UA125439C2 - Процес виробництва продукту ферментації - Google Patents

Abstract

Винахід стосується процесу виробництва продукту ферментації, який включає ферментування в умовах ферментації у водному ферментаційному середовищі у ферментаційному реакторі джерела вуглеводів мікроорганізмом, здатним перетворювати вуглевод в продукт ферментації, причому продуктом ферментації є сіль або продукт з температурою кипіння вищою за температуру кипіння води, виведення під час процесу ферментації частини ферментаційного середовища, яке містить біомасу з ферментаційного реактора, у вигляді рециркуляційного потоку, подавання рециркуляційного потоку, який містить біомасу, в ємність високого тиску, причому тиск вибирають так, що температура рециркуляційного потоку зменшується зі значенням 1-8 °C, в порівнянні з температурою ферментаційного середовища у ферментаційному реакторі, за рахунок випаровування води, рециркуляцію охолодженого рециркуляційного потоку у ферментаційний реактор.

Description

Винахід стосується способу ферментації, який включає ферментування джерела вуглеводів в умовах ферментації з мікроорганізмом.

Способи ферментації, в яких джерело вуглеводів ферментують в умовах ферментації з мікроорганізмом, здатним перетворювати вуглевод в продукт ферментації, є відомими в даній галузі, та застосовуються для виготовлення різних продуктів ферментації.

Було виявлено, що проблеми можуть виникати під час процесів ферментації в промисловому масштабі, особливо коли використовуються великі об'єми реакторів, відносно високі температури ферментації, а також високі концентрації біомаси та продуктів ферментації.

Це пояснюється тим, що в даних ситуаціях було виявлено, що важко підтримувати температуру в реакційній ємності постійною по всьому об'єму реакційної ємності. Це є важливим з різних причин.

З одного боку, в місцях в реакторній ємності, де температура є відносно низькою, може відбуватися кристалізація продукту ферментації, якщо продукт ферментації має обмежену розчинність у воді. Це в результаті може призвести до утворення відкладень на прохолодних поверхнях, таких як поверхня теплообмінників, які часто використовуються в ємностях для ферментації. Таке утворення відкладень негативно впливає на функціонування теплообмінника.

Крім того, кристалізація продукту ферментації на прохолодних поверхнях також призводить до утворення кристалів з неоднорідною структурою, що є небажаним.

Крім того, прохолодні плями в блоці ферментації можуть впливати на виробничу потужність мікроорганізмів у цьому місці реактора. Мікроорганізми, як правило, мають оптимальну температуру продукування, та коли вони знаходяться при температурі нижчій ніж дана величина, їх активність зменшуватиметься, що, звичайно, є небажаним.

Ї навпаки, в місцях в блоці ферментації, де температура є відносно високою, також можуть бути отримані небажані ефекти. Зокрема, занадто високі температури можуть знову призвести до зниження активності мікроорганізму. Крім того, високі температури в результаті можуть призводити до утворення небажаних побічних продуктів.

В даній галузі, процеси ферментації з контролем температури, в яких використовуються великі об'єми реакторів, відносно високі температури ферментації та високі концентрації біомаси, часто відбуваються за рахунок забезпечення теплообмінниками в реакторі в комбінації з гомогенізуючими елементами, такими як мішалки. Однак, було встановлено, що дані елементи не завжди є адекватними. Як описано вище, відкладання продукту ферментації з обмеженою розчинністю на теплообмінниках є проблемою, як і утворення прохолодних плям. Ще однією проблемою є те, що додавання теплообмінників відбирає вільний об'єм реактора, та якщо потрібно широке охолодження, вони можуть не мати достатнього простору в реакторі, щоб мати змогу прилаштуватися до необхідної охолоджуючої здатності. Крім того, теплообмінники є вартісними та відносно такими, що не здатними для переналагоджування, оскільки вони можуть бути видалені тільки тоді, коли реактор є закритим.

В даній галузі існує потреба в способі ферментації, який забезпечує постійну температуру реакції по всьому агрегату, а також там, де використовуються великі об'єми реакторів, відносно високі температури ферментації та високі концентрації біомаси і продуктів ферментації. Крім того, існує потреба в способі ферментації, де однорідна температура реакції може отримуватися з обмеженими фінансовими інвестиціями, та при цьому регулювання температури є гнучким, оскільки дія охолодження може бути безпосередньо адаптована до потреб процесу. Представлений винахід забезпечує спосіб, який вирішує дані проблеми.

Винахід стосується способу ферментації, який включає - Ферментування в умовах ферментації у водному ферментаційному середовищі в ферментаційному реакторі джерела вуглеводів мікроорганізмом, здатним перетворювати вуглевод в продукт ферментації, - під час процесу ферментації виводять частину ферментаційного середовища, яке включає біомасу з ферментаційного реактора у вигляді рециркуляційного потоку, - забезпечення рециркуляційного потоку, який містить біомасу, в ємність високого тиску, причому тиск вибирають таким, що температура рециркуляційного потоку зменшується зі значенням 1-82С, в порівнянні з температурою ферментаційного середовища в ферментаційному реакторі, за рахунок випаровування води, - рециркуляцію охолодженого рециркуляційного потоку в ферментаційний реактор.

Було виявлено, що спосіб відповідно до винаходу робить можливим отримати однорідний температурний профіль ферментаційного середовища з обмеженим виникненням гарячих або холодних плям в реакторі. Встановлено, що це в результаті призводить до покращення продуктивності ферментації.

Ключовою ознакою способу відповідно до винаходу є виведення частини ферментаційного середовища, та подавання його в ємність високого тиску, де воно охолоджується до заданого ступеня з випаровуванням води, та рециркуляцією охолодженого потоку в ферментаційний реактор.

Слід зазначити, що в 0И52012/0220003 описано спосіб безперервного відокремлення органічних матеріалів, що викликають зацікавленість, з ферментації, зокрема молочнокислої або спиртової ферментації, де ферментаційне середовище виводять з ферментера та подають у випарник об'ємного вскіпання, де леткі продукти ферментації випаровуються з ферментаційного середовища. Вказується, що біомаса відокремлюється від ферментаційного середовища перед тим, як вона подається у випарник об'ємного вскіпання. Це є відмінним від представленого винаходу, в якому біомаса не видаляється з рециркуляційного потоку.

Особливістю представленого винаходу є те, що завдяки відносній м'якості ступеня зниження тиску, як може бути видно з обмеженого зниження температури, видалення біомаси перед операцією зниження тиску не потребується. Це в результаті призводить до істотної економії не тільки витрат на придбання апарату, необхідного для операції відокремлення біомаси, але й для обслуговування апарату. Крім того, операція відокремлення біомаси, як це здійснюється в даному посиланні, сама по собі є шкідливою щодо властивостей біомаси.

В УРБ59039293 описано спиртову ферментацію, де частина ферментаційного середовища виводиться з ферментаційного реактора, піддається миттєвому випаровуванню, та повертається в ферментаційний реактор. В даному посиланні біомаса є іммобілізованою на носії. Якщо біомаса є іммобілізованою на носії, температура в ферментаційному реакторі завжди буде неоднорідною.

В 052012/0244587 описано проведення ферментації при зниженому тиску з випарюванням та видаленням води з реактора під час ферментації в кількості, яка становить щонайменше 2095 від об'єму рідини, присутньої в реакторі на початку ферментації. Дане посилання не описує виведення частини ферментаційного середовища з ферментаційного реактора, подавання даного потоку в ємність високого тиску, причому тиск вибирають таким, що температура рециркуляційного потоку зменшується зі значенням 1-82С в порівнянні з температурою ферментаційного середовища в ферментаційному реакторі, та рециркуляцію

Зо потоку в ферментаційний реактор.

В 54349628 описано спосіб ферментації для виготовлення летких органічних компонентів, де безперервно частина ферментаційного середовища подається в сепаратор, в якому етанол або інші леткі компоненти випаровуються при температурі, яка не є шкідливою для мікроорганізму, піддаючи ферментаційне середовище зниженому тиску, та рециркулюючи частину або всю залишкову фракцію в ферментер Метою даного процесу є видалення летких компонентів з системи, оскільки вони можуть бути токсичними для мікроорганізму. Вказується, що матеріал, який підлягає рециркуляції в реактор, повинен мати максимально високу температуру, якщо це не впливає на виживання мікроорганізму. Це відрізняється від представленого заявленого винаходу, в якому використовується випаровування води з ферментації продукту з температурою кипіння вище, ніж для води, для здійснення контролю температури.

Винахід буде розглянуто більш докладно нижче.

Винахід буде проілюстровано з посиланням на наступні фігури, не обмежуючись ними або представленим в них.

На Фіг. 1 ілюстровано перший варіант здійснення винаходу.

На Фіг. 2 ілюстровано ще один варіант здійснення винаходу.

На Фіг. 1, спосіб ферментації здійснюють у ферментаційному реакторі (1). Поживні речовини та джерела вуглеводів можуть подаватися через лінію (2). Нейтралізуюча сполука можуть подаватися через лінію (3). Очевидно, що дані лінії можуть бути об'єднані, або поживні речовини та вуглеводи можуть подаватися через окремі лінії. Можливим також є те, що всі дані сполуки будуть додаватися в реактор на початку реакції, і в цьому випадку дані лінії можуть бути відсутніми.

Під час процесу ферментації частина ферментаційного середовища, яке включає біомасу, виводиться з ферментаційного реактора через лінію (4), та подається в ємність під тиском (5). В ємності під тиском вода випаровується та виводиться через лінію (7). Отриманий в результаті охолоджений рециркуляційний потік повертають назад в ферментаційний реактор через лінію (6). Ферментаційне середовище може виводитися з реактора через лінію (8). Це може здійснюватися безперервно, періодично, або після завершення ферментації в залежності від конфігурації процесу.

Перша операція способу відповідно до винаходу є ферментуванням джерела вуглеводів в умовах ферментації у водному ферментаційному середовищі в ферментаційному реакторі мікроорганізмом, здатним перетворювати вуглевод в продукт ферментації, причому продукт ферментації є сіллю або продукт з температурою кипіння, вищою за температуру кипіння води.

Природа продукту ферментації не є критичною для способу відповідно до винаходу.

В одному варіанті здійснення представлений винахід стосується способу ферментації для виготовлення продукту, який включає сіль кислоти. В даних способах ферментації, мікроорганізм продукує кислоту, та основу додають до ферментаційного середовища, щоб підтримувати рН в межах діапазону, необхідних для даного мікроорганізм, перетворюючи кислоту повністю або частково у відповідну сіль.

Кислоти, які можуть бути виготовлені за способом відповідно до винаходу, включають карбонові кислоти, зокрема карбонові кислоти, вибрані з групи, яка складається з моно-, ди- та трикарбонових кислот, що мають 2-8 атомів карбону. Приклади включають молочну кислоту, пропіонову кислоту, лимонну кислоту, яблучну кислоту, малеїнову кислоту, фумарову кислоту, адипінову кислоту, бурштинову кислоту, винну кислоту, альфа-кетоглутаровую кислоту, оксалоцтову кислоту, оцтову кислоту, акрилову кислоту, фурандикарбонову кислоту (ЕОСА), глюконову кислоту, гліколеву кислоту, малонову кислоту, З-гідроксипропіонову кислоту, масляну кислоту, З-гідроксимасляну кислоту, валеріанову кислоту, ізовалеріанову кислоту, капронову кислоту та/або їх солі.

Винахід може бути особливо привабливим, коли продукт ферментації має низьку розчинність у воді, наприклад, у випадку кислот або солей з низькою розчинністю. Винахід, як було виявлено, є особливо привабливим для ферментації лактату магнію та кальцію, зокрема лактату магнію. Винахід також може бути особливо привабливим для магнію РОСА та магнію сукцинату.

Як обговорювалося вище, під час ферментації утворення кислоти призводить до зниження рН. Для того, щоб протистояти цьому та підтримувати рН в межах діапазону, в якому мікроорганізм може працювати, зазвичай додають основний розчин під час ферментації.

Відповідні основні розчини включають розчини, що містять один або декілька з кальцію (гідроксиду, кальцію карбонату, кальцію бікарбонату, магнію (гідроксиду, натрію гідроксиду,

Зо амонію гідроксиду, калію гідроксиду, магнію карбонату, натрію бікарбонату, калію бікарбонату. В залежності від розчинності основи, вищезазначеним основним розчином може бути саме розчин, в тому сенсі, що основа повністю розчиняється, та розчин не містить твердих компонентів. Однак, основним розчином також може бути суспензія, яка містить тверді частинки крім розчиненої основи. В межах цього опису робочий розчин є призначеним охоплювати обидва варіанти здійснення.

Як правило, основний розчин додають у кількості, ефективній для регулювання рН бульйону від приблизно З до 9, більш конкретно від 5,5 до приблизно 7,0.

Природа джерела вуглеводнів не є критичною для представленого винаходу. Джерело вуглеводів зазвичай включає один або декілька цукрів, (зрідженого) крохмалю, цукрового сиропу або сирної сироватки, глюкози, фруктози або галактози, або дисахаридів, таких як сахароза або лактоза, гексози та пентози в гідролізатах, таких як біовідходи, деревина, солома, тощо.

В межах обсягу кваліфікований фахівець може вибрати мікроорганізм та умови ферментації, які в результаті призведуть до отримання бажаного продукту ферментації. Це не потребує подальшого роз'яснення в даному документі. Спосіб відповідно до винаходу, як було виявлено, є особливо привабливим для процесів, які використовують мікроорганізм, який має оптимальну температуру, яка є відносно високою, оскільки дані організми можуть бути особливо чутливими до прохолодних плям в блоці. Крім того, способи ферментації, що здійснюють при більш високих температурах, можуть бути особливо чутливими до температури витікання, що вимагає контрольованого охолодження. Тому, в одному варіанті здійснення, температура в ферментаційному реакторі знаходиться в діапазоні 30-659С, зокрема, в діапазоні 440-600.

Нагрівання в реакційному середовищі має різні причини. Тепло генерується частково самим мікроорганізмом, та також обладнанням, таким як мішалки та насоси. Воно також додається з використанням нейтралізуючого агента та сировинних сполук. Винахід дозволяє коректно управляти температурою реактора.

Спосіб за винаходом може бути особливо привабливим для ситуацій, коли концентрація продукту ферментації, присутня в ферментаційному середовищі, є близьким до, при, або вищою за концентрацію насичення. В даному випадку, спосіб відповідно до винаходу запобігає присутності "прохолодних плям" в реакторі що може призвести до неконтрольованого бо осадження твердого продукту ферментації Це може призвести до відкладень на теплообмінниках, та/або до утворення осаджених (кристалів) твердого продукту ферментації з неоднорідним розміром частинок або кристалічних властивостей. В одному варіанті здійснення, концентрація продукту ферментації в ферментаційному середовищі становить вище 70 95 від концентрації насичення, зокрема, вище 8095, в деяких варіантах здійснення, вище 90 95, протягом принаймні частини часу роботи процесу ферментації.

Винахід може бути особливо привабливим, коли ферментаційне середовище містить твердий продукт ферментації протягом щонайменше частини робочого часу процесу ферментації, оскільки ферментації цього типу є особливо чутливими до неконтрольованої кристалізації, наприклад, на прохолодних плямах в реакторі. В одному варіанті здійснення, протягом щонайменше 20 95 робочого часу процесу ферментації, ферментаційне середовище містить твердий продукт ферментації в кількості, щонайменше, 1 об.95, розрахованого як твердий продукт ферментації на загальну кількість ферментаційного середовища.

В даному документі, відправною точкою для робочого часу процесу ферментації є момент часу, коли всі компоненти середовища були завантажені в реактор, ферментаційне середовище було доведене до умов ферментації, таких як вибрані рН та температура, та мікроорганізм подається в реактор. В цей момент досягаються умови для початку ферментації. Кінцевою точкою для робочого часу процесу ферментації є момент часу, коли формування продукту по суті зупинилося, тобто, коли продукування в г/л. год. є нижчим за 10 95 від максимального значення продукування в г/л. год. під час процесу. Як правило, це буде відбуватися, коли джерело карбону вичерпано.

Відсоток робочого часу, протягом якого твердий продукт ферментації є присутній у ферментаційному середовищі, буде залежати від ферментації, що розглядається, та може бути набагато довшим ніж 20 95. Як правило, коли твердий продукт ферментації є присутній протягом щонайменше частини робочого часу, це може бути переважним для того, щоб твердий продукт ферментації знаходився протягом відносно великої частини робочого часу. В даному випадку ферментація є висококонцентрованою ферментацією.

Відсоток робочого часу, протягом якого твердий продукт ферментації є присутній, може становити щонайменше 4095, в деяких варіантах здійснення - щонайменше 60 95, іноді - щонайменше 70 95, в деяких варіантах здійснення - щонайменше 80 95 та навіть щонайменше

Зо 90 Фр.

Кількість твердого продукту ферментації може змінюватися в широкому діапазоні. Якщо присутній, переважним може бути його присутність в кількості щонайменше 5 95, в деяких варіантах здійснення - щонайменше 10 95.

Як загальний максимум, може бути вказано значення 50 95, оскільки може бути важко здійснювати ферментацію при більш високих концентраціях з огляду на питання обробки.

Переважним може бути те, що кількість твердого продукту ферментації становить не більше 95, більше, зокрема, не більше 35 95.

Концентрація твердого продукту ферментації в ферментаційному середовищі може визначитися у відповідності з наступною процедурою: 1 мл гомогенного зразка відбирають з 40 ферментаційного бульйону, використовуючи пробірку Еппендорфа. Зразок центрифугують протягом 2 хв при 1300 обер./хв. Об'ємний відсоток твердого шару визначають візуально.

Даний твердий шар включає як твердий продукт ферментації, так і біомасу. Для компенсації кількості біомаси кількість біомаси може бути визначена окремо за способами, відомими в даній галузі, наприклад, визначенням оптичної щільності при 600 нм зразка ферментаційного бульйону, з якого кристали видаляють розбавленням до 5 об. 95 в розчині 0,5М ЕДТО, доводять до рН 8, використовуючи КОН, та яку порівнюють її з ОО на 600 нм стандартних розчинів біомасу. Об'ємний відсоток твердого продукту ферментації може потім визначатися за різницею об'ємного відсотку біомаси від відсотка, отриманого за процедурою центрифугування, описаною вище.

Ферментацію здійснюють у ферментаційному реакторі. Було виявлено, що проблеми, пов'язані з неоднорідним нагріванням та охолодженням є особливо актуальними для ферментацій, які здійснюють в реакторах великих об'ємів. Тому, в одному варіанті здійснення, розмір ферментаційного реактора є таким, що об'єм ферментаційного середовища в ферментаційному реакторі становить щонайменше 100 м3. Ферментаційні реактори більшого розміру також можуть використовуватися. Об'єм ферментаційного середовища в ферментаційному реакторі може, наприклад, становити щонайменше 200 м3, або ще щонайменше 400 м3. Як загальне максимальне значення може бути зазначено 2000 м3.

Ферментаційного реактор може бути обладнаний звичайним реакторним обладнанням, таким як мішалки або інші засоби для гомогенізації ферментаційного середовища. Це може бо бути переважним для реактора, який не містить теплообмінники. Теплообмінники можуть перешкоджати змішуванню, яке здійснюється для отримання гомогенної середовища, та ознакою винаходу є те, що теплообмінники не є необхідними.

Під час процесу ферментації, частина ферментаційного середовища, яка включає біомасу, виводиться з ферментаційного реактора у вигляді рециркуляційного потоку. Рециркуляційний потік, який включає біомасу, подається в ємність високого тиску, причому тиск вибирають таким, що температура рециркуляційного потоку зменшується зі значенням 1-82С, в порівнянні з температурою ферментаційного середовища в ферментаційному реакторі за рахунок випаровування води. Охолоджений рециркуляційний потік подається назад в ферментаційний реактор.

Дана операція рециркуляції через ємність під тиском є призначеною для охолодження ферментаційного середовища в процесі ферментації однорідним чином. Ступінь охолодження буде залежати від зниження температури в ємності під тиском та від кількості ферментаційного середовища, яка рециркулюється через ємність під тиском.

Ємність під тиском експлуатується в таких умовах, що температура рециркуляційного потоку зменшується на 1-8 "С, в порівнянні з температурою ферментаційного середовища. Зниження температура менше, ніж 1С є занадто низьким для здійснення значного охолодження.

Зниження температури більше, ніж 8 "С може призвести до неоднорідного температурного профілю в ферментаційному реакторі, коли середовище рециркулюється в нього.

Для здійснення адекватного регулювання температури ферментаційного середовища в ферментаційному реакторі, може бути переважним, якщо температура рециркуляційного потоку зменшується зі значенням 2-5 "С, в порівнянні з температурою ферментаційного середовища в ферментаційному реакторі Зниження температури в ємності під тиском отримують випаровуванням води. В межах обсягу кваліфікованого фахівця є вибрати умови тиску, які в результаті призведуть до бажаного зниження температури.

Відзначається, що, оскільки у винаході продуктом ферментації є сіль або продукт з температурою кипіння вищою за температуру кипіння води, то не відбуватиметься ніякого випаровування продукту ферментації в ємності під тиском. Випаровування низько киплячих побічних продуктів може відбуватися, якщо вони утворюються, але метою рециркуляції через ємність під тиском є зниження температури, не випаровування побічного продукту.

Об'єм ємності під тиском, як правило, є відносно невеликий в порівнянні з об'ємом ферментаційного реактора. Переважно він становить від 0,1 до 10 відсотків від об'єму ферментаційного реактора. Якщо об'єм ємності під тиском є занадто малий, буде важко отримати достатнє охолодження. Якщо об'єм ємності під тиском є занадто великий, вартість пристрою зросте без істотної користі для процесу. Об'єм ємності під тиском, наприклад, може становити від 0,5 до 10 му, зокрема від 1 до 5 м3.

Час рециркуляції, як правило, є відносно коротким в способі відповідно до винаходу.

Коротший час рециркуляції є переважним, оскільки в секції рециркуляції мікроорганізм знаходиться в менш контрольованих умовах, ніж в реакторі. Зокрема, час рециркуляції, який визначається як час між виведенням фракції ферментаційного середовища з ферментаційного реактора та повторним введенням фракції в реактор після охолодження, становить щонайбільше 10 хв, зокрема щонайбільше 5 хв. Від довшого часу рециркуляції не очікується жодних переваг. Мінімальний час рециркуляції залежить від точної конфігурації апарату, та не є критичним.

Частота рециркуляції може бути адаптована для отримання необхідного контролю температури. Вона буде залежати, серед іншого, від розміру ємності під тиском та розміру ферментаційного реактора. В одному варіанті здійснення частоту рециркуляції вибирають таким чином, що на годину 0,1-10 кратний об'єм ферментаційного реактора рециркулюється через ємність під тиском. Переважним може бути ре циркулювати від 0,5 до 5 кратного об'єму ферментаційного реактора через ємність під тиском на годину, більш особливо від 0,5 до 2 кратного об'єму ферментаційного реактора на годину.

Спосіб ферментації може бути періодичним процесом, періодичним процесом з підживленням або безперервним процесом. Спосіб відповідно до винаходу може бути періодичним процесом, періодичним процесом з підживленням або безперервним процесом.

В одному варіанті здійснення, спосіб ферментації відповідно до винаходу є періодичним процесом. В межах цього опису періодичний процес визначається як процес, в якому джерело карбону подається в ферментаційний реактор на початку реакції, та жодного (істотної частини) джерела карбону не подаються протягом процесу.

В одному варіанті здійснення, спосіб ферментації відповідно до винаходу є періодичним процесом з підживленням. В межах цього опису періодичний процес з підживленням є бо процесом, в якому щонайменше джерело карбону подається в ферментаційний реактор на початку реакції та під час реакції, де процес має попередньо визначену кінцеву точку, після якої ферментація не може бути продовжена через, наприклад, накопичення домішок.

В одному варіанті здійснення, спосіб ферментації відповідно до винаходу є безперервним процесом ферментації. В контексті цього опису безперервний процес ферментації є процесом, в якому щонайменше джерело карбону подається в ферментаційний реактор на початку реакції та під час реакції, причому процес не має попередньо визначеної кінцевої точки. Загалом, загальний об'єм ферментаційного середовища зберігається більш-менш постійним. Це означає, що з огляду на додавання джерела карбону під час ферментація, що в результаті призводить до збільшення об'єму ферментаційного середовища, вміст реактора буде видалятися під час ферментації Це може бути твердий продукт ферментації та/або рідке ферментаційне середовище. В принципі, безперервна ферментація може тривати нескінченно, хоча в певний момент часу вона буде припинена для обслуговування блоку. Концепції періодичної ферментації, періодичної з підживленням ферментації та безперервної ферментації є відомими кваліфікованим фахівцям.

На Фіг. 1 проілюстровано варіант здійснення, коли пристрій, необхідний для операції охолодження, є приєднаним безпосередньо до ферментаційного реактора. Можливим також є інтегрувати пристрій, необхідний для операції охолодження в операцію, на якій продукт ферментації видаляється.

Один варіант здійснення цього способу проілюстровано на Фіг. 2. На Фіг. 2, спосіб ферментації здійснюють в ферментаційному реакторі (1). Поживні речовини та джерела вуглеводів можуть подавати по лінії (2). Нейтралізуючу сполуку можуть подавати по лінію (3).

Що стосується фіг. 1, ці лінії можуть бути об'єднані, або поживні речовини та вуглеводи можуть подавати по окремим лініям. Можливим також є те, що всі ці сполуки будуть додавати в реактор на початку реакції, в цьому випадку ці лінії можуть бути відсутніми.

Під час процесу ферментації частина ферментаційного середовища, яке включає біомасу, виводиться з ферментаційного реактора через лінію (8). Лінія (8) ділиться на лінію (81) та лінію (82). Лінія (81) веде до ємності під тиском (5). В ємності під тиском вода (5) випаровується та виводиться через лінію (7). Отриманий в результаті охолоджений рециркуляційний потік повертається назад в ферментаційний реактор через лінію (6). Лінія (82) містить ферментаційне

Зо середовище, яке виводиться з процесу. Воно може бути оброблене за бажанням, наприклад, подаванням його в блок, розділенням біомаси з подальшими додатковими операціями обробки, такими як видалення твердого продукту ферментації, якщо він присутній, та іншими операціями, відомими в даній галузі, що не потребують подальшого пояснення в даному документі.

Тому, в одному варіанті здійснення, винахід стосується способу, в якому - під час процесу ферментації потік ферментаційного середовища, який містить біомасу, виводиться з ферментаційного реактора, - перша частина потоку подається в ємність під тиском, причому тиск вибирають таким чином, що температура потоку зменшується зі значенням 1-8 "С в порівнянні з температурою ферментаційного середовища в ферментаційному реакторі за рахунок випаровування води, та рециркуляцію таким чином утвореного потоку в ферментаційний реактор, та - друга частина потоку не подається в ємність під тиском.

Як зазначено вище, друга частина потоку може оброблятися за бажанням. Даний варіант здійснення є особливо привабливим, коли процес здійснюється за безперервним способом.

Продукт способу ферментації є ферментаційним бульйоном, який є водною рідиною, яка включає продукт ферментації, біомасу та необов'язково додаткові компоненти, такі як домішки, якими є цукри, протеїни та солі.

Якщо це бажано, ферментаційний бульйон може бути підданий операції видалення біомаси, наприклад, операції фільтрації, перед подальшою обробкою. Це, як правило, є переважним для покращення якості продукту. В залежності від отриманого продукту ферментації, інша проміжна операція може бути відокремленням твердого продукту ферментації, наприклад, магнію карбоксилату, від ферментаційного бульйону, перед, після або одночасного з видаленням біомаси, та необов'язково продукт ферментації піддають операції промивання.

В залежності від отриманого продукту ферментації, інша проміжна операція може полягати в піддаванні ферментаційного бульйону операції концентрування для збільшення концентрації продукту ферментації в композиції перед подальшою обробкою. Дана операція може здійснюватися перед, після або одночасного з видаленням біомаси.

Інші проміжні операції, наприклад, операції очищення, можуть здійснюватися за бажанням, як це буде очевидно кваліфікованим фахівцям.

Якщо продуктом ферментації є сіль карбонової кислоти, наступною операцією може бути 60 піддавання солі карбонової кислоти операції підкислення, для того, щоб перетворити сіль карбонової кислоти в карбонову кислоту. На даній операції, сіль карбонової кислоти контактує з неорганічною кислотою з утворенням водної суміші, яка включає карбонову кислоту та сіль, яка утворюється в результаті з катіона солі карбонової кислоти та аніона неорганічної кислоти.

Приклади відповідних неорганічних кислот включають гідрохлоридну кислоту, нітратну кислоту, сульфатну кислоту, та фосфатну кислоту.

Існують різні способи, за якими дана операція може здійснюватися.

Операцію підкислення зазвичай здійснюють приведенням карбоксилатної солі в контакт з розчином неорганічної кислоти. Однак, коли використовують гідрохлоридну кислоту, можливим також є контактування карбоксилатної солі з газоподібним НСІ.

Карбоксилатна сіль може бути у твердій та/або розчиненій формі. В одному варіанті здійснення, карбоксилатна сіль подається у твердій формі. В даному випадку, операція підкислення здійснюють приведенням карбоксилатної солі в контакт з кислотним розчином.

Перевага отримання водної суміші з карбоксилатної солі в твердій формі полягає в тому, що, таким чином, може бути отримана дуже висока концентрація карбонової кислоти, така як концентрація щонайменше 15 мас. 95, зокрема щонайменше 25 95, аж до, наприклад 50 мас. 95, або, наприклад, 40 мас. 95.

Карбоксилатна сіль також може бути в розчиненій формі, як правило, як частина водного розчину. В даному випадку, операція підкислення може здійснюватись приведенням карбоксилатної солі в контакт з кислотним розчином або кислотним газом.

Операція підкислення також може здійснюватись в суміші карбонової кислоти та карбоксилатної солі. Така суміш може бути, наприклад, отримана при ферментації з низьким рН. Суміш може, наприклад, бути водною суспензією.

Коли підкислення карбоксилатної солі здійснюють контактуванням її з розчином неорганічної кислоти, він переважно має концентрацію кислоти якомога вищу. Така висока концентрація кислоти буде в результаті призводити до отримання водної суміші з високою концентрацією карбонової кислоти, що є бажаним. Кислотний розчин, таким чином, містить, щонайменше 5 мас. 96, більш переважно - щонайменше 10 мас. 96 та ще більш переважно - щонайменше 20 мас. 95 кислоту, в розрахунку на загальну масу кислотного розчину.

Підкислення зазвичай здійснюють, використовуючи надлишок кислоти. Надлишок

Зо переважно є невеликим, так що отримана водна суміш не є високо кислотною, що може бути небажаним з огляду на подальшу переробку такої суміші. Наприклад, надлишок використовуваної кислоти може бути таким, що отримана в результаті отримана водна має рН 2 або нижче, переважно рн 0-1.

У випадку, якщо використовують газоподібний НС, він може контактувати приведенням його в контакт з карбоксилатним розчином або суспензією. Зокрема, газоподібний НСІ може продуватися через розчин або суспензію.

Переважно, підкислення здійснюють при температурі 75 "С або менше. При більш високих температурах, стане економічно невигідним адаптувати обладнання до жорстких умов кислотного оточуючого середовища при високих температурах.

Альтернативно, для контакту солі карбонової кислоти з неорганічною кислотою, можливим також є перетворювати сіль карбонової кислоти в кислоту контактуванням розчину солі з іонообмінною смолою, наприклад, в іонообмінній колоні. Можливим також є перетворити сіль карбонової кислоти в карбонову кислоту, використовуючи принципи хроматографії з псевдозріджуючим шаром, або піддаванням розчину солі карбонової кислоти електродіалізу.

Операція підкислення в результаті призводить до утворення водної рідини, яка містить карбонову кислоту та сіль. Дану водну рідину піддають операції розділення, необов'язково після проведення проміжних операцій обробки, таких як операція концентрування.

Прийнятні операції розділення є відомими в даній галузі. Характер операції, що застосовують, залежить від природи та властивостей кислот.

Якщо карбонова кислота є присутньою в цілому або частково у вигляді твердої речовини у водній рідині, розділення може відбуватися з використанням звичайних способів розділення тверда речовина-рідина, таких як фільтрація, центрифугування, тощо.

Якщо карбонова кислота є присутньою в цілому або частково у вигляді окремої органічної фази у водній рідині, розділення може відбуватися з використанням звичайних рідинно-рідинних способів розділення, наприклад, декантації, відстоювання, центрифугування, використання пластинчатих сепараторів, використання коагуляторів та використання гідроциклонів. Для покращення ефективності розділення може додаватися екстрагент. Комбінації різних способів та пристроїв також можуть використовуватися.

Якщо карбонова кислота є присутньою розчиненою у водній рідині, розділення може 60 відбуватися з використанням, наприклад, екстракції з прийнятним екстрагентом.

Коли екстрагент є присутнім в способі відповідно до винаходу, екстрагент, який також може бути зазначений як екстракційний агент, по суті, не змішується з водою. Використання екстрагента в результаті призводить до утворення двофазної системи під час операції розділення, яка включає рідкий органічний шар, який включає екстрагуючий агент та карбонову кислоту, та водний шар, який включає розчинений магнію хлорид.

Приклади прийнятних екстрагентів включають аліфатичні та ароматичні вуглеводні, такі як алкани та ароматичні сполуки, кетони та етери. Суміші з різних сполук також можуть використовуватись.

Приклади прийнятних аліфатичних алканів включають С5-С10 лінійні, розгалужені або циклічні алкани, наприклад, октан, гексан, циклогексан, 2-етилгексан та гептан.

Приклади прийнятних ароматичних сполук включають С6-С10 ароматичні сполуки, наприклад, толуол, ксилоли та етилбензол.

Приклади прийнятних кетонів включають С5ж- кетони, більш конкретно С5-С8 кетони у винаході. С5- означає кетони з щонайменше 5 атомами карбону. Використання С9-- кетонів є менш переважним. Використання метил-ізобутил-кетону (МІВК), як було виявлено, є особливо привабливим.

Приклади прийнятних етерів включають С3-Сб етери, наприклад, метил трет-бутиловий етер (МТВЕ) та діетиловий етер (ОЕЕ).

Після екстракції, карбонова кислота може бути відокремлена від екстрагента за бажанням. В одному варіанті здійснення це може здійснюватися видаленням екстрагента випаровуванням. В іншому варіанті здійснення карбонова кислота може бути виділена з екстрагента екстракцією водою або іншою водною рідиною.

Після відокремлення карбонової кислоти від солі, карбонову кислоту можуть обробляти за бажанням. Приклади подальших операцій обробки включають операції очистки, такі як одне або декілька промивань, обробка активним вугіллям, перекристалізація, дистиляція, та фільтрація.

Там, де карбонова кислота є молочною кислотою, вона може бути перетворена в лактид та

РІ А.

Як буде зрозуміло фахівцям в даній галузі, переваги різних аспектів винаходу можуть бути об'єднані, якщо вони не є взаємовиключними.

Винахід далі ілюстровано наступним прикладом, не обмежуючись ним або зазначеним в ньому.

Приклад 1

Лактатну ферментацію здійснювали в 300 л ємності, до якої було приєднано 20 л ємність під тиском, щоб забезпечити охолодження ферментаційного бульйону. рН контролювали з використанням розчину гідроксиду магнію. Під час ферментації застосовували постійну рециркуляцію 1,2 м3/год. Рециркуляційний потік у/"а5 піддавали вакуумному тиску 140 мбар, який забезпечував достатнє охолодження для ферментаційного бульйону. Рідина була рециркульованою в ферментаційний бульйон, тоді як конденсат відкидався. Температура рециркуляційного потоку була на 2,59 нижче температури ферментаційного бульйону в ферментаційній ємності. Температуру бульйону в ферментаційній посудині контролювали щодо бажаної температури з варіюванням 20,1 "С. Час рециркуляції, який визначається як час між виведенням фракції ферментаційного середовища з ферментаційного реактора та повторним введенням фракції в реактор, становив близько 1 хв.

Даний приклад показує, що рециркуляційною операцією за винаходом з контрольованою температурою рециркуляційного потоку випаровуванням в ємності під тиском, температуру бульйону в ферментаційній ємності могли контролювати при бажаній температурі з варіюванням 50,1 "0.

Claims (14)

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

1. Процес виробництва продукту ферментації, який включає ферментування в умовах ферментації у водному ферментаційному середовищі у ферментаційному реакторі джерела вуглеводів мікроорганізмом, здатним перетворювати вуглевод в продукт ферментації, причому продуктом ферментації є сіль або продукт з температурою кипіння, вищою за температуру кипіння води, виведення під час процесу ферментації частини ферментаційного середовища, яке містить біомасу з ферментаційного реактора, у вигляді рециркуляційного потоку, подавання рециркуляційного потоку, який містить біомасу, в ємність високого тиску, причому тиск вибирають так, що температура рециркуляційного потоку зменшується зі значенням 1-8 "С,

в порівнянні з температурою ферментаційного середовища у ферментаційному реакторі, за рахунок випаровування води, рециркуляцію охолодженого рециркуляційного потоку у ферментаційний реактор.

2. Процес за п. 1, в якому температура рециркуляційного потоку зменшується зі значенням 2- 5 "С, в порівнянні з температурою ферментаційного середовища в ферментаційному реакторі.

3. Процес за будь-яким одним з попередніх пунктів, в якому об'єм ємності під тиском становить від 0,1 до 10 відсотків від об'єму ферментаційного реактора.

4. Процес за будь-яким одним з попередніх пунктів, в якому час рециркуляції, визначений як час між виведенням фракції ферментаційного середовища з ферментаційного реактора та повторним введення фракції в реактор, становить щонайбільше 10 хв.

5. Процес за будь-яким одним з попередніх пунктів, в якому твердий продукт ферментації є присутній у ферментаційному середовищі у ферментаційному реакторі під час щонайменше частини ферментації.

6. Процес за будь-яким одним з попередніх пунктів, в якому об'єм ферментаційного середовища у ферментаційному реакторі становить щонайменше 100 м3.

7. Процес за будь-яким одним з попередніх пунктів, в якому різниця між найвищою температурою ферментаційного середовища у ферментаційному реакторі та найнижчою температурою ферментаційного середовища у ферментаційному реакторі становить щонайбільше 8 "с.

8. Процес за будь-яким одним з попередніх пунктів, в якому під час процесу ферментації потік ферментаційного середовища, який містить біомасу, виводиться з ферментаційного реактора, перша частина потоку подається в ємність під тиском, причому тиск вибирають таким, що температура потоку зменшується зі значенням 1-87С в порівнянні з температурою ферментаційного середовища у ферментаційному реакторі за рахунок випаровування води, та таким чином утворений потік рециркулюється у ферментаційний реактор, та друга частина потоку не подається в ємність під тиском.

9. Процес за будь-яким одним з попередніх пунктів, в якому продуктом ферментації є сіль карбонової кислоти, вибраної з групи, що складається з моно-, ди- та трикарбонових кислот, які Зо мають 2-8 атомів карбону.

10. Процес за будь-яким одним з попередніх пунктів, в якому продуктом ферментації є сіль карбонової кислоти, яку піддають операції підкислення, для того, щоб перетворити сіль карбонової кислоти в карбонову кислоту, з утворенням водної суміші карбонової кислоти та неорганічної солі.

11. Процес за п. 10, в якому карбонову кислоту відокремлюють від неорганічної солі.

12. Процес за п. 11, в якому, після відокремлення карбонової кислоти від солі, карбонову кислоту піддають операції очищення.

13. Процес за будь-яким одним з пп. 10-12, в якому операцію видалення біомаси здійснюють між операцією ферментації та операцією підкислення.

14. Процес за будь-яким одним з пп. 10-13, в якому карбонова кислота є молочною кислотою, яку потім перетворюють в лактид або полілактид.

сно 7 Ми тт 5 сутттестттсно ф р. - Е ши 3 А пня мин НІ г Е й Хнеееетттттютечжттчечнтечнетте вк

Фіг. 1 і | пиши Ммєютстенттттутттттснннтя ді ши 1 е «віг я