POLITECHNIKA POZNAŃSKA

Transkrypt

1 POLITECHNIKA POZNAŃSKA Wydział Technologii Chemicznej Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej mgr inż. Beata Rukowicz ROZPRAWA DOKTORSKA Wydzielanie polioli z brzeczek fermentacyjnych metodami sorpcyjnymi Praca wykonana pod kierunkiem dr hab. inż. Krzysztofa Alejskiego, prof. nadzw. POZNAŃ 2016

2 Składam serdeczne podziękowania Promotorowi pracy doktorskiej dr hab. inż. Krzysztofowi Alejskiemu, prof. nadzw. za zaangażowanie, cenne uwagi i sugestie oraz za wszelką pomoc i poświęcony czas podczas pisania niniejszej rozprawy

3 Serdeczne podziękowania składam dr inż. Ireneuszowi Miesiącowi za nieocenioną pomoc i wsparcie merytoryczne

4 Niniejsza praca została wykonana w ramach projektu współfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, Projekt Biotechnologiczna konwersja glicerolu do polioli i kwasów dikarboksylowych" POIG /09

5 Spis treści 1. WSTĘP METODY PRODUKCJI POLIOLI Produkcja propano-1,3-diolu Produkcja erytrytolu METODY OCZYSZCZANIA ROZTWORÓW POFERMENTACYJNYCH POLIOLI Metody oczyszczania propano-1,3-diolu Metody ekstrakcyjne Metody membranowe Metody sorpcyjne Metody oczyszczania erytrytolu Podsumowanie METODY SORPCYJNE Chromatografia procesowa Model dynamiki procesu chromatograficznego Równowaga sorpcyjna Parametry procesu chromatograficznego Izoterma sorpcji Porowatość całkowita kolumny Zastępczy współczynnik dyspersji wzdłużnej CEL PRACY BADANIA DOŚWIADCZALNE Odczynniki Sorbenty Materiał badawczy Aparatura badawcza Metody analityczne Proces bezpośredniej sorpcji Metodyka prowadzenia badań Opis uzyskanych wyników badań Cieczowa chromatografia procesowa Sposób opracowania wyników chromatograficznych... 71

6 6.7.2 Chromatografia sorpcyjna Chromatografia wykluczania jonowego (ekskluzja jonów) Wymiana jonowa Procesy zintegrowane Wydzielanie propano-1,3-diolu z brzeczki fermentacyjnej Wydzielanie erytrytolu z brzeczki fermentacyjnej SYMULACJA CIĄGŁEJ CHROMATOGRAFII PROCESOWEJ PODSUMOWANIE I WNIOSKI LITERATURA STRESZCZENIE ABSTRACT WYKAZ DOROBKU NAUKOWEGO

7 Wykaz oznaczeń A - powierzchnia [m 2 ] - aktywność ułamkowa składnika i w stanie równowagi [-] - powierzchnia właściwa sorbentu [m 2 /m 3 ] - stężenie w strumieniu wylotowym z kolumny [mol/m 3 ] - stężenie początkowe [mol/m 3 ] - stężenie składnika i na wlocie kolumny [mol/m 3 ] - stężenie po procesie desorpcji [mol/m 3 ] - stężenie składnika w filtracie [mol/dm 3 ] - stężenie składnika i w fazie ruchomej [mol/m 3 ] - stężenie równowagowe składnika i w roztworze [mol/m 3 ] - stężenie składnika i [mol/m 3 ] - stężenie składnika w nadawie [mol/dm 3 ] - stężenie składnika i w fazie ruchomej wewnątrz porów [mol/m 3 ] - średnie stężenie składnika i w fazie ruchomej wewnątrz porów [mol/m 3 ] - współczynnik podziału [-] - zastępczy współczynnik dyspersji wzdłużnej [m 2 /s] - efektywny współczynnik dyfuzji w nieruchomym płynie w porach [m 2 /s] - współczynnik dyspersji wzdłużnej [m 2 /s] F - stopień załadowania kolumny chromatograficznej [%] - stała Henry ego [-] I - ilość kolumn chromatograficznych [-] i - składnik [-] - gęstość strumienia wnikania masy na zewnątrz ziarna [mol/(m 2 s)] J - gęstość strumienia dyfuzji masy wewnątrz ziarna [mol/(m 2 s)] - współczynnik podziału procesu chromatograficznego dla składnika i [-], - współczynnik podziału procesu chromatograficznego dla glicerolu [-],! - współczynnik podziału procesu chromatograficznego dla propano-1,3-diolu [-] " - współczynnik wnikania masy z rdzenia płynu do ziarna sorbentu [m/s] " #$ - współczynnik przenikania masy [m/s] % - długość kolumny [m] & '#(. - masa molowa rozpuszczalnika [kg/mol] 7

8 * # - masa produktu we frakcji odpadowej [kg] * ' - masa soli nieorganicznych we frakcji recyklu [kg] * ( - masa złoża [kg] * ( - masa produktu w strumieniu zasilającym [kg] * ( - masa soli nieorganicznych w strumieniu zasilającym [kg] + - liczba półek teoretycznych [-] O - stopień odsolenia frakcji produktu [%], - promień cząsteczki ziarna [m] R - uniwersalna stała gazowa./(*12 )4 5 - współrzędna promieniowa [m] 6 - stężenie składnika i w fazie stacjonarnej [mol/m 3 ] 6 - stężenie równowagowe składnika i w fazie stacjonarnej [mol/m 3 ] 67 - średnie stężenia składnika i w fazie stacjonarnej [mol/m 3 ] 6 - stężenie równowagowe glicerolu w fazie stacjonarnej [mol/m 3 ] 6! - stężenie równowagowe propano-1,3-diolu w fazie stacjonarnej [mol/m 3 ] 8 - stopień straty produktu [%] 9 - czas [s] 9 - czas wprowadzania składnika i do kolumny [s] 9 ' - czas retencji [s] 9 ' - czas martwy kolumny [s] : - prędkość liniowa fazy ruchomej liczona na pusty aparat [m/s] W - wydajność separacji [%] ;,<= - wysokość równoważna półce teoretycznej [m] ; > - współczynnik retencji - szerokość piku chromatograficznego w połowie jego wysokości [s] B - szybkość przestrzenna [s -1 ] V - objętość [m 3 ] V B - objętość sorbentu w kolumnie chromatograficznej [m 3 ] C ' - objętość roztworu [m 3 ] C ( - objętość sorbentu [m 3 ] CD - objętościowe natężenie przepływu fazy ruchomej [m 3 /s] E - odległość liczona od początku kolumny [m] E - ułamek molowy składnika i [-] 8

9 E ɵ - ułamek molowy składnika w stanie standardowym [-] G # - ułamek masowy składnika i w fazie organicznej [-] G H - ułamek masowy składnika i w fazie wodnej [-] I - stopień zasolenia recyklu [%] J - współczynnik aktywności składnika i [-] - gradient stężenia składnika i w fazie ruchomej [mol/m 3 ] - gradient stężenia składnika i w fazie ruchomej wewnątrz porów [mol/m 3 ] L - porowatość usypowa złoża [-] L - porowatość ziarna sorbentu [-] L - porowatość całkowita [-] M - potencjał chemiczny składnika i [J/mol] M ɵ - standardowy potencjał chemiczny składnika i [J/mol] M > - potencjał chemiczny składnika i w fazie ruchomej [J/mol] M N - potencjał chemiczny składnika i w fazie stacjonarnej [J/mol] O '#(. - gęstość rozpuszczalnika [kg/m 3 ] O ( - gęstość właściwa złoża [kg/m 3 ] 9

10 1. WSTĘP Ważnym aspektem zasad zrównoważonego rozwoju jest stosowanie nowoczesnych, przyjaznych dla środowiska technologii, uwzględniających uwarunkowania ekonomiczne i społeczne. Celem strategicznym polityki energetycznej Unii Europejskiej jest zwiększenie udziału energii produkowanej ze źródeł odnawialnych. Wśród odnawialnych źródeł energii istotną rolę odgrywa biodiesel, czyli mieszanina estrów metylowych wyższych kwasów tłuszczowych, która powstaje w wyniku metanolizy tłuszczów roślinnych lub zwierzęcych. Reakcja ta zachodzi w obecności katalizatora homogenicznego lub heterogenicznego [27]. Produktem ubocznym reakcji transestryfikacji, powstającym w ilości około 10% w odniesieniu do produkcji biodiesla, jest frakcja glicerynowa, której czystość zależy od warunków prowadzonego procesu [33, 130]. Jedną z potencjalnych możliwości zagospodarowania odpadowej frakcji glicerynowej, jak również innych źródeł biomasy jest proces fermentacji prowadzony w obecności odpowiednich szczepów bakterii, drożdży lub grzybów [105]. Na drodze fermentacji glicerolu można otrzymać m.in. takie związki jak propano-1,2-diol, propano-1,3-diol, butano-2,3-diol, butano-1,4-diol, erytrytol, kwas bursztynowy, kwas propionowy, kwas cytrynowy, kwas mlekowy, kwas fumarowy, etanol, butanol i in. [43, 49, 58, 84, 203]. Integracja produkcji biopaliw z konwersją odpadowego glicerolu umożliwia poprawę bilansu ekonomicznego biorafinerii oraz zagospodarowanie produktów ubocznych [135, 195, 200]. W wyniku biokonwersji glicerolu otrzymuje się brzeczkę fermentacyjną, która poza produktem głównym zawiera biomasę, sole, nieprzereagowany glicerol, kwasy karboksylowe oraz inne produkty uboczne. Złożoność otrzymanej brzeczki stwarza trudności związane z wydzielaniem i oczyszczaniem produktu głównego. Z tego powodu metody separacji i oczyszczania produktu głównego, zwykle o niskim stężeniu, odgrywają zasadniczą rolę w końcowej ekonomicznej ocenie technologii. Niniejsza praca poświęcona jest analizie możliwości oczyszczania polioli otrzymywanych na drodze fermentacji glicerolu metodami sorpcyjnymi, na przykładzie propano-1,3-diolu i erytrytolu. Badania prowadzone nad biokonwersją odpadowego glicerolu oraz nad oczyszczaniem produktów uzyskanych w wyniku tej biokonwersji są w większości na etapie badań laboratoryjnych. Z danych literaturowych wynika, że w procesie wydzielania polioli z brzeczek fermentacyjnych uwzględnia się głównie metody ekstrakcyjne, sorpcyjne, destylacyjne, krystalizacyjne oraz metody membranowe. W ramach tych badań uwzględniono głównie propano-1,3-diol jako produkt biokonwersji odpadowego glicerolu, natomiast 10

11 przedstawione wyniki oczyszczania erytrytolu uwzględniają głównie proces jego biosyntezy na drodze biokonwersji glukozy. Celem pracy jest ocena efektywności metod sorpcyjnych, w tym sorpcji bezpośredniej, cieczowej chromatografii procesowej oraz wymiany jonowej w procesie oczyszczania propano-1,3-diolu i erytrytolu. Dobór metod separacyjnych przeprowadzono na podstawie wstępnych badań własnych, analizy literaturowej oraz zebranych danych w zakresie stosowanych faz stacjonarnych w technikach analitycznych. W wyniku przeprowadzonych badań doświadczalnych i optymalizacyjnych opracowano schemat technologii oczyszczania polioli z brzeczek fermentacyjnych uzyskiwanych na drodze biokonwersji odpadowego glicerolu. 11

12 2. METODY PRODUKCJI POLIOLI Poliole to alifatyczne alkohole wielowodorotlenowe, które zawierają w swojej cząsteczce co najmniej dwie grupy hydroksylowe. Związki te mają szerokie praktyczne zastosowanie, zależne od ich budowy i właściwości fizykochemicznych. Przykładowo, w przemyśle polimerowym wykorzystuje się jako monomery takie diole jak propano-1,3-diol, propano-1,2-diol czy butano-2,3-diol. Alkohole cukrowe, w tym erytrytol i sorbitol mają natomiast zastosowanie w przemyśle spożywczym. W niniejszej pracy wybrano propano-1,3-diol oraz erytrytol jako przykładowe poliole, które można otrzymać na drodze mikrobiologicznej konwersji odnawialnych źródeł energii. 2.1 Produkcja propano-1,3-diolu Przemysłowa produkcja propano-1,3-diolu opiera się na chemicznej konwersji akroleiny lub tlenku etylenu [163]. Metoda stosowana przez DuPont (Degussa) uwzględnia dwuetapowy proces syntezy propano-1,3-diolu, składający się z hydratacji akroleiny, a następnie uwodornienia powstałego 3-hydroksypropanalu. Reakcję syntezy propano-1,3-diolu z akroleiny przedstawiono za pomocą równania (1) [71]. Firma Shell zaproponowała dwuetapową syntezę propano-1,3-diolu, w której poddawany uwodornieniu 3-hydroksypropanal otrzymuje się na drodze hydroformylowania tlenku etylenu (równanie (2)) [12]. W literaturze przedstawiono również możliwość chemicznej syntezy propano-1,3-diolu na drodze uwodornienia glicerolu w obecności odpowiednich katalizatorów heterogennych [101, 185]. (1) (2) 12

13 Proces chemicznej syntezy propano-1,3-diolu prowadzony jest w warunkach wysokiego ciśnienia i wysokiej temperatury, wymaga zastosowania drogich katalizatorów oraz wiąże się z toksycznością produktów pośrednich. Konkurencyjną metodą w stosunku do przemysłu petrochemicznego, zarówno ze względów ekonomicznych jak i ekologicznych, może być wykorzystanie surowców odnawialnych w procesie biokonwersji prowadzącej do propano-1,3-diolu, z zastosowaniem odpowiednich szczepów bakterii. Jednym z surowców wykorzystywanym w procesach biotechnologicznych jest glukoza, jednak jedynie szczepy E. coli umożliwiają bezpośrednią konwersję glukozy do propano-1,3-diolu [51, 85]. W przypadku zastosowania innych szczepów bakteryjnych proces przebiega dwuetapowo poprzez konwersję glukozy do glicerolu, a następnie do propano-1,3-diolu. Niekorzystną ze względów ekonomicznych glukozę można zastąpić odpadową frakcją glicerynową otrzymywaną w procesie produkcji biodiesla [101]. Biokonwersja glicerolu do propano-1,3-diolu zachodzi w odpowiednio dobranych warunkach, w obecności mikroorganizmów zdolnych do prowadzenia procesu fermentacji. W literaturze przedstawiono szeroki zakres badań prowadzonych z zastosowaniem różnych szczepów bakterii w tym Clostridium butyricum [62, 99, 176], Clostridium acetobutylicum [171], Clostridium diolis [94], Citrobacter freundii [7], Klebsiella pneumoniae [35, 115, 167], Klebsiella oxytoca [31], Escherichia coli [145], Lactobacillus diolivorans [141], Lactobacillus reuteri [86, 148], Halanaerobium saccharolyticum [96]. W celu uzyskania maksymalnej wydajności bioprodukcji propano-1,3-diolu wprowadza się wiele modyfikacji procesu fermentacji, takich jak modyfikacja genetyczna bakterii [32], zastosowanie glukozy jako kosubstratu [70], wykorzystanie potencjału elektrochemicznego [193], a także prowadzi się optymalizację procesu [182, 201]. Możliwość wykorzystania immobilizacji komórek drobnoustrojów np. metodą kapsułkowania zapewnia stabilność przemian biochemicznych oraz zwiększa bezpieczeństwo pracy w przypadku szczepów patogennych [93, 205]. Natomiast prowadzenie fermentacji glicerolu w warunkach niesterylnych pozwala obniżyć koszty bioprodukcji propano-1,3-diolu [48, 97]. Niezależnie od doboru parametrów bioprodukcji oraz szczepów bakterii, w wyniku fermentacji glicerolu otrzymuje się produkt w postaci rozcieńczonej brzeczki fermentacyjnej. Surowa brzeczka zawiera propano-1,3-diol, biomasę, nieprzereagowany glicerol, sole organiczne i nieorganiczne, kwasy karboksylowe oraz inne produkty uboczne w zależności od dobranego szlaku metabolicznego (np. etanol, butano-2,3-diol). Proces biosyntezy propano-1,3-diolu zależy od wielu czynników. Na koszt procesu fermentacji w dużym stopniu wpływa cena surowca, a więc w tym przypadku glicerolu [187]. 13

14 Przy doborze szczepu bakterii należy uwzględnić nie tylko wydajność produkcji propano-1,3-diolu, ale również patogenność stosowanych drobnoustrojów. Natomiast w całym procesie produkcji propano-1,3-diolu należy przede wszystkim uwzględnić dobór odpowiedniej metody separacji i oczyszczenia produktu głównego, która ma wpływ nie tylko na jakość produktu, ale również w znacznym stopniu na koszty produkcji [196]. 2.2 Produkcja erytrytolu Syntezę chemiczną erytrytolu można prowadzić różnymi metodami, takimi jak np. uwodornienie kwasu winowego w obecności katalizatora niklowego [52], hydroliza polisacharydów [75], reakcja hydroksylowania buta-1,3-dienu za pomocą nadtlenku wodoru [78, 79]. Jednak warunki prowadzenia syntezy chemicznej, stosowane katalizatory oraz powstające produkty uboczne eliminują praktyczne zastosowanie otrzymywanego erytrytolu jako substancji spożywczej. Z tego powodu produkcja światowa erytrytolu opiera się na metodach biotechnologicznych z wykorzystaniem surowców odnawialnych. W procesie fermentacji jako źródło węgla można wykorzystać glukozę, sacharozę, materiały skrobiowe, ale również czysty glicerol lub frakcję glicerynową będącą produktem ubocznym produkcji biodiesla. Produkcja erytrytolu w procesie fermentacji czystej glukozy, sacharozy lub dekstrozy zachodzi m.in. w obecności takich drożdży jak szczepy Candida magnoliae [162, 166], Trichosporonoides madida [174], Trigonopsis variabilis, Torula i Moniliella [155]. Otrzymywanie natomiast erytrytolu na drodze fermentacji oczyszczonej lub surowej frakcji glicerynowej prowadzi się z zastosowaniem drożdży Yarrowia lipolytica [87]. Erytrytol może być syntezowany jako produkt główny, ale jego obecność wykazano również w przypadku biotechnologicznej produkcji kwasu cytrynowego [154, 156]. W przeprowadzonych badaniach z zastosowaniem drożdży Yarrowia lipolytica przedstawiono możliwość prowadzenia fermentacji glicerolu z wysoką wydajnością dla szczepów A UV'1, A-15 oraz Wratislavia K1 i MK1 [125, 177]. W celu zwiększenia wydajności procesu przeprowadzono badania określające wpływ ilości soli nieorganicznych (siarczanów, fosforanów i chlorków) [157] oraz wpływ stresu osmotycznego komórek powodowany wzrostem ciśnienia osmotycznego [198] na przebieg procesu fermentacji glicerolu z zastosowaniem szczepu Yarrowia lipolytica Wratislavia K1. Przedstawione w literaturze badania wskazują na możliwość prowadzenia fermentacji glicerolu z dużą wydajnością, natomiast możliwość wykorzystania surowej frakcji glicerynowej może przyczynić się do obniżenia kosztów produkcji erytrytolu [157]. 14

15 3. METODY OCZYSZCZANIA ROZTWORÓW POFERMENTACYJNYCH POLIOLI 3.1 Metody oczyszczania propano-1,3-diolu Na drodze biokonwersji glicerolu przy zastosowaniu odpowiednich szczepów bakterii lub drożdży otrzymuje się brzeczkę fermentacyjną, którą należy poddać oczyszczeniu i separacji produktu głównego. W procesie mikrobiologicznej produkcji polioli, etap separacji ma kluczowe znaczenie ze względu na czystość produktu jak również wpływa na ekonomię procesu. Oczyszczanie propano-1,3-diolu zostało szeroko opisane w literaturze z uwzględnieniem różnych technik separacyjnych w tym m.in. metod ekstrakcyjnych, membranowych, destylacyjnych oraz sorpcyjnych. Przy doborze odpowiedniej metody należy uwzględnić selektywność i wydajność procesu, wpływ na środowisko oraz możliwości zastosowania w większej skali Metody ekstrakcyjne W literaturze przedstawiono badania prowadzone nad zastosowaniem różnych metod ekstrakcyjnych, w tym ekstrakcji rozpuszczalnikowej, ekstrakcji z efektem wysalania oraz ekstrakcji reaktywnej w procesie wydzielania propano-1,3-diolu z roztworów pofermentacyjnych. W procesie ekstrakcji rozpuszczalnikowej (ekstrakcji ciecz-ciecz) separacja zachodzi na drodze nierównomiernego podziału ekstrahowanych składników między niemieszającymi się rozpuszczalnikami. W badaniach nad zastosowaniem ekstrakcji rozpuszczalnikowej wykorzystano szereg ektrahentów o różnych właściwościach fizykochemicznych. W przeanalizowanych pracach, efektywność ekstrakcji określano na podstawie współczynników podziału oraz wartości selektywności układu ekstrahującego. Współczynnik podziału zdefiniowano jako stosunek ilości ekstrahowanej substancji w fazie organicznej do ilości tej substancji w fazie wodnej: gdzie: G # - ułamek masowy składnika i w fazie organicznej [-], G H - ułamek masowy składnika i w fazie wodnej [-]. = QR QS, (3) 15

16 Na podstawie wyznaczonych współczynników podziału można określić selektywność, czyli stosunek współczynnik podziału propano-1,3-diolu do współczynnika podziału innych związków obecnych w roztworze pofermentacyjnym. W pracy Malinowskiego [119] przeprowadzono wstępny dobór rozpuszczalników za pomocą programu ESP (Extractant Screening Program) zaprojektowanego przez Kollerupa i Daugulisa, w którym wieloskładnikowa równowaga ciecz-ciecz określana jest przy użyciu metody UNIFAC. Program ESP zawiera bazę danych około 1300 ekstrahentów, umożliwiającą wstępną selekcję rozpuszczalników na podstawie ich właściwości fizycznych takich jak współczynnik podziału, selektywność, temperatura wrzenia, rozpuszczalność w wodzie. Zarówno dobór rozpuszczalnika jak i badania doświadczalne prowadzono dla modelowych roztworów wodnych zawierających propano-1,3-diol i glicerol. Przeanalizowano możliwość zastosowania alkoholi oraz aldehydów alifatycznych i aromatycznych, a także kwasów organicznych i amin. Najlepsze parametry ekstrakcji uzyskano dla aldehydów i alkoholi alifatycznych, dla których współczynnik podziału zwiększa się wraz ze zmniejszeniem długości łańcucha węglowego. W przypadku alkoholi, podstawienie w łańcuchu węglowym powoduje spadek współczynnika podziału w porównaniu do wartości dla odpowiednich łańcuchów prostych. Również wiązania podwójne i potrójne powodują obniżenie wartości współczynnika podziału. Przeprowadzono badania doświadczalne w celu weryfikacji obliczeniowych współczynników podziału uzyskując znacznie niższe wartości doświadczalne, jednak zgodne ze wskazaną tendencją dla danej grupy rozpuszczalników. Niskie wartości współczynników podziału uniemożliwiają zastosowanie ekstrakcji ciecz-ciecz jako efektywnej metody oczyszczania brzeczek fermentacyjnych. W przypadku alkoholi alifatycznych, wartość współczynnika podziału wzrasta wraz ze wzrostem hydrofilowości rozpuszczalnika. Rozpuszczalniki silnie hydrofilowe, takie jak metanol czy etanol tworzą z wodą jedną fazę. Stosowanie ekstrahentów silnie hydrofobowych prowadzi do otrzymania układu dwufazowego z dużą selektywnością rozpuszczalnika względem propano-1,3-diolu, Proces jednak charakteryzuje się bardzo niskimi wartościami współczynnika podziału propano-1,3-diolu [151]. Ograniczenie zużycia dużych ilości organicznych rozpuszczalników można uzyskać poprzez częściowy ich odzysk na drodze destylacji. W tym przypadku ważną zaletą rozpuszczalnika jest jego niska temperatura wrzenia, umożliwiająca obniżenie zużycia energii w procesie destylacji [19]. W pracy Boonsongsawat i in. [26] jako ekstrahent zastosowano octan etylu oraz mieszaninę octanu etylu i etanolu. Wartość współczynnika podziału propano-1,3-diolu wzrasta wraz ze wzrostem udziału etanolu w mieszaninie ekstrahującej. W badaniach 16

17 zaobserwowano również nieznaczny spadek współczynnika podziału propano-1,3-diolu wraz ze wzrostem temperatury ekstrakcji. Możliwość wykorzystania ekstrahentów hydrofobowych jest ograniczona ze względu na bardzo małą wydajność ekstrakcji. Zwiększenie hydrofilowości rozpuszczalnika zwiększa współczynnik podziału propano-1,3-diolu, ale jednocześnie obniża selektywność ekstrakcji. Proces ekstrakcji ciecz-ciecz wykorzystano również jako metodę separacji propano-1,3-diolu bezpośrednio podczas prowadzonej fermentacji. Wskazano możliwość wykorzystania octanu etylu w celu zwiększenia konwersji glicerolu w kierunku propano-1,3-diolu poprzez ciągły odbiór produktu [92]. Cai i in. [29] przeanalizowali możliwość przeprowadzenia ekstrakcji alkoholi wielowodorotlenowych z zastosowaniem cieczy jonowych jako ekstrahenty. Proces wymaga zastosowania dużej ilości ekstrahenta, szczególnie w przypadku separacji alkoholi z rozcieńczonych roztworów wodnych. Przeprowadzono również badania nad zastosowaniem estrów metylowych oleju sojowego jako ekstrahenta w ekstrakcji mieszaniny zawierającej butanol, propano-1,3-diol i etanol, uzyskując praktycznie zerowy stopień ekstrakcji propano-1,3-diolu [4]. Rozpuszczalniki selektywne względem propano-1,3-diolu, takie jak alkohol oleinowy, fosforan tributylu, kwas oleinowy oraz octan izopropylu również charakteryzują się bardzo małymi wartościami współczynnika podziału [17]. Na podstawie badań nad ekstrakcją rozpuszczalnikową można stwierdzić, że najlepszy stopień ekstrakcji propano-1,3-diolu otrzymuje się dla ekstrahentów silnie hydrofilowych. Rozpuszczalniki te, takie jak metanol i etanol, nie znajdują zastosowania w klasycznej ekstrakcji rozpuszczalnikowej, ponieważ tworzą z wodą jedną fazę. Układ dwufazowy można uzyskać natomiast po dodaniu odpowiednich soli nieorganicznych, które z ekstrahentami hydrofilowymi tworzą dwufazowy układ wodny [45]. Podział separowanej substancji następuje między dolną zasoloną fazą wodną, a górną fazą organiczną. Ekstrakcję z wykorzystaniem efektu wysalania przeprowadzono dla rozpuszczalników organicznych takich jak metanol, etanol, izopropanol, n-propanol, izobutanol, aceton, chloroform i octan etylu [106]. Jako sole nieorganiczne zastosowano siarczan amonu, chlorek sodu, chlorek wapnia, węglan wapnia, fosforan potasu i wodorofosforan dipotasu. Nie w każdym przypadku otrzymano dwufazowy układ wodny. Najwyższy współczynnik podziału propano-1,3-diolu (10,1) oraz stopień ekstrakcji (99,4%) z przefiltrowanej brzeczki fermentacyjnej uzyskano dla układu metanol/fosforan potasu, jednak do dalszych badań wybrano etanol i siarczan amonu ze względu na ich obecność w brzeczkach fermentacyjnych. Wysoki stopień ekstrakcji otrzymano nie tylko dla propano-1,3-diolu, który wyniósł 93,7%, ale również dla produktów ubocznych obecnych w brzeczce w tym dla butano-2,3-diolu. 17

18 Dodatkowo, ekstrakcja z wysalaniem pozwala jednocześnie na efektywne oczyszczenie brzeczki fermentacyjnej z biomasy. Łatwa krystalizacja soli nieorganicznych w dolnej fazie wodnej stwarza możliwość jej ponownego wykorzystania w kolejnym cyklu ekstrakcyjnym [108]. Efekt wysalania w procesie wydzielania propano-1,3-diolu wykorzystano również dla takich rozpuszczalników jak pentanol, heksanol, fosforan tributylu, propan-2-ol i izopropanol. Badania przeprowadzono dla różnych soli nieorganicznych (K 2 HPO 4, KH 2 PO 4, (NH 4 ) 2 SO 4, (NH 4 ) 2 HPO 4, NaCl, KCl, Na 2 SO 4, NaH 2 PO 4, K 2 CO 3, Na 3 PO 4, CaCl 2 ), z których najlepsze wyniki uzyskano dla fosforanu sodu oraz dla mieszaniny fosforanu sodu i siarczanu sodu (uzyskany stopień ekstrakcji odpowiednio 72% i 92,5%). Przeprowadzone badania wskazały również korzystny wpływ wzrostu temperatury na współczynnik podziału ekstrahowanej substancji z wykorzystaniem efektu wysalania [158, 191]. W pracy Aydogan i in. [16] przedstawiono również możliwość częściowej separacji soli kwasów organicznych takich jak kwas mlekowy, masłowy i octowy. Jako korzystny układ ekstrahujący wybrano etanol i wodorofosforan dipotasu. Na drodze fermentacji glicerolu z zastosowaniem szczepu Klebsiella pneumoniae otrzymano brzeczkę fermentacyjną zawierającą 62,6 g/dm 3 propano-1,3-diolu, 33,4 g/dm 3 kwasu mlekowego oraz produkty uboczne, takie jak etanol, butano-2,3-diol, kwas octowy i bursztynowy [170]. Przeprowadzono ekstrakcję z wysalaniem z zastosowaniem różnych układów ekstrahujących rozpuszczalnik/sól nieorganiczna uzyskując wysokie wartości współczynników podziału propano-1,3-diolu i kwasu mlekowego. Na podstawie przeprowadzonych badań zaproponowano dwustopniową ekstrakcję przefiltrowanej brzeczki fermentacyjnej. W pierwszym etapie zastosowano izopropanol i węglan potasu, ekstrahując do fazy górnej propano-1,3-diol. Następnie do dolnej fazy wzbogaconej w sól dodano etanol w celu wydzielenia kwasu mlekowego, będącego drugim głównym produktem fermentacji glicerolu. Węglan potasu znajduje zastosowanie w przypadku separacji wielu produktów, natomiast w przypadku propano-1,3-diolu należy uwzględnić wydajność ekstrakcji, która jest znacznie wyższa dla innych soli nieorganicznych. W pracy Li i in. [107] porównano wyniki ekstrakcji surowej brzeczki fermentacyjnej i brzeczki poddanej wcześniej filtracji. Jako układ ekstrahujący zastosowano etanol i węglan sodu uzyskując wysoki stopień ekstrakcji propano-1,3-diolu, a także separację biomasy i częściową separację kwasów karboksylowych takich jak kwas octowy, mlekowy i bursztynowy. Podczas ekstrakcji brzeczki surowej powstała trzecia faza na granicy dolnej zasolonej fazy i górnej wzbogaconej w propano-1,3-diol, utworzona przez dużą ilość 18

19 wytrąconej biomasy obecnej w brzeczce. Obecność w brzeczce biomasy nie wpłynęła na wyniki ekstrakcji w tym na wartość współczynnika podziału propano-1,3-diolu. Zaletą ekstrakcji z wysalaniem jest możliwość wykorzystania surowej brzeczki fermentacyjnej bez wstępnej obróbki. Metoda pozwala oczyścić brzeczkę z biomasy oraz obecnych soli nieorganicznych, natomiast separacja kwasów oraz glicerolu jest jedynie częściowa [152]. W celu przeprowadzenia ciągłej ekstrakcji propano-1,3-diolu zaproponowano zastosowanie kolumny z wypełnieniem, z etanolem jako fazą ciągłą i zasoloną fosforanem dipotasu brzeczką fermentacyjną jako fazą rozproszoną [57]. Uzyskano znacznie wyższe wartości wydajności separacji propano-1,3-diolu w porównaniu do ekstrakcji prowadzonej w sposób okresowy bez wykorzystania przeciwprądowego kontaktu roztworu pofermentacyjnego z ekstrahentem. Zdolność utworzenia dwufazowego układu wodnego z brzeczką fermentacyjną określono również dla wybranych cieczy jonowych zastosowanych jako ekstrahenty w obecności wodorofosforanu potasu oraz wodorofosforanu dipotasu [127]. Uzyskano dwie rozdzielone fazy, wyznaczono współczynniki podziału propano-1,3-diolu na podstawie których można określić znaczny stopień wyekstrahowania propano-1,3-diolu. Badania prowadzono jednak jedynie dla wodnych roztworów modelowych zawierających propano-1,3-diol i nie określono wpływu obecności innych związków chemicznych na efekt separacji propano-1,3-diolu z brzeczek fermentacyjnych. Rozpuszczalniki takie jak izopropanol i etanol zastosowano również w procesie wytrącania zanieczyszczeń stałych obecnych w brzeczkach fermentacyjnych polioli [147, 150]. Na drodze wytrącania, odbarwienia na węglu aktywnym oraz zatężania i destylacji otrzymano propano-1,3-diol o czystości 90-95%, ze stopniem odzysku poliolu poniżej 50%. Na drodze fermentacji glicerolu otrzymuje się brzeczki pofermentacyjne, które zawierają sole nieorganiczne i kwasy karboksylowe. W rezultacie, proces oczyszczania generuje zasolone frakcje odpadowe, które wymagają zagospodarowania lub utylizacji. Zastosowanie ekstrakcji z procesem wysalania tworzy dodatkowe zasolone roztwory odpadowe, co jest niekorzystne zarówno ze względów ekonomicznych jak i ekologicznych. Możliwości wdrożenia tej metody w praktyce są więc znacznie ograniczone. W celu zwiększenia wydajności ekstrakcji propano-1,3-diolu przeprowadzone zostały również badania nad zastosowaniem ekstrakcji reaktywnej. W metodzie wykorzystuje się możliwość zmiany siły powinowactwa danej substancji w stosunku do obu faz- wodnej 19

20 i organicznej, poprzez zmianę właściwości fizykochemicznych ekstrahowanej substancji na drodze reakcji chemicznej. W procesie ekstrakcji z reakcją chemiczną poliolu z aldehydem, prowadzonej w środowisku kwaśnym, otrzymuje się acetal. Poprzez zablokowanie grup hydroksylowych otrzymany acetal charakteryzuje się znacznie niższą temperaturą wrzenia w porównaniu do poliolu. Reakcję acetalizacji propano-1,3-diolu przeprowadzono na modelowych roztworach wodnych z zastosowaniem odpowiedniego aldehydu zarówno jako reagenta reakcji jak i ekstrahenta [72]. Stopień odzysku propano-1,3-diolu dla aldehydu propionowego, butylowego i izobutylowego wyniósł odpowiednio: 65%, 85%, 87%. Ogólny schemat reakcji acetalizacji polioli można przedstawić równaniem [41]: (4) W kolejnych badaniach przedstawiono proces oczyszczania brzeczki fermentacyjnej propano-1,3-diolu z wykorzystaniem ekstrakcji i destylacji reaktywnej [73]. Mieszanina pofermentacyjna wymagała wstępnego oczyszczenia metodą flokulacji w celu oddzielenia biomasy. Następnie ze względu na obecność etanolu i hydrofilowość jego acetalu (1,1-dietoksypropan) brzeczkę poddano destylacji. Obecne w brzeczce alkohole ekstrahowano ze wstępnie oczyszczonego roztworu pofermentacyjnego (ph 1,5). Jako ekstrahent zastosowano aldehyd butylowy, który charakteryzuje się niską rozpuszczalnością w wodzie, a z obecnymi w brzeczce poliolami tworzy hydrofobowe acetale. W procesie destylacji reaktywnej z wykorzystaniem żywicy kationowymiennej prowadzono odzysk polioli na drodze hydrolizy. Produkt zawierał propano-1,3-diol (407 g/dm 3 ) oraz butano-2,3-diol (252 g/dm 3 ), glicerol (277 g/dm 3 ) i acetal glicerolu (146 g/dm 3 ). W wyniku ekstrakcji i destylacji reaktywnej otrzymuje się częściowo zatężoną mieszaninę polioli (stężenie propano-1,3-diolu w surowej brzeczce fermentacyjnej wynosiło 53,5 g/dm 3 ), oczyszczoną z soli i kwasów organicznych. W badaniach nie uwzględniono zawartości soli nieorganicznych, które są obecne w roztworach pofermentacyjnych ze względu na skład stosowanych pożywek. Sumaryczne stężenie soli w brzeczkach jest wysokie, dlatego w procesie ekstrakcji reaktywnej zastosowano katalizator homogeniczny- kwas 20

21 siarkowy (VI). Otrzymany produkt będący mieszaniną polioli wymaga końcowego oczyszczenia i zatężenia. Proces oczyszczania propano-1,3-diolu prowadzony na układzie dwóch kolumn, w których przebiega ekstrakcja reaktywna oraz destylacja reaktywna, można zastąpić pojedynczą kolumną z wypełnieniem [2]. Dodatkowo w opisie patentowym Chopade i in. [41] uwzględniono możliwość stosowania ketonów w reakcji tworzenia acetali polioli na drodze ketonizacji. Reakcja tworzenia acetali w układzie homogenicznym wymaga zastosowania korozyjnego katalizatora, którego nie można poddać regeneracji. W pracy Matsumoto i in. [123] jako katalizator zaproponowano zastosowanie cieczy jonowych. Dobór hydrofobowego katalizatora umożliwia łatwą jego separację oraz ponowne wykorzystanie w kolejnych cyklach procesu. W przypadku roztworów modelowych zastosowano również heterogeniczny katalizator otrzymany na drodze niepełnej karbonizacji naftalenu w obecności kwasu siarkowego [25]. W wyniku reakcji propano-1,3-diolu z aldehydem octowym prowadzonej w czasie 2 godzin otrzymano 2-metylo-1,2-dioksan ze stopniem konwersji około 92%. Dodatkowo przeprowadzono ekstrakcję reaktywną w obecności etylobenzenu ze stopniem konwersji 79% (po jednej godzinie procesu). W badaniach nie uwzględniono jednak produktów ubocznych powstających podczas fermentacji frakcji glicerynowej. Obecność innych polioli w brzeczce może znacznie obniżyć wydajność ekstrakcji reaktywnej w odniesieniu do propano-1,3-diolu, natomiast duży stopień zasolenia roztworów pofermentacyjnych może mieć wpływ na aktywność stosowanego katalizatora. Egzotermiczną reakcję ekstrakcji reaktywnej propano-1,3-diolu z aldehydem octowym prowadzono również w obecności silnie kwaśnej żywicy kationowymiennej HD-8 i o-ksylenu jako ekstrahenta [56]. Uzyskano stopień konwersji propano-1,3-diolu w acetal w zakresie 90-98,8%, natomiast stopień ekstrakcji acetalu w temperaturze 293 K wyniósł 72,4% i wzrósł do 80,6% w warunkach podwyższonej temperatury (343 K). W badaniach z zastosowaniem silnie kwaśnych żywic kationowymiennych (Dowex WX4-200 i Amberlite IR-120 H + ) przeprowadzono wstępną selekcję ektrahentów na podstawie równowag ciecz-ciecz wyznaczonych metodą UNIFAC za pomocą programu ESP (Extractant Screening Program) [120, 121]. Najwyższe współczynniki podziału 2-metylo-1,3-dioksanu otrzymano dla takich związków jak chlorowcopochodne węglowodorów oraz estry, których nie uwzględniono w dalszych badaniach ze względu na ich wysoką cenę i niestabilność chemiczną w środowisku kwaśnym oraz dla węglowodorów aromatycznych takich jak o-ksylen, toluen i etylobenzen. Dla trzech wybranych ekstrahentów 21

22 uzyskano zbliżone wyniki odzysku acetalu propano-1,3-diolu, dlatego przy wyborze odpowiedniego ekstrahenta należy uwzględnić różnicę temperatury wrzenia rozpuszczalnika i acetalu. Wydajność tworzenia dioksanu wyniosła 91-92% przy całkowitej konwersji propano-1,3-diolu na poziomie 98%. Równowagę ekstrakcji 2-metylo-1,3-dioksanu z zastosowaniem o-ksylenu, toluenu i etylobenzenu uzyskano po czasie min. z wydajnością odpowiednio: 75%, 72% i 76%. Mechanizm ekstrakcji reaktywnej jest złożony, dlatego nie można wykluczyć możliwości powstawania produktów ubocznych. W wyniku ekstrakcji reaktywnej otrzymuje się acetal propano-1,3-diolu, którego temperatura wrzenia jest znacznie niższa od wyjściowego poliolu. Odzysk propano-1,3-diolu prowadzi się na drodze hydrolizy 2-propylo-1,3-dioksanu zachodzącej w obecności silnie kwaśnych żywic kationowymiennych. W pracy Qi i in. [146] zbadano kinetykę endotermicznej reakcji hydrolizy 2-propylo-1,3-dioksanu otrzymanego w reakcji propano-1,3-diolu z aldehydem butylowym. Konwersja acetalu w propano-1,3-diol wzrasta wraz z czasem reakcji, zwiększeniem ilości stosowanego katalizatora i wzrostem temperatury. Energia aktywacji hydrolizy 2-propylo-1,3-dioksanu wyniosła 68,9 kj/mol, natomiast reakcji odwrotnej 18,3 kj/mol. Spośród analizowanych ekstrahentów o niskiej temperaturze wrzenia, aldehyd izobutylowy (temperatura wrzenia 64,3ºC) oraz powstający acetal propano-1,3-diolu charakteryzują się niską rozpuszczalnością w wodzie. Ze względu na niską wartość stałej równowagi hydrolizy 2-izopropylo-1,3-dioksanu, wzrost wydajności reakcji można uzyskać poprzez częściowy zawrót orosienia [30]. Zastosowanie metod ekstrakcyjnych zostało szeroko opisane w literaturze, jednak możliwości ich wykorzystania w praktyce są ograniczone. Bezpośrednia ekstrakcja rozpuszczalnikowa jest procesem mało efektywnym, natomiast ekstrakcja z wysalaniem umożliwia jedynie wstępne oczyszczenie produktu poprzez częściową separację biomasy i soli obecnych w brzeczkach fermentacyjnych. Dodatkowym utrudnieniem jest niestabilność układów ekstrahujących, czego rezultatem jest brak dokładnej powtarzalności badań. Ekstrakcja z reakcją chemiczną wymaga zastosowania niekorzystnych dla środowiska rozpuszczalników organicznych takich jak aldehyd octowy lub masłowy oraz katalizatorów. Zmniejszenie zużycia dużej ilości katalizatora homogenicznego można uzyskać poprzez wprowadzenie katalizatorów heterogenicznych. Zastosowanie katalizatorów heterogenicznych jest jednak możliwe po przeprowadzeniu wstępnej separacji soli obecnych w brzeczkach fermentacyjnych, które powodują znaczną dezaktywację miejsc aktywnych katalizatora. Dodatkowo obecne w brzeczkach inne związki, takie jak glicerol lub etanol, 22

23 również reagują z aldehydem tworząc odpowiednie acetale. W rezultacie roztwór otrzymany po procesie ekstrakcji reaktywnej należy poddać dalszemu oczyszczeniu Metody membranowe Oczyszczanie roztworów pofermentacyjnych prowadzono również z wykorzystaniem metod membranowych. W literaturze przedstawiono możliwości zastosowania takich technik membranowych jak mikrofiltracja, nanofiltracja, elektrodializa, perwaporacja i destylacja membranowa. W pracy Bastrzyka i in. [21] surową brzeczkę fermentacyjną poddano mikrofiltracji w celu usunięcia biomasy, następnie odsoleniu z zastosowaniem nanofiltracji oraz zatężeniu metodą destylacji membranowej. Efekt separacji metodą nanofiltracji zależy w dużym stopniu od wartości ph oczyszczanego roztworu. Istotne znaczenie ma również jonoselektywność zastosowanej membrany. Dużym utrudnieniem stosowania technik membranowych jest fouling membrany, występujący również w przypadku nanofiltracji, a także ograniczona żywotność użytych membran [50, 67]. Nanofiltrację prowadzono z zastosowaniem membrany NF 270 (Filmtec Membranes, USA), dla której zdolność separacji określono dla modelowych roztworów wodnych propano-1,3-diolu, glicerolu, kwasu cytrynowego i kwasu octowego. Wyznaczono wartości współczynnika retencji ; >, który zdefiniowano zgodnie z równaniem: gdzie: - stężenie składnika w filtracie (permeacie) [mol/dm 3 ], - stężenie składnika w nadawie [mol/dm 3 ]. ; > = T UVT W T U 100%, (5) Współczynnik retencji dla propano-1,3-diolu, glicerolu i kwasu cytrynowego wyniósł odpowiednio: 36%, 50%, 85%, dla soli nieorganicznych takich jak siarczan magnezu i chlorek magnezu 98% i 53%, natomiast zatrzymanie kwasu octowego zaobserwowano w niewielkim stopniu. W przypadku nanofiltracji brzeczki fermentacyjnej uzyskano ujemny współczynnik retencji dla jonów chlorkowych oraz dla kwasu octowego. Otrzymany permeat poddano destylacji membranowej z zastosowaniem kapilarnej membrany polipropylenowej Accurel PP S6/2 (Membrana GmbH, Niemcy) uzyskując wysoki stopień zatężenia roztworu. W przypadku brzeczki fermentacyjnej nanofiltracja umożliwia jedynie częściowe 23

24 oczyszczenie propano-1,3-diolu, natomiast destylacja membranowa może znaleźć zastosowanie jako metoda zatężania roztworów pofermentacyjnych. Poddanie brzeczki fermentacyjnej bezpośrednio destylacji membranowej bez wstępnego oczyszczenia powoduje znaczne zatrzymanie przepływu permeatu przez membranę, wynikające z obecności biomasy w roztworze pofermentacyjnym. Membrany wymagają częstego przemycia wodą w celu usunięcia biofilmu powodującego fouling membrany [64]. Separację biomasy z brzeczek pofermentacyjnych, przy nieznacznej utracie produktu głównego (maksymalnie do 5% w/w propano-1,3-diolu) można przeprowadzić z zastosowaniem mikrofiltracji [168]. Okresowe przemywania membrany z zastosowaniem przepływu wstecznego umożliwia uzyskanie większej wydajności procesu [66]. W pracy Gryta i in. [65] oraz Waszak i in. [186] przeprowadzono nanofiltrację brzeczki fermentacyjnej na membranie NF270. Uzyskane wyniki wskazują na możliwość wykorzystania procesu jako wstępnego etapu oczyszczenia roztworów pofermentacyjnych, poprzez częściową separację związków jonowych. W opisie patentowym Ames i in. [6] przedstawiono możliwość zastosowania metod membranowych zintegrowanych z wymianą jonową w procesie oczyszczania propano-1,3-diolu otrzymywanego na drodze fermentacji cukrów. W celu wstępnego oczyszczenia zastosowano mikrofiltrację oraz ultrafiltrację. Następnie przeprowadzono nanofiltrację z zastosowaniem membran polimerowych oraz wymianę jonową filtratu przy użyciu silnego kationitu i słabego anionitu. Skład brzeczki fermentacyjnej ma wpływ na wartość ph, którą można regulować za pomocą wodorotlenku sodu lub wodorotlenku wapnia. W procesie nanofiltracji wartość ph ma istotny wpływ na punkt odcięcia (cut off), a więc na efekt separacji. Dużą zaletą tej metody jest możliwość wstępnego zatężenia roztworów pofermentacyjnych, natomiast otrzymane po zatężeniu i destylacji próżniowej produkty wymagały dalszych etapów oczyszczania ze względu na obecność w roztworze substancji barwnych [5, 165]. W pracy Wang i in. [184] przedstawiono badania nad zastosowaniem destylacji molekularnej w procesie oczyszczania propano-1,3-diolu. Brzeczkę fermentacyjną przefiltrowano i poddano wymianie jonowej w celu wstępnego oczyszczenia roztworu, a następnie przeprowadzono destylację próżniową uzyskując zatężony roztwór zawierający głównie propano-1,3-diol, butano-2,3-diol i glicerol. Destylację molekularną prowadzono w dwóch etapach: w pierwszym etapie przy ciśnieniu 400 Pa i temperaturze 70 C oddestylowano około 65% butano-2,3-diolu zawartego w roztworze wyjściowym, a następnie proces kontynuowano przy ciśnieniu 200 Pa i temperaturze w zakresie C. 24

25 Oczyszczenie propano-1,3-diolu od glicerolu metodą destylacji przebiega z większą wydajnością w porównaniu do oczyszczenia tego poliolu od butano-2,3-diolu. Dużą zaletą destylacji molekularnej jest możliwość prowadzenia procesu przy obniżonej temperaturze. Jako metodę separacji umożliwiającą ograniczenie kosztów w porównaniu do procesów destylacyjnych zastosowano perwaporację [111]. Badania prowadzono na zeolitowych membranach, które w porównaniu do membran polimerowych charakteryzują się większą stabilnością chemiczną i termiczną. Separacja składników podczas perwaporacji następuje w wyniku różnicy powinowactwa poszczególnych związków do membrany oraz różnicy w szybkości dyfuzji tych związków przez membranę [50]. Dla wszystkich zastosowanych membran zeolitowych uzyskano wysoką selektywność separacji propano-1,3-diolu od glicerolu lub glukozy, natomiast jedynie membrany hydrofobowe wykazały selektywność rozdziału propano-1,3-diolu od wody. W badaniach przeprowadzonych na zeolitowej membranie Na-ZSM-5 (Si/Al = 25) zastosowano modelowe roztwory wodne uzyskując maksymalną wartość selektywności propano-1,3-diolu do glicerolu około 54 [111], natomiast maksymalna wartość tej selektywności separacji na membranie typu X wyniosła 67 (selektywność zdefiniowano jako stosunek ilorazu zawartości propano-1,3-diolu i glicerolu w permeacie do ilorazu zawartości tych związków w strumieniu zasilającym) [109, 110]. Dodatkowo przeprowadzono badania dla membrany typu X na przefiltrowanej, oczyszczonej z biomasy brzeczce fermentacyjnej [112]. Otrzymano częściowo oczyszczony i rozcieńczony permeat. Perwaporacja z wykorzystaniem wybranych membran hydrofilowych umożliwiła selektywny rozdział propano-1,3-diolu od glicerolu, natomiast w celu zatężenia roztworów pofermentacyjnych należy zastosować membrany hydrofobowe. Dużym utrudnieniem metody jest fouling membran oraz możliwość ich uszkodzenia spowodowana obecnością zanieczyszczeń w brzeczkach fermentacyjnych w tym biomasy i soli nieorganicznych. Nie określono żywotności stosowanych membran z uwzględnieniem ich wielokrotnej regeneracji. W badaniach nad procesem zatężenia brzeczek fermentacyjnych propano-1,3-diolu, przeprowadzonych przez Zhang i in. [204], uwzględniono wpływ zawartości soli na jakość roztworów pofermentacyjnych. Wykazano, że największy wpływ na ciemną barwę zatężonych roztworów ma siarczan (VI) amonu. W celu ograniczenia ilości barwnych związków powstających podczas procesu zatężania można zwiększyć wartość ph brzeczek. W procesie odbarwiania roztworu za pomocą węgla aktywnego zaobserwowano również znaczne obniżenie ilości zastosowanego sorbentu przy wzroście ph powyżej 9. Dodatkowo, 25

26 możliwość prowadzenia procesu zatężania przy obniżonej temperaturze zmniejsza ilość ubocznych reakcji prowadzących do powstawania barwnych związków. Na etapie odsolenia brzeczek fermentacyjnych można wykorzystać efekt wykluczania współjonów z fazy membrany w procesie elektrodializy. W celu doboru odpowiednich membran przeprowadzono badania dla różnych membran kationoi anionowymiennych [60]. W przypadku membran kationowymiennych dla roztworu octanu potasu o stężeniu powyżej 0,05 mol/dm 3 uzyskano zbliżone wartości oporności elektrycznej. Wraz ze wzrostem stężenia opór elektryczny membran maleje. Większe różnice w wartościach oporności zaobserwowano dla membran anionowymiennych, dlatego odpowiedni dobór membran anionowymiennych może wpływać na efektywność odsolenia. W pracy Gong i in. [61] zastosowano kationowymienne membrany typu JCM-1 oraz anionowymienne membrany JAM-1. Brzeczka poddana elektrodializie zawierała propano-1,3-diol, glicerol, sole nieorganiczne oraz sole organiczne kwasu mlekowego i kwasu octowego. Efektywność odsolenia brzeczki fermentacyjnej wzrasta wraz ze wzrostem potencjału, a więc wraz ze wzrostem nakładu energii. Uzyskano 90% stopień oczyszczenia brzeczki z soli kwasów organicznych przy niewielkim stopniu utraty propano-1,3-diolu (poniżej 6%). Parametrem decydującym o wydajności procesu jest wartość potencjału. Wraz ze wzrostem potencjału wzrasta stopień odsolenia brzeczki, ale również stopień straty propano-1,3-diolu. Dodatkowo należy uwzględnić wpływ wartości potencjału na fouling membrany. Celem prowadzonych badań z zastosowaniem metod membranowych była separacja soli z brzeczek fermentacyjnych. W pracach Wu i in. [190, 192] uwzględniono możliwość odzysku soli otrzymywanych w procesie odsolenia brzeczki fermentacyjnej na drodze elektrodializy połączonej z krystalizacją. W badaniach uwzględniono obecność takich soli jak bursztynian sodu, octan sodu i siarczan sodu. Wstępnie zatężony roztwór wzbogacony w sole, otrzymany na drodze elektrodializy poddano destylacji próżniowej, a następnie krystalizacji. Największy stopień odzysku można uzyskać dla bursztynianu sodu, ze względu na jego niską rozpuszczalność w wodzie. Wydzielanie soli obecnych w brzeczce fermentacyjnej w postaci dodatkowego produktu może przyczynić się do zmniejszenia odpadów produkowanych podczas procesu oczyszczania, zwiększając opłacalność bioprodukcji polioli. Otrzymany stopień odzysku soli w zakresie 60-70% wskazuje na konieczność uwzględnienia dodatkowej metody separacyjnej w celu całkowitego odsolenia brzeczki fermentacyjnej. Możliwość integracji metod separacyjnych przedstawiono również w pracy Kaeding i in. [90]. Badania przeprowadzono na brzeczkach fermentacyjnych otrzymanych na drodze 26

27 biokonwersji glicerolu. Wstępne oczyszczenie roztworu uzyskano na drodze ultrafiltracji. W następnym etapie przeprowadzono odparowanie wody, a zatężony roztwór poddano dwustopniowej rektyfikacji. W zaproponowanym schemacie oczyszczania propano-1,3-diolu wskazano na konieczność wstępnej separacji soli obecnych w brzeczkach. W tym celu surowy glicerol poddano oczyszczeniu przed procesem fermentacji. Proces odsolenia przeprowadzono z zastosowaniem elektrodializy. Metoda ta jednak uniemożliwia oczyszczenie frakcji glicerynowej od innych zanieczyszczeń, które mogą wpływać na jakość produktu. W rezultacie, jako metodę oczyszczania frakcji glicerynowej zaproponowano destylację. Przedstawione rozwiązanie stwarza dodatkowe trudności związane z koniecznością wprowadzenia etapu oczyszczania przed etapem fermentacji. Dodatkowo należy uwzględnić obecność odpowiednich soli nieorganicznych stosowanych podczas fermentacji, które wchodzą w skład roztworu pofermentacyjnego. Metody membranowe mogą znaleźć zastosowanie w procesie oczyszczania propano-1,3-diolu z brzeczek pofermentacyjnych na etapie wstępnego oczyszczania roztworów, głównie z biomasy i częściowo soli lub też w procesie zatężania roztworów rozcieńczonych. Nie są jednak metodami separacyjnymi umożliwiającymi otrzymanie zatężonego produktu o wymaganej wysokiej czystości Metody sorpcyjne Szerokie zastosowanie w technikach separacyjnych mają metody sorpcyjne z wykorzystaniem odpowiednich sorbentów. Różnorodność i dostępność sorbentów umożliwia dobór właściwej fazy stałej, która powinna charakteryzować się wysoką selektywnością względem rozdzielanych składników, wytrzymałością mechaniczną i chemiczną, a także niską ceną. Opisane w literaturze badania nad wydzielaniem propano-1,3-diolu z mieszaniny przeprowadzone zostały z zastosowaniem różnych technik sorpcyjnych. Proces adsorpcji prowadzono głównie na sorbentach polimerowych oraz zeolitach, natomiast w metodach chromatograficznych wykorzystano sorbenty polimerowe i żele krzemionkowe. W pracy Luerruk i in. [116] przeprowadzono adsorpcję propano-1,3-diolu z modelowych roztworów wodnych. Jako niejonowe adsorbenty zastosowano alifatyczny polimer akrylowy Amberlite XAD-7 oraz usieciowany diwinylobenzenem kopolimer styrenu Amberlite XAD-16. Określono równowagę adsorpcji dla roztworów wodnych zawierających propano-1,3-diol oraz propano-1,3-diol i glicerol. Na Rys. 1 przedstawiono otrzymane doświadczalnie izotermy adsorpcji propano-1,3-diolu, dla których najlepsze dopasowanie 27

28 uzyskano przy zastosowaniu modelu Langmuira-Freundlicha. Pojemność sorpcyjna propano-1,3-diolu jest znacznie wyższa dla żywicy XAD-7, która wykazuje większe powinowactwo do poliolu niż złoże XAD-16. Silne związanie propano-1,3-diolu wpływa na obniżenie stopnia odzysku propano-1,3-diolu na drodze desorpcji, natomiast niepełna desorpcja obniża pojemność sorpcyjną adsorbentu w kolejnych cyklach separacji. Wyższą wartość selektywności propano-1,3-diolu do glicerolu uzyskano również dla adsorbentu XAD-7. W pracy nie przedstawiono izoterm otrzymanych dla glicerolu, na podstawie których można określić stopień adsorpcji glicerolu dla zastosowanych adsorbentów. W przypadku niskiej selektywności dobranych złóż, a także niskiej pojemności całkowitej adsorbentów możliwości zastosowania przedstawionej metody są znacznie ograniczone. Dodatkowo, brzeczkę fermentacyjną przed procesem adsorpcji należy poddać wstępnemu oczyszczeniu ze względu na obecne w brzeczce kwasy karboksylowe i sole, które mogą znacznie wpłynąć na strukturę adsorbentu oraz na jego pojemność sorpcyjną. Rys. 1. Izotermy adsorpcji propano-1,3-diolu na sorbencie XAD-7 i XAD-16 w temperaturze 30ºC (q- ilość zaadsorbowanego propano-1,3-diolu w przeliczeniu na masę suchego złoża, C- równowagowe stężenie propano-1,3-diolu w roztworze) [116] Z polimerowych adsorbentów wybrano również kationowymienne złoże w formie wodorowej 001x7 firmy Xilong Chemical (Shantou, Chiny) [181]. Pojemność adsorpcyjna złoża rośnie wraz ze wzrostem temperatury. Szybsza adsorpcja w przypadku 28

29 zastosowania złoża o mniejszej wielkości ziarna wskazuje, że szybkość determinowana jest przez procesy dyfuzyjne. W badaniach nad wyznaczeniem izotermy adsorpcji uwzględniono model izotermy Langmuira oraz izotermy Freundlicha. Na Rys. 2 przedstawiono otrzymane izotermy adsorpcji propano-1,3-diolu, które opisano monowarstwowym modelem Langmuira. Rys. 2. Izotermy adsorpcji propano-1,3-diolu na kationowymiennym złożu w formie wodorowej (q- ilość zaadsorbowanego propano-1,3-diolu w przeliczeniu na masę suchego złoża, C- równowagowe stężenie propano-1,3-diolu w roztworze) [181] W pracy Chen i in. [34] zastosowano słabo zasadową, makroporowatą żywicę anionowymienną D301G do separacji związków podczas prowadzenia procesu fermentacji. Równowagę adsorpcji określono dla mieszaniny zawierającej propano-1,3-diol, glicerol, glukozę, etanol oraz kwas mlekowy i octowy. Adsorpcję zaobserwowano dla kwasów organicznych, natomiast związki niejonowe nie zostały zatrzymane (Rys. 3). Izotermy adsorpcji dla kwasu mlekowego i octowego przedstawiono na Rys. 4. W przypadku separacji kwasów podczas procesu fermentacji, ważnym parametrem jest czas dodania adsorbentu do układu. Separacja kwasów wpływa na wartość ph układu, a w rezultacie na przebieg fermentacji. Wprowadzenie anionitu w pierwszym etapie fermentacji jest niekorzystne, ze względu na obserwowany spadek konwersji glicerolu w kierunku propano-1,3-diolu. W przypadku zastosowania adsorbentu w kolejnym etapie biokonwersji (po około 12 godzinach) zaobserwowano korzystny wpływ separacji kwasów na wzrost produkcji propano-1,3-diolu. 29

30 Rys. 3. Zależność ilości zaadsorbowanego związku na złożu D301G (q t ) od czasu prowadzenia procesu w temperaturze 38ºC (skład roztworu: kwas mlekowy ( ), kwas octowy ( ), glukoza ( ), glicerol ( ), propano-1,3-diol ( ), etanol ( )) [34] Rys. 4. Izoterma Freundlicha kwasu mlekowego ( ) i octowego ( ) na złożu D301G w temperaturze 38ºC (q- ilość zaadsorbowanego kwasu w przeliczeniu na masę złoża mokrego, C- równowagowe stężenie kwasu w roztworze) [34] Właściwości adsorpcyjne złoża względem propano-1,3-diolu określono także dla beta-zeolitów [183]. Wyznaczono równowagę adsorpcji dla modelowego wodnego roztworu 30

31 propano-1,3-diolu z zastosowaniem 30% roztworu alkoholu jako fazy desorbującej. Otrzymana doświadczalnie izoterma adsorpcji odpowiada izotermie Freundlicha opisującej proces adsorpcji na powierzchniach heterogenicznych. Proces adsorpcji propano-1,3-diolu z zastosowaniem zeolitów H-ZSM-5 prowadzono również w kolumnie przy użyciu mieszaniny etanol-woda jako roztworu desorbującego [44]. Stopień desorpcji modelowego roztworu propano-1,3-diolu wyniósł 94,7%. W przeprowadzonych badaniach nie uwzględniono produktów ubocznych obecnych w brzeczkach fermentacyjnych, które znacznie mogą wpłynąć na przebieg separacji. Ograniczeniem procesów adsorpcji jest również pojemność sorpcyjna adsorbentów. Większe efekty separacji metodami sorpcyjnymi można uzyskać wykorzystując techniki chromatograficzne. W chromatografii preparatywnej rozdział substancji następuje w wyniku różnicy czasów retencji związków obecnych w oczyszczanych roztworach. Efekt rozdziału zależy m.in. od doboru selektywnej fazy stacjonarnej. W pracy Anand i in. [8] przebadano różne sorbenty takie jak anionit DEAE-celuloza (dietyloaminoetyloceluloza), kationowymienne złoże Amberlite w formie sodowej, anionowymienne złoże Amberlite w formie chlorkowej, monosferyczne złoże Dowex 400C, żywice Amberlite typu XAD-4 i XAD-7, a także żel krzemionkowy 60 ( mesh). W badaniach zastosowano brzeczkę fermentacyjną zawierającą 33 g/dm 3 propano-1,3-diolu, nieprzereagowany glicerol, biomasę, sole nieorganiczne oraz produkty uboczne takie jak etanol, kwas mlekowy, bursztynowy i octowy. Brzeczkę poddano wstępnemu oczyszczeniu za pomocą mikrofiltracji i oczyszczeniu na węglu aktywnym, a następnie zatężeniu. Końcowe oczyszczenie przeprowadzono na kolumnie chromatograficznej wypełnionej fazą stacjonarną. Dobór selektywnej fazy stałej przeprowadzono na podstawie przebadanych równowag adsorpcyjnych sorbentów dla roztworu propano-1,3-diolu. Najwyższy stopnień adsorpcji w szerokim zakresie ph (4-10) uzyskano dla żelu krzemionkowego. Spośród przebadanych faz ruchomych w układzie izokratycznym, najlepszy efekt rozdziału uzyskano dla mieszaniny chloroform- metanol. Na Rys. 5 przedstawiono krzywe elucji propano-1,3-diolu i glicerolu uzyskane dla różnych mieszanin faz ruchomych. 31

32 Rys. 5. Krzywe elucji propano-1,3-diolu i glicerolu dla różnych faz ruchomych złożonych z rozpuszczalnika i metanolu w stosunku 90:10 (A- eter dietylowy:metanol; B- izopropanol:metanol; C- tetrahydrofuran:metanol; D- chloroform:metanol) [8] Konieczność stosowania rozpuszczalników organicznych jest dużym ograniczeniem zastosowania tej metody w praktyce. Dobór sorbentu na podstawie jego pojemności sorpcyjnej jest uzasadniony w przypadku procesów adsorpcyjnych, w których wykorzystuje się całkowitą pojemność praktyczną fazy stacjonarnej. W procesach chromatograficznych jako odpowiedź układu na wylocie z kolumny otrzymuje się krzywe chromatograficzne dla poszczególnych związków. Rozdział następuje w wyniku różnicy czasu przebywania rozdzielanych substancji w kolumnie, a więc w wyniku różnej siły oddziaływania składników mieszaniny z sorbentem, co jest jednym z podstawowych parametrów doboru odpowiedniej fazy stacjonarnej. Kolumnę wypełnioną żelem krzemionkowym (0,04-0,063 mm) wykorzystano również w celu wydzielenia propano-1,3-diolu z modelowego roztworu wodnego zawierającego propano-1,3-diol, propano-1,2-diol, glicerol i glukozę [39]. W zaproponowanym schemacie 32

33 oczyszczania, glicerol i glukozę oddzielono poprzez ekstrakcję octanem etylu. Górną fazę organiczną wzbogaconą w propano-1,3-diol i propano-1,2-diol poddano następnie oczyszczeniu chromatograficznemu z mieszaniną octan etylu-metanol jako fazą ruchomą. Na podstawie badań doświadczalnych dla kolumny chromatograficznej o wymiarach 2x180 cm dobrano natężenie fazy ruchomej równe 10 cm 3 /min. Otrzymano propano-1,3-diol o czystości 98% z wydajnością 82%. Dodatkowo przeprowadzono badania separacji w układzie cyklicznym wykazując możliwość wielokrotnego wykorzystania fazy stacjonarnej bez znacznego spadku wydajności procesu. Zaproponowany proces ekstrakcji i chromatografii preparatywnej mieszaniny polioli przedstawiono również w opisie patentowym Park i in. [138]. Do ekstrakcji zatężonego roztworu wybrano octan etylu i keton metylowo-etylowy ze względu na różnicę rozpuszczalności propano-1,3-diolu i propano-1,2-diolu w tych rozpuszczalnikach, natomiast jako fazę stacjonarną wybrano żywicę krzemionkową. W pracy Barskiego in. [20] przeprowadzono badania nad separacją propano-1,3-diolu oraz butan-1-olu z brzeczek fermentacyjnych z zastosowaniem chemicznie modyfikowanych żeli krzemionkowych. Rozdział prowadzono na kolumnie o średnicy 16 mm i długości 40 cm, a jako eluent zastosowano metanol. Brzeczka fermentacyjna poddana oczyszczeniu zawierała propano-1,3-diol, glicerol, kwas masłowy oraz sole kwasu octowego. W pracy przedstawiono chromatogramy wskazujące na brak separacji propano-1,3-diolu od kwasu i soli, niezależnie od zastosowanej modyfikacji żelu krzemionkowego. Nie podano natomiast stopnia separacji glicerolu oraz nie uzyskano zatężenia produktu w eluacie. Zastosowanie adsorbentów krzemionkowych jest ograniczone zarówno ze względu na konieczność stosowania rozpuszczalników organicznych jak i z powodu małej selektywności separacji wynikającej z dużej hydrofilowości propano-1,3-diolu. Większe możliwości aplikacyjne wykazują polimerowe żywice kationowymienne, których wykorzystanie opisano w zgłoszeniach patentowych. W patencie Roturier i in. [149] brzeczkę otrzymaną na drodze fermentacji glukozy poddano wstępnie odsoleniu i odbarwieniu, a następnie chromatografii preparatywnej w temperaturze 65 C. Jako fazę stacjonarną zastosowano kationowymienną sulfonową żywicę polistyrenową sieciowaną diwinylobenzenem (4-7%) PUROLITE PCR 732 w różnej formie jonowej (La 3+, Pb 2+, Zn 2+, Fe 2+, Al 3+ ). W wyniku separacji propano-1,3-diolu od glicerolu na złożu w formie La 3+ i Pb 2+ otrzymano czystą frakcję propano-1,3-diolu o stężeniu 2-3 g/dm 3, z wydajnością 31,9-47%. W roztworze wyjściowym stężenie propano-1,3-diolu wynosiło 90,5 g/dm 3, co wskazuje na duże rozcieńczenie produktu oraz niską efektywność separacji. Zaproponowano również oczyszczanie propano-1,3-diolu z brzeczek 33

34 fermentacyjnych otrzymanych w wyniku biokonwersji cukrów z wykorzystaniem sulfonowanej żywicy polistyrenowej w formie sodowej i wapniowej (wielkość ziarna w zakresie 0,1-0,5 mm) [76]. W przeprowadzonych badaniach wykorzystano jedynie modelowe roztwory wodne, bez uwzględnienia rzeczywistych brzeczek fermentacyjnych. Na podstawie przedstawionych chromatogramów dla złoża Na + i Ca 2+ (Rys. 6 i 7) można określić stopień separacji zanieczyszczeń jonowych takich jak sole od propano-1,3-diolu oraz brak separacji propano-1,3-diolu od glicerolu. Zastosowana metoda separacji pozwoliła uzyskać propano-1,3-diol o czystości w zakresie 87-92,4%, w zależności od warunków prowadzenia procesu. Przedstawiono również sposób prowadzenia separacji propano-1,3-diolu w układzie ciągłym z zastosowaniem symulowanego ruchu złoża. Metoda ta, w porównaniu do układu okresowego, pozwala uzyskać czysty produkt z większą wydajnością [76, 77, 188]. Proces chromatografii ciągłej zaproponowano również w pracy Liang i in. [113]. Przedstawione badania uwzględniały możliwość otrzymywania produktu w wyniku syntezy chemicznej, który zawierał propano-1,3-diol oraz butano-1,4-diol. Niezależnie od rozdzielanych składników można stwierdzić, że w przypadku chromatografii ciągłej można uzyskać znacznie wyższą produktywność procesu w porównaniu do chromatografii okresowej. Rys. 6. Chromatogramy dla złoża UBK555 w formie sodowej [76] 34

35 Rys. 7. Chromatogramy dla złoża UBK555 w formie wapniowej [76] W literaturze opisano możliwości oczyszczania propano-1,3-diolu z brzeczek fermentacyjnych z uwzględnieniem wielu metod separacyjnych. Z przeanalizowanych metod, techniki sorpcyjne, a szczególnie metody chromatograficzne mogą zapewnić efektywne wydzielanie polioli z roztworów pofermentacyjnych. W przedstawionych w literaturze badaniach zastosowano metody bezpośredniej adsorpcji z wykorzystaniem różnych adsorbentów. Możliwości zastosowania metody w praktyce są ograniczone ze względu na małą pojemność sorpcyjną złóż oraz ich niewielką selektywność. Metody chromatograficzne pozwalają uzyskać większy stopień separacji propano-1,3-diolu dla poszczególnych adsorbentów w porównaniu do procesów adsorpcyjnych. Niestety zastosowane w literaturze układy wymagają użycia rozpuszczalników organicznych oraz adsorbentów wykazujących niewielką selektywność względem propano-1,3-diolu. Jedynie dane przedstawione w opisach patentowych wskazują na możliwość zastosowania polimerowych faz stacjonarnych. Niewielka ilość informacji zawartych w opisach patentowych, uwzględnienie głównie brzeczek otrzymywanych na drodze fermentacji glukozy oraz mało efektywne wyniki separacji wynikające m.in. z bardzo dużego rozcieńczenia roztworów wskazują na konieczność prowadzenia dalszych badań w tym zakresie. 3.2 Metody oczyszczania erytrytolu Erytrytol można otrzymać na drodze syntezy chemicznej lub biotechnologicznej. Opis badań przedstawionych w literaturze dotyczy w dużej części metod syntezy erytrytolu, natomiast badania przeprowadzone w zakresie metod wydzielania i oczyszczania erytrytolu 35

36 zostały opisane w zdecydowanie mniejszej ilości doniesień literaturowych, w porównaniu do opisu metod separacji propano-1,3-diolu. Badania przedstawione w literaturze, głównie w formie opisów patentowych, uwzględniają metody oczyszczania erytrytolu zarówno pochodzenia chemicznego, jak i tego otrzymywanego na drodze produkcji biotechnologicznej. Produkcja erytrytolu na drodze fermentacji surowców odnawialnych zachodzi w obecności odpowiednich szczepów drożdży. W opisach patentowych Chida i in. [36, 37, 38] przedstawiono proces produkcji erytrytolu z zastosowaniem szczepów Trichosporonoides oedocephalis oraz Trichosporonoides megachiliensis. Jako źródło węgla w procesie fermentacji wybrano glukozę, fruktozę, sacharozę oraz maltozę. Otrzymane brzeczki fermentacyjne poddano filtracji w celu separacji biomasy, następnie odbarwieniu na węglu aktywnym oraz odsoleniu metodą wymiany jonowej z wykorzystaniem silnie kwaśnej żywicy kationowymiennej oraz silnie zasadowej żywicy anionowymiennej. Najwyższe stężenie erytrytolu otrzymano na drodze fermentacji glukozy. W brzeczce obecne były produkty uboczne takie jak glicerol i rybitol, jednak nie określono wpływu obecności tych związków na czystość końcowego produktu. W procesie produkcji erytrytolu nie uwzględniono również możliwości zastosowania czystego lub odpadowego glicerolu. W opisie patentowym De Zeeuw i in. [46] przedstawiono proces bioprodukcji erytrytolu z glukozy w obecności drożdży Candida lipolytica. Jako proces oczyszczania erytrytolu z brzeczki fermentacyjnej zaproponowano zastosowanie odwirowania, filtracji, a następnie wymiany jonowej w układzie trzech kolumn jonitowych: słaby anionit, mocny kationit, słaby anionit. W pracy wykazano obecność produktów ubocznych w brzeczce, w tym arabitolu i mannitolu, natomiast nie zaproponowano metody ich separacji. W opisie patentowym Lin i in. [114] fermentację glukozy prowadzono z zastosowaniem grzybów Moniliella. Brzeczka fermentacyjna zawierała erytrytol oraz produkty uboczne takie jak glicerol i pięciowęglowy alkohol polihydroksylowy. Brzeczkę odwirowano, a następnie poddano odbarwieniu na węglu aktywnym. Roztwór poddano wymianie jonowej z zastosowaniem kationowymiennego złoża DIAION WA30 i anionowymiennego złoża AMBERLITE IR 120Na. W końcowym etapie roztwór zatężono i poddano krystalizacji oraz rekrystalizacji z użyciem bezwodnego alkoholu, a następnie wody. W opisanych procesach produkcji erytrytolu na drodze biokonwersji glukozy jako metodę oczyszczenia wykorzystuje się głównie wymianę jonową. Na drodze biokonwersji glicerolu otrzymuje się jednak brzeczkę, której skład znaczenie się różni w porównaniu do 36

37 brzeczek uzyskiwanych w wyniku biokonwersji polisacharydów. Z tego powodu w opisanych badaniach nie uwzględniono konieczności separacji takich związków jak np. mannitol czy też kwasy organiczne i nieorganiczne. W opisie patentowym Makoto i in. [118] jako źródło węgla w procesie bioprodukcji erytrytolu wskazano nie tylko glukozę i fruktozę, ale również glicerol. Jednak możliwości oczyszczenia brzeczki fermentacyjnej otrzymywanej z zastosowaniem szczepu Yarrowia lipolytica przedstawiono jedynie dla biokonwersji glukozy i fruktozy. Otrzymaną brzeczkę fermentacyjną poddano odwirowaniu, filtracji, odbarwieniu na węglu aktywnym oraz odsoleniu metodą wymiany jonowej z zastosowaniem silnej żywicy kationowymiennej DIAION SKIB i słabej żywicy anionowymiennej DIAION WA30. Na drodze fermentacji glicerolu otrzymano brzeczkę fermentacyjną zawierającą 43,2 g/dm 3 erytrytolu. Nie przedstawiono jednak produktów ubocznych powstających podczas procesu, a także nie zaproponowano metody oczyszczania otrzymanej brzeczki. Podczas fermentacji glicerolu z zastosowaniem szczepu Yarrowia lipolytica stosuje się znaczne ilości soli nieorganicznych, które nie są metabolizowane przez drożdże. W rezultacie, odsolenie brzeczek jedynie metodą wymiany jonowej może być nieefektywne ze względu na ograniczoną pojemność wymienną złoża, generującą konieczność bardzo częstej ich regeneracji. W opisie patentowym Morioka i in. [122] przedstawiono możliwość zastosowania metod chromatograficznych w procesie oczyszczania erytrytolu otrzymywanego na drodze biokonwersji glukozy w obecności szczepu Moniliella tomentosa. Otrzymano brzeczkę fermentacyjną zawierającą głównie erytrytol, glicerol, sole i polisacharydy. W pierwszym etapie zastosowano ceramiczne lub organiczne membrany w celu separacji biomasy z brzeczki fermentacyjnej podgrzanej do temperatury 70ºC. Otrzymany filtrat poddano oczyszczeniu na kolumnie wypełnionej słabo kwaśnym kationitem karboksylowym w formie sodowej DIAION WK-20 w celu oddzielenia jonów Ca(II) i Mg(II). Roztwór zatężono i ponownie przepuszczono przez kolumnę chromatograficzną, wypełnioną silnie kwaśnym kationitem sulfonowym sieciowanym diwinylobenzenem w formie sodowej DIAION UBK-550. Frakcję produktu poddano wymianie jonowej z zastosowaniem mocnego kationitu DIAION SK1B, słabego anionitu DIAION WA30 i złoża mieszanego DIAION PA408, a następnie końcowemu oczyszczeniu na węglu aktywnym. W wyniku krystalizacji, prowadzonej przy stopniowym obniżaniu temperatury z szybkością 7,5ºC/godz., otrzymano kryształy o czystości 99,9% zawierające 2,5% wody. Wykorzystanie słabo kwaśnego kationitu karboksylowego i silnie kwaśnego kationitu sulfonowego w procesie oczyszczania erytrytolu zaproponowano również w opisie 37

38 patentowym Maeda i in. [117]. Proces produkcji erytrytolu przeprowadzono na drodze biokonwersji glukozy z zastosowaniem szczepu Aureobasidium. Po procesie fermentacji brzeczkę poddano odwirowaniu otrzymując roztwór zawierający głównie erytrytol i glicerol, który przepuszczono przez kolumnę upakowaną słabo kwaśną żywicą karboksylową w formie sodowej. Otrzymany filtrat zatężono i poddano procesowi chromatograficznemu na sulfonowym kationicie sieciowanym diwinylobenzenem w formie sodowej. W końcowym etapie frakcje produktu odbarwiono na węglu aktywnym, poddano wymianie jonowej, zatężono i przeprowadzono krystalizację. Przedstawiony schemat procesu oczyszczania wskazano jako możliwy do zastosowania także w przypadku brzeczek fermentacyjnych otrzymywanych na drodze biokonwersji produktów skrobiowych takich jak kukurydza, ziemniaki czy pszenica [161]. Zastosowanie metod chromatograficznych, zarówno w układzie okresowym jak i ciągłym, w procesach oczyszczania mieszanin otrzymywanych na drodze syntezy mikrobiologicznej przedstawiono również w opisach patentowych Paananen i in. [133, 134]. W procesie odzysku takich związków jak betaina, erytrytol, inozytol, sacharoza, mannitol, glicerol i aminokwasy z syropu melasowego zaproponowano możliwość wykorzystania słabo kwaśnej żywicy kationowymiennej, w tym słabego kationitu akrylowego z karboksylowymi grupami funkcyjnymi w różnej formie jonowej (H +, Na +, K +, Mg 2+, Ca 2+ ). Produktem procesu była jednak głównie betaina, a obecne w roztworze inne składniki, takie jak erytrytol, mannitol i glicerol odbierano jako mieszaninę nierozdzieloną. W opisanych w literaturze badaniach w zakresie otrzymywania erytrytolu na drodze syntezy biotechnologicznej nie przedstawiono możliwości oczyszczania brzeczki fermentacyjnej erytrytolu otrzymywanej w wyniku fermentacji frakcji glicerynowej. Uwzględniono natomiast możliwość otrzymywania erytrytolu na drodze syntezy chemicznej. W wyniku katalitycznego uwodornienia kwasu winowego, przedstawionego w opisie patentowym Elseviers i in. [52], otrzymano mieszaninę polioli zawierającą erytrytol oraz glicerol, butano-1,2-diol i butano-1,2,4-triol. Mieszaninę rozdzielono z zastosowaniem kationowymiennego złoża w formie wapniowej uzyskując erytrytol o czystości powyżej 95%. Proces mikrobiologicznej produkcji erytrytolu z glicerolu znacznie się różni od metod syntezy chemicznej nie tylko pod względem warunków prowadzenia reakcji, ale również pod względem jakości otrzymywanego produktu. Produkt otrzymywany na drodze katalitycznego uwodornienia kwasu winowego zawiera inne produkty uboczne w porównaniu z biotechnologiczną syntezą erytrytolu, co wiąże się z zastosowaniem różnych metod separacyjnych. Inną metodę chemicznej produkcji polioli przedstawiono w opisie 38

39 patentowym Heikkilä i in. [75]. Chemiczną syntezę ksylitolu i erytrytolu prowadzono na drodze hydrolizy polisacharydów zawierających arabinoksylany. Podczas produkcji ksylitolu otrzymuje się mieszaninę, którą poddaje się oczyszczeniu chromatograficznemu. Otrzymany strumień odpadowy zastosowano następnie w procesie chemicznej syntezy erytrytolu, który w kolejnym etapie poddano krystalizacji. Ograniczenia możliwości zastosowania metod chemicznej syntezy erytrytolu, wynikające z wymagań stawianym produktom spożywczym, przedstawiono w poprzednim rozdziale niniejszej pracy. Z tego powodu, jedynie metody syntezy biotechnologicznej mogą znaleźć zastosowanie w procesie produkcji erytrytolu. Badania nad separację erytrytolu z brzeczek fermentacyjnych otrzymanych na drodze fermentacji glicerolu przedstawione zostały również w pracy Staszak i in. [173]. Jako metodę separacji dobrano nanofiltrację z wykorzystaniem membran ceramicznych. Uzyskane wyniki wskazują na możliwość jedynie wstępnego oczyszczenia brzeczek erytrytolu metodą nanofiltracji. W celu otrzymania kryształów erytrytolu, brzeczkę fermentacyjną należy poddać w pierwszym etapie oczyszczeniu, a następnie zatężeniu i krystalizacji. Proces krystalizacji erytrytolu prowadzono z zastosowaniem różnych technik krystalizacyjnych. W opisie patentowym De Troostembergh i in. [47], w wyniku fermentacji glukozy przy użyciu szczepu Monilliella tomentosa otrzymano brzeczkę fermentacyjną, którą poddano filtracji, a następnie bezpośredniej krystalizacji. Proces krystalizacji na drodze ochładzania zatężonej brzeczki fermentacyjnej w zakresie temperatury od 90ºC do 20ºC prowadzono w czasie 6 godzin. Ohshima i in. [132] opisali możliwość otrzymywania kryształów erytrytolu (0,5-0,7 mm) z zastosowaniem suszenia fluidyzacyjnego. Przedstawiono również możliwość połączenia metody ekstrakcyjnej z procesem krystalizacji. W opisie patentowym Hiroshi i in. [80] przeprowadzono proces jednoczesnej produkcji arabitolu, glicerolu i erytrytolu na drodze fermentacji cukrów, w tym glukozy i fruktozy. W celu separacji otrzymanych związków zaproponowano zastosowanie filtracji, ekstrakcji w obecności alkoholu etylowego, a następnie destylacji i krystalizacji. Roztwory erytrytolu otrzymywane w wyniku syntezy chemicznej również poddano krystalizacji. Na drodze chemicznej syntezy buta-1,3-dienu z nadtlenkiem wodoru otrzymano mieszaninę reakcyjną, która po wstępnych procesach oczyszczania, w tym destylacji, zawierała izomery erytrytolu [78, 79]. Separację izomerów erytrytolu metodą krystalizacji frakcyjnej przeprowadzono z wykorzystaniem różnicy ich rozpuszczalności w etanolu. Krystalizacja jest jednak końcowym etapem otrzymywania 39

40 erytrytolu w postaci kryształów, dlatego w procesie otrzymywania czystego erytrytolu najważniejszym etapem jest jego separacja od zanieczyszczeń. Przedstawione w literaturze badania na temat oczyszczania erytrytolu ograniczają się głównie do opisów patentowych, w których nie umieszcza się szczegółowych informacji. Dodatkowo, opisane badania opierają się na syntezie chemicznej lub też produkcji biotechnologicznej z wykorzystaniem surowców innych niż glicerol. Na drodze biokonwersji frakcji glicerynowej otrzymuje się zanieczyszczoną brzeczkę zawierającą erytrytol, której proces oczyszczanie wymaga przeprowadzenia dokładnych badań. 3.3 Podsumowanie Proces produkcji polioli na drodze syntezy biotechnologicznej jest zagadnieniem aktualnie prowadzonych badań, które zostały szeroko opisane w literaturze. Prowadzone badania uwzględniają również konieczność wydzielania polioli z otrzymywanych brzeczek. W literaturze opisano różne metody i potencjalne rozwiązania, w tym głównie metody ekstrakcyjne, membranowe i sorpcyjne. Ze względu na bardzo niskie wartości współczynników podziału ekstrahentów stosowanych w ekstrakcji rozpuszczalnikowej, uwzględniono możliwość wykorzystania ekstrakcji z wysalaniem. Zastosowane sole nieorganiczne pozwalają uzyskać lepsze parametry ekstrakcji, jednak proces związany jest z tworzeniem dodatkowych, zasolonych strumieni odpadowych. W przypadku integracji ekstrakcji z reakcją chemiczną polioli z aldehydami, uzyskuje się separację propano-1,3-diolu od roztworu pofermentacyjnego, jednak produkt poza propano-1,3-diolem może zawierać inne produkty uboczne, a w rezultacie wymaga kolejnych etapów oczyszczania. Konieczność stosowania aldehydu oraz rozpuszczalników organicznych również stwarza dodatkowe trudności. Metody membranowe mogą być z powodzeniem zastosowane w praktyce w procesie wstępnego oczyszczania brzeczek fermentacyjnych z biomasy i substancji stałych. W tym celu można wykorzystać mikrofiltrację oraz nanofiltrację. W kolejnym etapie oczyszczania konieczna jest integracja metod membranowych z innymi metodami separacyjnymi. Na podstawie przedstawionej analizy literaturowej stwierdzono, że proces wydzielania polioli z brzeczek fermentacyjnych można przeprowadzić metodami sorpcyjnymi wykorzystując odpowiednie sorbenty. W doborze sorbentów należy głównie uwzględnić wytrzymałość mechaniczną oraz możliwość separacji substancji z wystarczająco wysoką selektywnością. Istotne znaczenie ma również odpowiedni dobór rozpuszczalników. Jako czynnik desorbujący w procesie adsorpcji, czy też fazę rozwijającą w procesach 40

41 chromatograficznych najlepiej wykorzystać wodę. Wyeliminowanie dodatkowych strumieni odpadowych generowanych podczas stosowania dużej ilości rozpuszczalników organicznych jest korzystne zarówno ze względów ekonomicznych, jak i środowiskowych. Zastosowanie metod sorpcyjnych w procesie otrzymywania czystego propano-1,3-diolu i erytrytolu z rzeczywistych brzeczek fermentacyjnych wymaga przeprowadzenia dokładnych badań z uwzględnieniem możliwości powiększenia skali procesu. 41

42 4. METODY SORPCYJNE Oczyszczanie mieszanin jest procesem złożonym, wymagającym zastosowania odpowiednich metod separacyjnych. Wśród tych metod istotne znaczenie mają techniki sorpcyjne, w których mechanizm separacji zależy od rodzaju oddziaływań między sorbentem, a rozdzielaną mieszaniną. W procesie sorpcji fizycznej pomiędzy sorbentem, a sorbatem (substancją sorbowaną) zachodzą oddziaływania van der Waalsa, w tym siły dyspersyjne i oddziaływania dipolowe. Proces sorpcji chemicznej (tzw. chemisorpcji) związany jest natomiast z istnieniem silnych wiązań chemicznych występujących pomiędzy sorbentem, a sorbatem. W rezultacie, chemisorpcja jest często procesem nieodwracalnym [15]. W celu separacji polioli z brzeczek fermentacyjnych w pracy zastosowano metody sorpcyjne w układzie ciecz-ciało stałe, w tym bezpośrednią sorpcję, chromatografię procesową, wymianę jonową oraz sorpcję na węglu aktywnym. W procesie sorpcji bezpośredniej, sorbent wysycany jest cząsteczkami sorbatu, natomiast rozdział zachodzi w wyniku różnicy powinowactwa rozdzielanych substancji z sorbentem. Proces prowadzi się do momentu ustalenia równowagi między sorbentem, a roztworem. Odzysk substancji zatrzymanych na sorbencie prowadzi się na drodze desorpcji rozpuszczalnikiem. Istotnym parametrem doboru odpowiedniego sorbentu jest jego pojemność sorpcyjna, która ma istotny wpływ na wydajność procesu oraz możliwość jego regeneracji [160, 199]. Procesy sorpcji-desorpcji wykorzystywane są także w technikach chromatograficznych, w których rozdział również jest wynikiem różnicy siły oddziaływania separowanych substancji z sorbentem. W układzie ciecz-ciało stałe, sorbent definiowany jest jako faza stacjonarna, natomiast rozpuszczalnik jest fazą ruchomą (eluentem) [23]. W przypadku metody bezpośredniej sorpcji prowadzonej w kolumnie wypełnionej sorbentem, na wlocie do kolumny wprowadza się separowaną mieszaninę w sposób ciągły. W rezultacie, po ustaleniu równowagi, na wylocie z kolumny uzyskuje się strumień o stałym stężeniu składników mieszaniny. Zależność stężenia od czasu nazywana jest wówczas krzywą przebicia. W metodach chromatograficznych na kolumnę wprowadza się znacznie mniejszą objętość rozdzielanej mieszaniny, której dalszy transport wzdłuż kolumny prowadzony jest za pomocą fazy ruchomej (fazy rozwijającej). Na wylocie z kolumny rejestrowany jest profil stężeń rozdzielanych substancji w postaci pików chromatograficznych [11]. Rozdzielane substancje wymywane są z kolumny w różnym czasie, zależnym od ich siły powinowactwa ze złożem. Składnik, który w mniejszym stopniu oddziałuje z fazą stacjonarną, transportowany jest z większą szybkością, a więc charakteryzuje się krótszym czasem retencji. W zależności od mechanizmu oddziaływań między fazą stacjonarną, a sorbatem chromatografię cieczową 42

43 dzieli się na adsorpcyjną, podziałową, żelową (wykluczania) i jonowymienną [189]. W chromatografii adsorpcyjnej rozdział substancji następuje w wyniku cyklicznego procesu sorpcji-desorpcji na powierzchni fazy stacjonarnej, natomiast w chromatografii podziałowej stopień separacji zależy od różnicy współczynników podziału między fazą stacjonarną, a fazą ruchomą. Powyższe definicje wskazują na różne mechanizmy wpływające na rozdział substancji. W praktyce jednak procesy te mają mieszany charakter, a opis danych doświadczalnych można często opierać na podstawach teoretycznych obu metod [40]. Mechanizm chromatografii żelowej (wykluczania), w odróżnieniu od innych metod chromatograficznych, oparty jest wyłącznie na wykorzystaniu różnicy w rozmiarze cząsteczek substancji obecnych w mieszaninie. Proces prowadzi się na polimerowych sorbentach żelowych, których odpowiedni dobór umożliwia maksymalne wyeliminowanie innych oddziaływań specyficznych niż wynikających z różnicy wielkości składników mieszaniny [22]. W chromatografii jonowymiennej proces rozdziału prowadzi się na fazach stacjonarnych, których grupy funkcyjne obdarzone ładunkiem elektrycznym oddziałują z rozdzielanymi substancjami [83]. Wśród metod chromatografii jonowymiennej istotne znaczenie ma chromatografia wykluczania jonowego (chromatografia jonowo-wykluczająca), która umożliwia separację związków niejonowych od substancji jonowych. W chromatografii wykluczania jonowego, grupy funkcyjne fazy stacjonarnej oraz związki jonowe obecne w roztworze charakteryzują się takim samym ładunkiem elektrycznym. W rezultacie, w procesie separacji związków jonowych od niejonowych wykorzystuje się zjawisko wykluczania Donnana [59, 89]. Chromatografia analityczna jest powszechnie stosowaną metodą analityczną m.in. w analizie środowiskowej, klinicznej i przemysłowej [180]. Celem metod analitycznych jest analiza jakościowa i ilościowa substancji, a więc istotnym parametrem jest sprawność kolumny umożliwiająca uzyskanie całkowicie rozdzielonych pików chromatograficznych. Techniki chromatograficzne mają również zastosowanie w procesach preparatywnych i procesowych separacji mieszanin [28]. W przypadku chromatografii przemysłowej najważniejszym parametrem jest wysoka produktywność z uwzględnieniem wymaganej czystości produktu. W przeciwieństwie do chromatografii analitycznej, proces prowadzony jest przy znacznym przeładowaniu kolumny chromatograficznej, uzyskując tylko częściowy rozdział separowanych substancji. W procesach oczyszczania mieszanin powszechne zastosowanie ma również wymiana jonowa, będąca techniką sorpcyjną wykorzystującą mechanizm jonowymienny zachodzący na sorbentach. Wymiana jonowa jest procesem odwracalnym, stechiometrycznym, a jej 43

44 efektywność ograniczona jest pojemnością wymienną sorbentu (jonitu), która mieści się w przedziale 0,8-2,0 mol/dm 3 [74]. Wymianę kationów i anionów obecnych w roztworze prowadzi się odpowiednio na kationitach i anionitach, które po wykorzystaniu ich pojemności wymiennej poddawane są cyklicznej regeneracji. Obok polimerowych sorbentów jonowymiennych, praktyczne zastosowanie w przemyśle mają również węgle aktywne. Szerokie zastosowanie adsorbentów węglowych m.in. w procesach oczyszczania, odbarwiania, usuwania smaku i zapachu wynika z ich właściwości adsorpcyjnych, w tym rozwiniętej powierzchni wewnętrznej oraz struktury chemicznej zależnej od metody ich otrzymywania [18]. W celu wydzielenia polioli z brzeczek fermentacyjnych w pracy zastosowano metody sorpcyjne. Końcowe oczyszczenie polioli przeprowadzono z zastosowaniem wymiany jonowej oraz sorpcji na węglu aktywnym, natomiast proces głównej separacji propano-1,3-diolu i erytrytolu od zanieczyszczeń obecnych w brzeczkach możliwy jest przy zastosowaniu metod chromatograficznych. 4.1 Chromatografia procesowa Metody chromatograficzne mają szerokie zastosowanie w przemyśle, zarówno jako metody analityczne umożliwiające bardzo dokładną jakościową i ilościową identyfikację substancji, a także jako metody separacji w procesach produkcji związków o wymaganej wysokiej czystości. W zależności od ilości otrzymywanego produktu, a więc od wielkości stosowanych kolumn chromatograficznych, proces chromatografii prowadzony jest w skali preparatywnej lub w skali procesowej [91, 178]. Przedstawione w pracy badania, przeprowadzone zostały w skali laboratoryjnej z uwzględnieniem możliwości ich aplikacji w warunkach przemysłowych. Z tego względu, w pracy zastosowano definicję chromatografii procesowej. Na przebieg procesu chromatografii preparatywnej i procesowej wpływa wiele parametrów, których dobór zależy od właściwości oczyszczanych mieszanin. Rozdział można prowadzić z zastosowaniem elucji izokratycznej, a więc przy zachowaniu stałego składu oraz stałego natężenia przepływu fazy ruchomej. W celu zwiększenia selektywności i wydajności separacji związków o dużej różnicy czasów retencji oraz dużej sile oddziaływania z fazą stacjonarną, stosuje się elucję gradientową. W wyniku zmiany składu fazy ruchomej, poprzez zmianę stężenia modyfikatora (rozpuszczalnika wchodzącego w skład fazy ruchomej) uzyskuje się krótsze czasy retencji separowanych związków [103, 202]. Modyfikację procesu elucji wprowadza się również w metodzie rugowania. W pierwszym etapie stosuje się fazę 44

45 ruchomą, w celu wymycia związków charakteryzujących się słabym oddziaływaniem z sorbentem. W drugim etapie separacji wprowadza się silnie wymywający eluent, który desorbuje substancje silnie związane z fazą stacjonarną [11]. Celem chromatografii preparatywnej i procesowej jest otrzymywanie możliwie maksymalnej ilości produktu, a więc wysokiej produktywności procesu. Z tego względu, w przeciwieństwie do chromatografii analitycznej, rozdział prowadzi się w warunkach dużego przeładowania kolumny. Zarówno przeładowanie stężeniowe (dozowanie na kolumnę próbki o wysokim stężeniu), jak i przeładowanie objętościowe (wprowadzenie na kolumnę dużej objętości oczyszczanej mieszaniny) wpływają na kształt pików chromatograficznych, których przykłady przedstawiono na Rys. 8. Przeładowanie objętościowe stosuje się najczęściej w przypadku występowania ograniczenia rozpuszczalności, natomiast zarówno jedna jak i druga metoda umożliwia uzyskanie wysokiej produktywności procesu [142, 164, 179]. Rys. 8. Przykładowe kształty profili stężeń dla układu idealnego (A), przeładowania objętościowego (B) oraz przeładowania stężeniowego (C) W zależności od sposobu zasilania kolumny i odbioru frakcji produktu, chromatografię dzieli się na okresową i ciągłą. Przebieg preparatywnej i procesowej chromatografii okresowej jest zbliżony do metody prowadzonej w skali analitycznej [9]. Na kolumnę dozuje się określoną ilość oczyszczanej mieszaniny, a następnie fazę ruchomą wymywającą zatrzymane składniki mieszaniny. Na wylocie z kolumny odbiera się frakcje produktu. W celu uzyskania większej ilości produktu separację okresową prowadzi się cyklicznie (chromatografia cykliczna), natomiast uzyskanie większej wydajności procesu możliwe jest przy zastosowaniu chromatografii ciągłej. W chromatografii z rzeczywistym ruchem złoża (TMB, ang. True Moving Bed) rozdział przebiega w układzie 45

46 przeciwprądowego ruchu fazy stacjonarnej i fazy ruchomej. Prowadzenie rozdziału z zastosowaniem ciągłego przepływu fazy stacjonarnej stwarza trudności związane m.in. z wytrzymałością mechaniczną ziaren sorbentów, dlatego metodę zmodyfikowano poprzez wprowadzenie chromatografii z symulowanym ruchem złoża (SMB, ang. Simulated Moving Bed) [55, 208]. W procesie SMB rozdział prowadzi się na układzie czterech kolumn chromatograficznych połączonych ze sobą szeregowo. Wprowadzenie dwóch oddzielnych strumieni wlotowych (dla fazy zasilającej oraz fazy ruchomej) oraz dwóch strumieni wylotowych (dla frakcji produktu oraz frakcji odpadowej) zapewnia ciągłość procesu separacji. Symulacja ruchu złoża następuje w wyniku przełączania zaworów strumieni zasilających i odbierających. W praktyce stosuje się różne rozwiązania i modyfikacje instalacji np. poprzez zastosowanie większej ilości kolumn chromatograficznych lub wprowadzanie dodatkowych strumieni wlotowych lub wylotowych [102, 126, 129, 207]. W procesie optymalizacji chromatografii ciągłej ważny jest odpowiedni dobór czasu przełączania zaworów, zapewniający wymaganą czystość produktu oraz wydajność separacji [172]. Chromatografię ciągłą z symulowanym ruchem złoża można prowadzić dla różnych układów separacyjnych, w tym prowadzonych przy zastosowaniu elucji izokratycznej i elucji ze zmiennym składem fazy ruchomej, a także separacji mieszanin w zakresach liniowych i nieliniowych izoterm adsorpcyjnych [95, 194, 206]. Chromatografia preparatywna i procesowa znalazła szerokie zastosowanie w procesach izolacji, wydzielania i oczyszczania substancji zarówno ze względu na możliwość modyfikacji wielu parametrów procesu w celu uzyskania odpowiedniej selektywności i wydajności separacji oraz ze względu na dostępność różnorodnych sorbentów o różnych właściwościach fizykochemicznych. Procesy chromatograficzne umożliwiają separację związków ze złożonych materiałów pochodzenia biologicznego, zarówno w celach aplikacyjnych m.in. w przemyśle farmaceutycznym, kosmetycznym i spożywczym jak i w celach izolacji niebezpiecznych toksyn [1, 124]. Opisane w literaturze badania uwzględniają separację związków o bardzo różnych właściwościach fizykochemicznych, w tym m.in. wydzielanie kwasów organicznych z brzeczek fermentacyjnych [24, 128], otrzymywanie antybiotyków [197], separację kwasów tłuszczowych z olejów roślinnych [53], izolację białek i peptydów [54, 100, 144, 159], węglowodorów aromatycznych [13], czy też związków fenolowych o właściwościach leczniczych [3, 104]. Celem chromatografii preparatywnej i procesowej, niezależnie od mechanizmu procesu chromatograficznego, skali prowadzonych rozdziałów oraz właściwości 46

47 wydzielanych związków jest uzyskanie czystego produktu i dużej wydajności separacji. Wzrost produktywności uzyskuje się poprzez optymalizację parametrów procesu chromatograficznego. 4.2 Model dynamiki procesu chromatograficznego Doświadczalny dobór parametrów rozdziału chromatograficznego umożliwiający wysoką produktywność oraz czystość produktu jest złożony i czasochłonny. Ilość badań doświadczalnych można ograniczyć poprzez symulację przebiegu profili stężeń rozdzielanych mieszanin. W opisie matematycznym procesu chromatograficznego należy uwzględnić zjawiska przenoszenia masy oraz równowagę termodynamiczną. W rezultacie uzyskuje się model matematyczny kolumny chromatograficznej. W zależności od przyjętych założeń i uproszczeń, modele matematyczne kolumny chromatograficznej klasyfikuje się na heterogeniczne, pseudohomogeniczne i homogeniczne. Modele heterogeniczne, takie jak tzw. model ogólny (model GR, ang. General Rate Model) oraz model POR (ang. Lumped Pore Diffusion Model) uwzględniają bilans transportu masy w fazie ruchomej oraz w fazie stacjonarnej. Ze względu na złożoność tych modeli, w praktyce stosuje się je głównie w przypadku występowania w kolumnie dużych oporów transportu masy, wynikających m.in. z wielkości cząsteczek rozdzielanych związków. Modele pseudohomogeniczne uwzględniają bilans masy w fazie ruchomej, natomiast opory transportu masy występujące w ziarnie uwzględnia się poprzez wprowadzenie zastępczego współczynnika dyspersji wzdłużnej dla modelu równowagowo-dyspersyjnego (model ED, ang. Equilibrium-Dispersive Model) lub zastępczego współczynnika szybkości transportu masy dla modelu kinetyczno-dyspersyjnego (model TD, ang. Transport-Dispersive Model). Model ED jest odpowiedni dla układów, w których równowaga sorpcyjna ustala się w krótkim czasie. Do opisu procesów, których szybkość determinowana jest głównie szybkością transportu masy, stosuje się model TD. Założenie całkowitego braku oporów transportu masy prowadzi do uproszczonego homogenicznego modelu procesu idealnego, który nie znajduje zastosowania w chromatografii przemysłowej [11]. Najbardziej złożonym modelem matematycznym kolumny chromatograficznej jest model ogólny, który opisuje proces w kolumnie chromatograficznej z uwzględnieniem transportu masy w fazie ruchomej i w fazie stacjonarnej. W modelu przyjmuje się następujące założenia [10, 68, 164]: - rozdział chromatograficzny jest procesem izotermicznym, 47

48 - natężenie przepływu fazy ruchomej, a także jej gęstość i lepkość są parametrami stałymi, - faza stacjonarna jest złożem charakteryzującym się kulistymi ziarnami o ujednoliconej wielkości, - gradient stężenia w kolumnie w kierunku promieniowym jest znikomy i można go pominąć, - współczynnik dyspersji wzdłużnej oraz współczynnik wnikania masy są wartościami stałymi. Spełnienie wszystkich przyjętych założeń w układzie rzeczywistym jest niemożliwe do zrealizowania, dlatego należy uwzględniać je z pewnym przybliżeniem. Przykładowo, złoża stosowane w praktyce często zbudowane są z ziaren o niejednorodnej budowie. Założenie warunków izotermicznych wynika z możliwości pominięcia występowania w procesach chromatograficznych efektów cieplnych. W odróżnieniu od egzotermicznego procesu adsorpcji, ilość transportowanej masy w kolumnie chromatograficznej jest znacznie mniejsza i efekty cieplne można pominąć. W rezultacie, w modelach dynamicznych kolumny chromatograficznej uwzględnia się zwykle jedynie równania transportu masy [11]. Model ogólny uwzględnia bilans masy składników w fazie ruchomej oraz w fazie stacjonarnej. W bilansie masy uwzględnia się dowolną objętość kolumny chromatograficznej V, która jest ograniczona przez powierzchnię A. Zmiana masy składnika i w objętości fazy ruchomej wynika z: akumulacji masy składnika i w fazie ruchomej zawartej w objętości V, konwekcyjnego transportu masy przez powierzchnię A, dyspersyjnego transportu masy przez powierzchnię A oraz wnikania masy składnika i między fazą ruchomą i fazą stacjonarną. W rezultacie uzyskuje się ogólną postać bilansu masy składnika i w fazie ruchomej [11]: [ \T Q L ^ \ ]C+ : ]a+ ( L b )]a b +[ (1 L ) ^ ]C=0, (6) gdzie: - stężenie składnika i w fazie ruchomej [mol/m 3 ], - gradient stężenia składnika i w fazie ruchomej [mol/m 3 ], L - porowatość usypowa złoża [-], : - prędkość liniowa fazy ruchomej liczona na pusty aparat [m/s], 9 - czas [s], 48

49 E - odległość liczona od początku kolumny [m], - współczynnik dyspersji wzdłużnej [m 2 /s], - zewnętrzna powierzchnia właściwa sorbentu [m 2 /m 3 ]; dla jednorodnych cząstek kulistych: = d, (7) > - gęstość strumienia wnikającej masy na zewnątrz ziarna [mol/(m 2 s)]; =" ( (5=,)), (8) " - współczynnik wnikania masy z rdzenia płynu do ziarna adsorbentu [m/s], - stężenie składnika i w fazie ruchomej wewnątrz porów [mol/m 3 ], 5 - współrzędna promieniowa [m],, - promień ziarna [m]. W równaniu tym całki powierzchniowe można zamienić na całki objętościowe, zgodnie z twierdzeniem Ostrogradzkiego-Gaussa: [ e \T Q L \ + (: ) (L )+ (1 L ) f]c=0, (9) ^ \T Q \ L + (: ) (L )+ (1 L ) =0. (10) Zgodnie z przyjętymi założeniami, współczynnik dyspersji wzdłużnej oraz natężenie przepływu fazy ruchomej są wartościami stałymi. Dodatkowo, uwzględniając zmianę stężenia składnika i tylko wzdłuż osi kolumny, bilans masy składnika i w fazie ruchomej można przedstawić równaniem: \T Q + g \T Q = \ j T Q \ h i \ (@Vh i ) \ j h. (11) i W przypadku ziarna, zmiana masy składnika i w danej objętości wynika z: akumulacji masy składnika i w fazie ruchomej zawartej w porach sorbentu, masy składnika i, która została zaadsorbowana na powierzchni porów sorbentu oraz dyfuzyjnego transportu masy składnika i przez powierzchnię A. W rezultacie otrzymuje się ogólną postać bilansu masy składnika i w ziarnie [11]: [ \T kq ^ \ L ]C+ [ \l Q m1 L ^ \ n]c+ o ]a=0, (12) b 49

50 gdzie: 6 - stężenie składnika i w fazie stacjonarnej [mol/m 3 ], L - porowatość ziarna sorbentu [-], J - gęstość strumienia dyfuzji masy wewnątrz ziarna [mol/(m 2 s)]; o =( ), (13) - gradient stężenia składnika i w fazie ruchomej wewnątrz porów [mol/m 3 ], - efektywny współczynnik dyfuzji w nieruchomym płynie w porach [m 2 /s]. Zamieniając całki powierzchniowe na całki objętościowe uzyskuje się równanie bilansu masy składnika i w fazie stacjonarnej: [ el \T Qk ^ \ L \T Qk \ + (1 L ) \l Q \ + of]c =0, (14) + m1 L n \l Q \ + o =0. (15) Współczynnik wnikania masy " można zastąpić współczynnikiem przenikania masy " #$, w którym uwzględnione są zarówno zewnętrzne jak i wewnętrzne opory transportu masy [88]: " ( (5=,))=" #$ ( ), (16) gdzie: - średnie stężenie składnika i w fazie ruchomej wewnątrz porów [mol/m 3 ]. W rezultacie bilans masy składnika i w fazie ruchomej przyjmuje postać: a w ziarnie: L \T Q \ + :\T Q \ =L \ j T Q \ j (1 L ) " #$ ( ), (17) L \T Qk \ + m1 L n \l Q \ = m n. (18) Model ogólny jest heterogenicznym modelem dynamiki kolumny chromatograficznej złożonym z równań transportu masy w fazie ruchomej oraz w fazie stacjonarnej. Model ten ma głównie zastosowanie w przypadku rozdziału substancji o dużych cząsteczkach takich jak białka czy peptydy. Uproszczeniem modelu heterogenicznego są modele 50

51 pseudohomogeniczne uwzględniające bilans masy jedynie w fazie ruchomej. Przykładem takiego modelu jest model równowagowo-dyspersyjny, w którym opory transportu masy w fazie stacjonarnej uwzględnia się za pomocą zastępczego współczynnika dyspersji [11]. W modelu równowagowo- dyspersyjnym przyjmuje się następujące założenia [164]: - stężenia składnika i w fazie ruchomej =, - stężenia składnika i w fazie stacjonarnej 6 =67, - równowaga procesu adsorpcji i desorpcji ustala się nieskończenie szybko. Zmiana stężenia składnika i w fazie stacjonarnej jest równa zmianie stężenia tego składnika w fazie ruchomej wynikającej z przenikania masy składnika i przez powierzchnię właściwą ziarna : " #$ ( )= m n. (19) W modelu równowagowo-dyspersyjnym wprowadzono zastępczy współczynnik dyspersji wzdłużnej, który opisuje jednocześnie zjawiska dyspersji wzdłużnej i opory ruchu masy: = h i h p. (20) W pracy zastosowano sorbenty w formie żelowej, złożone z polimerowych ziaren wypełnionych nieruchomą fazą ciekłą. Proces rozdziału chromatograficznego ma charakter złożony, na który składa się mechanizm sorpcyjny zachodzący w fazie stacjonarnej oraz mechanizm rozpuszczania transportowanych substancji w ziarnie. W takim układzie całkowita porowatość kolumny chromatograficznej wynika z wolnej przestrzeni między ziarnami (L =L ), czyli porowatości usypowej złoża, natomiast porowatość ziarna jest pomijana (L =0). Uwzględniając powyższe założenia otrzymuje się postać równania bilansu masy składnika i w modelu równowagowo-dyspersyjnym: \T Q + g \T Q + (@Vh p) \l Q = \ j T Q \ h p \ h p \. (21) \ j Rozwiązanie równania jest możliwe po przyjęciu odpowiednich warunków początkowych i brzegowych. W chwili początkowej (t=0 i 0<x<L) wartości stężenia substancji w fazie ruchomej i w fazie stacjonarnej wynoszą zero, a pomiędzy fazą ruchomą, a złożem występuje stan równowagi [140]: 51

52 (0,E)=0, (22) 6 (0,E)=0. (23) Warunki brzegowe na wlocie i wylocie kolumny opisano warunkami brzegowymi Danckwertsa, zgodnie z którymi zjawiska dyspersji wzdłużnej występują jedynie wewnątrz kolumny [140]: - na wlocie do kolumny (t>0 i x=0): - na wylocie z kolumny (t>0 i x=l): \T :m (9) (9,0)n= L Q (,), (24) \T Q (,) \ \ =0, (25) gdzie: % - długość kolumny [m], - stężenie składnika na wlocie kolumny [mol/m 3 ]; dla iniekcji w postaci impulsu: (9)=q ]2 9.0;9 4 0 ]2 9>9 u, (26) 9 - czas wprowadzania składnika i do kolumny [s]; w zależności od czasu trwania impulsu kolumna pracuje w trybie chromatograficznym lub adsorpcyjnym. W praktyce, model równowagowo-dyspersyjny jest często stosowany do opisu procesów chromatografii cieczowej [14, 81, 82, 103, 143]. Matematyczny opis transportu masy należy uzupełnić równaniami opisującymi termodynamikę procesu sorpcji. 4.3 Równowaga sorpcyjna Niezależnie od rozpatrywanego układu badawczego, warunkiem wystarczającym, ale jednocześnie koniecznym istnienia równowagi procesów izotermicznych jest zerowanie się powinowactwa chemicznego, np. reakcji chemicznej, procesów dyfuzyjnych, procesu rozpuszczania [15, 153, 175]. Sorpcję można zdefiniować jako proces podziału składnika i między dwie fazy: ruchomą i stacjonarną [136], uzyskując warunek równowagi dla procesów chromatograficznych prowadzonych w warunkach stałej temperatury T i stałego ciśnienia p: M > N =M, (27) 52

53 gdzie: M > - potencjał chemiczny składnika i w fazie ruchomej [J/mol], M N - potencjał chemiczny składnika i w fazie stacjonarnej [J/mol]. W układach rzeczywistych wartość potencjału chemicznego związana jest z aktywnością zgodnie z równaniem [175]: M =M ɵ (=,v)+r=2w Q, (28) ɵ gdzie: M - potencjał chemiczny składnika i [J/mol], M ɵ - standardowy potencjał chemiczny składnika i [J/mol], R - uniwersalna stała gazowa; R=8,314./(*12 )4, E ɵ - ułamek molowy składnika w stanie standardowym [-]; E ɵ =1, - aktywność ułamkowa składnika i w stanie równowagi [-]; = J E, (29) J - współczynnik aktywności składnika i [-], E - ułamek molowy składnika i [-]. Wprowadzając definicję potencjału chemicznego do warunku równowagi uzyskuje się zależność: M ɵ> (=,v)+r=2w( > )=M ɵn (=,v)+r=2w( N ), (30) M ɵ> (=,v)+r=2w(j E ) > =M ɵn (=,v)+r=2w(j E ) N. (31) Dla roztworów rozcieńczonych można z pewnym przybliżeniem zastosować zależność stężenia molowego od ułamka molowego składnika i w rozpuszczalniku [175]: gdzie: - stężenie składnika i [mol/m 3 ], O '#(. - gęstość rozpuszczalnika [kg/m 3 ], & '#(. - masa molowa rozpuszczalnika [kg/mol], }R~k. }R~k. E, (32) 53

54 uzyskując opis równowagi procesu chromatograficznego wyrażonego za pomocą stężeń molowych składnika i : M ɵ> (=,v)+r=2w(j }R~k. }R~k. ) > =M ɵn (=,v)+r=2w(j }R~k. }R~k. 6 ) N. (33) Po przeprowadzeniu kolejnych przekształceń: M ɵ> M ɵn =R=2w(J }R~k. }R~k. 6 ) N R=2w(J }R~k. }R~k. ) >, (34) M ɵ> M ɵn =R=2w ƒ}r~k. Q }R~k. l Q ƒ}r~k. Q }R~k. T Q ˆ, (35) 2,30321Š ƒ}r~k. Q }R~k. l Q ƒ}r~k. Q }R~k. T Q ˆ= Q ɵ V Q ɵ Œ, (36) l Q T Q = Q Q ƒ}r~k. }R~k. 10 ƒ}r~k. }R~k. Ž Q ɵ ŽQ ɵ j,, (37) gdzie: - stężenie równowagowe składnika i w roztworze [mol/m 3 ], 6 - stężenie równowagowe składnika i w fazie stacjonarnej [mol/m 3 ], uzyskuje się zależność stężenia składnika i w fazie stacjonarnej od stężenia tego składnika w fazie ruchomej w warunkach równowagi sorpcyjnej przy stałych wartościach temperatury i ciśnienia: 6 =, (38) gdzie: - współczynnik podziału procesu chromatograficznego dla składnika i [-], 54

55 = Q Q ƒ}r~k. }R~k. 10 ƒ}r~k. }R~k. Ž Q ɵ ŽQ ɵ j,. (39) Wyznaczone równanie izotermy sorpcji dla procesu chromatograficznego jest analogiczne do równania Henry ego: gdzie: - stała Henry ego [-], 6 =, (40) które opisuje zależność stężenia składnika i w fazie stacjonarnej od jego stężenia w fazie ruchomej w stanie równowagi dla zakresu liniowego [98]. W pracy przeprowadzono symulację przebiegu profili stężeń rozdziału chromatograficznego polioli z zastosowaniem modelu równowagowo- dyspersyjnego (równanie (21)) z dobranymi warunkami początkowymi i brzegowymi (równania (22)-(26)), który uzupełniono równaniem izotermy sorpcji (równanie (38)). W tym celu wyznaczono parametry modelu, charakterystyczne dla danego układu chromatograficznego. Jako narzędzie umożliwiające symulację procesu, wykorzystano program Kolumna Chromatograficzna v2.03 (Krzysztof Kaczmarski, Politechnika Rzeszowska). 4.4 Parametry procesu chromatograficznego Izoterma sorpcji Wyróżnia się wiele metod doświadczalnego wyznaczania równowagi sorpcyjnej, prowadzonych przy stałej temperaturze i stałym ciśnieniu [131]. W pracy zastosowano metodę statyczną oraz metodę sorpcji-desorpcji. W metodzie statycznej, sorbent o objętości C ( miesza się z badanym roztworem o objętości C ' aż do momentu ustalenia równowagi między fazami. Stężenie równowagowe składnika i wyznaczane jest z bilansu masy: gdzie: - stężenie początkowe roztworu [mol/m 3 ]. 6 = ^}T R V^}T Q, (41) ^~ 55

56 W wyniku przeprowadzonych badań dla różnych wartości stężeń składnika i uzyskuje się doświadczalną zależność równowagowego stężenia składnika i w fazie stacjonarnej od równowagowego stężenia tego składnika w fazie ruchomej. W metodzie sorpcji-desorpcji przez kolumnę wypełnioną sorbentem przepuszczany jest badany roztwór aż do momentu nasycenia fazy stacjonarnej. W kolejnym etapie przeprowadzana jest całkowita desorpcja składnika i. Z bilansu masy wyznacza się stężenie równowagowe składnika i w fazie stacjonarnej: gdzie: 6 = ^ T V^ T h p ^ (@Vh p ) C - objętość sorbentu w kolumnie chromatograficznej [m 3 ], - stężenie po procesie desorpcji [mol/m 3 ]., (42) Podobnie jak w przypadku metody statycznej, badania przeprowadza się dla różnych stężeń składnika i, uzyskując krzywą izotermy sorpcji. Metoda sorpcji-desorpcji jest metodą czasochłonną, jednak pozwala uzyskać dokładne wyniki Porowatość całkowita kolumny Porowatość całkowita kolumny jest to stosunek objętości dostępnej dla fazy ruchomej do całkowitej objętości kolumny. W rezultacie, porowatość całkowita uwzględnia sumę wolnej przestrzeni między ziarnami sorbentu oraz objętości dostępnej dla fazy ruchomej w sorbencie wynikającej z porowatości ziarna [11]. inertny): gdzie: Wyznaczając czas retencji substancji niezatrzymywanej przez sorbent (związek 9 ' - czas martwy kolumny [s], CD - objętościowe natężenie przepływu fazy ruchomej [m 3 /s], 9 ' = h p^ ^D, (43) otrzymuje się wartość porowatości całkowitej kolumny zgodnie z równaniem: L = } g. (44) 56

57 4.4.3 Zastępczy współczynnik dyspersji wzdłużnej Zastępczy współczynnik dyspersji wzdłużnej związany jest ze sprawnością kolumny chromatograficznej [69, 139]. Miarą sprawności kolumny jest wysokość równoważna półce teoretycznej ;,<=: gdzie: + - liczba półek teoretycznych [-]. ;,<==, (45) Liczba półek teoretycznych kolumny wyznaczana jest doświadczalnie na podstawie czasu retencji 9 ' analizowanego związku oraz szerokości piku chromatograficznego w połowie jego zgodnie z równaniem [169]: +=5,54 } H /j. (46) Otrzymane parametry umożliwiają obliczenie zastępczego współczynnika dyspersji wzdłużnej dla danego układu chromatograficznego: = > g Ah p. (47) 57

58 5. CEL PRACY Procesy produkcji biotechnologicznej związane są z koniecznością oczyszczania i wydzielania produktu z zanieczyszczonych, rozcieńczonych roztworów pofermentacyjnych. Wśród związków otrzymywanych na drodze biokonwersji glicerolu można wyróżnić m.in. poliole, czyli alkohole wielowodorotlenowe, stosowane w różnych gałęziach przemysłu. W niniejszej pracy podjęto próbę oceny możliwości zastosowania metod sorpcyjnych w procesie oczyszczania polioli, otrzymywanych w wyniku biokonwersji frakcji glicerynowej. W celu doboru odpowiednich metod separacyjnych, w pierwszym etapie przeprowadzono analizę literatury i przeprowadzono badania wstępne. Do badań wybrano dwa poliole: propano-1,3-diol i erytrytol, które mają praktyczne zastosowanie, odpowiednio w procesach syntezy poliestrów i poliuretanów oraz w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym [42, 63, 137]. Celem niniejszej pracy jest opracowanie metod wydzielania polioli z brzeczek fermentacyjnych pochodzących z biokonwersji odpadowego glicerolu, wykorzystujących różne procesy sorpcyjne. W pracy skoncentrowano się na bezpośredniej sorpcji, chromatografii procesowej, wymianie jonowej oraz sorpcji na węglu aktywnym. Realizacja celu pracy wymagała rozwiązania szeregu zagadnień cząstkowych, obejmujących: 1. dobór odpowiednich metod analizy jakościowej i ilościowej, opracowanie procedur badawczych oraz kalibracji poszczególnych układów, 2. ocenę efektywności metody separacyjnej dla procesu bezpośredniej sorpcji z zastosowaniem polimerowego złoża mocnego kationitu w różnej formie jonowej, 3. dobór selektywnej fazy stacjonarnej dla procesowej chromatografii sorpcyjnej oraz przeprowadzenie badań właściwych dla wybranych sorbentów, 4. ocenę możliwości zastosowania chromatografii jonowo-wykluczającej (ekskluzji jonów) w procesie odsalania brzeczek fermentacyjnych, 5. weryfikację możliwości wykorzystania wymiany jonowej oraz sorpcji na węglu aktywnym jako metod końcowego oczyszczania polioli, 6. przeprowadzenie badań prowadzących do otrzymania polioli w formie końcowego produktu, z uwzględnieniem metod chromatografii procesowej, wymiany jonowej i sorpcji na węglu aktywnym, a następnie wykorzystania odpowiednich końcowych metod oczyszczania takich jak destylacja i krystalizacja, 7. wyznaczenie doświadczalnych izoterm sorpcji w oparciu o przyjęty model równowagi, 58

59 8. dobór odpowiedniego modelu dynamiki kolumny chromatograficznej w celu przeprowadzenia badań symulacyjnych dla zastosowanych metod, 9. wyznaczenie doświadczalne parametrów charakterystycznych dla wybranych sorbentów, takich jak porowatość całkowita złoża, wysokość równoważna półce teoretycznej oraz gęstość właściwa, 10. weryfikacja poprawności otrzymanych danych modelowych w oparciu o wyniki badań doświadczalnych, 11. dobór parametrów pracy kolumny chromatograficznej umożliwiających prowadzenie procesu z wysoką efektywnością przy zachowaniu wymaganej czystości produktu, 12. opracowanie układu chromatograficznego z ciągłym odbiorem produktu w systemie wielokolumnowym. 59

60 6. BADANIA DOŚWIADCZALNE 6.1 Odczynniki W Tabeli 1 przedstawiono listę odczynników chemicznych, które wykorzystano w części doświadczalnej. W badaniach zastosowano również erytrytol spożywczy o czystości powyżej 99% firmy Biofan. Tabela 1. Lista podstawowych odczynników wykorzystanych w badaniach Odczynnik Producent Czystość BSTFA Sigma-Aldrich cz.d.a Butano-2,3-diol Sigma-Aldrich cz. Chlorek sodu Avantor cz. D-Mannitol Sigma-Aldrich cz.d.a Glicerol Avantor cz. Kwas α-ketoglutarowy Sigma-Aldrich cz.d.a Kwas bursztynowy Sigma-Aldrich cz.d.a Kwas cytrynowy Sigma-Aldrich cz.d.a Kwas fumarowy Sigma-Aldrich cz.d.a Kwas mlekowy Avantor cz.d.a Kwas masłowy Sigma-Aldrich cz.d.a Kwas octowy Sigma-Aldrich cz.d.a Kwas siarkowy (VI) Avantor cz.d.a Kwas solny Chempur cz.d.a L(-)Arabitol Sigma-Aldrich cz. Meso-Erytrytol Sigma-Aldrich cz.d.a Metanol Avantor cz.d.a n-heksan Avantor cz. Propano-1,3-diol Sigma-Aldrich cz.d.a Avantor cz. Wodorofosforan dipotasu Avantor cz. Wodorotlenek sodu Avantor cz.d.a 6.2 Sorbenty Badania nad wydzielaniem polioli z roztworów modelowych i brzeczek fermentacyjnych prowadzono z wykorzystaniem różnych sorbentów, które przedstawiono w Tabeli 2. 60

61 Tabela 2. Sorbenty zastosowane w badaniach Metoda oczyszczania Sorbent Kationowymienne złoże polimerowe w formie wodorowej Sorpcja bezpośrednia usieciowane diwinylobenzenem (8%) o wielkości ziarna μm (Spectra/Gel Ion Exchange 50x8 firmy Spectrum) Kationowymienne złoże polimerowe w formie wodorowej usieciowane diwinylobenzenem (8%) (Spectra/Gel Ion Chromatografia Exchange 50x8 firmy Spectrum) o wielkości ziarna: sorpcyjna μm μm Chromatografia wykluczania jonowego Wymiana jonowa Końcowe oczyszczenie produktu Silnie kwaśne żywice monodyspersyjne, o matrycy polistyrenowo-diwinylobenzenowej: - Złoże Amberjet 1200 Na + o wielkości ziarna 0,6 mm - Złoże Lewatit S1567 Na + o wielkości ziarna 0,6 mm Makroporowate, monodyspersyjne jonity: - Silny kationit Lewatit 112 w formie H + - Słaby anionit Lewatit MP64 w formie OH - - Złoże mieszane kationit-anionit (moduł handlowy stosowany w urządzeniach oczyszczania wody L-DEMIN-Q) - Węgiel aktywny (wkład Aquafilter AICRO z węglem aktywowanym z łupin orzechów kokosowych) 6.3 Materiał badawczy Przedstawione w pracy badania przeprowadzono z wykorzystaniem modelowych roztworów wodnych oraz brzeczek fermentacyjnych. Skład roztworów modelowych dobrano analogicznie do składu brzeczek fermentacyjnych polioli. Brzeczki fermentacyjne, które wykorzystano w badaniach, otrzymane zostały w Katedrze Biotechnologii i Mikrobiologii Żywności Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu oraz w Katedrze Biotechnologii i Mikrobiologii Żywności Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu. Biokonwersje prowadzone były z wykorzystaniem czystego oraz odpadowego glicerolu. W przypadku brzeczek fermentacyjnych propano-1,3-diolu zastosowano mikroorganizmy Clostridium butyricum, natomiast produkcję brzeczki zawierającą erytrytol prowadzono z zastosowaniem szczepów Yarrowia lipolytica. Otrzymane brzeczki fermentacyjne charakteryzowały się wartością ph w zakresie 7,2-8,3 dla brzeczek propano-1,3-diolu oraz 3,5-4,3 dla brzeczek erytrytolu. Ze względu na różnorodność 61

62 otrzymanych brzeczek fermentacyjnych, ich skład ilościowy podano bezpośrednio przy opisie badań doświadczalnych. 6.4 Aparatura badawcza W Tabeli 3 przedstawiono aparaturę badawczą, którą wykorzystano w badaniach nad wydzielaniem polioli oraz w analizie jakościowej i ilościowej roztworów wyjściowych i końcowych produktów. Tabela 3. Podstawowa aparatura badawcza wykorzystana do badań Zakres badań Aparatura Analiza jakościowa i ilościowa Metody sorpcyjne - Chromatograf cieczowy wyposażony w pompy HPLC (Gilson), detektor refraktometryczny (Varian), autosampler (Waters, Millipore Corp.) oraz termostat do kolumny chromatograficznej - Chromatograf gazowy HP 5890 serii II (Hewlett Packard) zaopatrzony w detektor płomieniowo-jonizacyjny i autosampler - Mierniki ph/konduktometr typu CPC-505 (Elmetron) wyposażone w elektrodę ph, czujnik konduktometryczny oraz czujnik temperatury - Mierniki TDS TRM1 trzypunktowe, umożliwiające pomiar przewodnictwa w trybie on-line - Stacjonarny refraktometr cyfrowy (Bellingham+ Stanley) - Waga analityczna, dokładność 0,0001g (Sartorius) - Kolektor frakcji z programowanym czasem zbierania próbek (LKB Bromma) - Termostat (MLW) wyposażony w termoregulator mikroprocesorowy - Pompy perystaltyczne z regulacją natężenia przepływu (Neolab, New Era Pump Systems Inc., Aqua-Trend, Cole-Parmer) - Waga analityczna, dokładność 0,0001g (Sartorius) - Waga techniczna, dokładność 0,01 g (Axis) - Uniwersalna wytrząsarka laboratoryjna (GFL) - Suszarka laboratoryjna (Memmert) - Układ badawczy do zatężania i destylacji, wyposażony w pompę próżniową i czujniki temperatury - Układ sterujący pracę kolumny chromatograficznej 62

63 W pracy wykorzystano również oprogramowania do zbierania i przetwarzania danych: Lp-Chrom (LipoPharm.pl) i HP ChemStation (Hewlett Packard). Symulacje pracy kolumny preparatywnej przeprowadzono z zastosowaniem programu Kolumna Chromatograficzna v2.03 (Krzysztof Kaczmarski, Politechnika Rzeszowska, Katedra Inżynierii Chemicznej i Procesowej). Program "Kolumna Chromatograficzna v2.03 jest narzędziem umożliwiającym rozwiązywanie równań różniczkowych modelu równowagowo-dyspersyjnego metodą kolokacji ortogonalnej na elementach skończonych (OCFE). 6.5 Metody analityczne W celu określenia możliwości aplikacyjnych wybranych technik separacyjnych niezbędne jest zastosowanie odpowiednich metod analizy jakościowej i ilościowej. Przeprowadzono szereg badań doświadczalnych w celu opracowania metod analitycznych pozwalających określić skład zarówno roztworów modelowych jak i brzeczek fermentacyjnych oraz uzyskiwanych oczyszczonych produktów. W badaniach zastosowano wysokosprawną chromatografię cieczową oraz chromatografię gazową. Na podstawie analizy literaturowej wybrano kolumny analityczne, umożliwiające identyfikację związków obecnych w badanych roztworach. W wyniku prowadzonych badań wstępnych, określono parametry prowadzenia analiz oraz czasy retencji badanych związków. Dobrano odpowiednie kolumny chromatograficzne oraz parametry prowadzenia analiz, które przedstawiono w Tabeli 4. 63

64 Tabela 4. Parametry analizy ilościowej prowadzonej z zastosowaniem metody chromatografii gazowej i wysokosprawnej chromatografii cieczowej Kolumna Parametry analizy Chromatografia gazowa (GC) - przepływ gazu nośnego H 2 : 8,0 cm 3 /min PERMABOND CW20M - temperatura detektora: 200ºC Macherey-Nagel - rozcieńczalnik próbek: metanol (30 m x 0,53 mm) - kalibracja zewnętrzna z zastosowaniem roztworów wzorcowych badanych substancji Rxi-5ms Restek (30 m x 0,32 mm) Rezex ROA- Organic Acid H+ (8%) Phenomenex (4,6 mm x 250 mm) Hypersil ODS Agilent (4,6 mm x 100 mm) - przepływ gazu nośnego H 2 : 4,0 cm 3 /min - temperatura detektora: 200ºC - derywatyzacja próbek w podwyższonej temperaturze, odczynnik sililujący: BSTFA (N,O-bis-trimetylosililotrifluoroacetamid) - rozcieńczalnik próbek: heksan - standard wewnętrzny: 0,1% roztwór butano-1,2,3-triolu w pirydynie Wysokosprawna chromatografia cieczowa (HPLC) - faza ruchoma: 0,005 N H 2 SO 4 - natężenie przepływu: 0,4 cm 3 /min - temperatura: 50 C - kalibracja zewnętrzna z zastosowaniem roztworów wzorcowych - faza ruchoma: 0,005 N H 2 SO 4 - natężenie przepływu: 0,5 cm 3 /min - temperatura: C - kalibracja zewnętrzna z zastosowaniem roztworów wzorcowych Na Rys. 9 i 10 przedstawiono przykładowe krzywe kalibracyjne propano-1,3-diolu oraz erytrytolu dla kolumny Rezex ROA- Organic Acid (Phenomenex). W badaniach zastosowano wodne roztwory w zakresie stężeń 0,6-51,2 g/dm 3, natomiast krzywe charakteryzują się bardzo dobrą liniowością w zakresie stężeń 1,0-40,0 g/dm 3 dla propano-1,3-diolu oraz 1,4-31,0 g/dm 3 dla erytrytolu. W pracy, zarówno niepewność wyników analizy jak i wyników badań przedstawiono za pomocą odchylenia standardowego (standardowa niepewność pomiaru). Przykładowo, współczynnik odpowiedzi detektora dla wskazanego zakresu stężeń propano-1,3-diolu wyznaczono dla trzech kolejnych serii pomiarowych, uzyskując wartość współczynnika odpowiedzi detektora dla każdego punktu pomiarowego. Otrzymane wartości odchylenia 64

65 standardowego oraz obliczone na jego podstawie wartości współczynnika zmienności przedstawiono w Tabeli 5. Powierzchnia piku [mv*min] y = 3,439x R² = 0, Stężenie [g/dm 3 ] Rys. 9. Krzywa kalibracyjna propano-1,3-diolu dla kolumny Rezex ROA- Organic Acid H+, Phenomenex (dozowana objętość 5 μl) Powierzchnia piku [mv*min] y = 4,453x R² = 0, Stężenie [g/dm 3 ] Rys. 10. Krzywa kalibracyjna erytrytolu dla kolumny Rezex ROA- Organic Acid H+, Phenomenex (dozowana objętość 5 μl) 65

66 Tabela 5. Wyniki trzech serii pomiarowych krzywej kalibracyjnej propano-1,3-diolu dla kolumny Rezex ROA- Organic Acid H+, Phenomenex (dozowana objętość: 5 μl) Seria 1 Seria 2 Seria 3 Wartość średnia współczynnika odpowiedzi detektora 3,44 3,47 3,46 Odchylenie standardowe 0,10 0,06 0,08 Względne odchylenie standardowe 0,03 0,02 0,02 Współczynnik zmienności [%] 2,82 1,85 2,36 Średni współczynnik zmienności [%] 2,34 Złożoność rzeczywistych brzeczek fermentacyjnych stwarza trudności przy opracowywaniu procedur analizy ilościowej. Zbliżone czasy retencji badanych substancji uniemożliwiają ich identyfikację. W Tabeli 6 zestawiono czasy retencji badanych substancji dla zastosowanych kolumn w analitycznej chromatografii cieczowej. Jak można zauważyć, czasy retencji propano-1,3-diolu i butano-1,3-diolu dla kolumny Rezex ROA- Organic Acid są identyczne, dlatego analizę ilościową roztworów zawierających obie te substancje jednocześnie, prowadzono na kolumnie Hypersil ODS. W badaniach nad procesem odsalania brzeczek metodą ekskluzji jonów, separacji poddawano roztwory zawierające zarówno glicerol jak i kwas mlekowy. W tym przypadku zawartość tych substancji w roztworze zasilającym oznaczano sumarycznie, natomiast stężenie glicerolu określano na podstawie analizy roztworów otrzymanych po procesach odsalania, które nie zawierały już kwasu mlekowego. 66

67 Tabela 6. Czasy retencji badanych substancji dla dobranych parametrów analizy ilościowej metodą wysokosprawnej chromatografii cieczowej Czas retencji [min] Związek Kolumna: Rezex ROA- Organic Acid H+ (8%), Phenomenex (4,6 mm x 250 mm) 3,7 Chlorek sodu 4,4 Fosforan dipotasu 4,6 Kwas cytrynowy 4,7 Kwas α-ketoglutarowy 5,6 Mannitol 5,9 Arabitol 6,2 Erytrytol 6,4 Kwas mlekowy 6,5 Kwas bursztynowy 6,8 Glicerol 7,6 Kwas octowy 8,1 (8,5) Butano-1,3-diol (podwójny pik) 8,2 Kwas fumarowy 8,4 Propano-1,3-diol 10,5 Kwas masłowy Kolumna: Hypersil ODS, Agilent (4,6 mm x 100 mm) 2,4 Chlorek sodu 2,5 Arabitol 2,5 Erytrytol 2,5 Mannitol 2,7 Glicerol 3,4 Propano-1,3-diol 4,0 Kwas mlekowy 4,2 Kwas octowy 5,1 Kwas α-ketoglutarowy 5,2 Kwas cytrynowy 5,8 (7,2) Butano-2,3-diol (podwójny pik) 7,2 Kwas bursztynowy Podczas badań doświadczalnych prowadzono również bezpośredni pomiar przewodnictwa w celu oszacowania stężenia substancji jonowych. W tym celu na wylocie z kolumny chromatograficznej zainstalowano elektrodę podłączoną do konduktometru rejestrującego wartości przewodnictwa w zadanym przedziale czasowym (0,5 min). Dodatkowo prowadzono pomiar refrakcji określający zawartość sumaryczną soli i polioli 67

68 w strumieniach wylotowych kolumn stosowanych w procesach chromatografii procesowej oraz wymiany jonowej. 6.6 Proces bezpośredniej sorpcji Metodyka prowadzenia badań W pierwszym etapie badań nad oczyszczaniem polioli z brzeczek fermentacyjnych zastosowano metodę bezpośredniej sorpcji. Jako sorbent wybrano polimerowe złoże mocnego kationitu w formie wodorowej (stopień usieciowania diwinylobenzenem- 8%) o wielkości ziarna μm. Badania prowadzono także dla różnych form jonowych złoża, które otrzymano za pomocą wodnych roztworów odpowiednich soli nieorganicznych. Sorbenty (w formie H +, Ca 2+, Ag +, Na +, Pb 2+, Co 2+, Zn 2+, Cu 2+ ) umieszczono w polipropylenowych kolumnach, przez które przepuszczano mieszaniny poddawane rozdziałowi doprowadzając układ do stanu równowagi. Następnie przeprowadzano proces desorpcji z zastosowaniem wody dejonizowanej, a otrzymane frakcje poddano analizie ilościowej. W badaniach wykorzystano modelowe roztwory wodne zawierające propano-1,3-diol i glicerol oraz erytrytol i glicerol Opis uzyskanych wyników badań Badania rozdziału propano-1,3-diolu i glicerolu oraz erytrytolu i glicerolu prowadzono dla modelowych roztworów wodnych. Na podstawie analizy ilościowej określono stężenie poszczególnych związków w kolejnych frakcjach eluatu, odbieranych podczas procesu desorpcji. Wyznaczono selektywność dla poszczególnych form jonowych złoża, zdefiniowaną jako stosunek stężeń rozdzielanych substancji (propano-1,3-diolu do glicerolu oraz zależność odwrotną, a także erytrytolu do glicerolu i zależność odwrotną). Selektywność jest parametrem określającym możliwość separacji substancji obecnych w mieszaninie. W przypadku rozdziału propano-1,3-diolu od glicerolu, wartość selektywności powyżej 1 wskazuje na silniejszą sorpcję propano-1,3-diolu na danym złożu. Wówczas obserwuje się częściową separację glicerolu podczas procesu sorpcji, uzyskując oczyszczony roztwór propano-1,3-diolu na drodze jego desorpcji ze złoża. W pracy przedstawiono również wartości odwrotne do zdefiniowanych selektywności, w celu łatwiejszej interpretacji wyników zatrzymania glicerolu na danym złożu. W przypadku sorbentów wykazujących większą siłę oddziaływania z glicerolem (wówczas wartość odwrotna do zdefiniowanej selektywności jest powyżej 1), proces oczyszczania propano-1,3-diolu można prowadzić 68

69 poprzez zatrzymanie glicerolu na wskazanym złożu. W takim procesie można zastosować te sorbenty, których stosunek stężenia glicerolu do stężenia propano-1,3-diolu w roztworach desorbowanych ma wartość powyżej 1. Na podstawie wartości selektywności przedstawionych w Tabeli 7 można określić siłę powinowactwa poszczególnych substancji ze złożem. Najlepsze wyniki rozdziału, zarówno dla roztworu erytrytolu jak i propano-1,3-diolu uzyskano dla złoża w formie wodorowej. Sorbent w największym stopniu zatrzymuje propano-1,3-diol, następnie glicerol i erytrytol. W takim układzie można przeprowadzić rozdział propano-1,3-diolu od glicerolu poprzez sorpcję propano-1,3-diolu, natomiast rozdział erytrytolu od glicerolu następuje w wyniku silniejszej sorpcji glicerolu na kationicie. Proces jest jednak nieefektywny ze względu na małą różnicę w sile oddziaływania poszczególnych polioli ze złożem, a także ze względu na jego małą pojemność sorpcyjną. Selektywność złoża wzrasta przy znacznym obniżeniu stężeń badanych roztworów, czego wynikiem jest bardzo niska wydajność procesu. Proces desorpcji w przypadku wszystkich form jonowych złoża przebiegał w czasie kilku minut, natomiast najszybsze wymycie składników zaobserwowano dla kationitów o selektywności ok. 1. Przeprowadzono również badania sorpcji z wykorzystaniem złoża w formie wodorowej o większej wielkości ziarna: μm. W porównaniu ze złożem o wielkości ziarna µm, czas przebywania składników mieszaniny w złożu był dłuższy, natomiast selektywność znacznie spadła. Złoże o mniejszej wielkości ziarna pozwoliło uzyskać lepsze wyniki rozdziału. Na podstawie otrzymanych wyników badań stwierdzono, że możliwość zastosowania wybranych złóż polimerowych w procesie sorpcji polioli z brzeczek fermentacyjnych jest ograniczona ze względu na bardzo niską wydajność procesu. Ze względu na brak praktycznego zastosowania bezpośredniej sorpcji w procesie oczyszczania polioli, nie przeprowadzono doświadczeń dla rzeczywistych brzeczek fermentacyjnych, a dalsze badania prowadzono z zastosowaniem metod chromatografii procesowej. 69

70 Tabela 7. Selektywność sorpcji dla różnych form jonowych kationowymiennego złoża mocnego kationitu o wielkości ziarna μm Selektywność Nr frakcji Propano-1,3-diol/ Glicerol/ Erytrytol/ Glicerol/ Glicerol Propano-1,3-diol Glicerol Erytrytol złoże H + 1 0,77 1,32 0,90 1,11 2 1,01 0,99 0,63 1,59 3 1,75 0,57 0,47 2,12 4 4,15 0,24 0,58 1,78 złoże Cu ,88 1,14 0,83 1,20 2 0,92 1,09 0,73 1,38 3 1,18 0,85 0,69 1,45 4 1,50 0,67 0,70 1,43 złoże Na + 1 0,95 1,05 0,91 1,10 2 1,03 0,97 0,67 1,50 3 1,11 0,90 0,60 1,68 4 1,46 0,68 0,61 1,66 złoże Ca ,94 1,06 0,95 1,05 2 0,79 1,27 0,84 1,20 3 0,68 1,48 0,82 1,22 4 0,56 1,79 0,86 1,16 złoże Pb ,83 1,21 0,95 1,05 2 0,53 1,89 0,95 1,06 3 0,40 2,5 1,00 1,00 4 0,29 3,49 1,17 0,85 złoże Co ,84 1,20 0,88 1,14 2 0,96 1,05 0,72 1,39 3 1,18 0,84 0,67 1,48 4 1,12 0,90 0,67 1,49 złoże Zn ,85 1,18 0,93 1,08 2 0,96 1,04 0,80 1,25 3 1,20 0,83 0,78 1,28 4 0,87 1,15 0,81 1,24 złoże Ag + 1 0,87 1,16 0,92 1,09 2 0,85 1,17 0,83 1,21 3 0,60 1,90 0,87 1, ,97 1,03 70

71 6.7 Cieczowa chromatografia procesowa Sposób opracowania wyników chromatograficznych W celu łatwiejszej analizy ilościowej otrzymanych wyników badań zastosowano wykresy w skali bezwymiarowej. W układzie współrzędnych zredukowanych stężenia składników eluatu wyrażono w postaci bezwymiarowej jako iloraz stężenia zmierzonego i stężenia w roztworze zasilającym C/C 0. Objętość eluatu odniesiono do objętości złoża i naniesiono na wykres w postaci bezwymiarowej V/V B. Zaletą takiego sposobu przedstawienia danych chromatograficznych jest równorzędność profili stężeń wszystkich rozdzielanych składników bez względu na stężenia rzeczywiste. Konsekwentnie, pola powierzchni wszystkich pasm rozdzielanych substancji są równe objętości zredukowanej roztworu zasilającego kolumnę. Wprowadzone wielkości bezwymiarowe umożliwiają łatwą interpretację wyników niezależnie od wielkości stosowanej kolumny oraz są podstawą do projektowania procesów w większej skali. Natężenie przepływu fazy ruchomej odniesiono do objętości fazy stacjonarnej, otrzymując szybkość przestrzenną B (h -1 ) zdefiniowaną jako stosunek natężenia przepływy fazy ruchomej CD (m 3 /h) do objętości złoża w kolumnie C (m 3 ): B = ^D ^. (48) W pracy wprowadzono również stopień załadowania kolumny chromatograficznej, który jest stosunkiem objętości roztworu zasilającego do całkowitej objętości złoża Chromatografia sorpcyjna Metodyka prowadzenia badań W procesie bezpośredniej sorpcji separacja związków wynika z różnicy powinowactwa rozdzielanych substancji ze złożem. Proces sorpcji prowadzi się do momentu uzyskania stanu równowagi między badanym roztworem i sorbentem, wykorzystując całkowitą praktyczną pojemność sorpcyjną złoża. Na podstawie przeprowadzonych badań z zastosowaniem różnych form jonowych kationitu zaobserwowano różnicę w sile oddziaływania poszczególnych związków z danym sorbentem. Niska wydajność metody uniemożliwia jednak selektywną i jednocześnie 71

72 efektywną separację polioli. W dalszych badaniach wykorzystano procesy chromatograficzne, w których rozdział składników wynika m.in. z różnicy siły oddziaływania hydrofilowo-hydrofobowego składników mieszaniny z sorbentem. Rozdział uzyskuje się w wyniku różnicy czasów retencji poszczególnych składników mieszaniny. Badania prowadzono z zastosowaniem kolumn chromatograficznych wypełnionych kationowymiennym sulfonowym złożem polimerowym sieciowanym diwinylobenzenem (8%). W pierwszym etapie przeprowadzono szereg badań dla różnych form jonowych złoża w celu doboru selektywnej fazy stacjonarnej. W kolejnym etapie, dla wybranych złóż przeprowadzono badania dla modelowych roztworów wodnych, a następnie dla brzeczek fermentacyjnych. Wyznaczono również parametry modelu procesu chromatograficznego umożliwiające symulację profili stężeń rozdzielanych substancji, takie jak porowatość całkowita złoża, wysokość równoważna półce teoretycznej, gęstość właściwa spęczniałego wodą złoża oraz współczynniki równowagi dla badanych substancji Opis uzyskanych wyników badań Dobór selektywnego złoża Badania nad doborem selektywnego złoża sorbentu prowadzono w polipropylenowych kolumnach o długości 25 cm i średnicy wewnętrznej 5 mm wypełnionych kationitem polimerowym o wielkości ziarna µm. Możliwości separacyjne określono dla różnych form jonowych złoża (H +, Ca 2+, Ag +, Na +, Pb 2+, Zn 2+ ). Modyfikację wodorowej formy złoża przeprowadzono za pomocą wymiany jonowej przy użyciu wodnych roztworów odpowiednich soli nieorganicznych. W celu przeprowadzenia całkowitej wymiany jonowej zastosowano 3-krotny nadmiar molowy roztworu soli w odniesieniu do pojemności wymiennej złoża (1,7 meq/cm 3 ). Badania separacji prowadzono na modelowych roztworach wodnych polioli. Dla każdego złoża wykonano serię doświadczeń dla roztworów jednoskładnikowych, a następnie dla mieszanin zawierających propano-1,3-diol, butano-2,3-diol i glicerol oraz erytrytol, mannitol i glicerol. Układ pomiarowy składał się z kolumny chromatograficznej, pompy oraz detektora refraktometrycznego HPLC. Za pomocą programu Lp-Chrom rejestrowano refrakcję strumienia na wyjściu z kolumny chromatograficznej. Na kolumnę chromatograficzną dozowano badane roztwory o stężeniu w zakresie g/dm 3 w postaci impulsu (objętości chromatografii analitycznej). Na wyjściu z kolumny rejestrowano zmianę sygnału detektora (któremu odpowiada zmiana stężenia badanej substancji) w odniesieniu do czasu. Otrzymano krzywe elucji dla poszczególnych 72

73 związków oraz dla mieszanin tych związków, na podstawie których można określić siłę oddziaływania polioli z daną formą jonową złoża. W przypadku fazy stacjonarnej w formie Na +, Zn 2+ i Ag + uzyskano zbliżone czasy retencji, zarówno dla mieszanin propano-1,3-diolu jak i erytrytolu. Poniżej przedstawiono krzywe elucji dla poszczególnych złóż (Rys ), otrzymane dla jednoskładnikowych roztworów wodnych. Jako eluent zastosowano wodę dejonizowaną z szybkością przestrzenną 3 h -1. Następnie przez kolumny wypełnione fazą stacjonarną przepuszczono roztwory dwuskładnikowe oraz trójskładnikowe. Dla złóż w formie Na +, Zn 2+ i Ag + nie uzyskano rozdziału pików, co wskazuje na brak selektywności badanych form jonowych złoża względem separowanych związków. Rys. 11. Porównanie krzywych elucji roztworów jednoskładnikowych propano-1,3-diolu, glicerolu i butano-2,3-diolu dla złoża kationitu w formie Na + Rys. 12. Porównanie krzywych elucji roztworów jednoskładnikowych propano-1,3-diolu, glicerolu i butano-2,3-diolu dla złoża kationitu w formie Ag + 73

74 Rys. 13. Porównanie krzywych elucji roztworów jednoskładnikowych propano-1,3-diolu, glicerolu i butano-2,3-diolu dla złoża kationitu w formie Zn 2+ Rys. 14. Porównanie krzywych elucji roztworów jednoskładnikowych erytrytolu, glicerolu i mannitolu dla złoża kationitu w formie Na + Rys. 15. Porównanie krzywych elucji roztworów jednoskładnikowych erytrytolu, glicerolu i mannitolu dla złoża kationitu w formie Ag + 74

75 Rys. 16. Porównanie krzywych elucji roztworów jednoskładnikowych erytrytolu, glicerolu i mannitolu dla złoża kationitu w formie Zn + W kolejnym etapie zastosowano złoże kationitu formie Ca 2+. Ponownie wyznaczono krzywe elucji dla roztworów jednoskładnikowych, które przedstawiono na Rys. 17 i 18. Rys. 17. Porównanie krzywych elucji roztworów jednoskładnikowych propano-1,3-diolu, glicerolu i butano-2,3-diolu dla złoża kationitu w formie Ca 2+ Rys. 18. Porównanie krzywych elucji roztworów jednoskładnikowych erytrytolu, glicerolu i mannitolu dla złoża kationitu w formie Ca 2+ 75

76 Złoże w formie wapniowej pozwala oddzielić propano-1,3-diol zarówno od glicerolu jak i od butano-2,3-diolu, natomiast w przypadku erytrytolu uzyskano rozdział jedynie od mannitolu. Podczas badań nad rozdziałem propano-1,3-diolu i erytrytolu, prowadzonych na złożu w formie Pb 2+ otrzymano bardzo zbliżone wyniki jak w przypadku złoża w formie wapniowej. Ze względu m.in. na bezpieczeństwo pracy, do dalszych badań wybrano złoże w formie wapniowej. Przykładowe krzywe elucji dla złoża w formie Pb 2+ przedstawiono na Rys. 19. Rys. 19. Porównanie krzywych elucji roztworów jednoskładnikowych glicerolu i butano-2,3-diolu dla złoża kationitu w formie Pb 2+ propano-1,3-diolu, Profile stężeń poszczególnych związków na złożu Ca 2+ dwuskładnikowych i trójskładnikowych przebiegały zgodnie z wynikami otrzymanymi dla roztworów jednoskładnikowych. Na Rys. 20 przedstawiono przykładową krzywą elucji otrzymaną dla roztworu wodnego zawierającego erytrytol i mannitol, który przepuszczono przez złoże w formie wapniowej z szybkością przestrzenną 3 h -1. i P Pb 2+ w roztworach Rys. 20. Krzywa elucji roztworu zawierającego erytrytol i mannitol dla złoża kationowymiennego w formie Ca 2+ (szybkość przestrzenna fazy ruchomej: 3 h -1 ) 76

77 Możliwość separacji polioli zaobserwowano również dla złoża w formie wodorowej. Na Rys. 21 i 22 przedstawiono krzywe elucji jednoskładnikowych roztworów wodnych. Przebieg elucji propano-1,3-diolu i butano-2,3-diolu jest bardzo zbliżony, natomiast uzyskano rozdział propano-1,3-diolu od glicerolu. W przypadku separacji erytrytolu w badaniach uwzględniono również kwas cytrynowy, który jest obecny w brzeczkach fermentacyjnych. Uzyskano rozdział erytrytolu od mannitolu i kwasu cytrynowego. Rys. 21. Porównanie krzywych elucji roztworów jednoskładnikowych glicerolu i butano-2,3-diolu dla złoża kationitu w formie H + propano-1,3-diolu, Rys. 22. Porównanie krzywych elucji roztworów jednoskładnikowych erytrytolu, glicerolu, mannitolu i kwasu cytrynowego dla złoża kationitu w formie H + Badania dla roztworów wieloskładnikowych potwierdziły możliwość separacji propano-1,3-diolu od glicerolu oraz erytrytolu od mannitolu i kwasu cytrynowego na złożu w formie wodorowej. Przykładowy przebieg krzywych elucji dla roztworu wieloskładnikowego przedstawiono na Rys

78 Rys. 23. Krzywa elucji wodnego roztworu zawierającego erytrytol, cytrynowy dla złoża kationowymiennego w formie H + (szybkość ruchomej 1,2 h -1 ) mannitol i kwas przestrzenna fazy Separacja polioli Badania wstępne prowadzone w skali analitycznej umożliwiły dobór odpowiedniej formy jonowej złoża kationowymiennego. Do dalszych badań przy zastosowaniu kolumn chromatograficznych o znacznie większej objętości efektywnej wybrano złoże w formie wodorowej i wapniowej. Wyniki badań przeprowadzonych z zastosowaniem modelowych roztworów wodnych oraz brzeczek fermentacyjnych są zgodne z wynikami badań prowadzonych w skali analitycznej. Badania prowadzono na układzie złożonym ze szklanej kolumny chromatograficznej, pompy dozującej i kolektora frakcji, natomiast skład frakcji odbieranych na wylocie z kolumny określano za pomocą analizy HPLC. W celu ułatwienia analizy uzyskanych wyników, przebieg krzywych elucji przedstawiono w układzie bezwymiarowym. W badaniach zastosowano kolumny chromatograficzne o średnicy wewnętrznej 2 cm i długości 37 cm, wypełnionee kationitem o wielkości ziarna μmm w ilości 115 cm 3. Przez kolumnę wypełnioną sorbentem przepuszczano rozdzielane mieszaniny. Przeprowadzono serię badań dla złoża w formie wodorowej, przez które przepuszczano modelowe roztwory wodne zawierające propano-1,3-diol, glicerol i butano-2,3-diol. Jako fazę ruchomą stosowano wodę dejonizowaną z szybkością przestrzenną 2,4 h -1. Dla roztworu zawierającego propano-1,3-diol i glicerol uzyskano częściowo rozdzielonee piki. Nie uzyskano natomiast rozdziału propano-1,3-diolu od butano-2,3-diolu, niezależnie od zmiany szybkości przestrzennej fazy ruchomej. Na Rys. 24 przedstawiono profile stężeń otrzymane w wyniku rozdziału roztworu zawierającego 50 g/dm 3 propano-1,3-diolu, 50 g/dm 3 glicerolu i 50 g/dm 3 butano-2,3-diolu. Na kolumnę podano roztwór w ilości 10 cm 3, czyli stopień napełnienia 78

79 kolumny wynosił 0,09V B. Wynikiem tego jest dość duże rozcieńczenie eluatu. Stosunek stężeń C/C 0 przedstawia przebieg stężenia składnika separowanego w odniesieniu do stężenia tego składnika w roztworze wyjściowym. W celu uzyskania jak najmniejszego stopnia rozcieńczenia eluatu, należy zastosować maksymalnie możliwą objętość roztworu wyjściowego podawanego na kolumnę, uzyskując wartość stosunku stężeń C/C 0 około 1. 0,5 0,4 C/C 0 0,3 0,2 0,1 Glicerol Propano-1,3-diol Butano-2,3-diol 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 V/V B Rys. 24. Krzywe elucji dla roztworu zawierającego propano-1,3-diol, glicerol i butano-2,3-diol dla złoża kationowymiennego w formie H + (długość kolumny: 37 cm, wielkość ziarna: µm, szybkość przestrzenna: 0,8 h -1 ) W badaniach wykorzystano również roztwory zawierające kwasy karboksylowe, które są obecne w brzeczkach fermentacyjnych. Jako fazę stacjonarną wybrano złoże w formie wodorowej, przy którym nie ma konieczności regeneracji wynikającej z zachodzącej wymiany jonowej. W wyniku badań na modelowych roztworach o stężeniu 50 g/dm 3 uzyskano częściowy rozdział propano-1,3-diolu od kwasu mlekowego i bursztynowego. W przypadku kwasu octowego uzyskano brak rozdziału ze względu na bardzo zbliżone profile stężeń. Dodatkowo zaobserwowano wpływ stężenia rozdzielanych subtancji na efekt separacji. Rozdział propano-1,3-diolu od glicerolu dla roztworów o stężeniu 50 g/dm 3 jest lepszy w porównaniu do rozdziału prowadzonego na roztworach zawierających 200 g/dm 3 każdego z polioli. Spadek selektywności wynikał z rozmycia krzywych elucji badanych związków w wyniku masowego przeładowania kolumny. Badania prowadzono również dla modelowych roztworów wodnych zawierających erytrytol, mannitol i kwasy karboksylowe takie jak kwas cytrynowy i α-ketoglutarowy. Na 79

80 Rys. 25 przedstawiono przykładowe krzywe elucji uzyskane podczas separacji mieszaniny zawierającej 120 g/dm 3 erytrytolu, 5 g/dm 3 mannitolu, 15 g/dm 3 kwasu cytrynowego i 1 g/dm 3 kwasu α-ketoglutarowego, wyznaczone na podstawie analizy składu frakcji odbieranych na wylocie z kolumny prowadzonej metodą HPLC. Rozdziałowi poddano roztwór w ilości 10 cm 3 (stopień napełnienia kolumny 0,09V B ). C/C 0 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 V/V B Kwasy: cytrynowy i α-ketoglutarowy Mannitol Erytrytol Rys. 25. Krzywe elucji dla roztworu zawierającego erytrytol, mannitol, kwas cytrynowy i kwas α-ketoglutarowy dla złoża kationowymiennego w formie H + (długość kolumny: 37 cm, wielkość ziarna: µm, szybkość przestrzenna: 0,8 h -1 ) Badania prowadzono również na kolumnach chromatograficznych o średnicy 1,5 cm oraz długości 37 cm i 63 cm. Zachowano takie same warunki procesu oraz skład rozdzielanych mieszanin. W przypadku zastosowania kolumny o mniejszej objętości złoża (1,5 x 37 cm) zaobserwowano zdecydowane pogorszenie rozdziału badanych związków. Dla kolumny o wymiarach 1,5 cm x 63 cm uzyskano przebieg profilu stężeń zbliżony do tych otrzymanych dla kolumny o wymiarach 2 cm x 37 cm. Istotnym czynnikiem wpływającym na efekt rozdziału nie jest więc długość kolumny, ale całkowita objętość fazy stacjonarnej. W kolejnym etapie wykonano również badania separacji polioli ze wstępnie odsolonych brzeczek fermentacyjnych. Na Rys. 26 przedstawiono przykładowe krzywe elucji uzyskane dla brzeczki zawierającej erytrytol. Rozdziałowi poddano roztwór pofermentacyjny zawierający 120 g/dm 3 erytrytolu, 3,0 g/dm 3 mannitolu, 1,7 g/dm 3 kwasów karboksylowych oraz 9 g/dm 3 soli nieorganicznych. Przez kolumnę o objętości 115 cm 3 przepuszczono 20 cm 3 80

81 mieszaniny z szybkością przestrzenną 1 h -1. W wyniku procesu chromatograficznego otrzymano oczyszczoną frakcję erytrytolu. 1,0 0,8 0,6 Sole nieorganiczne Kwasy Mannitol Erytrytol C/C 0 0,4 0,2 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 V/V B Rys. 26. Krzywe elucji substancji obecnych w brzeczce fermentacyjnej erytrytolu otrzymane na kationowymiennym złożu w formie H + (długość kolumny: 37 cm, wielkość ziarna: µm, szybkość przestrzenna: 1 h -1 ) Przeprowadzone badania nad chromatografią sorpcyjną umożliwiły dobór selektywnego złoża, które można zastosować w procesie oczyszczania polioli z roztworów fermentacyjnych. Metoda może znaleźć szczególnie zastosowanie w przypadku wydzielania polioli z brzeczek fermentacyjnych zawierających także inne związki niejonowe jak glicerol, butano-2,3-diol i mannitol. Uwzględniając otrzymane wyniki badań oraz skład brzeczek fermentacyjnych wyznaczono parametry modelu matematycznego kolumny chromatograficznej dla złoża w formie wodorowej Wyznaczenie parametrów modelu matematycznego procesu chromatograficznego dla złoża w formie H + i ich weryfikacja Symulację procesu chromatografii sorpcyjnej przeprowadzono dla roztworów propano-1,3-diolu i glicerolu przy zastosowaniu kationitu w formie H + o wielkości ziarna i µm (Rys. 27). Wyznaczono parametry modelu dynamiki kolumny 81

82 chromatograficznej, w tym wysokość równoważną półce teoretycznej, porowatość całkowitą, gęstość właściwą oraz izotermy sorpcji. Rys. 27. Ziarna kationowymiennego złoża polimerowego w formie suchej (skaningowy mikroskop elektronowy TM-3030, Hitachi) Porowatość całkowitą kolumny wyznaczono za pomocą pomiaru czasu retencji substancji niezatrzymywanej przez sorbent. Wodne roztwory kwasu siarkowego (VI) o stężeniu w zakresie 0,1-1% przepuszczono przez wypełnione złożem kolumny o objętości 5,8 i 7,7 cm 3. Uwzględniając objętość przewodów doprowadzających uzyskano czasy retencji dla danego natężenia przepływu fazy ruchomej. Na ich postawie obliczono wartości porowatości całkowitej zgodnie z zależnością przedstawioną w pracy (równanie (44)). Wartości średnie uzyskanych wyników przedstawiono w Tabeli 8. W celu wyznaczenia zastępczego współczynnika dyspersji wzdłużnej zastosowano zależność przedstawioną w pracy za pomocą równania (47). Zastępczy współczynnik dyspersji wzdłużnej wzrasta wraz ze spadkiem sprawności kolumny chromatograficznej. Współczynnik ten zależny jest również od prędkości liniowej fazy ruchomej, natomiast parametrem stałym dla danego układu sorbent-sorbat jest wartość wysokości równoważnej półce teoretycznej (;,<=). Sprawność kolumny może być różna dla różnych substancji, dlatego liczbę półek teoretycznych wyznaczono zarówno dla roztworów propano-1,3-diolu, jak i roztworów glicerolu. Na kolumny wypełnione złożem wprowadzano roztwory o stężeniu 10 g/dm 3, w ilości umożliwiającej uzyskanie symetrycznych pików. Dla obu związków uzyskano bardzo zbliżone wartości ;,<=, które zostały obliczone na podstawie wyznaczonej doświadczalnie liczbie półek teoretycznych. W rezultacie wyznaczono wartość średnią parametru ;,<=, wspólną dla propano-1,3-diolu i glicerolu (Tabela 8). 82

83 W pracy określono również gęstość właściwą złoża mokrego O ( zgodnie z równaniem: gdzie: * ( - masa złoża [kg], C ( - objętość sorbentu [m 3 ]. O ( = ~ ^~, (49) Kolumnę o znanej masie oraz objętości wypełniono badanym złożem. Uzyskane uśrednione wartości przedstawiono w Tabeli 8. Tabela 8. Wyznaczone doświadczalnie parametry modelu pracy kolumny chromatograficznej Parametr Złoże µm Złoże µm Porowatość całkowita L [-] 0,34±0,01 0,40±0,02 Wysokość równoważna półce teoretycznej ;,<= [cm] 0,22±0,02 0,44±0,01 Gęstość właściwa O ( [kg/m 3 ] 1,17±0,03 1,16±0,02 Symulacja procesu chromatograficznego wymaga wyznaczenia izotermy sorpcji dla danego układu. W tym celu przeprowadzono badania z wykorzystaniem statycznej metody wyznaczania równowagi sorpcyjnej, zgodnie z procedurą opisaną w Rozdziale 4. Roztwory propano-1,3-diolu i glicerolu oraz wodne mieszaniny obu tych związków wytrząsano ze złożem o objętości ok. 1 cm 3 w czasie 24 godzin. Ilość zasorbowanego propano-1,3-diolu i glicerolu wyznaczano na podstawie spadku stężenia roztworu po procesie sorpcji, wyznaczonego metodą HPLC. Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że wyniki otrzymane z zastosowaniem metody statycznej mogą być obarczone dużym błędem. Wynika to z formy mokrej stosowanego złoża. Warunki wyznaczania izotermy powinny być zbliżone do warunków prowadzonych rozdziałów substancji metodą chromatograficzną. W tym celu izotermy sorpcji wyznaczono dla złoża, które nie zostało poddane suszeniu, a więc spęczniałego wodą dejonizowaną. Dodatkowo, proces suszenia mógłby doprowadzić do częściowej degradacji złoża. Prowadzenie badań z zastosowaniem złoża mokrego stwarza trudności przy obliczaniu bilansu masowego procesu. Zawartość wody wpływa na masę ważonej próby badawczej oraz na wartość stężenia oznaczanych składników. Forma złoża 83

84 uniemożliwia precyzyjne odważenie próbki z powtarzalnym stopniem nasycenia złoża fazą ruchomą. Z tego powodu dalsze doświadczenia wykonano z zastosowaniem dynamicznej metody sorpcji-desorpcji zgodnie z procedurą opisaną w Rozdziale 4. W badaniach w zakresie symulacji pracy kolumny chromatograficznej wartości stężeń substancji wyrażono za pomocą stężenia molowego. W metodzie sorpcji-desorpcji na kolumnę wypełnioną złożem podaje się w sposób ciągły badany roztwór o znanym stężeniu. Proces prowadzi się do czasu ustalenia równowagi między fazą stacjonarną, a ruchomą. Wówczas stężenie na wlocie do kolumny jest jednocześnie stężeniem równowagowym w fazie ruchomej. Metoda wymaga uprzedniego ustalenia czasu kontaktu roztworu ze złożem. W tym celu wykonano badania wstępne z zastosowaniem wodnego roztworu propano-1,3-diolu o stężeniu 0,64 mol/dm 3. Przez kolumnę o objętości złoża 2,1 cm 3 przepuszczano 10 i 20 cm 3 roztworu w różnym czasie. Dodatkowo wykonano pomiar równowagi zwiększając dwukrotnie ilość dozowanego roztworu. Desorpcję prowadzono z zastosowaniem wody dejonizowanej, przy zachowaniu jednakowych wartości czasu procesu oraz ilość zastosowanego desorbenta jak podczas procesu sorpcji. Na podstawie uzyskanych wyników przedstawionych na Rys. 28, dobrano czas prowadzenia sorpcji (20 min) oraz ilość dozowanego na kolumnę roztworu (20 cm 3 ). 0,5 q* PD [mol/dm 3 ] 0,4 0,3 0,2 0,1 Serie μm, 10 cm μm, 20 cm Serie5 μm, 10 cm μm, 20 cm μm, 40 cm Czas [min] Rys. 28. Zależność równowagowego stężenia propano-1,3-diolu w fazie stacjonarnej od czasu sorpcji (temperatura otoczenia 21ºC) 84

85 Izotermy sorpcji wyznaczono dla roztworów jednoskładnikowych propano-1,3-diolu i glicerolu oraz dla mieszanin tych związków. Badania prowadzono w szerokim zakresie stężeń, natomiast współczynnik podziału procesu chromatograficznego (,! i, ) wyznaczono dla niskich wartości stężeń w zakresie 0,05-1,4 mol/dm 3, uzyskując odpowiednią liniowość zależności stężeń równowagowych. Dodatkowo, wybrany zakres niskich stężeń odpowiada wartościom uzyskiwanym dla brzeczek propano-1,3-diolu. W badaniach zastosowano kolumny z bezbarwnego tworzywa, umożliwiające dodatkową kontrolę procesu. Wraz ze wzrostem stężenia polioli w badanych roztworach zaobserwowano zwiększający się stopień zapowietrzania złoża, a w efekcie znaczną ilość błędnych pomiarów. W celu ich minimalizacji, w końcowym etapie procesu sorpcji zastosowano przepływ wsteczny eluatu. Sorpcję prowadzono na kolumnach wypełnionych złożem o objętości 2,1 cm 3. Badany roztwór (20 cm 3 ) przepuszczano przez kolumnę w czasie 20 min. Następnie przeprowadzono desorpcję wodą dejonizowaną. Dla roztworów o niskim stężeniu dobrano czas desorpcji równy 20 min. W przypadku roztworów o wyższych stężeniach, proces desorpcji prowadzono w dłuższym czasie, dzięki czemu uzyskano większe rozcieńczenie odbieranych eluatów oraz całkowity stopień desorpcji zatrzymanych składników. W pierwszym etapie wyznaczono jednoskładnikowe izotermy sorpcji dla złoża o wielkości ziarna µm (Rys. 29). Następnie badania prowadzono dla mieszanin dwuskładnikowych propano-1,3-diolu i glicerolu. q* PD, q* Gly [mol/dm 3 ] 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 y = 0,574x R² = 0,984 y = 0,371x R² = 0, ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 C* PD, C* Gly [mol/dm 3 ] Propano-1,3-diol Glicerol Rys. 29. Izotermy sorpcji propano-1,3-diolu i glicerolu wyznaczone dla roztworów jednoskładnikowych (złoże μm, temperatura otoczenia 21ºC) 85

86 Skład brzeczek fermentacyjnych zależy w dużym stopniu od warunków prowadzenia fermentacji i nie jest całkowicie powtarzalny. W rezultacie uzyskuje się brzeczki, w których zawartość propano-1,3-diolu i glicerolu jest zmienna. Z tego powodu badania wykonano dla trzech różnych stosunków stężeń propano-1,3-diol:glicerol (1:1, 2:1 i 4:1). q* PD [mol/dm 3 ] 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, C* PD [mol/dm 3 ] 1:1 2:1 4:1 Rys. 30. Izoterma sorpcji propano-1,3-diolu wyznaczona dla roztworów dwuskładnikowych o różnych stosunkach stężeń molowych propano-1,3-diol:glicerol (złoże μm, temperatura otoczenia 21ºC) q* Gly [mol/dm 3 ] 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, C* Gly [mol/dm 3 ] 1:1 2:1 4:1 Rys. 31. Izoterma sorpcji glicerolu wyznaczona dla roztworów dwuskładnikowych o różnych stosunkach stężeń molowych propano-1,3-diol:glicerol (złoże μm, temperatura otoczenia 21ºC) 86

87 Na Rys. 30 i 31 zestawiono wyniki, na podstawie których można pominąć wpływ różnicy stężeń obu związków na przebieg krzywej równowagi. W rezultacie wyznaczono współczynniki kierunkowe prostych dla krzywych złożonych z wyników pomiarów przeprowadzonych dla różnych stosunków stężeń (Rys. 32). Uzyskano współczynniki podziału procesu chromatograficznego,! i, dla układu dwuskładnikowego propano-1,3-diolu i glicerolu, odpowiednio 0,55 i 0,35. q* PD, q* Gly [mol/dm 3 ] 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 y = 0,353x R² = 0,951 y = 0,552x R² = 0, ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 C* PD, C* Gly [mol/dm 3 ] Propano-1,3-diol Glicerol Rys. 32. Izotermy sorpcji propano-1,3-diolu i glicerolu wyznaczone dla roztworów dwuskładnikowych o różnych stosunkach stężeń molowych propano-1,3-diol:glicerol (złoże μm, temperatura otoczenia 21ºC) Procedurę badawczą powtórzono dla złoża w formie wodorowej o wielkości ziarna μm. Wyznaczono izotermy sorpcji dla roztworów jednoskładnikowych, dla których współczynniki kierunkowe prostych propano-1,3-diolu i glicerolu w zakresie niskich stężeń roztworów wyniosły odpowiednio: 0,59 i 0,40. W kolejnym etapie przeprowadzono badania dla mieszanin dwuskładnikowych w zakresie różnych stosunków stężeń propano-1,3-diol:glicerol. Zgodnie z uzyskanymi wynikami dla złoża o drobniejszym ziarnie, zaobserwowano brak wpływu różnicy stosunku stężeń na przebieg izotermy sorpcji. W efekcie uzyskano wartości współczynników podziału procesu chromatograficznego odpowiednio dla propano-1,3-diolu i glicerolu (Rys. 33). 87

88 q* PD, q* Gly [mol/dm 3 ] 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 y = 0,343x R² = 0,989 y = 0,528x R² = 0, ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 C* PD, C* Gly [mol/dm 3 ] Propano-1,3-diol Glicerol Rys. 33. Izotermy sorpcji propano-1,3-diolu i glicerolu wyznaczone dla roztworów dwuskładnikowych o różnych stosunkach stężeń molowych propano-1,3-diol:glicerol (złoże μm, temperatura otoczenia 21ºC) Na podstawie przeprowadzonych badań doświadczalnych wyznaczono współczynniki równania izotermy sorpcji dla propano-1,3-diolu i glicerolu, które zestawiono w Tabeli 9. Tabela 9. Wyznaczone doświadczalnie parametry równań izotermy sorpcji dla propano-1,3-diolu i glicerolu na kationicie w formie wodorowej (temperatura otoczenia 21ºC) Równanie,! R 2, R 2 6 = 6 = Złoże µm 0,55 0,98 0,35 0,95 Złoże µm 0,53 0,99 0,34 0,99 W celu weryfikacji dobranego modelu matematycznego oraz poprawności wyznaczonych doświadczalnie stałych, porównano modelowe profile stężeń z krzywymi doświadczalnymi. Badania rozdziału propano-1,3-diolu od glicerolu dla zmiennych warunków wykonano na złożu o wielkości ziarna μm oraz μm. Następnie przeprowadzono symulacje pracy kolumny preparatywnej z zastosowaniem programu Kolumna Chromatograficzna v2.03 dla dobranych warunków rozdziału. Na Rys zestawiono uzyskane wyniki. 88

89 Stężenie [mol/dm 3 ] 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Czas [min] Propano-1,3-diol Glicerol Propano-1,3-diol Glicerol Rys. 34. Profile stężeń propano-1,3-diolu i glicerolu w eluacie na złożu w formie H + o wielkości ziarna μm (linie ciągłe- krzywe modelowe, znaczniki- dane doświadczalne). Warunki rozdziału: roztwór zasilający 0,74 mol/dm 3 propano-1,3-diol i 0,31 mol/ dm 3 glicerol, mieszanina dozowana w ilości 20 cm 3, kolumna o średnicy 1,8 cm i długości efektywnej 35 cm, natężenie przepływu 1,95 cm 3 /min (1,3 h -1 ) 0,6 Stężenie [mol/dm 3 ] 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Propano-1,3-diol Glicerol Propano-1,3-diol Glicerol 0, Czas [min] Rys. 35. Profile stężeń propano-1,3-diolu i glicerolu w eluacie na złożu w formie H + o wielkości ziarna μm (linie ciągłe- krzywe modelowe, znaczniki- dane doświadczalne). Warunki rozdziału: roztwór zasilający 0,53 mol/dm 3 propano-1,3-diol i 0,10 mol/ dm 3 glicerol, mieszanina dozowana w ilości 30 cm 3, kolumna o średnicy 1,8 cm i długości efektywnej 35 cm, natężenie przepływu 3,05 cm 3 /min (2,1 h -1 ) 89

90 Stężenie [mol/dm 3 ] 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Czas [min] Propano-1,3-diol Glicerol Propano-1,3-diol Glicerol Rys. 36. Profile stężeń propano-1,3-diolu i glicerolu w eluacie na złożu w formie H + o wielkości ziarna μm (linie ciągłe- krzywe modelowe, znaczniki- dane doświadczalne). Warunki rozdziału: roztwór zasilający 0,74 mol/dm 3 propano-1,3-diol i 0,31 mol/ dm 3 glicerol, mieszanina dozowana w ilości 20 cm 3, kolumna o średnicy 1,8 cm i długości efektywnej 35 cm, natężenie przepływu 1,98 cm 3 /min (1,3 h -1 ) 0,6 Stężenie [mol/dm 3 ] 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Propano-1,3-diol Glicerol Propano-1,3-diol Glicerol 0, Czas [min] Rys. 37. Profile stężeń propano-1,3-diolu i glicerolu w eluacie na złożu w formie H + o wielkości ziarna μm (linie ciągłe- krzywe modelowe, znaczniki- dane doświadczalne). Warunki rozdziału: roztwór zasilający 0,53 mol/dm 3 propano-1,3-diol i 0,10 mol/ dm 3 glicerol, mieszanina dozowana w ilości 30 cm 3, kolumna o średnicy 1,8 cm i długości efektywnej 35 cm, natężenie przepływu 3,08 cm 3 /min (2,1 h -1 ) 90

91 Przebieg krzywych modelowych jest bardzo zbliżony do danych doświadczalnych. Na podstawie kształtu uzyskanych pików można określić objętościowy charakter przeładowania kolumny. Zaproponowany model matematyczny może być zastosowany do symulacji pracy kolumny chromatograficznej rozpatrywanego układu Chromatografia wykluczania jonowego (ekskluzja jonów) Metodyka prowadzenia badań Rozdział związków metodą chromatografii sorpcyjnej wynika m.in. z różnicy siły oddziaływań hydrofilowo-hydrofobowych badanych związków z sorbentem. Metoda umożliwia selektywny rozdział związków niejonowych. Surowa brzeczka fermentacyjna zawiera dużą ilość soli nieorganicznych, w tym głównie soli sodowych. Ich obecność może powodować modyfikację złoża w wyniku zachodzącej wymiany jonowej. W celu odsolenia brzeczek fermentacyjnych zastosowano chromatografię wykluczania jonowego (ekskluzję jonów). Ekskluzja jonów jest procesem chromatograficznym, wykorzystującym efekt równowagi Donnana. Rozdział następuje w wyniku wykluczania elektrolitów (soli mineralnych i kwasów karboksylowych oraz ich soli), podczas gdy nieelektrolity dyfundują do wnętrza jonitu i są wymywane z opóźnieniem. W badaniach jako fazę ruchomą zastosowano wodę dejonizowaną, wartość szybkości przestrzennej mieściła się w zakresie 1-3 h -1. Jako fazę stacjonarną zastosowano kationit mocny, monosferyczny, żelowy w formie sodowej o wielkości ziarna 0,6 mm (typ Amberjet 1200Na lub Lewatit S1567). Badania prowadzono w kolumnach chromatograficznych wypełnionych kationitem, roztwór zasilający dozowano za pomocą pompy perystaltycznej, a skład frakcji odbieranych za pomocą kolektora frakcji oznaczano metodą HPLC. Dodatkowo proces kontrolowano poprzez bezpośredni pomiar przewodnictwa i refrakcji strumienia na wylocie z kolumny. Procesy chromatograficznego rozdziału prowadzono również w podwyższonej temperaturze, którą utrzymywano za pomocą termostatu. W pierwszym etapie badań, doświadczenia prowadzono z zastosowaniem modelowych roztworów wodnych, a następnie rozdziałowi poddawano brzeczki fermentacyjne. Na podstawie badań przeprowadzonych z zastosowaniem kolumny chromatograficznej o objętości efektywnej 530 cm 3 określono warunki umożliwiające uzyskanie wysokiego stopnia separacji soli. W kolejnym etapie badań zaprojektowano układ umożliwiający prowadzenie badań w skali wielkolaboratoryjnej, z zastosowaniem kolumny o objętości 10,5 dm 3 (Rys. 38), którego uproszczony schemat przedstawiono na Rys

92 Rys. 38. Stanowisko do odsalania mieszanin metodą ekskluzji jonów (kolumna chromatograficzna o objętości 10,5 dm 3 ) Rys. 39. Uproszczony schemat stanowiska do badań odsalania roztworów metodą ekskluzji jonów 92