PL 224627 B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 224627 (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: 408265 (22) Data zgłoszenia: 20.05.2014 (51) Int.Cl. C07C 29/76 (2006.01) C07C 31/20 (2006.01) C12P 7/18 (2006.01) B01D 61/02 (2006.01) B01D 61/36 (2006.01) (54) Sposób wydzielania i zatężania 1,3-propanodiolu otrzymywanego przez fermentację glicerolu i układ do wydzielania i zatężania 1,3-propanodiolu otrzymywanego przez fermentację glicerolu (43) Zgłoszenie ogłoszono: 23.11.2015 BUP 24/15 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 31.01.2017 WUP 01/17 (73) Uprawniony z patentu: ZACHODNIOPOMORSKI UNIWERSYTET TECHNOLOGICZNY W SZCZECINIE, Szczecin, PL (72) Twórca(y) wynalazku: MAREK GRYTA, Szczecin, PL JUSTYNA BASTRZYK, Radowo Małe, PL ANTONI WALDEMAR MORAWSKI, Szczecin, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Renata Zawadzka
2 PL 224 627 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób do wydzielania i zatężania 1,3-propanodiolu otrzymywanego przez fermentację glicerolu oraz układ do wydzielania i zatężania 1,3-propanodiolu otrzymywanego przez fermentację glicerolu z wykorzystaniem zintegrowanych procesów membranowych. Glicerol, odpad z produkcji biopaliw, jest atrakcyjnym surowcem do produkcji dioli, jak 1,butanodiol lub 1,3-propanodiol, metodą fermentacji. Bakterie wytwarzają z glicerolu różne związki chemiczne, dlatego otrzymaną po fermentacji mieszaninę należy poddać rozdziałowi. Obecnie do oczyszczania roztworów po fermentacji glicerolu proponuje się metody kilku stopniowe, które obejmują: oddzielenie mikroorganizmów (wirowanie, mikro- lub ultrafiltracja), wstępne odsolenie (nanofiltracja, elektrodioaliza), usunięcie reszty substancji jonowych jak sole i kwasy (wymiana jonowa) oraz destylacja (często próżniowa) uzyskanej mieszany organicznej. Takie rozwiązania zawierają patenty WO 01/25178 oraz WO 2004/101479. W patencie WO 2004/101479 do oczyszczania otrzymanego podczas fermentacji roztworu 1,3-propanodiolu zastosowano najpierw trójetapową filtrację (mikro-, a po niej ultrafiltrację i nanofiltrację), co pozwala uzyskać klarowny roztwór z częściowo usuniętymi jonami wielowartościowymi. Obecne w otrzymanym filtracie kwasy organiczne i pozostałe jonowe zanieczyszczenia oddzielono metodą wymiany jonowej. Tak oczyszczoną ciecz rozdestylowano metodą kilkukolumnowej destylacji, uzyskując jako jeden z destylatów czysty 1,3-propanodiol. Podobnie rozbudowany system oczyszczania zaprezentowano we wcześniejszym zgłoszeniu WO 01/25178. W tym przypadku po etapie mikrofiltracji (oddzielanie mikroorganizmów) zaproponowano selektywne wydzielanie bioproduktów za pomocą ich sorpcji na złożach zeolitowych sit molekularnych. Rozbudowany układ z ekstrakcją i destylacją reakcyjną opisano w pracy: Jian Hao, Feng Xu, Hongjuan Liu and Dehua Liu, Downstream processing of 1,3-propanediol fermentation broth, J. Chem Technol Biotechnol 81 (2006) 102 108. Przed procesem roztwór pofermentacyjny wstępnie oczyszczono metodą flokulacji, co pozwoliło usunąć białka. Zaletą tego rozwiązania jest wyeliminowanie etapu odsalania i odwadniania. Metoda wymaga jednak zastosowania dodatkowych związków chemicznych, oraz rozbudowanego układu do ekstrakcji i czterokolumnowej destylacji. Rozdestylowanie związków o podobnych temperaturach wrzenia można uzyskać stosując znaną destylację próżniową. Jednak i ten wariant, podobnie jak inne rodzaje destylacji, wymaga odsolenia rozdzielanych roztworów. Roztwory pofermentacyjne zawierają głównie wodę, stąd jej odparowanie wymaga dostarczenia dużych ilości energii. Z tego względu wstępne odwodnienie rozdzielanych roztworów umożliwia znacznie zmniejszyć koszty destylacji. W przypadku lotnych produktów można je selektywnie wydzielić stosując perwaporację (PV) oraz destylację membranową (MD). Przykłady zastosowania PV przedstawiono w patentach: US 5167825 oraz US 4960519. Z opisu patentowego PL 187 817 znany jest układ do fermentacji połączonej z procesem MD, którą zastosowano do ciągłego wydzielania etanolu z fermentującej brzeczki. Większość produktów fermentacji glicerolu ma wysokie temperatury wrzenia, co praktycznie eliminuje wykorzystanie procesów PV i MD do ich rozdziału. Proces MD można jednak korzystnie zastosować do odwadniania roztworów zawierających składniki cięższe od wody. W zgłoszeniu patentowym P.398748 przedstawiono w jaki sposób stosując mikrofiltrację (MF) i nanofiltrację (NF) z membraną NF270 oraz proces MD można wstępnie rozdzielić (odsolić) roztwór uzyskany podczas fermentacji glicerolu, a następnie usunąć z niego większość wody. Sposób wydzielania i zatężania roztworów 1,3-propanodiolu, według wynalazku, powstającego podczas fermentacji glicerolu z wykorzystaniem nanofiltracji, charakteryzuje się tym, że roztwór po fermentacji glicerolu rozdziela się trójstopniowo stosując proces nanofiltracji, odwróconej osmozy i destylacji membranowej, zatrzymując mikroorganizmy, związki koloidalne i większość soli oraz kwasów karboksylowych w procesie nanofiltracji. W procesie nanofiltracji stosuje się membrany przepuszczające 1,3-propanodiol i uformowane w kształcie rurek, a uzyskany permeat z procesu nanofiltracji rozdziela się w procesie odwróconej osmozy stosując membrany, dla których współczynnik zatrzymania 1,3-propanodiolu jest niższy od 50%, a współczynnik zatrzymania pozostałych składników roztworu powyżej 50%. Otrzymany permeat z procesu odwróconej osmozy zatęża się w procesie destylacji membranowej, z której otrzymany destylat zawraca się do roztworu zasilającego proces nanofiltracji, dodając go w takiej ilości, aby przyrost objętości nadawy nie przekroczył 35%. Układ do wydzielania i zatężania roztworów 1,3-propanodiolu powstającego podczas fermentacji glicerolu z wykorzystaniem nanofiltracji, charakteryzuje się tym, że ma instalację nanofiltracji wypo-
PL 224 627 B1 3 sażoną w membrany uformowane w kształcie rurek, której wylot filtratu połączony jest z wlotem instalacji odwróconej osmozy. Wylot permeatu instalacji odwróconej osmozy połączony jest z wlotem instalacji do destylacji membranowej. Instalacja odwróconej osmozy wyposażona jest w membrany, które zatrzymują poniżej 50% 1,3 propanodiolu, a powyżej 50% pozostałych składników roztworu. Instalacje nanofiltracji i odwróconej osmozy wyposażone są w zbiorniki koncentratu, zaś instalacja destylacji membranowej wyposażona jest w zbiornik destylatu połączony dodatkowo obiegiem nadawy instalacji nanofiltracji. Brzeczki fermentacyjne zawierają znaczne ilości biomasy, a to powoduje, że po kilku minutach filtracji wydajność MF zmniejsza się o ponad 90%. Ponadto stwierdzono, że proces MF nie zatrzymuje w 100% bakterii, co umożliwia ich rozwój w spiralnym module z membraną NF270. Podczas długotrwałej eksploatacji modułu MD stwierdzono także, że membrany w procesie MD ulegają zabrudzeniu. Problemy te wyeliminowano w nowym rozwiązaniu, w którym rurowe moduły NF zastąpiły proces MF oraz trudny w eksploatacji moduł spiralny, a zastosowanie separacji permeatu NF w procesie odwróconej osmozy (RO), z odpowiednio dobraną membraną, pozwoliło wyeliminować zanieczyszczenie membran w procesie MD oraz znacznie zwiększyć stężenie i czystość otrzymywanego koncentratu 1,3-propanodiolu. Zaletą proponowanego rozwiązania jest wstępne zatężenie roztworu w procesie RO, co pozwala uzyskać znaczne oszczędności energii zużywanej na odparowanie wody. Sposób i układ według wynalazku objaśniono w przykładach wykonania, a układ według wynalazku przedstawiono schematycznie na rysunku. P r z y k ł a d 1 Roztwór do badań separacji membranowych uzyskano fermentując glicerol z użyciem bakterii Citrobacter freundii w bioreaktorze firmy Biotron (Korea). Roztwór do fermentacji (brzeczkę) przygotowano ze sterylnej wody demineralizowanej, do której dodano glicerol (20 kg/m 3 ) oraz w [kg/m 3 ]: 3,4 K 2 H ; 1,3 KH 2 ; 2 ( ) 2 ; 0,4 Mg 7H 2 O; 0,01 CaCl 2 2H 2 O; 0,004 CoCl 2 6H 2 O; 2,5 peptonu K; 2,0 ekstraktu drożdżowego i 1,5 mięsnego. Brzeczkę zaszczepiono dodając 5% objętościowych inakulatu, uzyskanego po 24 h hodowli bakterii na podłożu MRS (50 kg/m 3 ). Fermentację glicerolu prowadzono przez 2 dni w temperaturze 308K. Skład roztworów badano stosując chromatograf HPLC UlitiMate 3000 (Dionex, USA) z detektorem refraktometrycznym Rl-101 (Shodex) i kolumną HyperREZ XP H (Thermo Scientific, USA), przez którą przepływał roztwór H 2 (0,005 M) z prędkością 0,6 ml/min. Do oznaczania soli zastosowano chromatograf jonowy 850 Professional IC. Fermentacje glicerolu powtórzono kilkakrotnie, a uzyskane roztwory pofermentacyjne połączono uzyskując 45 litrów roztworu, który następnie rozdzielono stosując instalację pilotową firmy PCI z modułem przemysłowym B1 wyposażonym w membrany rurkowe AFC30 do procesu NF. Ciśnienie na wlocie do modułu wynosiło 2,0 MPa. Mętność otrzymanego filtratu wynosiła 0,1 NTU (mętnościomierz Hach, USA). W tabeli 1 przedstawiono średni skład nadawy i permeatu uzyskiwanego w procesie NF z membraną AFC30. Podczas procesu nanofiltracji objętość nadawy zmniejszono około dziesięciu razy. W tabeli 1 przedstawiono rozdział w procesie nanofiltracji. T a b e l a 1 Związek Nadawa kg/m 3 Permeat kg/m 3 Stopień zatrzymania [%] 1 2 3 4 Kwas mrówkowy 0,49 0,25 49,0 Kwas mlekowy 4,75 0,97 79,6 Kwas octowy 2,33 1,02 56,2 Kwas bursztynowy 1,64 0,05 97 Kwas masłowy 0,33 0,06 82 glicerol 6,78 5,14 24,2 1,3 PD 8,33 7,35 11,8 Mg 2 0,08 0,001 98 3 3,21 0,2 94 4,59 0,67 85,4 Cl - 0,15 0,12 20
4 PL 224 627 B1 cd. tabeli 1 1 2 3 4 Na 3,74 0,98 73,8 K 3,51 0,99 71,8 0,88 0,26 70,5 Mętność [NTU] 1670 0,1 - Permeatem otrzymanym z procesu NF zasilono instalację PCI z membranami do odwróconej osmozy BW30, które zatrzymują poniżej 50% 1,3-propanodiolu, a powyżej 50% pozostałych składników roztworu. Roztwór rozdzielono uzyskując około 7 litrów koncentratu. Skład koncentratu i permeatu w procesie RO oraz uzyskane stopnie zatrzymania poszczególnych składników przedstawi o- no w tabeli 2. T a b e l a 2 Związek Koncentrat kg/m 3 Permeat kg/m 3 Stopień zatrzymania [%] Kwas mrówkowy 0,99 0,23 76,7 Kwas mlekowy 2,79 0,17 93,9 Kwas octowy 2,41 0,41 83 Kwas bursztynowy 0,25 0,01 96 Kwas masłowy 0,18-100 glicerol 10,5 2,06 80,4 1,3 PD 11,6 6,67 42,5 Mg 2 0,01-100 3 0,36 0,008 97,8 1,38 0,029 97,9 Cl - 0,18 0,016 91,1 Na 1,72 0,13 92,4 K 1,65 0,16 90,3 0,42 0,064 84,7 Otrzymany permeat RO zatężono w procesie destylacji membranowej. Instalację membranową do destylacji membranowej (MD) wykonano z polipropylenowych 18 kapilarnych membran Accurel PP S6/2 o średnicy porów 0,22 mikrometra i długości 0,23 m. Membrany zamontowano w obudowie rurowej o średnicy 0,018 m. Wlot i wylot z kapilar podłączono do termostatowanego obiegu nadawy (350K), a wlot i wylot z przestrzeni pomiędzy kapilarami, którą przepływał chłodzony destylat (293K), podłączono do zbiornika destylatu. Obieg destylatu w chwili startowej napełniono niewielką ilością wody destylowanej. Obieg nadawy napełniono permeatem uzyskanym z instalacji RO (tabela 2) i przeprowadzono zatężanie procesem MD. W tabeli 3 przedstawiono skład koncentratu i destylatu uzyskanego podczas procesu MD. T a b e l a 3 Związek Koncentrat kg/m 3 Destylat kg/m 3 1 2 3 Kwas mrówkowy 12,93 - Kwas mlekowy 6,21 - Kwas octowy 11,67 0,4 Kwas masłowy 0,44 -
PL 224 627 B1 5 1 2 3 glicerol 86,3-1,3 PD 201,2 0,25 Mg 2 0,036-3 1,48-4,01 - Cl - 1,98 - Na 9,75 - K 10,07-1,3 - cd. tabeli 3 P r z y k ł a d 2 Zastosowano koncentrat NF uzyskany w przykładzie 1. Przeprowadzono rozdział tego roztworu membranami AFC30 jak w przykładzie 1. Następnie do koncentratu NF dodano destylatu z MD (uzyskanego w przykładzie 1) zwiększając jego objętość o 35% i powtórzono proces NF. Rozdział w procesie nanofiltracji i porównanie uzyskanych wyników separacji przedstawiono w tabeli 4. T a b e l a 4 Związek Koncentrat kg/m 3 Stopień zatrzymania [%] koncentrat rozcieńczony Kwas mrówkowy 0,2-20 50,0 Kwas mlekowy 6,93 66 80 Kwas octowy 2,85 39 60 Kwas bursztynowy 2,85 96 97 Kwas masłowy 0,35 47 83 glicerol 6,33 7 25 1,3 PD 8,52 6 12 Mg 2 0,13 90 93 3 6,1 93 94 7,62 79 85 Cl - 0,1-25 2 Na 5,4 69 73 K 5,6 69 72 1,5 71 71 Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób wydzielania i zatężania roztworów 1,3-propanodiolu powstającego podczas fermentacji glicerolu z wykorzystaniem nanofiltracji, znamienny tym, że roztwór po fermentacji glicerolu rozdziela się trójstopniowo stosując proces nanofiltracji, odwróconej osmozy i destylacji membranowej, zatrzymując mikroorganizmy, związki koloidalne i większość soli oraz kwasów karboksylowych w procesie nanofiltracji, w której stosuje się membrany przepuszczające 1,3-propanodiol i uformowane w kształcie rurek, a uzyskany permeat z procesu nanofiltracji rozdziela się w procesie odwróconej osmozy stosując membrany, dla których współczynnik zatrzymania 1,3-propanodiolu jest niższy
6 PL 224 627 B1 od 50%, a współczynnik zatrzymania pozostałych składników roztworu powyżej 50%, zaś otrzymany permeat z procesu odwróconej osmozy zatęża się w procesie destylacji membranowej, z której otrzymany destylat zawraca się do roztworu zasilającego proces nanofiltracji, dodając go w takiej ilości, aby przyrost objętości nadawy nie przekroczył 35%. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w procesie destylacji membranowej stosuje się kapilarne membrany polipropylenowe o rozmiarze porów 0,2 mikrometra. 3. Układ do wydzielania i zatężania roztworów 1,3-propanodiolu powstającego podczas fermentacji glicerolu z wykorzystaniem nanofiltracji, znamienny tym, że ma instalację nanofiltracji (1) wyposażoną w membrany uformowane w kształcie rurek, której wylot filtratu połączony jest z wlotem instalacji odwróconej osmozy (2), a wylot permeatu instalacji odwróconej osmozy (2) połączony jest z wlotem instalacji do destylacji membranowej (3), przy czym instalacja odwróconej osmozy (2) wyposażona jest w membrany, które zatrzymują poniżej 50% 1,3-propanodiolu, a powyżej 50% pozostałych składników roztworu, zaś instalacje nanofiltracji (1) i odwróconej osmozy (2) wyposażone są w zbiorniki koncentratu (4) i (5), zaś instalacja destylacji membranowej (3) wyposażona jest w zbiornik destylatu (6) połączony dodatkowo z obiegiem nadawy instalacji nanofiltracji (1). Rysunek Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)