DE60016770T2

DE60016770T2 - Verfahren zur trennung von 1,3-propandiol oder glycerin oder eine mischung davon aus einer biologischen mischung

Info

Publication number: DE60016770T2
Application number: DE60016770T
Authority: DE
Inventors: Richard David CORBIN; Tucker Norton
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1999-10-05
Filing date: 2000-10-04
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2020-10-05
Also published as: EP1218327B1; DE60016770D1; AU7750400A; ES2233457T3; KR100713762B1; IL148944A0; CA2384774A1; AU781408B2; US6603048B1; HK1045149B; IL148371A0; KR20020037064A; EP1218327A1; DK1218327T3; CN1377333A; IL148371A; WO2001025178A1; HK1045149A1; ATE284855T1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft Verfahren, die 1,3-Propandiol, Glycerol oder eine Mischung von 1,3-Propandiol und Glycerol aus biologischen Mischungen unter Verwendung eines Molekularsiebs abtrennen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1,3-Propandiol ist ein Schlüsselmonomerbestandteil für Polytrimethylenterephthalat (3GT), ein Hochleistungspolyester mit einer Vielzahl von Anwendungen in Bekleidung, Teppich usw. Die Kosten der Synthese und Abtrennung von 1,3-Propandiol spielen eine kritische Rolle in den Gesamtkosten des 3GT-Polyesters.
Es werden in der Literatur verschiedene Wege zur Herstellung von 1,3-Propandiol gefunden. Diese Wege schließen kommerziell praktizierte chemische Synthesewege (z.B. Acroleinhydratisierung und anschließende Hydrierung) und einen nichtkommerzialisierten biologischen Weg (z.B. ausgehend von Glucose über Glycerol zu 1,3-Propandiol) ein. In beiden Fällen führt die Synthese von 1,3-Propandiol zu Verunreinigungen, die vor der Polymerisation entfernt werden müssen. Für den Acroleinweg schließen diese Verunreinigungen Wasser, Acrolein und andere organische Verbindungen ein. Ähnlich kann der von Glucose ausgehende biologische Weg Verunreinigungen wie beispielsweise Wasser, Glucose, organische Säuren, Salze, Glycerol und andere Verbindungen aufweisen. Bei dem gegebenen hohen Siedepunkt und der Hydrophilizität von 1,3-Propandiol ist die wirtschaftliche Trennung von 1,3-Propandiol von diesen Verunreinigungsstoffen und von Reaktionsnebenprodukten und/oder Reaktionsbeiprodukten mit Standardmitteln schwierig.
Bekannte Verfahren zur Reinigung von 1,3-Propandiol haben ernsthafte Begrenzungen. Flüssig-Flüssig-Extraktion von wässerigem 1,3-Propandiol (Malinowski, Biotech. Tech. Progr. 13(2), 127-30 (1999)) wurde als „nicht gut genug, um eine einfache Trennung wirksam auszuführen" offenbart. Eine andere Flüssig-Flüssig-Extraktion (DE 86-3632397) verwendet Cyclohexan, um dimeres Acrolein aus 1,3-Propandiol zu extrahieren; das Verfahren nimmt jedoch mehr als 1 Stunde in Anspruch und ist für die Entfernung von Verunreinigungen, die andere als Acrolein sind, von geringem Nutzen. HPLC-Trennungen von 1,3-Propandiol (Mao et al., J. Liq. Chromatogr. 17(8), 1811-9 (1994)) mit Ionenausschluss- oder Umkehrphasenverfahren sind bekannt, aber können wegen der Kosten der chromatographischen Medien und der Hochdruckarbeitsweise nur in kleinem Maßstab verwendet werden. Eine Standardtechnik zur Reinigung des 1,3-Propandiols schließt die Verdampfung des Prozessstroms und nachfolgende Destillation ein, die beide übermäßige Mengen an Wärmezufuhr erfordern und kostspielig sein können.
Außerdem ist bekannt, dass Verfahren zur Herstellung von 1,3-Propandiol unter Produkthemmung leiden können; das heißt, besonders für den biologischen Weg kann die Herstellung hoher Konzentrationen von 1,3-Propandiol die Geschwindigkeit zusätzlicher Herstellung von 1,3-Propandiol oder das Zellwachstum verringern (Cameron et al., Biotech. Progr. 14 116-25 (1998)). So würde es von zusätzlichem Wert für ein Trennungsverfahren sein, imstande zu sein, in situ während der 1,3-Propandiol-Herstellung verwendet zu werden.
Selektive Sorptionsmittel, wie beispielsweise Kohlenstoffe und Zeolithe, sind für die 1,3-Propandiol-Trennung vorgeschlagen worden. Die Wirksamkeit der Trennung unter Verwendung derartiger Sorptionsmittel variiert mit den Komponenten der biologischen Mischung und den beteiligten Sorptionsmitteln. Die erfolgreiche Gestaltung von auf Sorptionsmitteln basierenden Systemen wird als wichtiger Faktor in dem Trennungsprozess angesehen.
Zeolithe können generell als komplexe Alumosilicate beschrieben werden, die durch eine dreidimensionale Gerüststruktur gekennzeichnet sind, die Hohlräume einschließt, die durch Ionen und Wassermoleküle besetzt sind, welche sich alle mit bedeutender Freiheit innerhalb der Zeolithmatrix bewegen können. In kommerziell verwendbaren Zeolithen können innerhalb des Gerüsts die Wassermoleküle entfernt oder ersetzt werden, ohne dessen Struktur zu zerstören. Zeolithe können durch die folgende Formel dargestellt werden: M_2/nO·Al₂O₃·xSiO₂·yH₂O, wobei M ein Kation der Wertigkeit n ist, x ≥ 2 und y eine Zahl, bestimmt durch die Porosität und den Hydratationszustand des Zeoliths, im allgemeinen von 0 bis 8, ist. In natürlich vorkommenden Zeolithen ist M hauptsächlich durch Na, Ca, K, Mg und Ba in Anteilen dargestellt, die gewöhnlich deren ungefähre geochemische Häufigkeit widerspiegeln. Die Kationen M sind locker an die Struktur gebunden und können häufig durch herkömmlichen Ionenaustausch vollkommen oder teilweise durch andere Kationen ersetzt werden.
Die Zeolithstruktur besteht aus an den Ecken verbundenen Tetraedern mit Al- oder -Si-Atomen in der Mitte der Tetraeder und Sauerstoffatomen an den Ecken. Solche Tetraeder sind in einer gut definierten Grundstruktur vereinigt, die verschiedene Kombinationen von 4-, 6-, 8-, 10- und 12-gliedrigen Ringen umfasst. Das resultierende Gerüst besteht aus regulären Kanälen und Käfigen, welche eine für Trennung nützliche Porenstruktur vermitteln. Die Porenabmessungen werden durch die Geometrie der Alumosilicat-Tetraeder bestimmt, die die Zeolithkanäle oder -käfige mit nominellen Öffnungen von 0,26 nm für 6-Ringe, 0,40 nm für 8-Ringe und 0,55 nm für 10-Ringe und 0,74 nm für 12-Ringe erzeugen (diese Zahlen nehmen Innenradien für Sauerstoff an). Der Fachmann erkennt, dass Zeolith mit den größten Poren, die 8-Ringe, 10-Ringe und 12-Ringe sind, entsprechend als Zeolith mit kleinen, mittleren und großen Poren betrachtet wird. Die Porenabmessungen sind kritisch für die Leistung dieser Materialien in katalytischen und Trennungsanwendungen, da diese Eigenschaft bestimmt, ob Reaktant/Adsorptionsmittel-Moleküle eintreten können und Produktmoleküle (in dem Fall der katalytischen Anwendung) aus dem Zeolithgerüst austreten können. Bei der praktischen Ausführung ist beobachtet worden, dass sehr geringe Verringerung der Ringabmessungen wirksam die Bewegung von speziellen Reaktanten/Adsorptionsmittel- oder Katalyseprodukten innerhalb einer Zeolithstruktur behindern oder blockieren können.
Die Porenabmessungen, die den Zugang zum Inneren des Zeoliths steuern, werden nicht nur durch die Tetraeder bestimmt, die die Porenöffnung bilden, sondern auch durch die Anwesenheit oder Abwesenheit von Ionen in oder nahe der Pore. In dem Fall von Zeolith A kann zum Beispiel der Zugang durch einwertige Ionen, wie beispielsweise Na⁺ oder K⁺, beschränkt werden, die sich in oder nahe den 8-Ring-Öffnungen wie auch 6-Ring-Öffnungen befinden. Der Zugang wird durch zweiwertige Ionen, wie beispielsweise Ca²⁺, vergrößert, die sich nur in oder nahe den 6-Ringen befinden. So zeigen KA und NaA effektive Porenöffnungen von etwa 0,3 nm bzw. 0,4 nm, wohingegen CaA eine effektive Porenöffnung von 0,5 nm hat.
Molekularsiebe, von denen Zeolithe eine Unterklasse sind, sind kürzlich für die Reinigung von 1,3-Propanol in Betracht gezogen worden. Die für die Reinigung von 1,3-Propanol verwendeten Zeolithe hatten nicht die Protonenform und waren deshalb anfällig für Verunreinigung der Mischung oder des Adsorbats durch Auslaugen des Kations. Guenzel et al. (Chem.-Ing.-Tech. 62(9), 748-50 (1990)) untersuchten dealuminiertes NaY und Silicalit für die Trennung von 1,3-Propandiol/Wasser-Lösungen; sie erhielten eine maximale Beladung von 0,12 g 1,3-Propandiol/g Zeolith. Sie untersuchten jedoch nicht die Glycerolselektivität. Schlieker et al. (Chem.-Ing.-Tech. 64(8), 727-8 (1992)) verwendeten Aktivkohle, aber erfuhren signifikante nichtspezifische Adsorption der teuren Zwischenverbindung Glycerol und erreichten Produktivitäten für die Fermentation zu 1,3-Propandiol von nur 2,5 g/l h. Schoellner et. al. (J. prakt. Chem. 336(5), 404-7 (1994)) untersuchten zwei X-, zwei Y- und einen Na-ZSM-5-Zeolith. Es wurde gefunden, daß das Na-ZSM-5 den X- und Y-Zeolithen überlegen war, aber wieder kann ein Salz in die Mischung oder den Adsorbatstrom ausgelaugt werden. Die Gewinnung von 1,3-Propandiol aus dem Zeolith wurde nicht diskutiert.
Silcicalit ist für die Ethanolgewinnung aus verdünnten wässerigen Lösungen verwendet worden. In einer Ausführung (Sano et al., J. Membr. Sci. 95(3), 221-8 (1994)) wurden Silicalitmembrane auf einem Edelstahl- oder Aluminiumoxidträger wie in einem Pervaporationsverfahren verwendet, wobei eine Selektivität von mehr als 60 für Ethanol zu Wasser erhalten wurde.
Außerdem sind H-ZSM-5-Zeolithe als Trennwerkzeug von Leucin und Isoleucin aus wässerigen Lösungen ( EP 645371 ) verwendet wurden. H-ZSM-5 (Si/Al = 14) wurde verwendet, um in einer wässerigen Mischung Isoleucin von Leucin zu trennen, und dann wurde das Zeolith durch Kontakt mit Base regeneriert, ein Verfahren, das Abfallsalze erzeugt, die beseitigt oder mit teurer Elektrodialyse behandelt werden müssen. Leucin und Isoloeucin, beides Einheiten von sechs Kohlenstoffatomen mit sperrigen Amin- und Säuregruppen, haben eine viel größere Molekülgröße als 1,3-Propandiol, das nur drei Kohlenstoffatome hat. Yonsel, S., et al. berichteten über eine sehr geringe Beladung des gewünschten Adsorbats, Leucin, die sich auf weniger als 0,04 g Leucin/g Zeolith belief. Adsorption und Desorption des Ethanols von Zeolithen durch Änderung der Temperatur ist auf dem Fachgebiet bekannt, aber der Fall des Desorbierens eines an Zeolith adsorbierten Produkts mit Ethanol war nicht bekannt. In JP 01153058 wird die Abtrennung von Geschmacksstoffen aus Fermentationsprodukten durch Adsorption mit Zeolithen und Desorption mit Ethanol durchgeführt, aber diese Produkte haben deutlich unterschiedliche Hydrophobizitäten und Strukturen und somit ist ein derartiges Verfahren hier offensichtlich nicht anwendbar.
Verbesserung in Verfahren zur Reinigung von 1,3-Propandiol, Glycerol oder einer Mischung von 1,3-Propandiol und Glycerol aus Fermentationsbrühe, speziell im Hinblick auf Produktgewinnung, Energieverbrauch und Produkthemmung, wird benötigt. Eine Technik, die während der Fermentationsreaktion selektiv 1,3-Propandiol entfernen würde, würde von ungeheuerem Nutzen sein. Von einer derartigen Technik würde erwartet werden, dass sie die verfügbare 1,3-Propandiolkonzentration verringert, wodurch die Produkthemmung beseitigt und die Gesamtherstellungsgeschwindigkeit von 1,3-Propandiol vergrößert werden würde. Als Ergebnis würden eine höhere Kapitalproduktivität und potentiell höhere Reaktionsausbeuten erreicht werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Anmelder stellen Verfahren zur Abtrennung von Material aus einer Mischung bereit, umfassend die Schritte: (a) Inkontaktbringen einer biologischen Mischung, enthaltend 1,3-Propandiol, Glycerol oder eine Mischung von 1,3-Propandiol und Glycerol, mit einer ausreichenden Menge eines Zeoliths, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus MFI, MEL, BEA, MOR, FAU, LTL, GME, FER, MAZ, OFF, AFI, AEL und AET und Materialien mit der gleichen Topologie wie diese Zeolithe; (b) Inkontaktbringen des Zeoliths von Schritt (a) mit einem Desorptionsmittel, wie beispielsweise eine Ethanol:Wasser-Lösung oder eine C₁-C₄-Alkohol:Wasser-Lösung; (c) Sammeln des 1,3-Propandiols, Glycerols oder der Mischung von 1,3-Propandiol und Glycerol, eluiert aus dem Zeolith in Schritt (b); und (d) gegebenenfalls mindestens ein Mal Wiederholen der Reihe von Schritten (a) bis (c). Zusätzlich beinhaltet das Verfahren das Auswählen in Schritt (a) von einem ersten Zeolith, um selektiv eine Mischung von 1,3-Propandiol und Glycerol aus der biologischen Mischung zu adsorbieren, und nach Durchführen der Reihe von Schritten (b), (c) und gegebenenfalls (d) dann Durchführen von Schritt (a)' durch Inkontaktbringen der Mischung von 1,3-Propandiol und Glycerol mit einem zweiten Zeolith, um selektiv 1,3-Propandiol oder Glycerol aus der Mischung von 1,3-Propandiol und Glycerol zu adsorbieren, (b)' Inkontaktbringen des Zeoliths von Schritt (a)' mit einem Desorptionsmittel, wie beispielsweise eine Ethanol:Wasser-Lösung oder eine C₁-C₄-Alkohol:Wasser-Lösung; (c)' Sammeln des 1,3-Propandiols oder Glyerols, eluiert aus dem Molekularsieb in Schritt (b)'; und (d') gegebenenfalls mindestens ein Mal Wiederholen der Reihe von Schritten (a)' bis (e)', um ein gereinigtes 1,3-Propandiol oder Glycerol zu erhalten.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 zeigt die Adsorption von 1,3-Propandiol aus zellfreier Fermentationsbrühe an einer mit Zeolith gepackten Säule und die Desorption von 1,3-Propandiol unter Verwendung von Ethanol:Wasser.
2 zeigt die Eluierung von 1,3-Propandiol aus einer großtechnischen Zeolithsäule.
3 zeigt ein Schema der Einrichtung einer ISPR-Ausstattung. Ein Fermenter (1) ist mit Querstromfiltrationsmembranen (2) zur Entfernung von Zellmasse verbunden. Das Retentat (3) wird zu dem Fermenter (1) zurückgeführt. Das Permeat (4) wird durch die Zeolith-gepackte Säule (5) geschickt und die verbrauchte Flüssigkeit (6) in den Fermenter (1) zurückgeführt. Zur Redundanz werden doppelte Zellfilter und Zeolithsäulen verwendet.
4 zeigt den Titer einer 1,3-Propandiol-Fermentation von 2 l vor, während und nach den zwei Perioden von ISPR.
Die 5 und 6 zeigen die Chargenadsorptionsbeladung von 1,3-Propandiol bzw. Glycerol aus zellfreier Fermentationsbrühe. Die x-Achse zeigt den Zeolithtyp mit dem in Klammern angegebenen Si/Al-Verhältnis an. Die in den 5 und 6 verwendeten Skalen sind identisch.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt eine neue Technik für die Abtrennung von 1,3-Propandiol, Glycerol oder einer Mischung von 1,3-Propandiol und Glycerol aus biologischen Mischungen unter Verwendung eines Molekularsiebs bereit. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung macht im Vergleich zu anderen verfügbaren Verfahren Gebrauch von einer relativ einfachen Ausstattung und leichten Wartung. Außerdem löst das Verfahren das Hauptproblem der hohen Kosten von gegenwärtig verfügbaren Adsorptionsmitteln und der Produktvariabilität.
Selektiv konzentriertes Produkt wird gemäß dieser Erfindung bereitgestellt, indem eine zellfreie Nährbrühe mit einem Zeolithsorptionsmittel, ausgewählt aus einer Gruppe von Molekularsieben, bei einer Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit, die für Sorption geeignet sind, für einen Zeitraum in Kontakt gebracht wird, der ausreichend ist, um Verunreinigungen zu entfernen, die mit der Nährbrühe verbunden sind, und um 1,3-Propandiol anzureichern.
Wo angereichertes 1,3-Propandiol-Produkt gewünscht wird, schließt die Erfindung auch ein Verfahren zum Desorbieren von sorbiertem 1,3-Propandiol ein, um ein Produkt bereitzustellen, das damit angereichert ist. Das Verfahren, das auf Adsorption/Desorption basiert, ist besonders für hohe Produktgewinnung geeignet, wo das Produkt in Ethanol anstatt Wasser gewonnen wird und deshalb weniger kostspielig zu destillieren ist.
In dem Reinigungsprozess können zusätzliche Verunreinigungen in dem Produkt vorhanden sein. Es wird bevorzugt, dass eine Hauptverbindung (z.B. 1,3-Propandiol, Glycerol oder sowohl 1,3-Propandiol als auch Glycerol zusammen) selektiv vollständig entfernt wird, nicht nur aus der Fermentation, sondern auch von anderen Verunreinigungen, Nebenprodukten oder Substraten, wie beispielsweise Glucose, Glycerol usw. Der Fachmann versteht, dass eine solche selektive Entfernung ungewöhnlich ist. In den meisten Fällen hat ein Sorptionsmittel die Fähigkeit, mehr als die Zielverbindung zu entfernen, und so steigen die Kosten der Entfernung der Zielverbindung und ein zweites Reinigungsproblem entsteht, wenn das Sorptionsmittel regeneriert wird. Durch Auswählen des (der) richtigen Molekularsiebs(e) und Verwenden einer programmierten Lösungsmitteldesorption von sorbiertem 1,3-Propandiol kann eine Trennung von 1,3-Propandiol, Glycerol oder von 1,3-Propandiol und Glycerol zusammen von anderen Nährbrühekomponenten erreicht werden.
In der Anmeldung werden, wenn nicht anderweitig speziell festgestellt, die folgenden Abkürzungen und Definitionen angewendet:

„In-situ-Produktentfernung" wird ISPR abgekürzt.
„Volumetrische Produktivität" bezeichnet die Masse von Produkt, die in einem gegebenen Volumen pro Zeit erzeugt wird, mit den Einheiten Gramm/(Liter Stunde), abgekürzt g/(l h).
„Titer" bezeichnet die Produktkonzentration in der flüssigen Phase mit den Einheiten Gramm/Liter, abgekürzt g/l.
„1,3-Propandiol" ist abgekürzt 3G.
„Qmax" und „Km" bezeichnen die Langmuir-Parameter der maximalen Adsorptionsmittelbeladung bzw. der Adsorbatkonzentration bei Qmax/2. Typische Einheiten sind Gramm Adsorbat/Gramm Adsorptionsmittel (g/g) bzw. Gramm/Liter (g/l).

Molekularsiebe sind auf dem Fachgebiet bekannt und sind bei R. Szosak, Molecular Sieves – Principles of Synthesis and Identification (Molekularsiebe – Prinzipien von Synthese und Identifizierung), Van Nostrand Reinhold (1989), auf Seite 2 definiert. Zu zusätzlichen nützlichen allgemeinen Dokumenten bezüglich Struktur und Charakterisierung von Zeolithen gehören die folgenden: Meier et al., Atlas of Zeolite Structure Types (Atlas von Zeolithstrukturtypen) (International Zeolite Assn. 1978); Mumpton „Natural Zeolites" („Natürliche Zeolithe"), in Reviews in Mineralogy 14:1 (1977); Smith, „Origin and Structure of Zeolites" („Ursprung und Struktur von Zeolithen") in Zeolite Chemistry and Catalysis (Chemie und Katalyse von Zeolithen), ACS Monograph 171 (American Chemical Society, 1976); Breck, "Zeolite Molecular Sieves" („Zeolith-Molekularsiebe") (Wiley, 1974); Dyer, "An Introduction to Zeolite Molecular Sieves" („Eine Einführung in Zeolith-Molekularsiebe") (John Wiley & Sons, 1988); Szostak, „Handbook of Molecular Sieves" („Handbuch der Molekularsiebe") (Van Nostrand Reinhold, 1992).
Eine Klasse von Zeolith-Spezies, die in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung angewendet werden, ist ein mittelporiger synthetischer Zeolith, der in der wie synthetisierten Form durch die Formel: (Na,TPA)_n[Al_nSi_96-nO₁₉₂]~16H₂O für ZSM-5 und (Na,TBA)_n[Al_nSi_96-nO₁₉₂]~16H₂O für ZSM-11, wobei TPA und TBA Tetrapropylammonium- bzw. Tetrabutylammoniumkationen sind, beschrieben werden kann. Die Struktur und die Synthese dieser synthetischen Zeolithe sind auf dem relevanten Fachgebiet bekannt. Diese Zeolithe können dann nach auf dem Fachgebiet bekannten Standardverfahren in eine Wasserstoff-Form umgewandelt werden (Donald W. Breck; Zeolite Molecular Sieves (Zeolith-Molekularsiebe); vorstehend). Wenn das ausgleichende Kation in dem Zeolith H⁺ ist, dann ist das Gerüst eine feste Säure, die formselektive katalytische oder adsorptive Eigenschaften offenbaren kann, die auf die Beschränkung des sauren Protons innerhalb der Zeolith-Porenarchitektur zurückzuführen sind. Das H-ZSM-5 hat eine mittlere Porengröße von 5,5 Ångstrom.
In einer Ausführungsform wendet die vorliegende Erfindung H-ZSM-5 für die 1,3-Propandiol-Abtrennung aus einer zellfreien Nährbrühe an. Weiterhin wird Ethanol/Wasser für die Desorption von 1,3-Propandiol von ZSM-5-Zeolith verwendet. Unerwarteterweise wurde das adsorbierte 1,3-Propandiol durch die Ethanol/Wasser-Mischung verdrängt. Darüber hinaus wurde die Ausbeute an 1,3-Propandiol durch Erhöhen der Konzentration von Ethanol erhöht, was anzeigt, dass es wünschenswert ist, die Eluierung von 1,3-Propandiol mit einer ethanolreichen Mischung durchzuführen. Es wurde berechnet, dass die Gesamtgewinnung von 1,3-Propandiol-Produkt so hoch wie 94,7% war. Obgleich die vorliegende Erfindung Ethanol verwendet, um das adsorbierte 1,3-Propandiol zu eluieren, befindet sich jeder C₁-C₄-Alkohol innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung. Die 1,3-Propandiol-Desorption wird bei Raumtemperatur durchgeführt. Es wird jedoch erwartet, daß Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 80°C die beschriebene nützliche Wirkung erzeugen.
In einer alternativen Ausführungsform wird eine zweistufige programmierte Desorption erreicht, indem der Säule eine zunehmende Konzentration von Ethanol zugeführt wird. Die erste geringe Konzentration führte zum Eluieren der nicht erwünschten Verbindungen, während die zweite höhere Konzentration vorwiegend 1,3-Propandiol eluierte. Dieses Verfahren verringerte das Niveau der Verunreinigung von 1,3-Propandiol mit anderen Komponenten.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Fermentationsgefäß (1) mit einer Rezirkulationsschleife für die Nährbrühe eingerichtet, welches eine Querstromfiltrationseinheit (2) und eine mit H-ZSM-5 gefüllte Säule (5) zur in-situ-Entfernung von 1,3-Propandiol aus der Fermentation einschloss. Eine Impfkultur von E. coli, die imstande ist, 1,3-Propandiol aus Glucose zu erzeugen, wurde in den Fermenter (1) gegeben. Die Einrichtung erlaubte die Entfernung von Nährbrühe aus dem Fermenter (1), wobei die Rückführung der Biokatalysatorzellen in den Fermenter gestattet wurde, während die zellfreie Nährbrühe durch die Zeolithsäule (5) geschickt wurde, um 1,3-Propandiol zu entfernen. Die Nährbrühe wurde schließlich in den Fermenter zurückgeführt (3). Die Prozedur wird mit zwei ISPR-Perioden durchgeführt, was die Herstellungsgeschwindigkeit auf die höchste Geschwindigkeit des ganzen Laufs vergrößerte. Dieses Ergebnis demonstriert die positive Wirkung der ISPR. Zur Verwendung mit einer Fermentationsbrühe wird Querstromfiltration verwendet, um die Zellen zu entfernen, bevor die Nährbrühe mit dem Molekularsieb in Kontakt gebracht wird. Andere Fest-Flüssig-Trennverfahren, wie beispielsweise Zentrifugation, Dead-End-Filtration oder Tangentialstrom-Filtration können ebenfalls verwendet werden.
In einer alternativen Ausführungsform wird der Zeolith H-ZSM-5 (Si/Al=140) für chargenweise Entfernung von 1,3-Propandiol aus der zellfreien Fermentation verwendet. Die demonstrierten Zahlen für 1,3-Propandiol-Adsorption (0,132 g/g) übertreffen diejenigen, die in der Technik (z.B. Schollner et al.) erhalten werden, um 33% oder mehr; die theoretischen Beladungen (0,17 g/g Qmax von der Langmuir-Anpassung) übertreffen diejenigen in der Technik um 80% oder mehr. Die wesentlich größere Beladung bedeutet, dass weniger Zeolithmaterial benötigt wird und deshalb weniger Adsorber- und Kapitalausgaben für das gleiche Verfahren erforderlich sein würden. Alternativ kann die gleiche Menge von Zeolith mit weniger erforderlichen Desorptionszyklen und geringerem Lösungsmittelgebrauch verwendet werden, was die Betriebsausgaben weiter verringern würde.
In einer anderen Ausführungsform wird eine Anzahl von Molekularsieben auf ihre Beladungskapazität für 1,3-Propandiol, Glycerol oder 1,3-Propandiol und Glycerol untersucht. Überaschenderweise hatten Molekularsiebe, wie beispielsweise H-ZSM-5-Zeolith (Si/Al=140) und H-ZSM-5-Zeolith (Si/Al=150) die zwei höchsten Gesamtbeladungen, und es wurde gefunden, dass die relative Selektivität für 1,3-Propandiol und Glycerol von der Wahl des Molekularsiebs abhängig ist.
In einer anderen Ausführungsform werden 1,3-Propandiol und Glycerol gleichzeitig aus der Fermentationsbrühe entfernt, wobei als Zeolith H-ZSM-S-Zeolith (Si/Al=500) oder H-ZSM-S-Zeolith (Si/Al=15) verwendet wurden, jeder von diesen beiden hat hohe Gesamtbeladungen und hat eine 1,3-Propandiol:Glycerol-Selektivität von nahezu eins. Die resultierende 1,3-Propandiol/Glycerol-Mischung wird dann unter Verwendung einer Gradienteneluierung wie nachfolgend beschrieben getrennt. Die Mischung kann auch unter Verwendung herkömmlicher Trennungsverfahren wie beispielsweise Destillation weiter gereinigt werden.
In noch einer anderen Ausführungsform wird 1,3-Propandiol aus der Fermentationsbrühe entfernt, indem wie vorstehend beschrieben ein Molekularsieb mit hoher Selektivität für 1,3-Propandiol/Glycerol verwendet wird, und die Fermentationsbrühe wird dann mit einem Molekularsieb mit hoher Beladung für Glycerol (z.B. H-ZSM-S-Zeolith, Si/Al=15) behandelt, um die wertvolle Glycerolkomponente zu entfernen. Kombinationen der vorstehenden Verfahren, um 1,3-Propandiol, Glycerol oder eine Mischung von 1,3-Propandiol und Glycerol entweder nacheinander oder parallel zu gewinnen, liegen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung.
Darüber hinaus wird entdeckt, dass die Verwendung von einem der vorstehend erwähnten Molekularsiebe in einem Trennungsschritt und von Ethanol in einem Eluierungsschritt eine Ausbeute von mehr als 90% erreicht. H-ZSM-5 (eine spezielle Form von MFI) wird für dieses Mittel zur Reinigung ausgewählt; es wird jedoch vom Fachmann anerkannt, dass eine Vielfalt von Zeolithen geeignet ist. Andere Zeolithe für den Zweck der vorliegenden Erfindung können aus einer Gruppe, bestehend aus MFI, MEL, BEA, MOR, FAU, LTL, GME, FER, MAZ, OFF, AFI, AEL und AET und Materialien der gleichen Topologie wie diese speziellen Zeolithe, ausgewählt werden. Zu bevorzugten Strukturen gehören FAU, MFI, MEL und BEA. Diese Molekularsiebe sind auf dem Fachgebiet bekannt und sind von W. M. Meier et al., (Atlas of Zeolite Structure Types (Atlas der Zeolithstrukturtypen), 4. Auflage, vorstehend) beschrieben. Zu Beispielen dieser Molekularsiebe könnten, ohne aber darauf begrenzt zu sein, diejenigen mit hohen Si/Al-Verhältnissen (z.B. ≥5), die die Azidität, Hydrophobizität, Porengröße und andere Eigenschaften eines speziellen Zeolithgerüstes anzeigen, gehören. Selektivitäten können durch physikalische Behandlungen wie beispielsweise Trocknen und/oder chemische Behandlungen wie beispielsweise Modifizieren des Molekularsiebs mit einer Beschichtung weiter verbessert werden. Speziell kann eine Beschichtung eines Molekularsiebs, welches Zeolithe einschließt, in der folgenden Weise bewerkstelligt werden: (1) eine Probe des Molekularsiebs wird der umgebenden Atmosphäre ausgesetzt und wird für 2 Stunden in Tetraethylorthosilicat (TEOS) eingetaucht; (2) die Probe wird filtriert und bei Raumtemperatur über Nacht getrocknet; (3) die Probe wird dann für 3 Stunden in strömendem Stickstoff auf 550°C erhitzt. Die vorstehende Behandlung kann mit einer oder mehreren Verbindungen durchgeführt werden, die mindestens ein Element, ausgewählt aus Silicium, Aluminium, Bor und Phosphor, enthalten, um mindestens 0,05 Gew.-% des Elements im wesentlichen auf den äußeren Oberflächen des Molekularsiebs abzuscheiden. Die Beschichtung kann auch auf nicht aufgeführten Molekularsieben durchgeführt werden, die ein Sorptionsmittel für den Zweck der Erfindung ergeben können. Molekularsiebformen können, ohne aber darauf begrenzt zu sein, Pulver, Extrudat, Granulate, einen Teil oder die Gesamtheit einer Membran oder dergleichen einschließen.
Es wird ferner entdeckt, dass zur Verwendung in der Erfindung gegen langzeitige Wassereinwirkung Siliciumdioxid-Bindemittel stabiler sind.
Die Trennung von 1,3-Propandiol, Glycerol oder einer Mischung von 1,3-Propandiol und Glycerol unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Molekularsiebe macht von einer relativ einfacher Ausstattung Gebrauch und stellt im Vergleich zu den bekannten Trennverfahren leichte Wartung bereit. Wie nachstehend ersichtlich ist, haben Zeolithe mit einer Porengröße, die viel kleiner als die der vorstehend beschriebenen ist, sehr unterschiedliche Adsorptionseigenschaften und sind nicht imstande, selektiv 1,3-Propandiol zu adsorbieren.
Zusammenfassend trennt diese Erfindung unter Verwendung spezieller Molekularsiebe selektiv 1,3-Propandiol, Glycerol oder eine Mischung von 1,3-Propandiol und Glycerol selektiv aus einer Mischung von Verunreinigungen, Nebenprodukten und Beiproduktverbindungen ab. Weiterhin konzentriert sie diese während der Trennung unter Verwendung spezieller Desorptionsmittel. Darüber hinaus minimiert sie die Kosten der anschließenden Destillation oder Reinigung.
Die vorliegende Erfindung wird weiter in den folgenden Beispielen definiert.
BEISPIELE
ALLGEMEINE VERFAHREN:
Materialien und Verfahren, die für die Pflege und das Wachstum von Bakterienkulturen geeignet sind, sind auf dem Fachgebiet bekannt. Techniken, die zur Verwendung in den folgenden Beispielen geeignet sind, können gefunden werden, wie sie in Manual of Methods for General Bacteriology (Handbuch der Verfahren für allgemeine Bakteriologie); Philipp Gerhardt, R. G. E. Murray, Ralph N. Costilow, Eugen W. Nester, Willis A. Wood, Noel R. Krieg und G. Briggs Phillips, Hrsg., American Society for Microbiology; Washington, DC (1994) oder in Biotechnology: A Textbook of Industrial Microtechnology (Biotechnologie: Ein Leitfaden der industriellen Mikrobiologie); Brock, T. D., 2. Aufl.; Sinauer Associates: Sunderland, Massachusetts (1989) dargelegt sind. Alle Reagenzien, Restriktionsenzyme und Materialien, die für das Wachstum und die Pflege von Bakteriezellen verwendet wurden, wurden von Aldrich Chemicals (Milwaukee, WI), DIFCO Laboratories (Detroit, MI), GIBCO/BRL (Gaithersburg, MD) oder Sigma Chemical Company (St. Louis, MO) erhalten, sofern nicht anderweitig spezifiziert.
Die Bedeutung der Abkürzungen ist wie folgt: „s" bedeutet Sekunde(n), „min" bedeutet Minute(n), „h" bedeutet Stunde(n), „d" bedeutet Tag(e), „μl" bedeutet Mikroliter, „ml" bedeutet Milliliter, „1" bedeutet Liter, „mM" bedeutet millimolar, „M" bedeutet molar, „mmol" bedeutet Millimol, „g" bedeutet Gramm, „μg" bedeutet Mikrogramm und „ng" bedeutet Nanogramm, „v:v" bedeutet Volumen pro Volumen.
IDENTIFIZIERUNG UND KONZENTRATIONSMESSUNG VON 3G UND GLYCEROL
1,3-Propandiol und Glycerol können direkt identifiziert werden, indem das Medium der Hochdruckflüssigchromatographie-(HPLC)-Analyse unterworfen wird. In der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bevorzugt, bei dem das Fermentationsmedium auf einer analytischen Ionenaustauschersäule unter Verwendung einer mobilen Phase von 0,01 N Schwefelsäure in einer isokratischen Weise analysiert wird. In allen Beispielen wurde die Konzentration von 3G durch HPLC oder GC gemessen.
Ein Waters-717-Autosampler, Waters-Temperaturregelmodul (T=50°C), Waters-410-Differentialrefraktometer und Waters-486-Absorptionsdetektor (1=210 nm) wurden mit einer Shodex-HPLC-Säule (SH1011-Zucker-Säule, 300 mm × 8 mm) für quantitative 1,3-Propandiol-Bestimmung ausgestattet. Die mobile Phase war 0,005 M H₂SO₄ mit einer isokratischen Strömung von 0,5 ml/min. Pivalinsäure wurde als innerer Standard verwendet. Unter diesen Bedingungen eluieren 1,3-Propandiol und Glycerol bei 26,7 min bzw. 21,2 min.
Die Herstellung von 1,3-Propandiol wurde durch GC/MS bestätigt. Die Analysen wurden unter Verwendung von Standardtechniken und Materialien durchgeführt, die dem Fachmann auf dem Gebiet von GC/MS zugänglich sind. Ein geeignetes Verfahren, das einen Hewlett Packard (HP) 6890 GC verwendete, der mit einer HP-Innowax-Polyethylen-Glycol-Säule (HP19091N-133,30 m × 250 mm × 0,25 mm) ausgestattet war, wurde für die quantitative 1,3-Propandiol-Bestimmung verwendet. Der Nachweis wurde mit einem Flammenionisationsdetektor durchgeführt. Das Ofenprofil war 100°C bei t=0, rampenartig erhöht auf 250°C in t=3 min, gehalten bei 250°C für t=5 min. Der Heliumstrom betrug 2 ml/min. Das Probeninjektionsvolumen war 1 ml. Unter diesen Bedingungen eluieren 1,3-Propandiol und Glycerol bei 2,5 min bzw. 3,65 min.
MEDIEN UND KOHLENSTOFFSUBSTRATE:
Der Stamm E. coli FM5 pAH48/pDT29 wurde in allen nachstehend beschriebenen Fermentationen verwendet.
Die Fermentationsmedien in der vorliegenden Erfindung müssen geeignete Kohlenstoffsubstrate enthalten. Geeignete Substrate können, ohne aber darauf begrenzt zu sein, Monosaccharide (wie beispielsweise Glucose und Fructose), Oligosaccharide (wie beispielsweise Lactose oder Sucrose), Polysaccharide (wie beispielsweise Stärke oder Cellulose oder Mischungen davon) und ungereinigte Mischungen von erneuerbaren Einsatzmaterialien (wie beispielsweise Käsemolkepermeat, Maisquellwasser, Zuckerrübenmelassen und Gerstenmalz) einschließen. Außerdem kann das Kohlenstoffsubstrat auch aus Einkohlenstoffsubstraten, wie beispielsweise Kohlendioxid oder Methanol, bestehen, für welche metabolische Umwandlung in schlüsselartige biochemische Zwischenverbindungen demonstriert worden ist. Über Glycerolherstellung aus Einkohlenstoffquellen (z.B. Methanol, Formaldehyd oder Formiat) in methylotrophen Hefen (Yamada et al. Agric. Biol. Chem. 53(2), 541–543 (1989)) und in Bakterien (Hunter et al., Biochemistry 24, 4148–4155 (1985)) ist berichtet worden. Diese Organismen können Einkohlenstoffverbindungen, die im Oxidationszustand von Methan bis Formiat reichen, assimilieren und Glycerol erzeugen. Der Weg der Kohlenstoffassimilation kann über Ribulosemonophosphat, über Serin oder über Xylulosemonophosphat gehen (Gottschalk, Bacterial Metabolism (Bakterieller Metabolismus), Zweite Auflage, Springer-Verlag: New York (1986)). Der Ribulosemonophosphat-Weg beinhaltet die Kondensation von Formiat mit Ribulose-5-phosphat, um einen 6-Kohlenstoff-Zucker zu erzeugen, der zu Fructose und schließlich zu dem Dreikohlenstoffprodukt Glyceraldehyd-3-phosphat wird. Ähnlich assimiliert der Serinweg die Einkohlenstoffverbindung in den glycolytischen Weg über Methylentetrahydrofolat.
Methylotrophe Organismen sind dafür bekannt, dass sie für metabolische Aktivität zusätzlich zu Ein- und Zweikohlenstoffsubstraten eine Anzahl anderer kohlenstoffhaltiger Verbindungen, wie beispielsweise Methylamin, Glucosamin und eine Vielzahl von Aminosäuren, nutzen. Zum Beispiel sind methylotrophe Hefen dafür bekannt, dass sie den Kohlenstoff von Methylamin benutzen, um Trehalose oder Glycerol zu erzeugen (Bellion et al., Microb. Growth CI Compd. [Int. Symp.], 7., 415-32 (1993). Herausgeber: Murell, J. Collin; Kelly, Don P. Verleger: Intercept, Andover, UK). Ähnlich metabolisieren verschiedene Spezies von Candida Alanin oder Oleinsäure (Sulter et al., Arch. Microbiol. 153(5), 485-9 (1990)). Deshalb wird erwartet, dass die Quelle von Kohlenstoff, die in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, eine breite Vielfalt von kohlenstoffhaltigen Substraten umfassen kann und nur durch die Auswahl des Organismus begrenzt wird.
Obgleich erwartet wird, dass alle die vorstehend erwähnten Kohlenstoffsubstrate und Mischungen davon in der vorliegenden Erfindung geeignet sind, sind Glucose, Fructose, Sucrose oder Methanol bevorzugte Kohlenstoffsubstrate.
Zusätzlich zu einer passenden Kohlenstoffquelle müssen Fermentationsmedien geeignete Mineralien, Salze, Cofaktoren, Puffer und andere Komponenten, die dem Fachmann bekannt sind, enthalten, die für das Wachstum der Kulturen und die Förderung des enzymatischen Wegs, notwendig für die 1,3-Propandiolherstellung, geeignet sind. Besondere Aufmerksamkeit gilt Co(II)-salzen und/oder Vitamin B₁₂ oder Vorprodukten davon.
KULTURBEDINGUNGEN:
Typischerweise werden Zellen bei 30°C in passenden Medien gezüchtet. Bevorzugte Wachstumsmedien in der vorliegenden Erfindung sind gewöhnliche kommerziell hergestellte Medien, wie beispielsweise Luria-Bertani-(LB)-Nährbrühe, Sabouraud-Dextrose(SD)-Nährbrühe oder Hefemedium(YM)-Nährbrühe. Andere definierte oder synthetische Wachstumsmedien können ebenfalls verwendet werden und das passende Medium zum Wachstum des speziellen Mikroorganismus wird dem Fachmann auf dem Gebiet der Mikrobiologie oder Fermentationswissenschaft bekannt sein. Die Verwendung von Mitteln, die für direkte oder indirekte Modulierung der Katabolitrepression bekannt sind (z.B. cyclisches Adenosin-2':3'-monophosphat), kann ebenfalls in die Reaktionsmedien eingebracht werden. Ähnlich kann die Verwendung von Mitteln, die für Modulierung enzymatischer Aktivitäten, die zur Erhöhung der 1,3-Propandiolherstellung führen, bekannt sind (z.B. Methylviologen), in Verbindung mit oder als Alternative zu genetischen Manipulationen verwendet werden.
Geeignete pH-Bereiche für die Fermentation liegen zwischen pH 5,0 bis pH 9,0, wobei pH 6,0 bis pH 8,0 als Anfangsbedingung bevorzugt wird.
Reaktionen können unter aeroben oder anaeroben Bedingungen durchgeführt werden, wobei anaerobe oder mikroaerobe Bedingungen bevorzugt werden.
CHARGENWEISE UND KONTINUIERLICHE FERMENTATIONEN:
Das vorliegende Verfahren wendet eine Chargenmethode der Fermentation an. Klassische chargenweise Fermentation ist ein geschlossenes System, bei dem die Zusammensetzung der Medien zu Beginn der Fermentation festgelegt wird und während der Fermentation keinen künstlichen Veränderungen unterworfen wird. So wird am Beginn der Fermentation das Medium mit dem gewünschten Organismus oder den Organismen angeimpft und die Fermentation darf ohne weiteren Zusatz zu dem System geschehen. Typischerweise ist jedoch die „Chargen"-Fermentation chargenweise im Hinblick auf die Zugabe der Kohlenstoffquelle, und es werden oft Versuche mit Steuerungsfaktoren wie beispielsweise pH und Sauerstoffkonzentration gemacht. In Chargensystemen verändert sich die Metabolit- und Biomassenzusammensetzung des Systems ständig bis zu der Zeit, wenn die Fermentation gestoppt wird. Innerhalb von Chargenkulturen moderieren Zellen durch eine statische Verzögerungsphase zu einer logarithmischen Phase hohen Wachstums und schließlich zu einer stationären Phase, wo die Wachstumsgeschwindigkeit vermindert oder angehalten wird. Wenn unbehandelt, werden die Zellen schließlich in der stationären Phase sterben. Zellen in der logarithmischen Phase sind im allgemeinen für die Masse der Produktion von Endprodukt oder Zwischenverbindung verantwortlich.
Eine Variation des Standardchargensystems ist das Fed-Batch-System. Fed-Batch-Fermentationsverfahren sind in der vorliegenden Erfindung ebenfalls geeignet und umfassen ein typisches Chargensystem mit der Ausnahme, dass das Substrat in Inkrementen hinzugegeben wird, wenn die Fermentation fortschreitet. Fed-Batch-Systeme sind verwendbar, wenn die Katabolitrepression dazu neigt, den Metabolismus der Zellen zu behindern, und wo es wünschenswert ist, begrenzte Mengen von Substrat in den Medien zu haben. Die Messung der tatsächlichen Substratkonzentration in Fed-Batch-Systemen ist schwierig und wird deshalb auf der Basis der Veränderungen messbarer Faktoren, wie beispielsweise pH, gelöster Sauerstoff und der Partialdruck von Abfallgasen wie beispielsweise CO₂, abgeschätzt. Chargen- und Fed-Batch-Fermentation sind üblich und auf dem Fachgebiet bekannt und Beispiele können bei Brock, vorstehend, gefunden werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung im Chargenmodus durchgeführt wird, wird erwartet, dass das Verfahren an kontinuierliche Fermentationsverfahren anpassbar sein würde. Kontinuierliche Fermentation ist ein offenes System, wo ein definiertes Fermentationsmedium kontinuierlich in einen Bioreaktor gegeben wird und eine gleiche Menge von konditioniertem Medium gleichzeitig zur Verarbeitung entnommen wird. Kontinuierliche Fermentation erhält im allgemeinen die Kulturen bei einer konstanten hohen Dichte, wo die Zellen hauptsächlich in der logarithmischen Wachstumsphase sind.
Kontinuierliche Fermentation erlaubt die Modulierung eines Faktors oder einer Anzahl von Faktoren, die das Zellwachstum oder die Konzentration des Endprodukts beeinflussen. Zum Beispiel wird ein Verfahren einen begrenzenden Nährstoff, wie beispielsweise die Kohlenstoffquelle oder das Stickstoffniveau, bei einer festgesetzten Geschwindigkeit aufrecht erhalten und allen anderen Parametern erlauben, zu moderieren. In anderen Systemen kann eine Anzahl von Faktoren, die das Wachstum beeinflussen, kontinuierlich verändert werden, während die Zellkonzentration, gemessen durch die Trübung des Mediums, konstant gehalten wird. Kontinuierliche Systeme streben danach, einen stationären Zustand für die Wachstumsbedingungen aufrecht zu erhalten und so muß der Zellverlust auf Grund des Mediums, das abgezogen wird, gegen die Zellwachstumsgeschwindigkeit in der Fermentation ausgeglichen werden. Verfahren zur Modulierung von Nährstoffen und Wachstumsfaktoren für kontinuierliche Fermentationsprozesse ebenso wie Techniken zur Maximierung der Geschwindigkeit der Produkterzeugung sind auf dem Fachgebiet der industriellen Mikrobiologie bekannt, und eine Vielzahl von Verfahren wird von Brock, vorstehend, ausführlich dargestellt.
Es wird erwartet, daß die vorliegende Erfindung unter Verwendung von entweder Chargen-, Fed-Batch- oder kontinuierlichen Verfahren praktisch ausgeführt werden kann und dass eine beliebige bekannte An der Fermentation geeignet sein würde. Außerdem wird erwartet, dass Zellen auf einem Substrat als Ganzzellkatalysatoren immobilisiert und Fermentationsbedingungen für 1,3-Propandiol-Herstellung unterworfen werden können.
ZELLEN:
Zellen, die in der vorliegenden Erfindung geeignet sind, umfassen diejenigen, die ein Dehydratase-Enzym beherbergen. Typischerweise ist das Enzym entweder eine Glycerol-Dehydratase oder eine Diol-Dehydratase mit einer entsprechenden Substratspezifität für entweder Glycerol oder 1,2-Propandiol. Dehydratase-Enzyme sind imstande, Glycerol in Hydroxypropionaldehyd (3-HPA) umzuwandeln, welches dann in 1,3-Propandiol umgewandelt wird. Zellen, die diesen Weg enthalten, können mutierte oder rekombinante Organismen einschließen, die zu den Gattungen Citrobacter, Enterobacter, Clostridium, Klebsiella, Samonella und Lactobacillus gehören. Mikroorganismen, von denen der Fachmann weiß, dass sie durch Fermentation Glycerol erzeugen, z.B. Aspergillus, Saccharomyces, Zygosaccharomyces, Pichia, Kluyveromyces, Candida, Hansenula, Dunaliella, Debaryomyces, Mucor, Torylopsis und Methylobacteria, können die Wirte für ein rekombinantes Dehydratase-Enzym sein. Zu anderen Zellen, die als Wirte in der vorliegenden Erfindung geeignet sind, gehören Bacillus, Escherichia, Pseudomonas und Streptomyces. Es wird angenommen, daß zu den vorstehend erwähnten Gruppen gehörende Organismen in der Natur vorkommen, die für die vorliegende Erfindung geeignet sind.
Zeolithe, die als Molekularsiebe verwendet werden, können von verschiedenen Herstellern, einschließlich Zeolyst (früher PQ) (Valley Forge, PA), Süd-Chemie (Deutschland), UOP (Des Plaines, IL), Uetikon (Schweiz), erhalten werden.
BEISPIEL 1
SELEKTIVE KONZENTRIERUNG VON 1,3-PROPANDIOL ÜBER SÄULENADSORPTION/DESORPTION
23 g Extrudat (1/8 Zoll Durchmesser) von H-ZSM-5 (~75% H⁺, 25% Na⁺ Kationenausgleich; Si:Al=25; 70% Zeolith, 30% Aluminiumoxid-Bindemittel) wurden in eine Amicon-Säule (Millipore Corporation, Bedford, MA) (40 ml Säulenvolumen, ~1" i.D.) gepackt und zellfreie Nährbrühe (47 g/l 1,3-Propandiol) wurde mit 0,8 ml/min durch die Säule gepumpt. Dieser Strom wurde fortgesetzt, bis der 1,3-Propandiol-Durchbruch der Säule beobachtet wurde (d.h., wenn die Austrittskonzentration von 1,3-Propandiol gleich der Eintrittskonzentration war (t=90 min)). Bei t=120 min wurden 50:50 (v:v) Ethanol:H₂O mit 0,8 ml/min durch die Säule gepumpt, um das adsorbierte 1,3-Propandiol-Produkt zu eluieren (1).
Die Masse des adsorbierten 1,3-Propandiols betrug 2,10 g und die Masse des desorbierten 1,3-Propandiols betrug 1,99 g; die berechnete Produktgewinnung betrug 94,7%.
BEISPIEL 2
PROGRAMMIERTE LÖSUNGSMITTELDESORPTION VON ADSORBIERTEM 1,3-PROPANDIOL
Eine Säule (1 l Volumen; 1,875" i.D.), gepackt mit H-ZSM-S-Zeolith (siehe Beispiel 1), wurde vorher mit einer zellfreien Nährbrühemischung von 1,3-Propandiol, Glycerol, Glucose und anderen Komponenten (Zufuhrkonzentration: 8,0 g/l 1,3-Propandiol, 29,7 g/l Glycerol) in Kontakt gebracht. Eine zweistufige programmierte Desorption wurde erreicht, indem der Säule (10 ml/min) 5% EtOH/95% H₂O, gefolgt von 50% EtOH/50% H₂O zugeführt wurden. Die 5% EtOH/95% H₂O eluierten das nicht gewünschte Glycerol, während die 50% EtOH/50% H₂O vorwiegend 1,3-Propandiol eluierten. Der Schritt mit 5% EtOH/95% H₂O (t<23 Minuten) ergab eine Fraktion, bestehend aus 5,8 g Glycerol und 1,8 g 1,3-Propandiol (Massenverhältnis Glycerol:1,3-Propandiol = 3,17). Der Schritt mit 50% EtOH/50% H₂O (t>23 min) ergab eine Fraktion, bestehend aus 9,29 g Glycerol und 13,5 g 1,3-Propandiol (Massenverhältnis 1,3-Propandiol:Glycerol = 1,46). Der Schritt mit 50% EtOH/50% H₂O hat deshalb das Verhältnis 1,3-Propandiol:Glycerol relativ zu der Zuführung (Massenverhältnis 1,3-Propandiol:Glycerol = 0,27) signifikant vergrößert. Weiterhin erforderte dieser Eluent aus 50% EtOH:50% H₂O mit 1,3-Propandiol aufgrund der geringeren latenten Wärme von Ethanol relativ zu Wasser weniger Wärmezufuhr. Die programmierte Eluierung, hier in zwei Schritten durchgeführt, führte deshalb zu einer Glycerol-reichen Fraktion und einer 1,3-Propandiol-reichen Fraktion, die anderenfalls zusammen eluiert worden sein könnten (2).
BEISPIEL 3
IN-SITU-ENTFERNUNG VON 1,3-PROPANDIOL AUS FERMENTATIONSBRÜHE
Ein 2-1-Fermentationsgefäß (1) (1,5 l aktives Volumen) wurde mit einer Rezirkulationsschleife für die Nährbrühe eingerichtet, die eine Querstromfiltrationseinheit (2) und eine Säule (5) (1 l Volumen; 1,875" i.D.) einschloss, die mit H-ZSM-5-Zeolith-Extrudat (identisch in der Zusammensetzung mit dem, das in Beispiel 1 verwendet wurde) gefüllt war, wie in 3 veranschaulicht ist. Eine Impfkultur von E. coli (FM5 pAH48pDT29), die imstande ist, 1,3-Propandiol aus Glucose zu erzeugen, wurde in den Fermenter gegeben. Unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Einrichtung wurde der Fermenter (1) für 35 h ohne ISPR gefahren. Bei 35 h zeigte die Fermentation eine Verlangsamung der 1,3-Propandiol-Erzeugung (0,8 g/l h) und der Zellmasse, was ein Anzeichen für nahe bevorstehendes Versagen der Fermentation ist. Nach der ersten ISPR-Periode (60 min Dauer; Strom zum Filter 6 ml/min) vergrößerte sich die Geschwindigkeit der 1,3-Propandiol-Erzeugung fast um das dreifache auf 2,1 g/l h. Nach der zweiten ISPR-Periode (112 min Dauer; Strom zum Filter 6 ml/min) vergrößerte sich die Produktionsgeschwindigkeit weiter auf mehr als 5 g/l h. Die Gesamtkonzentration des erzeugten 1,3-Propandiols, einschließlich der adsorbierten Menge, übertraf 60 g/l. Diese Zahl stellt eine 100 %ige Zunahme gegenüber dem Basisfall (30 g/l bei 36 h) dar. Die gesamte volumetrische Produktivität (g/l h) nahm im Vergleich zu dem Basisfall um 40% zu. Die weitere Erzeugung von 1,3-Propandiol nach 37 h erfolgte mit geringem Zellwachstum, wie durch die finale OD gemessen wurde (4).
BEISPIEL 4
CHARGENWEISE ENTFERNUNG VON 1,3-PROPANDIOL AUS ZELLFREIER FERMENTATIONSBRÜHE
H-ZSM-5 (Si/Al=140; Gew.-% Na₂O=0,02; Kristallite von 0,5 μm) wurde auf Adsorption von 1,3-Propandiol aus zellfreier Fermentationsbrühe getestet. Der Zeolith wurde chargenweise für 24 h unter Rühren (200 U/min) bei Raumtemperatur (nominell 22°C) in Kontakt gebracht. Flüssigkeitsproben wurden dann zur quantitativen Bestimmung von 1,3-Propandiol und Glycerol gezogen.
Es wurden demonstrierte Beladungen von mehr als 0,13 g 1,3-Propandiol/g Zeolith erreicht. Mit einer Langmuir-Anpassung an die Werte wurde berechnet, daß maximale theoretische Beladungen 0,178 g/g (r²=0,996) mit Km von 20,4 g/l 3G betrugen.
BEISPIEL 5
CHARGENWEISE ADSORPTION VON 1,3-PROPANDIOL UND GLYCEROL AUS FERMENTATIONSBRÜHE
Gleichgewichtsadsorptionsbeladungen wurden in der Charge bestimmt, indem zellfreie Fermentationsbrühe mit einem Molekularsieb oder Zeolith in Kontakt gebracht wurde. Das Adsorptionsmittel wurde chargenweise für 24 h unter Rühren (200 U/min) bei Raumtemperatur (nominell 22°C) in Kontakt gebracht. Flüssigkeitsproben wurden dann zur quantitativen Bestimmung von 1,3-Propandiol und Glycerol gezogen.
Wie in 5 gezeigt ist, ergab H-ZSM-5 (Si/Al=140) (weiter in Beispiel 4 definiert) nicht nur die beste Leistung der untersuchten Zeolithe hinsichtlich Gesamtbeladung von 1,3-Propandiol und Glycerol (0,0179 g/g Gesamtbeladung), sondern auch hinsichtlich der Selektivität für 1,3-Propandiol (2,82:1 1,3-Propandiol: Glycerol).
Wie in 6 gezeigt ist, wurden CMS-Molekularsieb (im Handel erhältliches Molekularsieb) und H-Beta-Zeolith ebenfalls untersucht. CMS, ein kleinporiges Kohlenstoffmolekularsieb, ergab keine nachweisbare Beladung; H-Beta, ein großporiger Zeolith, ergab moderate Beladung (0,083 g/g Gesamtbeladung) und gute Selektivität (3,88:1 1,3-Propandiol:Glycerol).
BEISPIEL 6
LÄNGERFRISTIGER ZEOLITH-BETRIEB IN WÄSSERIGER UMGEBUNG
Der Zeolith wurde mit einem Bindemittel für mechanische Festigkeit im Festbettbetrieb verwendet. Die Masse des Zeolith-Bindemittels wurde über 24 h in der Charge unter Rühren (200 U/min) vor der Vakuumfiltration mit einem Celluloseacetatfilter gemessen. Die finale Zeolithmasse wurde durch das Trockengewicht des auf dem Filter verbliebenen Zeoliths gemessen. Die Ergebnisse zeigen an, dass das Aluminiumoxid-Bindemittel viel leichter (1300%) solubilisiert wird, als das bei Siliciumdioxid der Fall ist, und zeigen, dass ein Siliciumdioxid-Bindemittel für langfristigen Betrieb in wässerigen Umgebungen vorzuziehen ist.
Die Zeolithbeschreibungen sind wie folgt: H-ZSM-5 (I) (Si/Al=14,8 nach Zugabe von Al-Bindemittel; % Na=0,08%), H-ZSM-5 (II) (Siliciumdioxid-Bindemittel); NaZSM-5 (III) (Si/Al=15), erzeugt durch dreimaliges Inkontaktbringen mit 2 1 einer wässerigen 10 %igen NaNO₃-Lösung bei 90°C für jeweils 1 Stunde. Das resultierende Material wurde in Luft calciniert, indem die Temperatur mit 60°C pro h auf 500°C erhöht wurde, für 10 min bei 500°C gehalten wurde, dann die Temperatur wiederum mit einer Geschwindigkeit von 60°C pro h auf 550°C erhöht wurde, für 5 h auf 550°C gehalten wurde, auf 110°C abgekühlt wurde und das resultierende Material in ein trockenes Gläschen eingefüllt und verschlossen wurde.

Claims

Verfahren zur Abtrennung von Material aus einer Mischung, umfassend die Schritte: (a) Inkontaktbringen einer biologischen Mischung, enthaltend 1,3-Propandiol, Glycerol oder eine Mischung von 1,3-Propandiol und Glycerol, mit einer ausreichenden Menge von mindestens einem Zeolith, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus MFI, MEL, BEA, MOR, FAU, LTL, GME, FER, MAZ, OFF, AFI, AEL und AET und Materialien mit der gleichen Topologie wie diese Zeolithe; (b) Inkontaktbringen der Zeolithe von Schritt (a) mit einem Desorptionsmittel, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer Ethanol:Wasser-Lösung oder einer C₁-C₄-Alkohol:Wasser-Lösung; und (c) Sammeln des 1,3-Propandiols, Glycerols oder der Mischung von 1,3-Propandiol und Glycerol, eluiert aus dem Molekularsieb in Schritt (b).
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin umfassend den Schritt (d), wobei die Schritte (a) bis (c) mindestens ein Mal wiederholt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, weiterhin umfassend in Schritt (a) Auswählen eines ersten Zeoliths, um selektiv eine Mischung von 1,3-Propandiol und Glycerol aus der biologischen Mischung zu adsorbieren, dann Durchführen von Schritt (d) durch Inkontaktbringen der Mischung von 1,3-Propandiol und Glycerol mit einem zweiten Zeolith, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus MFI, MEL, BEA, MOR, FAU, LTL, GME, FER, MAZ, OFF, AFI, AEL und AET und Materialien mit der gleichen Topologie wie diese Zeolithe, um selektiv 1,3-Propandiol oder Glycerol aus der Mischung von 1,3-Propandiol und Glycerol zu adsorbieren.
Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, wobei der erste und der zweite Zeolith MFI (H-ZSM-5) sind.
Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2, 3 oder 4, wobei der erste und der zweite Zeolith weiterhin ein Bindemittel, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Aluminiumoxid und Siliciumdioxid, umfassen.