KR20060077996A - Method of separating 1,3-propanediol or glycerol, or a mixture thereof from a biological mixture - Google Patents

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KR20060077996A
KR20060077996A KR1020040116658A KR20040116658A KR20060077996A KR 20060077996 A KR20060077996 A KR 20060077996A KR 1020040116658 A KR1020040116658 A KR 1020040116658A KR 20040116658 A KR20040116658 A KR 20040116658A KR 20060077996 A KR20060077996 A KR 20060077996A
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Abstract

본 발명은 1,3-프로판디올, 글리세롤 또는 1,3-프로판디올과 글리세롤의 혼합물을 생물학적 혼합물로부터 분리하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 분자 시이브를 이용하여 생물학적 혼합물로부터 1,3-프로판디올, 글리세롤 또는 1,3-프로판디올과 글리세롤의 혼합물을 분리하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법을 이용하면 특히 생성물 회수, 에너지 소비면에서 유용하며, 특히 1,3-프로로판디올 농도를 감소시킴으로써 피드백 억제를 제거하고, 1,3-프로판디올의 총 생산 속도를 증가시킬 수 있어, 높은 자본 생산성 및 높은 반응 수율을 이룰 수 있다.
The present invention relates to a method for separating 1,3-propanediol, glycerol or a mixture of 1,3-propanediol and glycerol from a biological mixture, more specifically 1,3- from a biological mixture using molecular sieves. A method for separating propanediol, glycerol or a mixture of 1,3-propanediol and glycerol. This method is particularly useful in terms of product recovery and energy consumption, and in particular, it is possible to eliminate feedback inhibition by increasing the concentration of 1,3-propanediol and increase the total production rate of 1,3-propanediol High capital productivity and high reaction yield can be achieved.

1,3-프로판디올, 글리세롤, 분자 시이브, 제올라이트1,3-propanediol, glycerol, molecular sieve, zeolite

Description

생물학적 혼합물로부터 1,3-프로판디올 또는 글리세롤 또는 그의 혼합물의 분리방법{Method of Separating 1,3-Propanediol or Glycerol, or a Mixture Thereof from a Biological Mixture} Method for Separating 1,3-propanediol or Glycerol, or a Mixture Thereof from a Biological Mixture             

도 1은 제올라이트로 채워진 컬럼의, 무세포 발효 육즙으로부터 1,3-프로판디올의 흡착 및 에탄올/물 수용액을 사용한 탈착을 도시하고 있다.1 illustrates adsorption of 1,3-propanediol from cell-free fermentation broth and desorption using an ethanol / water aqueous solution on a zeolite-filled column.

도 2는 보다 큰 규모의 제올라이트 컬럼으로부터 1,3-프로판디올의 용리를 도시하고 있다.
2 shows the elution of 1,3-propanediol from the larger scale zeolite column.

본 발명은 생물학적 혼합물로부터1,3-프로판디올, 글리세롤 또는 1,3-프로판디올과 글리세롤의 혼합물을 분리하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a process for separating 1,3-propanediol, glycerol or a mixture of 1,3-propanediol and glycerol from a biological mixture.

1,3-프로판디올(1,3-propanediol)은 폴리에스테르 섬유의 제조와 폴리우레탄 및 시클릭 화합물의 제조에서 잠재적 유용성이 있는 단량체이다.1,3-propanediol is a monomer of potential utility in the production of polyester fibers and in the production of polyurethanes and cyclic compounds.

1,3-프로판디올을 제조하기 위한 방법은 크게 화학적 방법과 생물학적 방법 으로 분류할 수 있다. 대표적인 화학적 생산방법을 예를 들면, 산화에틸렌을 포스핀, 물, 일산화탄소, 수소 및 산의 존재하에서 촉매에 의한 아크롤레인의 촉매적 액상 수화 후 환원되거나, 또는 글리세롤과 같은 탄화수소를 주기율표의 Ⅷ족 원소를 갖는 촉매상, 일산화탄소 및 수소의 존재하에서 반응하여 1,3-프로판디올로 전환될 수 있다. 상기 방법으로 1,3-프로판디올을 제조할 수 있지만 이 방법은 비용이 많이 들고 환경 오염물질을 함유한 폐유출물을 발생시킨다.Methods for preparing 1,3-propanediol can be broadly classified into chemical and biological methods. Typical chemical production methods include, for example, ethylene oxide reduced after catalytic liquid phase hydration of acrolein with a catalyst in the presence of phosphine, water, carbon monoxide, hydrogen and acid, or hydrocarbons such as glycerol, It can be converted to 1,3-propanediol by reaction in the presence of a catalyst, carbon monoxide and hydrogen. Although 1,3-propanediol can be produced by this method, this method generates a waste stream containing expensive and environmental pollutants.

미생물에 의해 글리세롤을 발효시켜 1,3-프로판디올을 생물학적으로 제조하는 방법은 공지되어 있다. 1,3-프로판디올을 제조할 수 있는 박테리아 균주는 글로스트리디움 (Clostridium), 엔테로박터 (Enterobacter), 일리오박터(Illyobacter), 크렙시엘라 (Klesiella), 락토바실러스(Lactobacillus), 펠로박터(Pelobacter), 시트로박터(Citrobacter) 군으로 밝혀졌다. 글리세롤은 2단계의 효소 촉매 반응을 거쳐 1,3-프로판디올로 전환되며, 더 이상 물질대사가 이루어지지 않아, 결과적으로 고농도로 배지에 축적된다.It is known to ferment glycerol by microorganisms to biologically produce 1,3-propanediol. 1,3 bacterial strain capable of producing a gloss-propanediol is a tree Stadium (Clostridium), Enterobacter bakteo (Enterobacter), one Rio bakteo (Illyobacter), keurep when Ella (Klesiella), Lactobacillus bacteria (Lactobacillus), Tupelo bakteo ( Pelobacter ), Citrobacter group. Glycerol is converted to 1,3-propanediol through a two-step enzymatic catalysis, which no longer metabolizes, resulting in high concentration in the medium.

상기 두가지 1,3-프로판디올의 합성방법은 모두 중합 전에 제거되어야 하는 불순물을 수반한다. 아크롤레인 경로의 경우에는, 이러한 불순물로는 물, 아크롤레인, 및 기타 유기 화합물을 들 수 있으며, 글루코오스로부터의 생물학적 경로에는 물, 글루코오스, 유기산, 염, 글리세롤 및 기타 화합물과 같은 불순물이 있을 수 있다. 1,3-프로판디올의 높은 비점 및 친수성으로 인해, 1,3-프로판디올을 상기 불순물 및 반응 부생성물 및(또는) 반응 공생성물로부터 표준방법으로 분리하는 것은 어렵다. Both methods of synthesizing 1,3-propanediol involve impurity that must be removed prior to polymerization. In the case of the acrolein pathway, such impurities include water, acrolein, and other organic compounds, and biological pathways from glucose can include impurities such as water, glucose, organic acids, salts, glycerol and other compounds. Due to the high boiling point and hydrophilicity of 1,3-propanediol, it is difficult to separate 1,3-propanediol from the impurities and reaction byproducts and / or reaction coproducts by standard methods.                         

1,3-프로판디올을 정제하는 공지된 방법들은 심각한 문제점이 있다. 수성 1,3-프로판디올 액체-액체 추출 (Malinowski, Biotech. Prog. 13(2), 127-30 (1999))은 "간단한 추출을 효과적으로 하기엔 충분히 양호하지 않음" 으로 개시되었다. 다른 액체-액체 추출 (DE 86-3632397)은 1,3-프로판디올로부터 이량성 아크롤레인을 추출하기 위해 시클로헥산을 사용하지만, 이 방법 은 1 시간 이상 걸리며, 아크롤레인 이외의 불순물을 제거하는 데에는 별로 유용하지 않다. 이온-배제 또는 역상 방법을 이용한 1,3-프로판디올의 HPLC 분리 (Mao, J. Liq. chromatogr. 17(8), 1811-9 (1994))는 잘 알려져 있으나, 크로마토그래피 매질 및 고압 공정 비용 때문에 소규모로만 사용될 수 있다. 1,3-프로판디올을 정제하기 위한 한 표준 기술로는 증발에 이어지는 증류를 들 수 있으며, 이 둘은 대규모의 열 주입량을 필요로 하며 비용이 많이 들 수 있다.Known methods of purifying 1,3-propanediol have serious problems. Aqueous 1,3-propanediol liquid-liquid extraction (Malinowski, Biotech. Prog. 13 (2), 127-30 (1999)) has been described as "not good enough to effect simple extraction". Other liquid-liquid extractions (DE 86-3632397) use cyclohexane to extract dimeric acrolein from 1,3-propanediol, but this method takes more than an hour and is very useful for removing impurities other than acrolein. Not. HPLC separation of 1,3-propanediol using ion-exclusion or reversed-phase methods (Mao, J. Liq. Chromatogr. 17 (8), 1811-9 (1994)) is well known, but the cost of chromatography media and high pressure processes Therefore it can only be used on a small scale. One standard technique for purifying 1,3-propanediol is distillation followed by evaporation, both of which require large amounts of heat injection and can be expensive.

또한, 1,3-프로판디올을 제조하는 방법에는 피드백 억제 문제가 있다 즉, 생물학적 경로의 경우에 고농도의 1,3-프로판디올 제조는 추가의 1,3-프로판디올 제조 또는 세포 성장 속도를 감소시킬 수 있다는 것이 잘 알려져 있다. (Cameron 등, Biotech. Prog. 14, 116-25 (1998)). 따라서, 1,3-프로판디올 제조 동안에 동일반응기내에서 사용가능한 분리 방법은 추가의 가치가 있을 것이다.In addition, there is a feedback suppression problem in the method of preparing 1,3-propanediol, i.e., in the case of biological pathways, the production of high concentrations of 1,3-propanediol further reduces the 1,3-propanediol production or cell growth rate. It is well known that it can. (Cameron et al., Biotech. Prog. 14, 116-25 (1998)). Thus, separation methods usable in the same reactor during 1,3-propanediol preparation will be of additional value.

탄소 및 제올라이트와 같은 선택적 흡착제가 1,3-프로판디올 분리에 제안된 경우도 있다. 제올라이트는 일반적으로 이온 및 물 분자로 채워진 공동을 둘러싸는 삼차원 골격 구조로 특징지어 지는 착물인 알루미노실리케이트로 설명될 수 있다. 상업적으로 유용한 제올라이트의 경우에, 물 분자는 구조를 파괴하지 않고 골격으 로부터 제거되거나 골격내에서 치환될 수 있다. 식 M2/nO·Al2O3·xSiO 2·yH2O (M은 n가 양이온 ; x는 2 이상 ; y는 제올라이트의 다공도 및 수화 정도에 따라 결정되는 수. 일반적으로 0 내지 8)로 나타낼 수 있다. 천연적으로 발생 하는 제올라이트의 경우에, M은 일반적으로 대략적인 지구화학적 존재비를 반영하는 Na, Ca, K, Mg 및 Ba 비율로 원칙적으로 나타낸다. 양이온 M은 구조에 느슨하게 결합되어 있으며, 통상적인 이온 교환에 의해 다른 양이온으로 전체 또는 부분 치환될 수 있다. 제올라이트 구조는 Al 또는 Si 원자가 사면체의 중앙에 있고 산소 원자가 코너에 있는 코너-연결된 사면체로 구성된다. 이러한 사면체는 4-, 6-, 8-, 10- 및 12-원 고리의 다양한 조합을 포함하는 잘 규정된 반복 구조와 결합된다. Optional adsorbents, such as carbon and zeolites, have also been proposed for 1,3-propanediol separation. Zeolites can generally be described as aluminosilicates, which are complexes characterized by a three-dimensional framework structure surrounding a cavity filled with ionic and water molecules. In the case of commercially useful zeolites, water molecules can be removed from or substituted in the skeleton without destroying the structure. Formula M 2 / n O · Al 2 O 3 · xSiO 2 · yH 2 O (M is n is the cation; x is at least 2;. Y is a number which is determined according to the degree of porosity and hydration of the zeolite, generally from 0 to 8) It can be represented as. In the case of naturally occurring zeolites, M is generally represented by the ratios Na, Ca, K, Mg and Ba, which generally reflect approximate geochemical abundances. The cation M is loosely bound to the structure and can be fully or partially substituted with other cations by conventional ion exchange. The zeolite structure consists of a corner-connected tetrahedron with Al or Si atoms in the center of the tetrahedron and oxygen atoms at the corners. Such tetrahedra are combined with well defined repeating structures comprising various combinations of 4-, 6-, 8-, 10- and 12-membered rings.

제올라이트의 하부군인 분자 시이브는 최근 1,3-프로판디올 정제용으로 고려되어 왔다. 1,3-프로판디올 정제에 사용되는 제올라이트는 양성자 형태가 아니므로, 양이온의 침출을 통해 혼합물 또는 피흡착질을 오염시키기 쉬었다. 구엔젤(Guenzel) 등 (Chem.-Ing.-Tech. 62(9), 748-50 (1990))은 1,3-프로판디올/수용액의 분리용으로 탈알루미늄화 NaY 및 실리카라이트를 시험하였고, 1,3-프로판디올 0.12 g/제올라이트 1 g의 최대 부하를 얻었다. 그러나, 이들은 글리세롤 선택도를 조사하지 않았다. 슐리커(Schlieker) 등 (Chem.-Ing.-Tech. 64(8), 727-8 (1992))은 활성화 탄소를 사용하였지만, 고비용의 중간체인 글리세롤의 상당히 비특이적인 흡착을 경험하였고, 단지 2.5 g/L hr의 1,3-프로판디올 발효 생산성을 성취하였다. 쇼엘너(Schoellner) 등 (J. Prakt. Chem. 336(5), 404-7 (1994))은 두 개의 X, 두 개의 Y 및 Na-ZSM-5 제올라이트를 시험하였다. Na-ZSM-5가 X 및 Y 제올라이트보다 우월하다는 것을 발견 하였지만, 혼합물 또는 피흡착질 스트림으로 염이 다시 침출될 수 있다. 제올라이트로부터 1,3-프로판디올의 회수는 논의되지 않았다.Molecular sieves, a subgroup of zeolites, have recently been considered for 1,3-propanediol purification. Since the zeolites used for 1,3-propanediol tablets are not in proton form, they tend to contaminate the mixture or adsorbate through leaching of cations. Guenzel et al. (Chem.-Ing.-Tech. 62 (9), 748-50 (1990)) tested dealuminated NaY and silicalite for separation of 1,3-propanediol / aqueous solution. A maximum load of 0.12 g of 1,3-propanediol / 1 g of zeolite was obtained. However, they did not investigate glycerol selectivity. Schlieker et al. (Chem.-Ing.-Tech. 64 (8), 727-8 (1992)) used activated carbon, but experienced a fairly nonspecific adsorption of glycerol, an expensive intermediate, only 2.5. A 1,3-propanediol fermentation productivity of g / L hr was achieved. Schellner et al. (J. Prakt. Chem. 336 (5), 404-7 (1994)) tested two X, two Y and Na-ZSM-5 zeolites. Although it has been found that Na-ZSM-5 is superior to X and Y zeolites, salts can be leached back into the mixture or adsorbate stream. Recovery of 1,3-propanediol from zeolites has not been discussed.

발효 배양액으로부터 1,3-프로판디올, 글리세롤, 또는 1,3-프로판디올과 글리세롤의 혼합물을 정제하는 방법의 개선은 특히 생성물 회수, 에너지 소비 및 피드백 억제 면에서 필요하다.
Improvements in the process for purifying 1,3-propanediol, glycerol, or mixtures of 1,3-propanediol and glycerol from fermentation broths are particularly necessary in terms of product recovery, energy consumption and feedback inhibition.

본 발명은 1,3-프로판디올, 글리세롤, 또는 1,3-프로판디올과 글리세롤의 혼합물을 생물학적 혼합물로부터 분자 시이브를 사용하여 효율적으로 분리하는 방법에 관한 것이다. 제올라이트 등의 분자 시이브에 혼합물 성분을 부착시킨 다음 적절한 용리용액을 통하여 각각의 성분을 높은 효율로 분리하고자 한다.
The present invention relates to a method for efficiently separating 1,3-propanediol, glycerol, or a mixture of 1,3-propanediol and glycerol from a biological mixture using molecular sieves. After adhering the mixture components to molecular sieves such as zeolites, each component is separated with high efficiency through an appropriate elution solution.

본 발명은 생물학적 혼합물로부터 1,3-프로판디올, 글리세롤, 또는 1,3-프로판디올과 글리세롤의 혼합물을 분자 시이브를 사용하여 분리하는 신규한 기술을 제공한다. 본 발명의 방법은 다른 이용 가능한 방법에 비해 상대적으로 간단한 장치를 사용하며 유지가 용이하다. 또한, 현재 이용 가능한 흡착제의 고비용 및 생성물 변이성의 주요한 문제를 해결한다. The present invention provides a novel technique for separating 1,3-propanediol, glycerol, or a mixture of 1,3-propanediol and glycerol from a biological mixture using molecular sieves. The method of the present invention uses a relatively simple device and is easy to maintain compared to other available methods. It also solves the major problems of high cost and product variability of currently available adsorbents.

본 발명에 따라 무세포 반응액을 분자 시이브의 군으로부터 선택된 제올라이 트-흡착제와 흡착에 적합한 온도 및 유속에서, 반응액과 관련된 불순물을 제거하고 1,3-프로판디올을 농축하게 하기에 충분한 시간 동안 접촉시킴으로써 농축된 생성물이 선택적으로 제공된다. 1,3-프로판디올이 농축된 생성물이 요구되는 경우에, 본 발명은 또한 흡착된 1,3-프로판디올을 탈착하여 이로써 농축되어진 생성물을 제공하는 방법을 포함한다. The cell-free reaction solution according to the present invention is sufficient to remove impurities associated with the reaction solution and to concentrate 1,3-propanediol at a temperature and flow rate suitable for adsorption with a zeolite-adsorbent selected from the group of molecular sieves. By contacting for a time, the concentrated product is optionally provided. If a product in which 1,3-propanediol is concentrated is desired, the present invention also includes a method of desorbing adsorbed 1,3-propanediol to thereby provide a concentrated product.

흡착/탈착을 기초로 하는 본 방법은 생성물을 물 대신에 에탄올 중에서 회수함으로써 증류 비용이 보다 낮은 생성물의 높은 회수에 특히 유용하다.The method, based on adsorption / desorption, is particularly useful for high recovery of products with lower distillation costs by recovering the product in ethanol instead of water.

본 발명의 방법에 사용된 제올라이트 종의 한 군은 ZSM-5의 경우에 (Na,TPA) n[Aln Si96-n O192 ]~16 H20 그리고 ZSM-11의 경우에 (Na,TBA) n[Aln Si96-nO192 ]~16 H20 -의 식으로 기재될 수 있는 합성 형태의 중간-기공 합성 제올라이트이다. 이러한 합성 제올라이트의 구조 및 합성은 관련 업계에 잘 알려져 있다. 그 후, 이러한 제올라이트는 당업계에 잘 알려진 표준 수순에 의해 수소 형태로 전환될 수 있다 (Donald W. Breck; Zeolite Molecular Sieves; 상기 문헌). 제올라이트내 평형 양이온이 H+ 인 경우에, 골격은 제올라이트 기공 구조내 산성 양성자의 유폐로 인해 형태-선택적 촉매성 또는 흡착성 특성을 띌 수 있는 고체 산이다. H-ZSM-5의 평균 기공 크기는 5.5 Å이다.One group of zeolite species used in the process of the invention is (Na, TPA) n [Al n Si 96 -n O 192 ]-16 H 2 0 for ZSM-5 and (Na, TBA) n [Al n Si 96 -nO 192] ~ 16 H 2 0 - an intermediate of the synthesis in such a way that it can be described by the formula - a pore synthetic zeolite. The structure and synthesis of such synthetic zeolites are well known in the art. Such zeolites can then be converted to the hydrogen form by standard procedures well known in the art (Donald W. Breck; Zeolite Molecular Sieves; supra). When the equilibrium cation in the zeolite is H +, the backbone is a solid acid that can have form-selective catalytic or adsorptive properties due to the closure of acidic protons in the zeolite pore structure. The average pore size of H-ZSM-5 is 5.5 mm 3.

본 발명은 1,3-프로판디올을 반응액으로부터 분리하기 위해 H-ZSM-5를 사용한다. 또한, 1,3-프로판디올을 ZSM-5 제올라이트로부터 탈착시키는데 에탄올/물을 사용한다. 흡착된 1,3-프로판디올은 에탄올/물 혼합물에 의해 치환되었다. 또한, 1,3-프로판디올의 수율은 에탄올의 농도를 증가시킴으로써 증가되었으며, 이는 1,3-프로판디올의 에탄올-풍부 혼합물에 의한 용리가 바람직한 것을 나타낸다. 1,3-프로판디올 생성물의 총 회수율은 96.1% 정도로 높은 것으로 계산되었다. 본 발명이 흡착된 1,3-프로판디올을 용리시키는 데 에탄올을 사용하지만, 임의의 C1-C4 알코올을 사용할 수 있다. 1,3-프로판디올 탈착은 상온에서 80 ℃ 사이의 온도가 바람직하다.The present invention uses H-ZSM-5 to separate 1,3-propanediol from the reaction solution. Ethanol / water is also used to desorb 1,3-propanediol from ZSM-5 zeolite. Adsorbed 1,3-propanediol was replaced by ethanol / water mixture. In addition, the yield of 1,3-propanediol was increased by increasing the concentration of ethanol, indicating that elution with an ethanol-rich mixture of 1,3-propanediol is preferred. The total recovery of the 1,3-propanediol product was calculated to be as high as 96.1%. Although the present invention uses ethanol to elute the adsorbed 1,3-propanediol, any C 1 -C 4 alcohol can be used. 1,3-propanediol desorption is preferably a temperature of between 80 ℃ at room temperature.

한 다른 실시양태에서, 2 단계 프로그램된 탈착은 컬럼에 증가하는 농도의 에탄올을 주입함으로써 성취된다. 첫 번째 저농도는 원치 않은 화합물을 용리시키는 반면에 두 번째 고농도는 주로 1,3-프로판디올을 용리시켰다. 이 방법은 1,3-프로판디올의 다른 성분에 의한 오염 수준을 감소시켰다.In one other embodiment, two stage programmed desorption is accomplished by injecting increasing concentrations of ethanol into the column. The first low concentration eluted unwanted compounds, while the second high concentration eluted mainly 1,3-propanediol. This method reduced the level of contamination by other components of 1,3-propanediol.

다른 실시양태에서, 1,3-프로판디올 및 글리세롤은 H-ZSM-5 제올라이트 (Si/Al=500) 또는 H-ZSM-5 제올라이트 (Si/Al=15)를 같이 사용함으로써 발효 육즙으로부터 동시에 제거되고, 각각은 높은 총 부하를 가지며 1,3-프로판디올:글리세롤 선택도는 거의 동일하다. 그 후, 생성된 1,3-프로판디올/글리세롤 혼합물은 상기 기재된 바와 같은 구배 용리액을 사용하여 분리된다. 혼합물은 증류와 같은 통상적인 분리 방법을 사용하여 추가로 정제될 수도 있다.In another embodiment, 1,3-propanediol and glycerol are simultaneously removed from fermentation broth by using H-ZSM-5 zeolite (Si / Al = 500) or H-ZSM-5 zeolite (Si / Al = 15) together. Each has a high total load and the 1,3-propanediol: glycerol selectivity is about the same. The resulting 1,3-propanediol / glycerol mixture is then separated using a gradient eluent as described above. The mixture may be further purified using conventional separation methods such as distillation.

다른 실시양태에서, 상기 기재된 바와 같은 1,3-프로판디올/글리세롤에 대한 높은 선택도를 갖는 분자 시이브를 사용하여 1,3-프로판디올을 발효 육즙으로부터 제거한 후, 발효 육즙을 글리세롤의 고부하 분자 시이브 (예컨대, H-ZSM-5 제올라 이트, Si/Al=15)로 순차적으로 처리 하여 유용한 글리세롤 성분을 제거한다. In another embodiment, the 1,3-propanediol is removed from the fermentation broth using a molecular sieve having a high selectivity to 1,3-propanediol / glycerol as described above, and then the fermentation broth is subjected to the high load molecule of glycerol. Sequential treatment with sieves (eg H-ZSM-5 zeolite, Si / Al = 15) removes useful glycerol components.

1,3-프로판디올, 글리세롤, 또는 1,3-프로판디올과 글리세롤의 혼합물을 연속적으로 또는 병행으로 회수하기 위한 상기 방법들의 조합은 본 발명의 범위내에 있다.Combinations of the above methods for recovering 1,3-propanediol, glycerol or a mixture of 1,3-propanediol and glycerol continuously or in parallel are within the scope of the present invention.

분리 단계에서 상기 언급된 임의의 분자 시이브를 사용하고 용리 단계에서 에탄올을 사용하면 90%를 초과하는 수율을 성취한다는 것이 발견되었다. 이러한 정제 수단으로 H-ZSM-5 (MFI의 특정 형태)가 선택되지만, 다양한 형태의 제올라이트가 사용될 수 있다. 본 발명의 목적을 위한 다른 제올라이트는 MFI, MEL, BEA, MOR, FAU, LTL, GME, FER, MAZ, OFF, AFI, AEL 및 AET로 이루어진 군 및 이러한 특정 제올라이트와 동일한 형태를 지닌 물질로부터 선택될 수 있다. 바람직한 구조로는 FAU, MFI, MEL 및 BEA를 들 수 있다. 이러한 분자 시이브는 당업계 에 잘 알려져 있으며 마이어(W. M. Meier) 등 (Atlas of Zeolite Structure Types)에 의해 기재되어 있다. 이러한 분자 시이브의 예로는 특정 제올라이트 골격의 산도, 소수도, 기공 크기 및 다른 특성을 나타내는 높은 Si/Al 비율 (예컨대, 5 이상)의 것들을 들 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 선택도는 건조와 같은 물리적 처리 및(또는) 분자 시이브를 코팅하여 변경하는 것과 같은 화학적 처리에 의해 추가로 개선될 수 있다.It has been found that using any of the molecular sieves mentioned above in the separation step and using ethanol in the elution step achieves yields in excess of 90%. H-ZSM-5 (specific form of MFI) is selected as such purification means, but various forms of zeolites can be used. Other zeolites for the purposes of the present invention can be selected from the group consisting of MFI, MEL, BEA, MOR, FAU, LTL, GME, FER, MAZ, OFF, AFI, AEL and AET and materials having the same form as those particular zeolites. Can be. Preferred structures include FAU, MFI, MEL and BEA. Such molecular sieves are well known in the art and are described by Atlas of Zeolite Structure Types. Examples of such molecular sieves include, but are not limited to, those of high Si / Al ratios (eg, 5 or more) that exhibit the acidity, hydrophobicity, pore size, and other properties of a particular zeolite backbone. Selectivity can be further improved by physical treatments such as drying and / or chemical treatments such as coating and altering molecular sieves.

요약하자면, 본 발명은 1,3-프로판디올, 글리세롤, 또는 1,3-프로판디올과 글리세롤의 혼합물을 오염물질, 부생성물 및 공생성물 화합물의 혼합물로부터 특정 분자 시이브를 사용하여 선택적으로 분리한다. 본 발명은 또한 분리 동안에 특정 탈착제를 사용하여 이를 농축시킨다. 본 발명은 또한 이어지는 증류 또는 정제 비용을 최소화한다. In summary, the present invention selectively separates 1,3-propanediol, glycerol, or a mixture of 1,3-propanediol and glycerol from a mixture of contaminants, by-products, and co-product compounds using specific molecular sieves. . The present invention also concentrates it using specific desorbents during separation. The present invention also minimizes the subsequent distillation or purification costs.

본 발명에서 분리되어 나오는 1,3-프로판디올 및 글리세롤의 확인 및 농도 측정은 가스 크로마토그래피를 이용하여 분석하였으며, 분석조건은 하기 표와 같았다.
Identification and concentration measurement of 1,3-propanediol and glycerol separated in the present invention was analyzed using gas chromatography, the analysis conditions are shown in the table below.

* 가스크로마토그래피 분석조건* Gas chromatography analysis condition

Figure 112004062825719-PAT00001
Figure 112004062825719-PAT00001

본 발명은 또한 하기 실시예 에서 추가로 정의된다.
The invention is further defined in the following examples.

실시예 1Example 1

흡착/탈착 컬럼을 통한 1,3-프로판디올의 선택적 농축 Selective concentration of 1,3-propanediol via adsorption / desorption column                     

H-ZSM-5 (~75% H+, 25% Na+ 양이온 균형, Si:Al= 25, 70% 제올라이트, 30% 알루미늄 결합제)의 23 g 압출물 (직경 0.32 cm)을 아미콘(Amicon) 컬럼(40 ml 컬럼 부피, ~1" ID)내에 채우고, 반응액(47 g/L 1,3-프로판디올)을 상기 컬럼을 통해 0.8 ml/분으로 펌프시켰다. 1,3-프로판 디올이 컬럼을 빠져나오는 것이 관찰될 때까지 이 흐름을 계속하였다. t=120 분에서, 50:50 (v:v) 에탄올:H20을 상기 컬럼을 통해 0.8 ml/분으로 펌프시켜 흡착된 1,3-프로판디올 생성물 을 용리시켰다. 흡착된 1,3-프로판디올의 질량은 2.10 g이었으며, 탈착된 1,3-프로판디올의 질량은 2.02 g이었으며, 생성물의 계산된 회수율은 96.1%였다.

A 23 g extrudate (0.32 cm in diameter) of H-ZSM-5 (~ 75% H + , 25% Na + cation balance, Si: Al = 25, 70% zeolite, 30% aluminum binder) was added to Amicon. Fill into a column (40 ml column volume, ˜1 ”ID) and pump the reaction solution (47 g / L 1,3-propanediol) at 0.8 ml / min through the column. The 1,3-propane diol column This flow was continued until exiting was observed At t = 120 minutes, 50:50 (v: v) ethanol: H 2 0 was pumped through the column to 0.8 ml / min to adsorb 1,3 The propanediol product was eluted The mass of adsorbed 1,3-propanediol was 2.10 g, the mass of desorbed 1,3-propanediol was 2.02 g, and the calculated recovery of the product was 96.1%.

실시예 2Example 2

흡착된 1,3-프로판디올의 프로그램된 용매 탈착Programmed Solvent Desorption of Adsorbed 1,3-propanediol

H-ZSM-5 제올라이트 (실시예 1 참조)로 채워진 컬럼 (1 L 부피, 1.875 " ID)을 먼저 1,3-프로판디올, 글리세롤, 글루코오스 및 다른 성분 (공급 농도: 8.0 g/L 1,3-프로판디올 / 29.7 g/L 글리세롤)의 혼합물과 접촉시켰다. 상기 컬럼 (10 ml/분)에 5% EtOH/95% H20 및 50% EtOH/50% H20를 순서대로 주입시킴으로써 2단계 프로그램된 탈착을 시도하였다. 5% EtOH/95% H20는 바람직하지 않은 글리세롤을 용리시킨 반면에, 50% EtOH/50%H20는 주로 1,3-프로판디 올을 용리시켰다. 상기 5% EtOH/95% H20 단계(t < 23 분)는 글리세롤 5.8 g 및 1,3-프로판디 올 1.8 g (질량비 글리세롤:1,3-프로판디올 = 3.17)으로 이루어진 분획을 생성하였다. 상기 50% EtOH/50% H20 단계(t > 23 분)는 글리세롤 9.29 g 및 1,3-프로판디올 13.5 g (질량비 1,3-프로판디올:글리세롤 = 1.46)으로 이루어진 분획을 생성하였다. 따라서, 50% EtOH/50% H 2 0 단계는 1,3-프로판디올:글리세롤의 비율을 공급물(질량비 1,3-프로판디올:글리세롤 = 0.27)에 비하여 현저히 증가시켰다. 또한, 이 50% EtOH:50% H20의 1,3-프로판디올 용리는 물 에 비해 보다 낮은 에탄올의 잠열로 인해 보다 적은 열 주입을 요구하였다. 따라서, 본 실시 예에서 2단계로 수행된 프로그램된 용리는 글리세롤 풍부 분획 및 1,3-프로판디올 풍부 분획을 초래하였는데, 그렇지 않았다면 함께 용리되었을 것이다 (도 2).
A column (1 L volume, 1.875 "ID) filled with H-ZSM-5 zeolite (see Example 1) was first subjected to 1,3-propanediol, glycerol, glucose and other ingredients (feed concentration: 8.0 g / L 1,3 Contact with a mixture of propanediol / 29.7 g / L glycerol) by injecting 5% EtOH / 95% H 2 0 and 50% EtOH / 50% H 2 0 in this column (10 ml / min) in order. Step programmed desorption was attempted: 5% EtOH / 95% H 2 0 eluted the undesirable glycerol, while 50% EtOH / 50% H 2 0 eluted mainly 1,3-propanediol. The 5% EtOH / 95% H 2 0 step (t <23 min) yielded a fraction consisting of 5.8 g of glycerol and 1.8 g of 1,3-propanediol (mass ratio glycerol: 1,3-propanediol = 3.17) The 50% EtOH / 50% H 2 0 step (t> 23 min) yielded a fraction consisting of 9.29 g of glycerol and 13.5 g of 1,3-propanediol (mass ratio 1,3-propanediol: glycerol = 1.46). Therefore, 50% EtOH / 50% H The 20 step significantly increased the ratio of 1,3-propanediol: glycerol compared to the feed (mass ratio 1,3-propanediol: glycerol = 0.27), and the 1 of 50% EtOH: 50% H 2 0. The, 3-propanediol elution required less heat injection due to lower latent heat of ethanol compared to water, therefore, the programmed elution performed in two steps in this example is a glycerol rich fraction and 1,3-propanediol Abundant fractions resulted, otherwise they would elute together (FIG. 2).

반응액으로부터 1,3-프로판디올, 글리세롤, 또는 1,3-프로판디올과 글리세롤의 혼합물을 정제하는 방법의 개선은 특히 생성물 회수, 에너지 소비 및 피드백 억제 면에서 필요하다. 발효 반응 동안에 1,3-프로판디올을 선택적으로 제거하는 기술은 매우 유용할 것이다. 이러한 기술은 이용가능한 1,3-프로판디올 농도를 감소시킴으로써 피드백 억제를 제거하고 1,3-프로판디올의 총 생산 속도를 증가시킬 것으로 기대된다. 그 결과, 보다 높은 자본 생산성 및 잠재적으로 보다 높은 반응 수율이 성취될 것이다.Improvements in the process for purifying 1,3-propanediol, glycerol or a mixture of 1,3-propanediol and glycerol from the reaction solution are particularly necessary in terms of product recovery, energy consumption and feedback suppression. Techniques for selectively removing 1,3-propanediol during fermentation reactions would be very useful. This technique is expected to eliminate feedback inhibition and increase the total production rate of 1,3-propanediol by reducing the available 1,3-propanediol concentration. As a result, higher capital productivity and potentially higher reaction yields will be achieved.

Claims (2)

(1) 1,3-프로판디올, 글리세롤, 또는 1,3-프로판디올과 글리세롤의 혼합물을 함유하는 생물학적 혼합물을 MFI, MEL, BEA, MOR, FAU, LTL, GME, FER, MAZ, OFF, AFI, AEL 및 AET로 이루어진 군으로부터 선택된 충분한 양의 하나 이상의 제올라이트 및 이러한 제올라이트와 동일한 형태의 물질과 접촉시키는 단계, (1) Biological mixtures containing 1,3-propanediol, glycerol or a mixture of 1,3-propanediol and glycerol may be prepared by MFI, MEL, BEA, MOR, FAU, LTL, GME, FER, MAZ, OFF, AFI. Contacting with a sufficient amount of one or more zeolites selected from the group consisting of AEL and AET and materials of the same type as such zeolites, (2) 단계 (1)의 제올라이트를 에탄올:수용액 또는 임의의 C1 - C4 알코올:수용액으로 이루어진 군으로부터 선택된 탈착제와 접촉시키는 단계,(2) contacting the zeolite of step (1) with a desorbent selected from the group consisting of ethanol: aqueous solution or any C 1 -C 4 alcohol: aqueous solution, (3) 단계 (2)에서 분자 시이브로부터 용리된 1,3-프로판디올, 글리세롤, 또는 1,3-프로판 디올과 글리세롤의 혼합물을 수집하는 단계, 및(3) collecting 1,3-propanediol, glycerol, or a mixture of 1,3-propane diol and glycerol eluted from the molecular sieve in step (2), and (4) 임의로 단계 (1)부터 (3)까지 1 회 이상 반복하는 단계를 포함하는 1,3-프로판디올, 글리세롤 또는 1,3-프로판디올과 글리세롤의 혼합물을 분리하는 방법.(4) A process for separating 1,3-propanediol, glycerol or a mixture of 1,3-propanediol and glycerol, optionally comprising repeating one or more times from steps (1) to (3). 제 1항에 있어서, 단계 (1)에서 제 1 제올라이트를 선택하여 생물학적 혼합물로부터 1,3-프로판디올과 글리세롤의 혼합물을 선택적으로 흡착하고, 일련의 단계 (2), (3) 및 임의로 (4)를 수행 한 후, The process according to claim 1, wherein the first zeolite is selected in step (1) to selectively adsorb a mixture of 1,3-propanediol and glycerol from the biological mixture, and a series of steps (2), (3) and optionally (4). After doing (5) 1,3-프로판디올과 글리세롤의 혼합물을 제 2 제올라이트와 접촉시켜 1,3-프로판디올과 글리세롤의 혼합물로부터 1,3-프로판디올 또는 글리세롤을 선택 적으로 흡착하는 단계,(5) selectively adsorbing 1,3-propanediol or glycerol from the mixture of 1,3-propanediol and glycerol by contacting the mixture of 1,3-propanediol and glycerol with a second zeolite, (6) 단계 (5)의 제올라이트를 에탄올:수용액 또는 임의의 C1 - C4 알코올:수용액과 같은 탈착제와 접촉시키는 단계, (6) contacting the zeolite of step (5) with a desorbent such as ethanol: aqueous solution or any C 1 -C 4 alcohol: aqueous solution, (7) 단계 (6)에서 제올라이트로부터 용리된 1,3-프로판디올 또는 글리세롤을 수집하는 단계, (7) collecting 1,3-propanediol or glycerol eluted from zeolite in step (6), (8) 임의로 일련의 단계 (5) 부터 (7)까지 1 회 이상 반복 하여 정제된 1,3-프로판디올 또는 글리세롤을 수득하는 것을 추가하는 것을 특징으로 하는 방법. (8) optionally repeating one or more times from a series of steps (5) to (7) to obtain purified 1,3-propanediol or glycerol.
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