Concentration of lactic acid by forward osmosis
Ihalainen, Henna (2016)
Diplomityö
Ihalainen, Henna
2016
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2016121331088
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2016121331088
Tiivistelmä
The demand of lactic acid is growing each year due to its novel uses in the production of biodegradable plastics. However, its cost-effective production by fermentation remains an unsolved challenge. The recovery of lactic acid from the fermentation broth can account for up to 50 % of the total processing costs. Calcium hydroxide precipitation is the conventional recovery method, but formation of low-value gypsum and chemical consumption have made the process economically and ecologically unattractive. Accordingly, alternative solutions are being developed.
Concentration is an essential part of all the lactic acid recovery schemes. Forward osmosis (FO) is an osmotically driven membrane process that has potential to be applied in the concentration of lactic acid. Its advantages include simplicity, selectivity, reduced chemical usage, and low energy requirement.
This study investigated the suitability of FO for concentration of lactic acid. Laboratory experiments were conducted with glucose as draw solution. The effect of feed and draw solution temperatures on the FO water flux was determined, and two different membranes were compared. The feed solution temperature was identified as the dominating factor affecting the water flux across the membrane: the higher its temperature, the higher the water flux. There was a significant difference in the performance of the two membranes.
The most favorable feed‒draw solution temperature combination and membrane were used to concentrate lactic acid. A good water flux and a water recovery of up to 84 % were obtained, which corresponds to a concentration factor of 6.5. However, because the membrane presented a rejection of only 56 % for lactic acid, the real concentration factor was 4.0. The poor rejection lowers significantly the final yield of lactic acid and makes the process infeasible on a larger scale. The FO filtration conditions need further optimization in terms of feed solution pH, filtration temperature, and membrane selection.
Finally, a concept for incorporation of FO into the downstream processing of lactic acid was suggested. In the concept, the diluted glucose-based draw solution after FO is utilized as the carbohydrate source of lactic acid fermentation. Hence, the requirement for regeneration of the draw solution can be eliminated, and the energy-effectiveness of the process is enhanced. Maitohapon kulutus kasvaa vuosittain johtuen sen käytöstä uudenlaisten, biohajoavien muovien valmistuksessa. Maitohapon kustannustehokas tuotanto fermentoimalla on kuitenkin ongelmallista, sillä sen erotus fermentointiliemestä saattaa kattaa jopa 50 % koko tuotantokustannuksista. Maitohappo erotetaan tyypillisesti saostamalla se kalsiumhydroksidilla, mutta menetelmä kärsii suuresta kemikaalikulutuksesta ja sivutuotekipsin muodostumisesta. Vaihtoehtoisia ratkaisuja pyritäänkin kehittämään.
Kaikkia maitohapon talteenottoprosesseja yhdistää tarve konsentroinnille. Forward osmosis (FO) on osmoosiin perustuva membraanitekniikka, jota on mahdollista soveltaa maitohapon konsentrointiin. Tekniikan hyötyihin lukeutuvat yksinkertaisuus, selektiivisyys sekä vähentynyt kemikaali- ja energiankulutus.
Tässä työssä tutkittiin FO:n soveltuvuutta maitohapon konsentrointiin. Laboratoriossa suoritettiin kokeita, joissa käytettiin glukoosia vetoliuoksena. Syötteen ja vetoliuoksen lämpötilojen vaikutus membraanin läpi kulkevaan vesivuohon määritettiin sekä kahta erilaista membraania verrattiin. Syötteen lämpötilan havaittiin säätelevän veden vuota: mitä korkeampi lämpötila, sitä korkeampi vuo. Membraanit myös toimivat huomattavan eri tavoin eri olosuhteissa.
Suotuisinta syötteen ja vetoliuoksen lämpötilayhdistelmää sekä membraania käytettiin maitohapon konsentroinnissa. Kokeessa saavutettiin hyvä vesivuo sekä 84 %:n veden talteenotto, joka vastaa konsentrointikerrointa 6,5. Membraanin maitohapporejektio oli kuitenkin vain 56 %, minkä vuoksi todellinen konsentrointikerroin oli 4,0. Huono rejektio heikentää merkittävästi maitohapon saantoa ja tekee prosessista sellaisenaan kannattamattoman. FO:n suodatusolosuhteet, kuten suodatuslämpötila ja -pH sekä käytettävä membraani, vaativat vielä optimointia.
Lopuksi työssä esitettiin konsepti FO:n liittämiseksi maitohapon tuotantoketjuun. Konseptissa FO-suodatuksen jälkeinen laimentunut glukoosiliuos hyödynnetään hiilihydraattilähteenä maitohapon fermentoinnissa. Näin voidaan välttää tarve vetoliuoksen regeneroinnille ja parantaa prosessin energiatehokkuutta.
Concentration is an essential part of all the lactic acid recovery schemes. Forward osmosis (FO) is an osmotically driven membrane process that has potential to be applied in the concentration of lactic acid. Its advantages include simplicity, selectivity, reduced chemical usage, and low energy requirement.
This study investigated the suitability of FO for concentration of lactic acid. Laboratory experiments were conducted with glucose as draw solution. The effect of feed and draw solution temperatures on the FO water flux was determined, and two different membranes were compared. The feed solution temperature was identified as the dominating factor affecting the water flux across the membrane: the higher its temperature, the higher the water flux. There was a significant difference in the performance of the two membranes.
The most favorable feed‒draw solution temperature combination and membrane were used to concentrate lactic acid. A good water flux and a water recovery of up to 84 % were obtained, which corresponds to a concentration factor of 6.5. However, because the membrane presented a rejection of only 56 % for lactic acid, the real concentration factor was 4.0. The poor rejection lowers significantly the final yield of lactic acid and makes the process infeasible on a larger scale. The FO filtration conditions need further optimization in terms of feed solution pH, filtration temperature, and membrane selection.
Finally, a concept for incorporation of FO into the downstream processing of lactic acid was suggested. In the concept, the diluted glucose-based draw solution after FO is utilized as the carbohydrate source of lactic acid fermentation. Hence, the requirement for regeneration of the draw solution can be eliminated, and the energy-effectiveness of the process is enhanced.
Kaikkia maitohapon talteenottoprosesseja yhdistää tarve konsentroinnille. Forward osmosis (FO) on osmoosiin perustuva membraanitekniikka, jota on mahdollista soveltaa maitohapon konsentrointiin. Tekniikan hyötyihin lukeutuvat yksinkertaisuus, selektiivisyys sekä vähentynyt kemikaali- ja energiankulutus.
Tässä työssä tutkittiin FO:n soveltuvuutta maitohapon konsentrointiin. Laboratoriossa suoritettiin kokeita, joissa käytettiin glukoosia vetoliuoksena. Syötteen ja vetoliuoksen lämpötilojen vaikutus membraanin läpi kulkevaan vesivuohon määritettiin sekä kahta erilaista membraania verrattiin. Syötteen lämpötilan havaittiin säätelevän veden vuota: mitä korkeampi lämpötila, sitä korkeampi vuo. Membraanit myös toimivat huomattavan eri tavoin eri olosuhteissa.
Suotuisinta syötteen ja vetoliuoksen lämpötilayhdistelmää sekä membraania käytettiin maitohapon konsentroinnissa. Kokeessa saavutettiin hyvä vesivuo sekä 84 %:n veden talteenotto, joka vastaa konsentrointikerrointa 6,5. Membraanin maitohapporejektio oli kuitenkin vain 56 %, minkä vuoksi todellinen konsentrointikerroin oli 4,0. Huono rejektio heikentää merkittävästi maitohapon saantoa ja tekee prosessista sellaisenaan kannattamattoman. FO:n suodatusolosuhteet, kuten suodatuslämpötila ja -pH sekä käytettävä membraani, vaativat vielä optimointia.
Lopuksi työssä esitettiin konsepti FO:n liittämiseksi maitohapon tuotantoketjuun. Konseptissa FO-suodatuksen jälkeinen laimentunut glukoosiliuos hyödynnetään hiilihydraattilähteenä maitohapon fermentoinnissa. Näin voidaan välttää tarve vetoliuoksen regeneroinnille ja parantaa prosessin energiatehokkuutta.