Abstrak
Proyek ini, yang merupakan gagasan Eric Poliner, seorang sarjana tamu musim panas ini, akan mendemonstrasikan produksi asam polilaktat . Asam polilaktat adalah plastik dengan kompleksitas sedang, kompatibel dengan pencetakan 3D sumber terbuka dan teknik fabrikasi lainnya, dan dapat menunjukkan kemajuan OS yang signifikan. Proses produksi yang menghasilkan asam laktat melalui fermentasi mikroba dari limbah pertanian, pemurnian menjadi asam laktat murni dengan daur ulang sel dan bahan baku melalui pemisahan membran, dan polimerisasi melalui dehidrasi katalitik diyakini sebagai jalur yang paling layak dan efisien untuk produksi PLA lokal yang berkelanjutan. Pendekatan yang diusulkan diyakini mampu menghilangkan langkah sterilisasi bahan baku yang memakan banyak energi sekaligus menghindari kontaminasi, dengan menggunakan bakteri ( Bacillus coagulans ) yang tumbuh pada suhu lebih tinggi dibandingkan kebanyakan bakteri lainnya. Pemurnian asam laktat dari kaldu fermentasi melalui membran selektif ukuran dan muatan yang memungkinkan fermentasi berkelanjutan dan pemurnian asam laktat murni tanpa limbah garam. Polimerisasi melalui reaksi kondensasi yang akan dilakukan dalam ruang hampa dengan katalis efisien timah klorida dan asam p-toluenasulfonat. Mengembangkan keterampilan dan perangkat keras yang diperlukan akan membutuhkan pengetahuan dan kolaborasi antar disiplin ilmu, namun tampaknya diperlukan peserta yang bersedia. Wiki Open Source Ecology (OSE) dan wiki appropedia akan digunakan untuk mengoordinasikan proyek yang mendemonstrasikan pendekatan baru terhadap ilmu terapan terdistribusi dan pengembangan sumber terbuka untuk metode produksi yang sangat teknis.
Sumber daya
- Log kerja OSE proyek PLA telah dimulai untuk melacak dan memfasilitasi kemajuan proyek.
- Bioreaktor Online
- Lihat juga: https://www.hackster.io/open-bioeconomy-lab/microbial-bioreactor-d7f61b
Bahan dan reagen yang diperlukan
Kolaborator proyek: harap isi harga, hyperlink, atau ketersediaan sumber daya MTU di (xxx) . Kapan pun memungkinkan, bidiklah solusi sumber terbuka dan berbiaya terendah - kami memerlukan solusi ini agar dapat direproduksi semaksimal mungkin. Jika Anda tidak berada di MTU dan Anda memiliki sumber daya yang kami kekurangan, kami akan dengan senang hati menerima bantuan atau kolaborasi Anda. Jika Anda adalah perusahaan, saya dapat memberikan tanda terima sumbangan pajak. Terima kasih -- Yosua 05:19, 1 Januari 2013 (PST)
Untuk sebagian besar persediaan yang berhubungan dengan bahan kimia, MTU Chem Store memilikinya - untuk perkiraan harga lihat ini . Eric, kami memerlukan gambaran tentang volume sebelum kami mulai memesan dalam jumlah besar.
Sekali pakai
- tabung berbentuk kerucut 50 ml
- tabung berbentuk kerucut 15 ml
- tabung Eppendorf
- Ujung pipet 10 ul-1 ml
Reagen
Fermentasi
- Gula - $11 untuk 25 pon
- Bacillus coagulans - kapsul, 2 miliar CFU per kapsul - $7
- Larutan nutrisi Bacillus coagulans (karbon dan mikronutrien) - Tersedia dari ATCC dengan batasan paten
- Centrifuge berkemampuan 6000 xg
- Spektrofotometer untuk pengukuran kekeruhan 400 - 700 nm - Spectruino
Pemurnian
- Natrium sulfat
- NaOH
- Air deionisasi (dapat diperoleh dari pasokan gedung M&M)
- potasium meta-bisulfit (untuk desinfeksi)
Polimerisasi
- asam p-toluenasulfonat - 100 g seharga $27,30 dari Sigma Aldrich cukup untuk membuat 12,5 kilogram PLA
- Timah klorida (SnCl) 2 - 100 g seharga $54,60 dari Sigma Aldrich cukup untuk membuat 20 kilogram PLA
Perangkat keras
- Pipet volumetrik p1-p1000
- Peralatan gelas laboratorium basah standar dan peralatan pengukuran (gelas kimia, gelas ukur, timbangan, dll...). (Kami memiliki pilihan peralatan gelas di ruang MBE, timbangan untuk laboratorium logam, dan akses ke sebagian besar peralatan gelas biasa)
Fermenasi
- Bioreaktor dan komponennya (masih dalam pengembangan) Bioreaktor Online
- Arduino Uno
- Lingkungan Pengembangan Arduino
- Termometer (MLX90614)
- Rangkaian pH Atlas
- Sensor pH Atlas
- Transistor (2N2222)
- Dioda (1N4004)
- Relai (0,5 VDC/240VAC)
- Kapasitor (0,1 mikroF)
- Resistor (Satu 1 Kohm dan dua 4,7 Kohm)
- Dioda (1N4004)
- Papan tempat memotong roti dan kabel untuk koneksi
- Server web dengan database
Komponen tambahan:
- Tempat air
- Elemen pemanas
- Badan reaktor
- Gabus kedap udara
- Pengaduk vertikal
Tidak perlu:
- LAKUKAN sensor
- sensor OD
Pemurnian
- Modul filtrasi aliran silang berpenggerak pompa 3X dengan katup kontrol saluran keluar untuk mengontrol tekanan- luas permukaan 0,012 m2 (mikrofiltrasi) hingga 0,045 m2 (nanofiltrasi) untuk 3 bagian membran- tekanan pengoperasian 2-15 bar - contoh SEPA CF II, GE Osmonics
- Pompa diafragma F20 sel hidra dan/atau pompa peristaltik Enertech ENPD 500
- Pengukur tekanan diafragma 6X - 2 per unit filtrasi aliran silang untuk saluran keluar dan masuk untuk mengontrol tekanan transmembran
- Membran mikrofiltrat PVDF atau polisulfon (Sepro, USA)
- Peralatan gelas steril 2 liter
- Membran nanofiltrat NF1 dan NF2 (Sepro, USA)
Elektrodialisis (mungkin tidak diperlukan)
- Tumpukan elektrodialisis dan catu daya (sekali lagi kami memerlukan spesifikasi untuk merancang dan menyediakan - kami hampir pasti memerlukan pasokan listrik)
- Membran penukar anion dan kation (Neosepta, Jepang)
Analisis
- HPLC (kimia memiliki setidaknya 4 - temukan biaya penggunaan)
- Kolom Karbohidrat Aminex HPX-87H - $1345 dari standar literatur Bio-rad meskipun alternatif lain mungkin dapat digunakan.
- Detektor DAD ~210 nm - opsional (Eric kami memiliki koleksi spektrometer sumber terbuka yang menurut saya sesuai dengan kebutuhan - dapatkah Anda memberikan detailnya - mungkin kami membuat detektor DAD sumber terbuka khusus untuk Anda)
- Detektor indeks bias (gunakan ellipsometer spektroskopi- protokol Ellipsometry: PALING )
Polimerisasi
- Labu mampu menahan vakum 0,5 torre atau inti reaktor - pembuatan khusus?
- Pompa vakum - (vakum tahap QE)
- Kondensor cair Kondensor Graham $25 Amazon
- Arduino Uno
- Papan tempat memotong roti dan kabel untuk koneksi
- Sensor tekanan - sensor tekanan rendah absolut atau diferensial MPXV6115V MPXV7007DP NPC-1210
- Kontrol suhu (gunakan ruang lingkungan OS atau lebih sederhananya Arduino+termokopel+hotplate))
Garis besar protokol
Inokulasi
- Inokulasi 5 ml media LB dengan Bacillus coagulans dan tumbuhkan semalaman pada suhu 55 C.
- Centrifuge kultur semalaman dengan kecepatan 4000 rpm selama 5 menit dan inokulasi 50 ml LB dengan pelet.
- Tumbuhkan selama 8 jam dan inokulasi 1 liter untuk pertumbuhan semalam. Tumbuh pada suhu 55 C semalaman.
Fermentasi
- Isi fermentor dengan jumlah bahan baku yang diinginkan dan naikkan suhu hingga 55.
- Inokulasi fermentor dengan 1 liter kultur semalaman.
- Membangun kondisi anaerobik dan mencatat pertumbuhan sel fase.
- Pantau pH, OD, dan DO.
Pemurnian
- Mulai pompa pemurnian ketika pH turun di bawah 6,5.
- Kumpulkan kaldu fermentor mikrofilter (MFB) dalam labu steril 2 liter dan simpan pada suhu 37 C. Daur ulang retentat padat sel kembali ke fermentor.
- Ketika volume yang cukup tercapai, mulailah nanofiltrasi. Daur ulang retentate padat gula kembali ke fermentor.
- Analisis asam laktat nanofilter untuk kemurnian.
- Pemurnian lebih lanjut melalui elektrodialisis.
Analisis asam laktat Melalui HPLC dengan peralatan spektroskopi yang tepat. Lihat bagian metode analisis dari Pemurnian asam laktat dari mikrofiltrat fe 1 kaldu fermentasi dengan nanofiltrasi aliran silang oleh Sikder dkk.
Polimerisasi Metode perbaikan yang dikembangkan oleh Zhang dan Wang akan berfungsi sebagai model untuk produksi asam polilaktat karena kemampuannya menghasilkan polimer berbobot tinggi, penggunaan sejumlah bahan yang relatif mudah diperoleh dalam jumlah terbatas, dan pemahaman rinci tentang proses fisik yang sedang berlangsung. Proses pertama menggunakan pelarut asam protonat dan katalis timah dalam dehidrasi vakum untuk menghasilkan asam polilaktat berbobot sedang melalui polikondensasi leleh. Langkah penyelesaiannya menggunakan penambahan sedikit asam protonat kedua. Proses ini diharapkan menghasilkan polimer 100+ kDa. Produk kemungkinan besar perlu dicampur dengan bahan pemlastis, seperti gliserol, dan kemudian dapat dicetak secara termal.
Konfigurasi reaktor
- Reaktor ditempatkan dalam jaket suhu terisolasi untuk mengontrol suhu reaksi. Perlu melihat koneksi termokopel dan Arduino.
- Reaktor terhubung ke kondensor refluks dan pompa vakum. Sensor tekanan yang mampu mengukur kondisi vakum akan memungkinkan kontrol reaksi yang lebih besar.
Protokol reaksi polimerisasi Langkah pertama polikondensasi leleh
- Reaktor diisi dengan 400 g 90% L(+)-asam laktat, dan katalis (berat%) 0,5% SnCl2·2H2O dan 0,4% asam p-toulenesulfonat monohidrat (TSA).
- Reaktor dipanaskan hingga 150°C selama 4 jam, kemudian 160°C selama 4 jam dan tekanan diturunkan secara bertahap hingga 500 Pa.
- Air dikeluarkan melalui kondensor dan diperoleh produk dengan berat sedang (50 kDa).
Polikondensasi padat tahap kedua
- Setelah reaksi polikondensasi lelehan 8 jam selesai, kondensor refluks dihilangkan (karena hanya sedikit air yang akan dihasilkan).
- Untuk menyelesaikan polimerisasi 0,4% (% berat asam laktat awal) TSA ditambahkan ke dalam reaktor. Suhu dinaikkan lagi menjadi 180 C dan tekanan diturunkan menjadi 300 Pa selama 10 jam.
- Produk polimerisasi kemudian dikeringkan dengan nitrogen.
Pikiran:
- Operasi semikontinyu mungkin paling cocok untuk produksi skala kecil karena kemampuannya membangun permeat untuk langkah lebih lanjut dan membersihkan membran pada saat yang bersamaan.
- Dapatkah penguapan digunakan kapan saja untuk mengkonsentrasikan zat antara atau produk akhir pemurnian (Natureworks menguap setelah konversi garam dengan kalsium sulfat). Mungkin berkonsentrasi sebelum dan sesudah langkah pemurnian akhir elektrodialisis bipolar.
- Apakah produk pemurnian akhir akan berkualitas polimerisasi – menurut saya begitu. Jika tidak, lalu bagaimana? Kromatografi penukar anion?
- Apakah ini rute yang paling efisien? Ultra dan nanofiltrasi tampaknya paling efisien untuk pembersihan awal dan kemampuan mendaur ulang, namun elektrodialisis mungkin kurang efisien dibandingkan ekstraksi pelarut – belum bisa dipastikan pada saat ini. Hanya menggunakan elektrodialisis pemisahan air bipolar harus diuji tanpa elektrodialisis konvensional.
Produksi asam polilaktat sumber terbuka/Pertanyaan Penelitian