DE102013224909A1

DE102013224909A1 - Verfahren zur Isolierung von 2,3-Butandiol aus Fermentationsansätzen

Info

Publication number: DE102013224909A1
Application number: DE102013224909.8A
Authority: DE
Inventors: Rupert Pfaller
Original assignee: Wacker Chemie AG
Current assignee: Wacker Chemie AG
Priority date: 2013-12-04
Filing date: 2013-12-04
Publication date: 2015-06-11

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Gewinnung von 2,3-Butandiol aus einer 2,3-Butandiol-haltigen Fermenterbrühe dadurch gekennzeichnet, dass die Fermenterbrühe zunächst mittels einer Säure auf einen pH-Wert von ≤ 5 eingestellt wird, daraufhin bei einem Druck von 70 kPa bis 150 kPa und einer Temperatur von 100°C bis 150°C thermisch behandelt wird, anschließend mittels Zentrifugation in eine feste und eine flüssige Phase getrennt wird und aus der flüssigen Phase mittels fraktionierter Destillation zunächst eine Abtrennung niedriger als 2,3-Butandiol siedender Bestandteile und anschließend eine Isolierung von 2,3-Butandiol erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Isolierung von 2,3-Butandiol aus Fermentationsansätzen.
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.
Beispiele für chemische Grundstoffe (sog. chemische Synthesebausteine oder auch Plattformchemikalien genannt) aus nachwachsenden Rohstoffen sind Ethanol (C2-Baustein), Glycerin, 1,3-Propandiol, 1,2-Propandiol, Milchsäure, 3-Hydroxypropionsäure (C3-Bausteine) oder Bernsteinsäure, 1-Butanol, 2-Butanol, 1,4-Butandiol, Acetoin, Diacetyl 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.
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 Fermentationsmedium haben und in verdünnter Form vorliegen, ist ihre Isolierung meistens mit einem hohen apparativen, energetischen und chemischen Aufwand verbunden, was sich ungünstig auf die Wirtschaftlichkeit auswirkt.
Ein auf fermentativem Weg zugänglicher C4-Baustein ist 2,3-Butandiol (CAS 513-85-9). Der Stand der Technik zur fermentativen 2,3-Butandiol Herstellung ist zusammengefasst in Celinska und Grajek (Biotechnol. Advances (2009) 27: 715–725).
Der Stand der Technik zur Aufarbeitung von 2,3-Butandiol ist zusammengefasst in Xiu und Zeng (Appl. Microbiol. Biotechnol (2008) 78: 917–926) sowie auch in Syu (Appl. Microbiol. Biotechnol (2001) 55: 10–18). 2,3-Butandiol ist charakterisiert durch einen hohen Siedepunkt von 180°C (bei Normdruck) und eine praktisch unbegrenzte Mischbarkeit mit Wasser. Daher sind z. B. einfache destillative und extraktive Methoden zur 2,3-Butandiol Isolierung mit einem hohen chemischen und energetischen Aufwand verbunden. Entsprechend kommen Xiu und Zeng (Appl. Microbiol. Biotechnol (2008) 78: 917–926) zur Schlussfolgerung, dass die Isolierung von 2,3-Butandiol aus wässrigen Mischungen wie z. B. aus Fermentationsansätzen eine technologische Herausforderung und wirtschaftliche Hürde darstellt auf dem Weg zur industriellen biotechnologischen Produktion von 2,3-Butandiol.
Verschiedene Verfahren zur Anreicherung von 2,3-Butandiol wurden beschrieben, darunter die apparativ aufwendigen 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.
Ein energetisch sehr aufwendiges Verfahren zur 2,3-Butandiol Isolierung stellt das sog. Dampf-Stripping dar (Blom et al., Industrial and Engineering Chemistry (1945) 37: 865–870), das sich im technischen Maßstab nicht durchsetzen konnte.
Verschiedene Verfahren zur flüssig-flüssig Extraktion sind bekannt. Ghosh and Swaminathan (Chem. Biochem. Eng. Q. (2003) 17: 319–325) beschreiben ein extraktives Fermentationsverfahren in einem wässrigen PEG (Polyethylenglykol)/Dextran 2-Phasensystem.
Sun et al. (Biotechnol. Lett. (2009) 31: 371–376) beschreiben ein Extraktionsverfahren unter Verwendung von Ammoniumsulfat und Isopropanol. Li et al. (Process Biochemistry (2010) 45: 731–737) beschreiben ein ähnliches Verfahren unter Verwendung von Ammoniumsulfat und Ethanol. Beide Verfahren setzen große Mengen an Ammoniumsulfat zu, was zu einer hohen Salzfracht sowohl im Extrakt als auch im Extraktionsrückstand führt, die in einem technischen Verfahren aufwendig zurückgewonnen werden muss. Garcia-Chavez et al. (2012) J. Chem. Thermodynamics 55: 85–91 beschreiben ein Verfahren zur Extraktion von 2,3-Butandiol mit ionischen Flüssigkeiten, das ebenfalls aufgrund der hohen Einsatzmenge des teuren Extraktionsmittels für den technischen Einsatz nicht geeignet ist.
Ein in situ Extraktionsverfahren unter Verwendung von Oleylalkohol wird von Anvari und Khayati (J. Ind. Microbiol. Biotechnol. (2009) 36: 313–317) beschrieben, wobei der fermentative Butandioltiter mit 23 g/l sehr niedrig war und nur 68% des Produkts extrahiert wurden. Darüber hinaus stellt sich, in einem technischen Verfahren, die Wiedergewinnung des Extraktionsmittels aufgrund des hohen Siedepunkts von 330–360°C als energetisch sehr aufwendig dar.
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. Xiu und Zeng (Appl. Microbiol. Biotechnol (2008) 78: 917–926) fassen den dazu verfügbaren Stand der Technik zusammen.
Weiterhin werden verschiedene Verfahren der Reaktivextraktion beschrieben. Li et al. (2013), J. Saudi Chemical Soc., http://dx.doi.org/10.1016/j.jscs.2013.02.005 verwenden n-Butylaldehyd, Li et al. (2012), Biotechnol. Bioprocess Eng. 17: 337–345 verwenden ein Acetaldehyd-Cyclohexan System. Auch hier werden teure Chemikalien teilweise in stöchiometrischen Mengen eingesetzt, um 2,3-Butandiol aus Fermentationsansätzen zu extrahieren.
Die Bewertung des Standes der Technik in Xiu und Zeng (Appl. Microbiol. Biotechnol. (2008) 78: 917–926) sowie auch in Syu (Appl. Microbiol. Biotechnol (2001) 55: 10–18) ergab, dass die verfügbaren Methoden zum einen eine technische Herausforderung darstellen und andererseits aus wirtschaftlicher Sicht zu kostenaufwendig sind. Die aus wirtschaftlicher Sicht an sich bevorzugte flüssig-flüssig Extraktion bietet keine tragbare Lösung, da die Extraktion mit bekannten Lösemitteln wie Alkoholen oder Estern zu ineffizient erfolgt. Ein verbessertes Verfahren zur extraktiven Isolierung von 2,3-Butandiol unter Verwendung von Methylacetat, jedoch immer noch mit großem Aufwand den Chemikalieneinsatz und die Anlageninvestition betreffend, ist in DE 10 2011 004 915 offenbart.
Ein Problem bei der Isolierung von 2,3-Butandiol aus wässrigen Mischungen, speziell Fermenterbrühen, ist dessen hoher Siedepunkt von 180°C. An sich technisch einfach in meist schon vorhandenen Anlagen durchzuführen, muss bei der Destillation der Energieaufwand minimiert werden. Darüber hinaus stellt bei der Destillation von 2,3-Butandiol aus Fermentationsansätzen der hohe Anteil komplexer Nebenprodukte ein technisch viel schwieriger zu lösendes Problem dar. Wie im 2. Beispiel der vorliegenden Anmeldung gezeigt, wird bei der Destillation aus Fermenterbrühen, aus denen vorher die Biomasse ohne weitere Vorbehandlung durch niedertourige Zentrifugation abgetrennt worden war, ein hoher Produktverlust beobachtet. Darüber hinaus verbleibt ein zähflüssiger Destillationssumpf, der nur schwer aus der Vorlage zu entfernen ist.
WO 2013054874 beschreibt ein mehrstufiges Verfahren zur Aufarbeitung von 2,3-Butandiol aus Fermentationsansätzen. Ausgehend von Fermenterbrühe wird Biomasse durch Mikrofiltration entfernt. Es folgte eine Nanofiltration, bei der 2,3-Butandiol im Permeat wiedergefunden wurde. Anschließend wurde 2,3-Butandiol durch eine Anionenaustauschchromatographie gefolgt von einer Kationenaustauschchromatographie entsalzt. Im nächsten Schritt wurde Wasser über einen Dünnschichtverdampfer entfernt. Schließlich wurde die konzentrierte 2,3-Butandiol Fraktion mit Lauge versetzt, um einen alkalischen pH einzustellen. Im letzten Schritt folgte eine an sich bekannte Vakuum-Destillation, bei der das 2,3-Butandiol gewonnen wurde. Insgesamt wurden also sechs apparativ aufwendige Aufarbeitungsschritte eingesetzt, um 2,3-Butandiol aus Fermentationsansätzen zu isolieren. Für die großtechnische Isolierung von 2,3-Butandiol erscheint dieses Verfahren damit nicht geeignet.
Aufgabe der Erfindung war es ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das es erlaubt 2,3-Butandiol mit möglichst wenigen und technisch nicht anspruchsvollen Verfahrensschritten kostengünstig und effizient aus einer 2,3-Butandiol-haltigen Fermenterbrühe zu isolieren.
Gelöst wurde die Aufgabe durch ein Verfahren, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass die Fermenterbrühe zunächst mittels einer Säure auf einen pH-Wert ≤ 5 eingestellt wird, daraufhin bei einem Druck von 70 kPa bis 150 kPa und einer Temperatur von 100°C bis 150°C thermisch behandelt wird, anschließend mittels Zentrifugation in eine feste und eine flüssige Phase getrennt wird und aus der flüssigen Phase mittels fraktionierter Destillation zunächst eine Abtrennung niedriger als 2,3-Butandiol siedender Bestandteile, und anschließend eine Isolierung von 2,3-Butandiol erfolgt.
Die 2,3-Butandiol-haltige Fermenterbrühe enthält die isomeren Formen des 2,3-Butandiols (Meso-2,3-Butandiol, CAS 5341-95-7; R,R-2,3-Butandiol, CAS 24347-58-8; und S,S-2,3-Butandiol, CAS 19132-06-0) entweder einzeln oder als Gemisch in beliebigen Verhältnissen. Sie kann bei 23°C aus einer Phase bestehen, kann aber auch aus mehreren Phasen, darunter flüssigen, festen und auch gasförmigen Phasen bestehen. Vorzugsweise enthält die 2,3-Butandiol-haltige Fermenterbrühe eine flüssige und eine feste Phase.
Der 2,3-Butandiol Gehalt der 2,3-Butandiol-haltigen Fermenterbrühe beträgt mindestens 10 g/l, bevorzugt mindestens 50 g/l, besonders bevorzugt mindestens 100 g/l und insbesondere bevorzugt mindestens 150 g/l.
Die 2,3-Butandiol-haltige Fermenterbrühe wird in an sich bekannter Weise durch mikrobielle Fermentation vorzugsweise eines 2,3-Butandiol produzierenden Stammes der Gattung Raoultella hergestellt. Derartige Verfahren sind z. B. offenbart in WO2012104243 , WO2012104244 , WO2012104234 oder DE 10 2013 216 658 .
Eine 2,3-Butandiol-haltige Fermenterbrühe enthält als feste Bestandteile in der Regel die infolge des Zellwachstums gebildete Biomasse. Die Biomasse wird bestimmt als Biotrockenmasse und diese ist definiert als der vollständig getrocknete Rückstand der partikulären Bestandteile des Fermentationsansatzes, der z. B. durch Zentrifugation vom löslichen, sog. Fermentationsüberstand abgetrennt werden kann. Die Trocknung erfolgt üblicherweise thermisch, z. B. bei erhöhter Temperatur von 80°C bis zur Gewichtskonstanz.
Die Fermenterbrühe enthält Trockenbiomasse in einer Konzentration von mindestens 10 g/l, bevorzugt mindestens 20 g/l, besonders bevorzugt mindestens 50 g/l und insbesondere bevorzugt mindestens 100 g/l.
Das erfindungsgemäße Aufarbeitungsverfahren wird vereinfacht durch einen hohen 2,3-Butandiol Gehalt der Fermenterbrühe, der mindestens 80 g/l betragen sollte, bevorzugt 100 g/l, besonders bevorzugt 120 g/l und insbesondere bevorzugt 140 g/l.
Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert im Gegensatz zum Stand der Technik eine nur geringe Zahl von Aufarbeitungsschritten, für die die technischen Einrichtungen in bestehenden Produktionsanlagen üblicherweise bereits vorhanden sind. Ebenso ist nur ein minimaler Einsatz von Prozesschemikalien erforderlich.
Der erste erfindungswesentliche Schritt der Aufarbeitung von 2,3-Butandiol aus der Fermenterbrühe ist die Einstellung des pH Wertes auf ≤ 5. Dies kann kontinuierlich oder absatzweise (Batch-Verfahren) erfolgen. In der einfachsten Form erfolgt die Einstellung des pH Wertes in situ nach Beendigung der Fermentation, indem der pH des Fermentationsansatzes durch Zudosierung einer Säure auf pH ≤ 5 abgesenkt wird. Bei der Säure handelt es sich bevorzugt um Schwefelsäure, Salzsäure, Salpetersäure, Phosphorsäure oder Essigsäure, besonders bevorzugt um Schwefelsäure oder Salzsäure und insbesondere bevorzugt um Schwefelsäure.
Der zweite erfindungswesentliche Schritt ist die an den vorgenannten Schritt anschließende Erhitzung der Fermenterbrühe auf eine Temperatur im Bereich von 100°C bis 150°C, bevorzugt 110°C bis 140°C, besonders bevorzugt 115°C bis 130°C und insbesondere bevorzugt auf 121°C bei einem Druck von 70 kPa bis 150 kPa, bevorzugt 90 kPa bis 140 kPa, besonders bevorzugt 110 kPa bis 130 kPa und insbesondere bevorzugt 120 kPa. Insbesondere bevorzugt erfolgt die thermische Behandlung bei Bedingungen der dem Fachmann geläufigen Sterilisation biologischer Proben. Die Dauer der thermischen Behandlung kann den Erfordernissen der weiteren Aufarbeitung entsprechend beliebig gewählt werden und beträgt bevorzugt 2 bis 20 min und besonders bevorzugt 5 bis 10 min.
Es zeigte sich überraschend dass eine geringfügige Absenkung des pH-Werts des Fermentationsansatzes auf pH ≤ 5 ausreicht, um unter an sich bekannten Bedingungen der mikrobiellen Sterilisation bei 121°C und eine gegenüber dem Stand der Technik verringerte Inkubationszeit von 2 bis 20 min, bevorzugt von 5 bis 10 min, die Zentrifugierbarkeit der Fermenterbrühe signifikant zu verbessern (3. Beispiel).
Im Stand der Technik übliche Fermenter, die für die großtechnische Produktion eingesetzt werden, verfügen über die Möglichkeit der in situ Sterilisation, sodass das erfindungsgemäße Verfahren ohne zusätzliche Investition in bestehenden Anlagen durchgeführt werden kann und daher besonders wirtschaftlich ist. Die zwei vorgenannten Verfahrensschritte pH Einstellung und Erhitzen können aber auch entkoppelt von der Fermentation durchgeführt werden, indem der Fermentationsansatz in einen Vorlagebehälter überführt wird. Aufgrund der kurzen Zeitdauer der Vorbehandlung ist auch eine kontinuierliche Verfahrensführung möglich, indem die Fermenterbrühe kontinuierlich unter den erfindungsgemäßen Bedingungen durch eine Kontaktzone gefördert wird.
Anschließend erfolgt die Trennung in eine feste und eine flüssige Phase durch Abtrennung der Biomasse mittels Zentrifugation. Die Zentrifugation erfolgt entweder diskontinuierlich mittels der bis in den Pilotmaßstab gebräuchlichen batchweisen Zentrifugation oder kontinuierlich mittels der auch im großtechnischen Maßstab gebräuchlichen kontinuierlichen Zentrifugation (Durchlaufzentrifugen).
Wegen des geringen Energieverbrauchs besonders bevorzugt ist eine niedertourige kontinuierliche oder diskontinuierliche Zentrifugation mit einer g-Zahl im Bereich von 200 × g bis 10.000 × g und einer Zentrifugationsdauer von 2 bis 120 min zur Abtrennung der Biomasse.
Bevorzugt handelt es sich um eine Zentrifugation im Bereich von 500 × g–8.000 × g, besonders bevorzugt 1.500 × g bis 6.000 × g und insbesondere bevorzugt 1.800 × g bis 4.000 × g.
Die Zentrifugationsdauer beträgt bevorzugt 5 min bis 90 min, besonders bevorzugt 10 min bis 60 min und insbesondere bevorzugt 15 min bis 30 min.
Durch die Zentrifugation wird ein weitgehend von Biomasse befreiter, partikelarmer Fermentationsüberstand für die weitere Aufarbeitung gewonnen. Der weitgehend von Biomasse befreite, partikelarme Fermentationsüberstand weist vorzugsweise eine optische Dichte OD₆₀₀, photometrisch gemessen als Absorption (bzw. Streuung) von Licht der Wellenlänge 600 nm, von max. 5% der ursprünglich in der unbehandelten Fermenterbrühe gemessenen optischen Dichte auf. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist er max. 2%, besonders bevorzugt max. 1% und insbesondere bevorzugt max. 0,5% der optische Dichte OD₆₀₀ der ursprünglich in der unbehandelten Fermenterbrühe gemessenen optischen Dichte auf.
Um die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens zu optimieren wird der Anteil niedriger als 2,3-Butandiol siedender Bestandteile aus dem partikelarmen Fermentationsüberstands mit möglichst geringem Energieaufwand entfernt, bevor anschließend 2,3-Butandiol destillativ gewonnen wird. Dies geschieht mittels destillativer Verfahren oder mittels Filtration des partikelarmen Fermentationsüberstands.
Destillative Verfahren umfassen in der einfachsten Form das Abdampfen, mit oder ohne Destillationskolonne, vorzugsweise bis zu einer Temperatur von 100°C, bevorzugt 120°C und besonders bevorzugt 140°C bei Normaldruck. Durch Anlegen eines geeigneten Vakuums von mindestens 40 kPa, bevorzugt mindestens 10 kPa, besonders bevorzugt mindestens 5 kPa und insbesondere bevorzugt mindestens 1 kPa kann der Energieaufwand nochmals minimiert werden. Ein der Destillation vergleichbares Verfahren ist die Abtrennung niedrig siedender Bestandteile durch einen Dünnschichtverdampfer. Bei der Filtration bieten sich Verfahren wie reverse Osmose an, um vor allem Wasser abzutrennen. Diese Verfahren können jeweils einzeln und, in beliebiger Reihenfolge, auch kombiniert eingesetzt werden. Bevorzugt ist ein destillatives Verfahren bei dem eine Abtrennung niedriger als 2,3-Butandiol siedender Bestandteile aus dem partikelarmen Fermentationsüberstand erfolgt. Bei diesen Bestandteilen handelt es sich überwiegend um Ethanol, Acetoin und vor allem Wasser. Diese vergleichsweise niedrig siedenden Bestandteile machen, abhängig vom 2,3-Butandiol Gehalt, mindestens 80% des partikelarmen Fermentationsüberstandes aus.
Vorzugsweise beträgt der 2,3-Butandiol Gehalt der so erhaltenen Lösung mindestens 800 g/l.
Im erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Abtrennung niedriger als 2,3-Butandiol siedender Bestandteile und die Isolierung von 2,3-Butandiol in einem Schritt durch fraktionierte Destillation. Zur Erhöhung der Trennleistung wird wie aus dem Stand der Technik bekannt eine Destillationskolonne eingesetzt, deren Beschaffenheit (Anzahl theoretischer Böden) und Dimensionen auf maximale Trennleistung ausgelegt sind. Vorzugsweise werden auch Wärmetauscher zur Rückgewinnung und Wiederverwendung von Kondensatwärme (Reduzierung des Energieaufwands) ebenfalls entsprechend dem Stand der Technik eingesetzt.
Für die großtechnische Umsetzung bietet sich als Variante der fraktionierten Destillation die dem Fachmann bekannte Rektifikation an, bei der das 2,3-Butandiol auch in einer kontinuierlichen Destillation gewonnen werden kann. Die dabei zu verwendende Rektifikationskolonne und die Anzahl der einzusetzenden Böden sind dabei nach dem Stand der Technik auszuwählen.
In der ersten Phase der Destillation zur Abtrennung niedriger als 2,3-Butandiol siedender Bestandteile werden Sumpftemperatur (gleichbedeutend mit der Badtemperatur in Laboransätzen, mit der die Vorlage erhitzt wird) und Vakuum in einer Kombination ausgewählt, um eine möglichst selektive Abtrennung niedrig siedender Bestandteile zu gewährleisten. Die Sumpftemperatur beträgt dabei vorzugsweise zwischen 20 und 120°C, bevorzugt zwischen 30 und 90°C, besonders bevorzugt zwischen 30 und 70°C und insbesondere bevorzugt zwischen 40 und 60°C. Der Druck wird dabei entweder nicht reduziert oder bevorzugt reduziert auf weniger als 50 kPa, besonders bevorzugt auf weniger als 10 kPa und insbesondere bevorzugt auf weniger als 2 kPa.
In der zweiten Phase der Destillation, bei der das 2,3-Butandiol Produkt abdestilliert wird, beträgt die Sumpftemperatur 80–120°C, bevorzugt 90–100°C und insbesondere 92–98°C, die Kopftemperatur 50–75°C, bevorzugt 60–70°C und insbesondere bevorzugt 60–68°C, bei einem angelegten Vakuum von mindestens 1 kPa, bevorzugt 700 Pa, besonders bevorzugt 500 Pa und insbesondere bevorzugt 200 Pa.
Das bei der Destillation gewonnene 2,3-Butandiol wird in einer Ausbeute (definiert als die Menge 2,3-Butandiol in Prozent bezogen auf die in der Fermenterbrühe enthaltene Menge 2,3-Butandiol) von mindestens 70%, bevorzugt mindestens 80% und besonders bevorzugt mindestens 90% gewonnen.
Die Reinheit des im erfindungsgemäßen Verfahren isolierten 2,3-Butandiols ist grösser 90%, bevorzugt grösser 93%, besonders bevorzugt grösser 95% und insbesondere bevorzugt grösser 97%.
Zur Quantifizierung, bzw. Bestimmung der Reinheit des isolierten 2,3-Butandiol Produkts stehen verschiedene analytische Methoden zur Verfügung, darunter GC, HPLC, NMR, Bestimmung des Siedepunktes, Elementaranalyse oder auch eine Kombination aus diesen Analysemethoden.
Je nach gewünschtem Reinheitsgrad des 2,3-Butandiol Produkts kann das erfindungsgemäße Verfahren durch zusätzliche, an sich bekannte Verfahrensschritte wie z. B. Feindestillation oder Abtrennung weiterer Spurenverunreinigungen durch Chromatographie oder Aktivkohlebehandlung ergänzt werden.
Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung, wobei das erfindungsgemäße Verfahren im 3., 4. und 5. Beispiel beschrieben wird.
1. Beispiel
2,3-Butandiol Produktion mittels eines R. terrigena Stammes durch Fed-Batch Fermentation
Herstellung eines Inokulums für den Vorfermenter: Ein Inokulum von Raoultella terrigena-pALSbl-tet (offenbart in DE 10 2011 003 394 ) in Lötet Medium (10 g/l Trypton, 5 g/l Hefeextrakt, 5 g/l NaCl, 15 μg/ml Tetracyclin) wurde hergestellt, indem 2 × 100 ml Lötet Medium, jeweils in einem 1 l Erlenmeyerkolben, mit jeweils 0,25 ml einer Glycerinkultur (Über-Nacht Kultur des Stammes in Lötet Medium, mit Glycerin in einer Endkonzentration von 20% v/v versetzt und bei –20°C aufbewahrt) beimpft wurden. Die Anzucht erfolgte für 7 h bei 30°C und 120 rpm auf einem Infors Orbitalschüttler (Zelldichte OD₆₀₀/ml von 0,5–2,5). 100 ml der Vorkultur wurden zum Beimpfen von 8 l Fermentermedium verwendet. Beimpft wurden zwei Vorfermenter mit je 8 l Fermentermedium.
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.
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 6,3 eingestellt.
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.
2 × 8 l FM2tet wurden mit je 100 ml Inokulum beimpft. Fermentationstemperatur war 30°C. pH der Fermentation war 6,3 und wurde mit den Korrekturmitteln 25% NH₄OH, bzw. 6 N H₃PO₄ 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.
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.
180 l FM2tet wurden mit 16 l Inokulum beimpft. Fermentationstemperatur war 30°C. pH der Fermentation war 6,3 und wurde mit den Korrekturmitteln 25% NH₄OH, bzw. 6 N H₃PO₄ 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.
In regelmäßigen Abständen wurden dem Fermenter Proben entnommen zur Analyse folgender Parameter:
Die Zelldichte, auch benannt optische Dichte OD₆₀₀ als Maß der gebildeten Biomasse und der Partikeldichte in der Fermenterbrühe wurde in an sich bekannter Weise photometrisch bei einer Wellenlänge von 600 nm bestimmt (BioRad Photometer SmartSpec^TM 3000).
Zur auch in den folgenden Beispielen wichtigen Bestimmung der Partikeldichte in Fermenterbrühen wurden Kunststoffküvetten mit 1 cm Schichtdicke und 1 ml Messvolumen verwendet. Die Messung wurde durchgeführt, indem zuerst mit 1 ml 0,9% (w/v) NaCl ein Nullabgleich am Photometer vorgenommen wurde. Anschließend wurde die OD₆₀₀ der zu messenden Probe bestimmt. Dazu wurde die Fermenterbrühe zuerst 100-fach in 0,9% (w/v) NaCl verdünnt und von 1 ml der Verdünnung am zuvor auf null abgeglichenen Photometer die optische Dichte bestimmt.
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.
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 5.000 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:

TSP: 0,140–0,145 ppm (9H)

2,3-Butandiol: 1,155–1,110 ppm (6H)

Ethanol: 1,205–1,157 ppm (3H)

Essigsäure: 2,000–1,965 ppm (3H)

Acetoin: 2,238 –2,200 ppm (3H)
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:

2,3-Butandiol: 122,3 g/l

Ethanol: 6,7 g/l

Essigsäure: 9,0 g/l

Acetoin: 8,2 g/l
2. Beispiel
Destillation von 2,3-Butandiol aus Fermenterbrühen nach Zentrifugation (Vergleichsbeispiel)
Fermenterbrühe wurde hergestellt wie im 1. Beispiel beschrieben. Die Fermenterbrühe wurde in einer Evolution RC Zentrifuge der Fa. Thermo Scientific, ausgestattet mit einem Rotor F8S mit 8.500 rpm, entsprechend einer g-Zahl von 15.860 × g 30 min zentrifugiert. Es wurden 31 kg Fermenterüberstand gewonnen.
Im ersten Schritt wurden von den 31 kg Fermentationsüberstand in einem 100 l Reaktionskessel 25,9 kg Wasser abdestilliert (Tabelle 1, „Ferm.Überstand”), das praktisch kein 2,3-Butandiol enthielt. Es verblieb ein zähflüssiger, das Produkt enthaltender Rückstand, aus dem in einer weiteren Destillation 1,5 kg Rohdestillat gewonnen werden konnten (siehe Tabelle 1 „Rohdestillat”). Der nicht weiter destillierbare, hochviskose Sumpf konnte nur mit alkoholischer Lauge aus der Destillationsvorlage entfernt werden.

Das Rohdestillat wurde einer weiteren fraktionierten Destillation (10 l Reaktionskessel) unterzogen. Dabei wurden drei Fraktionen gewonnen, bezeichnet als Fraktion 1 bis Fraktion 3. Die Bedingungen der Destillation sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Tabelle 1: Destillation von Fermentationsüberstand nach Zentrifugation (Vergleichsbeispiel)

	Sumpftemperatur	Kopftemperatur	Vakuum
Ferm.Überstand	55–118°C	27–82°C	4,3–69 kPa
Rohdestillat	106–120°C	58–87°C	4,3–5,8 kPa
Fraktion 1	86–89°C	85–88°C	4,3–4,6 kPa
Fraktion 2	89–101°C	87–93°C	4,3–4,5 kPa
Fraktion 3	101–120°C	93–104°C	4,3–4,5 kPa

Die Bilanzierung der Destillation ist in Tabelle 2 zusammengefasst. Im Rohdestillat fanden sich nur noch 45,2% des im Fermentationsüberstand vorhandenen 2,3-Butandiols. Das Rohdestillat war noch stark gefärbt und enthielt neben 2,3-Butandiol große Mengen Essigsäure, die ebenfalls im Fermentationsüberstand enthalten war. Bei der darauf folgenden fraktionierten Destillation des Rohdestillats konnte das im Rohdestillat vorhandene 2,3-Butandiol zwar wiedergewonnen werden (Fraktionen 1 bis 3 in Tabelle 1 und 2), aber nur in Fraktion 3 konnte eine Produktreinheit von 90% erreicht werden. Die Produktreinheit wurde durch Gaschromatographie bestimmt wie im 4. Beispiel beschrieben. Als Referenz wurde dabei käuflich erhältliches 2,3-Butandiol (Sigma-Aldrich) mit einer Reinheit von 98% verwendet. Nicht nur die erzielte Reinheit, sondern auch die Ausbeute von 26,9% ist für den technischen Einsatz nicht ausreichend. Tabelle 2: 2,3-Butandiol Fraktionierung durch Destillation von Fermentationsüberstand nach Zentrifugation

	Gewicht	2,3-Butandiol	2,3-Butandiol	Ausbeute
Fermentationsüberstand	31 kg	74,4 g/l	2,3 kg	100%
Rohdestillat	1,5 kg	696,1 g/l	1,04 kg	45,20%
Fraktion 1	358 g	435,4 g/l	155,9 g	6,80%
Fraktion 2	430 g	607,5 g/l	261,2 g	11,40%
Fraktion 3	450 g	1374,5 g/l	618,5 g	26,90%

3. Beispiel Thermische Behandlung von Fermentationsansätzen bei verschiedenen Temperaturen und pH-Werten
Fermenterbrühe wurde hergestellt wie im 1. Beispiel beschrieben. In einem ersten Versuch wurde die Pelletierbarkeit in Abhängigkeit von der Temperatur bei pH 2 und pH 4 untersucht.
Dazu wurden 40 ml Fermenterbrühe (siehe 1. Beispiel) in 50 ml Zentrifugenröhrchen (sog. 50 ml Falcon Röhrchen) abgefüllt und der pH mit 4 M Schwefelsäure auf pH 4, bzw. pH 2 eingestellt. Anschließend wurden die Ansätze jeweils für 30 min bei den in Tabelle 3 angegebenen Temperaturen inkubiert.
Anschließend wurden die Ansätze in einer Heraeus Megafuge 1.0R mit Ausschwingrotor und Adaptoren für 50 ml Falcon Röhrchen 20 min bei 4.000 rpm, entsprechend 3.345 × g zentrifugiert. Daraufhin wurde die optische Dichte OD₆₀₀ der Ansätze wie im 1. Beispiel beschrieben bestimmt.

Tabelle 3 fasst die Versuchsbedingungen, die OD₆₀₀ und den Gehalt der Zellen im Überstand im Vergleich zur Kontrolle zusammen. Als Kontrolle (100% Zellen im Überstand) in Tabelle 3 diente ein Ansatz ohne thermische Behandlung und mit unverändertem pH, der jedoch ebenfalls zentrifugiert wurde. Tabelle 3 Pelletierbarkeit von Fermenterzellen in Abhängigkeit der Temperatur

thermische Behandlung (30 min)	OD₆₀₀	Zellen im Überstand (%)
ohne (Kontrolle)	47,2	100,0
pH 4, 50°C	48,4	102,5
pH 4, 80°C	51,2	108,5
pH 4, 100°C	43,7	92,6
pH 2, 100°C	47,9	101,5
pH 4, 121°C	0,5	1,1

Wie aus Tabelle 3 ersichtlich, reicht eine thermische Behandlung bis 100°C, weder bei pH 4 noch pH 2 aus, um bei einer niedertourigen Zentrifugation die Zellen aus dem Zentrifugationsansatz zu entfernen. Werden die Zellen jedoch bei moderat saurem pH 4 bei 121°C und einem Druck von 120 kPa behandelt, so wurden durch Zentrifugation 99% der Zellen entfernt.
In einem zweiten Versuch wurde die pH-Abhängigkeit der thermischen Behandlung bei 121°C und einem Druck von 120 kPa untersucht.

Es wurden je 40 ml Fermenterbrühe (1. Beispiel) in 50 ml Zentrifugenröhrchen (50 ml Falcon Röhrchen) abgefüllt und der pH mit 4 M Schwefelsäure, bzw. 4 M NaOH, auf pH 2, 3, 4, 5 und 6 eingestellt. Anschließend wurden die Ansätze jeweils für 20 min bei 121°C und einem Druck von 120 kPa inkubiert. Schließlich wurden die Ansätze wie im ersten Versuch beschrieben zentrifugiert. Nach Beendigung der Zentrifugation wurde von den Ansätzen die optische Dichte OD₆₀₀ bestimmt, wie im 1. Beispiel beschrieben. Als Referenzwert (in Tabelle 4 100% „Zellen im Überstand (%)”) diente ein Ansatz ohne thermische Behandlung und mit unverändertem pH, der ebenfalls zentrifugiert worden war. Tabelle 4 Pelletierbarkeit von Fermenterzellen in Abhängigkeit vom pH bei der thermischen Behandlung

thermische Behandlung (20 min)	OD₆₀₀	Zellen im Überstand (%)
ohne (Kontrolle)	63,3	100,0
pH 2, 121°C	0,6	0,9
pH 3, 121°C	0	0,5
pH 4, 121°C	0,2	0,3
pH 5, 121°C	0,9	1,4
pH 6, 121°C	20,7	32,7

Wie aus Tabelle 4 ersichtlich reicht bei einer thermischen Behandlung von 121°C und einem Druck von 120 kPa bereits pH 5 aus, um mehr als 98% der Zellen bei einer niedertourigen Zentrifugation aus dem Ansatz zu entfernen.
Dieses Ergebnis zeigt, dass eine geringfügige Erniedrigung des pH auf pH 4 oder pH 5 ausreicht (im Vergleich zu pH 6,3 der 2,3-Butandiol Fermentation, siehe erstes Beispiel), um nach thermischer Behandlung bei 121°C die Zellen aus der Anzucht der 2,3-Butandiol Fermentation zu entfernen.

In einem dritten Versuch wurde die Dauer der thermischen Behandlung bei 121°C untersucht. Wie im ersten Versuch wurden je 40 ml Fermenterbrühe (siehe 1. Beispiel) in 50 ml Zentrifugenröhrchen (50 ml Falcon Röhrchen) abgefüllt und der pH mit 4 M Schwefelsäure, auf pH 2, 3, 4 und 5 eingestellt. Anschließend wurden die Ansätze bei 121°C und einem Druck von 120 kPa inkubiert. Die Dauer der thermischen Behandlung betrug 0 min, 5 min, 10 min, 15 min und 20 min Schließlich wurden die Ansätze wie in vorstehenden Versuchen beschrieben zentrifugiert (Heraeus Megafuge 1.0R mit Ausschwingrotor und Adaptoren für 50 ml Falcon Röhrchen/Zentrifugationsdauer 20 min/4.000 rpm, entsprechend 3.345 × g). Nach Beendigung der Zentrifugation wurde von den Ansätzen die optische Dichte OD₆₀₀ bestimmt, wie im 1. Beispiel beschrieben (Tabelle 5). Als Referenzwert in Tabelle 5 (0 min Inkubation bei 121°C, 100% Zellen im Überstand) diente jeweils ein Ansatz, der beim jeweils eingestellten pH keiner thermischen Behandlung unterzogen worden war. Wie aus Tabelle 5 ersichtlich, genügte ab pH ≤ 4 eine thermische Behandlung bei 121°C von 5 min, um mehr als 99% der Zellen aus dem Fermentationsansatz zu entfernen. Bei pH 5 war eine thermische Behandlung von 20 min erforderlich, um mehr als 97% der Zellen zu pelletieren. Tabelle 5 Pelletierbarkeit von Fermenterzellen in Abhängigkeit vom pH und der Inkubationsdauer bei 121°C.

	OD₆₀₀ im Zentrifugationsüberstand
	Nach Inbkubation bei 121°C für
pH	0 min	5 min	10 min	15 min	20 min
5	58,3	39,9	23,1	16,4	1,6
4	51,6	0,15	0,14	0,145	0,14
3	49,7	0,09	0,09	0,1	0,1
2	42,7	0,09	0,08	0,11	0,12

	OD₆₀₀ im Überstand (% von der Kontrolle)
pH	0 min	5 min	10 min	15 min	20 min
5	100,0	68,4	39,6	28,1	2,7
4	100,0	0,3	0,3	0,3	0,3
3	100,0	0,2	0,2	0,2	0,2
2	100,0	0,2	0,2	0,3	0,3

4. Beispiel
Aufarbeitung von 2,3-Butandiol aus Fermentationsansätzen im Labormaßstab (erfindungsgemäß)
2,3-Butandiol-haltige Fermenterbrühe wurde hergestellt analog wie in 1. Beispiel beschrieben. Der Gehalt an 2,3-Butandiol betrug 144 g/l. 0,5 l der Fermenterbrühe wurden mit Schwefelsäure auf pH 4 eingestellt und anschließend 15 min bei 121°C in einem Autoklaven (H + P Varioclav 135S) behandelt. Anschließend wurde die Biomasse durch 20 min Zentrifugation bei 4.000 rpm (Heraeus Megafuge 1.0R mit Ausschwingrotor und 0,5 l Zentrifugenbechern), entsprechend 3.345 × g, abgetrennt. Der erhaltene Fermentationsüberstand wurde für die Destillation eingesetzt.
250 ml (36 g 2,3-Butandiol) Fermentationsüberstand wurden in einen Glasrundkolben eingefüllt, eine 30 cm Vigreux Destillationskolonne aufgesetzt und darüber eine Claisen Brücke mit Thermometer zur Bestimmung der Kopftemperatur. Die Temperierung des Ansatzes erfolgte mit einem Ölbad. Zur Erzeugung eines Hochvakuums wurde eine Vacuubrand RC6 Chemistry-Hybrid Ölpumpe verwendet.
In einer ersten Stufe, zur Abtrennung von Leichtsiedern und Wasser, wurde eine Badtemperatur von 100°C eingestellt. Ein Vakuum wurde angelegt bei 1500 – 700 Pa. Die Badtemperatur wurde auf 140°C erhöht. Eine Vorlauffraktion wurde aufgefangen, bis die Kopftemperatur 75°C betrug. Das Vakuum wurde weiter auf 200–400 Pa gesenkt und die Produktfraktion (35 ml Volumen) aufgefangen. Die Gehaltbestimmung durch NMR (siehe 1. Beispiel) ergab einen 2,3-Butandiolgehalt von 980 g/l. In der Produktfraktion waren also 34,3 g 2,3-Butandiol enthalten, 95% des in der Fermenterbrühe ermittelten Gehalts. Nebenprodukte aus der Fermentation, Acetoin, Essigsäure und Ethanol, konnten nicht mehr nachgewiesen werden. Die Reinheit der Produktfraktion wurde durch Gaschromatogrophie bestimmt und betrug 97%.
Zur Analyse des 2,3-Butandiol Gehalts durch Gaschromatographie wurde ein Gaschromatograph „HP 6890 plus” der Fa. Agilent, ausgestattet mit einem Wärmeleitfähigkeitsdetektor (bei 260°C) verwendet. Die verwendete GC-Säule war eine „CP FFAP CB” Säule der Fa. Agilent (Länge 25 m, innerer Durchmesser 0,32 mm, Film 0,3 μm). Trägergas war Helium (Flow 3 ml/min). Die Injektionstemperatur betrug 240°C. Die Gaschromatographie wurde mit einem Temperaturgradienten von 60–240°C und einer Gradientensteilheit von 30°C/min betrieben. Zur Bestimmung der Reinheit wurden alle detektierten Peaks integriert und der prozentuale Anteil des 2,3-Butandiols bestimmt. Als Referenz wurde kommerziell erhältliches 2,3-Butandiol (98% Reinheit, Sigma-Aldrich) verwendet.
2,3-Butandiol kann somit aus Fermentationsansätzen in hoher Reinheit und mit guten Ausbeuten durch das erfindungsgemäße Verfahren isoliert werden.
5. Beispiel
Aufarbeitung von 2,3-Butandiol aus Fermentationsansätzen im Pilotmaßstab (erfindungsgemäß)
Die Fermentation wurde in analoger Weise durchgeführt wie im 1. Beispiel beschrieben. Nach Beendigung der Fermentation wurde der pH der Fermentationsansätze mit 4 M Schwefelsäure auf pH 4 abgesenkt und der Ansatz auf 121°C bei einem Druck von 120 kPa aufgeheizt (Bedingungen der Mediensterilisation). Die Inkubationsdauer bei 121°C betrug 15 min.
Die Abtrennung der Biomasse erfolgte durch Zentrifugation. Verwendet wurde eine Evolution RC Zentrifuge der Fa. Thermo Scientific, ausgestattet mit einem Rotor SLC6000. Die Zentrifugationsgeschwindigkeit betrug 4.000 rpm, entsprechend 3.501 × g.
Die Zentrifugationsdauer betrug 20 min. Insgesamt wurden 200 kg Fermentationsüberstand, enthaltend 23 kg 2,3-Butandiol, gewonnen.
Die Abtrennung niedrig siedender Bestandteile (vor allem Wasser) erfolgte durch Destillation in einem 250 l Reaktionskessel. Es wurden 155 kg Wasser abdestilliert (Sumpftemperatur 40–60°C, Kopftemperatur 30–40°C, Vakuum 2–4 kPa). Der das 2,3-Butandiol enthaltende Sumpf wurde in eine 25 l Destille überführt und sukzessive destilliert. Dazu wurde zunächst eine Vorlauffraktion mit Leichtsiedern bei einer Sumpftemperatur von 49–96°C, einer Kopftemperatur von 21–65°C und einem Vakuum von 1,5–0,2 kPa abgetrennt. Anschließend wurde die 2,3-Butandiol Produktfraktion destilliert bei einer Sumpftemperatur von 94–96°C, einer Kopftemperatur von 62–65°C und einem Vakuum von 0,2 kPa. Die Ausbeute der Produktfraktion betrug 17 kg (74 bezogen auf die im Fermentationsüberstand enthaltene Menge von 23 kg). Die durch Gaschromatographie bestimmte Reinheit (4. Beispiel) des 2,3-Butandiol betrug 97%.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims

Verfahren zur Gewinnung von 2,3-Butandiol aus einer 2,3-Butandiol-haltigen Fermenterbrühe dadurch gekennzeichnet, dass die Fermenterbrühe zunächst mittels einer Säure auf einen pH-Wert von ≤ 5 eingestellt wird, daraufhin bei einem Druck von 70 kPa bis 150 kPa und einer Temperatur von 100°C bis 150°C thermisch behandelt wird, anschließend mittels Zentrifugation in eine feste und eine flüssige Phase getrennt wird und aus der flüssigen Phase mittels fraktionierter Destillation zunächst eine Abtrennung niedriger als 2,3-Butandiol siedender Bestandteile und anschließend eine Isolierung von 2,3-Butandiol erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Säure Schwefelsäure, Salzsäure, Salpetersäure, Phosphorsäure oder Essigsäure ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung bei einem Druck von 120 kPa und einer Temperatur von 121°C erfolgt und die Behandlungsdauer 1 bis 20 min beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrifugation mit einer g-Zahl im Bereich von 200 × g bis 10.000 × g, und einer Zentrifugationsdauer von 2 bis 120 min erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Phase eine optische Dichte OD₆₀₀, von max. 5% der ursprünglich in der unbehandelten Fermenterbrühe gemessenen optischen Dichte aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der fraktionierten Destillation die Abtrennung niedriger als 2,3-Butandiol siedender Bestandteile bei einer Sumpftemperatur von 20 bis 120°C und einem Druck von weniger als 50 kPa erfolgt und die anschließende destillative Abtrennung des 2,3-Butandiols bei einer Sumpftemperatur von 80–120°C, einer Kopftemperatur von 50–75°C und bei einem angelegten Vakuum von mindestens 1 kPa erfolgt.