Optimising flocculation and cell separation of fermentation broth with in-situ particle size analysis

Abstract

The aim of this study was to examine whether the flocculation and cell separation of fermentation broth could be reliably optimised in-situ with particle size analyser based on particle vision and measurement technique. Flocculation is part of a two-step coagulation-flocculation process in which particles are collided together to form aggregates and eventually macroflocs. The higher weight of the particles increases the efficiency of sedimentation and separation unit operations.

The aim of the optimisation was to achieve the best possible filtration flux as well as filtrate quality. Filtrate quality was determined with turbidity meter. The lower the turbidity the higher the quality since low turbidity indicates that more particles have been part of microfloc formation. More high-quality filtrate can lead to more efficient downstream process steps which comes after cell separation.

Four fungal and Bacillus processes were selected for this purpose. Four flocculant dosages were tested with laboratory scale and/or pilot scale material along with reference without flocculation. Particle size analysis measurements were conducted with Easy Viewer 100 -probe and iC Vision software by Mettler-Toledo. Every dosage was cell separated after the measurement with micro scale pressure filter. Cell separation fluxes and filtrate quality were compared with particle size distribution curves to determine the optimal dosage.

Promising results were obtained from the Bacillus processes. The cell separation fluxes multiplied with the optimal flocculant dosage and the change in particles could be observed from the pictures taken by the probe and peak of chord length distribution moved towards larger particles and the total number of particles decreased.

Flocculation of fungal processes led only to minor shifts in chord length distributions. The changes were also difficult to interpret from the curves. No floc formation could either be seen in the pictures. The optimal dosage of flocculant could nevertheless be determined based on cell separation fluxes and filtrate quality in combination with the chord length distributions.

Based on the results, particle vision and measurement-based particle size analysis could be used for optimising flocculation for Bacillus broths, but more data should be gathered to be able to rely solely on the particle size analysis. For fungal broths other particle size analysis technique could be tested as an option and continue with cell separation tests for accurate flocculant dosing.

Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää, voidaanko fermentointiliemen flokkulointia ja soluerotusta optimoida luotettavasti in-situ kuva-analyysiin perustuvalla partikkelikokoanalysaattorilla. Flokkulointi on osa kaksivaiheista koagulointi-flokkulointiprosessia, jossa suspensioissa olevat hiukkaset törmäävät toisiinsa muodostaen aggregaatteja ja makroflokkeja. Hiukkasten suurempi koko tehostaa sedimentaatio- ja erotusprosesseja.

Optimoinnin tavoitteena oli saavuttaa mahdollisimman hyvä suodatusnopeus sekä suodoksen laatu. Työssä suodoksen laatu määritettiin sameusmittatauksilla. Mitä kirkkaampi suodos sitä parempi sen laatu on. Suodoksen alhaisempi sameus indikoi, että suurempi osa partikkeleista on ollut mukana makroflokkien muodostamisessa. Kirkkaampi suodos johtaa useimmiten myös tehokkaampiin solunerotuksen jälkeisiin jälkikäsittelyvaiheisiin.

Tätä tarkoitusta varten valittiin neljä home- ja Bacillus-prosessia. Neljää eri flokkulanttiannostusta testattiin laboratorio- ja/tai pilottimitassa tuotetulla materiaalilla. Soluerotus ilman flokkulointia toimi kaikissa kokeissa referenssinä. Partikkelikokoanalyysi suoritettiin Easy Viewer 100 -anturilla ja Mettler-Toledon iC Vision -ohjelmistolla. Partikkelikokoanalyysin jälkeen jokaiselle kokeelle tehtiin soluerotus laboratoriomittakaavan painesuodattimella. Suodatusnopeutta ja suodoksen laatua verrattiin partikkelikokojakaumakäyriin optimaalisen annostuksen määrittämiseksi.

Bacillus-prosesseista saatiin lupaavia tuloksia. Soluerotuksen suodatusnopeus moninkertaistui optimaalisella flokkulantin annostuksella ja partikkelikoon muutos oli havaittavissa anturin ottamista kuvista sekä partikkelikokojakauman huippu siirtyi kohti suurempia hiukkasia. Samalla hiukkasten kokonaismäärä pieneni.

Homeprosessien flokkulointi johti vain vähäisiin muutoksiin hiukkaskokojakaumissa. Muutoksia oli myös vaikea tulkita käyristä. Kuvissa ei myöskään näkynyt flokkien muodostumista. Flokkulantin optimaalinen annostus voitiin kuitenkin määrittää soluerotuksen suodatusnopeuden ja suodoksen laadun perusteella yhdessä partikkelikokojakauman kanssa.

Tulosten perusteella kuva-analyysiin perustuvaa partikkelikokoanalyysiä voidaan hyödyntää Bacillus-liemien flokkuloinnin optimointiin, mutta kokeita tulisi tehdä lisää, jotta voidaan luottaa pelkästään partikkelikokoanalyysiin. Homeliemille voi olla hyödyllistä testata vaihtoehtoista tekniikkaa partikkelikokoanalyysiin suorittamiseen ja jatkaa soluerotuskokeita flokkulanttien annostuksen määrittämiseksi.