Reactor design: continue algenkweek op enzymatisch gedegradeerde aardappelpulp
Studenten: Hans Van de Velde, Domien Van Dyck, Jean-François Denis
Het doel van dit labo is het opstarten van een reactor voor de groei van de algen Chlorella. Deze reactor willen we laten werken op aardappelpulp (zetmeel) dat via een mengsel van enzymen wordt omgezet in glucose of maltose. Het glucose en het maltose wordt aan de algen gegeven zodat deze sneller kunnen groeien dan onder normale foto-autotrofe omstandigheden. Het doel is om uiteindelijk 1 groot continu proces op te starten om algen te oogsten die worden gevoederd door gesteriliseerde/gekookte en enzymatisch afgebroken aardappelschillen.
Om de enzymatische afbraakproducten aseptisch naar de algenkweekreactor te pompen wordt geopteerd voor een microfiltratie. Het filtreermembraan mag alleen kleine moleculen doorlaten zoals maltose en glucose en natuurlijk ionen. De simulatietesten in het lab maken gebruik van membranen met een cut off van 500 Dalton.
Het door ons uitgevoerde praktisch werk past perfect in de visie van het bedrijf Proviron. Zij bedachten een innovatieve techniek voor algengroei. Hun technologie is gepatenteerd als ProviAPT® en kan mogelijk gebruikt worden voor ons proces. In onze literatuurstudie werd er gezocht naar mogelijkheden om de technologie aan te passen voor de enzymatische afbraak van zetmeel of de toevoer van het hydrolysaat na micro- of nanofiltratie.
Figuur: ProviApt® foto-bioreactor voor algenkweek (met toestemming voor gebruik van fotomateriaal vanwege Proviron, G. Gilliotstraat 60, 2620 Hemiksem, Belgium)
Andere mogelijke ontwerpen zijn gebaseerd op tangentiële filtratie in membraanreactoren. Proefopstellingen van het ‘Potato research center’ in Polen zijn verder uitgewerkt in die richting.
Verder werd er in het onderzoek getest of het mogelijk was een continue glucosestroom te zorgen voorzien voor de opkweek van algen.
Figuur 1: Glucose concentratie bekomen via zetmeelhydrolyse door een amylase mengsel in functie van de tijd.
Uit verkregen resultaten na analyse met HPLC (figuur 1) merken we dat na een bepaalde tijd (vanaf concentratie 100 mg/L) er een constante productie van glucose kan bekomen worden. In de gegeven proefomstandigheden stijgt de glucoseopbrengst met ongeveer een 7 mg/(L.h) en dit gedurende meerdere uren. Het moet dan mogelijk zijn om de bovenstaande vloeistof af te pompen (aardappelschillen zakken uit) en deze na filtratie te voederen aan de algen in een continue cultuur aan een debiet van x L/h. Uitgaande van een 1 L reactor voor zetmeelafbraak kunnen we (zie figuur 1) onder de gegeven omstandigheden vanaf een concentratie van 100mg/L , 7mg glucose per uur wegnemen. Een snelle berekening geeft aan dat we dan met een debiet van 70 ml/h mogen aftappen:
Afhankelijk van de generatietijd (en dus de gemiddelde verblijftijd τ in de reactor) van de algen op de bekomen voedingsbodem en dit debiet kan voor een continue cultuur berekend worden welk volume V gevoed kan worden: zie voorbeeld voor een generatietijd van 16 u.
Stel dat de algen 90% van de aangeboden glucose verbruiken dan houden we in de uitgaande stroom nog 10 mg/L over die mogelijk hergebruikt kan worden in recycle. In de reactor moet 10 mg/L aan glucose de algen in staat stellen te groeien met een generatietijd van 16 u (zie Monod vergelijking in project 1). De algen kunnen dan geoogst worden aan een debiet van 0,07 L/h met een zo hoog mogelijk kiemgetal (Nmax) in een stabiele continue cultuur.
Deze laatste berekeningen zijn een theoretische benadering en zullen in de praktijk nog uitgetest worden op haalbaarheid en toepasbaarheid.
Begeleidende docenten: ir. M. Meyers en ing. L. Pauls
KHLim dep. FI2 – IW
Universitaire campus, Agoralaan gebouw B bus 3
3590 Diepenbeek
089/613261
Dank aan: 