DE102016119938A1 - Purification and concentration of carboxylic acids from fermentation processes - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufreinigung von Carbonsäuren aus Fermentationsprozessen, wobei eine Biomasse-freie angesäuerte Carbonsäure-haltige Fermentationsmischung zunächst einer Simulated Moving Bed-Chromatographiestufe und anschließend einer zweistufigen Nanofiltration unterzogen wird, wobei die zweite Nanofiltration gegenüber der ersten Nanofiltration eine geringere Trenngrenze aufweist. Durch diese Reinigungssequenz lassen sich Fermentationsrückstände wie insbesondere Salze und Zuckerreste mit hoher Effizienz entfernen, so dass im Rahmen der weiteren Aufreinigung apparativ und schaltungstechnisch aufwändige Behandlungen mit Ionenaustauschern und/oder Aktivkohle entbehrlich sind. Die vorliegende Erfindung betrifft zudem eine Vorrichtung, die zur Durchführung eines entsprechenden Verfahrens ausgelegt ist. Die Erfindung betrifft sowohl flüssige Carbonsäuren wie z.B. Milchsäure als auch kristallisierbare Carbonsäure wie z.B. Bernsteinsäure. The present invention relates to a process for the purification of carboxylic acids from fermentation processes, wherein a biomass-free acidified carboxylic acid-containing fermentation mixture is first subjected to a simulated moving bed chromatography step and then a two-stage nanofiltration, wherein the second nanofiltration has a lower separation limit compared to the first nanofiltration , By this purification sequence, fermentation residues such as, in particular, salts and sugar residues can be removed with high efficiency, so that costly and circuit-complex treatments with ion exchangers and / or activated carbon can be dispensed with in the course of the further purification. The present invention also relates to a device which is designed to carry out a corresponding method. The invention relates to both liquid carboxylic acids such as lactic acid and crystallizable carboxylic acid such as succinic acid.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufreinigung von Carbonsäuren aus Fermentationsprozessen, wobei eine Biomasse-freie angesäuerte Carbonsäure-haltige Fermentationsmischung zunächst einer Simulated Moving Bed-Chromatographiestufe und anschließend einer zweistufigen Nanofiltration unterzogen wird, wobei die zweite Nanofiltration gegenüber der ersten Nanofiltration eine geringere Trenngrenze aufweist. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die zur Durchführung eines entsprechenden Verfahrens ausgelegt ist und insbesondere zwei Nanofiltrationsstufen aufweist, von denen die zweite Nanofiltrationsstufe eine gegenüber der ersten Nanofiltrationsstufe geringere Trenngrenze aufweist.The present invention relates to a process for the purification of carboxylic acids from fermentation processes, wherein a biomass-free acidified carboxylic acid-containing fermentation mixture is first subjected to a simulated moving bed chromatography step and then a two-stage nanofiltration, wherein the second nanofiltration has a lower separation limit compared to the first nanofiltration , A further aspect of the present invention relates to a device which is designed for carrying out a corresponding method and in particular has two nanofiltration stages, of which the second nanofiltration stage has a lower separation limit than the first nanofiltration stage.
Stand der TechnikState of the art
Entscheidend für die industrielle Nutzung von Carbonsäuren, die durch Fermentation kohlehydrathaltiger Substrate mittels verschiedener Mikroorganismen erzeugt werden, ist die Wirtschaftlichkeit und Effizienz der Abtrennung und Reinigung der Carbonsäuren aus wässrigen Fermentationslösungen, da diese zu einem wesentlichen Anteil in den Preis der fermentativ hergestellten Carbonsäuren eingehen. Neben der Carbonsäure oder den Carbonsäuren enthalten die Fermentationsbrühen noch weitere organische Säuren, sonstige Nebenprodukte der Fermentation, die Mikroorganismen und deren Bestandteile sowie Reste der Substrate, wie Zucker. Diese Verunreinigungen stören bei der anschließenden Weiterverarbeitung der erzeugten Carbonsäuren und müssen daher von den Carbonsäuren abgetrennt werden. Diese Problematik stellt sich insbesondere bei Milchsäure, die für eine Weiterverarbeitung zu Polymilchsäure vorgesehen ist, um einen biologisch abbaubaren Kunststoff zu erhalten, da sich schon geringe Anteile an Verunreinigung signifikant auf das erzielbare Molekulargewicht und damit die chemischen Eigenschaften der Polymilchsäure auswirken. Um einen hohen Polymerisationsgrad der Milchsäure und damit günstige Anwendungseigenschaften des Polymers sicherzustellen, muss deshalb extrem reines Monomer eingesetzt werden. Dies ist seit Langem bekannt und geht beispielsweise aus
Ähnliches ist beispielsweise auch für Bernsteinsäure bekannt. Unterschieden werden hier die Qualitäten der erzeugten Bernsteinsäure durch die Unterteilung in eine technische Qualität mit einem Bernsteinsäuregehalt von mindestens 97 MA-% und einer speziell für die Verwendung zur Polymerisation geeigneten Bernsteinsäure (Polymer Grade) mit einem Gehalt von mindestens 99,5 Massen-%.The same is known, for example, for succinic acid. A distinction is made here between the qualities of the succinic acid produced by the subdivision into a technical grade with a succinic acid content of at least 97% by mass and a succinic acid (polymer grade) which is suitable for use in particular with a content of at least 99.5% by mass.
Bei der Herstellung von Polymer-Grade Milchsäure stellt sich nach dem Stand der Technik bisher noch die Schwierigkeit, dass für die Aufreinigung und Aufkonzentration der Milchsäure zum Teil relativ kostenaufwändige Verfahrensmaßnahmen erforderlich sind, wie insbesondere Ionentauscherschritte oder eine Aktivkohlebehandlung bei Säurekonzentrationen <40 Gew.-%, und verschiedene Eindampfungsstufen. So beschreibt die
Die
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Ein Problem bei der Herstellung von für die Polymerisation geeigneter Milchsäure besteht, wie vorstehend erwähnt, darin, dass insbesondere Hydroxygruppenhaltige Nebenprodukte, speziell in Form von Zuckerrückständen aus dem Fermentationsprozess, möglichst vollständig entfernt werden müssen, da diese Nebenprodukte im Polymerisationsprozess die Bildung langkettiger Polymilchsäuremoleküle unterdrücken. Ein Nachteil bei der in den vorstehenden Stand-der-Technik-Dokumenten erwähnten Nanofiltration besteht dabei darin, dass sich mit den für die Nanofiltration angegebenen Trenngrenzen Rückstände von Glucose und Salzen nicht ausreichend abtrennen lassen. Deshalb ist im vorstehenden Stand der Technik regelmäßig eine weitere Aufreinigung mit Hilfe eines Ionenaustauschers und/oder eine Aktivkohlebehandlung vorgesehen, über die im Rahmen der Nanofiltration nicht zurückgehaltene Restglucose und Salze abgetrennt werden. Der Ionenaustauschprozess ist jedoch wegen der erforderlichen Regenerierung des Ionenaustauschmaterials und des für den Gesamtprozess erforderlichen erhöhten Wasserverbrauchs aus wirtschaftlicher Sicht relativ ungünstig.A problem in the production of suitable for the polymerization of lactic acid, as mentioned above, is that in particular hydroxyl-containing by-products, especially in the form of sugar residues from the fermentation process, must be removed as completely as possible, since these by-products in the polymerization process suppress the formation of long-chain polylactic acid molecules. A disadvantage of the nanofiltration mentioned in the above prior art documents is thereby in that, with the separation limits specified for nanofiltration, residues of glucose and salts can not be adequately separated. Therefore, a further purification by means of an ion exchanger and / or an activated charcoal treatment is regularly provided in the above prior art, are separated over the not retained in the context of nanofiltration residual glucose and salts. However, the ion exchange process is relatively unfavorable because of the required regeneration of the ion exchange material and the increased water consumption required for the overall process.
Vor diesem Hintergrund unterbreitet die vorliegende Erfindung einen Vorschlag für ein insgesamt effizienteres Aufreinigungsverfahren von Carbonsäuren und insbesondere von Milchsäure, bei dem ein Ionenaustauschsschritt zur Eliminierung von Restsalzen und Glucose aus über das SMB-Verfahren erhaltenen Carbonsäurelösung vermieden wird.Against this background, the present invention proposes a more efficient overall purification process of carboxylic acids and especially of lactic acid, which avoids an ion exchange step for eliminating residual salts and glucose from the carboxylic acid solution obtained via the SMB process.
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung daher ein Verfahren zur Aufreinigung von Carbonsäuren aus Fermentationsprozessen, wobei:
- (i) eine Biomasse-freie, angesäuerte, Carbonsäure-haltige Fermentationsmischung einer Simulated-Moving-Bed-Chromatographiestufe unterzogen wird,
- (ii) die aus Schritt (i) erhaltene Carbonsäure-haltige Fraktion einer ersten Nanofiltration unterzogen wird, und
- (iii) die aus Schritt (ii) erhaltene Carbonsäure-haltige Retentat-Fraktion einer zweiten Nanofiltration unterzogen wird, die eine gegenüber der ersten Nanofiltration geringere Trenngrenze aufweist.
- (i) a biomass-free, acidified, carboxylic acid-containing fermentation mixture is subjected to a Simulated Moving Bed chromatography step,
- (ii) subjecting the carboxylic acid-containing fraction obtained from step (i) to a first nanofiltration, and
- (iii) subjecting the carboxylic acid-containing retentate fraction obtained from step (ii) to a second nanofiltration which has a lower cut-off limit than the first nanofiltration.
Der vorliegenden Erfindung liegt demzufolge die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass sich mit einer zweistufigen Nanofiltration, bei der in einer ersten Stufe eine höhere Trenngrenze verwendet wird als bei einer zweiten Stufe, eine bessere Abtrennung der Verunreinigungen, wie insbesondere von Glucose und Salzen, erzielen lässt, so dass ein anschließender Ionenaustauschschritt bei Säurekonzentrationen < 40 Gew.-% nicht mehr erforderlich ist. Dadurch werden die Nachteile eines höheren apparativen und schaltungstechnischen Aufwandes sowie Verluste durch die Regeneration und Anfangsbeladung von Harzen und Aktivkohle vermieden.The present invention is therefore based on the surprising finding that with a two-stage nanofiltration in which a higher separation limit is used in a first stage than in a second stage, a better separation of the impurities, in particular of glucose and salts, can be achieved. so that a subsequent ion exchange step at acid concentrations <40 wt .-% is no longer required. As a result, the disadvantages of higher equipment and circuit complexity and losses due to the regeneration and initial loading of resins and activated carbon are avoided.
Die Angaben „stromaufwärts“ und „stromabwärts“ bezeichnen im Rahmen der vorliegenden Beschreibung Prozessschritte oder -stufen, die dem jeweils erläuterten Prozessschritt direkt oder indirekt vor- bzw. nachgeschaltet sind.The statements "upstream" and "downstream" in the context of the present description designate process steps or stages which are directly or indirectly connected upstream or downstream of the respectively explained process step.
Die Angaben „Simulated-Moving-bed-Chromatographie“ und „SMB-Chromatographie“ bzw. „Simulated-Moving-bed-Chromatographiestufe“ und „SMB-Chromatographiestufe“ sind im Rahmen der folgenden Beschreibung austauschbar, wobei im Fall der Angabe „Chromatographiestufe“ auch die Angabe „Stufe“ oder „Schritt“ angegeben sein kann.The terms "Simulated Moving Bed Chromatography" and "SMB Chromatography" or "Simulated Moving Bed Chromatography Level" and "SMB Chromatography Level" are interchangeable in the following description, in which case, in the case of the indication "Chromatography Level" also the indication "level" or "step" can be specified.
Die Angabe „Retentat“ bezeichnet im Rahmen der vorliegenden Beschreibung den im jeweiligen Prozessschritt zurückgehaltenen Anteil, während die Angabe „Permeat“ den durchgelassenen Anteil des Feedstroms bezeichnet.In the context of the present description, the term "retentate" denotes the portion retained in the respective process step, while the term "permeate" designates the transmitted portion of the feed stream.
Wenn in der vorliegenden Beschreibung Prozentangaben gemacht, werden, so sind diese, wenn nicht anders angegeben als Angaben in Gewichtsprozent anzusehen.When percentages are given in the present specification, these are, unless otherwise indicated, as percentages by weight.
Die erste Nanofiltration wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens zweckmäßig mit einem geringeren Aufkonzentrierungsfaktor, wie einem Aufkonzentrierungsfaktor von unter 20, bevorzugt unter 10 und besonders bevorzugt etwa 4 bis 6 durchgeführt, wobei ein Permeat von guter Qualität erhalten wird und Stoffe, wie Glucose, Aminosäuren und Salze, wie insbesondere Sulfate und Phosphate, gut zurückgehalten werden.The first nanofiltration is carried out in the context of the inventive method expediently with a lower concentration factor, such as a concentration factor of less than 20, preferably less than 10 and more preferably about 4 to 6, wherein a good quality permeate is obtained and substances such as glucose, amino acids and Salts, in particular sulfates and phosphates, are well retained.
Bei der ersten Nanofiltrationsstufe wird weiterhin zweckmäßig mit Drücken unter 30 bar und vorzugsweise etwa 25 bis 15 bar gearbeitet. Bevorzugt ist es im Rahmen der ersten Nanofiltration weiterhin, wenn die für die erste Nanofiltration verwendete Membran eine Trenngrenze von Dalton oder weniger und bevorzugt 400 Dalton oder weniger aufweist. Eine besonders zweckmäßig einzusetzende Membran für die erste Nanofiltration weist als Trenngrenze von etwa 400 bis etwa 300 Dalton auf. In einer anderen Ausführungsform weist die Membran eine Trenngrenze von etwa 500 bis etwa 300 Dalton auf.In the first nanofiltration stage, it is further expedient to use pressures below 30 bar and preferably about 25 to 15 bar. It is also preferred in the context of the first nanofiltration if the membrane used for the first nanofiltration has a cut-off of dalton or less, and preferably 400 dalton or less. A particularly useful membrane for the first nanofiltration has as separation limit of about 400 to about 300 daltons. In another embodiment, the membrane has a cut-off of about 500 to about 300 daltons.
Aufgrund der höheren Trenngrenze und dem gegebenenfalls geringeren Aufkonzentrierungsfaktor in der ersten Nanofiltration wird im Rahmen dieser Nanofiltration eine größere Menge an Retentat erhalten, das anschließend im Rahmen des Schrittes (iii) einer zweiten Nanofiltration unterzogen wird. Wie vorstehend erwähnt, kommt bei der zweiten Nanofiltration eine Membran zum Einsatz, die gegenüber der bei der ersten Nanofiltration verwendeten Membran eine geringere Trenngrenze aufweist. Die Trenngrenze für die zweite Nanofiltration liegt zweckmäßig bei 300 Dalton oder weniger, bevorzugt 250 Dalton oder weniger und besonders bevorzugt im Bereich von etwa 250 bis 200 Dalton. Darüber hinaus ist es bevorzugt, wenn die zweite Nanofiltration bei Drücken von mehr als 25 bar und insbesondere bei 30 bis etwa 40 bar durchgeführt wird. Alternativ oder zusätzlich dazu wird ein Aufkonzentrierungsfaktor von idealerweise etwa 65 bis 90, insbesondere 65 bis 80 und besonders bevorzugt etwa 75 eingestellt. Due to the higher separation limit and the possibly lower concentration factor in the first nanofiltration, a larger amount of retentate is obtained as part of this nanofiltration, which is subsequently subjected to a second nanofiltration in the course of step (iii). As mentioned above, in the second nanofiltration, a membrane is used which has a lower separation limit than the membrane used in the first nanofiltration. The separation limit for the second nanofiltration is suitably 300 daltons or less, preferably 250 daltons or less, and more preferably in the range of about 250 to 200 daltons. In addition, it is preferred if the second nanofiltration is carried out at pressures of more than 25 bar and in particular at from 30 to about 40 bar. Alternatively or additionally, a concentration factor of, ideally, about 65 to 90, more preferably 65 to 80, and most preferably about 75 is set.
Zur Vermeidung von Verlusten bei der zweiten Nanofiltration kann in der letzten Stufe eine Diafiltration durchgeführt werden. Das nach der Diafiltration erhaltene Retentat, das im Wesentlichen die wässrige Carbonsäure in geringerer Konzentration enthält, kann in diesem Fall als Abwasser abgeleitet werden. Als Wasser für diese Diafiltration können die Destillate aus der Produktdestillation und/oder aus der Membrandestillation eingesetzt werden.To avoid losses during the second nanofiltration, diafiltration can be carried out in the last stage. The retentate obtained after diafiltration, which substantially contains the aqueous carboxylic acid in a lower concentration, can in this case be discharged as waste water. The distillates from the product distillation and / or from the membrane distillation can be used as water for this diafiltration.
Da die aus der ersten und zweiten Nanofiltration erhaltenen Carbonsäure-haltigen Permeat-Fraktionen eine vergleichbare Zusammensetzung mit Wasser und Carbonsäure als wesentlichen Bestandteilen enthalten, ist es sinnvoll die Permeatfraktionen für die weitere Aufreinigung zu vereinigen. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die aus der ersten und zweiten Nanofiltration erhaltenen Permeatfraktionen daher vor einer Weiterverarbeitung miteinander vermischt.Since the carboxylic acid-containing permeate fractions obtained from the first and second nanofiltration contain a comparable composition with water and carboxylic acid as essential constituents, it makes sense to combine the permeate fractions for further purification. In a preferred embodiment, the permeate fractions obtained from the first and second nanofiltration are therefore mixed together before further processing.
Durch das vorstehend beschriebene Verfahren, das eine SMB-Chromatographiestufe mit nachgeschalteter zweifacher Nanofiltration beinhaltet, wobei die erste Nanofiltration im Vergleich zur zweiten Nanofiltration eine höhere Trenngrenze aufweist, lässt sich nach dem vorstehenden im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens eine bessere Abtrennung von Feststoffen, wie Glucose, Aminosäuren und Salzen und insbesondere von Glucose und Salzen erzielen, was ein Produkt liefert, das ähnliche Anteile dieser Verunreinigungen aufweist, wie ein nach einer einfachen Nanofiltration und einer anschließenden Ionenaustausch/Aktivkohlebehandlung erhaltenes Produkt.By the method described above, which includes a downstream nanofiltration SMB chromatography stage, wherein the first nanofiltration has a higher cut-off as compared to the second nanofiltration, better separation of solids, such as glucose, can be achieved in the process of the present invention. Amino acids and salts and in particular of glucose and salts, yielding a product having similar proportions of these impurities, such as a product obtained after simple nanofiltration and subsequent ion exchange / charcoal treatment.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei der Carbonsäure zweckmäßig um eine Hydroxycarbonsäure oder Dicarbonsäure, die bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe, umfassend Äpfelsäure, Glycolsäure, Isozitronensäure, Mandelsäure, Milchsäure, Tatronsäure, Weinsäure, Zitronensäure, beta-Aminohydroxybuttersäure, Mephalonsäure, Salicylsäure, Oxalsäure, Maleinsäure, Bernsteinsäure, Glutarsäure, Adipinsäure, Pimelinsäure, Korksäure, Fumarsäure und Itaconsäure.In the context of the present invention, the carboxylic acid is expediently a hydroxycarboxylic acid or dicarboxylic acid, which is preferably selected from the group comprising malic acid, glycolic acid, isocitric acid, mandelic acid, lactic acid, tatronic acid, tartaric acid, citric acid, beta-aminohydroxybutyric acid, mephalonic acid, salicylic acid , Oxalic, maleic, succinic, glutaric, adipic, pimelic, suberic, fumaric and itaconic acids.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei der Carbonsäure um eine Hydroxycarbonsäure und ganz besonders bevorzugt handelt es sich bei der Carbonsäure um Milchsäure.Most preferably, the carboxylic acid is a hydroxycarboxylic acid, and most preferably the carboxylic acid is lactic acid.
Die Konzentration der für die Nanofiltration in Schritt (ii) und (iii) zu verwendenden Carbonsäure-haltigen Fraktion liegt zweckmäßig im Bereich von etwa 5 bis etwa 15 Gew.-% Carbonsäure, bezogen auf das Gesamtgewicht der Carbonsäure-haltigen Fraktion, besonders bevorzugt etwa 7 bis 12 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt etwa 9 Gew.-%.The concentration of the carboxylic acid-containing fraction to be used for the nanofiltration in steps (ii) and (iii) is suitably in the range from about 5 to about 15% by weight of carboxylic acid, based on the total weight of the carboxylic acid-containing fraction, more preferably about 7 to 12 wt .-% and most preferably about 9 wt .-%.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung enthält das aus der zweiten Nanofiltration erhaltene Retentat, wenn es keiner Diafiltration unterzogen wurde, in der Regel noch Carbonsäure Restanteile in einer Konzentration im Bereich von 80- 120 g/L. Es ist daher zweckmäßig, dieses Retentat einer stofflichen Weiterverwertung zuzuführen. Eine besonders zweckmäßige Weiterverwertung stellt eine Umsetzung der Carbonsäure mit einem Alkohol, wie Methanol, Ethanol oder Propanol, unter Veresterungsbedingungen dar. Da insbesondere für Milchsäureethylester ein breiter Markt, z.B. als Bestandteil von Farben, Reinigungsmittel und in der Chip-Produktion besteht, ist eine Veresterung mit Ethanol im Rahmen der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugt.In the context of the present invention, the retentate obtained from the second nanofiltration, if it has not been subjected to diafiltration, usually still contains residual carboxylic acid content in a concentration in the range of 80-120 g / l. It is therefore expedient to supply this retentate to a material recycling. A particularly suitable further utilization is a reaction of the carboxylic acid with an alcohol, such as methanol, ethanol or propanol, under esterification conditions. Since in particular for ethyl lactate a broad market, e.g. As a component of paints, detergents and in chip production, esterification with ethanol is particularly preferred in the context of the present invention.
Das vorstehend beschriebene Verfahren lässt sich zweckmäßig weiterbilden, indem im Anschluss an die zweifache Nanofiltration die aus den Schritten (ii) und (iii) erhaltenen Carbonsäure-haltigen Permeat-Fraktionen einer Umkehrosmose unterzogen werden, um die Konzentration der Carbonsäurelösung zu erhöhen. Im Rahmen dieser Umkehrosmose kann die Carbonsäurekonzentration in der Carbonsäure-haltigen Fraktion auf etwa 25 bis 40% erhöht werden. So können z.B. durch den Einsatz einer Hochdruckumkehrosmose Konzentrationen von etwa 35% Carbonsäure erhalten werden.The process described above may be conveniently further developed by subjecting the carboxylic acid-containing permeate fractions obtained from steps (ii) and (iii) to reverse osmosis following the two-fold nanofiltration to increase the concentration of the carboxylic acid solution. In this reverse osmosis, the carboxylic acid concentration in the carboxylic acid-containing fraction can be increased to about 25 to 40%. Thus, e.g. By using a high pressure reverse osmosis concentrations of about 35% carboxylic acid can be obtained.
Die Umkehrosmose wird darüber hinaus zweckmäßig bei einer Temperatur im Bereich von unter 40°C, insbesondere im Bereich von etwa 25 bis 35°C, durchgeführt. The reverse osmosis is moreover advantageously carried out at a temperature in the range of below 40 ° C, in particular in the range of about 25 to 35 ° C.
Die Umkehrosmose kann insbesondere als zweistufiger Prozess durchgeführt werden, wobei in diesem Fall das noch Carbonsäure-haltige Permeat in einer zweiten Stufe noch einmal aufkonzentriert wird. Das entstehende Konzentrat bzw. Retentat kann mit dem Retentat der ersten Stufe zusammengeführt werden. Das aus der zweiten Umkehrosmose erhaltene Permeat kann zweckmäßig als Eluent in der SMB-Stufe eingesetzt werden. Dies führt zu einer Reduzierung des RO-Wasserbedarfs (RO = Reverse Osmose) für die SMB.The reverse osmosis can be carried out in particular as a two-stage process, in which case the still carboxylic acid-containing permeate is concentrated again in a second stage. The resulting concentrate or retentate can be combined with the retentate of the first stage. The permeate obtained from the second reverse osmosis can be suitably used as eluent in the SMB stage. This leads to a reduction in the RO water requirement (RO = reverse osmosis) for the SMB.
Das im Rahmen einer Umkehrosmose erhaltene Permeat lässt sich auch mit Vorteil über eine Prozesswasserrückführung in anderen Verfahrensschritten nutzen, beispielsweise für den Ansatz von Nährlösungen für die Fermentation.The permeate obtained as part of a reverse osmosis can also be used with advantage over a process water recycling in other process steps, for example, for the approach of nutrient solutions for fermentation.
Im Anschluss an die Umkehrosmose kann die erhaltene Carbonsäure-haltige Retentat-Fraktion zweckmäßig einer Membrandestillation unterzogen werden, um eine weitere Aufkonzentration der Carbonsäurelösung zu erzielen. So kann der in der Umkehrosmose vorkonzentrierte Produktstrom in einer nachgeschalteten Membrandestillation weiter auf eine Carbonsäurekonzentration von mehr als 40 Gew.-% und insbesondere etwa 50 bis 55% konzentriert werden. Zweckmäßig kann diese Membrandestillation bei Temperaturen von etwa 70 bis etwa 80°C durchgeführt werden.Subsequent to the reverse osmosis, the resulting carboxylic acid-containing retentate fraction may conveniently be subjected to membrane distillation to achieve further concentration of the carboxylic acid solution. Thus, the pre-concentrated in the reverse osmosis product stream can be further concentrated in a downstream membrane distillation to a carboxylic acid concentration of more than 40 wt .-% and in particular about 50 to 55%. Conveniently, this membrane distillation can be carried out at temperatures of about 70 to about 80 ° C.
Zur Vorbereitung für das erfindungsgemäße Verfahren ist es weiterhin zweckmäßig, wenn die Carbonsäure enthaltende Fermentationsmischung vor der Zugabe in die Simulated Moving Bed-Chromatographiestufe im Schritt (i) einer Vorreinigung unterzogen wird, die eine Abtrennung von Biomasserückständen und ein Ansäuern des erhaltenen Rohprodukts umfasst, um die Biomasse-freie angesäuerte Carbonsäure-haltige Fermentationsmischung zu bilden. Für die Vorreinigung kommen im Wesentlichen die aus dem Stand der Technik bekannten Prozessmaßnahmen in Betracht. So kann beispielsweise die Abtrennung der Biomasse aus der Fermentationsbrühe durch eine Precoat- und/oder Separation/ Zentrifugation und/oder eine Mikrofiltration und/oder eine Ultrafiltration erfolgen und die abgetrennte Biomasse kann erneut in den Fermenter zurückgeführt werden. Dabei entsprechen Temperatur und pH-Wert den Werten der Fermentation, da festgestellt wurde, dass durch Inaktivierung der Biomasse durch Temperaturerhöhung und Absenkung des pH-Werts durch Zugabe von Säure eine Autolyse der Biomasse beschleunigt wird und mehr Lyseprodukte in die Fermentationsbrühe abgegeben werden. Dies ist aufgrund der dann erforderlichen Abtrennung der Lyseprodukte für den Gesamtprozess ungünstig. Auch sollte die Zeit zwischen Beendigung der Fermentation und der Abtrennung der Biomasse so kurz wie möglich sein und zweckmäßig nicht mehr als 2 h, vorzugsweise weniger als 1-2 h betragen. Die Biomassekonzentration im Filtrat sollte 1 g/l nicht übersteigen. Durch diese Prozessführung wird die Endproduktqualität positiv beeinflusst.To prepare for the process according to the invention, it is furthermore expedient for the carboxylic acid-containing fermentation mixture, prior to addition to the Simulated Moving Bed chromatography step in step (i), to be subjected to a pre-purification comprising removal of biomass residues and acidification of the resulting crude product to form the biomass-free acidified carboxylic acid-containing fermentation mixture. For the pre-cleaning are essentially the known from the prior art process measures into consideration. Thus, for example, the separation of the biomass from the fermentation broth by a precoat and / or separation / centrifugation and / or microfiltration and / or ultrafiltration and the separated biomass can be recycled back into the fermenter. In this case, the temperature and pH correspond to the values of the fermentation, since it was found that by inactivating the biomass by increasing the temperature and lowering the pH by adding acid, autolysis of the biomass is accelerated and more lysis products are released into the fermentation broth. This is unfavorable due to the then required separation of the lysis products for the overall process. Also, the time between completion of the fermentation and separation of the biomass should be as short as possible and suitably not more than 2 hours, preferably less than 1-2 hours. The biomass concentration in the filtrate should not exceed 1 g / l. This process management positively influences the end product quality.
Das Filtrat aus der Precoat- oder Mikrofiltration, bzw. der Klarlauf der Separation /Zentrifugation wird optional einer ein- oder mehrstufigen Ultrafiltration zugeführt, in der restliche Biomasseanteile, unlösliche Feststoffe und höhermolekulare Verbindungen abgetrennt werden. Als Optimum zwischen Produktqualität und Fluxraten der Membran wurden Membranen mit einer Trenngrenze von ≤ 50 kDa festgestellt, bevorzugt beträgt die Trenngrenze etwa 5 bis 50 kDa und besonders bevorzugt etwa 10 bis 20 kDa. In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt zunächst eine herkömmliche Ultrafiltration mit Wickelmodulen bis zu einem Konzentrationsfaktor von etwa 15 bis 30. Das Permeat dieser ersten Ultrafiltrationsstufe wird dann direkt der Ansäuerung zugeleitet.The filtrate from the precoat or microfiltration or the clarification of the separation / centrifugation is optionally fed to a single- or multi-stage ultrafiltration in which residual biomass fractions, insoluble solids and relatively high molecular weight compounds are separated off. Membranes with a cut-off of ≤ 50 kDa were found to be the optimum between product quality and flux rates of the membrane, preferably the cut-off limit is about 5 to 50 kDa and more preferably about 10 to 20 kDa. In a very particularly preferred embodiment, a conventional ultrafiltration with wound modules is first carried out up to a concentration factor of about 15 to 30. The permeate of this first ultrafiltration step is then fed directly to the acidification.
Das Konzentrat bzw. Retentat der ersten Ultrafiltrationsstufe wird zweckmäßig in einer zweiten Ultrafiltrationseinheit weiter auf einen Konzentrationsfaktor von 95 bis 100 aufkonzentriert. Die zweite Ultrafiltrationsstufe kann mit Hohlfasermodulen und/oder Rohrmodulen und sowohl im kontinuierlichen Filtrationsbetrieb als auch in Batch-Fahrweise betrieben werden, wobei der Batchbetrieb bevorzugt ist. Das Permeat dieser zweiten Ultrafiltrationsstufe kann ebenfalls der Ansäuerung zugeführt werden, während das Retentat in das Abwasser eingeleitet wird.The concentrate or retentate of the first ultrafiltration step is expediently further concentrated in a second ultrafiltration unit to a concentration factor of 95 to 100. The second ultrafiltration stage can be operated with hollow fiber modules and / or tubular modules and in continuous filtration operation as well as in batch operation, with batch operation being preferred. The permeate of this second ultrafiltration stage may also be fed to the acidification while the retentate is being introduced into the effluent.
Für das Ansäuern des erhaltenen Rohprodukts wird zweckmäßig eine Mineralsäure und insbesondere Schwefelsäure verwendet. Das Ansäuern erfolgt, abhängig vom pKs-Wert der Carbonsäure, so, dass mindestens 90%, weiter bevorzugt mindestens 99% und ganz besonders bevorzugt mindestens 99,9% der Carbonsäure in Form der vollständig protonierten Carbonsäure vorliegt. Für Milchsäure kann hier ein geeigneter pH-Bereich von 1,8 bis 3,0 und bevorzugt etwa 1,9 angegeben werden.For the acidification of the obtained crude product it is expedient to use a mineral acid and in particular sulfuric acid. Acidification takes place, depending on the pKa of the carboxylic acid, such that at least 90%, more preferably at least 99% and most preferably at least 99.9% of the carboxylic acid is in the form of the fully protonated carboxylic acid. For lactic acid, a suitable pH range of 1.8 to 3.0, and preferably about 1.9 can be given here.
Da sich das erfindungsgemäße Verfahren mit besonderem Vorteil für die Aufreinigung von nicht Kristalle bildenden Carbonsäuren eignet, von denen Milchsäure den wichtigsten Vertreter darstellt, bezieht das erfindungsgemäße Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform keinen Schritt des Kristallisierens ein. Alternativ oder zusätzlich dazu bezieht das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt für die Aufreinigung der Carbonsäure bis zu einer Konzentration von etwa 40% keinen Schritt des Behandelns der Carbonsäure mit Aktivkohle und/oder einem Ionentauscher ein. Besonders bevorzugt ist es, wenn das erfindungsgemäße Verfahren keinen Schritt des Kristallisierens und für die Aufreinigung der Carbonsäure bis zu einer Konzentration von etwa 40% keinen Schritt des Behandelns der Carbonsäure mit Aktivkohle und/oder einem Ionentauscher einbezieht. Since the process according to the invention is of particular advantage for the purification of non-crystalline carboxylic acids, of which lactic acid is the most important representative, in a preferred embodiment the process according to the invention does not involve any step of crystallization. Alternatively or additionally, the inventive method preferably for the purification of the carboxylic acid to a concentration of about 40% does not include a step of treating the carboxylic acid with activated carbon and / or an ion exchanger. It is particularly preferred if the method according to the invention does not include a step of crystallizing and for the purification of the carboxylic acid up to a concentration of about 40% any step of treating the carboxylic acid with activated carbon and / or an ion exchanger.
In einer alternativ bevorzugten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren, das einen Schritt des Kristallisierens, bevorzugt eine Kühlkristallisation, von Kristalle bildenden Carbonsäuren einbezieht. Als Ausgangsprodukt für die Kristallisation ist bevorzugt eine Carbonsäure mit einer Konzentration im Bereich von etwa 10- 20 % zu verwenden.In an alternative preferred embodiment, the present invention relates to a process involving a crystallization step, preferably a cooling crystallization, of crystal-forming carboxylic acids. As the starting material for the crystallization, it is preferable to use a carboxylic acid having a concentration in the range of about 10 to 20%.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß beiden vorstehenden Varianten ist es zweckmäßig, wenn das aus der Simulated Moving Bed-Chromatographiestufe erhaltene salzhaltige Nebenprodukt einer Konzentrierung unterzogen wird, da die Rückgewinnung dieses Nebenprodukts für ein wirtschaftliches Betreiben des Verfahrens von großer Wichtigkeit ist. Für das Konzentrieren hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Membrandestillation als besonders geeignet herausgestellt. Eine Membrandestillation weist gegenüber einer im Stand der Technik benutzten konventionellen mehrstufigen Verdampfung des Lösungsmittels, den Vorteil geringerer Gesamt- und Betriebskosten (zum Beispiel für den erforderlichen Dampf und die Elektroenergie) auf. Der Membrandestillation ist zweckmäßig eine Umkehrosmose vorgeschaltet, mit der das salzhaltige Nebenprodukt für die Membrandestillation auf eine Konzentration von bis zu 15 Gew.-% vorkonzentriert wird.In the context of the process according to the two preceding variants, it is expedient if the saline by-product obtained from the Simulated Moving Bed chromatography step is subjected to concentration, since the recovery of this by-product is of great importance for economical operation of the process. For concentration, in the context of the present invention in particular a membrane distillation has been found to be particularly suitable. Membrane distillation has the advantage of lower overall and operating costs (for example, for the required steam and electric energy) over conventional multistage evaporation of the solvent used in the prior art. The membrane distillation is suitably preceded by a reverse osmosis with which the saline by-product for membrane distillation is preconcentrated to a concentration of up to 15 wt .-%.
Das aus der Membrandestillation des Salzes aus dem salzhaltigen Nebenprodukt erhaltene Destillat kann z.B. als Eluent für die Simulated-Moving-Bed-Chromatographiestufe eingesetzt werden, was mit dem Vorteil eines nahezu vollständigen Ersatz des vorher benötigten RO-Wassers (RO = Reverse Osmose) als Eluent für die SMB-Chromatographie verbunden ist. Die vorbeschriebene Vorgehensweise hat zudem den Vorteil, dass bei Einsatz von Neutralisationsmitteln in der Fermentation, die von Ammoniumhydroxid verschieden sind, z.B. NaOH oder KOH, auch die bei der Umsalzung und nach erfolgender SMB-Chromatographie gebildeten wässrigen Lösungen dieser Salze durch Umkehrosmose und Membrandestillation aufkonzentriert werden können.The distillate obtained from the membrane distillation of the salt from the saline by-product can e.g. be used as eluent for the Simulated Moving Bed Chromatography stage, which is associated with the advantage of almost complete replacement of the previously required RO water (RO = reverse osmosis) as eluent for SMB chromatography. The above-described procedure also has the advantage that when using neutralizing agents in the fermentation which are different from ammonium hydroxide, e.g. NaOH or KOH, and the aqueous solutions of these salts formed during the salination and after successful SMB chromatography can be concentrated by reverse osmosis and membrane distillation.
Für die Membrandestillation der Carbonsäure, die der Umkehrosmose nachgeschaltet ist, ist es weiterhin von Vorteil, wenn das Brüdenkondensat aus der Eindampfung des salzhaltigen Nebenprodukts genutzt wird. Hierzu kommt in erster Linie eine rein thermische Nutzung in Betracht, bei der das noch heiße Brüdenkondensat aus der Eindampfung des salzhaltigen Nebenprodukts genutzt wird um die Carbonsäure-haltige Fraktion im Rahmen der Membrandestillation indirekt, d.h. z.B. über einen Wärmetauscher, zu erhitzen.For the membrane distillation of the carboxylic acid, which is connected downstream of the reverse osmosis, it is also advantageous if the vapor condensate from the evaporation of the saline by-product is used. This is primarily a purely thermal use into consideration, in which the still hot vapor condensate from the evaporation of the saline by-product is used to the carboxylic acid-containing fraction in the context of membrane distillation indirectly, i. e.g. via a heat exchanger, to heat.
Im Anschluss an die vorstehend beschriebenen Konzentrationsschritte der Umkehrosmose und der Membrandestillation ist es zweckmäßig das etwa 50%ige Rohprodukt einer weiteren Nanofiltration zu unterziehen, die im Folgenden als dritte Nanofiltration bezeichnet werden soll. Diese dritte Nanofiltration ist geeignet bei Drücken im Bereich von 30 bis 40 bar durchzuführen. Als besonders günstige Trenngrenze für die dritte Nanofiltration kann eine Trenngrenze von 300 Dalton und insbesondere im Bereich von etwa 150 bis 250 Dalton angegeben werden.Following the concentration steps of reverse osmosis and membrane distillation described above, it is expedient to subject the approximately 50% crude product to further nanofiltration, which will be referred to below as third nanofiltration. This third nanofiltration is suitable to carry out at pressures in the range of 30 to 40 bar. As a particularly favorable separation limit for the third nanofiltration, a separation limit of 300 daltons and in particular in the range of about 150 to 250 daltons can be specified.
Für diese Nanofiltration von ca. 50 %- Milchsäure kann ein pH- Wert im Bereich von etwa 1,3 bis 1,5 angegeben werden.For this nanofiltration of about 50% lactic acid, a pH in the range of about 1.3 to 1.5 can be given.
In Abhängigkeit von der bevorzugten Technologie kann das Retentat der dritten Nanofiltration einer Diafiltration unterzogen werden, und anschließend wieder in den Eingangsstrom zur Nanofiltration im Schritt (iii) oder im Schritt (i) abhängig von der Zusammensetzung zurückgeführt werden, um Verluste im Prozess zu vermeiden.Depending on the preferred technology, the third nanofiltration retentate may be subjected to diafiltration, and then recycled back to the nanofiltration input stream in step (iii) or step (i) depending on the composition to avoid losses in the process.
Abhängig von der gewünschten Verfahrensführung kann es auch vorteilhaft sein, keine Diafiltration durchzuführen, sondern das Retentat mit einem relativ hohen Milchsäuregehalt von etwa 60% zusammen mit dem Retentat der zweiten Nanofiltration mit einem Alkohol zu verestern. Auch in diesem Fall ist ein etwas geringerer Konzentrationsfaktor für eine hohe Quantität des Permeats der dritten Nanofiltration vorteilhaft.Depending on the desired process procedure, it may also be advantageous to perform no diafiltration, but to esterify the retentate with a relatively high lactic acid content of about 60% together with the retentate of the second nanofiltration with an alcohol. Also in this case, a somewhat lower concentration factor is advantageous for a high quantity of the permeate of the third nanofiltration.
Im Anschluss an die dritten Nanofiltration kann die erhaltene Carbonsäure haltige Fraktion einem Polishing-Schritt unterzogen werden, bei dem die Carbonsäure zur Erzeugung einer hochwertigen für die Polymerisation geeigneten Carbonsäure, insbesondere in Form von Milchsäure, über einen Ionentauscher, z.B. in Form eines Anionen- und/oder Kationentauscher, und/oder über eine Aktivkohlereinigung gereinigt wird. Aufgrund der vor dem Polishing bereits relativ hohen Reinheit der Carbonsäure und deren relativ hoher Konzentration (etwa 50%), sind hierzu weit geringere Aufwendungen für die Regeneration und Anfangsbeladung der Harze und/oder der Aktivkohle erforderlich, als bei entsprechenden Reinigungsschritten die mit Carbonsäurefraktionen mit Konzentrationen unter 20 % und zu einem früheren Zeitpunkt des Reinigungsverfahrens durchgeführt werden. Subsequent to the third nanofiltration, the resulting carboxylic acid-containing fraction may be subjected to a polishing step in which the carboxylic acid is used to produce a high-grade carboxylic acid suitable for the polymerization, in particular in the form of lactic acid, via an ion exchanger, for example in the form of an anion and / or cation exchanger, and / or is cleaned via an activated carbon cleaning. Due to the already relatively high purity of the carboxylic acid and its relatively high concentration (about 50%) before polishing, much lower expenses for the regeneration and initial loading of the resins and / or the activated carbon are required than with corresponding purification steps with carboxylic acid fractions with concentrations below 20% and at an earlier stage of the cleaning process.
Da das Produkt nach der dritten Nanofiltration, insbesondere wenn es sich um Milchsäure handelt, eine für die Polymerisation noch unzureichende Konzentration aufweist, ist es zweckmäßig, die Konzentration zu erhöhen, wobei die Carbonsäure-haltige Fraktion einer Destillation unterzogen wird. Von Vorteil ist es dabei, wenn der in der Destillation anfallende Rückstand mit Wasser versetzt und anschließend vor dem Schritt (iii) oder Schritt (i) wie vorstehend angegeben zugeführt wird. Mit Hilfe der Destillation lässt sich die Konzentration der Milchsäure so auf nahezu 100% steigern. Bei Durchführung einer Destillation zur Erzeugung der Qualität Polymer- grade kann auf einen vorgeschalteten Ionenaustausch und/ oder Aktivkohlebehandlung verzichtet werden, wenn die Ausbeute der Destillation wirtschaftlich ist und die erforderliche Qualität erzeugt werden kann.Since the product after the third nanofiltration, in particular when it is lactic acid, has a still insufficient for the polymerization, it is appropriate to increase the concentration, wherein the carboxylic acid-containing fraction is subjected to distillation. It is advantageous if the residue obtained in the distillation is mixed with water and then fed before step (iii) or step (i) as indicated above. With the help of distillation, the concentration of lactic acid can be increased to nearly 100%. When carrying out a distillation to produce the quality polymer grade can be dispensed with an upstream ion exchange and / or activated carbon treatment, when the yield of the distillation is economical and the required quality can be produced.
Im Rahmen der der Erfindung zugrundeliegenden Untersuchungen wurde überraschend festgestellt, dass sich die Carbonsäurelösung bis zu einer Konzentration von etwa 80% mit einer Membrandestillation vorkonzentrieren lässt. Für diese Membrandestillation kann mit Vorteil ein im Wesentlichen auf Kunststoffkomponenten bestehendes System verwendet werden, das z.B. unter dem Handelsnamen Memsys von Memsys Clearwater Pte. Ltd. erhältlich ist. Bei diesem System handelt es sich um eine mehrstufige Vakuum-Multi-Effekt-Membrandestillation.In the context of the investigations underlying the invention, it was surprisingly found that the carboxylic acid solution can be preconcentrated to a concentration of about 80% with a membrane distillation. For this membrane distillation, it is possible with advantage to use a system consisting essentially of plastic components, which may be e.g. under the trade name Memsys of Memsys Clearwater Pte. Ltd. is available. This system is a multi-stage vacuum multi-effect membrane distillation.
Wie bekannt ist, ist z.B. Milchsäure im Konzentrationsbereich von 50 bis 80% besonders bei höheren Temperaturen sehr korrosiv, so dass bei konventionellen Destillationsvorrichtungen nur sehr hochwertiger Edelstahl, z.B. in Form von Hastelloy verwendet werden muss. Durch die Verwendungen eines auf Kunststoffen beruhenden Systems für die Membrandestillation lassen sich damit die Kosten für die Konzentrationsvorrichtung senken. Zudem ist es auf Grund des für die Membrandestillation erforderlichen niedrigeren Temperaturniveaus möglich, Abwärmeströme aus dem Aufbereitungssystem, z.B. des aus der SMB-Chromatographiestufe erhaltenen Salzhaltigen Produktstroms, über einen Wärmetauscher im Membrandestillationssystem zu nutzen.As is known, e.g. Lactic acid in the concentration range of 50 to 80% is very corrosive, especially at higher temperatures, so that in conventional distillation equipment only very high quality stainless steel, e.g. must be used in the form of Hastelloy. The use of a plastics-based membrane distillation system can reduce the cost of the concentrator. In addition, due to the lower temperature level required for membrane distillation, it is possible to remove waste heat streams from the treatment system, e.g. of the saline product stream obtained from the SMB chromatography step, via a heat exchanger in the membrane distillation system to use.
Um eine Konzentration der Carbonsäure von 100% zu erzielen, ist im letzten Konzentrations- und Reinigungsschritt eine Destillation erforderlich. Die dabei erzeugten Brüden (d.h. gasförmige Destillationsnebenprodukte, die im Rahmen der Kondensation nicht mit der Carbonsäure kondensieren), weisen in der Regel noch einen Anteil an Carbonsäure auf. Zur Vermeidung von Verlusten werden diese Brüden daher in den Prozess zurückgeführt, beispielsweise vor der Nanofiltration im Schritt (iii) in das Verfahren zurückgeführt wird.In order to achieve a concentration of the carboxylic acid of 100%, a distillation is required in the last concentration and purification step. The resulting vapors (i.e., gaseous distillation by-products that do not condense with the carboxylic acid as part of the condensation) typically still contain a portion of carboxylic acid. To avoid losses, these vapors are therefore returned to the process, for example, before the nanofiltration in step (iii) is returned to the process.
Darüber hinaus wurde festgestellt, dass das im Rahmen der Destillation anfallende Sumpfprodukt einen Anteil an Carbonsäureoligomeren, z.B. von Milchsäure aufweisen kann. Es ist daher im Rahmen der vorliegenden Erfindung zweckmäßig, dass das in der Destillation anfallende Sumpfprodukt mit Wasser versetzt und anschließend der Aufreinigung vor dem Schritt (iii) oder (i), wie vorstehend beschrieben, zugeführt wird. Hierzu kann es sinnvoll sein, wenn das Sumpfprodukt zunächst in einen Behälter überführt wird, in dem es mit Wasser versetzt und bei einer geeigneten Temperatur für eine Zeitraum behandelt wird, dass sich aus den Carbonsäureoligomeren durch Hydrolyse die Monomere zurückbilden. Für Milchsäure kann als geeignete Temperatur eine Temperatur von etwa 50°C und als geeigneter Zeitraum ein Zeitraum von etwa 2h angegeben werden.In addition, it has been found that the bottom product resulting from the distillation contains a proportion of carboxylic acid oligomers, e.g. of lactic acid. It is therefore useful in the context of the present invention for the bottom product obtained in the distillation to be admixed with water and then to be subjected to the purification before step (iii) or (i) as described above. For this purpose, it may be useful if the bottom product is first transferred to a container in which it is mixed with water and treated at a suitable temperature for a period of time, that the monomers form from the carboxylic acid oligomers by hydrolysis. For lactic acid, a temperature of about 50 ° C may be given as a suitable temperature and a period of about 2 hours as a suitable period.
Es ist möglich, die Rückführung der Brüdenkondensate mit der Rückführung der hydrolysierten Carbonsäureoligomere zu kombinieren, indem die Brüdenkondensate in den Behälter geleitet werden, in dem die Hydrolyse der Carbonsäureoligomere erfolgt.It is possible to combine the recirculation of the vapor condensates with the recycle of the hydrolyzed carboxylic oligomers by passing the vapor condensates into the vessel in which the hydrolysis of the carboxylic acid oligomers occurs.
Alternativ ist es möglich die in der Destillation anfallenden Nebenprodukte wie die Brüden und das Sumpfprodukt nach einer Vermischung mit Wasser für die Herstellung von Derivaten der Carbonsäuren, z.B. in Form von Estern und insbesondere Ethylestern, zu nutzen. Es kann daher zweckmäßig sein, wenn das Gemisch an Brüdenkondensaten und den hydrolysierten Carbonsäureoligomeren aus dem Sumpfprodukt einer Derivatisierung und insbesondere einer Veresterung unterzogen wird.Alternatively, it is possible to use the by-products obtained in the distillation, such as the vapors and the bottom product after mixing with water for the preparation of derivatives of carboxylic acids, for example in the form of esters and in particular ethyl esters. It may therefore be appropriate if the Mixture of vapor condensates and the hydrolyzed carboxylic acid oligomers from the bottom product of a derivatization and in particular an esterification is subjected.
Abhängig von der Art der Carbonsäure kann es, falls keine direkte Weiterverarbeitung zu Polymeren möglich ist, sinnvoll sein, die erhaltene 100%ige Carbonsäure für eine Lagerung mit vollentsalztem Wasser zu verdünnen. Dies ist zum Beispiel bei Milchsäure der Fall, da 80 bis 90%ige Milchsäure gegenüber 100%iger Milchsäure eine wesentlich bessere Lagerstabilität aufweist.Depending on the nature of the carboxylic acid, if no direct further processing into polymers is possible, it may be expedient to dilute the 100% carboxylic acid obtained for storage with demineralized water. This is the case, for example, with lactic acid, since 80 to 90% lactic acid compared to 100% lactic acid has a much better storage stability.
Alternativ zu dem vorstehend beschriebenen Vorgehen nach der dritten Nanofiltration kann im Anschluss an diesen Schritt auch eine Kristallisation, und bevorzugt eine Kühlkristallisation, durchgeführt werden, wenn die aufzureinigende Carbonsäure kristallisierbar ist. Geeignete Verfahren und Vorrichtungen zur Durchführung eine Kühlkristallisation sind z.B. in
In einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Aufreinigung von Carbonsäuren aus Fermentationsprozessen umfassend eine Simulated-Moving-bed-Chromatographiestufe 5, die in Fließverbindung mit einer ersten Nanofiltrationsstufe steht 6, und eine zweite Nanofiltrationsstufe
Falls mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung neben der aufgereinigten Carbonsäure auch ein Carbonsäurederivat, z.B. in Form eines Carbonsäureesters, hergestellt werden soll, ist es zweckmäßig, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Überleitung
Die Simulated-Moving-bed-Chromatographiestufe liefert neben dem gewünschten Carbonsäureprodukt ein Salznebenprodukt in Form einer Salzlösung, das zurückgewonnen werden kann, um die Gesamtökonomie des Verfahrens zu verbessern. Aus diesem Grund ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zweckmäßig mit einer Ableitung
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Umkehrosmosestufe
Das Destillat der Membrandestillation besteht aus hinlänglich reinem Wasser und kann daher in den vorherigen Prozessstufen als Ersatz von vollentsalztem Wasser genutzt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die vorliegende Erfindung daher eine Zuleitung
Die bei der Eindampfungsstufe
Der Membrandestillation nachgeschaltet ist zweckmäßig eine weitere Nanofiltrationsstufe
Der beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgeschaltet sind zweckmäßig übliche Vorrichtungen zur fermentativen Herstellung von Carbonsäuren, Vorrichtungen zur Abtrennung von Fermentationsrückständen aus der Fermentationsbrühe und Vorrichtungen zum Ansäuern der Carbonsäure. Mit anderen Worten betrifft die vorliegende Erfindung damit auch eine Vorrichtung, die die vorstehend erläuterten Prozessstufen in Kombination mit einer vorgeschalteten Vorrichtung zur fermentativen Herstellung von Carbonsäuren, einer oder mehreren Vorrichtungen zur Abtrennung von Fermentationsrückständen aus der Fermentationsbrühe und einer Vorrichtung zum Ansäuern der Carbonsäure umfasst. Der technische Hintergrund für die Ansäuerungsvorrichtung besteht darin, dass bei der fermentativen Herstellung der Carbonsäure aus nicht sauren Vorläufern wie Glucose der pH-Wert systembedingt ansteigt. Da die Produktionseffektivität der normalerweise für Fermentationsprozesse verwendeten Mikroorganismen bei stark sauren pH-Werten signifikant abnimmt, wird der pH-Wert im Verlauf der Fermentation durch Zugabe einer Base, wie insbesondere Ammoniumhydroxid, im Wesentlichen konstant gehalten, was aber zur Folge hat, das als Produkt nicht die Carbonsäure an sich, sondern ihr Salz erhalten wird. Bevorzugt ist es insbesondere, wenn der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Fermentationsvorrichtung
Das aus der Umkehrosmose erhaltene Permeat kann noch geringe Mengen an Kohlenstoff basierten Verbindungen wie insbesondere Carbonsäuren enthalten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann daher vorteilhaft weiter ausgestaltet sein, indem die eine Leitung
Die Separationsvorrichtung
Um das aus der Nanofiltrationsstufe
Wie vorstehend erläutert ist es sinnvoll, das Carbonsäure-haltige Permeat der Nanofiltrationsstufe
Weiterhin wurde vorstehend bereits erwähnt, dass sich eine günstige Vorkonzentrierung der über die Destillationsvorrichtung
Um den Verlust von Produktanteilen in Nebenprodukten der Reinigungs- und Aufkonzentrierungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zu vermindern, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung, wenn sie eine Destillationsvorrichtung
Alternativ oder zusätzlich dazu ist es möglich, dass der Mischbehälter
In einer anderen Ausführungsform kann das aus der Nanofiltrationsstufe
Im Folgenden soll die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die Figuren näher erläutert werden, ohne dass diese als maßgeblich für den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung anzusehen sind.In the following, the present invention will be explained in more detail with reference to the figures, without these being considered to be relevant to the scope of the present invention.
In
In der Fermentationseinheit
In der Ansäuerung
Für die Trennung in Carbonsäure und Salzlösung in der SMB wird ein Eluent benötigt. In herkömmlicher Ausführung wird dazu RO-Wasser
Der Extrakt der SMB- Chromatographie wird in der Prozessstufe Nanofiltration weiter gereinigt. Die Nanofiltration wird ebenfalls in zwei Stufen durchgeführt. In der Nanofiltration
Das erhaltene Retentat
Zur Vermeidung von Verlusten bei der Nanofiltration
Im nächsten Verfahrensschritt, der Umkehrosmose
Der in der Umkehrosmose vorkonzentrierte Produktstrom wird in der nachfolgenden Membrandestillation
Das Destillat
Zur Entfernung weiterer Schadstoffe, insbesondere für die Erzeugung einer hochwertigen Milchsäure zur Polymerisation, wird das Permeat
Die nun nochmals gereinigte konzentrierte Milchsäure wird einer letzten Membrankonzentrierung in Form einer Membrandestillation
Der Feedstrom zur Membrandestillation
Die bisher durchgeführte Reinigung und Konzentrierung der Milchsäurelösung durch ein Membranverfahren ist für das Produkt schonend und es wird eine konzentrierte Milchsäure von sehr guter Qualität, d.h. polymerisationsfähig erhalten.The past purification and concentration of the lactic acid solution by a membrane process is gentle on the product and produces a concentrated lactic acid of very good quality, i. obtained polymerizable.
Als letzter Konzentrations- und Reinigungsschritt wird eine Destillation
Durch die Mischung von Abprodukten aus der Destillation
Periodisch wird ein Teil des Sumpfproduktes in das Abwasser
In
Am Beispiel von Bernsteinsäure wird dieser Prozess im Weiteren näher erläutert. Die Permeate der ersten und zweiten Nanofiltration
Das Permeat der dritten Nanofiltration
Nach dem Stand der Technik fällt in der Kühlkristallisation eine konzentrierte Salzlösung an, welche als Mutterlauge bezeichnet wird. Zur Vermeidung von Produktverlusten kann diese Mutterlauge in den Prozess zurückgeführt werden, oder es kann eine Auskreisung aus dem Prozess
Die Mutterlauge
Im Folgenden wird die Anmeldung anhand einiger Beispiele näher erläutert, die jedoch nicht als maßgeblich für die Beurteilung des Schutzumfangs der vorliegenden Anmeldung anzusehen sind.In the following, the application will be explained in more detail with reference to some examples, which, however, are not to be regarded as authoritative for the assessment of the scope of protection of the present application.
Beispiele: Examples:
Beispiel 1:Example 1:
2- Stufige Nanofiltration, Vergleich der herkömmlichen Nanofiltration mit einer 2-stufigen Nanofiltration und unterschiedlicher Trenngrenze.2-stage nanofiltration, comparison of conventional nanofiltration with a 2-stage nanofiltration and different separation limit.
In einer Nanofiltrations-Anlage einer großtechnischen Versuchsanlage zur Erzeugung organischer Säuren wurde ein Versuch zur Filtration von wässriger Milchsäurelösung durchgeführt. Diese Nanofiltrationsanlage besteht aus zwei Filtrationsloops, mit jeweils einem Druckrohr und einer Loop-Pumpe. Je Druckrohr waren 3 NF-Polymer-Wickelelemente der Baugröße 8038 mit einer Gesamtmembranfläche von 103,5 m2 eingebaut. Es wurden immer Filtrationschargen von ca. 75 m3 filtriert.In a nanofiltration plant of a large-scale experimental plant for the production of organic acids, an experiment for the filtration of aqueous lactic acid solution was carried out. This nanofiltration system consists of two filtration loops, each with a pressure tube and a loop pump. Each pressure tube was fitted with 3 NF polymer winding elements of size 8038 with a total membrane area of 103.5 m 2 . Filtration batches of about 75 m 3 were always filtered.
Die Eckdaten dieser zweistufigen Nanofiltration sind im Folgenden angegeben:
Feedprodukt: Permeat einer Nanofiltration mit Trenngrenze 450 Da
Es wurde ein Mischpermeat mit folgender Qualität erzeugt:
In einer nachfolgenden Versuchsperiode wurde im 2. Filtrationsloop
Es wurden folgende Parameter eingestellt bzw. im Versuch ermittelt:
Es wurde ein Mischpermeat mit folgender Qualität erzeugt:
Ein Vergleich zwischen der herkömmlichen Nanofiltration und der Trennung in erste und zweite Nanofiltration mit unterschiedlicher Trenngrenze ist in der folgenden Tabelle 1 wiedergegeben:
Tabelle 1
Beispiel 2:Example 2:
Dritte Nanofiltration: Nanofiltration einer 50 % igen MilchsäurelösungThird Nanofiltration: Nanofiltration of a 50% lactic acid solution
In einer kleintechnischen Filtrations- Versuchsanlage wurde ein Versuch zur Nanofiltration von 50 % ien Milchsäure durchgeführt. Dazu wurde ein Polymer-Wickelelement mit einer Filterfläche von 0,23 m2 verwendet. Die Trenngrenze betrug 200- 300 Da. Es wurden 200 l einer auf 50% igen Milchsäure aus der ersten Eindampfstufe einer großtechnischen Versuchsanlage als Feedprodukt verwendet.In a small scale filtration experimental plant, an attempt was made to nanofilter 50% lactic acid. For this purpose, a polymer winding element with a filter area of 0.23 m 2 was used. The separation limit was 200-300 Da. 200 l of a 50% strength lactic acid from the first evaporation stage of a large-scale pilot plant was used as feed product.
Folgende Parameter konnten im Filtrationsversuch ermittelt werden.
Im Vergleich zur Konzentration im Feedprodukt wurde im erhaltenen Permeat-Pool von folgenden Stoffgruppen eine Reduzierung ermittelt:
Die Permeabilität der Membran in Bezug auf Milchsäure wurde mit 96 % ermittelt, dass bedeutet, dass trotz des niedrigen pH- Wertes nur ein geringer Teil der Milchsäure bevorzugt im Retentat angereichert wird. Dieser Versuch zeigt demzufolge, dass auch eine 50 % ige Milchsäure mit einer engen Nanofiltrationsmembran gereinigt werden kann.The permeability of the membrane with respect to lactic acid was found to be 96%, which means that despite the low pH only a small part of the lactic acid is preferentially enriched in the retentate. This experiment shows that even a 50% lactic acid can be purified with a narrow nanofiltration membrane.
Beispiel 3:Example 3:
Dritte Nanofiltration: Nanofiltration einer 50 % igen MilchsäureThird Nanofiltration: Nanofiltration of a 50% lactic acid
In einer technischen Versuchsanlage wurde unter Verwendung eines NF-Polymer- Wickelmoduls der Baugröße 2540 folgende Ergebnisse ermittelt.
Beispiel 4:Example 4:
In einer Umkehrosmose- Anlage einer großtechnischen Versuchsanlage zur Erzeugung organischer Säuren wurde ein Versuch zur Konzentrierung von wässriger Milchsäurelösung durchgeführt. Die Umkehrosmoseanlage bestand aus zwei Membranstufen, wobei in der 1. Stufe
Beispiel 5:Example 5:
In einer 1-stufigen technischen Versuchsanlage wurde mit einem Polymer-Wickelmodul der Baugröße 2540 ein Versuch zur Hochdruck- Umkehrosmose durchgeführt.In a 1-stage technical pilot plant a high-pressure reverse osmosis test was carried out with a size 2540 polymer winding module.
Es wurden folgende Parameter in diesem Versuch ermittelt:
Beispiel 6:Example 6:
In einer Versuchsanlage mit einer mehrstufigen Vakuum-Multi-Effekt-Membrandestillation (Hersteller der Membranmodule: Fa. Memsys) und einer Membranfläche von 6,4 m2 wurden folgende Parameter ermittelt:
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Fermentationfermentation
- 22
- Separationseparation
- 33
- Ultrafiltrationultrafiltration
- 44
- Ansäuerungacidification
- 55
- SMB-ChromatographieSMB chromatography
- 66
- Nanofiltration INanofiltration I
- 77
- Umkehrosmosereverse osmosis
- 88th
- Membrandestillation IMembrane distillation I
- 99
- Nanofiltration IIINanofiltration III
- 1010
- Membrandestillation IIMembrane distillation II
- 1111
- Destillationdistillation
- 1212
-
Endprodukt 90 % Milchsäure
Final product 90% lactic acid - 2121
- Biomassesuspensionbiomass suspension
- 3030
- Ultrafiltration- HochkonzentrierungUltrafiltration high concentration
- 3131
- Permeat UltrafiltrationPermeate ultrafiltration
- 3232
- Retentat Ultrafiltration, Feed HochkonzentrierungRetentate ultrafiltration, feed high concentration
- 3333
- Permeat Ultrafiltration HochkonzentrierungPermeate Ultrafiltration High Concentration
- 5151
- SMB- RaffinatSMB raffinate
- 5252
- VE-Wasser-Eluent SMBDI water eluent SMB
- 5353
-
VE-Wasser, Verdünnung 100% MilchsäureDI water,
dilution 100% lactic acid - 60 60
- Nanofiltration IINanofiltration II
- 6161
- Permeat Nanofiltration IPermeate Nanofiltration I
- 6262
- Retentat Nanofiltration I, Feed Nanofiltration IIRetentate Nanofiltration I, Feed Nanofiltration II
- 6363
- Permeat Nanofiltration IIPermeate nanofiltration II
- 6464
- Retentat Nanofiltration IIRetentate nanofiltration II
- 6565
- Abwassersewage
- 7171
- Permeat UmkehrosmosePermeate reverse osmosis
- 8080
- Destillat Membrandestillation IDistillate membrane distillation I
- 8181
- Destillat Membrandestillation I, Eluent SMBDistillate membrane distillation I, eluent SMB
- 8282
- Wasser Diafiltration Nanofiltration IIWater Diafiltration Nanofiltration II
- 8383
- Wasser Diafiltration Nanofiltration IIIWater Diafiltration Nanofiltration III
- 9090
- Polishing EinheitPolishing unit
- 9191
- Permeat Nanofiltration IIIPermeate Nanofiltration III
- 9292
- Retentat Nanofiltration IIIRetentate Nanofiltration III
- 9393
- Retentatrückführung Nanofiltration IIIRetentate recycling Nanofiltration III
- 9494
- Retentat Nanofiltration III, AbwasserRetentate nanofiltration III, wastewater
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