PL222756B1 - Sposób wydzielania 1,3-propanodiolu z brzeczki fermentacyjnej - Google Patents

Description

(21) Numer zgłoszenia: 406374 (51) Int.Cl.

C12P 7/18 (2006.01) C07C 29/74 (2006.01) C07C 29/80 (2006.01)

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 04.12.2013 (54) Sposób wydzielania 1,3-propanodiolu z brzeczki fermentacyjnej (73) Uprawniony z patentu:

POLITECHNIKA POZNAŃSKA, Poznań, PL (43) Zgłoszenie ogłoszono:

08.06.2015 BUP 12/15 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono:

30.09.2016 WUP 09/16 (72) Twórca(y) wynalazku:

IRENEUSZ MIESIĄC, Poznań, PL BEATA RUKOWICZ, Piła, PL KRZYSZTOF ALEJSKI, Kamionki, PL (74) Pełnomocnik:

rzecz. pat. Marcin Walkowiak

PL 222 756 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wydzielania 1,3-propanodiolu z brzeczki fermentacyjnej.

1,3-propanediol jest ważnym monomerem do produkcji szeregu polimerów jak poliestry kwasu tereftalowego, poliuretany i inne. Znanych jest szereg metod otrzymywania tego surowca metodami syntezy chemicznej poprzez akroleinę, jednakże metody te są niedogodne ze względu na wysoki koszt i tworzenie produktów ubocznych. Konkurencyjną metodą otrzymywania 1,3-PD jest biokonwersja glukozy przy udziale wybranych szczepów mikroorganizmów jak Clostridium butyricum, Klebsiella pneumoniae, Citrobacter freundii, Clostridium pasteurianum. W procesie otrzymuje się roztwory

1,3-PD o stężeniu 3-8% zawierające ponadto nieprzetworzoną glukozę, kwasy karboksylowe, glicerol oraz inne zanieczyszczenia organiczne i nieorganiczne. Surowcem biokonwersji zamiast glukozy może być także glicerol, występujący obecnie na rynku w dużym nadmiarze jako produkt uboczny otrzymywania biodiesla z tłuszczów i olejów roślinnych. Wyselekcjonowano szereg szczepów drobnoustrojów zdolnych do efektywnej biokonwersji glicerolu do 1,3-propanodiolu o stężeniu końcowym 30-80 g/L. Biokonwersja glicerolu przebiega w sposób półperiodyczny z ciągłym dozowaniem glicerolu z dodatkiem NaOH w celu zobojętnienia powstających ubocznie kwasów karboksylowych takich jak kwas octowy, mlekowy, bursztynowy, masłowy.

W stanie techniki znanych jest szereg różnych metod wydzielania 1,3-PD z brzeczki fermentacyjnej. Ekstrakcja dwufazowa w układzie wodnym z dodatkiem polielektrolitów lub hydrożeli wprowadza dodatkowe zanieczyszczenia i wykazuje ograniczone zastosowanie. Ekstrakcja rozpuszczalnikami organicznymi jak cykloheksan, alkohole alifatyczne, ketony i etery alkilowe odznacza się niskimi współczynnikami podziału ze względu na hydrofilowy charakter 1,3-PD (Malinowski.J., Evaluation of liquid extraction potentials for downstream separation of 1,3-propanediol, Biotechnology Techniques 13: 127-130, 1999). Zwiększenie współczynnika podziału jest możliwe metodą tzw. wysalania, ale wymaga to znacznego wzrostu zasolenia roztworu wodnego i prowadzi do wytworzenia dodatkowych odpadów solnych, wymagających utylizacji.

W amerykańskim zgłoszeniu US20080097130 opisano wydzielanie 1,3-propanodiolu poprzez zatężanie próżniowe roztworów wodnych, zawierających ponadto 1,2-propanodiol, glicerol i glukozę i następną ekstrakcję zatężonego roztworu selektywnymi rozpuszczalnikami organicznymi, takimi jak octan etylu, keton metylowo etylowy. Wykorzystuje się tutaj większą rozpuszczalność 1,3-PD w stosunku do 1,2-PD i glicerolu w wybranych rozpuszczalnikach.

W opisie patentowy US6603048 opisano także technikę selektywnej sorpcji 1,3-PD z mieszaniny z glicerolem na zeolicie H-ZSM-5. Efektywność sorpcji 1,3-PD wyniosła 50 g/L, a stopień odzysku po przemyciu 50% etanolem wynosił 94,7%. Sorpcja glicerolu była o wiele mniejsza i możliwe było jego usunięcie ze złoża za pomocą 5% etanolu. Sorpcję na zeolicie zaproponowano do ciągłego usuwania 1,3-propanodiolu z brzeczki fermentacyjnej po uprzednim odfiltrowaniu mikroorganizmów. Wzrasta wtedy znacznie szybkość biokonwersji, a stężenie obliczeniowe 1,3-PD w brzeczce wzrasta z 30 g/L do 60 g/L.

W pracy Pinki Anand et al (A novel downstream process for 1,3-propanediol from glycerol-based fermentation, Appl Microbiol Biotechnol (2011) 90: 1267-1276) opisano proces wydzielania

1.3- PD z brzeczki fermentacyjnej za pomocą kilku operacji technologicznych, obejmujących mikrofiltrację roztworu, adsorpcję zanieczyszczeń na węglu aktywnym, zatężanie próżniowe oraz chromatografię preparatywną na żelu krzemionkowym. Przebadano kilka różnych sorbentów typu anionitów, kationitów, żywicy makroporowatej Amberlite XAD-7 oraz żelu krzemionkowego w celu wydzielenia

1.3- propanediolu z brzeczki fermentacyjnej. Najlepsze wyniki sorpcji (0,55 g 1,3-PD /g) z roztworów zatężonych zawierających ok. 28% 1,3-PD, 5% glicerolu, 7% kwasu mlekowego, 2% kwasu bursztynowego otrzymano dla żelu krzemionkowego. Rozdział chromatograficzny jest w tym przypadku możliwy przy zastosowaniu mieszaniny chloroform-metanol jako eluenta oraz przy małym obciążeniu złoża poniżej 0,1 BV. Ogranicza to mocno zastosowanie praktyczne tej technologii.

Również w pracy Mi-Hae Choa et al (A novel separation and purification process for 1,3-propanediol, Process Biochemistry 41 (2006) 739-744) opisano badania modelowe nad rozdziałem

1.3- PD i 1,2-PD. Glukozę i glicerol oddzielono wstępnie prze ekstrakcję octanem etylu. Rozdział chromatograficzny przebiegał na kolumnie preparatywnej z żelem krzemionkowym, eluentem była mieszanina octan etylu - metanol 98:2. Stosowano małe obciążenie kolumny (0,07 BV) i małą szyb-1 kość przepływu (1 h^-1), stąd uzyskano także niską produktywność procesu. Dodatkowo z roztworu należało odparować duże ilości rozpuszczalnika organicznego.

PL 222 756 B1

Podobnie w pracy P. Barski et al (Evaluation of solid phase extraction for downstream separation of propane-1,3-diol and butan-1-ol from fermentation broth, Process Biochemistry 47 (2012) 1005 -1010) opisano wydzielanie 1,3-propanodiolu z brzeczki fermentacyjnej zawierającej także glicerol, kwas masłowy i octowy jako zanieczyszczenie. Brzeczkę fermentacyjną rozdzielano na modyfikowanym żelu krzemionkowym metodą chromatografii preparatywnej przy użyciu metanolu jako eluenta. Nie uzyskano zatężenia produktu w eluacie, nie podano stopnia separacji glicerolu oraz wydajności wydzielenia produktu.

W opisie patentowy FR2801058 opisano proces rozdziału 1,3-propanediolu i glicerolu z roztworu fermentacyjnego po całkowitej dejonizacji na jonitach (zasolenie początkowe 70 mEq/L). Rozdział zachodził na kolumnie kationitowej w formie La³⁺ lub Pb²⁺ ze stopniem obciążenia kolumny poniżej

0,01 BV, z szybkością przepływu 0,5 h^-1. Z brzeczki fermentacyjnej o stężeniu 1,3-PD powyżej 90 g/L uzyskano frakcje czystego 1,3-PD z wydajnością 32-47% o stężeniu 3 g/L. Metoda ta ma charakter wyłącznie preparatywny, operuje bardzo małym stopniem obciążenia złoża i nie nadaje się do zastosowań przemysłowych. Rozdzielono tylko 2 składniki brzeczki, tj. 1,3-PD i glicerol, a sole kwasów mineralnych i karboksylowych zatrzymano metodą wymiany jonowej. W normalnym procesie chromatograficznym sole te powinny być oddzielone w eluacie przed 1,3-PD.

Fisher et al w zgłoszeniu WO 00/24918 opisali metodę wydzielania 1,3-PD obejmującą nieniszczące oddzielenie mikroorganizmów, flokulację składników białkowych, rozdział chromatograficzny na złożach jonitowych, adsorpcję na węglu aktywnym, odparowanie wody i wytrącenie zanieczyszczeń przez krystalizację. Celem tej technologii było otrzymanie 1,3-PD spełniającego wymogi przemysłu spożywczego, szczególnie wolnego od substancji białkowych.

W opisie patentowym US6361983 opisano proces obróbki brzeczki fermentacyjnej polegający na odparowaniu i destylacji próżniowej 1,3-PD z roztworów mocno alkalicznych. Najlepsze wyniki osiągnięto przy destylacji próżniowej 1,3-PD z dodatkiem wodorotlenku wapnia. Metoda umożliwia oddzielenie zanieczyszczeń kwasowych w postaci soli oraz daje destylat o jasnej barwie i dużej wydajności rzędu 95%.

W opisie patentowym firmy Dow US7919658 opisano metodę otrzymywania 1,3-PD przez fermentacje cukru przy użyciu zmodyfikowanych szczepów E. Coli i proces oczyszczania produktu. Brzeczka fermentacyjna była kolejno poddawana procesom ciśnieniowym mikrofiltracji na membranie ceramicznej, ultrafiltracji (5 kDa), nanofiltracji (200 Daltonów). Następnie filtrat poddawany był wymianie jonowej przy użyciu mocnego kationitu i słabego anionitu, po czym następowało zatężanie przez odparowanie wody. Produkt podlegał powtórnej wymianie jonowej na złożu mieszanym (mocny kationit Dowex 88 i słaby anionit Dowex 77) i kierowany był do destylacji próżniowej. Końcową operacją było uwodornianie produktu w łagodnych warunkach temperatury (80-130°C) i ciśnienia (15-30 bar) w celu usunięcia składników odpowiedzialnych za barwę, po czym następowała powtórna destylacja próżniowa.

Z opisów podanych w ostatnim patencie wynika, że główną trudnością oczyszczania 1,3-PD jest usunięcie substancji barwnych i ich prekursorów, takich jak związki nienasycone, aldehydy, nadtlenki. Zabarwienie produktu powstaje w trakcie zatężania próżniowego i nie ulega usunięciu podczas destylacji. Stąd konieczne były dodatkowe operacje usuwania substancji zjonizowanych na złożu mieszanym (Dowex 88/Dowex 22) jak i zastosowanie dodatkowej operacji uwodornienia zatężonego produktu na niklu Raneya. Trudności z odbarwieniem produktu wystąpiły pomimo zastosowania nowoczesnych jonitów makroporowatych, znanych jako efektywne sorbenty w procesach odbarwiania roztworów cukru i glicerolu.

Okazuje się jednak, że 1,3-PD o jasnej barwie można otrzymać z brzeczki fermentacyjnej, stosując wstępny etap odsalania i odbarwiania metodą ekskluzji jonów, odsalanie końcowe metodą wymiany jonowej w układzie mocny kationit - słaby anionit oraz w końcowym etapie adsorpcję substancji barwnych i ich prekursorów na mocnym amonicie. Substancje barwne i ich prekursory (chromofory) mają zazwyczaj charakter słabych kwasów (np. aminokwasy, peptydy, hydronadtlenki) i nie ulegają sorpcji na słabym amonicie. Zastosowanie mocnego anionitu w formie chlorkowej lub wodorotlenowej zatrzymuje skutecznie te substancje. Dodatkowo w procesie technologicznym wstępne odsolenie roztworu fermentacyjnego metodą ekskluzji jonów na kationicie sodowym usuwa znaczną część substancji barwnych, wymywanych łącznie z pasmem soli. W procesie biokonwersji glicerolu przy udziale Clostridium butyricum brzeczka fermentacyjna zawiera znaczną ilość soli mineralnych z pożywki oraz z powstających ubocznie soli kwasów karboksylowych. Kwasy karboksylowe są neutralizowane w sposób ciągły w procesie fermentacji przez dodatek 20% NaOH w celu utrzymania pH 7,0. Stężenie

PL 222 756 B1 sumaryczne elektrolitów w brzeczce fermentacyjnej może wynosić 200-300 mEq/L, co jest wartością zbyt dużą do usunięcia metodą wymiany jonowej ze względu na ograniczoną zdolność wymienną jonitów (1,5 Eq/L dla kationitów i 1,0 Eq/L dla amonitów). Wymiana jonowa jest efektywną metodą odsalania roztworów wodnych o całkowitym stężeniu elektrolitów poniżej 10 meq/L. Wstępne odsolenie metodą ekskluzji jonów pozwala obniżyć zasolenie roztworu o 90%, a jednocześnie obniżyć znacznie zawartość substancji barwnych. Kationit w formie sodowej, stosowany do ekskluzji jonów, korzystnie powinien wykazywać strukturę żelową, zwiększającą efekt wykluczania Donnana.

Pozostała część soli oraz substancji barwnych ulega zatrzymaniu w układzie wymieniaczy jonowych: mocny kationit w formie H+ i słaby anionit w formie OH-. Korzystnie obydwa typy wymieniaczy jonowych powinny wykazywać strukturę makroporowatą, dostępną dla dużych cząsteczek kwasów karboksylowych.

Końcowym etapem tego procesu jest złoże mieszane kationit-anionit, służące do zatrzymania śladowych ilości elektrolitów. Można tu użyć mieszaniny mocnego kationitu i słabego lub mocnego anionitu zarówno w formie żelowej jak i makroporowatej. Małe stężenie elektrolitów na wlocie do złoża mieszanego warunkuje jego długą żywotność złoża bez konieczności zbyt częstej regeneracji.

Regenerację stosowanych jonitów przeprowadza się w standardowy sposób, stosując roztwory 1M NaOH i 1-2M HCl zarówno do przemywania kationitu jak i anionitu. Wstępne przemywanie wyczerpanego kationitu roztworem alkalicznym przed właściwą regeneracją kwasem ma na celu łatwiejsze odmycie zanieczyszczeń barwnych. Podobnie przemywanie wyczerpanego anionitu kwasem przed właściwym etapem regeneracji alkalicznej pomaga w usunięciu pochodnych aminowych i zaabsorbowanych aminokwasów.

Po odsoleniu roztworu metodą wymiany jonowej następuje zatężanie przez odparowanie wody w temperaturze 45-50°C pod ciśnieniem 20-50 hP do stężenia 1,3-PD ok. 95%. Taki roztwór podaje się na kolumnę z żywicą odbarwiającą, a następnie na kolumnę z węglem aktywnym granulowanym o uziarnieniu 0,2-0,5 mm. Jako żywicę odbarwiającą stosuje się makroporowaty, mocny anionit w formie chlorkowej.

Zatężony roztwór 1,3-PD poddaje się destylacji pod obniżonym ciśnieniem do 100 hPa w temperaturze 140-150°C, stosując kolumnę z wypełnieniem. Jako przedgon odbiera się wodę i ewentualnie 2,3-butanodiol. W kotle destylacyjnym pozostają składniki trudnolotne jak glicerol, produkty destrukcji termicznej i oligomeryzacji.

Produkt końcowy wykazuje czystość powyżej 99,9% (analiza GC) i odpowiada wymaganiom surowcowym monomeru dla przemysłu polimerów.

Istotą wynalazku jest sposób wydzielania 1,3-propanodiolu z brzeczki fermentacyjnej polegający na tym, iż w pierwszej kolejności z surowej brzeczki fermentacyjnej o zawartości 20-80 g/L 1,3-PD znanymi metodami oddziela się zawiesin i koloidy. Następnie filtrat odsala się wstępnie metodą ekskluzji jonów przy pH >7, a w dalszej kolejności odsala całkowicie metodą wymiany jonowej. Kolejnym etapem jest odbarwienie z użyciem żywic odbarwiających lub węgla aktywnego. Po czym zatęża się materiał próżniowo w temperaturze poniżej 100°C i w dalszej kolejności destyluje próżniowo w temperaturze 140-150°C.

Korzystnym rozwiązaniem jest, kiedy w procesie ekskluzji jonów używa się kationitu monosferycznego w formie sodowej, o jednorodnym uziarnieniu w granicach 0,1-1,0 mm, korzystnie 0,65 ±0,05 mm. Temperatura procesu ekskluzji jonów powinna zawierać się w granicach 20-80°C, korzystnie 60°C.

Innym korzystnym rozwiązaniem jest, kiedy proces ekskluzji jonów prowadzi się metodą periodyczną przez naprzemienne przemywanie złoża roztworem zasilającym i wodą dejonizowaną lub metodą ciągłą w systemie symulowanego złoża ruchomego. Korzystnie również do wymiany jonowej stosuje się układ jonitów złożony z kationitu mocnego i anionitu słabego, o strukturze makroporowatej oraz końcowe złoże mieszane złożone z obydwu jonitów.

Innym korzystnym rozwiązaniem jest, kiedy proces odbarwienia końcowego następuje po zatężeniu roztworu do stężenia 1,3-PD 50-95%. Korzystnie odbarwienie końcowe odbywa się przy użyciu anionitu mocnego w formie OH- lub Cl- oraz węgla aktywnego.

P r z y k ł a d 1

W tabeli 1 i 2 przedstawiono skład pożywki oraz skład brzeczki fermentacyjnej po 3 dniach prowadzenia procesu beztlenowego.

PL 222 756 B1

T a b e l a 1

Skład pożywki brzeczki fermentacyjnej (pH 7,0)

Składniki w litrze	mM	mEq
3,4 g K2HPO4	19,5	39
1,3 g KH2PO4	9,5	19
2,0 g (NH4)2SO4	15,1	30
0,2 g MgSO4 x 7H2O	0,8	1,6
2,0 g CaCO3	20	40
20 mg CaCl2 x 2H2O	0,14	0,3
5 mg FeCl2 x 7H2O	0,02	0,04
2,0 g ekstrakt drożdzowy	-	-
Suma elektrolitów nieorg.		130

T a b e l a 2

Skład końcowy brzeczki fermentacyjnej

Składnik	Stężenie
g/L	mEq/L
1,3-PD	36,0	480
Glicerol	0,51	5,5
Kwas octowy	2,86	47,7
Kwas masłowy	3,96	45,0
Kwas mlekowy	3,12	34,7
Kwas mrówkowy	0,95	20,6
Kwas bursztynowy	0,40	3,4
Suma kwasów	-	151,4

Brzeczkę surową poddano wirowaniu (3000 g, 15 min) oraz ultrafiltracji na membranie polisulfonowej 50 kDa w celu oddzielenia mikroorganizmów i koloidów. Porcję 3,5 L filtratu wprowadzono na kolumnę 1000 x 220 mm wypełnioną kationitem AmberJet 1200 Na w formie sodowej (VB=10,5 L), po czym kontynuowano przemywanie kolumny wodą dejonizowaną z natężeniem przepływu 0,3 L/min (1,7 h^-1). Temperatura procesu wynosiła 25°C, przebieg stężeń składników oznaczonych metodą -1

HPLC - rozdziału 1,3-PD i soli w brzeczce fermentacyjnej metodą ekskluzji jonów (VB=10,5 L, v=1,7 h^- , 25°C, C_o=36 g/L 1,3-PD, 0,28 Eq/L sól) - przedstawiono na fig. 1.

Z eluatu wyodrębniono 3 frakcje: odpad solny 0,35-0,55 VB, recykl 0,55-0,75 VB oraz produkt wstępnie odsolony 0,75-1,2 VB. Wydajność separacji 1,3-PD we frakcji produktu wynosiła 56%, a stopień odsolenia blisko 90%. Frakcję produktu przepuszczono przez układ kolumn jonitowych (mocny kationit Lewatit 112 H+, słaby anionit Lewatit MP 64, OH-), następnie przez złoże mieszane (Lewatit 112/Lewatit M600). Odsolony roztwór zatężono do 95% przez odparowanie wody pod ciśnieniem 50 hPa w temperaturze 45°C. Roztwór zatężony o barwie lekko żółtej przepuszczono przez kolumny odbarwiające wypełnione kolejno mocnym amonitem makroporowatym w formie Cl- oraz węglem aktywnym granulowanym o wielkości ziarna 0,2-0,5 mm. Oczyszczony produkt poddano destylacji frakcyjnej w temperaturze 145°C pod ciśnieniem 100 hPa przy zastosowaniu kolumny Vigreux. Otrzymano 45 g produktu bezbarwnego o zawartości 99,9% 1,3-propanodiolu.

P r z y k ł a d 2 (porównawczy)

Brzeczkę fermentacyjną po odwirowaniu i ultrafiltracji analogicznie jak w przykładzie 1 poddano bezpośrednio wymianie jonowej w identycznym układzie jonitów jak poprzednio, ale z pominięciem ekskluzji jonów i kolumn odbarwiających. Roztwór odsolony zatężono przez odparowanie wody w temperaturze 40-50°C pod ciśnieniem 50 hPa do osiągnięcia zawartości 90% 1,3-PD. Zatężony

PL 222 756 B1 roztwór o barwie żółtej przepuszczono przez kolumnę z węglem aktywnym granulowanym, uzyskując znaczne odbarwienie. Roztwór oczyszczony poddano destylacji próżniowej na kolumnie Vigreux (145°C, 100 hPa) uzyskując 40 g produktu o barwie jasnożółtej. Dalsze odbarwianie produktu przez dodatek pylistego węgla aktywnego i filtrację zawiesiny nie przyniosło całkowitego usunięcia zabarwienia.

Claims (7)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wydzielania 1,3-propanodiolu z brzeczki fermentacyjnej, znamienny tym, że surową brzeczkę fermentacyjną o zawartości 20-80 g/L 1,3-PD znanymi metodami poddaje się oddzieleniu zawiesin i koloidów, następnie filtrat odsala się wstępnie metodą ekskluzji jonów przy pH >7, a w dalszej kolejności odsala całkowicie metodą wymiany jonowej, po czym odbarwia z użyciem żywic odbarwiających lub węgla aktywnego, zatęża próżniowo w temperaturze poniżej 100°C i destyluje próżniowo w temperaturze 140-150°C.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w procesie ekskluzji jonów używa się kationitu monosferycznego w formie sodowej, o jednorodnym uziarnieniu w granicach 0,1-1,0 mm, korzystnie 0,65±0,05 mm.
3. 3. Sposób według zastrz. 1 lub 2, znamienny tym, że proces ekskluzji jonów prowadzi się w temperaturze 20-80°C, korzystnie 60°C.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, 2 lub 3, znamienny tym, że proces ekskluzji jonów prowadzi się metodą periodyczną przez naprzemienne przemywanie złoża roztworem zasilającym i wodą dejonizowaną lub metodą ciągłą w systemie symulowanego złoża ruchomego.
5. 5. Sposób według zastrz. 1, 2, 3 lub 4, znamienny tym, że do wymiany jonowej stosuje się układ jonitów złożony z kationitu mocnego i anionitu słabego, o strukturze makroporowatej oraz końcowe złoże mieszane złożone z tych jonitów.
6. 6. Sposób wg zastrz. 1, 2, 3, 4 lub 5, znamienny tym, że odbarwienie końcowe następuje po zatężeniu roztworu do stężenia 1,3-PD 50-95%.
7. 7. Sposób wg zastrz. 1, 2, 3, 4, 5 lub 6, znamienny tym, że odbarwienie końcowe odbywa się przy użyciu anionitu mocnego w formie OH- lub Cl- oraz węgla aktywnego.