artige Verbindungen haben die Tendenz zu Emulsionen zu führen, was energieintensive Zentrifugation oder den Einsatz emulsionstrennender  Zusätze zur Folge hat. Zusätzliche Unit Operations zur Phasentrennung können beispielsweise durch den Einsatz der sogenannten in situ Produktabtrennung (ISPR) vermieden werden. Ziel des vorliegenden Projektes war Scale-up Modelle der neuen kosten-effizienten ISPR-Technologie Fermentation Acceleration by Separation Technology (FAST) zu entwickeln und im Pilotmassstab für die fermentative Produktion von Produkten wie Biokraftstoffen oder Chemikalien zu demonstrieren. Das einfache Prinzip der Technologie könnte deutlich niedrigere Investitionskosten als derzeit etablierte Verfahren ermöglichen. Insgesamt könnte dies zu einer Verringerung der Kosten und des Energieverbrauchs für die Bereiche Biokraftstoffe und Chemikalien führen.

Das vorliegende Projekt hat sich auf die Anwendung der FAST 100 Technologie zur mikrobiellen Produktion von Sesquiterpenen und von Biobutanol konzentriert. Sesquiterpene, Verbindungen die  insbesondere in der Aromen- und Geruchsstoffindustrie Anwendung finden, werden herkömmlicherweise aus natürlichen Ressourcen gewonnen. Der Projektpartner Firmenich hat in der mikrobiellen Produktion von Sesquiterpenen jahrelange Erfahrung. Über die letzten 30 Jahre, hat Bio-butanol wachsendes Interesse für verschiedene Anwendungen auf sich gezogen. Als Kraftstoff weist Butanol beispielsweise bessere Eigenschaften als Ethanol auf und findet auch in der chemischen Industrie breite Anwendung als Lösungsmittel. Bio-butanol kann fermentativ nachhaltig hergestellt werden. Sowohl in der Produktion von Sesquiterpenen, als auch in der Produktion von Bio-butanol spielt Produkttoxizität/-inhibition eine wichtige Rolle. Die FAST 100 Technologie könnte dies über in situ Produktabtrennung verbessern.

Während der Projektlaufzeit wurden die Zielsetzungen und Milestones erfolgreich bearbeitet. Verschieden bakterielle Stämme für die fermentative Produktion von Terpenen wurden konstruiert und in verschiedenen Massstäben getestet, ebenfalls mit der FAST-Technologie. Es musste leider festgestallt werden, dass der hohe Sauerstoffbedarf der terpenproduzierenden Stämme nicht mit der operationellen Breite des FAST 100 Systems kompatibel ist. Die Produktion von Bio-butanol mit dem FAST 100 System konnte jedoch erfolgreich durchgeführt werden. Es wurden ausserdem Energie- und Treibhausgasaspekte für verschiedene Szenarien der anaeroben Butanolproduktion evaluiert. Die experimentellen Ergebnisse und die techno-ökonomische Evaluierung zeigen das Potenzial der getesteten Technologie auf.

Schlussbericht (Englisch)

Product separation in the biotechnological production of fuels and chemicals is still technologically problematic and costly. Oil type products have the tendency to emulsify and require energy-intensive centrifugation or the need to add demulsifying chemicals. Extra separation unit operations could be (at least partially) avoided when using in-situ product removal (ISPR) technology. The overall objective of the presented project was to develop scale-up models and to demonstrate a novel cost-effective in situ recovery technology, Fermentation Acceleration by Separation Technology (FAST) at pilot scale for fermentation derived products such as advanced biofuels or chemicals. The simplicity of the concept could lead to significantly lower investments for production plants compared to currently used installations. Overall, this would lead to cost and energy savings in the biofuels, chemicals and related sectors.

The presented project focused on the application of FAST 100 technology to microbial sesquiterpene and bio-butanol production processes. Sesquiterpenes are important compounds for the flavour and fragrance industry that are usually isolated from natural resources. Firmenich has more than a decade of expertise on the microbial production of sesquiterpenes. In the last 30 years, bio-butanol has attracted interest among a wide range of industries; it shows better properties for fuels than ethanol while it is also applied as common solvent in the chemical industry. Bio-butanol is usually obtained by fermentation which contributes to more sustainable manufacturing. For both, sesquiterpenes and bio-butanol, the biological production suffers from product toxicity. FAST 100 technology might tackle this issue by overcoming toxicity limitations with in situ product removal.

During the course of the project all the goals and milestones were successfully addressed. Different bacterial strains lineages for the production of terpene molecules were generated and tested at different scales and including the FAST technology. It was identified that the oxygen demand for the tested production of terpenes was not compatible with the operational ranges of oxygen transfer of the FAST 100 system. On the opposite, successful production of bio-butanol was achieved in the FAST 100 system. In addition, energy and Total Green House Gases (GHG) aspects were evaluated for different scenarios of anaerobic butanol production. The experimental results obtained, together with the techno-economical evaluation, is a good showcase for industry to support the benefit of the FAST 100 system.

Zugehörige Dokumente

• Scaling up advanced biofuels and biochemical production - Schlussbericht [PDF] 4'021 kB

Schlussbericht (Französisch)

Dans les procédés biotechnologiques de production de carburants ou de molécules chimiques, l’étape de séparation reste une étape difficile et souvent couteuse. Les produits huileux ont tendance à former des émulsions ce qui nécessite l’addition de produits désémulsifiants. L'utilisation de techniques de séparation in-situ des produits (ISPR) permettrait d'éviter l’utilisation de certaines unités de séparations additionnelles. L'objectif de ce projet était le développement de modèles à grandes échelle et de valider à l'échelle pilote une nouvelle méthode rentable de séparation in-situ, dénommée Fermentation Acceleration by Separation Technology (FAST), des produits de fermentations. La simplicité du concept pourrait permettre des économies d'investissement significatives par rapport aux installations classiques et d’une manière générale une réduction des coûts et de la consommation en énergie dans le secteur de la production de biocarburants et de produits chimiques.

Ce projet s'intéresse à l’implémentation de la technologie FAST 100 à des procédés de production microbienne de sesquiterpènes et bio-butanol. Les sesquiterpènes sont des molécules généralement isolées de ressources naturelles et ont une grande importance dans l'industrie des arômes et parfums. L'entreprise Firmenich, partenaire du projet, possède de nombreuses années d'expérience dans la production microbienne de sesquiterpènes. Au cours des 30 dernières années, le bio-butanol a suscité un intérêt croissant pour diverses applications telles que les carburant, le butanol ayant de meilleures propriétés que l'éthanol, ou comme solvant dans l’industrie chimique. Le bio-butanol est généralement produit de manière durable par fermentation. La toxicité des sesquiterpènes et du butanol sont des facteurs importants affectant leur production par fermentation. La technologie FAST 100 pourrait permettre d'aborder ces problèmes de toxicité en implémentant des solutions de séparation in situ.

Au cours du projet, tous les aspects et objectifs ont été adressés avec succès. Plusieurs lignées de bactéries modifiées pour la production de terpènes ont été testées à différentes échelles en incluant la technologie FAST. Nous avons malheureusement constaté que la forte demande en oxygène des souches productrices de terpènes n'était pas compatible avec la gamme opérationnelle du système FAST. Au contraire, la production de bio-butanol a été réalisée avec succès avec le système FAST. De plus, pour la production de butanol en condition anaérobique, les besoins en énergie et la formation de gaz à effet de serre ont été estimées pour différents scénarios. Les données expérimentales ainsi que les évaluations technico-économiques mettent en évidence les avantages que peut apporter la technologie FAST 100 à l’industrie.