PL236607B1 - Sposób wydzielania kwasu bursztynowego z brzeczki fermentacyjnej - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób wydzielania kwasu bursztynowego z brzeczki fermentacyjnej, w którym brzeczkę zawierającą 3 - 10% kwasu bursztynowego w postaci soli magnezowej z dodatkiem wodorowęglanu magnezu zakwasza się kwasem siarkowym poniżej 3 pH. Następnie oddziela się biomasę znaną metodą wirowania lub filtracji, po czym zatęża się roztwór do uzyskania stężenia siarczanu magnezu w granicach 15 - 30%, korzystnie 25%, przez odparowanie wody lub przez dodanie krystalicznego MgSO4. Następnie roztwór wodny poddaje się ekstrakcji przy użyciu acetonu w stosunku obj. 0,2 - 1,0 aceton-woda. Z wydzielonej fazy organicznej usuwa się aceton wraz z lotnymi kwasami karboksylowymi przez odparowanie do otrzymania roztworu wodnego kwasu bursztynowego o stężeniu powyżej 30%. Finalnie roztwór wodny poddaje krystalizacji w zakresie temperatur 5 - 70°C.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wydzielania kwasu bursztynowego z brzeczki fermentacyjnej. Kwas bursztynowy jest ważnym surowcem w przemyśle polimerów, w roku 2015 jego produkcja światowa wyniosła 58,5 tys. ton i wykazuje stałą stopę wzrostu rzędu 10-15% rocznie (www.mar- ketsandmarkets.com). Większość nowych metod produkcji bazuje na biokonwersji tanich surowców odnawialnych typu glukoza, laktoza lub gliceryna z udziałem różnych mikroorganizmów, np.: Actinobacillus succinogenes, Anaerobiospirillum succiniciproducens, Mannheimia succiniciproducens, rec. Escherichia coli, Corynebacterium glutamicum (Hyohak Song, Sang Yup Lee, Production of succinic acid by bacterial fermentation, Enzyme Microbiol. Technol.39 (2006) 352-361.

Fermentacja surowców w kierunku otrzymywania kwasu bursztynowego wymaga stałej obecności wolnego dwutlenku węgla, który jest jednym z substratów konwersji, a także służy do zachowania wymaganej wartości pH w przedziale 5,9-6,5. Do neutralizacji powstających kwasów karboksylowych wykorzystuje się węglany alkaliczne typu węglan amonu, sodu, magnezu lub wapnia. Odpowiednie pH procesu uzyskuje się dzięki równowadze chemicznej węglanu i wodorowęglanu oraz soli kwasów karboksylowych. Obok kwasu bursztynowego powstają także inne kwasy karboksylowe jak kwas mrówkowy, octowy, mlekowy.

Wydzielanie kwasu bursztynowego z brzeczki obejmuje zasadniczo 3 etapy: oddzielenie biomasy metodą mikrofiltracji lub wirowania, separacja kwasu bursztynowego od pozostałych składników brzeczki oraz zatężanie i krystalizacja produktu końcowego.

Najstarszą metodą wydzielania kwasu bursztynowego z brzeczek fermentacyjnych jest strącanie soli wapniowych na gorąco podobnie jak w technologii kwasu cytrynowego. Oddzielony bursztynian wapnia jest następnie rozkładany kwasem siarkowym z wydzieleniem osadu siarczanu wapnia. Metoda ta jest jednak mało wydajna i uciążliwa ekologicznie, gdyż wytwarza duże ilości gipsu jako produktu odpadowego (R. Datta, D.A. Glassner, M.K. Jain, J.R. Vick-Roy, Fermentation and purification process for succinic acid, US Patent 5168055, 1992).

Obszerny opis procesu fermentacji i wpływu parametrów na wydajność produkcji kwasu bursztynowego (SA) przedstawiono w opisie patentowym US5143834 (Glassner et al., 1992). Maksymalną wydajność biokonwersji glukozy do SA rzędu 90% uzyskano dla pH 5,9 przy stężeniu SA w roztworze 50 g/L. W celu wydzielenia bursztynianu sodu lub amonu brzeczkę pofermentacyjną poddano bezpośrednio elektrodializie bez oddzielania biomasy. Roztwór zatężony 3-4 krotnie poddano następnie elektrodializie bipolarnej w celu wydzielenia wolnego kwasu bursztynowego oraz wodorotlenku sodu lub amonu. Roztwór kwasu SA poddano następnie wymianie jonowej w celu oddzielenia siarczanów i chlorków.

W opisie patentowym CN104876817 (LYU TAO, 2014) przedstawiono wydzielanie soli amonowych kwasu bursztynowego i następczą elektrodializę bipolarną w celu otrzymania wolnego kwasu i wodorotlenku amonu. Proces ten wykazuje zalety w stosunku do tradycyjnej technologii z użyciem wymiany jonowej z powodu zredukowania ilości produktów odpadowych.

W innym rozwiązaniu ujawnionym w opisie CN105254489 (UAN GUOFENG, 2016) pokazano ekstrakcję kwasu bursztynowego przy użyciu cieczy jonowych z następczą reekstrakcją roztworem alkalicznym. Kwas bursztynowy jest wydzielany przez krystalizację po zakwaszeniu roztworu alkalicznego.

Znane jest także rozwiązanie opisane w CN103420826 (WAN YIDONG, 2013), w którym brzeczka fermentacyjna zawierająca bursztynian sodu jest poddawana kolejno mikro- i nanofiltracji w celu otrzymania czystego bursztynianu sodu. Roztwór ten poddaje się dalej elektrodializie bipolarnej, a otrzymany roztwór kwasu bursztynowego z niewielkim dodatkiem soli sodowej podlega wymianie jonowej na kationicie H+. Oczyszczony roztwór poddaje się odparowaniu i krystalizacji, otrzymując kwas bursztynowy o dużej czystości.

W opisach patentowych CN101811953 (JIANYONG CAO, 2010) oraz US2012/0289742 (Gerberding et al., 2012) przedstawiono sposób oczyszczania brzeczki fermentacyjnej, polegający na bezpośredniej wymianie jonowej kationu soli kwasu bursztynowego przy użyciu mocnego kationitu w formie H+. Roztwór kwaśny jest następnie odbarwiany, zatężany przez odparowanie i krystalizowany. Mankamentem tej metody jest konieczność częstej regeneracji jonitu, ponieważ 1 L roztworu soli kwasu bursztynowego o stężeniu 5% (0,4 mol/L) odpowiada pojemności wymiennej ok. 1 L kationitu.

Kluczowym warunkiem biokonwersji surowców węglowodanowych do kwasu bursztynowego jest zachowanie wartości pH w wąskim zakresie 5,9-6,4 oraz stała obecność CO2 w roztworze, który jest

PL 236 607 B1 częściowo reagentem tej przemiany. Często stosowane jest prowadzenie procesu pod niewielkim nadciśnieniem CO2 rzędu 0,1-0,3 bar. W tych warunkach stężenie kwasu bursztynowego w brzeczce osiąga 50 g/L, a stężenie produktów ubocznych, jak kwas mlekowy, octowy i mrówkowy jest w granicach 5-12 g/L. Podwyższenie pH do wartości 7,0 zmienia kierunek biokonwersji i głównym produktem jest wtedy kwas mlekowy. Doskonałym czynnikiem stabilizującym wartość pH na poziomie ok. 6,2 jest węglan magnezu, który pozostaje w równowadze z formą wodorowęglanu i neutralizuje na bieżąco powstające kwasy karboksylowe. Oprócz tego do korekty pH brzeczki fermentacyjnej mogą być stosowane inne reagenty jak węglan sodu i węglan amonu. Wybór metody neutralizacji brzeczki określa kolejne etapy technologiczne prowadzące do otrzymania czystego kwasu bursztynowego. W przypadku soli magnezowej kwasu bursztynowego stosowane jest wcześniejsze jej przekształcenie do soli sodowych lub amonowych z odzyskiem węglanu magnezu, zawracanego do procesu fermentacji. Dokonuje się tego przez dodatek węglanu amonu lub sodu, gdzie w środowisku słabo alkalicznym węglan magnezu wytrąca się z roztworu w postaci osadu i może być łatwo oddzielony przez filtrację.

W rozwiązaniu ujawnionym opisem patentowym WO201325105 proces fermentacji prowadzono z użyciem węglanu magnezu, po czym zastosowano zakwaszenie brzeczki fermentacyjnej kwasem solnym i zatężanie otrzymanego roztworu. Kwas bursztynowy ulegał krystalizacji, a powstający chlorek magnezu kierowano do hydrolizy termicznej w temperaturze 300°C z odzyskiem tlenku magnezu i kwasu solnego. Metoda ta jest kłopotliwa i nie zapewnia oddzielenia zanieczyszczeń obecnych w brzeczce od kwasu bursztynowego.

Natomiast w US 2010/0094051 (Nishi et al., 2010) opisano możliwość wymiany kationów magnezowych w brzeczce fermentacyjnej na kationy amonowe przez dodatek węglanu amonu. Następuje wtedy wytrącenie węglanu magnezu i przejście kwasu bursztynowego w bursztynian amonu. Roztwór bursztynianu amonu zatęża się do ok. 40% i zakwasza nadmiarem kwasu octowego. Krystalizacja takiego roztworu pozwala otrzymać kwas bursztynowy o czystości 96,7%, a produktem ubocznym jest octan amonu.

W opisie patentowym CN103420827 (ZHENG PU, GU BOHUA, 2013) opisano proces ekstrakcji dwufazowej, gdzie do brzeczki zakwaszonej kwasem mineralnym dodaje się kwaśnej soli nieorganicznej oraz małocząsteczkowego alkoholu rozpuszczalnego w wodzie. Uzyskuje się układ dwufazowy, gdzie większość kwasu bursztynowego znajduje się w górnej fazie organicznej. Sole mineralne i rozpuszczalnik organiczny ulegają zawróceniu do procesu. Metoda określana jest jako prosta, oszczędna energetycznie i przyjazna środowisku.

W pracy Hee Cheon MOON et al. (Sodium Succinate Recovery and Purification from Kitchenrefuse Fermentation Broth by Salting-out Precipitation Using Antisolvent, Japan J. Food Eng. 6 (2005) 279-286) opisano metodę wytrącania bursztynianu sodu z roztworu wodnego o stężeniu 5-25% przez dodatek etanolu jako antyrozpuszczalnika. Niezbędny nadmiar etanolu wynosił 1,5-2 objętości w stosunku do fazy wodnej i pozwalał wydzielić 95% bursztynianu sodu selektywnie w stosunku do protein i soli innych kwasów karboksylowych.

W pracy Bo Hua Gu et al. (Aqueous two-phase system: An alternative process for recovery of succinic acid from fermentation broth, Sep. Purif Technol. 138 (2014) 47-54) przebadano szereg rozpuszczalników hydrofilowych i soli nieorganicznych do wydzielania kwasu bursztynowego metodą ekstrakcji z wysalaniem. Najlepsze wyniki uzyskano w przypadku brzeczki fermentacyjnej zawierającej 15% siarczanu amonu i 35% acetonu. W fazie organicznej możliwe jest oddzielenie 94% kwasu bursztynowego, w fazie wodnej pozostaje ponad 90% glukozy i protein.

W pracy Yaqin Sun et al. (Salting-out extraction and crystallization of succinic acid from fermentation broths, Process Biochem. 49 (2014) 506-511) opisano ekstrakcję wysalającą kwasu bursztynowego z użyciem siarczanu amonu i acetonu. Siarczan amonu powstaje w wyniku zakwaszenia brzeczki zawierającej bursztynian amonu kwasem siarkowym. Największy stopień ekstrakcji kwasu bursztynowego wartości 90% uzyskano w układzie zawierającym 30% acetonu i 20% siarczanu amonu w brzeczce o pH 3,0. Jednocześnie w fazie wodnej pozostało 99% mikroorganizmów, 90% protein i 95% glukozy zawartych w brzeczce. Wydzielony kwas bursztynowy oczyszczano przez krystalizację w temperaturze 4°C i pH 2,0, uzyskując wydajność całkowitą 65% i czystość produktu 91%. W roztworze macierzystym po krystalizacji pozostaje kwas bursztynowy o stężeniu 55 g/L, który jest zawracany do ekstrakcji wysalającej.

Nieoczekiwanie okazało się, że z brzeczki fermentacyjnej zawierającej bursztynian i wodorowęglan magnezu można wydzielić kwas bursztynowy z dużą wydajnością przez zakwaszenie roztworu kwasem siarkowym i ekstrakcję dwufazową acetonem. Powstający siarczan magnezu o stężeniu

PL 236 607 B1

20-30% wykazuje silny efekt wysalający i zwiększa stopień ekstrakcji kwasu bursztynowego powyżej 99%. W roztworze wodnym po ekstrakcji węglan magnezu można zregenerować w znany sposób przez wytrącenie węglanem amonu i zawrócenie do procesu fermentacji.

Metoda według wynalazku wykazuje istotne zalety w stosunku do znanych metod, gdzie najpierw strąca się węglan magnezu przy użyciu węglanu amonu, roztwór bursztynianu amonu zakwasza się kwasem siarkowym, a następnie prowadzi ekstrakcję dwufazową w układzie siarczan amonu-aceton. W metodzie według wynalazku najpierw następuje zakwaszenie roztworu, oddzielenie biomasy i skoagulowanych zanieczyszczeń organicznych metodą mikrofiltracji lub odwirowania, a następnie ekstrakcja kwasu bursztynowego acetonem z roztworu siarczanu magnezu. W drugim etapie po ekstrakcji zachodzi regeneracja węglanu magnezu za pomocą węglanu amonu z wydzieleniem odpadowego roztworu siarczanu amonu, podobnie jak w metodach opisanych poprzednio.

Siarczan magnezu jest silniejszym czynnikiem wysalającym od siarczanu amonu z uwagi na wiązanie wody w postaci hydratów (MgSO4 x 7H2O). Roztwór 25% siarczanu magnezu odpowiada stężeniu ok. 51% jego formy siedmiowodnej. Dodatek acetonu do takiego roztworu powoduje powstanie układu dwufazowego z częściową ekstrakcją wody do acetonu. Przejście wody do fazy acetonowej jest tym większe im większy jest udział acetonu w mieszaninie, aż do uzyskania roztworu nasyconego siarczanu magnezu w fazie wodnej (ok. 34%, 20°C). Ekstrakcja kwasu bursztynowego zachodzi już przy udziale 20% acetonu w stosunku do objętości fazy wodnej. W zakresie 20-50% obj. dodatku acetonu stopień ekstrakcji kwasu bursztynowego rośnie w przedziale 72-99%, jednocześnie stopień współekstrakcji soli spada w zakresie od 8 do 1% w stosunku do stężenia początkowego 25% MgSO4. W efekcie stosunek wagowy soli mineralnych do kwasu bursztynowego spada drastycznie z wartości początkowej 5:1 w brzeczce fermentacyjnej do wartości 5:100 w ekstrakcie. Dalszy spadek zawartości soli o rząd wielkości można uzyskać przez zwiększenie dodatku acetonu do 100% obj. (stos. obj. aceton/faza wodna równy 1:1). W tych warunkach występuje także maksymalny ubytek objętości fazy wodnej (ok. 60%), która przechodzi do fazy acetonowej. Jednocześnie stopień ekstrakcji 5% kwasu bursztynowego wynosi powyżej 99%, przy bardzo małej współekstrakcji soli mineralnych o stężeniu w ekstrakcie poniżej 0,1 g/L. Powstaje zatem efektywny układ do ekstrakcji kwasu bursztynowego z prawie całkowitym pozostawieniem soli mineralnych w fazie wodnej.

Do fazy acetonowej przechodzą także inne kwasy karboksylowe obecne w brzeczce jak octowy, mrówkowy i mlekowy. Kwasy octowy i mrówkowy, jako kwasy lotne, ulegają oddestylowaniu razem z acetonem, natomiast kwas mlekowy pozostaje w roztworze wodnym i jest oddzielany wraz z roztworem macierzystym w procesie krystalizacji kwasu bursztynowego.

Proces według wynalazku składa się z kilku etapów:

1. Zakwaszenie brzeczki fermentacyjnej kwasem siarkowym do pH poniżej 3 z wydzieleniem gazowego CO2. Przy czym korzystnym wariantem jest kiedy wartość pH brzeczki przed ekstrakcją wynosi 2.

2. Filtracja lub odwirowanie roztworu w celu oddzielenia biomasy i skoagulowanych zanieczyszczeń białkowych.

3. Zatężanie roztworu do uzyskania stężenia siarczanu magnezu 15-30% korzystnie 25% przez odparowanie wody lub przez dodanie krystalicznego MgSO4.

4. Ekstrakcja roztworu wodnego acetonem w stosunku obj. 0,2-1,0 (aceton/woda). W wyjątkowo korzystnym wariancie stosunek objętościowy acetonu użytego do ekstrakcji brzeczki wynosi 0,5-1,0 aceton-woda.

5. Odparowanie acetonu wraz z lotnymi kwasami karboksylowymi (octowy, mrówkowy) i otrzymanie roztworu wodnego kwasu bursztynowego o stężeniu powyżej 30%.

6. Krystalizacja surowego kwasu bursztynowego z roztworu wodnego w zakresie temperatur 5-70°C, korzystnie 15-70°C, w wyniku czego otrzymuje się kryształy kwasu bursztynowego o czystości powyżej 99%.

Istotną zaletą jest, że stopień wyekstrahowania kwasu bursztynowego z brzeczki fermentacyjnej wynosi powyżej 99% przy stopniu odsolenia powyżej 99%.

Korzystnym jest także kiedy roztwór po ekstrakcji zawierający siarczan magnezu MgSO4 traktuje się roztworem węglanu amonu (NH4)2CO3 w celu wytrącenia i zawrócenia węglanu magnezu do procesu fermentacji, a wytworzony roztwór siarczanu amonu oddziela jako użyteczny produkt uboczny.

P r z y k ł a d 1

Fermentację prowadzono w fermentorze 2 L z udziałem szczepu Actinobacillus succinogenes w roztworze zawierającym glukozę 50 g/L, K2HPO4 x 3H2O 2,5 g/L, NaH2PO4 x 2H2O 2,5 g/L, CaCl2

PL 236 607 Β1

0,2 g/L, ekstrakt drożdżowy 3 g/L. Do roztworu wprowadzano w sposób ciągły stężony roztwór glukozy (60%) tak, aby zachować stężenie 4% glukozy w brzeczce. Jednocześnie wprowadzano węglan magnezu w ilości sumarycznej 170 g/L tak, aby zachować wartość pH 6,2-6,4. Roztwór fermentacyjny był mieszany mechanicznie z szybkością 200 obr./min oraz przez barbotaż CO2 z szybkością 100 mL/min, przez 56 godzin w temperaturze 37°C. Otrzymano brzeczkę fermentacyjną zawierającą 51,6 g/L kwasu bursztynowego (c°sa), 12,2 g/L kwasu octowego, 11,5 g/L kwasu mrówkowego, 8,5 g/L kwasu mlekowego (LA), 1,6 g/L glukozy oraz 7,5 g/L etanolu.

Do 0,5 L brzeczki dodano porcjami 55,5 mL (100 g) 98% kwasu siarkowego przy ciągłym mieszaniu mechanicznym. Nastąpiło intensywne wydzielanie gazowego dwutlenku węgla, a pH roztworu obniżyło się do wartości 2,0. Roztwór mętny przesączono przez filtr 0,45 μπι, następnie po ochłodzeniu do temperatury 20°C dodano 0,5 L acetonu i całość mieszano intensywnie przez okres 5 min. Po rozdzieleniu faz oddzielono 0,8 L górnej fazy acetonowej, odparowano rozpuszczalnik w temperaturze 80-90°C, otrzymując 270 mL roztworu wodnego. Dalsze zatężanie pod obniżonym ciśnieniem (20 kPa) doprowadziło do otrzymania 70 mL roztworu wodnego o stężeniu SA 332 g/L, LA 61 g/L, MgSO4 1,8 g/L. Wydajność ekstrakcji kwasu bursztynowego wyniosła 99,7%, a stopień odsolenia roztworu obliczony ze wzoru:

D . = <1 - * 100% = O - ^18/332 ) * 100% = 99.9% ' cjĄ/ ' 250/51. 6 wynosił 99,9%.

Krystalizacja tego roztworu przez stopniowe obniżanie temperatury w zakresie 70-15°C pozwoliła na wydzielenie kryształów SA w ilości 21,2 g o czystości 99,5%.

Roztwór wodny po ekstrakcji (0,2 L) rozcieńczono wodą dejonizowaną do objętości 0,5 L, zobojętniono przez dodatek 6 mL 25% wody amoniakalnej, po czym dodano porcjami 130 mL 50% roztworu węglanu amonu przy ciągłym mieszaniu mechanicznym. Wydzielił się obfity osad węglanu magnezu, który odsączono na lejku Buchnera, przemyto i wysuszono. Otrzymano 58 g węglanu magnezu, który nadaje się do zastosowania w kolejnym cyklu fermentacji.

Przykład 2 (porównawczy)

Do ekstrakcji dwufazowej użyto brzeczkę pofermentacyjną o składzie identycznym jak w przykładzie 1. Oddzielono biomasę przez odwirowanie, po czym do 0,5 L brzeczki nasyconej CO2 dodano porcjami 40 mL 25% wody amoniakalnej oraz 40 g węglanu amonu przy ciągłym mieszaniu mechanicznym. Oddzielono osad węglanu magnezu przez filtrację, przesącz zakwaszono przez dodatek 70 g 98% kwasu siarkowego aż do obniżenia pH do wartości 2,5. Następnie dodano 35 g siarczanu amonu do uzyskania stężenia c°_s=250 g/L oraz 0,5 L acetonu i całość mieszano intensywnie przez okres 5 min w temperaturze 20°C. Po rozdzieleniu faz oddzielono 0,68 L górnej fazy organicznej, odparowano rozpuszczalnik w temperaturze 70-80°C, otrzymując 170 mL roztworu wodnego. Dalsze zatężanie pod obniżonym ciśnieniem (20 kPa) doprowadziło do otrzymania 90 mL roztworu wodnego o stężeniu 248 g/L SA, 45 g/L LA i 21,1 g/L (NH^SCU. Wydajność ekstrakcji kwasu bursztynowego wyniosła 95,7%, a stopień odsolenia roztworu obliczony ze wzoru:

! r^E 91 1 / 748 = (1 - o n'¹) * ¹00% = 0--—----) * ¹00% = 98.4% cjcj 250/51.6^Z wynosił 98,4%.

Krystalizacja tego roztworu przez stopniowe obniżanie temperatury w zakresie 70-15°C pozwoliła na wydzielenie kryształów SA w ilości 20,1 g o czystości 98,1%.

Claims (6)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wydzielania kwasu bursztynowego z brzeczki fermentacyjnej, znamienny tym, że brzeczkę zawierającą 3-10% kwasu bursztynowego w postaci soli magnezowej z dodatkiem wodorowęglanu magnezu zakwasza się kwasem siarkowym poniżej 3 pH, po czym oddziela się biomasę znaną metodą wirowania lub filtracji, po czym zatęża się roztwór do uzyskania stężenia siarczanu magnezu w granicach 15-30% korzystnie 25%, przez odparowanie wody lub przez dodanie krystalicznego MgSO4, następnie poddaje ekstrakcji przy użyciu acetonu

   PL 236 607 B1 w stosunku obj. 0,2-1,0 aceton-woda, po czym z wydzielonej fazy organicznej usuwa się aceton wraz z lotnymi kwasami karboksylowymi przez odparowanie do otrzymania roztworu wodnego kwasu bursztynowego o stężeniu powyżej 30%, następnie roztwór wodny poddaje krystalizacji w zakresie temperatur 5-70°C.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wartość pH brzeczki przed ekstrakcją wynosi 2.
3. 3. Sposób według zastrz. 1 lub 2, znamienny tym, że stosunek objętościowy acetonu użytego do ekstrakcji brzeczki wynosi 0,5-1,0 aceton-woda.
4. 4. Sposób według zastrz. 1,2 lub 3, znamienny tym, że temperatura procesu krystalizacji wynosi 15-70°C.
5. 5. Sposób według zastrz. 1,2, 3 lub 4, znamienny tym, że stężenie siarczanu magnezu w roztworze wodnym przed ekstrakcją wynosi 25%.
6. 6. Sposób według zastrz. 1,2, 3, 4 lub 5, znamienny tym, że roztwór po ekstrakcji zawierający siarczan magnezu MgSO4 traktuje się roztworem węglanu amonu (NH4)2CO3, a wytworzony roztwór siarczanu amonu oddziela jako użyteczny produkt uboczny.