Teollisen entsyymituotannon sivuvirtojen optimointi

Abstract

Entsyymit ovat luonnon omia katalyyttejä, joita käytetään hyväksi lukuisissa sovelluksissa jo lähes kaikilla teollisuudenaloilla. Niiden avulla voidaan saada monista prosesseista tehokkaampia, turvallisempia ja ympäristöystävällisempiä. Entsyymejä valmistetaan lähinnä fermentoimalla niitä tuottavia mikrobeja. Fermentointiprosessissa muodostuu sekä kiinteitä että nestemäisiä sivuvirtoja, joista tärkeimmät ovat solujäte, pesuvedet ja entsyymituotteen väkevöinnin permeaatti.

Tässä diplomityössä tutkittiin Roal Oy:n Rajamäen entsyymituotantolaitoksen sivuvirtoja ja niiden käsittely- ja kierrätysmahdollisuuksia. Kirjallisuusosassa perehdyttiin entsyymien teolliseen tuotantoon ja sen ympäristövaikutuksiin. Lisäksi selvitettiin väkevöinnin permeaatin konsentrointimahdollisuuksia erityisesti kalvosuodatuksella. Kokeellisessa osiossa keskityttiin Trichoderma reesei -pohjaiseen entsyymien tuotantoprosessiin ja kerättiin näytteitä kolmesta eri tuotantokantaa käyttävästä prosessista. Niistä selvitettiin aluksi tiettyjen sivuvirtojen koostumus. Lisäksi kartoitettiin eri aineiden kiertoa keskimääräisessä tuottoprosessissa. Kasvatusalustan sterilointisäiliöiden ja tuottofermentorien alkuhuuhteluvesiä kerättiin talteen myös koefermentointeja varten.

Bioteknisten tuotantolaitosten korkeiden hygieniavaatimusten takia niissä syntyy paljon jätevettä laitteistojen pesujen takia. Nykyisin pesut tehdään yleensä automaattisella CIP-järjestelmällä veden ja kemikaalien säästämiseksi sekä laadun ja turvallisuuden parantamiseksi. Pesuvesien suuren määrän takia niiden kierrätys on tärkeä tutkimuskohde. Tässä työssä tutkittiin mahdollisuutta kierrättää käytettyjä huuhteluvesiä takaisin tuottoprosessiin kasvatusalustan kautta. Kerätyillä pesuvesillä korvattiin alustan valmistukseen normaalisti käytettävää vesijohtovettä. Koefermentoinneissa käytettiin testimikrobina T. reesei -homeen sellulaasia tuottavaa kantaa. Pesuvesien käyttöä testattiin ensin eri pitoisuuksilla 500 ml panoskasvatuksissa ja sen jälkeen yhdellä pitoisuudella 2 l panossyöttökasvatuksissa.

Koekasvatusten kulkua seurattiin ja niistä kerättiin näytteitä, joista analysoitiin alustan proteiinipitoisuus sekä sellulaasi- ja ksylanaasiaktiivisuus. Millään pesuvesimäärällä ei havaittu merkittäviä muutoksia homeen kasvuun tai entsyymisaantoihin. Tulosten perusteella T. reesei -pohjaisen entsyymituotannon kasvatusalustojen valmistuksessa on mahdollista käyttää puhtaan veden sijaan tutkittuja alkuhuuhteluvesiä. Niitä voidaan käyttää ainakin 40 % panossyöttökasvatuksen panostilavuudesta. Pesuvesien kierrätyksen käytännön toteutus vaatii kuitenkin vielä runsaasti jatkotutkimuksia.

Enzymes are nature’s own catalysts, and they are used for a variety of applications in almost all industrial fields. They can help improve many processes, making them more efficient, safe and environmentally friendly. Enzymes are manufactured mainly by fermentation of microorganisms. Fermentation process produces both solid and liquid side streams, notably cell mass, washing water and permeate from concentration of enzyme solution.

The objective of this thesis was to investigate the treatment and recycling possibilities of side streams produced in Roal Oy’s enzyme factory in Rajamäki. In the literature part, industrial enzyme production and its environmental effects were discussed. Options for concentrating permeate from enzyme concentration step with membrane filtration were also reviewed. In the experimental part, focus was on Trichoderma reesei -based enzyme production process. Samples were collected from three processes, each using a different T. reesei strain. The composition of certain side streams was analysed, and the circulation of different substances in an average production process was traced. Primary rinsing water from media sterilisation tanks and fermentation tanks were collected also for test fermentations.

Because of high standards of hygiene, enzyme production uses a lot of water for washing the equipment. Nowadays, washing is usually performed with an automated CIP system to minimise water and chemical consumption and to improve quality and safety of the washing process. Recycling used washing water is an important research subject because of the amount of water used. In this thesis, the possibility to recycle used washing water back to the production process through fermentation media was studied. Collected rinse water samples were used to replace tap water that is normally used in media preparation. A cellulase-producing T. reesei strain was used for test fermentations. Different amounts of rinsing water were first added to fermentation media in 500 ml batch cultures, and then one amount was tested in 2 l fed-batch cultures.

Test fermentations were monitored and samples were collected from the fermentors. Protein concentration, as well as cellulase and xylanase activity were analysed from the samples. No significant difference in cell growth or enzyme yields between test and control media were detected with any tested amount of washing water. Based on these results, washing water from the early production process can be used to replace tap water in preparation of fermentation media. It can be used for at least 40 % of the initial volume of a fed-batch fermentation. However, a lot more studies are needed before this recycling process can be implemented in the production.