DE102011004915A1 - Process for the extraction of 2,3-butanediol from an aqueous mixture - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Extraktion von 2,3-Butandiol aus einer 2,3-Butandiol-haltigen wässrigen Mischung, bei dem eine 2,3-Butandiol-haltige wässrige Mischung mit einem organischen Extraktionsmittel gemischt wird, und diese. Mischung in eine wässrige und eine organische Phase getrennt wird und das 2,3-Butandiol aus der organischen Phase abgetrennt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Extraktionsmittel Methylacetat ist.A process for the extraction of 2,3-butanediol from a 2,3-butanediol-containing aqueous mixture, in which a 2,3-butanediol-containing aqueous mixture is mixed with an organic extractant, and the like. Mixture is separated into an aqueous and an organic phase and the 2,3-butanediol is separated from the organic phase, characterized in that the organic extractant is methyl acetate.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Extraktion von 2,3-Butandiol aus einer wässrigen Mischung mittels Methylacetat (Essigsäuremethylester, Methylethanoat, CAS 79-20-9) als Extraktionsmittel.The invention relates to a process for the extraction of 2,3-butanediol from an aqueous mixture by means of methyl acetate (methyl acetate, methyl ethanoate, CAS 79-20-9) as an extractant.
Bedingt durch steigende Rohölpreise steigen auch die Herstellungskosten der daraus petrochemisch gewonnenen Grundstoffe für die chemische Industrie. Daraus resultiert ein wachsendes Interesse an alternativen Produktionsverfahren für chemische Grundstoffe, speziell auf Basis nachwachsender Rohstoffe.Due to rising crude oil prices, the production costs of the resulting petrochemical raw materials for the chemical industry are also increasing. This results in a growing interest in alternative production processes for chemical raw materials, especially based on renewable raw materials.
Beispiele für chemische Grundstoffe (sog. chemische Synthesebausteine) aus nachwachsenden Rohstoffen sind Ethanol (C2-Baustein), Glycerin, 1,3-Propandiol, 1,2-Propandiol, Milchsäure (C3-Bausteine) oder Bernsteinsäure, 1-Butanol, 2-Butanol, 1,4-Butandiol oder auch 2,3-Butandiol (C4-Bausteine). Diese chemischen Bausteine sind die biogenen Ausgangsverbindungen, aus denen auf chemischem Wege weitere Grundchemikalien hergestellt werden können. Voraussetzung dafür ist die kostengünstige fermentative Herstellung der jeweiligen Synthesebausteine aus nachwachsenden Rohstoffen.Examples of chemical raw materials (so-called chemical synthesis building blocks) from renewable raw materials are ethanol (C2 building block), glycerol, 1,3-propanediol, 1,2-propanediol, lactic acid (C3 building blocks) or succinic acid, 1-butanol, 2- Butanol, 1,4-butanediol or 2,3-butanediol (C4 building blocks). These chemical building blocks are the biogenic starting compounds from which further basic chemicals can be chemically produced. The prerequisite for this is the cost-effective fermentative production of the respective synthesis building blocks from renewable raw materials.
Kostenfaktoren bei der Produktion chemischer Synthesebausteine aus nachwachsenden Rohstoffen sind einerseits die Verfügbarkeit geeigneter billiger nachwachsender Rohstoffe sowie andererseits effiziente mikrobielle Fermentationsverfahren, welche diese Rohstoffe effizient in den gewünschten chemischen Grundstoff umwandeln. Daneben ist die Isolierung der fermentativ erzeugten Synthesebausteine aus den Fermentationsansätzen ein entscheidender Kostenfaktor. Da die biogen erzeugten Synthesebausteine oft eine gute Löslichkeit im wässrigen Fermentermedium haben, ist ihre Isolierung meistens mit einem hohen apparativen, energetischen und chemischen Aufwand verbunden, was sich ungünstig auf die Wirtschaftlichkeit auswirkt.Cost factors in the production of chemical synthesis units from renewable raw materials are on the one hand the availability of suitable cheaper renewable raw materials and on the other hand efficient microbial fermentation processes, which efficiently convert these raw materials into the desired chemical raw material. In addition, the isolation of the fermentation-generated synthesis units from the fermentation approaches is a crucial cost factor. Since the biogenic synthesis building blocks often have good solubility in the aqueous fermentation medium, their isolation is usually associated with a high equipment, energy and chemical complexity, which has an adverse effect on the economy.
Ein auf fermentativem Weg zugänglicher C4-Baustein ist 2,3-Butandiol. Der Stand der Technik zur fermentativen 2,3-Butandiol Herstellung ist zusammengefasst in
Der Stand der Technik zur Aufarbeitung von 2,3-Butandiol ist zusammengefasst in
Verschiedene Verfahren zur Anreicherung von 2,3-Butandiol wurden beschrieben, darunter die apparativ aufwändigen Methoden der reversen Osmose und Pervaporation. Dabei wird Wasser aus den Ansätzen entfernt und eine Anreicherung des 2,3-Butandiols im Fermentationsansatz erreicht. Mit dem 2,3-Butandiol werden jedoch auch andere Bestandteile eines Fermentationsansatzes aufkonzentriert, was zusätzliche Verfahrensschritte zur Produktisolierung erfordert.Various methods for the enrichment of 2,3-butanediol have been described, including the expensive apparatuses of reverse osmosis and pervaporation. Water is removed from the batches and enrichment of the 2,3-butanediol in the fermentation mixture is achieved. However, other components of a fermentation batch are also concentrated with the 2,3-butanediol, which requires additional process steps for product isolation.
Ein energetisch sehr aufwändiges Verfahren zur 2,3-Butandiol Isolierung stellt das sog. Dampf-Stripping dar (
Verschiedene Verfahren zur flüssig-flüssig Extraktion sind bekannt.
Die in der Literatur zur Extraktion von 2,3-Butandiol eingesetzten nicht-wassermischbaren Lösemittel, z. B. aus der Klasse der Alkohole und Ester, bedingen wegen der ungünstigen Lage des Verteilungsgleichgewichts einen hohen apparativen Aufwand und den Einsatz großer Mengen Lösemittel.
Die Bewertung des Standes der Technik in
Aufgabe der Erfindung war es ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das es erlaubt 2,3-Butandiol kostengünstig und effizient aus einer 2,3-Butandiol-haltigen wässrigen Mischung zu extrahieren, um dessen nachfolgende Aufarbeitung mittels an sich bekannter Verfahren zu verbessern.It was an object of the invention to provide a process which makes it possible to extract 2,3-butanediol inexpensively and efficiently from a 2,3-butanediol-containing aqueous mixture in order to improve its subsequent workup by means of processes known per se.
Gelöst wurde die Aufgabe durch ein Verfahren, bei dem eine 2,3-Butandiol-haltige wässrige Mischung mit einem organischen Extraktionsmittel gemischt wird, wobei 2,3-Butandiol der wässrigen Mischung entzogen und in das organische Extraktionsmittel überführt wird, diese Mischung dann in eine wässrige und eine organische Phase getrennt und das 2,3-Butandiol aus der organischen Phase abgetrennt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das organischen Extraktionsmittel Methylacetat ist.The object was achieved by a method in which a 2,3-butanediol-containing aqueous mixture is mixed with an organic extractant, wherein 2,3-butanediol is removed from the aqueous mixture and transferred to the organic extractant, this mixture then in a separated aqueous and an organic phase and the 2,3-butanediol is separated from the organic phase, characterized in that the organic extractant is methyl acetate.
Bei der 2,3-Butandiol-haltigen wässrigen Mischung handelt es sich vorzugsweise um eine Mischung, mit einem 2,3-Butandiol-gehalt (definiert als g 2,3-Butandiol je l wässrige Phase) größer als 10 g/l, bevorzugt größer 50 g/l, besonders bevorzugt größer 100 g/l und insbesondere bevorzugt größer 150 g/l.The 2,3-butanediol-containing aqueous mixture is preferably a mixture having a 2,3-butanediol content (defined as g of 2,3-butanediol per liter of aqueous phase) greater than 10 g / l, preferably greater than 50 g / l, more preferably greater than 100 g / l and particularly preferably greater than 150 g / l.
Die 2,3-Butandiol-haltige wässrige Mischung enthält die isomeren Formen des 2,3-Butandiols (Meso-2,3-Butandiol, R,R-2,3-Butandiol und S,S-2,3-Butandiol) entweder einzeln oder als Gemisch in beliebigen Verhältnissen. Sie kann bei Raumtemperatur (23°C) aus einer Phase bestehen, kann aber auch aus mehreren Phasen, darunter flüssigen, festen und auch gasförmigen Phasen bestehen. Vorzugsweise handelt es sich bei der 2,3-Butandiol-haltigen wässrigen Mischung um eine Fermenterbrühe.The 2,3-butanediol-containing aqueous mixture contains the isomeric forms of 2,3-butanediol (meso-2,3-butanediol, R, R-2,3-butanediol and S, S-2,3-butanediol) either individually or as a mixture in any proportions. It may consist of one phase at room temperature (23 ° C), but may also consist of several phases, including liquid, solid and also gaseous phases. Preferably, the 2,3-butanediol-containing aqueous mixture is a fermenter broth.
Eine 2,3-Butandiol-haltige Fermenterbrühe wird durch Kultivierung, z. B. durch Fermentation, eines 2,3-Butandiol Produktionsstammes hergestellt. Ein 2,3-Butandiol Produktionsstamm ist definiert als ein Mikroorganismus, der aus einer beliebigen C-Quelle 2,3-Butandiol herstellen kann. Bei dem Mikroorganismus kann es sich um einen nicht optimierten Wildtyp Stamm handeln oder aber um einen optimierten Stamm, dessen Fähigkeit zur 2,3-Butandiolproduktion entweder durch gentechnische Optimierung oder durch Mutagenese und Selektion oder aber auch durch eine Kombination der beiden Methoden erreicht bzw. verbessert wurde. Vorzugsweise handelt es sich um einen Mikroorganismenstamm ausgewählt aus 2,3-Butandiol produzierenden Bakterien, besonders bevorzugt handelt es sich um einen Mikroorganismenstamm der Gattungen Klebsiella, Raoultella oder Bacillus und insbesondere bevorzugt um einen Stamm der Art Klebsiella (Raoultella) terrigena und Klebsiella planticola.A 2,3-butanediol-containing fermenter broth is by culturing, z. B. produced by fermentation, a 2,3-butanediol production strain. A 2,3-butanediol production strain is defined as a microorganism capable of producing 2,3-butanediol from any C source. The microorganism may be a non-optimized wild-type strain or may be an optimized strain whose ability to produce 2,3-butanediol either by genetic engineering or by mutagenesis and selection or else by a combination of the two methods has been. Preferably, it is a microorganism strain selected from 2,3-butanediol-producing bacteria, more preferably it is a microorganism strain of the genera Klebsiella, Raoultella or Bacillus and particularly preferably a strain of the species Klebsiella (Raoultella) terrigena and Klebsiella planticola.
Eine 2,3-Butandiol-haltige Fermenterbrühe enthält als feste Phase in der Regel die gebildete Biomasse. Die Biomasse ist vorzugsweise definiert als der Rückstand eines Fermentationsansatzes, der nach dessen vollständiger Trocknung, z. B. bei erhöhter Temperatur von 80°C verbleibt (Biotrockenmasse). Der Biotrockenmasseanteil der Fermenterbrühe beträgt bevorzugt mehr als 10 g/l, bevorzugt mehr als 25 g/l, besonders bevorzugt mehr als 50 g/l und insbesondere bevorzugt mehr als 100 g/l.As a solid phase, a 2,3-butanediol-containing fermenter broth usually contains the biomass formed. The biomass is preferably defined as the residue of a fermentation batch, which after its complete drying, z. B. at elevated temperature of 80 ° C remains (dry biomass). The dry biomass fraction of the fermenter broth is preferably more than 10 g / l, preferably more than 25 g / l, more preferably more than 50 g / l and especially preferably more than 100 g / l.
Die Fermenterbrühe kann noch alle Bestandteile, die zur fermentativen Herstellung von 2,3-Butandiol erforderlich sind, enthalten. Dazu gehören z. B. alle Salze eines Fermentationsmediums, darunter Kationen wie Na, K, NH4 +, Mg, Ca, Fe, Co, Mn, Zn, Mo, bzw. Anionen wie Phosphat, Sulfat, Chlorid, Nitrat, Carbonat. Des weiteren können auch komplexe Bestandteile des Fermentationsmediums wie z. B. Hefeextrakt, Malzextrakt, CSD (Corn Steep Liquor, in fester oder flüssiger Form), Sojaextrakt, C-Quellen der Fermentation wie z. B. Glucose, Fructose, Saccharose, Melasse, Xylose, Mannose, Hydrolysate komplexer, hochmolekularer C-Quellen wie z. B. Stärke, Lignozellulose oder Bagasse oder alternative C-Quellen wie Glycerin, CO oder CO2 vorhanden sein.The fermenter broth may still contain all the ingredients necessary for the fermentative production of 2,3-butanediol. These include z. B. all salts of a fermentation medium, including cations such as Na, K, NH 4 + , Mg, Ca, Fe, Co, Mn, Zn, Mo, or anions such as phosphate, sulfate, chloride, nitrate, carbonate. Furthermore, complex components of the fermentation medium such. As yeast extract, malt extract, CSD (Corn Steep Liquor, in solid or liquid form), soybean extract, C sources of fermentation such. Glucose, fructose, sucrose, molasses, xylose, mannose, hydrolysates of complex, high molecular weight Sources such as As starch, lignocellulose or bagasse or alternative C sources such as glycerol, CO or CO 2 may be present.
Ferner kann die Fermenterbrühe Bestandteile, die im Verlauf der Fermentation entstehen und die in ihrem Gehalt und ihrer Zusammensetzung abhängig vom jeweiligen Produktionsstamm und vom Fermentationsverfahren sind, enthalten. Dazu gehören beispielsweise Nebenprodukte des Stoffwechsels wie Acetat, Ethanol, Lactat (Milchsäure), Acetoin, Succinat (Bernsteinsäure), 1,2-Propandiol, aber auch Aminosäuren und Produkte des Sekundärstoffwechsels wie z. B. extrazelluläre Makromoleküle wie Polysaccharide, Proteine oder auch Lipide und Fettsäuren.In addition, the fermenter broth may contain ingredients which are produced during the course of the fermentation and whose content and composition are dependent on the particular production strain and on the fermentation process. These include, for example, by-products of metabolism such as acetate, ethanol, lactate (lactic acid), acetoin, succinate (succinic acid), 1,2-propanediol, as well as amino acids and products of secondary metabolism such. As extracellular macromolecules such as polysaccharides, proteins or lipids and fatty acids.
Neben der für eine Fermentation typischen, durch die Biomasse gebildeten zweiten festen Phase ist es möglich, dass die 2,3-Butandiol-haltige wässrige Mischung noch weitere Phasen enthält, z. B. eine von Methylacetat verschiedene, mit Wasser nicht mischbare flüssige Phase zur z. B. in situ Extraktion von Fermentationsprodukten oder eine von der Biomasse verschiedene feste Phase bestehend z. B. aus organischen oder aber auch anorganischen Adsorbentien. Diese Adsorbentien dienen als Fällungsmittel zur einfacheren Entfernung von z. B. der Biomasse oder zur Entfernung störender Verunreinigungen. Dazu gehören z. B. makromolekulare Polysaccharide, Polymere auf Polyacrylamidbasis (z. B. unter den Markennamen Prästol® oder Zetag® erhältliche Flockungsmittel) Celite®, Bentonite, Kaolin, oder aber auch Aktivkohle.In addition to the typical fermentation for a second solid phase formed by the biomass, it is possible that the 2,3-butanediol-containing aqueous mixture still contains other phases, eg. B. a different from methyl acetate, water-immiscible liquid phase to z. B. in situ extraction of fermentation products or different from the biomass solid phase z. As organic or inorganic adsorbents. These adsorbents serve as precipitants for easier removal of z. As the biomass or to remove interfering impurities. These include z. As macromolecular polysaccharides, polymers based on polyacrylamide (eg, under the brand name Prästol ® or Zetag ® available flocculants) Celite ® , bentonites, kaolin, or even activated carbon.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei der 2,3-Butandiol-haltigen wässrigen Mischung um eine einphasige Mischung, d. h. eine wässrige Lösung bestehend vorzugsweise aus einer Fermenterbrühe enthaltend 2,3-Butandiol, aus der alle festen Bestandteile entfernt wurden.Most preferably, the 2,3-butanediol-containing aqueous mixture is a single-phase mixture, i. H. an aqueous solution consisting preferably of a fermenter broth containing 2,3-butanediol, from which all solid components have been removed.
Vorzugsweise werden die 2,3-Butandiol-haltige wässrige Mischung und Methylacetat in einem Gewichtsverhältnis von 1:0,1 bis 1:5 zusammengegeben, besonders bevorzugt von 1:0,8 bis 1:3, insbesondere bevorzugt von 1:1 bis 1:2.Preferably, the 2,3-butanediol-containing aqueous mixture and methyl acetate in a weight ratio of 1: 0.1 to 1: 5 combined, more preferably from 1: 0.8 to 1: 3, particularly preferably from 1: 1 to 1 : 2nd
Die Methylacetat-Extraktion kann kontinuierlich oder absatzweise (Batch-Verfahren) erfolgen. In der einfachsten Form erfolgt die Extraktion, indem die wässrige Phase und Methylacetat in einen Scheidetrichter gegeben, durch schütteln durchmischt und nach erfolgter Phasentrennung (Entmischung der beiden Phasen aufgrund ihrer unterschiedlichen Dichte) die das extrahierte 2,3-Butandiol enthaltende Methylacetatphase isoliert wird. Dieser Extraktionsvorgang kann beliebig, bevorzugt in 10 Extraktionen, besonders bevorzugt 5 Extraktionen, insbesondere bevorzugt 3 Extraktionen, wiederholt werden, bis das 2,3-Butandiol quantitativ (bis zu 99% des in der wässrigen Phase enthaltenen 2,3-Butandiols) aus der wässrigen Phase extrahiert ist.The methyl acetate extraction can be carried out continuously or batchwise (batch process). In the simplest form, the extraction is carried out by the aqueous phase and methyl acetate placed in a separating funnel, mixed by shaking and isolated after phase separation (separation of the two phases due to their different density) containing the extracted 2,3-butanediol methyl acetate phase. This extraction process can be repeated, preferably in 10 extractions, more preferably 5 extractions, particularly preferably 3 extractions, until the 2,3-butanediol is quantitatively (up to 99% of the 2,3-butanediol contained in the aqueous phase) from the extracted aqueous phase.
Eine bekannte auch im technischen Maßstab einsetzbare Methode der Extraktion erfolgt in an sich bekannter Form in Rührkesseln, wobei gegenüber dem Scheidetrichter als Änderung neben dem größeren Maßstab die Durchmischung nicht mehr durch schütteln, sondern durch ein Rührwerk erfolgt. Das Volumen des Rührkessels ist abhängig vom Produktionsmaßstab und kann beliebig groß sein, bevorzugt > 1 l, besonders bevorzugt > 100 l, besonders bevorzugt > 1.000 l und insbesondere bevorzugt > 10.000 l.A well-known also applicable on an industrial scale method of extraction is carried out in a conventional manner in stirred tanks, compared to the separating funnel as a change in addition to the larger scale, the mixing no longer shake, but by an agitator. The volume of the stirred tank is dependent on the production scale and can be any size, preferably> 1 l, more preferably> 100 l, particularly preferably> 1000 l and particularly preferably> 10,000 l.
Die Vermischung erfolgt jeweils vorzugsweise über eine Zeitraum von mindestens 1 Minute bis 10 h, besonders bevorzugt von 5 Minuten bis 5 h, insbesondere bevorzugt von 15 Minuten bis 1 h.The mixing is preferably carried out in each case over a period of at least 1 minute to 10 hours, more preferably from 5 minutes to 5 hours, particularly preferably from 15 minutes to 1 hour.
Das Vermischen erfolgt vorzugsweise bei einem pH der wässrigen Phase von 1 bis 14, bevorzugt von 2 bis 10, besonders bevorzugt von 3 bis 9, insbesondere bevorzugt von 4 bis 8 und bei einer Temperatur, welche das Verteilungsgleichgewicht zu Gunsten der organischen Methylacetatphase und zu ungunsten der wässrigen Phase optimiert, bevorzugt von –15°C bis 50°C, besonders bevorzugt von 0°C bis 45°C, insbesondere bevorzugt von 20°C bis 40°C.The mixing is preferably carried out at a pH of the aqueous phase of 1 to 14, preferably from 2 to 10, more preferably from 3 to 9, particularly preferably from 4 to 8 and at a temperature which the distribution equilibrium in favor of the organic methyl acetate phase and to disadvantage the aqueous phase is optimized, preferably from -15 ° C to 50 ° C, more preferably from 0 ° C to 45 ° C, particularly preferably from 20 ° C to 40 ° C.
Als für den technischen Einsatz bekannte Apparate für die Extraktion kommen darüberhinaus Mischer-Abscheider-Batterien (Mixer-Settler-Batterien) oder Extraktionskolonnen in Frage. Geeignete Bauformen sind dem Fachmann bekannt, ohne die Ansprüche einzuschränken sind z. B. geeignete Ausführungsformen Siebbodenkolonnen, Füllkörperkolonnen mit reglosen Füllkörperschüttungen, Kolonnen mit regelmäßigen, statischen Mischer-Einbauten (Extraktionspackungen), Kolonnen mit speziell geformten Böden wie z. B. Ventilböden oder Kaskadenböden. Alle Kolonnen können gepulst oder ungepulst betrieben werden und andere Formen des Energieeintrages wie z. B. durch Rührwerke sind ebenfalls erfindungsgemäß.As for the technical use known apparatuses for the extraction beyond mixer-settler batteries (mixer-settler batteries) or extraction columns come into question. Suitable designs are known in the art, without limiting the claims are z. B. suitable embodiments Siebboden columns, packed columns with non-agitated Füllkörperschüttungen, columns with regular, static mixer internals (extraction packs), columns with specially shaped trays such. B. valve floors or cascade floors. All columns can be operated pulsed or unpulsed and other forms of energy input such. B. by agitators are also according to the invention.
Die Trennung von organischer und wässriger Phase wird erreicht durch dem Fachmann allgemein bekannte Phasentrennapparate der Extraktionsverfahrenstechnik wobei statische Absetzbehälter (mit oder ohne Packung) oder die Extraktion unter Zuhilfenahme von Zentrifugalkräften (Zentrifugalextraktion mit Trennung der unterschiedlich dichten Phasen im Beschleunigungsfeld) unter anderem geeignet sind.The separation of organic and aqueous phase is achieved by the phase separation apparatuses of the extraction process technique well known to those skilled in the art wherein static settling tanks (with or without Packing) or extraction with the aid of centrifugal forces (centrifugal extraction with separation of the different dense phases in the acceleration field) are among others suitable.
Wie im Rahmen der Arbeiten, die zur vorliegenden Erfindung führten, überraschend gefunden wurde und wie exemplarisch in den Beispielen gezeigt, kann 2,3-Butandiol aus wässrigen Mischungen mittels Methylacetat im Vergleich zu anderen nicht wassermischbaren Lösemitteln aus den Klassen der Alkohole, Ester und Ether mit deutlich erhöhter Effizienz extrahiert werden. Unter den Carbonsäureestern ist nur Methylacetat nicht (bzw. nur in geringem Umfang) in Wasser löslich und zugleich ein gutes Lösemittel für 2,3-Butandiol. Die weniger polaren Vertreter der niederen Carbonsäureester, Ethylacetat, Methylpropionat und Methylbutyrat sind nicht, bzw. nur in begrenztem Umfang zur Extraktion von 2,3-Butandiol aus wässrigen Lösungen geeignet. Das war nach dem Stand der Technik nicht zu erwarten. So wurden unter den Bedingungen des im 2. Beispiel beschriebenen Verfahrens zum Vergleich der Extraktionseffizienz verschiedener Lösemittel mit Methylacetat ca. 42% des in der wässrigen Phase enthaltenen 2,3-Butandiols extrahiert, dagegen mit Ethylacetat nur ca. 20%, mit MTBE ca. 5%, mit 1-Pentanol ca. 25%, mit Methylpropionat ca. 7% und mit Oleylalkohol ca. 10%. 1-Butanol war mit der Fermenterbrühe mischbar und es konnte keine Phasentrennung erzielt werden. Mit einem weiteren Methylester, Methylbutyrat, war die Extraktion von 2,3-Butandiol kaum nachweisbar. Überraschend wurde gefunden, dass mit Oleylalkohol nur ca. 10% des 2,3-Butandiols extrahiert werden konnten. Unter den speziellen von
Die Erfindung betrifft auch die Verwendung von Methylacetat zur Extraktion von 2,3-Butandiol aus wässrigen Mischungen, vorzugsweise wässrigen Lösungen.The invention also relates to the use of methyl acetate for the extraction of 2,3-butanediol from aqueous mixtures, preferably aqueous solutions.
Unter den Bedingungen des im 2. Beispiel beschriebenen Verfahrens zur Ermittlung der Extraktionseffizienz eines gegebenen Lösemittels werden in einem einmal durchgeführten Extraktionsschritt mehr als 30%, bevorzugt mehr als 40%, besonders bevorzugt mehr als 50% und insbesondere bevorzugt mehr als 60% des 2,3-Butandiols aus der wässrigen Phase in die Methylacetat Phase extrahiert. Dies stellt eine signifikante Verbesserung der Extraktion von 2,3-Butandiol mit nicht-wassermischbaren Lösemitteln gegenüber dem Stand der Technik dar.Under the conditions of the method described in Example 2 for determining the extraction efficiency of a given solvent more than 30%, preferably more than 40%, more preferably more than 50% and most preferably more than 60% of the 2, 3-butanediol extracted from the aqueous phase in the methyl acetate phase. This represents a significant improvement over the extraction of 2,3-butanediol with non-water-miscible solvents over the prior art.
Die Ausbeute des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich dadurch erhöhen, dass die Extraktion mit Methylacetat mehrfach, vorzugsweise 1 bis 10-fach, besonders bevorzugt 1 bis 6-fach und insbesondere bevorzugt 1 bis 3-fach wiederholt wird, oder dass in einer an sich bekannten kontinuierlichen Extraktion z. B. nach dem Gegenstromprinzip einer 2,3-Butandiol-haltigen wässrigen Mischung Methylacetat als Extraktionsmittel eingesetzt wird.The yield of the process according to the invention can be increased by repeated extraction with methyl acetate, preferably 1 to 10 times, more preferably 1 to 6 times and especially preferably 1 to 3 times, or in a continuous process known per se Extraction z. B. is used as the extraction agent according to the countercurrent principle of a 2,3-butanediol-containing aqueous mixture of methyl acetate.
Somit ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine Ausbeutemaximierung mittels mehrfacher oder kontinuierlicher Extraktion der 2,3-Butandiol-haltigen wässrigen Lösung mittels Methylacetat als Extraktionsmittel, wobei die 2,3-Butandiolausbeute im Extrakt > 70%, bevorzugt > 80%, besonders bevorzugt > 90% und insbesondere bevorzugt 100% der zur Extraktion eingesetzten 2,3-Butandiolmenge (ausgedrückt in g 2,3-Butandiol) beträgt.Thus, the process according to the invention makes it possible to maximize the yield by means of multiple or continuous extraction of the 2,3-butanediol-containing aqueous solution by means of methyl acetate as extractant, the 2,3-butanediol yield in the extract> 70%, preferably> 80%, particularly preferably> 90%. and especially preferably 100% of the amount of 2,3-butanediol used for the extraction (expressed in g of 2,3-butanediol).
Es ist ferner möglich, in jedem Extraktionsschritt das Volumen des Lösemittels im Vergleich zum Volumen der zu extrahierenden wässrigen 2,3-Butandiollösung zu erhöhen und auf diese Weise die Zahl der nötigen Extraktionsschritte zu reduzieren, wobei die Erhöhung des Lösemittelvolumens im Vergleich zum Volumen der wässrigen 2,3-Butandiollösung um den Faktor 5 bevorzugt, um den Faktor 3 besonders bevorzugt und um den Faktor 2 insbesondere bevorzugt ist.It is also possible, in each extraction step, to increase the volume of the solvent compared to the volume of the aqueous 2,3-butanediol solution to be extracted and thus to reduce the number of extraction steps required, wherein the increase in the volume of solvent compared to the volume of the aqueous 2,3-butanediol solution is preferred by a factor of 5, by a factor of 3 more preferably and by a factor of 2 is particularly preferred.
Zur Erhöhung der Extraktionseffizienz können der wässrigen 2,3-Butandiol-Lösung auch Zusätze zugefügt werden. Dabei handelt es sich z. B. um Salze mit einem sog. Aussalzeffekt wie z. B. Sulfatsalze, Phosphatsalze, Carbonatsalze, Nitratsalze oder Chloridsalze.To increase the extraction efficiency, additives may also be added to the aqueous 2,3-butanediol solution. These are z. B. salts with a so-called. Salting out effect such. For example, sulfate salts, phosphate salts, carbonate salts, nitrate salts or chloride salts.
Diese Zusätze werden vorzugsweise zugefügt in Mengen von 1% bis 100%, besonders bevorzugt 1% bis 70% und insbesondere bevorzugt 1% bis 40% bezogen auf ihre maximale Löslichkeit in Wasser.These additives are preferably added in amounts of 1% to 100%, particularly preferably 1% to 70% and particularly preferably 1% to 40%, based on their maximum solubility in water.
Bei den Zusätzen kann es sich aber auch um unpolare organische Lösemittel handeln, die mit Methylacetat mischbar, mit der wässrigen Phase aber nicht mischbar sind. Beispiele dafür, aber nicht darauf beschränkt, sind organische Lösemittel wie n-Pentan, n-Hexan, n-Heptan, Cyclopentan, Cyclohexan, sowie alle Isomere des Pentans, Hexans oder Heptans. However, the additives may also be non-polar organic solvents which are miscible with methyl acetate but immiscible with the aqueous phase. Examples include, but are not limited to, organic solvents such as n-pentane, n-hexane, n-heptane, cyclopentane, cyclohexane, as well as all isomers of pentane, hexane or heptane.
Diese Zusätze werden zugefügt in Mengen von 0,1% bis 30%, bevorzugt 0,5% bis 20%, besonders bevorzugt 1% bis 10% und insbesondere bevorzugt 1,5% bis 5% bezogen auf das eingesetzte Volumen Methylacetat.These additives are added in amounts of 0.1% to 30%, preferably 0.5% to 20%, more preferably 1% to 10% and especially preferably 1.5% to 5%, based on the volume of methyl acetate used.
Wenn es sich bei der 2,3-Butandiol-haltigen wässrigen Mischung um eine durch Fermentation eines 2,3-Butandiol produzierenden Stammes erhaltenen Fermenterbrühe handelt, so kann die Extraktion von 2,3-Butandiol durch Methylacetat ohne vorgeschaltete Verfahrensschritte direkt aus der Fermenterbrühe erfolgen oder bereits in situ während der Fermentation erfolgen.If the 2,3-butanediol-containing aqueous mixture is a fermenter broth obtained by fermentation of a 2,3-butanediol-producing strain, then the extraction of 2,3-butanediol by methyl acetate without preceding process steps can be carried out directly from the fermenter broth or already done in situ during the fermentation.
Vor der Extraktion aus der Fermenterbrühe ist es jedoch auch möglich, die Mikroorganismen zu inaktivieren. Die Inaktivierung der Mikroorganismen kann in an sich bekannter Weise chemisch erfolgen (z. B. durch Behandlung der Fermenterbrühe mit Peroxiden, Wasserstoffperoxid oder mit Bleichlauge, Lösungen der hypochlorigen Säure oder ihrer Salze) oder aber auch thermisch durch Behandlung der Fermenterbrühe mit Wasserdampf, wie z. B. autoklavieren bei 121°C.Before extraction from the fermenter broth, however, it is also possible to inactivate the microorganisms. The inactivation of the microorganisms can be carried out chemically in a manner known per se (for example by treatment of the fermenter broth with peroxides, hydrogen peroxide or with bleach, solutions of the hypochlorous acid or its salts) or else thermally by treating the fermenter broth with steam, such as, for example, , B. autoclave at 121 ° C.
Bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem die Extraktion aus der Fermenterbrühe ohne weitere Vorbehandlung oder nach thermischer Inaktivierung erfolgt.Preference is given to a process in which the extraction from the fermenter broth takes place without further pretreatment or after thermal inactivation.
Insbesondere bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem die Extraktion aus der Fermenterbrühe ohne weitere Vorbehandlung erfolgt.Particular preference is given to a process in which the extraction from the fermenter broth takes place without further pretreatment.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung werden die Fermenterzellen vor der Extraktion aus der Fermenterbrühe abgetrennt. Die Abtrennung der Fermenterzellen erfolgt dabei in an sich bekannter Weise durch z. B. Sedimentation, Zentrifugation, Filtration, Fällung, Flockung oder aber auch durch eine Vorextraktion in einem Zweiphasengemisch (wie z. B. nach dem Stand der Technik mit Ammoniumsulfat und Isopropanol, bzw. Ethanol).In a further preferred embodiment of the invention, the fermenter cells are separated from the fermenter broth prior to extraction. The separation of the fermenter cells is carried out in a conventional manner by z. As sedimentation, centrifugation, filtration, precipitation, flocculation or else by a pre-extraction in a two-phase mixture (such as, for example, in the prior art with ammonium sulfate and isopropanol, or ethanol).
Besonders bevorzugt ist die Abtrennung der Fermenterzellen durch Zentrifugation, Filtration oder Flockung, insbesondere bevorzugt ist die Abtrennung der Fermenterzellen durch Zentrifugation oder Filtration.Particularly preferred is the separation of the fermenter cells by centrifugation, filtration or flocculation, particularly preferred is the separation of the fermenter cells by centrifugation or filtration.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann im Batchverfahren oder im kontinuierlichen Verfahren durchgeführt werden.The process according to the invention can be carried out in a batch process or in a continuous process.
Die Extraktion im Batchverfahren kann dabei beliebig oft wiederholt werden, bis das 2,3-Butandiol vollständig aus der wässrigen Phase extrahiert ist. Bevorzugt sind ein bis sechs Extraktionen im Batchverfahren, besonders bevorzugt eine bis drei Extraktionen und insbesondere bevorzugt eine Extraktion.The extraction in the batch process can be repeated as often as required until the 2,3-butanediol is completely extracted from the aqueous phase. Preference is given to one to six extractions in the batch process, more preferably one to three extractions and particularly preferably one extraction.
Die Extraktion von 2,3-Butandiol mit Methylacetat aus einer wässrigen Lösung im kontinuierlichen Verfahren wird in an sich bekannter Weise vorzugsweise mit einer Extraktionskolonne im Gegenstrom durchgeführt wobei sowohl eine Siebbodenkolonne wie auch eine Füllkörperkolonne zur Anwendung kommen können.The extraction of 2,3-butanediol with methyl acetate from an aqueous solution in a continuous process is carried out in a conventional manner, preferably in countercurrent with an extraction column wherein both a sieve tray column as well as a packed column can be used.
Je nach gewünschtem Reinheitsgrad des 2,3-Butandiolprodukts kann das erfindungsgemäße Verfahren durch zusätzliche Verfahrensschritte, die entweder vor oder nach der Extraktion mit Methylacetat durchgeführt werden, ergänzt werden.Depending on the desired degree of purity of the 2,3-butanediol product, the process according to the invention can be supplemented by additional process steps which are carried out either before or after the extraction with methyl acetate.
Bei diesen Verfahrensschritten handelt es sich um an sich bekannte Methoden wie Zentrifugation, Sedimentation, Sedimentation unter Einsatz von Flockungsmitteln, Filtration, Destillation, Dünnschichtverdampfen, Extraktion mit einem von Methylacetat verschiedenen Lösemittel, Kristallisation, Chromatographie, Pervaporation, Reverse Osmose, Dampf-Strippen. Bevorzugt handelt es sich um Zentrifugation, Filtration und Destillation.These process steps are known per se, such as centrifugation, sedimentation, sedimentation using flocculants, filtration, distillation, thin-film evaporation, extraction with a solvent other than methyl acetate, crystallization, chromatography, pervaporation, reverse osmosis, steam stripping. It is preferably centrifugation, filtration and distillation.
Durch Kombination verschiedener Aufarbeitungsschritte und unter Einbeziehung der Extraktion von 2,3-Butandiol aus einer wässrigen Lösung mit Methylacetat kann 2,3-Butandiol in einer Ausbeute (definiert als die Menge 2,3-Butandiol in Prozent bezogen auf die in der wässrigen Lösung enthaltene Menge 2,3-Butandiol) > 60%, bevorzugt > 70%, besonders bevorzugt > 80% und insbesondere bevorzugt > 90% isoliert werden, wobei die chemischen Reinheit des 2,3-BDL Produktes durch die weitere Verwendung bestimmt ist und bis > 99% betragen kann. Eine mögliche Abfolge von Aufarbeitungsschritten unter Einbeziehung der erfindungsgemäßen Extraktion mit Methylacetat zur Gewinnung von 2,3-Butandiol aus Fermentationsansätzen ist exemplarisch im 5., 6. und 7. Beispiel beschrieben. Dabei ist dem Fachmann bekannt, dass Zahl, Abfolge und Art der Aufarbeitungsschritte beliebig kombiniert werden können, aber immer zum Ziel haben, 2,3-Butandiol zu den geringst möglichen Kosten aus einer Fermenterbrühe zu isolieren.By combining various work-up steps and involving the extraction of 2,3-butanediol from an aqueous solution with methyl acetate, 2,3-butanediol can be obtained in a yield (defined as the amount of 2,3-butanediol in percent relative to that contained in the aqueous solution Amount of 2,3-butanediol)> 60%, preferably> 70%, particularly preferably> 80% and particularly preferably> 90% are isolated, wherein the chemical purity of the 2,3-BDL product is determined by the further use and can be up to> 99%. A possible sequence of work-up steps involving the extraction according to the invention with methyl acetate for the production of 2,3-butanediol from fermentation mixtures is described by way of example in Examples 5, 6 and 7. It is known in the art that the number, sequence and type of work-up steps can be combined as desired, but always have the goal to isolate 2,3-butanediol at the lowest possible cost from a fermenter broth.
Die in den Beispielen beschriebene Abfolge möglicher Aufarbeitungsschritte umfasst die erfindungsgemäße Extraktion einer 2,3-Butandiol enthaltenden Fermenterbrühe mit Methylacetat, wobei die Fermenterbrühe entweder direkt eingesetzt werden kann oder aber nach vorheriger Abtrennung der Biomasse, z. B. durch Zentrifugation oder Filtration, bzw. eine Kombination aus beiden, und das 2,3-Butandiol anschließend mit Methylacetat extrahiert wird. Der resultierende Methylacetat Extrakt wird anschließend vorzugsweise durch eine zweistufige Destillation aufgearbeitet, wobei vorzugsweise in einem ersten Schritt das niedrig siedende Methylacetat (5. und 7. Beispiel) abgetrennt wird (dieses wird bevorzugt zur Extraktion von 2,3-Butandiol aus einer Fermenterbrühe wiederverwendet), vorzugsweise gefolgt von einer zweiten Destillation (Feindestillation, 6. Beispiel), bei der zuerst eine Fraktion mit mittlerem Siedepunkt (Acetoin, Ethanol, Wasser, Essigsäure) und schließlich die höher siedende Hauptfraktion des 2,3-Butandiol gewonnen wird.The sequence of possible work-up steps described in the examples comprises the extraction according to the invention of a fermenter broth containing 2,3-butanediol with methyl acetate, wherein the fermenter broth can either be used directly or after prior separation of the biomass, eg. B. by centrifugation or filtration, or a combination of both, and the 2,3-butanediol is then extracted with methyl acetate. The resulting methyl acetate extract is then preferably worked up by a two-stage distillation, preferably in a first step, the low-boiling methyl acetate (5th and 7th Example) is separated (this is preferably reused for the extraction of 2,3-butanediol from a fermenter broth) , preferably followed by a second distillation (fine distillation, Example 6), in which first a fraction with a medium boiling point (acetoin, ethanol, water, acetic acid) and finally the higher-boiling main fraction of 2,3-butanediol is recovered.
Zur Quantifizierung, bzw. Bestimmung der Reinheit des isolierten 2,3-BDL Produkts stehen verschiedene analytische Methoden zur Verfügung, darunter GC, HPLC, NMR, Bestimmung des Siedepunktes, Elementaranalyse oder auch eine Kombination aus diesen Analysemethoden.To quantify or determine the purity of the isolated 2,3-BDL product, various analytical methods are available, including GC, HPLC, NMR, determination of the boiling point, elemental analysis or a combination of these analysis methods.
Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung:The following examples serve to further explain the invention:
Beispiel 1:Example 1:
2,3-BDL Produktion mittels eines K. terrigena Stammes durch Fed-Batch Fermentation2,3-BDL production by means of a K. terrigena strain by fed-batch fermentation
Herstellung eines Inokulums für den Vorfermenter: Ein Inokulum von Klebsiella terrigena-pALSbl-tet (offenbart in
Vorfermenter: Die Fermentation wurde in zwei Biostat® C-DCU 3 Fermentern der Firma Sartorius BBI Systems GmbH durchgeführt. Fermentationsmedium war FM2tet. Die Fermentation erfolgte im Batch Modus.Prefermenters: The fermentation was performed three fermenters the company Sartorius BBI Systems GmbH in two Biostat ® C-DCU. Fermentation medium was FM2tet. The fermentation took place in batch mode.
FM2tet Medium enthielt Glucose 60 g/l; 10 g/l; Hefeextrakt (Oxoid) 2,5 g/l; Ammoniumsulfat 5 g/l; NaCl 0,5 g/l; FeSO4 × 7H2O 75 mg/l; Na3Citrat × 2H2O 1 g/l; CaCl2 × 2H2O 14,7 mg/l; MgSO4 × 7H2O 0,3 g/l; KH2PO4 1,5 g/l; Spurenelementemix 10 ml/l und Tetracyclin 15 mg/l. Der pH des FM2tet Mediums wurde vor Beginn der Anzucht auf 6,0 eingestellt.FM2tet medium contained glucose 60 g / l; 10 g / l; Yeast Extract (Oxoid) 2.5 g / l; Ammonium sulfate 5 g / l; NaCl 0.5 g / l; FeSO 4 × 7H 2 O 75 mg / l; Na 3 citrate × 2H 2 O 1 g / l; CaCl 2 × 2H 2 O 14.7 mg / L; MgSO 4 .7H 2 O 0.3 g / l; KH 2 PO 4 1.5 g / l; Trace element mix 10 ml / l and tetracycline 15 mg / l. The pH of the FM2tet medium was adjusted to 6.0 before starting the culture.
Der Spurenelementemix hatte die Zusammensetzung H3BO3 2,5 g/l; CoCl2 × 6H2O 0,7 g/l; CuSO4 × 5H2O 0,25 g/l; MnCl2 × 4H2O 1,6 g/l; ZnSO4 × 7H2O 0,3 g/l und Na2MoO4 × 2H2O 0,15 g/l.The trace element mix had the composition H 3 BO 3 2.5 g / l; CoCl 2 × 6H 2 O 0.7 g / l; CuSO 4 × 5H 2 O 0.25 g / l; MnCl 2 × 4H 2 O 1.6 g / l; ZnSO 4 .7H 2 O 0.3 g / l and Na 2 MoO 4 .2H 2 O 0.15 g / l.
2 × 8 l FM2tet wurden mit je 100 ml Inokulum beimpft. Fermentationstemperatur war 30°C. pH der Fermentation war 6,0 und wurde mit den Korrekturmitteln 25% NH4OH, bzw. 6NH3PO4 konstant gehalten. Die Belüftung erfolgte mit Pressluft bei einem konstanten Durchfluss von 1 vvm (vvm: Volumen Pressluft pro Volumen Fermentationsmedium pro Minute). Der Sauerstoffpartialdruck pO2 wurde auf 50% Sättigung eingestellt. Die Regulierung des Sauerstoffpartialdruckes erfolgte über die Rührgeschwindigkeit (Rührerdrehzahl 450–1.000 rpm). Zur Kontrolle der Schaumbildung wurde Struktol J673 (Schill & Seilacher, 20–25% v/v in Wasser) verwendet. Nach 18 h Fermentationsdauer (Zelldichte OD600/ml von 30–40) wurden die beiden Vorfermenter als Inokulum für den Hauptfermenter verwendet.2 × 8 l FM2tet were inoculated with 100 ml of inoculum. Fermentation temperature was 30 ° C. pH of the fermentation was 6.0 and was kept constant with the correction agents 25% NH 4 OH, or 6NH 3 PO 4 . Aeration was carried out with compressed air at a constant flow rate of 1 vvm (vvm: volume of compressed air per volume of fermentation medium per minute). The oxygen partial pressure pO2 was set to 50% saturation. The regulation of the oxygen partial pressure was carried out via the stirring speed (stirrer speed 450-1,000 rpm). To control foaming, Struktol J673 (Schill & Seilacher, 20-25% v / v in water) was used. After a fermentation time of 18 hours (cell density OD 600 / ml of 30-40), the two pre-fermenters were used as the inoculum for the main fermenter.
Hauptfermenter: Die Fermentation wurde in einem Biostat® D 500 Fermenter (Arbeitsvolumen 330 l, Kesselvolumen 500 l) der Firma Sartorius BBI Systems GmbH durchgeführt. Fermentationsmedium war FM2tet. Die Fermentation erfolgte im sog. Fed-Batch Modus.Main fermentor: The fermentation was ® in a Biostat D 500 fermenter (working volume 330 l, vessel volume 500 l) of the company Sartorius BBI Systems GmbH performed. Fermentation medium was FM2tet. The fermentation took place in the so-called fed-batch mode.
180 l FM2tet wurden mit 16 l Inokulum beimpft. Fermentationstemperatur war 30°C. pH der Fermentation war 6,0 und wurde mit den Korrekturmitteln 25% NH4OH, bzw. 6NH3PO4 konstant gehalten. Die Belüftung erfolgte mit Pressluft bei einem, bezogen auf das Anfangsvolumen konstanten Durchfluss von 1 vvm. Der Sauerstoffpartialdruck pO2 wurde auf 50% Sättigung eingestellt. Die Regulierung des Sauerstoffpartialdruckes erfolgte über die Rührgeschwindigkeit (Rührerdrehzahl 200–500 rpm). Zur Kontrolle der Schaumbildung wurde Struktol J673 (20–25% v/v in Wasser) verwendet. Im Verlauf der Fermentation wurde der Glucoseverbrauch durch off-line Glucose-Messung mit einem Glucose-Analysator der Fa. YSI bestimmt. Sobald die Glukosekonzentration der Fermentationsansätze ca. 20 g/l betrug (8–10 h nach Inokulation), wurde die Zudosierung einer 60% w/w Glucose Feedlösung gestartet. Die Flußrate des Feeds wurde so gewählt, dass während der Produktionsphase eine Glukosekonzentration von 10–20 g/l eingehalten werden konnte. 180 l of FM2tet were inoculated with 16 l of inoculum. Fermentation temperature was 30 ° C. pH of the fermentation was 6.0 and was kept constant with the correction agents 25% NH 4 OH, or 6NH 3 PO 4 . The aeration was carried out with compressed air at a constant, based on the initial volume flow of 1 vvm. The oxygen partial pressure pO2 was set to 50% saturation. The regulation of the oxygen partial pressure was carried out via the stirring speed (stirrer speed 200-500 rpm). To control foaming, Struktol J673 (20-25% v / v in water) was used. In the course of the fermentation, the glucose consumption was determined by off-line glucose measurement with a YSI glucose analyzer. As soon as the glucose concentration of the fermentation mixtures was about 20 g / l (8-10 h after inoculation), the metered addition of a 60% w / w glucose feed solution was started. The flow rate of the feed was chosen so that a glucose concentration of 10-20 g / l could be maintained during the production phase.
In regelmäßigen Abständen wurden dem Fermenter Proben entnommen zur Analyse folgender Parameter:
Die Zelldichte OD600 als Maß der gebildeten Biomasse wurde photometrisch bei 600 nm bestimmt (BioRad Photometer SmartSpecTM 3000).The fermenter was sampled periodically to analyze the following parameters:
The cell density OD600 as a measure of the biomass formed was determined photometrically at 600 nm (BioRad photometer SmartSpec ™ 3000).
Zur Bestimmung der Trockenbiomasse wurden je Messpunkt in einer Dreifachbestimmung je 1 ml Fermentationsansatz zentrifugiert, das Zellpellet mit Wasser gewaschen und bei 80°C zur Gewichtskonstanz getrocknet.To determine the dry biomass, 1 ml of fermentation batch was centrifuged per measurement point in a triple determination, the cell pellet was washed with water and dried at 80 ° C. to constant weight.
Die Gehaltsanalyse für 2,3-Butandiol und andere Fermentationsprodukte in Kulturüberständen erfolgte in an sich bekannter Weise durch 1H-NMR. Dazu wurde aus der Fermentation ein Aliquot des Fermentationsansatzes entnommen und zentrifugiert (10 min 5000 rpm, Eppendorf Labofuge), um einen Kulturüberstand zu gewinnen. 0,1 ml des Kulturüberstandes wurden mit 0,6 ml TSP (3-Trimethylsilyl) propionsäure-2,2,3,3-d4 Natriumsalz) Standardlösung definierten Gehalts (interner Standard, typischerweise 5 g/l) in D2O gemischt. Die 1H-NMR Analyse incl. Peak Integration erfolgte entsprechend dem Stand der Technik mit einem Avance 500 NMR-Gerät der Fa. Bruker. Zur quantitativen Analyse wurden die NMR-Signale der Analysen in folgenden Bereichen integriert:
Nach Beendigung der Fermentation betrug das Volumen im Fermenter 330 l. Der Fermentationsansatz wurde aus dem Fermenter abgelassen und in Aliquots bei –20°C aufbewahrt. Die Gehaltsbestimmung der Fermenterbrühe ergab folgendes Ergebnis:
Beispiel 2Example 2
Vergleichende Extraktion von 2,3-Butandiol aus Fermenterbrühen mit Methylacetat, Ethylacetat, MTBE, 1-Pentanol, Methylpropionat und OleylalkoholComparative extraction of 2,3-butanediol from fermenter broths with methyl acetate, ethyl acetate, MTBE, 1-pentanol, methyl propionate and oleyl alcohol
Eine 2,3-Butandiol-haltige Fermenterbrühe wurde hergestellt und der Gehalt an 2,3-Butandiol wurde bestimmt wie im Beispiel 1 beschrieben. Der Gehalt an 2,3-Butandiol betrug 122,3 g/l. 20 ml der Fermenterbrühe wurden einmal mit je 20 ml Methylacetat, Ethylacetat, MTBE, 1-Pentanol, Methylpropionat und Oleylalkohol bei 22°C extrahiert, indem die Ansätze 15 min bei 400 rpm auf einem Orbitalschüttler (Schüttler KL-2 der Fa. Bühler) gemischt wurden. Die Ansätze wurden anschließend zur Phasentrennung jeweils zentrifugiert (Eppendorf Megafuge, 5 min 3.000 rpm). Die obere, organische Phase wurde jeweils abpipettiert, in einen 250 ml Glasrundkolben überführt, das Lösemittel durch Destillation an einem Rotationsverdampfer abgezogen und der Gehalt an 2,3-Butandiol durch NMR bestimmt (siehe 1. Beispiel). Vom Ansatz mit Oleylalkohol wurde wegen des hohen Siedepunkts von 330–360°C das 2,3-Butandiol (Siedepunkt 180°C) im Rotationsverdampfer abdestilliert und der Gehalt im Destillat bestimmt. Von der unteren, wässrigen Phase wurde der Gehalt an 2,3-Butandiol direkt durch NMR bestimmt. Die 2,3-Butandiol Ausbeuten sind in Tabelle 1 aufgeführt. Tabelle 1: Extraktionseffizienz verschiedener Lösemittel bei der Extraktion von 2,3-Butandiol aus Fermenterbrühen
Beispiel 3:Example 3:
Extraktion von 2,3-Butandiol aus einer Fermenterbrühe durch Mehrfachextraktion mit Methylacetat, Ethylacetat, MTBE und 1-PentanolExtraction of 2,3-butanediol from a fermenter broth by multiple extraction with methyl acetate, ethyl acetate, MTBE and 1-pentanol
Eine 2,3-Butandiol-haltige Fermenterbrühe wurde hergestellt und der Gehalt an 2,3-Butandiol wurde bestimmt wie im Beispiel 1 beschrieben. Der Gehalt an 2,3-Butandiol betrug 122,3 g/l. Die Fermenterbrühe wurde mit Methylacetat, Ethylacetat, MTBE oder 1-Pentanol extrahiert. Dazu wurden 25 ml der Fermenterbrühe dreimal mit je 25 ml des betreffenden Lösemittels bei 22°C extrahiert, indem die Ansätze 15 min bei 400 rpm auf einem Orbitalschüttler (Schüttler KL-2 der Fa. Bühler) gemischt wurden.A 2,3-butanediol-containing fermenter broth was prepared and the content of 2,3-butanediol was determined as described in Example 1. The content of 2,3-butanediol was 122.3 g / l. The fermenter broth was extracted with methyl acetate, ethyl acetate, MTBE or 1-pentanol. For this purpose, 25 ml of the fermenter broth were extracted three times with 25 ml of the respective solvent at 22 ° C by mixing the mixtures for 15 min at 400 rpm on an orbital shaker (Schüttler KL-2 Fa. Buhler).
Die Ansätze wurden anschließend zur Phasentrennung jeweils zentrifugiert (Eppendorf Megafuge, 5 min 3.000 rpm). Die oberen, organischen Phasen der drei Extraktionsschritte wurden jeweils abpipettiert und in einen 250 ml Glasrundkolben vereinigt. Anschließend wurde das Lösemittel durch Destillation an einem Rotationsverdampfer abgezogen. Vom Destillationsrückstand wurde das Volumen und der Gehalt an 2,3-Butandiol bestimmt (siehe 1. Beispiel). Die 2,3-Butandiolausbeuten sind in Tabelle 2 aufgeführt. Tabelle 2: 2,3-Butandiol Ausbeute nach Extraktion von Fermenterbrühe mit verschiedenen Lösemitteln
Mit 1-Pentanol konnten 42,5% 2,3-Butandiol extrahiert werden, wobei aufgrund des hohen Siedepunkts von 1-Pentanol von 138°C (zum Vergleich: Siedepunkt von 2,3-Butandiol 180°C) ca. 40% des extrahierten 2,3-Butandiols in der abdestillierten Lösemittelfraktion wiedergefunden wurden. Dies bedeutet bei der Verwendung von 1-Pentanol als Lösemittel zur Extraktion, dass ein größerer Aufwand zur destillativen Gewinnung des extrahierten 2,3-Butandiols betrieben werden muss.With 1-pentanol 42.5% of 2,3-butanediol could be extracted, wherein due to the high boiling point of 1-pentanol of 138 ° C (for comparison: boiling point of 2,3-butanediol 180 ° C) about 40% of extracted 2,3-butanediol were recovered in the distilled solvent fraction. This means when using 1-pentanol as solvent for extraction, that a greater effort for the recovery by distillation of the extracted 2,3-butanediol must be operated.
Beispiel 4 Example 4
Extraktion von 2,3-BDL mit Methylacetat, Methylpropionat und MethylbutyratExtraction of 2,3-BDL with methyl acetate, methyl propionate and methyl butyrate
0,1 l des im 1. Beispiel hergestellten Fermentationsansatzes wurde 15 min bei 15.000 rpm zentrifugiert (Sorvall Zentrifuge RC5C, ausgestattet mit einem SS34 Rotor). Drei Aliquots von je 20 ml des Zentrifugationsüberstandes (2,3-Butandiol Einsatzmenge 2,4 g) wurden in 50 ml Falconröhrchen überführt und mit jeweils 20 ml Methylacetat, Methylpropionat und Methylbutyrat extrahiert. Dazu wurden die verschlossenen Falcon Reaktionsgefässe 20 min bei Raumtemperatur geschüttelt und anschließend zur Phasentrennung zentrifugiert (5 min 3.000 rpm, Eppendorf Megafuge). Von der unteren, wässrigen Phase wurde jeweils ein Aliquot zur Bestimmung des 2,3-Butandiol Gehalts verwendet. Nach Extraktion mit Methylacetat wurden 1,4 g 2,3-Butandiol in der wässrigen Phase wiedergefunden, entsprechend 60% der eingesetzten 2,3-Butandiolmenge von 2,4 g. 40% der eingesetzten 2,3-Butandiolmenge wurden somit unter den gewählten Bedingungen der einfachen Extraktion durch Methylacetat extrahiert. Mit Methylpropionat konnten 5%, mit Methylbutyrat hingegen kein 2,3-Butandiol extrahiert werden.0.1 l of the fermentation batch prepared in Example 1 was centrifuged for 15 min at 15,000 rpm (Sorvall RC5C centrifuge, equipped with an SS34 rotor). Three aliquots of 20 ml each of the centrifugation supernatant (2,3-butanediol amount used 2.4 g) were transferred to 50 ml Falcon tubes and extracted with 20 ml of methyl acetate, methyl propionate and methyl butyrate. For this purpose, the closed Falcon reaction vessels were shaken for 20 min at room temperature and then centrifuged for phase separation (5 min 3,000 rpm, Eppendorf Megafuge). From the lower, aqueous phase, an aliquot was used to determine the 2,3-butanediol content. After extraction with methyl acetate, 1.4 g of 2,3-butanediol were recovered in the aqueous phase, corresponding to 60% of the 2,3-Butandiolmenge of 2.4 g. 40% of the amount of 2,3-butanediol used was thus extracted under the chosen conditions of simple extraction by methyl acetate. With methyl propionate 5%, but with methyl butyrate, no 2,3-butanediol could be extracted.
Beispiel 5Example 5
Präparative Extraktion von 2,3-BDL aus zellfreien Fermentationsüberständen mit MethylacetatPreparative extraction of 2,3-BDL from cell-free fermentation supernatants with methyl acetate
1 l des im 1. Beispiel hergestellten Fermentationsansatzes wurde 30 min bei 8.000 rpm zentrifugiert (Sorvall Zentrifuge RC5C, ausgestattet mit einem GS-3 Rotor). 800 ml des Zentrifugationsüberstandes (2,3-Butandiol Einsatzmenge 97,8 g) wurden dreimal mit je 1,6 l Methylacetat extrahiert, indem der Extraktionsansatz jeweils 30 min bei Raumtemperatur gerührt wurde. Die organische Phase wurde jeweils über einen Scheidetrichter von der wässrigen Phase abgetrennt. Die organischen Phasen wurden vereinigt und das Methylacetat destillativ in einem Rotationsverdampfer abgezogen. Dadurch wurden 250 ml einer 2,3-Butandiol Rohfraktion gewonnen. Die 2,3-Butandiolkonzentration der Rohfraktion betrug 323,3 g/l. Die 2,3-Butandiolausbeute betrug 80,8 g, bzw. 82,7% (bezogen auf die Einsatzmenge von 97,8 g).1 l of the fermentation batch prepared in Example 1 was centrifuged for 30 min at 8,000 rpm (Sorvall RC5C centrifuge equipped with a GS-3 rotor). 800 ml of Zentrifugationsüberstandes (2,3-butanediol use amount 97.8 g) were extracted three times with 1.6 l of methyl acetate by the extraction mixture was stirred for 30 min at room temperature. The organic phase was separated in each case via a separating funnel from the aqueous phase. The organic phases were combined and the methyl acetate was removed by distillation in a rotary evaporator. Thereby, 250 ml of a 2,3-butanediol crude fraction was recovered. The 2,3-butanediol concentration of the crude fraction was 323.3 g / l. The 2,3-Butandiolausbeute was 80.8 g, or 82.7% (based on the amount used of 97.8 g).
Beispiel 6Example 6
Destillative Aufarbeitung von 2,3-BDL ExtraktenDistillative work-up of 2,3-BDL extracts
Die im 6. Beispiel durch Extraktion mit Methylacetat gewonnene Rohfraktion (250 ml, 80,8 g 2,3-Butandiol) wurde durch Destillation fraktioniert. Die Rohfraktion wurde in einen 0,5 l Glasrundkolben überführt und über einen 30 cm Rückflusskühler fraktioniert destilliert. Dabei wurde ohne Vakuum destilliert (Heiztemperatur 118°C), um niedriger siedende Fraktionen abzutrennen (Dauer ca. 30 min). Anschließend wurde ein Vakuum von 100 mbar angelegt und die Heiztemperatur bis auf 192°C erhöht (Dauer ca. 60 min). Die 2,3-Butandiol Fraktion wurde bei einer Kopftemperatur von 120°C aufgefangen und ausgewogen. Die Auswaage der Fraktion betrug 75 g. Die Fraktion wurde durch NMR analysiert (siehe 1. Beispiel). Der Anteil an Verunreinigungen war < 1%. Bezogen auf die eingesetzte Menge 2,3-Butandiol in der Rohfraktion von 80,8 g betrug die Ausbeute 92,8%.The crude fraction obtained in the 6th Example by extraction with methyl acetate (250 ml, 80.8 g of 2,3-butanediol) was fractionated by distillation. The crude fraction was transferred to a 0.5 L glass round bottom flask and fractionally distilled through a 30 cm reflux condenser. It was distilled without vacuum (heating temperature 118 ° C) to separate lower-boiling fractions (duration about 30 min). Subsequently, a vacuum of 100 mbar was applied and the heating temperature increased up to 192 ° C (duration about 60 min). The 2,3-butanediol fraction was collected at a head temperature of 120 ° C and weighed. The weight of the fraction was 75 g. The fraction was analyzed by NMR (see Example 1). The content of impurities was <1%. Based on the amount of 2,3-butanediol in the crude fraction of 80.8 g, the yield was 92.8%.
Beispiel 7Example 7
Präparative Extraktion von 2,3-BDL aus zellfreien Fermentationsüberständen mit Methylacetat im Pilot-MaßstabPreparative extraction of 2,3-BDL from cell-free fermentation supernatants with methyl acetate on a pilot scale
60 l des im 1. Beispiel fermentativ hergestellten Fermentationsansatzes wurden sukzessive in je 6 l Aliquots 30 min bei 5.000 rpm zentrifugiert (Sorvall Zentrifuge Evolution RC der Fa. Thermo Scientific, ausgestattet mit einem Rotor F8S 6 × 1000y). Vom gesammelten Zentrifugationsüberstand wurde anschließend in 17 Chargen zu je 3 l durch Querstromfiltration ein zellfreies Filtrat hergestellt.60 l of the fermentation batch prepared by fermentation in Example 1 were successively centrifuged in 6 l aliquots for 30 min at 5,000 rpm (Sorvall Centrifuge Evolution RC from Thermo Scientific, equipped with a F8S 6 × 1000y rotor). From the collected centrifugation supernatant, a cell-free filtrate was then produced in 17 batches of 3 l each by crossflow filtration.
Zur Filtration wurde eine kommerziell erhältliche Querstrom Filtrationseinheit der Fa. Sartorius Stedim Biotech GmbH (Sartocon® Slice, ausgestattet mit drei 0,2 μm Hydrosart Microfiltermembranmodulen von je 0,1 m2 Filtrationsfläche und betrieben mit einer Sartojet Membranpumpe des gleichen Herstellers) eingesetzt und entsprechend den Empfehlungen des Herstellers betrieben. Die Pumpgeschwindigkeit betrug dabei 38 l/h, die Druckbegrenzung war auf einen Maximaldruck von 3 bar eingestellt. Die Filtrationsrate betrug durchschnittlich 0,4 l/h. 40 l Filtrat wurden gewonnen entsprechend einer 2,3-Butandiolmenge von 4,9 kg.For filtration, a commercially available cross-flow filtration unit of the company. Sartorius Stedim Biotech GmbH (Sartocon ® slice, equipped with three 0.2 micron Hydrosart Microfiltermembranmodulen of 0.1 m 2 filtration area and operated with a Sartojet diaphragm pump from the same manufacturer) used and accordingly operated according to the recommendations of the manufacturer. The pumping speed was 38 l / h, the pressure limit was set to a maximum pressure of 3 bar. The filtration rate averaged 0.4 l / h. 40 liters of filtrate were recovered corresponding to a quantity of 2,3-butanediol of 4.9 kg.
Zur Extraktion des 2,3-Butandiols wurden die 40 l Filtrat in einem 200 l Reaktionskessel dreimal mit je 80 l Methylacetat extrahiert. Dazu wurde der Extraktionsansatz jeweils 1 h bei Raumtemperatur gerührt und die Methylacetatphasen nach der Phasentrennung in einem 500 l Reaktionskessel vereinigt. Das Lösemittel wurde anschließend abdestilliert (bei 50°C und einem Vakuum von 100 mbar) und ein Rohextrakt erhalten. Das Volumen des Rohextraktes betrug 13,1 l. Die Ausbeute an 2,3-Butandiol betrug 4 kg (82 Ausbeute bezogen auf die eingesetzte Menge 2,3-Butandiol von 4,9 kg). Die analytisch bestimmte Zusammensetzung des Rohextraktes war: 2,3-Butandiol 305,9 g/l, H2O 656,9 g/l, Acetoin 38,3 g/l, Ethanol 5,7 g/l, Essigsäure 1,1 g/l. To extract the 2,3-butanediol, the 40 l of filtrate were extracted three times with 80 l of methyl acetate in a 200 l reaction kettle. For this purpose, the extraction batch was stirred for 1 h at room temperature and the methyl acetate phases after phase separation in a 500 l reaction vessel combined. The solvent was then distilled off (at 50 ° C and a vacuum of 100 mbar) to obtain a crude extract. The volume of the crude extract was 13.1 l. The yield of 2,3-butanediol was 4 kg (82 yield based on the amount of 2,3-butanediol of 4.9 kg). The analytically determined composition of the crude extract was: 2,3-butanediol 305.9 g / l, H 2 O 656.9 g / l, acetoin 38.3 g / l, ethanol 5.7 g / l, acetic acid 1.1 g / l.
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