PL230407B1

PL230407B1 - Method for thermal hydrolysis of multimolecular compounds

Info

Publication number: PL230407B1
Application number: PL408223A
Authority: PL
Inventors: Dorota Marciocha; Anna Gnida; Joanna Surmacz-Górska; Jolanta Podedworna; Monika Żubrowska-Sudół
Original assignee: Politechnika Slaska; Politechnika Slaska Im Wincent; Politechnika Warszawska
Priority date: 2014-05-16
Filing date: 2014-05-16
Publication date: 2018-10-31
Also published as: PL408223A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób termicznej hydrolizy związków wielocząsteczkowych, w szczególności typu PHA polihydroksyalkaniany.The subject of the invention is a method of thermal hydrolysis of multiparticulates, in particular of the PHA type polyhydroxyalkanoates.

Dotychczas znane są sposoby hydrolizy termicznej polegające na zastosowaniu aparatu soxleta lub układu pod chłodnicą zwrotną, które wykorzystują temperaturę wrzenia roztworu hydrolizującego jako temperaturę procesu hydrolizy. Znany jest sposób termicznej hydrolizy w szczelnych pojemnikach umieszczonych w łaźni wodnej, gdzie temperatura hydrolizy jest temperaturą wrzenia wody.Hitherto known methods of thermal hydrolysis involving the use of a soxlet apparatus or a system under reflux, which use the boiling point of the hydrolyzing solution as the temperature of the hydrolysis process. There is a known method of thermal hydrolysis in sealed containers placed in a water bath, where the hydrolysis temperature is the boiling point of water.

Znany jest z opisu patentowego WO 2006/103699 A1 sposób pozyskiwania PHA z komórek oparty na hydrolizie biologicznej z użyciem kultury bakterii z rodzaju actinomycetes, a następnie chemicznej ekstrakcji (izolacji) PHA z użyciem rozpuszczalnika lub środka powierzchniowo czynnego i czynnika chelatującego. W patencie WO 2006/103699 A1 do hydrolizy komórek i PHA wykorzystuje się enzymy (liza enzymatyczna) produkowane przez actinomycetes, które w pierwszej kolejności trzeba dodać do próbki, z której izolowane jest PHA, a następnie odseparować po zakończeniu hydrolizy. Hydroliza wykonywana jest w wielu czasochłonnych krokach, a czas hydrolizy wynosi kilka dni. Ekstrakcja (izolacja) PHA następuje po hydrolizie z użyciem środka powierzchniowo czynnego (proponowany Triton X) oraz środka chelatującego (proponowany EDTA). Niedogodnością powyższego sposobu jest konieczność używania żywych kultur bakterii posiadających enzymy lityczne, które wymagają hodowania, a sam czas hydrolizy z ich użyciem jest wielokrotnie dłuższy (dni), a dodatkowo czas trwania procesu wydłuża etap ekstrakcji prowadzony w kolejnym kroku.There is known from the patent description WO 2006/103699 A1 a method of obtaining PHA from cells based on biological hydrolysis with the use of bacterial culture of the actinomycetes genus, followed by chemical extraction (isolation) of PHA with the use of a solvent or a surfactant and a chelating agent. In the patent WO 2006/103699 A1, enzymes (enzymatic lysis) produced by actinomycetes are used for the hydrolysis of cells and PHA, which must first be added to the sample from which the PHA is isolated and then separated after the end of the hydrolysis. The hydrolysis is performed in many time-consuming steps and the hydrolysis takes several days. Extraction (isolation) of PHA follows hydrolysis with a surfactant (proposed Triton X) and a chelating agent (proposed EDTA). The disadvantage of the above method is the need to use live cultures of bacteria having lytic enzymes that require cultivation, and the time of hydrolysis with their use is many times longer (days), and additionally the duration of the process extends the extraction stage in the next step.

Z amerykańskiego opisu patentowego US 2008/0220505 znany jest sposób hydrolizy i izolacji PHA z komórek składający się z 4 etapów: 1) rozpuszczenia substancji niebędących PHA w środowisku kwaśnym, 2) alkalizacji do pH 7-11 i oddzieleniu PHA od reszty próbki, 3) dekoloryzacji PHA i 4) suszenia produktu (PHA) będącego w stałym stanie skupienia.US 2008/0220505 describes a method of hydrolysis and isolation of PHA from cells, consisting of 4 steps: 1) dissolving non-PHA substances in an acidic environment, 2) alkalising to pH 7-11 and separating PHA from the rest of the sample, 3) decolorizing the PHA; and 4) drying the solid product (PHA).

Zgodnie ze sposobem przedstawionym w patencie nr US 2008/0220505 A1 hydroliza i ekstrakcja PHA są prowadzone w oddzielnych krokach, zatem dwa kroki, hydroliza i ekstrakcja, zachodzą jednocześnie w tym samym naczyniu reakcyjnym. Hydroliza zachodzi w warunkach kwaśnych, natomiast dokonywana w kolejnym kroku ekstrakcja zachodzi w środowisku alkalicznym w procesie strącania. Niedogodnością powyższego rozwiązania jest brak informacji, co do sposobu ogrzewania próbek.According to the method set forth in US Patent No. US 2008/0220505 A1, the hydrolysis and the extraction of PHA are performed in separate steps, so that the two steps, hydrolysis and extraction, occur simultaneously in the same reaction vessel. Hydrolysis takes place under acidic conditions, while the extraction performed in the next step takes place in an alkaline environment in the precipitation process. The disadvantage of the above solution is the lack of information on the method of heating the samples.

Rozwiązanie technologiczne będące przedmiotem wynalazku jest przeznaczone do wykorzystania jako technika uzyskania monomerów ze związków wielocząsteczkowych (poli) na drodze hydrolizy termicznej. Stwierdzono nieoczekiwanie, że korzystne jest zastosowanie rozwiązania jako techniki preparacji (przygotowania) próbek do chemicznej analizy ilościowo-jakościowej np. w przypadku oznaczania substancji zapasowych bakterii.The technological solution of the invention is intended to be used as a technique for obtaining monomers from macromolecular (poly) compounds by thermal hydrolysis. Surprisingly, it was found that it is advantageous to use the solution as a sample preparation (preparation) technique for quantitative and qualitative chemical analysis, e.g. in the case of determination of bacterial storage substances.

Sposób według wynalazku polega na tym, że hydrolizę przeprowadza się w termoreaktorze w temperaturze 60-120°C, czasie 1-5 h, a proces prowadzi się w środowisku kwaśnym, gdzie do materiału biologicznego zawierającego związki wielocząsteczkowe w szczególności polihydroksyalkaniany w formie osadu czynnego lub biofilmu dodaje się chloroform oraz metanol zakwaszony stężonym 3% kwasem siarkowym.The method according to the invention consists in that the hydrolysis is carried out in a thermoreactor at a temperature of 60-120 ° C for 1-5 hours, and the process is carried out in an acidic environment, where the biological material containing multiparticulates, in particular polyhydroxyalkanoates in the form of activated sludge or Chloroform and methanol acidified with concentrated 3% sulfuric acid are added to the biofilm.

Zaletą zaprezentowanej metody jest skrócenie czasu ekstrakcji przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej wydajności metody 85%. Użycie termoreaktora umożliwia przeprowadzenie procesu w wyższej temp, niż 120°C, a ze względu na prowadzenie procesu w układzie zamkniętym również i podwyższonym ciśnieniu niż dotychczas stosowano.The advantage of the presented method is the reduction of the extraction time while maintaining the high efficiency of the method of 85%. The use of a thermoreactor enables the process to be carried out at a temperature higher than 120 ° C, and due to the closed system, also at an increased pressure than previously used.

Sposób według wynalazku został przedstawiony w poniższym przykładzie wykonania. Materiał biologiczny w formie osadu czynnego lub biofilmu utrwalono formaldehydem w stosunku 3 ml formaldehydu na 97 ml próbki materiału biologicznego. Utrwalanie formaldehydem zatrzymuje proces życiowy mikroorganizmów i zabezpiecza próbkę przed rozkładem. Przed procesem hydrolizy z późniejszą ekstrakcją, utrwaloną próbkę przesącza się przez średni filtr z włókna szklanego, następnie suszy w suszarce w temperaturze 105°C do stałej masy. Wysuszoną próbkę przenosi się do moździerza porcelanowego i trze na pył. Uzyskany sproszkowany materiał biologiczny w ilości nie mniejszej niż 20 mg, wprowadza się do specjalnych, zakręcanych szklanych probówek, następnie dodaje 2 ml chloroformu oraz 2 ml metanolu zakwaszonego stężonym kwasem siarkowym (3%). Próbkę przenosi się do termoreaktora i inkubuje przez 3 h w temperaturze 120°C. Po ostudzeniu próbki przeprowadza się ekstrakcję dodając 1 ml wody bidestylowanej, następnie całość wytrząsa się przez 1,5 h. Po oddzieleniu warstwy wodnej zawierającej metanol, warstwa chloroformowa stanowi oczyszczony analit do analizy ilościowej i jakościowej za pomocą Chromatografii Gazowej. Otrzymuje się produkt z wydajnością 84,59%.The method according to the invention is illustrated in the following embodiment. Biological material in the form of an activated sludge or biofilm was fixed with formaldehyde in the ratio of 3 ml of formaldehyde per 97 ml of a sample of biological material. Fixation with formaldehyde stops the life process of microorganisms and protects the sample against decomposition. Before the hydrolysis process followed by extraction, the fixed sample is filtered through a medium glass fiber filter, then dried in an oven at 105 ° C until constant weight. The dried sample is transferred to a porcelain mortar and pulverized. The obtained powdered biological material in an amount of not less than 20 mg is introduced into special screwed glass test tubes, then 2 ml of chloroform and 2 ml of methanol acidified with concentrated sulfuric acid (3%) are added. The sample is transferred to a thermoreactor and incubated for 3 h at 120 ° C. After the sample has cooled down, it is extracted by adding 1 ml of bi-distilled water, then the whole is shaken for 1.5 hours. After the separation of the aqueous layer containing methanol, the chloroform layer is the purified analyte for quantitative and qualitative analysis by Gas Chromatography. The product is obtained with a yield of 84.59%.

PL 230 407 Β1PL 230 407 Β1

W tabeli 1 przedstawiono otrzymane rezultaty dla różnych temperatur i czasów grzania. Przedstawione powierzchnie pików stanowią wyniki analizy za pomocą systemu Chromatografii Gazowej.Table 1 shows the results obtained for various temperatures and heating times. The peak areas shown are the results of the Gas Chromatography system analysis.

Tabela 1Table 1

Temperatura i czasy analizyTemperature and analysis times

czas grzania [h] time heating [h] średnie pole pików [%] mean peak area [%] 60 [°C] 60 [° C] 80 [°C] 80 [° C] 100 [°C] 100 [° C] 120 [°CJ 120 [° CJ 130* [°C] 130 * [° C] 1 1 0,45 0.45 1,26 1.26 2,73 2.73 3,71 3.71 - - 2 2 0,85 0.85 1,93 1.93 3,93 3.93 4,77 4.77 • • 3 3 1,29 1.29 2,59 2.59 4,66 4.66 5,18 5.18 - - 4 4 - - • • 5,12 5.12 - - 5 5 - - - - - - 5,04 1 5.04 1 * *

* - pomiar nie został wykonany* - measurement has not been performed

Claims

Patent claim

1. The method of thermal hydrolysis of macromolecular compounds, in particular polyhydroxyalkanoates, characterized in that the hydrolysis is carried out in a thermoreactor at a temperature of 60-120 ° C for 1-5 hours, and the process is carried out in an acidic environment, where the biological material containing the macromolecular compounds is in particular, polyhydroxyalkanoates in the form of activated sludge or biofilm, chloroform and methanol acidified with concentrated 3% sulfuric acid are added.