Development of a Transient Segregated Mathematical Model of the Semicontinuous Microbial Production Process of Dihydroxyacetone

Abstract

For the mathematical description of the semicontinuous two-stage repeated-fed-batch fermentation of dihydroxyacetone (DHA), a novel segregated model incorporating transient growth rates was developed. The fermentation process was carried out in two stages. A viable, not irreversibly product-inhibited culture was maintained in the first reactor stage until a predetermined DHA threshold value was reached. In the second reactor stage, high final product concentrations of up to 220 g L(-1) were reached while the culture was irreversibly product-inhibited. The experimentally observed changes of the physiological state of the culture due to product inhibition were taken into account by introducing a segregation into the mathematical model. It was shown that the state of the cells was dependent on the current environment and on the previous history. This phenomenon was considered in the model by utilizing delay time equations for the specific rates of growth on the primary and the secondary substrate. A comparison with reproducible measurements gave a good correlation between computation and experiment. The mathematical model was validated using independent own experimental data. A comparison with a stationary and nonsegregated model demonstrated the essential improvements of the novel model. It was deduced from the model calculations that high product formation rates of 3.3-3.5 g L(-1) h(-1) as well as high final DHA concentrations of 196-215 g L(-1) can be obtained with a residual broth volume in the first reactor stage of 2% and a DHA threshold value in the range of 100-110 g L(-1).

Gliceroquímica: novos produtos e processos a partir da glicerina de produção de biodiesel

“…O método mais tradicional de produção envolve a fermentação do glicerol com Gluconobacter oxydans. 62 Um método alternativo e interessante de produção desta substância envolve a oxidação eletrocatalítica do glicerol. 63 Em menores tempos de reação há formação seletiva da DHA.…”

“…65,66 O ácido glicérico pode ser obtido em 77% de seletividade e 90% de conversão de glicerol na presença de catalisadores de paládio. 62 Outros produtos da reação são a DHA, ácido tatrônico e ácido oxálico, indicando que ocorre alguma clivagem da ligação C-C nas condições reacionais. O uso de ligas metálicas de Au/Pt e Au/Pd mostraram-se bastante ativas para a oxidação do glicerol.…”

Oxidation of Glycerol with Oxygen in a Base-free Aqueous Solution over Pt/AC and Pt/MWNTs Catalysts

“…And now, these oxygenated derivatives are either synthesized via costly and polluting stoichiometric oxidants (e.g. potassium permanganate, nitric acid or chromic acid) or produced via fermentation processes of low productivity [6,17]. But the reported catalytic synthesis routes depend strongly on the reaction conditions (pH, temperature, substrate to metal ratio) and the nature of catalyst (metal, particle size and support).…”

Alternativas para o uso do glicerol produzido a partir do biodiesel

“…A 1,3-dihidróxi-acetona (DHA) é utilizada em bronzeadores e também na produção de polímeros. O método mais tradicional de produção envolve a fermentação do glicerina com Gluconobacter oxydans (BAUER, 2006). Um método alternativo e interessante de produção desta substância envolve a oxidação eletrocatalítica da glicerina (CIRIMINNA, 2006).…”

“…Por exemplo, o gliceraldeído é produzido com 55% de seletividade e 90% de conversão em catalisadores de Pt/C (GARCIA,1995). O ácido glicérico pode ser obtido em 77% de seletividade e 90% de conversão de glicerina na presença de catalisadores de paládio (BAUER, 2006). Outros produtos da reação são a DHA, ácido tartrônico e ácido oxálico, indicando que ocorre alguma clivagem da ligação C-C nas condições reacionais.…”