PL229112B1 - Sposób oczyszczania kwasu fumarowego wyprodukowanego w procesie biokonwersji odpadowego glicerolu - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest sposób oczyszczania kwasu fumarowego wyprodukowanego w procesie biokonwersji odpadowego glicerolu. W procesie w celu utrwalenia brzeczki pofermentacyjnej stosuje się roztwór biocydu, którym może być chloroform albo azydek sodu albo roztwór jodu w jodku potasu, a następnie przeprowadza się proces adsorpcji z procesem krystalizacji.

Description

Przedmiotem niniejszego wynalazku jest sposób oczyszczenia kwasu fumarowego wyprodukowanego w procesie biokonwersji odpadowego glicerolu. Proces ten może przebiegać przy użyciu grzybów tj. Rhizopus, Mucor, Cunnighamella i Circinella i innych, który prowadzi, między innymi do otrzymywania kwasu fumarowego. W procesie tym wykorzystano połączenie dwóch procesów fizykochemicznych na uprzednio przygotowaną brzeczkę pofermentacyjną. Zastosowane metody mają na celu wyizolowanie oraz oczyszczenie kwasu fumarowego o bardzo dużej czystości. Proces ten spowoduje obniżenie kosztów otrzymywania kwasu fumarowego z odpadowego glicerolu. Otrzymany w ten sposób kwas znajdzie zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu spożywczego, medycznego, kosmetycznego oraz wielu innych.

Kwas fumarowy odgrywa bardzo ważną rolę w wielu gałęziach przemysłu. W celu otrzymania powyższego związku najpowszechniejszą metodą jego uzyskania są procesy petrochemiczne oraz chemiczne. Powyższe technologie charakteryzują się wysokim kosztem wytwarzania ok. 1,5$. Nowymi, tańszymi rozwiązaniami w produkcji kwasu są procesy biotechnologiczne, których koszt wynosi ok. 0,46$. Przykładem takiego procesu może być biokonwersja odpadowego glicerolu powstałego z produkcji biopaliw. W wyniku fermentacji glicerolu oprócz głównego składnika, kwasu fumarowego, powstają produkty uboczne tj. kwas bursztynowy, cytrynowy, octowy, pozostałości odpadowego glicerolu i inne. Dodatkowo w brzeczkach pofermentacyjnych znajdują się pozostałości biomasy komórkowej.

Znane są też liczne sposoby izolacji i oczyszczania kwasu fumarowego powstałego w wyniku fermentacji. Zostały one opisane w wielu publikacjach. Proces oczyszczania jest bardzo ważną częścią w toku otrzymywania produktu; dodatkowo stanowi to większość kosztów produkcji. Większość z nich nie spełnia wymogów przemysłu, dlatego też jak na razie znalazły zastosowanie w procesach laboratoryjnych. W literaturze opisano, między innym, procesy separacji biomasy komórkowej przy użyciu wirówek (King CJ, Sanchez PA: Process for sorption solute recovery, US patent 4,670,155, 1985). Po usunięciu biomasy komórkowej, przeprowadza się izolację poszczególnych składników korzystając z ultrafiltracji (Ruffer N, Heidersdorf U, Kretzers I, Sprenger GA, Raeven L, Takors R, Fully integrated L-phenylalanine separation and concentration using reactive extraction with liquid-liquid centrifuges in a fedbatch process with E.coli, Bioprocess Biosyst Eng 26, 239-248, 2004), strącaniu (Yedur S, Berglung KS, Dunuwila DD: Succinic acid production and purification, US patent 6,265,190, 2001), elektrodializy i ekstrakcji (Cascaval D, Balaction AI, New separation techniques on bioseparations 1. Reactive extraction, Chem. Ind. 58(9): 375-386, 2004), adsorpcji (Kushiku T, Fujiwara K, Satou T, Sano, Method for purifying succinic acid from fermentation broth. US patent 2006/0276674A1, 2006), a także wymiany jonowej (Qiang Li, Jianmin Xing, Wangliang Li, Qingfen Liu, Zhiguo Su, Separation of succinic acid from fermentation broth using weak alkaline anion exchange adsorbents, Ind. Eng. Chem. Res., 48, 35953599, 2009).

Nieoczekiwane połączenie dwóch metod oczyszczania adsorpcji i krystalizacji oraz uprzednio przygotowanego roztworu otrzymanego po biokonwersji odpadowego glicerolu pozwoliło na otrzymanie bardzo czystego produktu końcowego jakim jest kwas fumarowy.

Istotą powyższego wynalazku jest sposób oczyszczanie kwasu fumarowego wyprodukowanego w procesie biokonwersji odpadowego glicerolu, w którym zastosowano roztwór z dodatkiem biocydu. Rolę takiego związku może spełniać chloroform albo wodny roztwór czystego jodu w jodku potasu potocznie zwany płyn Lugola albo azydek sodu. Biocyd stosuje się w celu utrwalenia roztworu oraz zakwaszenia substancji. Kolejnym krokiem jest przeprowadzenie adsorpcji połączonej z procesem krystalizacji. Powyższe procesy pozwalają na uzyskanie kwasu fumarowego o dużej czystości.

Korzystnym jest kiedy w procesie stosuje się sorbenty należące do grupy modyfikowanych krzemionek modyfikowanych silanami.

Nadto korzystnym rozwiązaniem jest kiedy po procesie adsorpcji zastosowano dodatkowo zakwaszenie i przeprowadzono ponownie adsorpcję i krystalizację.

Korzystnym jest także kiedy roztwór z biocydem ma pH kwaśne w zakresie 1 -4.

Dzięki wprowadzeniu powyższego wynalazku uzyskano następujące korzyści:

- obniżenie kosztów produkcji kwasu fumarowego,

- utylizację produktów odpadowych powstałych w przemyśle chemicznym,

- otrzymanie kwasu fumarowego o dużej czystości,

- utrwalenie roztworów otrzymanych po procesie fermentacji.

PL 229 112 B1

Wynalazek ilustruje poniższy przykład:

P r z y k ł a d I

Roztwór otrzymany po procesie biokonwersji odpadowego glicerolu za pomocą grzybów z rodziny Rhizopus Oryzae poddany oczyszczeniu w ilości 1 I, który zawiera w składzie między innymi takie substancje jak: kwas fumarowy ok. 27 g/l, bursztynowy ok. 2 g/l, cytrynowy ok. 0,5 g/l, oraz śladowe ilości kwasu jabłkowego, mlekowego, octowego, etanolu, a także pozostałości glicerolu, poddano wstępnej obróbce oddzielenia biomasy komórkowej za pomocą odwirowania i zdekantowania roztworów. Pozostałość roztwór przesączono przez twarde sączki celulozowe o gramaturze 0,2 mikrometra. Tak przygotowany roztwór utrwalono przy pomocy biocydy (chloroform). W tym celu do badanej próby 1 l dodano 0,5 ml chloroformu. Pozwoliło to na utrwalenie roztworu pofermentacyjnego. Związki biocydu wpływają na obniżanie aktywności oraz zabicie mikroorganizmów. Zastosowany środek wpływa na stabilność brzeczki pofermentacyjnej. Po przygotowaniu roztworu brzeczki pofermentacyjnej otrzymanej po biokonwersji odpadowego glicerolu przeprowadzono proces adsorpcji. W pierwszej kolejności zastosowano sorbent z grupy modyfikowanych krzemionek tj. SiO2 modyfikowana 10-30 częściami wagowymi silanu N-[3-(trimetoksysililopropylo]aniliny. Następnie otrzymany retentat po procesie adsorpcji został poddany zakwaszeniu 36% kwasem solnym w ilości 50 ml po czym uzyskano pH roztworu 1,5. W następnej kolejności kolba reakcyjna została schłodzona do temperatury 5°C. Tak przygotowaną mieszaninę pozostawiono do momentu uzyskania wskazanej temperatury. W roztworze pojawiają się wstępnie oczyszczone kryształy kwasu fumarowego. Otrzymane kryształy zostały odsączone na bibule filtracyjnej o gramaturze 0,2 mikrometra. Kryształy pozostawiono do wysuszenia w eksykatorze. Otrzymany roztwór po oczyszczeniu został poddany analizie chromatograficznej w celu identyfikacji pozostałości nieoczyszczonego kwasu fumarowego. Na drodze analizy stwierdzono niewielkie ilości kwasu fumarowego w ilości ok. 0,5 g/l. Osuszone kryształy poddano krystalizacji wykorzystując mieszaninę rozpuszczalników w stosunku objętościowym 5:1 alkoholu etylowego i wody. Rozpuszczony kwas fumarowy poddano ponownie procesowi adsorpcji na tym samym sorbencie w celu usunięcia zanieczyszczeń. Tak oczyszczony roztwór pozostawiono do krystalizacji. W tym procesie otrzymano oczyszczony kwas fumarowy w ilości 24,8 g. Po przeprowadzeniu analizy chromatograficznej oraz analizy termicznej kwas fumarowy charakteryzował się czystością na poziomie 99,9%±0,01. Proces przebiegał z 80-95% wydajnością.

P r z y k ł a d II

Roztwór otrzymany w wyniku procesu biokonwersji odpadowego glicerolu za pomocą grzybów Rhizopus nigricans poddano oczyszczeniu w ilości 1 l. W roztworze, głównym składnikiem otrzymanym po biokonwersji jest kwas fumarowy w ilości 22,4 g/l. Dodatkowo w roztworze zidentyfikowano inne kwasy organiczne tj.: bursztynowy, cytrynowy, jabłkowy oraz etanol, a także pozostałości po fermentacji. W pierwszej kolejności przeprowadzono odwirowanie brzeczki za pomocą wirówki przy prędkości obrotów 1000 rpm. Następnie zdekantowano roztwór znad osadu biomasy i przesączono przez bibułę filtracyjną. Do otrzymanego roztworu dodano płyn Lugola w objętości 0,5 ml, który pełni role biocydu stabilizując roztwór pofermentacyjny. Tak przygotowaną substancję poddano procesowi oczyszczania. Tak sporządzony roztwór brzeczki pofermentacyjnej, otrzymanej po biokonwersji odpadowego glicerolu poddano procesowi adsorpcji. W pierwszej kolejności zastosowano sorbent z grupy modyfikowanych krzemionek tj. SiO2 modyfikowana 20 cz. wag. U15 D. Otrzymany retentat po procesie adsorpcji został poddany zakwaszeniu 36% kwasem solnym w ilości 50 ml dając pH roztworu 1. Kolbę reakcyjną schłodzono do temperatury 10°C, aby następnie tak przygotowaną mieszaninę pozostawić do momentu uzyskania wyżej od wspomnianej temperatury. W roztworze pojawiają się wstępnie oczyszczone kryształy kwasu fumarowego, które zostały odsączone na bibule filtracyjnej o gramaturze 0,2 mikrometra aż do wysuszenia w eksykatorze. Pozostały roztwór po oczyszczeniu poddano analizie chromatograficznej w celu identyfikacji pozostałości nieoczyszczonego kwasu fumarowego. W wyniku analizy stwierdzono niewielkie ilości kwasu fumarowego w ilości ok. 0,8 g/l. Osuszone kryształy odstawiono do krystalizacji, wykorzystując mieszaninę rozpuszczalników w stosunku objętościowym 3:1 alkoholu etylowego i wody. Rozpuszczony kwas fumarowy ponownie poddano procesowi adsorpcji na tym samym sorbencie, aby usunąć zanieczyszczenia. Tak oczyszczony roztwór pozostawiono do krystalizacji gdzie otrzymano oczyszczony kwas fumarowy w ilości 20,8 g. Analiza chromatograficzna oraz analizy termiczne kwasu fumarowego charakteryzowały się czystością na poziomie a proces przebiegał z 85-95% wydajnością.

PL 229 112 B1

P r z y k ł a d III - porównawczy

Roztwór otrzymany w wyniku procesu biokonwersji odpadowego glicerolu za pomocą grzybów z rodziny Rhizopus poddano oczyszczeniu w ilości 1 l. W roztworze, głównym składnikiem otrzymanym po biokonwersji jest kwas fumarowy w ilości 25,4 g/l. Dodatkowo w roztworze zidentyfikowano inne kwasy organiczne tj.: bursztynowy, cytrynowy, jabłkowy oraz etanol, a także pozostałości po fermentacji. W pierwszej kolejności przeprowadzono odwirowanie brzeczki za pomocą wirówki przy prędkości obrotów 1000 rpm. Następnie zdekantowano roztwór znad osadu biomasy i przesączono przez bibułę filtracyjną. W powyższym przykładzie nie dodano biocydu, który ma za zadanie stabilizować roztwór. Następnie przygotowany roztwór poddano procesowi oczyszczania. Tak sporządzony roztwór brzeczki pofermentacyjnej, otrzymanej po biokonwersji odpadowego glicerolu poddano procesowi adsorpcji. W pierwszej kolejności zastosowano sorbent z grupy modyfikowanych krzemionek tj. SiO2 modyfikowana 20 cz. wag. U15 D. Otrzymany retentat po procesie adsorpcji został poddany zakwaszeniu 36% kwasem solnym w ilości 20 ml dając pH roztworu 3, następnie został schłodzony do temperatury 10°C w celu wytrącenia się substancji. W roztworze pojawiają się nieliczne kryształy kwasu fumarowego, które następnie zostają odsączone na bibule filtracyjnej o gramaturze 0,2 mikrometra aż do momentu wysuszenia w eksykatorze. Pozostały roztwór po oczyszczeniu poddano analizie chromatograficznej w celu identyfikacji pozostałości nie oczyszczonego kwasu fumarowego. W wyniku analizy stwierdzono większe zawartości kwasu fumarowego niż w przykładzie I, II w ilości ok. 4,7 g/I. Osuszone kryształy odstawiono do krystalizacji z mieszaniny rozpuszczalników w stosunku objętościowym 3:1 alkoholu etylowego i wody. Tak rozpuszczony kwas fumarowy ponownie poddano procesowi adsorpcji na tym samym sorbencie, aby usunąć zanieczyszczenia. Tak oczyszczony roztwór pozostawiono do krystalizacji gdzie otrzymano oczyszczony kwas fumarowy w ilości 15,5 g. Analiza chromatograficzna oraz analizy termiczne kwasu fumarowego charakteryzowały się czystością na poziomie 80,65%±0,05, a proces przebiegał z 80-85% wydajnością.

Claims (4)

1. Sposób oczyszczania kwasu fumarowego wyprodukowanego w procesie biokonwersji odpadowego glicerolu, znamienny tym, że przygotowuje się roztwór z biocydem, którego rolę spełnia chloroform albo wodny roztwór czystego jodu w jodku potasu albo azydek sodu w ilości od 0,5 ml do 10 ml na litr roztworu rzeczywistego, następnie przeprowadza się proces adsorpcji z procesem krystalizacji.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się sorbenty należące do grupy modyfikowanych krzemionek modyfikowanych silanami.

3. Sposób według zastrz. 1, 2, znamienny tym, że po procesie adsorpcji zastosowano dodatkowo zakwaszenie i przeprowadzono ponownie adsorpcję i krystalizację.

4. Sposób według zastrz. 1,2 lub 3, znamienny tym, że zastosowany roztwór z biocydem ma pH w zakresie 1 -4.