ES2936260T3

ES2936260T3 - Mejoras en o relacionadas con compuestos orgánicos

Info

Publication number: ES2936260T3
Application number: ES19737726T
Authority: ES
Inventors: Jonathon Cannell
Original assignee: Givaudan SA
Current assignee: Givaudan SA
Priority date: 2018-07-10
Filing date: 2019-07-08
Publication date: 2023-03-15
Anticipated expiration: 2039-07-08
Also published as: EP3820585B1; US20210252421A1; EP3820585A1; PT3820585T; WO2020011725A1

Abstract

Un método para purificar etanolamina a partir de una composición de fermentación y sus productos. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Mejoras en o relacionadas con compuestos orgánicos

Campo técnico

La presente invención se refiere en general a un método para purificar etanolamina a partir de una composición de fermentación.

Antecedentes

La etanolamina (HO-CH2-CH2-NH2) se utiliza para una amplia variedad de aplicaciones, incluso como precursor de materia prima para productos aromatizantes. La etanolamina también se puede utilizar para la recuperación y retirada de gases ácidos del gas natural, combustible y de proceso, para la producción de monoalcanolamidas para detergentes no iónicos, emulsionantes y jabones, y para la síntesis de aceletanolamina, feniletanolamina y 2-mercaptotiazol en la fabricación de diversos productos.

La etanolamina se produce actualmente a escala industrial haciendo reaccionar óxido de etileno con un exceso de amoníaco. Sin embargo, este no es un proceso natural y, por lo tanto, no puede utilizarse para producir componentes aromatizantes naturales. El documento WO 2007/144346 divulga un proceso natural para fabricar etanolamina que implica la fermentación de una bacteria productora de etanolamina. Sin embargo, este documento no divulga cómo se puede purificar a continuación la etanolamina a partir de la composición fermentada. La etanolamina tiene un punto de ebullición más alto que el agua y actúa como una sal no volátil en una composición fermentada de modo que otros disolventes (incluidos los disolventes con puntos de ebullición más altos que la etanolamina) se destilarán preferentemente a la etanolamina. Por tanto, es deseable proporcionar métodos nuevos y/o mejorados para purificar etanolamina a partir de una composición fermentada.

Compendio de la invención

Según un primer aspecto de la presente invención, se proporciona un método para purificar etanolamina a partir de una composición de fermentación, comprendiendo el método añadir una base a la composición de fermentación y retirar la etanolamina de la composición de fermentación por destilación. Según la presente invención, se proporciona alternativamente un método para purificar etanolamina a partir de una composición de fermentación, comprendiendo el método ajustar el pH de la composición de fermentación de pH aproximadamente 8 o menos a igual o superior a aproximadamente 9, y retirar la etanolamina de la composición de fermentación por destilación.

Según un segundo aspecto de la presente invención, se proporciona un método para sintetizar etanolamina, comprendiendo el método fermentar una fuente de carbono en presencia de un microorganismo productor de etanolamina para producir una composición de fermentación que comprende etanolamina, añadir una base a la composición de fermentación y/o ajustar el pH de la composición de fermentación hasta un pH igual o superior a aproximadamente 9, y retirar la etanolamina de la composición de fermentación por destilación.

Según un tercer aspecto de la presente invención, se proporciona etanolamina purificada obtenida u obtenible mediante un método del primer o segundo aspecto de la presente invención.

Según un cuarto aspecto de la presente invención, se proporcionan los diversos usos de la etanolamina obtenida u obtenible mediante un método del primer o segundo aspecto de la presente invención. Por ejemplo, se proporciona el uso de etanolamina obtenida u obtenible mediante un método del primer o segundo aspecto de la presente invención para la síntesis de compuestos o componentes aromatizantes.

Se añade una base a la composición de fermentación para desprotonar al menos algunas moléculas de etanolamina en la composición de fermentación. La cantidad de base añadida a la composición de fermentación es una cantidad adecuada para desprotonar al menos algunas moléculas de etanolamina en la composición de fermentación y adecuada para permitir que al menos algo de etanolamina en la composición de fermentación se retire por destilación. La cantidad de base añadida a la composición de fermentación es una cantidad adecuada para aumentar la cantidad de etanolamina que puede retirarse por destilación en comparación con la cantidad de etanolamina que puede retirarse por destilación sin añadir la base a la composición de fermentación. La cantidad de base añadida a la composición de fermentación es una cantidad adecuada para ajustar el pH de la composición de fermentación hasta pH igual o superior a aproximadamente 9.

El documento US 2015/284315 describe un método de purificación de 1,4-diaminobutano (putrescina) preparado mediante un proceso de fermentación elevando el pH del concentrado de fermentación hasta al menos 12. Sin embargo, no se conoce tal proceso para la recuperación de etanolamina.

En ciertas realizaciones de cualquier aspecto de la presente invención, el pH de la composición de fermentación se ajusta a aproximadamente pH 10 o mayor, por ejemplo, aproximadamente pH 11 o mayor.

En ciertas realizaciones de cualquier aspecto de la presente invención, se añade a la composición de fermentación un disolvente que tiene un punto de ebullición más alto que la etanolamina antes de retirar la etanolamina por destilación.

En ciertas realizaciones, el agua de la composición de fermentación se intercambia con el disolvente que tiene un punto de ebullición superior al de la etanolamina. Esto puede comprender, por ejemplo, añadir el disolvente a la composición de fermentación y retirar el agua por destilación. La adición del disolvente o el intercambio de disolvente puede tener lugar, por ejemplo, durante o después del ajuste del pH de la composición de fermentación hasta pH igual o superior a aproximadamente 9.

En ciertas realizaciones de cualquier aspecto de la presente invención, la etanolamina obtenida u obtenible mediante un método del primer o segundo aspecto de la presente invención tiene una pureza igual o superior a aproximadamente el 60%.

En ciertas realizaciones de cualquier aspecto de la presente invención, el método del primer o segundo aspecto de la presente invención tiene un rendimiento de etanolamina purificada igual o superior a aproximadamente el 60% con respecto a la cantidad total de etanolamina en la composición de fermentación antes de la destilación.

Ciertas realizaciones de cualquier aspecto de la presente invención pueden proporcionar una o más de las siguientes ventajas:

• producción de etanolamina a partir de una fuente natural;

• pureza y/o rendimiento altos o aumentados del producto de etanolamina;

• precipitación de impurezas (por ejemplo, impurezas aniónicas) en la composición de fermentación;

• reducción de la viscosidad de un concentrado de composición de fermentación que permite utilizar una temperatura y/o presión bajas o reducidas para la destilación;

• reducción de la degradación y/o reacción de la etanolamina que da como resultado un mayor rendimiento;

• concentración reducida de sales e impurezas en la composición de la fermentación, lo que da como resultado una corrosión reducida de los recipientes metálicos en los procesos posteriores.

Los detalles, ejemplos y preferencias proporcionados en relación con cualesquiera uno o más aspectos particulares establecidos de la presente invención se describirán con más detalle en el presente documento y se aplican por igual a todos los aspectos de la presente invención.

Descripción detallada

La presente invención se basa, al menos en parte, en el hallazgo sorprendente de que la desprotonación de la etanolamina aumenta su volatilidad y, por lo tanto, permite separarla de las mezclas por destilación. Se ha encontrado que cuando la etanolamina está en su forma protonada, se comporta como una sal no volátil en la composición de fermentación y no puede destilarse. Se ha descubierto además que otros disolventes (incluso disolventes que tienen un punto de ebullición más alto que la etanolamina) se destilarán preferentemente a la etanolamina cuando se encuentre en su forma protonada. Esto ha dado como resultado el método de la presente invención, en el que la etanolamina se separa de una composición de fermentación añadiendo una base y a continuación retirando la etanolamina de la composición de fermentación por destilación. La presente invención puede basarse además en el hallazgo sorprendente de que la adición de una base a una composición de fermentación proporciona un contraión a impurezas tales como sales aniónicas en la composición de fermentación y, por lo tanto, precipita las impurezas en la composición de fermentación. La precipitación puede reducir la viscosidad del disolvente, lo que permite utilizar presiones y temperaturas más bajas para la destilación. También puede evitar o reducir el "burbujeo" del material bajo el calor y la contaminación del destilado con material de alimentación impuro durante una destilación en alambique de película renovada. Las temperaturas y presiones más bajas pueden entonces reducir la degradación y/o reacción de la etanolamina, aumentando así el rendimiento. La reducción de impurezas en la composición de fermentación también puede reducir la corrosión de los recipientes metálicos en los que se llevan a cabo procesos posteriores.

Por lo tanto, se proporciona en el presente documento un método para purificar etanolamina a partir de una composición de fermentación, comprendiendo el método ajustar el pH de la composición de fermentación a un pH igual o superior a aproximadamente 9, y retirar la etanolamina de la composición de fermentación por destilación. En el presente documento, el método comprende añadir una base a la composición de fermentación y retirar la etanolamina de la composición de fermentación por destilación. La etanolamina se retira de la composición de fermentación por destilación después de que el pH se ajuste hasta un pH igual o superior a aproximadamente 9 después de añadir la base a la composición de fermentación.

Por "purificación" se entiende que la etanolamina se separa de otras sustancias en la composición de fermentación, que pueden denominarse contaminantes o impurezas. Así, se reduce la cantidad de contaminantes o impurezas. La etanolamina pura al 100% comprende solo etanolamina, mientras que la etanolamina al 98% comprende un 98% de etanolamina y un 2% de otras sustancias. Esto se puede medir, por ejemplo, por RMN (pureza dada en % en moles) o cromatografía de gases (pureza dada en % de superficie total del pico, % TPA). El análisis por HPLC se puede usar para dar la pureza en % (peso/volumen).

El producto de etanolamina de los métodos descritos en el presente documento puede, por ejemplo, tener una pureza de al menos aproximadamente el 60% cuando se mide mediante uno o más de los métodos descritos anteriormente (p. ej., 60% en moles cuando se mide mediante RMN). Por ejemplo, los productos de etanolamina de los métodos descritos en el presente documento pueden tener una pureza de al menos aproximadamente el 65%, por ejemplo, al menos aproximadamente el 70%, por ejemplo, al menos aproximadamente el 75%, por ejemplo, al menos aproximadamente el 80%, por ejemplo, al menos aproximadamente el 85%, por ejemplo al menos aproximadamente el 90%, por ejemplo al menos aproximadamente el 95%, por ejemplo al menos aproximadamente en 96%, por ejemplo al menos aproximadamente el 97%, por ejemplo al menos aproximadamente el 98%. Por ejemplo, los productos de etanolamina de los métodos descritos en el presente documento pueden tener una pureza de hasta aproximadamente el 100% o hasta aproximadamente el 99%. Por ejemplo, los productos de etanolamina pueden tener una pureza que oscila entre aproximadamente el 60% y aproximadamente el 100%, por ejemplo, entre aproximadamente el 75% y aproximadamente el 100%, por ejemplo, entre aproximadamente el 90% y aproximadamente el 99%.

El rendimiento de etanolamina purificada en relación con la cantidad total de etanolamina presente en la materia prima de la composición de fermentación (la cantidad total de etanolamina presente en la composición de fermentación antes de la destilación) puede ser, por ejemplo, igual o superior a aproximadamente el 60%. Por ejemplo, el rendimiento de etanolamina purificada puede ser igual o superior a aproximadamente el 65%, por ejemplo igual o superior a aproximadamente el 70%, por ejemplo igual o superior a aproximadamente el 75%, por ejemplo igual o superior a aproximadamente el 80%, por ejemplo igual o superior aproximadamente el 85%, por ejemplo igual o superior aproximadamente el 90%, por ejemplo igual o superior aproximadamente el 92%, por ejemplo igual o superior aproximadamente el 94%, por ejemplo igual a o superior a aproximadamente el 95%. Por ejemplo, el rendimiento de etanolamina purificada puede ser de hasta aproximadamente el 100%, por ejemplo, hasta aproximadamente el 99%, por ejemplo, hasta aproximadamente el 98%. Por ejemplo, el rendimiento de etanolamina purificada puede oscilar entre aproximadamente el 60% y aproximadamente el 100%, por ejemplo, entre aproximadamente el 75% y aproximadamente el 100%, por ejemplo, entre aproximadamente el 80% y aproximadamente el 100%, por ejemplo, entre aproximadamente el 85% y aproximadamente el 100%, por ejemplo entre aproximadamente el 90% y aproximadamente el 99%.

El rendimiento de etanolamina purificada en el destilado en relación con la cantidad de etanolamina en la composición de fermentación antes de la destilación se puede medir calculando la masa total de etanolamina en el producto final (destilado) dividida por la masa total de etanolamina en la composición de fermentación antes de la destilación (pero después de que se complete la fermentación), multiplicado por 100. Si el destilado está dentro de la especificación de pureza >99%, toda la muestra se considerará como etanolamina. Si el destilado no se encuentra dentro de la especificación de pureza >99%, la masa total de etanolamina en el destilado se ajusta en consecuencia (p. ej., en el caso de una pureza del 85% en peso, la masa total de etanolamina se multiplica por 0,85).

El método comprende la purificación de etanolamina a partir de una composición de fermentación. En ciertas realizaciones, el método también comprende preparar la composición de fermentación que comprende etanolamina. El método puede comprender, por ejemplo, sintetizar etanolamina mediante la fermentación de una fuente de carbono en presencia de un microorganismo productor de etanolamina para proporcionar una composición de fermentación que comprenda etanolamina. Alternativamente, la composición de fermentación se puede obtener de una fuente comercial, por ejemplo, de una fuente comercial que haya formado la composición de fermentación fermentando una fuente de carbono en presencia de un microorganismo productor de etanolamina.

La etanolamina se puede sintetizar mediante la fermentación de una fuente de carbono en presencia de un microorganismo productor de etanolamina. También se puede proporcionar una fuente de nitrógeno para la síntesis de etanolamina. La fermentación puede tener lugar a cualquier temperatura y pH adecuados para el microorganismo productor de etanolamina concreto que se utilice. Por ejemplo, la fermentación puede tener lugar a una temperatura que oscila entre aproximadamente 20°C y aproximadamente 55°C, por ejemplo entre aproximadamente 25°C y aproximadamente 40°C. Por ejemplo, la fermentación puede tener lugar a un pH en el intervalo de aproximadamente pH 6 a aproximadamente pH 8, por ejemplo de aproximadamente pH 6,5 a aproximadamente pH 7,5, por ejemplo de aproximadamente pH 6,8 a aproximadamente pH 7. Por ejemplo, la etanolamina puede sintetizarse mediante la fermentación de una fuente de carbono en presencia de microorganismos recombinantes, por ejemplo, bacterias recombinantes, que han sido modificados para expresar los genes necesarios para sintetizar etanolamina a partir de la fuente de carbono, como la glucosa. Los microorganismos recombinantes pueden haber sido modificados para silenciar genes que den como resultado la degradación y/o reacción de la etanolamina o sus productos intermedios o que utilicen la etanolamina o sus productos intermedios en otras rutas. La serina puede, por ejemplo, sintetizarse como un producto intermedio en la síntesis de etanolamina. A continuación, la serina se puede descarboxilar hasta etanolamina, por ejemplo mediante una enzima serina descarboxilasa. La serina puede, por ejemplo, sintetizarse a partir de 3-fosfoglicerato. La etanolamina puede, por ejemplo, sintetizarse mediante uno o más de los métodos y/o utilizando uno o más de los microorganismos descritos en los documentos WO 2007/144346, WO 2014/049382 y US20170211103.

La síntesis de etanolamina como se describe en el presente documento da como resultado una composición de fermentación que comprende etanolamina. Los métodos descritos en el presente documento pueden, por ejemplo, comprender además un paso de síntesis de etanolamina, por ejemplo como se describe en el presente documento.

Por "composición de fermentación" se entiende una composición líquida que es o se deriva de una composición líquida adecuada para cultivar (mantener la actividad metabólica de, incluido el crecimiento y/o la replicación) un microorganismo. Por tanto, la composición de fermentación puede comprender uno o más nutrientes necesarios o útiles para cultivar un microorganismo, en particular un microorganismo productor de etanolamina tal como el microorganismo productor de etanolamina utilizado para producir la etanolamina presente en la composición de fermentación. El término "composición de fermentación" abarca filtrados y centrados (p. ej., composiciones en las que se ha retirado biomasa, como células, microorganismos y/o agentes biológicos, por ejemplo, mediante filtración o centrifugación) y concentrados (p. ej., composiciones en las que se ha retirado agua, por ejemplo donde el agua ha sido reemplazada por un disolvente que tiene un punto de ebullición más alto que la etanolamina).

La composición de fermentación utilizada en los métodos descritos en el presente documento comprende etanolamina. La concentración de etanolamina en la materia prima de la composición de fermentación puede ser, por ejemplo, de al menos aproximadamente 20 g/l. Por ejemplo, la concentración de etanolamina en la composición de fermentación puede ser de al menos aproximadamente 25 g/l, por ejemplo, de al menos aproximadamente 30 g/l, por ejemplo, de al menos aproximadamente 35 g/l. Por ejemplo, la concentración de etanolamina en la composición de fermentación puede ser de hasta aproximadamente 100 g/l, por ejemplo, hasta aproximadamente 90 g/l, por ejemplo, hasta aproximadamente 85 g/l, por ejemplo, hasta aproximadamente 80 g/l., por ejemplo hasta aproximadamente 75 g/l, por ejemplo hasta aproximadamente 60 g/l, por ejemplo hasta aproximadamente 50 g/l. Por ejemplo, la concentración de etanolamina en la materia prima de la composición de fermentación puede ser de aproximadamente 20 g/l a aproximadamente 100 g/l, por ejemplo de aproximadamente 30 g/l a aproximadamente 85 g/l, por ejemplo de aproximadamente 35 g/l a aproximadamente 75 g/l. Esto puede referirse a la concentración de etanolamina en la composición de fermentación después de que se haya retirado biomasa.

La composición de fermentación utilizada en los métodos descritos en el presente documento puede comprender o no un disolvente acuoso. En particular, la composición de fermentación puede comprender un disolvente acuoso mientras se utiliza para cultivar el microorganismo productor de etanolamina utilizado para producir la etanolamina presente en la composición de fermentación y/o sintetizar etanolamina. La composición de fermentación utilizada en los métodos descritos en el presente documento puede comprender o no un disolvente que tenga un punto de ebullición más alto que la etanolamina. La composición de fermentación utilizada en los métodos descritos en el presente documento puede comprender o no biomasa (material orgánico derivado de plantas, animales y microorganismos, incluidas células, microorganismos y/o agentes biológicos tales como microorganismos productores de etanolamina que pueden haberse utilizado para producir la etanolamina presente en la composición de fermentación). Cualquier biomasa tal como células, microorganismos y/o agentes biológicos presentes en la composición de fermentación puede esterilizarse y/o retirarse de la composición de fermentación antes, durante o después de los métodos de purificación descritos en el presente documento.

Los métodos descritos en el presente documento pueden comprender, por ejemplo, esterilizar la composición de fermentación antes de retirar etanolamina por destilación. Por "esterilización" se entiende que cualquier célula y/u organismo y/o agente biológico (incluidos, por ejemplo, bacterias, virus, hongos, priones y esporas) vivo se desactive o destruya. La composición de fermentación puede, por ejemplo, esterilizarse mediante calentamiento, irradiación, alta presión o adición de productos químicos tales como óxido de etileno, dióxido de nitrógeno, ozono, glutaraldehído, formaldehído, peróxido de hidrógeno y ácido peracético.

Cuando el método comprende sintetizar etanolamina mediante la fermentación de una fuente de carbono en presencia de un microorganismo productor de etanolamina, cualquier esterilización se produce después de que se haya producido la etanolamina. La esterilización puede, por ejemplo, producirse antes, durante o después de que se añada la base y/o el pH de la composición de fermentación se ajuste a un pH igual o superior a 9, preferiblemente antes. La esterilización puede, por ejemplo, producirse antes de que cualquier célula, microorganismo y/o agente biológico sea retirado de la composición de fermentación. La esterilización puede, por ejemplo, producirse antes, durante o después de que se añada a la composición de fermentación cualquier disolvente que tenga un punto de ebullición más alto que la etanolamina, preferiblemente antes. La esterilización puede, por ejemplo, producirse antes, durante o después de que cualquier agua en la composición de fermentación se intercambie con un disolvente que tenga un punto de ebullición más alto que la etanolamina, preferiblemente antes.

Los métodos descritos en el presente documento pueden comprender, por ejemplo, retirar biomasa tal como células, microorganismos y/o agentes biológicos de la composición de fermentación antes de retirar la etanolamina por destilación. Cuando la composición de fermentación ha sido esterilizada, la biomasa tal como células, microorganismos y/o agentes biológicos puede estar inactivada o destruida. La retirada de biomasa tal como células, microorganismos y/o agentes biológicos de la composición de fermentación puede comprender, por ejemplo, filtración o centrifugación. La composición de fermentación puede, por ejemplo, filtrarse a través de un filtro que tenga un tamaño de poro de 0,2 pm o menos. La composición de fermentación utilizada en los métodos de purificación ahora descritos puede, por ejemplo, denominarse filtrado y/o centrado cuando se ha retirado biomasa tal como células, microorganismos y/o agentes biológicos.

Cuando el método comprende sintetizar etanolamina mediante la fermentación de una fuente de carbono en presencia de un microorganismo productor de etanolamina, cualquier retirada de biomasa como células, microorganismos y/o agentes biológicos se produce después de que se haya producido la etanolamina. La retirada de biomasa tal como células, microorganismos y/o agentes biológicos puede, por ejemplo, producirse antes, durante o después de que se añada la base y/o el pH de la composición de fermentación se ajuste hasta un pH igual o superior a aproximadamente 9, preferentemente antes. La retirada de biomasa tal como células, microorganismos y/o agentes biológicos puede producirse, por ejemplo, después de la esterilización de la composición de fermentación. La retirada de biomasa tal como células, microorganismos y/o agentes biológicos puede, por ejemplo, producirse antes, durante o después de que se añada a la composición de fermentación cualquier disolvente que tenga un punto de ebullición más alto que la etanolamina, preferiblemente antes.

Los métodos descritos en el presente documento pueden, por ejemplo, comprender también la retirada de cualquier material sólido en la composición de fermentación (por ejemplo, precipitados de impurezas). Esto puede producirse, por ejemplo, después de que se haya añadido la base y/o después de que el pH de la composición de fermentación se haya ajustado hasta un pH igual o superior a aproximadamente 9.

La composición de fermentación utilizada en los métodos descritos en el presente documento puede tener cualquier pH adecuado para cultivar un microorganismo, particularmente un microorganismo productor de etanolamina utilizado para producir la etanolamina presente en la composición de fermentación. Por lo tanto, la composición de fermentación puede tener típicamente un pH en el intervalo de aproximadamente pH 6 a aproximadamente pH 8, por ejemplo de aproximadamente pH 6,5 a aproximadamente pH 7,5, por ejemplo de aproximadamente pH 6,8 a aproximadamente pH 7. Esto se refiere al pH de la composición de fermentación antes de añadir la base y el pH se ajusta hasta un pH igual o superior a aproximadamente 9 según los métodos descritos en el presente documento (el término caldo de fermentación se puede utilizar para referirse a la composición de fermentación al final de la fermentación antes de un procesamiento adicional como esterilización y/o retirada de biomasa). Los métodos descritos en el presente documento comprenden añadir una base a la composición de fermentación y/o ajustar el pH de la composición de fermentación hasta un valor de pH igual o superior a aproximadamente 9. La cantidad de base añadida a la composición de fermentación puede ser cualquier cantidad adecuada para desprotonar al menos algo de etanolamina en la composición de fermentación y/o permitir que al menos algo de etanolamina en la composición de fermentación sea retirada por destilación. La cantidad de base añadida a la composición de fermentación también puede ser suficiente para desprotonar otras especies en la composición de fermentación (tales como aminoácidos y otros subproductos del proceso de fermentación). Esto puede alterar la interacción de estas otras especies con la etanolamina y, en consecuencia, permitir que la etanolamina se retire por destilación. La cantidad de base añadida a la composición de fermentación es una cantidad adecuada para aumentar la cantidad de etanolamina que puede retirarse por destilación en comparación con la cantidad de etanolamina retirada por destilación sin adición de la base. La cantidad de base añadida a la composición de fermentación es una cantidad adecuada para ajustar el pH de la composición de fermentación hasta un valor de pH igual o superior a aproximadamente 9. La cantidad precisa de base requerida puede variar dependiendo de la fuerza de la base y/o la naturaleza y composición de la composición de fermentación.

La cantidad de base añadida a la composición de fermentación puede ser una cantidad suficiente para desprotonar al menos aproximadamente el 40% de las moléculas de etanolamina en la composición de fermentación. Por ejemplo, la cantidad de base añadida a la composición de fermentación puede ser una cantidad suficiente para desprotonar al menos aproximadamente el 45%, por ejemplo al menos aproximadamente el 50%, por ejemplo al menos aproximadamente el 55%, por ejemplo al menos aproximadamente el 60%, por ejemplo al menos aproximadamente el 65%, por ejemplo al menos aproximadamente el 70%, por ejemplo al menos aproximadamente el 75%, por ejemplo al menos aproximadamente el 80%, por ejemplo al menos aproximadamente el 85%, por ejemplo al menos aproximadamente el 90%, por ejemplo en menos aproximadamente el 95% de las moléculas de etanolamina. Por ejemplo, la cantidad de base añadida a la composición de fermentación puede ser una cantidad suficiente para desprotonar hasta aproximadamente el 100% de las moléculas de etanolamina, por ejemplo, hasta aproximadamente el 98% de las moléculas de etanolamina. Por ejemplo, la cantidad de base añadida a la composición de fermentación puede ser una cantidad suficiente para desprotonar de aproximadamente el 40% a aproximadamente el 100%, por ejemplo de aproximadamente el 60% a aproximadamente el 100%, por ejemplo de aproximadamente el 70% a aproximadamente el 100%, por ejemplo, de aproximadamente el 80% a aproximadamente el 100%, por ejemplo, de aproximadamente el 90% a aproximadamente el 100%, por ejemplo, de aproximadamente el 95% a aproximadamente el 100% de moléculas de etanolamina en la composición de fermentación. El pKa de la etanolamina (el pH al que se protonan el 50% de las moléculas de etanolamina) es 9,45.

Por "base" se entiende una sustancia que acepta un protón (H+), en particular una sustancia que acepta un protón de la etanolamina. La base puede ser, por ejemplo, una base fuerte (una base que se disocia completamente en solución acuosa). La base puede ser, por ejemplo, una base de hidróxido. La base puede seleccionarse, por ejemplo, entre hidróxido de sodio, hidróxido de litio, hidróxido de potasio, hidróxido de rubidio, hidróxido de cesio, hidróxido de magnesio, hidróxido de calcio, hidróxido de estroncio, hidróxido de bario o combinaciones de uno o más de los mismos.

Los métodos descritos en el presente documento pueden comprender ajustar el pH de la composición de fermentación hasta pH 9,5 o superior, por ejemplo pH 10 o superior, por ejemplo pH 10,5 o superior, por ejemplo pH 11 o superior, por ejemplo pH 11,1 o superior, por ejemplo pH 11,2 o superior, por ejemplo pH 11,3 o superior, por ejemplo pH 11,4 o superior. Por ejemplo, los métodos descritos en el presente documento pueden comprender ajustar el pH de la composición de fermentación hasta aproximadamente pH 11,45 o superior. Los métodos descritos en el presente documento pueden comprender adicionalmente ajustar el pH de la composición de fermentación hasta un pH igual o inferior a aproximadamente pH 14, por ejemplo, igual o inferior a aproximadamente pH 13,5, por ejemplo, igual o inferior a aproximadamente pH 13, por ejemplo igual o inferior a aproximadamente pH 12,5, por ejemplo igual o inferior a aproximadamente pH 12. Por ejemplo, los métodos descritos en el presente documento pueden comprender ajustar el pH de la composición de fermentación hasta un pH en el intervalo de aproximadamente pH 9 a aproximadamente pH 14, por ejemplo de aproximadamente pH 10 a aproximadamente pH 13, por ejemplo de aproximadamente pH 11 a aproximadamente pH 12.

Los métodos descritos en el presente documento comprenden además retirar etanolamina de la composición de fermentación por destilación. Esto tiene lugar después de que se haya añadido la base y se haya ajustado el pH de la composición de fermentación hasta un pH igual o superior a aproximadamente 9.

Por "destilación" se entiende un proceso para separar una sustancia de otra mediante ebullición y condensación selectivas. Puede usarse cualquier método adecuado de destilación. Por ejemplo, puede usarse destilación en alambique de película renovada o en alambique de recorrido corto.

La destilación puede, por ejemplo, producirse a una temperatura del vapor igual o inferior a aproximadamente 175°C. Por ejemplo, la destilación puede producirse a una temperatura del vapor igual o inferior a aproximadamente 170°C o igual o inferior a aproximadamente 165°C o igual o inferior a aproximadamente 160°C o igual o inferior a aproximadamente 155°C o igual o inferior a aproximadamente 150°C o igual o inferior a aproximadamente 145°C o igual o inferior a aproximadamente 140°C o igual o inferior a aproximadamente 135°C o igual o inferior a aproximadamente 130°C o igual o inferior a aproximadamente 125°C o igual o inferior a aproximadamente 120°C.

La destilación puede producirse, por ejemplo, a una temperatura del vapor igual o superior a aproximadamente 55°C. Por ejemplo, la destilación puede producirse a una temperatura del vapor igual o superior a aproximadamente 60°C o igual o superior a aproximadamente 65°C o igual o superior a aproximadamente 70°C o igual o superior a aproximadamente 75°C o igual o superior a aproximadamente 80°C o igual o superior a aproximadamente 85°C o igual o superior a aproximadamente 90°C o igual o superior a aproximadamente 95°C o igual o superior a aproximadamente 100°C.

La destilación puede producirse, por ejemplo, a una temperatura del vapor que oscila entre aproximadamente 55°C y aproximadamente 175°C, por ejemplo, entre aproximadamente 75°C y aproximadamente 150°C, por ejemplo, entre aproximadamente 95°C y aproximadamente 140°C, por ejemplo, entre aproximadamente 95°C y aproximadamente 120°C.

La destilación puede, por ejemplo, producirse a una temperatura de fondo igual o inferior a aproximadamente 300°C. Por ejemplo, la destilación puede producirse a una temperatura de fondo igual o inferior a aproximadamente 290°C o igual o inferior a aproximadamente 280°C o igual o inferior a aproximadamente 270°C o igual o inferior a aproximadamente 260°C o igual o inferior a aproximadamente 250°C o igual o inferior a aproximadamente 240°C o igual o inferior a aproximadamente 230°C o igual o inferior a aproximadamente 220°C o igual o inferior a aproximadamente 210°C o igual o inferior a aproximadamente 200°C.

La destilación puede producirse, por ejemplo, a una temperatura de fondo igual o superior a aproximadamente 90°C. Por ejemplo, la destilación puede producirse a una temperatura de fondo igual o superior a aproximadamente 95°C o igual o superior a aproximadamente 98°C o igual o superior a aproximadamente 99°C o igual o superior a aproximadamente 100°C.

La destilación puede producirse, por ejemplo, a una temperatura de fondo que oscila entre aproximadamente 90°C y aproximadamente 300°C, por ejemplo, entre aproximadamente 95°C y aproximadamente 280°C, por ejemplo, entre aproximadamente 95°C y aproximadamente 260°C, por ejemplo entre aproximadamente 95°C y aproximadamente 250°C, por ejemplo entre aproximadamente 98°C y aproximadamente 240°C, por ejemplo entre aproximadamente 99°C y aproximadamente 220°C.

La destilación puede producirse, por ejemplo, a una presión igual o inferior a aproximadamente 110 kPa. Por ejemplo, la destilación puede producirse a una presión igual o inferior a aproximadamente 101,3 kPa, por ejemplo igual o inferior a aproximadamente 80 kPa, por ejemplo igual o inferior a aproximadamente 60 kPa, por ejemplo igual o inferior a aproximadamente 50 kPa, por ejemplo igual o inferior a aproximadamente 40 kPa, por ejemplo igual o inferior a aproximadamente 20 kPa, por ejemplo igual o inferior a aproximadamente 10 kPa, por ejemplo igual o inferior a aproximadamente 5 kPa.

La destilación puede producirse, por ejemplo, a una presión igual o superior a aproximadamente 0,05 kPa. Por ejemplo, la destilación puede producirse a una presión igual o superior a aproximadamente 0,1 kPa, por ejemplo igual o superior a aproximadamente 0,14 kPa, por ejemplo igual o superior a aproximadamente 0,2 kPa, por ejemplo igual o superior a aproximadamente 0,5 kPa.

La destilación puede producirse, por ejemplo, a una presión que oscila entre aproximadamente 0,05 kPa y aproximadamente 110 kPa, por ejemplo entre aproximadamente 0,05 kPa y aproximadamente 101,3 kPa, por ejemplo entre aproximadamente 0,1 kPa y aproximadamente 101,3 kPa, por ejemplo entre aproximadamente 0,1 kPa y aproximadamente 100 kPa.

Los métodos proporcionados en el presente documento pueden comprender, por ejemplo, añadir a la composición de fermentación un disolvente que tenga un punto de ebullición mayor que el punto de ebullición de la etanolamina. Los métodos proporcionados en el presente documento pueden, por ejemplo, comprender el intercambio de agua presente en la composición de fermentación con un disolvente que tenga un punto de ebullición mayor que el punto de ebullición de la etanolamina. Esto puede comprender, por ejemplo, añadir el disolvente a la composición de fermentación y retirar el agua por destilación. El disolvente puede, por ejemplo, añadirse a la composición de fermentación, por ejemplo intercambiarse con agua en la composición de fermentación, antes, durante o después de la adición de la base y/o el ajuste del pH de la composición de fermentación hasta un pH igual o superior a aproximadamente 9. En particular, cuando el pH de la composición de fermentación se ajusta usando una base acuosa, el agua en la composición de fermentación se puede intercambiar con el disolvente durante o después de la adición de la base y/o el ajuste del pH de la composición de fermentación hasta un pH igual o superior a aproximadamente 9.

El disolvente que tiene un punto de ebullición más alto que la etanolamina puede, por ejemplo, seleccionarse de glicerol, etilenglicol, dietilenglicol, éter dimetílico de dietilenglicol, dimetilsulfóxido, N-metil-2-pirrolidona, propilenglicol y combinaciones de uno o más de los mismos. El disolvente puede ser, por ejemplo, glicerol o propilenglicol. La cantidad de disolvente añadida a la composición de fermentación puede ser, por ejemplo, cualquier cantidad adecuada para permitir que la etanolamina se destile posteriormente de la composición de fermentación. La cantidad de disolvente añadida a la composición de fermentación puede ser, por ejemplo, cualquier cantidad adecuada para mantener una composición líquida adecuada para el procesamiento posterior después de retirar el agua de la composición de fermentación, por ejemplo, que tenga una viscosidad adecuadamente baja después de retirar el agua de la composición de la fermentación.

Los productos de etanolamina de los métodos descritos en el presente documento pueden usarse para cualquier aplicación. Por ejemplo, los productos de etanolamina pueden usarse como materias primas para la síntesis de compuestos aromatizantes tales como N-lactoiletanolamina y gluconiletanolamina.

Los productos de etanolamina pueden, por ejemplo, usarse para la recuperación y retirada de gases ácidos (por ejemplo, dióxido de carbono, hidrógeno y sulfuro de hidrógeno) del gas natural, combustible y de proceso. Los productos de etanolamina pueden, por ejemplo, usarse para la producción de monoalcanolamidas para detergentes, emulsionantes y jabones iniónicos. Los productos de etanolamina pueden, por ejemplo, usarse para la síntesis de aceletanolamina en la fabricación de tintas, papel, colas, materiales textiles y abrillantadores. Los productos de etanolamina se pueden usar, por ejemplo, para la síntesis de feniletanolamina en la fabricación de colorantes y tintes de rayón de acetato. Los productos de etanolamina se pueden usar, por ejemplo, para la síntesis de 2-mercaptotiazol para acelerar la vulcanización del caucho.

Ejemplos

Ejemplo 1 (Ejemplo Comparativo)

El propósito de este experimento era determinar el rendimiento de etanolamina (MEA) usando una sustitución de agua por disolvente de propilenglicol (PG) en un evaporador rotatorio. A esto le siguió la destilación tanto en un alambique de película renovada como en un alambique de columna chapada. Los rendimientos calculados a partir de los resultados analíticos determinaron si se requería el paso del proceso en alambique de película renovada para obtener etanolamina pura, o si la destilación fraccionada se podía completar directamente después del intercambio de disolventes.

Preparación de la composición de fermentación.

Se produjo una composición de fermentación con un título de 3 g/l de etanolamina fermentando una fuente de carbono en presencia de un microorganismo productor de etanolamina. Se agregó etanolamina pura de Sigma Aldrich al caldo para elevar el título hasta al menos 35 g/l.

Cualquier pequeña cantidad de etanolamina pura añadida al agua desionizada elevará el pH hasta aproximadamente 11,6. Sin embargo, la composición del caldo se tampona como resultado de los materiales de alimentación y los subproductos metabólicos del organismo, lo que limita el efecto de la adición de etanolamina en este caso sobre el pH de la composición.

Cálculos por lotes

• Contenido de humedad del caldo sin enriquecer = 90,51%

• Masa total de etanolamina = 151,58 g (etanolamina añadida) (3 g/l*4,1791 l) (producida en la composición de fermentación) = 164,117 g (3,79%)

• Masa de disolvente (propilenglicol) necesaria = 0,24174 kg de disolvente por 1 kg de caldo

• Caldo total = 4328.0 g

Destilación de agua en evaporador rotatorio

Se añadió propilenglicol al evaporador rotatorio. La presión se redujo a 50 mbar (5 kPa) y el baño de agua se elevó hasta 55°C inicialmente y a continuación hasta 70°C. Los puntos de ebullición del agua, la etanolamina y el propilenglicol a 50 mbar (5 kPa), determinados por los coeficientes de Antoine, son 33°C, 95°C y 101°C, respectivamente.

El residuo total de la marmita era de 1.694,7 g. El destilado total producido era 3.450,5 g.

Resultados

La MEA se concentró en el PG y el agua se retiró como destilado sin que se detectara MEA. Se cree que la reducción de la MEA total (187,83 g en el caldo antes del intercambio de disolvente y 147,6 g en el concentrado) se debe a una reacción entre la MEA y las impurezas del caldo.

Destilación de MEA a partir de PG en alambique de película renovada

La composición de fermentación se alimentó a un alambique de película renovada bajo las siguientes condiciones:

Temperatura de la pared: 79,5°C

Presión: 8,8 mm Hg

Precalentamiento de la alimentación: 55°C

Balance de masa y resultados analíticos de la prueba en alambique de película renovada:

Resultado

El balance de masa muestra que se alimentaron 112,93 gramos de material al alambique, mientras que se recuperó un total de 75,42 gramos de material en las corrientes de salida para el destilado y el residuo. El material existirá como retención en los conductos de alimentación, como una película delgada sobre la pared de calentamiento del sistema y sobre el dedo frío de condensación. El propilenglicol, que tiene una viscosidad de aproximadamente 1050 centipoises a 5°C, se ha condensado sobre el dedo frío y se enfriará. Parte de él permaneció sobre el dedo frío en una película viscosa. A menudo se necesitan de 15 a 20 minutos de alimentación a un alambique antes de que un destilado algo viscoso se acumule lo suficiente para correr por el dedo frío hasta el receptor del destilado.

Solo el 1,8% de la MEA recuperado del material alimentado al sistema estaba en el destilado, mientras que el 98,19% de la MEA se concentró en el residuo. La MEA hierve a una temperatura más baja que el propilenglicol, por lo que se esperaba que la MEA se concentrara en el destilado y tuviera una concentración reducida en el residuo (la porción no volatilizada de la alimentación que fluye descendentemente por la pared calentada). En este caso, se produjo el resultado contrario. La MEA se concentró hasta el 13,52% en el residuo, 1,55 veces mayor que la concentración de alimentación, y el destilado contenía PG con una concentración de MEA 12,3 veces menor que la concentración de alimentación. Esto demuestra que solo una pequeña porción de la etanolamina podría volatilizarse. Se cree que esto se debe a que la MEA interactúa con impurezas del caldo y permanece en un estado protonado no volátil.

Destilación de MEA en columna de fraccionamiento chapada

Destilación A

Se añadieron 751,1 g del concentrado de PG que contenía MEA procedente del evaporador rotatorio al matraz de la columna de destilación, con un total de 65,33 g de MEA (751,1 g * 0,0871).

La primera parte de la destilación se realizó a 38 mm Hg. Según los coeficientes de Antoine publicados por el NIST, los puntos de ebullición del agua, la MEA y el PG a 38 mm Hg son 33°C, 95°C y 110°C, respectivamente. La temperatura del vapor se mantuvo constante en aproximadamente 33°C hasta un intervalo de tiempo de treinta segundos, momento en el cual la temperatura del vapor subió directamente hasta más de 100°C, sin estabilización donde se espera que la MEA se destile a 95°C. La temperatura del vapor cae cuando se reducía la entrada de calor. Esto se debe a que la alta presión diferencial indicaba desbordamiento de la columna. Una vez que caía la presión diferencial, se volvía a aplicar calor y la temperatura del vapor volvía a subir hasta aproximadamente 106°C. La destilación se detenía debido al tiempo.

Se recogieron las siguientes masas de destilado, y se analizaron con respecto a la MEA el último corte, junto con el residuo del matraz (o fondos). El primer corte era claramente destilado acuoso según se determinaba por la temperatura del vapor. Si se esperaba que alguno de los cortes tuviera un alto contenido de MEA, sería el último corte, después de que se retirara con certeza toda la humedad acuosa durante el segundo corte de "transición" (donde aumenta la temperatura del vapor). Desde el punto en que se retiraba el agua, comenzando, digamos, en el corte dos, debe haber un mínimo de 65 gramos de MEA tomados como destilado. Sin embargo, no se detectó MEA en el corte cinco del destilado, y la concentración de MEA en el material de fondo había aumentado del 8,71% al 12,20%. No había estabilización de la temperatura del vapor como se habría esperado a 95°C. En cambio, la temperatura del vapor superaba el punto de ebullición de la etanolamina. Se debe concluir que la fracción cinco, que no contiene MEA detectable, era PG. Por lo tanto, en base a los datos tanto para el agua estable a la temperatura del vapor como para las fracciones de PG, se puede concluir que los coeficientes de Antoine daban puntos de ebullición a esta presión que eran de tres a cinco grados más altos que los puntos de ebullición reales. Esto significa que si la MEA en la composición pudiera volatilizarse, incluso el diez por ciento de la MEA, la temperatura del vapor se habría nivelado en el intervalo de 90°C - 92°C. No se observó tal estabilización.

Destilación B

El material de los fondos de la destilación A, ahora con una concentración más alta de MEA, se volvió a añadir a la columna de destilación y se utilizó una presión más baja para intentar retirar por destilación la etanolamina, que se determinó analíticamente que estaba retenida completamente en el material de los fondos. La presión del sistema se redujo hasta 0,2 mm Hg para esta destilación, lo que reducía la volatilidad relativa entre MEA y PG desde un 2,04 calculado (a 38 mm Hg) hasta 1,15. Esto también disminuía los puntos de ebullición de ambos materiales y, por lo tanto, reduciría la pérdida de calor desde la columna al medio ambiente y, por lo tanto, permitiría operar de manera más eficaz. Según los coeficientes de Antoine publicados por el NIST, los puntos de ebullición del agua, la MEA y el PG a 0,2 mm Hg son -36°C, 22°C y 24°C, respectivamente. Se tomaron seis cortes de destilado durante esta destilación. Se analizó cada corte, junto con el material restante de la marmita.

En base a los datos posteriores, se puede ver que la MEA no se destilaba del concentrado de la composición del caldo, sino que el PG se destilaba y la MEA se concentraba en el matraz de ebullición de la columna. Cada fracción de destilado era un líquido transparente sin color.

Resultados: Destilación A y B

La MEA no se separaba por destilación del concentrado de la composición de caldo de PG. La MEA tiene un punto de ebullición más bajo que el PG, independientemente de la presión y, sin embargo, el PG purificado transparente se separaba por destilación del concentrado mientras que la etanolamina permanecía en el producto de fondo. Esto se producía mientras el matraz de fondo se calentaba hasta una temperatura muy por encima del punto de ebullición tanto de MEA como de PG en sus formas puras. Se planteó la hipótesis de que la MEA no se separaba por destilación de la solución porque permanecía protonada o atraída electrónicamente a otra molécula en el concentrado, y se comportaba como se comportaría una sal no volátil, como el cloruro de sodio.

Conclusión

Se encontró que el PG puro se separaba por destilación fraccionadamente por lotes de la solución que comprendía MEA y PG, sin MEA en el destilado. Por lo tanto, la MEA no es volátil sin un ajuste de pH en disolvente de PG. Este fenómeno de destilación preferencial de PG a pesar de tener un punto de ebullición más alto que la MEA se observaba utilizando tanto un alambique de película renovada como una columna de fraccionamiento por lotes tradicional. Ejemplo 2 (Ejemplo Comparativo)

El propósito de este experimento era determinar un posible rendimiento de MEA utilizando una sustitución de disolvente de agua por glicerina en un evaporador rotatorio. A esto le siguió la destilación tanto en un alambique de película renovada como en una columna de fraccionamiento de Vigreaux de vidrio. Los rendimientos calculados a partir de los resultados analíticos determinaron si se requiere el paso del proceso de destilación de película renovada para obtener etanolamina pura, o si la destilación fraccionada se puede completar directamente después del intercambio de disolventes.

Preparación de la composición de fermentación.

Se produjo una composición de fermentación con un título de 8,5 g/l de etanolamina fermentando una fuente de carbono en presencia de un microorganismo productor de etanolamina. Se agregó etanolamina pura de Sigma Aldrich al caldo para elevar el título hasta 43,2 g/l.

Destilación de agua en evaporador rotatorio

Se añadieron 775,6 g de glicerina al evaporador rotatorio. El baño de agua se fijó a 75°C y la presión se redujo hasta 50 mbar (5 kPa). El punto de ebullición determinado por los coeficientes de Antoine de agua, etanolamina y glicerol a 50 mbar (5 kPa) es de 33°C, 95°C y 197°C, respectivamente.

Todo el caldo se alimentó al sistema durante un período de 75 minutos. El destilado se recogió durante este tiempo, y durante 50 minutos adicionales después de que todo el caldo preparado se añadiera al evaporador.

Composición estimada del material residual:

El destilado no se analizó con respecto a la MEA. Esto se debió a que en el Ejemplo 1, que usaba las mismas condiciones y equipo para completar este proceso, con la excepción de usar PG en lugar de glicerol, no se detectaba MEA en el destilado. El nivel detectable para el análisis era de 250 ppm. La evaporación en este experimento se efectuó en menos tiempo debido a que se utilizaba una menor cantidad de caldo, y el residuo retenía un mayor porcentaje de la masa total de MEA inicial al 96% en comparación con el 79%. El destilado como máximo podría haber contenido 0,23% de MEA, o 4,34 gramos de 1876,0 gramos, que es la diferencia entre la MEA total que se sabe que está presente inicialmente y la contabilizada en el residuo. Es más probable que esta masa de MEA haya interactuado de alguna manera con las impurezas del caldo.

Destilación de MEA a partir de concentrado de composición de caldo de glicerol en alambique de película renovada

Las condiciones de presión utilizadas inicialmente para este experimento en el alambique de película renovada (WFS, por sus siglas en inglés) fueron de 10 mm Hg; sin embargo, el glicerol combinado con los subproductos metabólicos y los aniones disueltos en la composición de caldo concentrado dieron como resultado un material que era demasiado viscoso para procesar. El material en el conducto de alimentación al entrar en el alambique se podía ver burbujeando, y el material se proyectaba desde la superficie de las burbujas cuando estallaban, generando un efecto de salpicadura que continuaba mientras el material se rascaba de la pared calentada del alambique. Este efecto proyectaba masa residual no destilada sobre el dedo frío de condensación del alambique y contaminaba el destilado con material residual. Se probó un mayor número de revoluciones de los rascadores además de una temperatura del conducto de alimentación y una temperatura de la pared reducidas para reducir este efecto mientras se mantenía una presión de 10 mm Hg; sin embargo, el material aún era demasiado viscoso y burbujeante. Además, no fluía bien fuera del conducto del residuo una vez pasada la región calentada de la pared, y el residuo que se enfriaba aumentaría en viscosidad. Las burbujas formadas ya no estallaban y se hacían descender por rascado a medida que se formaban (en la región calentada y rascada), con el tiempo se desarrollaría una espuma que se desbordaba en la corriente de salida del destilado. Por esta razón, la presión se aumentaba hasta 30 mm Hg para permitir temperaturas de precalentamiento más altas del conducto de alimentación que reducirían la viscosidad antes de que el material ingresara a la cámara de destilación. También se aumentó la velocidad de los rascadores y se colocó cinta calefactora alrededor del conducto de salida del residuo para mantener un flujo hacia el receptor y evitar la acumulación de material en la región inferior del alambique. La trampa fría del sistema consistía en hielo seco en etanol al 95%. Se usó una bomba de laboratorio de desplazamiento positivo modelo QVG de FMI para alimentar el material en el alambique, y la velocidad de alimentación se controló como un porcentaje de la capacidad máxima de la bomba. Las siguientes tablas resumen las condiciones de ejecución y el resultado de cada prueba. El material utilizado para estos ensayos es aquel residuo producido por el evaporador rotatorio.

Puntos de ebullición de materiales clave según los coeficientes de Antoine del NIST:

Resumen de las condiciones de prueba utilizadas en WFS:

*Las pruebas 1 y 2 tuvieron transferencia al destilado y transferencia de espuma del residuo al destilado. El equipo no estaba funcionando como se diseñó debido a las propiedades de alimentación y las pruebas se detuvieron.

Resultados analíticos de la ejecución 3 de WFS:

Balance de masa de la prueba 3 de WFS:

580,5 g Entrada de masa total, prueba 3 de WFS

556,32 g Salida de masa total, prueba 3 de WFS

24,18 g Material remanente en el conducto de alimentación del sistema y sobre las paredes como acumulación Balance de MEA de la prueba 3 de WFS:

44,70 g MEA en la alimentación

30,30 g MEA en corrientes de salida

14,47 g MEA no presente analíticamente en las corrientes de salida de material Resultado

Se detectó una masa muy pequeña de MEA en el destilado. El sistema funcionaba a una temperatura de la pared de 69°C por encima del punto de ebullición de la MEA y, sin embargo, el 99,98% de la MEA analizada en las corrientes de salida permanecía en el destilado. La MEA no se separaba por destilación de la composición del caldo, sino que se comporta principalmente como un material no volátil.

Destilación de MEA del glicerol usando columna de Vigreaux

Este experimento era para verificar en un formato de destilación por lotes que la MEA no podía destilarse de la composición de caldo de glicerol en su estado actual. Esto era el resultado de que casi no se destilaba MEA del proceso en WFS. Con esta prueba era posible acercar el matraz del hervidor al punto de ebullición del glicerol. Se añadieron 55,5 gramos de concentrado de glicerol al matraz de fondo al comienzo del experimento.

Columna de Vigreaux:

21,6 cm (8,5 pulgadas) de longitud, 0,27 cm (0,5 pulgadas) de diámetro

Hervidor/matraz de 100 ml

Manta calefactora Glas-Col eléctrica de 100 ml

Receptor de 25 ml

Condensador enfriado por agua

Resumen de datos de la destilación:

Análisis de las fracciones:

La fracción dos no se analizó. La temperatura del vapor durante esta fracción se mantuvo a 100°C y, por lo tanto, se esperaba que estuviera completamente comprendida por agua. Las fracciones inmediatamente anteriores a ella y posteriores a ella contenían cantidades muy bajas de MEA y la fracción dos probablemente contenía aproximadamente el mismo nivel, alrededor de 10-20 ppm. La temperatura del vapor aumentó inicialmente hasta 100°C, pero a continuación descendió mientras la temperatura de la marmita seguía aumentando, y los débiles remolinos en el receptor cuando las gotas de destilado golpeaban la superficie del líquido parecían indicar que algún nivel de material orgánico estaba comenzando a destilarse. La fracción tres se tomó inmediatamente en este momento. La velocidad del destilado se hizo muy lenta después de la caída de la temperatura del vapor, y las dos últimas fracciones, que sumaban un total de 1,94 gramos, se recogieron durante un período de 59 minutos. Las fracciones cuatro y cinco eran de color amarillento. Las fracciones se analizaron solo con respecto a la etanolamina.

Resultado de la destilación de Vigreaux

La MEA total que se determinó que estaba presente en el destilado era de 1,22 miligramos, que es el 0,028% de los 4,24 gramos de etanolamina en la composición al comienzo del experimento. Si la concentración de la fracción dos de etanolamina se estimaba en 20 ppm, entonces la MEA total en el destilado era de 1,45 miligramos, o 0,034% de la masa total de MEA.

Conclusión del experimento general

Las sales en el caldo de fermentación permanecieron en solución incluso después de retirar el agua y la composición del caldo estaba en una fase continua de glicerol. No hubo precipitación de sal durante la totalidad del experimento. La sal remanente en solución afectaba a la viscosidad de la alimentación, de modo que el alambique de película renovada estaba limitado en cuanto al funcionamiento a presiones más bajas. La MEA en el caldo de fermentación y en la composición del concentrado de caldo no es lo suficientemente volátil para ser concentrada de las impurezas del caldo por destilación sin un ajuste en el pH. Se cree que esto se debe a que la MEA actúa como una sal no volátil y que la mayor parte de la etanolamina permanece protonada, o que el pH de la composición del caldo antes de la concentración y retirada del agua es tal que la MEA bien está protonada o bien mantiene alguna interacción iónica con otros componentes de la composición. Esto se evidencia porque el experimento en WFS funciona a una temperatura de la pared significativamente superior a la del punto de ebullición de la MEA a la presión del sistema, mientras que el 99,98% de la MEA analizada en el material después del experimento permanecía en el residuo del WFS. También se encontró que la MEA no se destilaría fraccionadamente por lotes del concentrado de glicerol. Por lo tanto, la MEA no es volátil sin el ajuste de pH en disolvente de glicerol.

Ejemplo 3

El propósito de este experimento era determinar el efecto de ajustar el pH del caldo de fermentación sobre la recuperación de MEA basada en la destilación. Examinaba el cambio en la composición del destilado y el residuo tanto en un proceso en evaporador rotatorio con intercambio de disolvente (agua por glicerol) como en la concentración de MEA a partir de la composición de glicerol en un destilado utilizando un alambique de película renovada. Este Ejemplo utilizaba las mismas condiciones y equipo que el proceso en alambique de película renovada del Ejemplo 2 en el que el 99,98% de la etanolamina permanecía en el residuo.

Se produjo una composición de fermentación con un título de 34,5 g/l de etanolamina mediante la fermentación de una fuente de carbono en presencia de un microorganismo productor de etanolamina.

Ajuste de pH y destilación de agua en evaporador rotatorio

Análisis de etanolamina de los materiales del evaporador:

Destilación de la etanolamina de la composición de caldo de glicerol utilizando un alambique de película renovada El residuo del proceso del evaporador rotatorio se usó como material de alimentación para la destilación en alambique de película renovada. La destilación se completó durante un período de quince minutos. No hubo salpicaduras visibles debido a la rápida formación y explosión de burbujas, como se vio en el conducto de alimentación durante el experimento en WFS en el Ejemplo 2, ni hubo una acumulación de espuma problemática en el conducto de salida del residuo. El destilado era transparente con un tono amarillo claro.

Puntos de ebullición de materiales clave según los coeficientes de Antoine del NIST

Resumen de las condiciones de prueba utilizadas en WFS:

Análisis de etanolamina de materiales del WFS

Resultado

El ajuste a pH 12 dio como resultado una precipitación de sal desde el caldo de fermentación después de que la evaporación del agua produjera una forma concentrada de composición de caldo en glicerol. El destilado contenía etanolamina a 441.420 ppm, o al 44,1% en masa. El alambique de película renovada producía etanolamina en destilado a una concentración superior a seis veces la del material de alimentación, separando eficazmente la etanolamina de las impurezas en la composición del caldo.

Conclusión

Se piensa que el ajuste del caldo de fermentación a pH 12 desprotonaba la etanolamina, retirando la carga completa de '+1' que tiene la molécula a un pH neutro; una carga que hacía que actuara como una sal no volátil en la composición de fermentación. Esto estaba indicado por la concentración de etanolamina en el destilado tanto del evaporador rotatorio como del alambique de película renovada, que era elevada en comparación con experimentos anteriores en los que no se completaba un ajuste de pH. En el Ejemplo 1, en el que caldo de fermentación de niveles de etanolamina comparables se concentraba en propilenglicol en las mismas condiciones de temperatura y presión, no se detectó etanolamina en el destilado. La etanolamina en el caldo del Ejemplo 1 no era volátil, a pesar de que se concentró en un disolvente de punto de ebullición más bajo que el glicerol, debido a que no se añadió al caldo del Ejemplo 1 una base suficiente para desprotonar la etanolamina y permitir la destilación de la etanolamina. Durante el presente ejemplo, la etanolamina se detectó en el destilado a una concentración de 770 ppm. Además, el caldo utilizado en el Ejemplo 2 no recibía una base suficiente para aceptar un protón de la etanolamina y permitir la destilación de la etanolamina antes de la destilación en alambique de película renovada de una composición de caldo a base de glicerol, y no hubo concentración de etanolamina en el destilado. De hecho, el destilado contenía etanolamina a un nivel de solo 140 ppm. Solo el 0,02% de la etanolamina recuperada del sistema estaba en el destilado, mientras que el 99,98% de la etanolamina recuperada estaba en el residuo. La composición de caldo de glicerol utilizada como material de alimentación en el presente ejemplo recibía la adición de una base para elevar el pH por encima de pH 11,6 antes de la concentración en el glicerol. El alambique de película renovada, que funcionaba en las mismas condiciones, generaba a continuación un destilado con una concentración de etanolamina de 441.420 ppm. La concentración de etanolamina era más de seis veces mayor que la del material de alimentación, y el 70,7% de la etanolamina alimentada al sistema se recuperaba en el destilado, y solo el 2,0% de la etanolamina total alimentada al sistema se recuperaba en el residuo. Por lo tanto, se puede concluir que un caldo de fermentación que contiene etanolamina debe ajustarse a un pH más alto al que se desprotona la etanolamina, o la etanolamina no puede purificarse mediante operaciones de destilación debido a que no se volatilizará, incluso a temperaturas muy por encima de su punto de ebullición.

Ejemplo 4

Este experimento era para determinar el efecto del pH sobre la penetración de etanolamina (MEA) en una solución modelo con sales de sulfato y fosfato a través de una membrana de nanofiltración NFX de MWCO (corte de peso molecular) 150-300. Si la etanolamina se purificara mediante un proceso basado en membrana, muy probablemente sería necesaria una nanofiltración bien para retener las impurezas y permitir que la MEA penetrara, o bien para retener la MEA y permitir la penetración de impurezas. La MEA tiene un peso molecular de aproximadamente 61 gramos por mol, que está decididamente en el medio del espectro de peso molecular de muchas sales aniónicas y catiónicas. La MEA podría potencialmente separarse de la mayoría de las impurezas no volátiles del caldo a través de una diafiltración, pero permanecería en solución con todas o la mayoría de las sales iónicas en el caldo que, dependiendo del título de MEA, pueden estar presentes en concentraciones molares equivalentes o mayores que la MEA. Este puede ser el caso si la MEA se aislara de la mayoría de las impurezas del caldo utilizando también una resina de intercambio iónico. El líquido eluido contendría casi necesariamente un ión para desplazar la MEA así como un contraión. Por cualquiera de estas razones, el efecto del pH sobre la penetración de MEA a través de una membrana de nanofiltración era de interés.

Ensayo de nanofiltración a pH 10,3

Se preparó una solución de 254,42 g que contenía MEA, fosfato y sulfato de sodio en concentraciones de 0,5 M, 0,07 M y 0,25 M, respectivamente. La solución se midió a un pH de 10,3 y tenía un contenido de humedad del 95,77% determinado por un balance de humedad. La solución era transparente y todos los materiales estaban disueltos por completo. Se preparó una celda de presión de estilo de filtración sin salida diseñada para contener un volumen de aproximadamente 300 ml para probar membranas circulares de lámina plana de 90 mm de diámetro con una NFX de MWCO 150-300 fabricada por Synder Filtration. Esta lámina se preparó para la filtración con un enjuague con agua desionizada y penetración de agua a través de la lámina. La solución preparada se transfirió a la celda, la celda se cerró y se aumentó la presión de la celda hasta 3171 kPa (460 psi) durante un período de tres minutos. Un agitador magnético interno se activó a 250 rpm. La primera gota de permeado caía del tubo de permeado cinco minutos después de que se aplicara presión, y la velocidad de permeado inicial era de 42 gotas por minuto. La filtración se detuvo a los 385 minutos debido a la reducción del flujo a través de la lámina de membrana. Las concentraciones de la muestra se determinaron por cromatografía de gases. Se desarrolló una curva de calibración utilizando diluciones de etanolamina en etanol. Cada ensayo de filtración (a pH 10,3 y pH 7,0) se realizó a 25°C.

Resumen de soluciones iniciales y fracciones de permeado (F)

Tabla 2: Contenido de humedad

Ensayo de nanofiltración a pH 7

Este ensayo se realizó con una solución de etanolamina y sal de fosfato. La solución contenía etanolamina y fosfato a 0,5 M y 0,28 M, respectivamente. El ensayo a pH 7 requería una cantidad específica de ácido fosfórico basada en la concentración de etanolamina y, por lo tanto, el ensayo a pH 10,3, que requería menos ácido fosfórico, utilizaba sulfato de sodio para lograr una concentración equivalente de aniones divalentes de masa similar en solución en un intento para adaptarse a cualquier tipo de polarización de la concentración u otros efectos en la superficie y/o los poros de la membrana. Las condiciones y el equipo utilizados en este ensayo son, por lo demás, los mismos que en el ensayo de pH 10,3. Durante este experimento, el flujo de permeado era mucho más bajo, por lo que solo se tomaron tres fracciones de permeado mientras se permitía que la filtración continuara durante la noche.

Tabla 3: Resumen de soluciones y fracciones de permeado

Tabla 4: Contenido de humedad

Resultados

El análisis muestra que, a pH 10,3, la etanolamina penetra a través de la membrana. La generación de 135,78 gramos de permeado llevaba 385 minutos. Utilizando el contenido no volátil en la solución inicial, la masa total de material no volátil que habría estado en el permeado si el material no se hubiera filtrado puede determinarse en 5,74 gramos. Si todo el material no volátil hubiera sido rechazado en la membrana, el retenido habría tenido un contenido de no volátiles del 9,01%, aunque empíricamente se determinó que era del 8,77% con un balance de humedad. Así, se puede determinar que el retenido contenía el 97,82% del total de no volátiles, o sales, en la solución. Esto está en línea con el rechazo esperado de esta membrana. El análisis de la solución inicial y el retenido no indica concentración de etanolamina en la celda, aunque la concentración en el permeado es menor que la de la solución inicial, y se acerca a ella con el tiempo. Se esperaba la concentración inicial más baja, ya que un pequeño volumen de agua desionizada procedente de la preparación de la membrana permanecía en el tubo de permeado y en el soporte y los canales debajo de la membrana.

La generación de 138,36 gramos de permeado a pH 7,0 llevaba 1.767 minutos. Esto es 4,6 veces más tiempo que a pH 10,3. Esto indica que había más interacción con las especies disueltas en la superficie de la membrana que al pH más alto. Además, los sólidos totales del permeado eran ligeramente menores a este pH 7 que a pH 10,3. La concentración de etanolamina en la primera fracción de permeado a pH 7 era la mitad de la concentración a pH 10,3, y cada fracción estaba dentro de los 1,7 gramos de la otra. A pesar de que casi la misma masa de permeado pasaba por la membrana en cada ensayo, el retenido a pH 7 contenía etanolamina a 1,9 veces la del retenido a pH 10,3.

Conclusión

Ajustar el pH de la solución que contenía etanolamina al límite operativo de pH superior de la membrana de nanofiltración aumentaba significativamente el flujo total a través de la membrana, así como la concentración de etanolamina en el permeado. Ajustar el pH de la solución reducía el tiempo total de filtración en un ochenta por ciento en comparación con la solución sin ajustar. La solución a pH 7,0, que representa un caldo de fermentación teórico que no recibe un ajuste de pH, muestra un rechazo de etanolamina en la superficie de la membrana casi el doble que el de la solución de pH ajustado, concentrando la etanolamina en el retenido. Ajustar el pH de esta solución modelo, y muy probablemente un caldo de fermentación, para desprotonar la etanolamina y retirar la carga '+1' completa del grupo amina en solución proporcionaba una ventaja significativa en esta nanofiltración. Es muy probable que cualquiera de las diversas soluciones de procesamiento posteriores posibles para purificar etanolamina que utilizan nanofiltración se beneficie de un ajuste de pH para dar a la etanolamina una carga general neutra, como se demuestra en este experimento, si la penetración de la etanolamina es beneficiosa. En resumen, elevar el pH en este sistema modelo mejoraba el flujo general y el flujo de etanolamina a través de la membrana.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método para purificar etanolamina a partir de una composición de fermentación, comprendiendo el método: añadir una base a la composición de fermentación; y

retirar la etanolamina de la composición de fermentación por destilación,

donde la adición de la base a la composición de fermentación aumenta el pH de la composición de fermentación desde aproximadamente 8 o menos hasta igual o más de aproximadamente pH 9, por ejemplo pH 10 o más, por ejemplo pH 11 o más.

2. El método según la reivindicación 1, donde la base es una base fuerte, particularmente una base de hidróxido fuerte.

3. El método según cualquier reivindicación anterior, donde la destilación es destilación en alambique de película renovada o alambique de recorrido corto.

4. El método según cualquier reivindicación anterior, donde la destilación se produce a una temperatura igual o inferior a aproximadamente 170°C.

5. El método según cualquier reivindicación anterior, donde la destilación se produce a una presión igual o inferior a aproximadamente 150 kPa.

6. El método según cualquier reivindicación anterior, donde el método comprende esterilizar la composición de fermentación antes de retirar la etanolamina por destilación.

7. El método según cualquier reivindicación anterior, donde el método comprende retirar biomasa y/o células, microorganismos y/o agentes biológicos de la composición de fermentación, por ejemplo, mediante filtración, antes de retirar la etanolamina por destilación.

8. El método según la reivindicación 6 o 7, donde la composición de fermentación se esteriliza y/o donde la biomasa y/o las células, los microorganismos y/o los agentes biológicos se retiran de la composición de fermentación antes de la adición de la base a la composición de fermentación.

9. El método según cualquier reivindicación anterior, donde el método comprende añadir un disolvente que tiene un punto de ebullición más alto que el punto de ebullición de la etanolamina a la composición de fermentación antes de retirar la etanolamina por destilación.

10. El método según la reivindicación 9, donde el disolvente que tiene un punto de ebullición más alto que el punto de ebullición de la etanolamina se intercambia con agua en la composición de fermentación antes de retirar la etanolamina por destilación.

11. El método según cualquier reivindicación anterior, donde el método comprende sintetizar etanolamina mediante la fermentación de una fuente de carbono en presencia de un microorganismo productor de etanolamina para proporcionar una composición de fermentación que comprende etanolamina.

12. El método según cualquier reivindicación anterior, donde el método da como resultado que la etanolamina tenga una pureza igual o superior a aproximadamente el 60%.

13. El método según cualquier reivindicación anterior, donde el rendimiento de etanolamina purificada es igual o superior a aproximadamente el 60%.