Effects of oxygen transfer coefficient on dihydroxyacetone production from crude glycerol

Abstract The principal objective of this study was to evaluate the kinetics of dihydroxyacetone production by Gluconobacter frateurii CGMCC 5397 under different oxygen volumetric mass transfer coefficient (kLa) conditions in submerged bioreactors using biodiesel-derived crude glycerol as the carbon source. kLa is a key fermentation parameter for the production of dihydroxyacetone. Cultivations were conducted in baffled- and unbaffled-flask cultures (the kLa values were 24.32 h−1 and 52.05 h−1, respectively) and fed-batch cultures (the kLa values were held at 18.21 h−1, 46.03 h−1, and 82.14 h−1) to achieve high dihydroxyacetone concentration and productivity. The results showed that a high kLa could dramatically increase dihydroxyacetone concentrations and productivities. The baffled-flask culture (with a kLa of 52.05 h−1) favored glycerol utilization and dihydroxyacetone production, and a dihydroxyacetone concentration as high as 131.16 g/L was achieved. When the kLa was set to 82.14 h−1 in the fed-batch culture, the dihydroxyacetone concentration, productivity and yield were 175.44 g/L, 7.96 g/L/h and 0.89 g/g, respectively, all of which were significantly higher than those in previous studies and will benefit dihydroxyacetone industrial production.

Evaluación de la transferencia de oxígeno en un biorreactor convencional con aireador externo / Evaluation of oxygen transfer in a conventional bioreactor with external aerator

En el cultivo de microorganismos aerobios se ha observado que los biorreactores convencionales conducen a inconvenientes asociados a la limitación de oxígeno. Para dar solución a esta problemática se diseñó, construyó y evaluó un prototipo de biorreactor con aireador externo. Este sistema permitió incrementar la velocidad de transferencia del oxígeno desde la fase gaseosa a la fase líquida, superando la limitación de oxígeno. Sin embargo, esta nueva configuración carece de modelos empíricos o teóricos para predecir la transferencia de oxígeno a través del cálculo del coeficiente global de transferencia de oxígeno (KLa). En ese sentido, en este trabajo se propuso el uso de análisis dimensional (Teorema Pi de Buckingham), como herramienta para evaluar el efecto sobre el KLa de las diferentes variables involucradas en el proceso, como las de operación, las propiedades de los fluidos y dimensiones geométricas. Luego de desarrollar el análisis propuesto, se encontró una correlación de 0.89 entre los valores generados por el modelo y los datos experimentales disponibles. Se encontró que las variables con mayor incidencia sobre el coeficiente KLa son el flujo de medio de cultivo que circula por el aireador externo denominado flujo de recirculación, la presión en el aireador externo y la velocidad de agitación.

In aerobic microorganism culture, it has been observed that conventional bioreactors lead to disadvantages associated with oxygen limitation. To solve this problem it was designed, built and tested a bioreactor prototype with external aerator. This system allowed increasing the speed of oxygen transfer from gas phase to liquid phase, overcoming the limitation of oxygen. However, this new configuration doesn't have theoretical or empirical models to predict the oxygen transfer by calculating the global volumetric coefficient of transfer of oxygen (KLa).In that way, this paper proposed the use of dimensional analysis (Buckingham's Pi Theorem), as a tool to evaluate the effect of various operating variables, fluid properties and geometrical dimensions involved in the process over KLa. After developing the proposed analysis, we found a correlation of 0.89 between the values generated by the model and the available experimental data. It was found that the main variables which affect the coefficient KLa are: the medium flow flowing through the external aerator called recirculation flow, the pressure in the external aerator, and the stirring speed.

Evaluación de la transferencia de oxígeno en cultivos con lactococcus lactis empleando un sistema de fermentación con aireación externa / Evaluating oxygen transfer in a Lactococcus lactis cultures using an external aeration fermentation system (EAFS)

En fermentaciones aerobias el oxígeno, como aceptor terminal de electrones en el proceso de respiración, comúnmente se constituye en limitante debido entre otros factores al diseño del biorreactor (factores geométricos), a las condiciones de operación de los fermentadores (condiciones ambientales requeridas en el cultivo, potencia transferida al cultivo por el sistema de agitación, propiedades del medio líquido), demanda de oxígeno por parte del microorganismo, sistema de aireación (concentración de oxígeno en el gas, solubilidad del oxígeno). La limitación de oxígeno se refleja en la fermentación con Lactococcus lactis cepa IBUN 34.1, en que presenta una baja disponibilidad de oxígeno desde muy temprano en la fase exponencial del cultivo. Para superar estas limitaciones se diseñó y desarrolló un sistema de suministro de oxígeno de alta tasa de transferencia, consistente en un sistema de fermentación con aireación externa (SFAE), el cual es comparado en este trabajo con el sistema tradicional de fermentador agitado dotado con dos turbinas tipo Rushton y aireación por difusor interno. En este trabajo se evalúa la operación del SFAE, se seleccionan y estudian algunas variables operacionales y su efecto sobre la transferencia de oxígeno gas-líquido. Los resultados indican que las variables que tienen efecto significativo sobre el coeficiente volumétrico global de transferencia de masa kLa son la agitación y el flujo de medio de cultivo que circula por el aireador externo denominado flujo de recirculación. Los valores de kLa obtenidos indican que con el fermentador convencional con aireación interna el mayor valor de kLa alcanzado fue de 40,68 (h-1), en tanto que con el SFAE se alcanzaron valores de 63,18 (h-1).

In aerobic fermentations, oxygen as terminal electron acceptor in respiration process, is commonly a limiting due to factors like its low solubility in aqueous solutions, bioreactors’ geometric factors and operating characteristics, liquid media properties, oxygen concentration in gas supply, microorganisms’ characteristics, environmental culture conditions, power supply by agitation system, etc. Oxygen limitation is present in cultures using the IBUN 34.1 Lactococcus lactis strain where oxygen availability is low some minutes after the exponential phase starts. A high transfer rate oxygen supply system was thus designed to overcome such limitations; it consisted of an external aeration fermentation system (EAFS) which was compared in this work with a conventional agitated tank fermenter equipped with two Rushton turbines and internal diffuser aeration flute mechanism.This paper evaluates the EAFS; some operational variables were selected and studied as well as their effect on oxygen transfer. Our results showed that agitation and culture medium flow through the aerator (called external recirculation flow) were the variables having the main effect on overall volumetric mass transfer coefficient (kLa). The highest kLa value in the conventional bioreactor having internal aeration was 40.68 kLa (h-1), while the EAFS reached 90 (h-1).