PL228525B1 - Sposób otrzymywania biopolimeru z serwatki odpadowej kwaśnej i/lub słodkiej podpuszczkowej oraz instalacja do otrzymywania biopolimeru z serwatki odpadowej kwaśnej i/lub słodkiej podpuszczkowej - Google Patents

Description

(12)OPIS PATENTOWY ₍i₉₎PL ₍n)228525 (13) B1 (51) Int.CI.

(21) Numer zgłoszenia: 414120 _A23C 21/00 (2006.01)

B01D 61/58 (2006.01) C12P 7/56 (2006.01) (22) Data zgłoszenia: 23.09.2015 ^{C07C 51/42} (2006.01)

C07C 59/08 (2006.01)

Sposób otrzymywania biopolimeru z serwatki odpadowej kwaśnej (54) i/lub słodkiej podpuszczkowej oraz instalacja do otrzymywania biopolimeru z serwatki odpadowej kwaśnej i/lub słodkiej podpuszczkowej (73) Uprawniony z patentu:

CENTRUM BADAWCZO-ROZWOJOWE GLOKOR SPÓŁKA Z OGRANICZONĄ ODPOWIEDZIALNOŚCIĄ, Gliwice, PL (43) Zgłoszenie ogłoszono:

27.03.2017 BUP 07/17 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono:

30.04.2018 WUP 04/18 (72) Twórca(y) wynalazku:

SŁAWOMIR MAŚLANKA, Czechowice-Dziedzice, PL EWELINA JANINA KURASZ, Katowice, PL VADIM BELYAVSKIY, Katowice, PL (74) Pełnomocnik:

rzecz, pat. Joanna Pawlik m

CM m

co

CM

CM

Ω.

PL 228 525 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania biopolimeru z serwatki odpadowej kwaśnej i/lub słodkiej podpuszczkowej oraz instalacja do realizacji sposobu, wykorzystywana w zakładach mleczarskich, gdzie surowcem jest serwatka uzyskiwana w procesach wyrobów serów, dojrzewających preparatów białkowych lub twarogów kwasowo-podpuszczkowych. Uzyskiwane w procesach przetwarzania mleczanów i kwasu mlekowego formy polimerów, zdeterminowane użytym w procesie polimeryzacji katalizatorem, stanowią składniki wykorzystywane w przemyśle spożywczym, przykładowo do wyrobu biodegradowalnych opakowań, w przemyśle kosmetycznym, do produkcji mydeł i kremów oraz przemyśle farmaceutycznym i medycznym, przykładowo jako składnik nici chirurgicznych. Natomiast sama zdemineralizowa na słodka serwatka, otrzymywana na etapie elektrodializy sposobu, według wynalazku, stanowi główny składnik produktów dla dzieci i dietetycznych produktów spożywczych, zwłaszcza mleka i mleka przetworzonego, używanego w przemyśle cukierniczo-czekoladowym.

Znane są liczne sposoby otrzymywania polimerów z serwatki, polegające przede wszystkim na fermentacji serwatki z wydzieleniem kwasu mlekowego, a następnie jego polimeryzacji.

W znanych dotychczas sposobach wydzielania kwasu mlekowego z serwatki, procesy prowadzi się na drodze krystalizacji mleczanów wapnia lub mleczanów cynku. W tym celu spasteryzowaną i zneutralizowaną serwatkę ochładza się do temperatury 45°C i zadaje się kulturą bakterii fermentacji mlekowej, w ilości 3-4%. Następnie przy ciągłym mieszaniu prowadzi się fermentację laktozy obecnej w serwatce, w czasie 70-90 godzin. Po zakończeniu fermentacji laktozy, do przefermentowanej serwatki dodaje się w lekkim nadmiarze węglan wapniowy, całość podgrzewa się do temperatury 85-90°C i przy ciągłym mieszaniu, otrzymany roztwór przetrzymuje się przez około 2 godziny. Następnie zawartość kadzi pozostawia się w spokoju około godziny i w tym czasie następuje koagulacja białek. Osad oddziela się od roztworu w temperaturze 80-98°C, dodając 5-8% siarczanu cynkowego, przy czym roztwór utrzymuje się w tej temperaturze przez dwie godziny przy ciągłym mieszaniu, po czym pozostawia się go do uspokojenia przez kolejną godzinę, w celu dalszego osadzania się części stałych, które oddziela się przez ponowne wirowanie. Odw irowany gorący roztwór mleczanu cynkowego oziębia się przy ciągłym mieszaniu do około 10°C i pozostawia na 48 godzin, w celu wykrystalizowania mleczanu cynkowego. Odwirowany mleczan cynku i rozpuszczony w ilości gorącej wody, podaje się na kolumny wypełnio ne kationitem, celem uwolnienia kwasu mlekowego z mleczanu cynku. U wylotu kolumny otrzymuje się rozcieńczony kwas mlekowy, który następnie jest zagęszczany w wyparce próżniowej oraz polimeryzowany.

Znany jest przykładowo z polskiego opisu patentowego nr P L-86492 sposób wytwarzania kwasu mlekowego z serwatki, zgodnie z którym wytwarzany w czasie fermentacji laktozy kwas mlekowy przeprowadza się w formę mleczanu amonu przez dodatek roztworu wodorotlenku amonu. Dozowanie wodorotlenku amonu do fermentera następuje przy użyciu pompy sprzężonej z pH-statem, co pozwala utrzymać pH podłoża na stałym poziomie. Przefermentowany roztwór podgrzewa się w przepływie do temperatury 85-90°C, po czym stężone białka i sole oddziela się od podłoża na samooczyszczających się wirówkach. Odwirowane podłoże schładza się do temperatury 45-50°C i podaje się na kolumny wypełnione kationowymi wymieniaczami jonowymi, celem uwolnienia kwasu mlekowego z mleczanu amonu. Otrzymany w procesie kwas mlekowy jest bazą do otrzymywania polimerów.

Znany jest również z polskiego patentu nr PL-97210 sposób wytwarzania kwasu mlekowego, polegający na tym że przefermentowaną serwatkę o temperaturze 60°C, zawierającą głównie mleczan wapnia, niedofermentowany cukier, niewykorzystaną pożywkę azotową i bak terie kwasu mlekowego, poddaje się wirowaniu na wirówkach, celem oddzielenia bakterii kwasu mlekowego i pozostałych nierozpuszczalnych części stałych. Odwirowany roztwór, który zawiera oczyszczony mleczan wapnia, traktuje się kwasem siarkowym, celem uzyska nia kwasu mlekowego. Otrzymany kwas mlekowy pozbawiony zanieczyszczeń poddaje się dalszej obróbce na filtrach obrotowych i zamyka na okres 10 godzin do ustabilizowania.

Znane w technice są również sposoby otrzymywania kwasu mlekowego w procesach fermentacji i ekstrakcji. Przykładem tych procesów jest patent europejski nr EP-1025254, w którym ekstrahentem jest kwas siarkowy lub kwas fosforowy. W patencie nr PL/EP 2195441, sposób otrzymywania kwasu mlekowego drogą fermentacji i ekstrakcji, prowadzi na mleczan ie amonu z dodatkiem alkilowanych amin, celem obniżenia pH roztworu poniżej kwasu mlekowego. W patencie światowym

PL 228 525 B1 nr WO 95/24496, proces ekstrakcji przebiega z użyciem tria Ikiloamin, w obecności dwutlenku węgla.

Znane są również sposoby wytwarzania kwasu mlekowego, będącego surowcem dla polimerów, polegające na demineralizacji słodkiej serwatki, metodą elektrodializy i wymiany jonów. Przy elektrodializie, zjonizowane sole w roztworze serwatki migrują pod wpływem pola elektrycznego przez membrany, które są selektywne przepuszczalne dla kationów i dla anionów i są eliminowane w postaci solanki. Przy wymianie jonowej, jest wykorzystywane równoważenie jonowe pomiędzy żywicą, jako fazą stałą i serwatką przeznaczoną do demineralizacji, jako fazą ciekłą, przy czym jony adsorbowane są na żywicy, podczas fazy nasycenia, a następnie żywice podlegają regeneracji. Proces ten opisuje patent amerykański nr US-4803089.

Elektrodejonizacja serwatki jest również przedmiotem patentów amerykańskich nr US 4632745 i US-5120416, w których procesy dejonizacji prowadzi się w sposób ciągły, przez obróbkę wodną, poprzez łączenie elektrodializy i wymiany jonowej w pojedynczym module. Technologia ta polega na spowodowaniu krążenia wody przeznaczonej do demineralizacji przez zespół ogniw ograniczonych równolegle przez kationowe i anionowe półprzepuszczalne membrany i zawierających mieszaninę złoża żywicy, określanych, jako przedziały rozcieńczenia, przy czym te przedziały są oddzielone od siebie, a ich zespół jest oddzielony od zewnątrz przez dystansowniki, tworząc przedziały zagęszczania. Przedziały te ograniczone są anionowymi i kationowymi półprzepuszczalnymi membranami, zaś całkowity zespół umieszczony jest pomiędzy przedziałem katodowym i anodowym, podłączonym do źródła elektrycznego. Przez przestrzenie zagęszczania, powoduje się krążenie wody płuczącej, co umożliwia eliminowanie „ucieczki” jonów, które zagęszczają się w wyniku ich biegunowości, poprzez migrowanie przez membranę, pod wpływem pola elektrycznego, z przedziałów rozcieńczania do przedziałów zagęszczania. Natomiast przy elektrodializie, grudki żywicy naładowane adsorbowanymi jonami, utrzymują wystarczającą przewodność elektryczną w przedziałach rozcieńczania, w trakcie procesu demineralizacji. W procesie, według patentu nr US 5120416, grudki żywicy są ruchome i wprowadzane do przedziału rozcieńczania i do odciągnięcia ich z tych przedziałów, poprzez krążenie w postaci zawiesiny.

Znany jest przykładowo z polskiego patentu nr PL-187893, sposób demineralizacji słodkiej serwatki, polegający na elektrodejonizacji prowadzonej z zastosowaniem urządzenia zawierającego przedział rozcieńczający, w którym znajduje się złoże żywicy wymiany jonów, umieszczone pomiędzy membraną przepuszczalną dla kationów i membraną przepuszczalną dla anionów, odpowiednie przedziały stężania kationów i anionów oraz elektrody do wytwarzania pola elektrycznego. Serwatkę przepuszcza się przez złoże wymiany jonów, zawarte w przedziale rozcieńczającym, po czym kationy kierowane są poprzez membranę przepuszczalną dla kationów do przedziału stężania kationów. Natomiast aniony z przedziału rozcieńczającego, poprzez membranę przepuszczalną dla anionów, kierowane są z przedziału rozcieńczającego do przedziału stężania anionów, za pomocą pola elektrycznego, wytwarzanego przez elektrody. W przedziale rozcieńczającym stosuje się złoże żywicy, zawierające żywicę silnie kationowymienną, zaś w każdym przedziale stężania stosuje się mieszaninę żywicy kationowymiennej i słabo anionowymiennej. Układ złoża w przedziałach stężania jest mieszany lub warstwowy, przy proporcji wagowej żywicy silnie kationowymiennej do żywicy słabo anionowymiennej, w przedziałach 30-40% żywicy kationowej do 70-60% żywicy anionowej. Wartość pH roztworu obecnego w przedziałach stężania jest nie większa niż 5. Jako żywicę stosuje się dowolny materiał wykorzystywany w wymianie jonowej, przykładowo ma krosiatkowy, w postaci żelu lub w postaci mikroporowatej.

Inny przykład sposobu i instalacji do oczyszczania ścieków mleczarskich, w tym serwatki, prezentuje patent światowy nr WO 95/33696, w którym odpady poprodukcyjne z mleczarń, poddaje się wstępnej obróbce oczyszczania, fermentacji serwatki do kwasu mlekowego, a następnie kwas mlekowy z mleczanami, jego solami i mleczanami anionów, w zależności od wartości pH, poddaje się procesowi dwubiegunowej elektrodializy. W metodzie tej stosuje się membrany mikrof iltracyjne, zabudowane w modułach ceramicznych, mających postać rur wielokanałowych o średnicy porów około 0,2 mikrona. W metodzie tej wykorzystano również żywicę jonowymienną, co obniża stężenia wapnia w roztworze pofermentacyjnym, do poziomu 5 ppm. Na me mbranach elektrodializy wytrąca się osad w postaci wodorotlenku wapnia. Sposób według wynalazku nr WO 95/33696 jest procesem zamkniętym, z zawracającym do komory filtracyjnej regeneratem.

Przykładem wytwarzania kwasu mlekowego w obecności soli wapniowej jest również patent europejski nr EP-2374895, w którym sposób wytwarzania kwasu mlekowego i kwasu polimlekowego

PL 228 525 B1 prowadzi w trzech etapach - fermentacji ciągłej przy równoczesnym zachowaniu i recyrkulacji pożywki hodowlanej; filtrowania na membranie do nanofi Itracji oraz destylacji prowadzonej w kolumnie, pod ciśnieniem nie mniejszym niż 1 Pa i w temperaturze nie niższej niż 25°C. Istotą sposobu według wynalazku nr EP-2374895 jest membranowa neutralizacja siarczanu magnezu i kwasu cytrynowego, przy uzyskaniu zwiększania szybkości przenikania na membranie siarczanu magnezu, w stosunku do kwasu cytrynowego na poziomie 3 : 1. Kwas mlekowy poddaje procesowi polimeryzacji, celem uzyskania biopolimeru.

Wadą znanych procesów wytwarzania kwasu mlekowego oraz jego neutr alizacji jest ich stosunkowo długi czas trwania, niejednokrotnie przekraczający cykl 24 godzinny. Stosowany w znanych metodach wytwarzania kwasu mlekowego, kwas siarkowy, słabo rozszczepia i neutralizuje mleczan wapnia, uzyskany w procesie fermentacji serw atki poodpadowej. Ponadto, znane urządzenia do wytwarzania zatężonego kwasu mlekowego, stanowiącego bazę do polimeryzacji, niejednokrotnie cechuje tendencja do oblepiania materiałów filtracyjnych masą bakteryjną, wywołującą zmiany organoleptyczne w gotowym wyrobie. Zmiany te są następstwem reakcji chemicznych z aminokwasami, pochodzącymi z pożywki azotowej oraz z rozkładu bakterii kwasu mlekowego. Natomiast znane sposoby obróbki kwasu mlekowego realizowane techniką membranową są procesami energochłonnymi i wymagającymi dużej ilości wody, ponieważ procesy te przebiegają przy dużej ilości reagujących substancji chemicznych. Stosowane obecnie technologie wraz z modułami instalacyjnymi są skomplikowane i kosztowne.

Sposób otrzymywania biopolimeru z serwatki odpadowej kwaśnej i/lub słodkiej podpuszczkowej, polegający na filtracji i oczyszczaniu serwatki z białek i zanieczyszczeń, poddaniu serwatki procesowi fermentacji do kwasu mlekowego z udziałem NaOH i dalszej neutralizacji w obecności NaOH otrzymanego kwasu m lekowego do mleczanu sodu, a następnie membranowej demineralizacji w procesie elektrodejonizacji i poddaniu roztworu kwasu mlekowego zagęszczaniu oraz polimeryzacji katalitycznej, według wynalazku, charakteryzuje się tym, że zneutralizowany w procesie fermentacji do pH 7 roztwór mleczanu sodu poddaje się wodnej elektrodializie jonowej w tetramembranowej komorze, podzielonej celami, w której aniony mleczanowe w połączeniu z kationami wodorowymi tworzą rozcieńczony czysty kwas mlekowy, a kationy sodu w połącz eniu z anionami wodorotlenkowymi tworzą wodorotlenek sodu. Następnie, zgromadzony w celi komory elektrodializy rozcieńczony czysty kwas mlekowy poddaje się procesowi zatężania w hydrofobowym, membranowym module destylacyjnym z zanurzonymi w jego skrajnych komorach ogniwami Peltiera, na których cyrkulująca w komorach woda oraz roztwór kwasu mlekowego cyklicznie podgrzewa się i schładza. Odpowiednio do fazy grzania i chłodzenia, równocześnie na hydrofobowej membranie, następuje dyfuzja cząsteczek pary wodnej oraz skroplenie destylatu. Powstałą w komorze destylacyjnej modułu wodę usuwa się, po czym czysty zatężony kwas mlekowy kieruje się do sekcji polimeryzacji, gdzie w znanym procesie katalitycznym ulega polimeryzacji do fazy biopolimeru.

Instalacja do otrzymywania biopolimeru z serwatki odpadowej kwaśnej i/lub słodkiej podpuszczkowej zbudowana z sekcji filtracji, fermentacji, membranowego modułu demineralizacji z równoczesnym zagęszczaniem roztworu oraz sekcji polimeryzacji, oczyszczania i sekcji próżniowej, według wynalazku charakteryzuje się tym, że za sekcją fermentacji znajduje się tetramembranowa komora elektrodializy jonowej, składająca się z dwóch skrajnych elektrod węglowych, kationowej i anionowej oraz z pięciu cel, rozdzielonych polarnymi membranami jonowymiennymi. Boczne cele komory wypełnione są wodą. Za komorą elektrodializy znajduje się moduł destylacji membranowej, składający się z czterech komór oddzielonych naprzemiennie metalowymi płytami z ogniwem Peltiera oraz hydrofobowej paroprzepuszczal nej membrany. Pomiędzy płytami metalowymi skrajnych komór znajduje się ogniwo Peltiera, a pomiędzy środkowymi komorami osadzona jest hydrofobowa, paroprzepuszczalna membrana. Przy czym powierzchnie elektrod węglowych i polarnych membran komory elektrodializy są równe, a płyty metalowe komór w module destylacyjnym pokryte są warstwą kwasoodporną, korzystnie PTFE.

Sposób otrzymywania biopolimeru z serwatki odpadowej kwaśnej i/lub słodkiej podpuszczkowej oraz instalacja do realizacji sposobu, według wynalazku pozwala na kilkukrotne skrócenie czasu neutralizacji i zagęszczania kwasu mlekowego, otrzymanego w procesie obróbki serwatki, będącej produktem ubocznym w produkcji wyrobów mleczarskich. Stosowana metoda pozwala na pominięcie krystalizacji, która uniemożli wia wydzielenie kwasu mlekowego. Neutralizowanie kwasu mlekowego następuje w równoczesnym procesie wytwarzania mleczanu sodu, bezpośrednio z mlePL 228 525 B1 czanu, na kationowych wymiennikach jonowych. Otrzymany w procesie kwas mlekowy jest w czystej postaci bez niebezpiecznych dla zdrowia trujących związków mlecznych, przykładowo cynku, jako formy przejściowej. Prowadzony proces otrzymywania biopolimeru z serwatki odpadowej kwaśnej i/lub słodkiej podpuszczkowej w instalacji, według wynalazku, jest technologią prostą, r ealizowaną przy małym poborze energii i jest procesem nie wymagającym dużych ciśnień w modułach dializy elektrojonowej oraz destylacji membranowej. Zastosowana w linii technologicznej, membranowa komora elektrodializy jonowej oraz membranowy moduł destylacji kwasu mlekowego, skutecznie separuje oraz zatęża kwas mlekowy do jego czystej postaci, dając nieograniczone możliwości jego wykorzystania, nawet w przemyśle farmaceutycznym, w zależności od dalszego procesu katalitycznej polimeryzacji.

Sposób otrzymywania biopolimeru z serwatki odpadowej kwaśnej i/lub słodkiej podpuszczkowej oraz instalację otrzymywania biopolimeru z serwatki odpadowej kwaśnej i/lub słodkiej podpuszczkowej, według wynalazku, uwidoczniono w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy instalacji, realizujący proces, fig. 2 - komorę elektrodializy jonowej, w przekroju, natomiast fig. 3 przedstawia membranowy moduł destylacji, w przekroju.

Serwatka ze stacji odbioru 1 jest dostarczana do sekcji filtracji 2, gdzie jest oczyszczana z białek i zanieczyszczeń mechanicznych. Oczyszczona serwatka następnie jest kierowana do sekcji fermentacji 3, gdzie w procesie fermentacji wytwarzany jest kwas mlekowy. Temperatura procesu fermentacji utrzymywana jest w przedziale od 37 do 38°C. Powstający kwas mlekowy obniża poziom pH płynu fermentacyjnego. Aby utrzymać pH na poziomie 5, okresowo dodawany jest roztwór NaOH. Po zakończeniu fermentacji, kwas mlekowy jest przetwarzany w mleczan sodu, w reakcji neutralizacji, poprzez dodawanie roztworu NaOH, aż do otrzymania pH 7. Następnie roztwór trafia do komory elektrodializy jonowej 4, w której uzyskany w procesie fermentacji zneutralizowany do pH 7 roztwór mleczanu sodu poddaje się elektrodializie jonowej, w wyniku czego otrzymyw any jest rozcieńczony czysty roztwór kwasu mlekowego oraz wodorotlenek sodu. Następnie, rozcieńczony czysty kwas mlekowy poddaje się procesowi zatężania w hydrofobowym, membranowym module destylacyjnym 5, z zanurzonymi w jego skrajnych komorach ogniwami Peltiera 17, na których cyrkulująca w komorach 15a, 15b, 15c, 15d woda oraz roztwór kwasu mlekowego cyklicznie podgrzewa się i schładza. Odpowiednio do fazy grzania i chłodzenia, równocześnie na hydrofobowej membranie 18, następuje dyfuzja cząsteczek pary wodnej oraz skroplenie destylatu. Powstałą w komorze destylacyjnej modułu 5 wodę usuwa się, po czym czysty zatężony kwas mlekowy kieruje się do sekcji polimeryzacji 6, gdzie w znanym procesie katalitycznym, w temperaturze 200°C ulega polimeryzacji do fazy biopolimeru. Katalizatorem w procesie polimeryzacji jest związek Sn(Oct) 2 zaakceptowany przez Federalny Urząd Kontroli Jakości Żywności i Leków (FDA), jako dodatek do produktów spożywczych. Zastosowanie tego katalizatora wraz z trifenylofosfiną sprzyja szybs zemu procesowi polimeryzacji, a także uzyskaniu biopolimeru o dużym ciężarze cząsteczkowym i wąskim jego rozkładzie. Za sekcją polimeryzacji 6 znajduje się sekcja próżniowa 8 zapewniająca podciśnienie, konieczne w procesie polimeryzacji oraz w procesie destylacji. Sekcja oczyszczania CIP 7, służąca czyszczeniu całej instalacji połączona jest ze stacją odbioru serwatki 1, sekcją filtracji 2, sekcją fermentacji 3, komorą elektrodializy 4, modułem destylacji 5 oraz z sekcją polimeryzacji 6.

Instalacja do otrzymywania biopolimeru z serwatki odpadowej kwaśnej i/lub słodkiej podpuszczkowej zbudowana jest ze stacji odbioru serwatki 1, z sekcji filtracji 2, fermentacji 3, tetramembranowej komory elektrodializy jonowej 4, modułu destylacji 5 oraz sekcji polimeryzacji 6, oczyszczania CIP 7 i sekcji próżniowej 8. Komora elektrodializy 4 jonowej, zamknięta obudową 9, (fig. 2), składa się z pięciu cel 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, rozdzielonych polarnymi membranami jonowymiennymi 13a, 13b, 13c, 13d oraz dwóch elektrod węglowych 10, 11. Elektrody 10, 11 znajdują się po przeciwnych stronach elektrodializera. Elektroda 10 pracująca jako katoda (-) znajduje się w celi 12a, a druga elektroda 11, pracująca jako anoda (+) umieszczona jest w celi 12e. W celu zwiększenia wydajności, powierzchnia elektrod 10, 11 odpowiada powierzchni membran 13a, 13b, 13c, 13d. Cela 12a, z katodą, od celi 12b oddzielona jest membraną anionowymienną 13a. Cela 12b od celi 12c jest oddzielona membraną kationowymienną 13b. Cela 12c od celi 12d oddzielona jest membraną anionowymienną 13c. Natomiast pomiędzy celą 12d, a celą 12e osadzona jest membrana kationowymienna 13d. W celi 12e znajduje się anoda. Roztwór pofermentacyjny zawiera sole, w tym mleczan sodu oraz pozostałości po fermentacji. Przed uruchomieniem modułu elektrodializy 5, roztwór pofermentacyjny kierowany jest do celi 12c. Pozostałe cele: 12a, 12b, 12d, 12e, wypełniane są wodą. Uruchomienie komory elektrodializy 5 następuje poprzez przyłożenie napięcia do

PL 228 525 B1 elektrod węglowych 10, 11, które wymuszają ruch jonów w odpowiednich kierunkach. W wyniku elektrodializy mleczanu sodu w celi 12c powstają aniony mleczanowe oraz kationy sodu. Aniony mleczanowe przyciągane są przez anodę i przechodzą przez membranę anionowymienną 13c do celi 12d. Powstające w wyniku elektrolizy wody w celi 12e kationy wodorowe przepływają przez membranę kationowymienną 13d do celi 12d. Z połączenia anionów mleczanowych oraz kationów wodorowych w celi 12d powstaje kwas mlekowy. Natomiast kationy sodu przyciągane są przez katodę i przez membranę kationowymienną 13b i przepływają do celi 12b. Powstające w wyniku elektrolizy wody w celi 12a aniony wodorotlenowe przepływają przez membranę anionowymienną 13a do celi 12b. Z połączenia kationów sodu oraz anionów wodorotlenowych w celi 12b powstaje wodorotlenek sodu. Elektrodializer zbudowany jest tak, aby pojemności cel 12a, 12b, 12c, 12d, 12e były jak najmniejsze. Małe pojemności cel 12a, 12b, 12c, 12d, 12e pomiędzy membranami 13a, 13b, 13c, 13d zwiększają wydajność procesu oraz zmniejszają zużycie prądu wykorzystywanego w procesie elektrodializy.

Oczyszczony, rozcieńczony roztwór kwasu mlekowego jest przesyłany do modułu destylacji 5 (fig. 3), w którym następuje zatężenie kwasu mlekowego. Roztwór kwasu mlekowego jest zatężany przez odparowanie rozpuszczalnika - wody. Zatężanie osiąga się w procesie destylacji, która zachodzi w module destylacji membranowej 5 kwasu mlekowego. Moduł destylacji membranowej 5, osłonięty płaszczem 9 składa się z czterech komór 15a, 15b, 15c, 15d, oddzielonych metalowymi płytami 16, pokrytymi warstwą PTFE, hydrofobowej membrany paroprzepuszczalnej 18 oraz dwóch ogniw Peltiera 17. Zdemineralizowany roztwór pofermentacyjny serwatki odpadowej, składający się z kwasu mlekowego i wody, kierowany jest do komory 15b. Roztwór jest podgrzewany przez ogniwo Peltiera 17 znajdujące się pomiędzy komorami 15a i 15b. Woda pod wpływem ciepła zaczyna parować. Następuje dyfuzja cząsteczek pary wodnej przez pory paroprzepuszczalnej membrany hydrofobowej 18 do komory 15c. W ten sposób woda jest usuwana z zatężanego roztworu. Zdemineralizowany roztwór zawracany jest do modułu destylacji 5 aż do osiągnięcia wymaganego stężenia kwasu mlekowego. W komorze 15c para wodna jest schładzana przez ogniwo Peltiera 17 znajdujące się pomiędzy komorami 15c i 15d. Następuje skroplenie i usunięcie wody z modułu 5. Woda w komorze 15a jest schładzana, a następnie kierowana do komory 15d, gdzie jest podgrzewana. Cyrkulująca woda obiegowa pozwala na wymianę ciepła pomiędzy komorami 15a i 15d. Zatężany roztwór kwasu mlekowego jest przesyłany do sekcji polimeryzacji 6, w której w znanym procesie następuje polimeryzacja do biopolimeru.

Claims (4)

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób otrzymywania biopolimeru z serwatki odpadowej kwaśnej i/lub słodkiej podpuszczkowej, polegający na filtracji i oczyszczaniu serwatki z białek i zanieczyszczeń, poddaniu serwatki procesowi fermentacji do kwasu ml ekowego z udziałem NaOH i dalszej neutralizacji w obecności NaOH otrzymanego kwasu mlekowego do mleczanu sodu, a następnie membranowej demineralizacji w procesie elektrodejonizacji i poddaniu roztworu kwasu mlekowego zagęszczaniu oraz polimeryzacji katalit ycznej, znamienny tym, że zneutralizowany w procesie fermentacji do pH 7 roztwór mleczanu sodu poddaje się wodnej elektrodializie jonowej w tetramembranowej komorze podzielonej celami, w której aniony mleczanowe w połączeniu z kationami wodorowymi tworzą rozcieńczony czysty kwas mlekowy, a kationy sodu w połączeniu z anionami wodorotlenkowymi tworzą wodorotlenek sodu, po czym zgromadzony w celi komory elektrodializy rozcieńczony czysty kwas mlekowy poddaje się procesowi zatężania w hydrofobowym, membranowym module destylacyjnym z zanurzonymi w jego skrajnych komorach ogniwami Peltiera, na których cyrkulująca w komorach woda oraz roztwór kwasu mlekowego cyklicznie podgrzewa się i schładza z równoczesną, odpowiednio do fazy grzania i chłodzenia na hydrofobowej membranie dyfuzją cząsteczek pary wodnej oraz skropleniem destylatu i usunięciu wody z komory destylacyjnej modułu, po czym czysty zatężony kwas mlekowy kieruje się do sekcji polimeryzacji, gdzie w znanym procesie katalitycznym ulega polimeryzacji do fazy biopolimeru.

2. Instalacja do otrzymywania biopolimeru z serwatki odpadowej kwaśnej i/lub słodkiej podpuszczkowej zgodnie ze sposobem określonym w zastrz. 1, zbudowana z sekcji filtracji,

PL 228 525 B1 fermentacji, membranowego modułu demineralizacji z równoczesnym zagęszczaniem roztworu oraz sekcji polimeryzacji, oczyszczania i sekcji próżniowej, znamienna tym, że za sekcją fermentacji (3) znajduje się tetramembranowa komora elektrodializy jonowej (4) składająca się z dwóch skrajnych elektrod węglowych, kationowej (10) i anionowej (11) oraz z pięciu cel (12a, 12b, 12c, 12d, 12e) rozdzielonych polarnymi membranami jonowymiennymi (13a, 13b, 13c, 13d), z czego boczne cele (12a, 12b, 12d, 12e) wypełnione są wodą, a za komorą elektrodializy (4) znajduje się moduł destylacji membranowej (5) składający się z czterech komór (15a, 15b, 15c, 15d) oddzielonych naprzemiennie metalowymi płytami (16) z ogniwem Peltiera (17) oraz hydrofobową paroprzepuszczalną membraną (18) przy czym pomiędzy płytami metal owymi (16) komory (15a, 15b) i komory (15c, 15d) znajduje się ogniwo Peltiera (17), a pomiędzy komorą (15b, 15c) osadzona jest hydrofobowa paroprzepuszczalna membrana (18).

3. Instalacja według zastrz. 1, znamienna tym, że powierzchnie elektrod węglowych (10, 11) i polarnych membran (13a, 13b, 13c, 13d) komory elektrodializy (4) są równe.

4. Instalacja według zastrz. 1, znamienna tym, że płyty metalowe (16) komór (15a, 15b, 15c, 15d) w module destylacyjnym (5) pokryte są warstwą kwasoodporną, korzystnie PTFE.