Биоразделение 1,3-пропандиола - Bioseparation of 1,3-propanediol

Биоразделение 1,3-пропандиола это биохимический процесс производства 1,3-пропандиол (PDO). PDO - это органическое соединение со многими коммерческими приложениями. Обычно PDO производят из сырая нефть такие продукты как пропилен или же окись этилена. Однако в последние годы такие компании, как DuPont инвестируют в биологическое производство PDO с использованием возобновляемого сырья, такого как кукуруза.[1][2]

История

В мае 2004 г. DuPont и Тейт и Лайл объявили, что они начнут совместное предприятие построить предприятие, производящее полимеры из возобновляемого сырья вместо нефтехимии.[1] В частности, их целью было разработать ферментация система, которая превращает кукурузный сахар в PDO (полученный таким образом пропандиол в среде обозначается как «BioPDO»). Они утверждают, что использование такого биопроцесса более энергоэффективно, чем обычные. нефтехимический процессы (преобразование пропилен в пропандиол), потому что биопроцесс имеет четыре преимущества по сравнению с обычным процессом: меньший экологический след, меньшие эксплуатационные расходы, меньше капитал вложение, и больше устойчивость из-за использования возобновляемый кукуруза сырье.[1]

Процесс

BioPDO можно получить путем бактериальной ферментации глицерин.[3] Однако DuPont удалось создать ряд кишечная палочка (Кишечная палочка),[4] обычная бактерия, позволяющая производить 1,3-пропандиол в промышленных масштабах путем ферментации глюкоза. После Кишечная палочка производят достаточное количество продукта BioPDO, DuPont использует метод отделения BioPDO от клеточного бульона, выходящего из биореактор состоящий из четырех шагов: микрофильтрация и ультрафильтрация, ионный обмен, мгновенное испарение, и дистилляция.[4]

Фильтрация

Первый из двух этапов фильтрации, микрофильтрация, используется для удаления клеток из реакционной жидкости. Керамические фильтры используются потому, что, хотя они дороги, они могут прослужить от пяти до десяти лет.[4] Было обнаружено, что высокие температуры увеличивают поток жидкости через мембрану микрофильтрации, поэтому указана минимальная температура 165 ° F (74 ° C).[4] Серия из трех ультрафильтрационных мембран используется для фильтрации белки с молекулярный вес из 5000 Дальтон и выше. Давление подачи на мембрану микрофильтрации обычно составляет 65 фунтов на квадратный дюйм при перепаде трансмембранного давления 40 фунтов на квадратный дюйм.[4] Давление подачи на каждую ультрафильтрационную мембрану составляет 60 фунтов на квадратный дюйм.[4] При таких давлениях и температурах подачи типичные потоки трансмембранной жидкости составляют 108 л / ч (литров в час на квадратный метр) для мембраны для микрофильтрации и 26 л / ч для мембраны для ультрафильтрации.

Ионный обмен

Следующий шаг схемы - ионный обмен - удаляет примеси, которые вызывают пожелтение полимерного продукта, находящегося ниже по потоку.[4] Для удаления этих примесей используются четыре последовательно соединенные ионообменные колонки, расположенные в следующем порядке:[4]

  1. Катионообменник сильной кислоты
  2. Анионообменник с сильным основанием
  3. Катионообменник сильной кислоты
  4. Анионообменник с сильным основанием

Первый катионообменник заменяет двухвалентный катионы в растворе с ионы водорода.[4] Первый анионообменник заменяет анионы в растворе с гидроксид-ионы.[4] Второй катионный и анионный обменники дополнительно снижают уровень ионов в растворе. Отметим, что ионы водорода (H+ самопроизвольно реагируют с гидроксид-ионами (OH−) с образованием воды (H2O):

ЧАС+ + ОН− → H2О

Мгновенное испарение

После стадии ионного обмена из ионов водорода и гидроксида образуется избыток воды, что может разбавить продукт до концентрации менее 10% по весу.[4] При отправке разбавленного раствора в систему выпаривания под вакуумом вода вырывается из раствора в пар низкого давления, оставляя раствор пропандиола с содержанием пропандиола до 80% по весу.[4] Затем пар низкого давления сжимается до более высокого давления и температуры, а затем направляется во внешний корпус устройства мгновенного испарения для нагрева системы.[4]

Дистилляция

Последний этап схемы, дистилляция, включает две дистилляционные колонны и, возможно, четыре дистилляционные колонны.[4] Три основных типа химикатов в жидкости на этой стадии разделения - это вода, BioPDO и примеси, такие как глицерин, сахара и белки. Из трех химических веществ вода имеет самую низкую температуру кипения (см. воды, 1,3-пропандиол, и глицерин статьи для информации о температуре кипения), поэтому он удаляется как дистиллят в первой колонке. Кубовый остаток первой колонны затем направляется во вторую колонну, где BioPDO удаляется в виде дистиллята из-за его более низкой температуры кипения.[4] Обе колонны работают при низком давлении (55 мм рт. Ст. В первой колонне; 20 мм рт. Ст. Во второй колонне) для понижения точек кипения потоков дистиллята и кубового остатка, тем самым используя пар более низкого давления, чем для атмосферных колонн.[4] На данный момент поток BioPDO имеет чистоту 99%.[4] Однако, если BioPDO будет использоваться для производства полимеров, требуется более высокая чистота.[4] Для достижения большей чистоты дистиллят BioPDO из второй колонны направляется в гидрирование реактор для преобразования оставшихся примесей, окрашивающих полимер, в неокрашивающие химические вещества.[4] Затем поток, выходящий из реактора, направляют во вторую группу из двух дистилляционных колонн, которые работают так же, как и первая группа колонн. Дистиллят BioPDO четвертой дистилляционной колонны имеет чистоту 99,97%, что соответствует стандартам качества полимеров и волокон.[5]

Энергоэффективность процесса

Согласно DuPont, процесс BioPDO использует на 40% меньше энергии, чем традиционные процессы.[1][2] DuPont также утверждает, что биопроцесс снижает выбросы парниковых газов на 20%,[1][2] и что производство ста миллионов фунтов BioPDO ежегодно «экономит энергетический эквивалент пятнадцати миллионов галлонов бензина в год».[2] Благодаря успеху DuPont и Tate & Lyle в разработке возобновляемого процесса BioPDO, Американское химическое общество наградил исследовательские группы BioPDO наградой "2007 Герои химии "награда.[2]

Рекомендации

  1. ^ а б c d е http://www.chem.uu.nl/brew/BREWsymposiumWiesbaden11mei2005/WEBSITEBrewPresentations51105.PDF
  2. ^ а б c d е http://www.azom.com/News.asp?NewsID=8862
  3. ^ Х. Библ; К. Мензель, А.-П. Цзэн и В.-Д. Деквер (1999). «Микробиологическое производство 1,3-пропандиола». Прикладная микробиология и биотехнология. 52 (3): 289–297. Дои:10.1007 / s002530051523. PMID  10531640.
  4. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п о п q р s WO 2004101479, Adkesson, D.M .; Олсоп, А. ; Эймс, Т.Т.; Chu, L.A .; Дисней, J.M.; Dravis, B.C. ; Fitzgibbon, P .; Гэдди, Дж. М.; Галлахер, Ф. ; Ленхардт, В.Ф. ; Ливенсе, Дж. К.; Луйбен, М. ; Сипэн, М .; Троттер, Р. ; Венндт, Г. ; Ю, Э.К., "Очистка биологически производимого 1,3-пропандиола", выданный 25 ноября 2004 г., передан Du Pont 
  5. ^ Куриан, Джозеф В. (2005). «Новая полимерная платформа будущего - сорона из 1,3-пропандиола на основе кукурузы». Журнал полимеров и окружающей среды. 13 (2).