Development of second-generation itaconic acid and techno-economic analysis of Downstream processes

Abstract

Resumo: O ácido itacônico é um ácido orgânico promissor produzido em larga escala por bioprocessos, com uma ampla gama de aplicações, especialmente na geração de polímeros. Outros monômeros e comonômeros com menor custo de produção e sintetizados a partir de compostos petroquímicos dificultam a concorrência do ácido itacônico. Uma fonte de carbono alternativa e um processo de recuperação com maior eficiência e baixo custo são os passos chave para implementação de uma biorrefinaria aplicada à produção de um ácido itacônico de segundageração. A América do Sul produz uma grande quantidade de resíduos na colheita e no processamento da matéria prima agroindustrial, podendo chegar a 900 milhões de toneladas de biomassa em 2025. Os ácidos orgânicos produzidos a partir de resíduos lignocelulósicos e relatados na geração de polímeros foram avaliados e os principais candidatos são o ácido acético, cítrico, fumárico, glucônico, láctico, succínico e itacônico. A extração reativa, a eletrodiálise e a adsorção são os principais candidatos para substituir a cristalização como principal técnica de recuperação de ácido itacônico a partir do caldo fermentado. Assim, o potencial de bioconversão de resíduos agroindustriais e a análise de diferentes métodos de recuperação foram investigados nesse trabalho com o objetivo de reduzir o custo do bioprocessamento e melhorar a eficiência da produção de ácido itacônico. A análise tecno-econômica mostrou que o custo da etapa de fermentação a partir de sacarose para a produção de ácido itacônico pode variar entre 60 e 76% da despesa total do processo. Os custos da recuperação por cristalização, extração reativa, eletrodiálise e adsorção são de 35, 31, 40 e 24%, respectivamente. A adsorção é o método com o maior potencial para recuperação de ácido itacônico devido ao seu baixo custo de produção. No entanto, uma análise de sensibilidade em diferentes cenários mostrou que o principal desafio para a adsorção está na redução da capacidade da resina após vários ciclos de saturação. A fermentação dos principais açúcares presente na composição de um caldo hidrolisado de biomassa lignocelulósica também foi investigada para avaliar o potencial da utilização de resíduos agroindustriais na bioconversão. Aspergillus terreus NRRL 1960 foi investigado para produção de ácido itacônico por fermentação de glucose e xilose. O efeito dos compostos inibitórios formados durante o tratamento da biomassa como furfural, 5-hidroximetilfurfural (HMF) e ácido acético também foram avaliados. Os resultados mostraram que a concentração de ácido itacônico diminui em 25% quando glucose é substituída por xilose, alcançando 23.1 ± 2.0 g/L. Além disso, a presença de xilose diminui o rendimento de ácido itacônico a partir da mistura com glicose, sendo suas concentrações variando de 25 a 75 g/L. O ácido acético e o furfural foram inibidores para a fermentação e o A. terreus mostrou tolerância para HMF até 600 mg/L. Assim, um conceito de biorrefinaria aplicada à produção de ácido itacônico de segunda geração necessitaria de duas etapas de fermentação separadas para pentoses e hexoses, além de uma etapa de detoxificação adicional após o tratamento da biomassa, e a adsorção poderia ser utilizada para a recuperação da biomolécula.

Abstract: Itaconic acid is a promising organic acid produced on a large scale by bioprocesses with a wide range of applications, especially in the polymer generation. However, other monomers and comonomers established in the plastics industries with a lower cost of production and synthesized from petrochemical compounds hinder the competition of itaconic acid. An alternative carbon source and recovery process with high efficiency and low cost are the key steps for implementing a biorefinery for the second-generation itaconic acid production. Preliminary investigations showed that South America produces a high quantity of residues in the harvesting and processing of agroindustrial feedstock, about 900 million tonnes of biomass in 2025. Organic acids produced from lignocellulosic residues and reported in the polymer generation were evaluated and the main candidates are acetic, citric, fumaric, gluconic, lactic, succinic, and itaconic acids. Another investigation carried out indicated that the reactive extraction, electrodialysis, and adsorption are the main candidates to substitute crystallization as the standard recovery technique of itaconic acid from the fermented broth. Thus, the bioconversion potential of agroindustrial residues and the different recovery methods were investigated in this work with the objective of reducing the bioprocessing cost and improving the efficiency of itaconic acid production. The techno-economic analysis showed that the fermentation cost of itaconic acid production from sucrose varies between 60 and 76% of the total processing. The downstream costs of crystallization, reactive extraction, electrodialysis, and adsorption are 35, 31, 40 and 24%, respectively. The adsorption is the method with greatest potential for itaconic acid recovery due to the low-cost of the process. However, a sensitivity analysis in different scenarios showed that the main disadvantage for the adsorption is the reduction of ion-exchange resin capacity after several saturation cycles. The fermentation of the main sugars present in a hydrolyzed broth composition from lignocellulosic biomass was also investigated in this work to evaluate the potential of agroindustrial residue utilization in bioconversion. Aspergillus terreus NRRL 1960 was investigated for the production of itaconic acid by fermentation of glucose and xylose. The results showed that itaconic acid concentration decreases 25% when glucose is replaced by xylose, reaching 23.1 ± 2.0 g/L. In addition, the presence of xylose decreased the itaconic acid yield from the mixture with glucose, its concentrations ranging from 25 to 75 g/L. Acetic acid and furfural were inhibitors for fermentation. However, A. terreus showed tolerance for HMF up to 600 mg/L in itaconic acid production and cell growth. A biorefinery concept applied for second-generation itaconic acid production would require two separate fermentation steps for pentoses and hexoses, an additional detoxification step after biomass treatment, and the adsorption process could be used for biomolecule recovery.