dr hab. inż. Mariusz B. Bogacki Promotor: mgr inż. Marta Przewoźna Wpływ rodzaju matrycy na transport kwasu szczawiowego, winowego oraz mlekowego przez polimerowe membrany inkluzyjne W T C P P

Instytut Technologii i Inżynierii Chemicznej Zakład Inżynierii Procesowej

ROZPRAWA DOKTORSKA

Wpływ rodzaju matrycy na transport kwasu szczawiowego, winowego oraz mlekowego przez polimerowe membrany inkluzyjne

mgr inż. Marta Przewoźna

P r o mo tor :

dr hab. inż. Mariusz B. Bogacki

Poznań 2015

SPIS TREŚCI

I. Wstęp ... 4

II. Część teoretyczna ... 7

1. Charakterystyka badanych kwasów organicznych ... 7

1.1. Kwas szczawiowy ... 7

1.2. Kwas mlekowy ... 10

1.3. Kwas winowy ... 13

2. Metody wydzielania składników brzeczek pofermentacyjnych ... 16

2.1. Strącanie ... 16

2.2. Ekstrakcja ... 17

2.3. Sorpcja i wymiana jonowa ... 24

2.4. Techniki membranowe ... 27

3. Membrany ciekłe ... 33

3.1. Polimerowe membrany inkluzyjne ... 35

3.1.1. Matryca polimerowa ... 36

3.1.2. Przenośnik ... 46

3.1.3. Plastyfikator ... 50

3.1.4. Kompatybilność składników polimerowej membrany inkluzyjnej ... 54

3.1.5. Stabilność polimerowych membran inkluzyjnych ... 56

3.1.6. Mechanizm transportu przez membrany ciekłe ... 59

3.1.7. Wpływ grubości membrany oraz temperatury prowadzenia procesu ... 62

3.1.8. Zastosowanie polimerowych membran inkluzyjnych ... 63

Cel pracy ... 68

III. Część doświadczalna ... 69

1. Stosowane odczynniki ... 69

2. Preparatyka polimerowych membran inkluzyjnych ... 69

3. Układ badawczy ... 70

4. Metoda analityczna ... 71

4.1. Oznaczanie stężenia kwasu organicznego podczas transportu przez PIM ... 71

4.2. Oznaczanie kwasów organicznych podczas separacji składników mieszaniny kwasów organicznych ... 73

5. Wielkości charakteryzujące transport przez PIM. ... 75

6. Modelowanie ... 77

7. Charakterystyka imidazolu ... 78

8. Charakterystyka membran ... 81

8.1. Zmiana grubości membran ... 81

8.2. Zdjęcia SEM ... 84

8.3. Stabilność PIM ... 86

9. Wyniki ... 88

9.1. Wpływ rodzaju przenośnika ... 88

9.1.1. 1-alkiloimidazol ... 88

9.1.2. 1-alkoksymetyloimidazol ... 97

9.2. Wpływ matrycy polimerowej ... 106

9.3. Wpływ stężenia przenośnika na transport kwasów organicznych przez PIM – perkolacja ... 111

9.4. Wpływ grubości membrany ... 122

9.5. Wpływ temperatury prowadzenia procesu ... 125

9.6. Wpływ stężenia fazy zasilającej ... 132

9.7. Separacja mieszanin ... 133

10. Dyskusja wyników i wnioski ... 143

Spis literatury ... 149

Spis oznaczeń ... 167

Spis skrótów ... 169

Spis tabel ... 171

Spis rysunków ... 177

Streszczenie ... 185

Abstract ... 187

Aneks... 189

Dorobek naukowy ... 192

I. Wstęp

Jednym z najnowszych potencjalnych źródeł węgla w procesach biotechnologicznych jest frakcja glicerynowa, która stanowi produkt uboczny procesu metanolizy oleju rzepakowego, prowadzonego w celu otrzymywania biopaliwa [1,2,3].

Proces transestryfikacji triglicerydów prowadzi się w temperaturze od 20 do 70°C w obecności 1-2% katalizatora alkalicznego, najczęściej KOH. Stechiometryczna ilość metanolu to 3 mole na 1 mol triglicerydu. W praktyce stosuje się jednak nadmiar alkoholu, najczęściej metanolu, w ilości 40-100%. Wówczas przy 100% nadmiarze metanolu, jego stosunek do triglicerydów wynosi 6:1 [4]. Głównym produktem ubocznym jest frakcja glicerynowa, w której składzie poza 30-40% udziałem gliceryny znajduje się nawet do około 50% mydeł wraz z zemulgowanymi estrami metylowymi, resztę stanowi natomiast nadmiarowy metanol oraz woda [5]. Powstała w ten sposób frakcja glicerynowa poddawana jest przerobowi i oczyszczeniu. W tym celu oddzielana jest frakcja kwasów tłuszczowych i gliceryny surowej, a następnie odparowuje się toksyczny metanol.

Oczyszczona frakcja glicerynowa ze względu na swoją nieszkodliwość i nietoksyczność znajduje szerokie zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu, między innymi w przemyśle farmaceutycznym, kosmetycznym, spożywczym, chemicznym, tekstylnym oraz do produkcji powłok celulozowych, żywic alkidowych oraz pochodnych estrowych. Gliceryna przeznaczona na sprzedaż powinna odpowiadać normom czystości spożywczej lub farmaceutycznej dlatego tak ważne są procesy oczyszczania frakcji glicerynowej, tak aby mogła być ona dalej wykorzystana [6,7].

Doniesienia literaturowe wskazują na wiele dostępnych metod chemicznych

i fizycznych prowadzących do oczyszczenia fazy glicerynowej, stanowiącej odpad

z produkcji biopaliwa. Niestety konieczność oczyszczania tego odpadowego produktu

powoduje zmniejszenie konkurencyjności frakcji glicerynowej [8,9]. Jednocześnie, ze

względu na duże ilości powstającej frakcji glicerynowej, poszukuje się innych

sposobów jej wykorzystania zarówno ze względów ekonomicznych jak

i ekologicznych. Istotne byłoby zatem, wykorzystanie odpadowej frakcji glicerynowej

bez konieczności jej wcześniejszego oczyszczania. Jedną z możliwości może być

wykorzystanie jej jako źródła węgla i energii w procesach biokonwersji

mikrobiologicznej prowadzącej do otrzymania wysokowartościowych produktów takich

jak związki organiczne otrzymywane dotychczas na drodze chemicznej z surowców kopalnych lub fermentacji z wykorzystaniem węglowodanów [10].

Przy wykorzystaniu odpowiednich drobnoustrojów zdolnych do procesu fermentacji, można przemysłowo z wysoką wydajnością wykorzystać frakcję glicerynową bez konieczności jej wcześniejszego oczyszczania. W wyniku procesu fermentacji z użyciem nieoczyszczonej frakcji glicerynowej oraz bakterii Klebsiella Pneumoniae, otrzymać można propano-1,3-diol [2,11], wykorzystywany głównie jako monomer do produkcji biodegradowalnych monoestrów, poliuretanów czy smarów.

Kolejnym możliwym produktem jest 1,3-dihydroksypropan-2-on (dihydroksyaceton) [7,12], etanol [2,7,11], wodór [7] oraz wiele kwasów organicznych w tym kwas bursztynowy [2,13], cytrynowy [14,15], szczawiowy [15] czy mlekowy [16,17].

Podczas procesu fermentacji używa się między innymi bakterii z rodziny Acetobacter xylinium, Propionibacterium, Actinobacillus Succinogenes, Aspergillus Niger, Y. lipolytica czy Enterobacter aerogenes. Rodzaj zastosowanego szczepu oraz warunki prowadzenia procesu decydują o składzie jakościowym i ilościowym powstałej brzeczki pofermentacyjnej [2,7,10,11,12,13,18].

Procesy fermentacyjne są bezpieczne i przyjazne dla środowiska, co powoduje, że w ostatnich czasach nastąpił znaczny wzrost produkcji substancji organicznych otrzymywanych w procesach biotechnologicznych. W ten sposób ogranicza się produkcję na drodze syntezy chemicznej, co pozwala na zmniejszenie powstających szkodliwych zanieczyszczeń.

W związku z rosnącym zainteresowaniem metodami biotechnologicznymi istotne

jest opracowanie skutecznej, bezodpadowej i bezpiecznej dla środowiska naturalnego

metody separacyjnej. Na rysunku 1 przedstawiono ideowy schemat otrzymywania

kwasów organicznych z zastosowaniem metod fermentacyjnych. Okazuje się, że przy

odpowiednim doborze mikroorganizmów oraz źródła węgla można przeprowadzić

proces fermentacji uzyskując pożądany produkt z wysoką wydajnością. Należy jednak

pamiętać o tym, że w procesie fermentacji oprócz produktu głównego, powstaje szereg

produktów ubocznych w tym różne kwasy organiczne. Dodatkowo w brzeczce

pofermentacyjnej pozostają nieprzereagowane substancje takie jak: frakcja glicerynowa,

cukier oraz sole nieorganiczne. W związku z tym największym problemem z jakim

należy zmierzyć się opracowując biotechnologiczny proces otrzymywania kwasów organicznych jest selektywne wydzielenie pożądanego produktu [5,15,16,17,19,20,21].

Rys.1. Przykładowy schemat otrzymywania kwasów organicznych metodą fermentacji.

W literaturze przedstawiony jest szereg różnych sposobów wydzielania kwasów

organicznych z brzeczki pofermentacyjnej stosowanych zarówno w skali laboratoryjnej

jak i przemysłowej. Do najczęściej stosowanych metod należą: metoda strąceniowa oraz

ekstrakcja [22,23,24].

II. Część teoretyczna

1. Charakterystyka badanych kwasów organicznych 1.1. Kwas szczawiowy

Kwas szczawiowy, inaczej kwas etanodiowy (Rys.2), jest najprostszym i jednocześnie najmocniejszym kwasem dikarboksylowym. Rozpuszcza się on w wodzie oraz w rozpuszczalnikach organicznych takich jak etanol czy eter dietylowy.

Pozostałe właściwości przedstawiono w tabeli 1. Naturalnie występuje w roślinach i warzywach w postaci soli sodowych lub potasowych. W organizmie ludzkim wytwarzany jest w wyniku metabolizmu kwasu glioksalowego lub askorbinowego.

W związku z brakiem jego dalszego metabolizmu wydalany jest z organizmu człowieka wraz z moczem. W przypadku spożywania dużych ilości produktów zawierających kwas szczawiowy, powstać może nierozpuszczalny szczawian wapnia, który ostatecznie prowadzić może do kamicy nerkowej lub niedoboru wapnia w organizmie ludzkim.

Dodatkowo kwas szczawiowy ma duże powinowactwo do innych metali, co przy jego dużym spożywaniu powodować może dodatkowo niedobór metali pełniących ważną rolę, między innymi żelaza, manganu czy magnezu [25,26,27].

Rys.2. Wzór strukturalny kwasu szczawiowego.

Tabela 1. Właściwości fizykochemiczne kwasów organicznych. Na podstawie [26,28].

Kwas szczawiowy Kwas mlekowy Kwas winowy Wzór sumaryczny C

H

O

C

H

O

C

H

O

Masa molowa,

g·mol

90,03 90,08 150,09

Kwasowość pKa

=1,27

pKa

=4,27 pKa

=3,85 pKa

=3,00 pKa

=4,39 Rozpuszczalność w

wodzie, g/100g 14,3 Całkowita

rozpuszczalność 133

Kwas szczawiowy posiada szereg cennych zastosowań. Stosowany jest on zarówno

jako odczynnik w metodach analitycznych, jak również jako substrat w wielu syntezach

chemicznych. Ze względu na swoje właściwości, kwas szczawiowy stosowany jest

również jako środek wybielający oraz do usuwania plam z rdzy lub atramentu. Ostatnio zaproponowano użycie kwasu szczawiowego w hydrometalurgii do ekstrakcji metali ciężkich z minerałów takich jak kaolin, glina czy boksyt [29,30]. Kwas szczawiowy stosowany jest również w procesach barwienia oraz do bielenia kaolinu. W tym danym przypadku kwas szczawiowy jest najlepszym wyborem spośród różnych kwasów organicznych ze względu na możliwość kompleksowania jonów żelaza z kaolinu, który następnie można bardzo łatwo usunąć [29,30]. Pozostałe zastosowania kwasu szczawiowego to przemysł tekstylny i włókienniczy, produkcja farmaceutyków oraz produkcja materiałów polerskich do metalu czy marmuru [31].

Kwas szczawiowy w skali przemysłowej produkowany jest głównie w wyniku procesów chemicznych. Najczęściej spotykaną metodą produkcji jest rozkład mrówczanów. Proces ten polega na ogrzewaniu mrówczanu sodu w temperaturze około 400°C. Następnie powstałe w wyniku działania temperatury tlenki poddawane są działaniu kwasu siarkowego(VI) [30,31,32]. Drugą metodą chemicznej produkcji kwasu szczawiowego jest utlenianie związków organicznych głównie polisacharydów oraz olefin czy glikolu przy użyciu kwasu azotowego [31,33]. Największą zaletą tych metod jest stosunkowo niska cena produkcji kwasu szczawiowego. Niestety metody chemiczne generują duże ilości toksycznych odpadów, które są bardzo szkodliwe dla środowiska naturalnego w tym między innymi tlenek azotu, który samorzutnie reaguje z tlenem tworząc trujący ditlenek azotu NO

[34].

Rys.3. Szacunkowe światowe zużycie kwasu szczawiowego. Dane na rok 2009 [35].

Światowa roczna produkcja kwasu szczawiowego sięga około 190 000 ton z czego głównym producentem oraz konsumentem są Chiny oraz kraje europejskie (Rys.3) [35].

58%

12%

8%

7%

6% 4%

3%

Chiny

Europa Indie Pozostała Azja

Tajwan Japonia

Stany

Zjednoczone Korea Pozostałe

2%

W ostatnim okresie wzrosło zainteresowanie produkcją kwasu szczawiowego ze względu na jego szerokie zastosowania [29,30,31]. W związku z tym, poszukuje się technologii pozwalających na równie tanią produkcję kwasu szczawiowego bez wydzielenia zbędnych, szkodliwych dla środowiska produktów odpadowych.

W ostatnich latach rozwój metod biotechnologicznych spowodował powstanie nowych, przyjaznych dla środowiska metod otrzymywania różnych kwasów organicznych. Pozwalają one również na mikrobiologiczną syntezę kwasu szczawiowego z udziałem różnego rodzaju mikroorganizmów. Najbardziej efektywnym mikrobiologicznym producentem kwasu szczawiowego są grzyby strzępkowe z gatunku Aspergillus Niger [29,36]. Pozostałe to między innymi Poria placenta, Sclerotinia sclerotiorum czy Penicillium bilaii [37,38,39]. W wyniku procesu mikrobiologicznej fermentacji otrzymać można kwas szczawiowy jako produkt główny, jak również jako produkt uboczny ze względu na to, iż grzyby Aspergillus Niger zdolne są do produkcji różnych kwasów organicznych na przykład kwasu cytrynowego [40]. O przebiegu oraz o wydajności procesu fermentacyjnej produkcji kwasu szczawiowego decyduje wiele czynników w tym źródło węgla, rodzaj podłoża oraz warunki prowadzenia procesu takie jak: pH, temperatura oraz obecność tlenu, azotu czy fosforu [30,41]. Najczęściej stosowanym źródłem węgla przy produkcji kwasu szczawiowego są produkty uboczne z przemysłu spożywczego i rolniczego takie jak sacharoza, glukoza, laktoza, melasa buraczana lub serwatka [15,31,42].

Większość prac dotycząca mikrobiologicznej produkcji kwasu szczawiowego wykazuje, iż najlepsze rezultaty otrzymuje się dla grzybów Aspergillus Niger w środowisku o pH 6-7 oraz przy odpowiednim nadmiarze fosforu oraz azotu.

Natomiast w przypadku procesu prowadzonego przy obniżonym pH oraz deficycie fosforu i azotu przy tym samym źródle węgla oraz rodzaju podłoża spodziewać się należy wytwarzania kwasu cytrynowego [15]. Badania prowadzone przez Santoro [42]

oraz Bohlmann i współpracowników [29] wykazały, że najlepsze wyniki przy użyciu

Aspergillus Niger uzyskano dla źródła węgla w postaci laktozy. Uzyskane wydajności

wyrażone jako stosunek ilości węgla w powstającym kwasie szczawiowym do ilości

węgla zawartego w laktozie, są dwukrotnie wyższe (0,4-0,58 kg/kg) niż w przypadku

zastosowania innych źródeł węgla, między innymi glukozy czy

fruktozy (0,1-0,3 kg/kg) [29,42,43].

Musiał ze współpracownikami [44] przeprowadziła badania dotyczące produkcji kwasu szczawiowego z wykorzystaniem odpadowej frakcji glicerynowej powstałej po produkcji biodiesla. W badaniach wykorzystano różne mutanty szczepu Aspergillus Niger, a frakcja glicerynowa (o zawartości glicerolu około 45% pozostałe 55% to kwasy tłuszczowe, estry i mydła) stanowiła źródło węgla i energii w procesie fermentacji.

Proces produkcji kwasu szczawiowego prowadzono przez 7 dni, w warunkach obniżonego pH równym 4. Pomimo niskiej wartości pH, dla większości badanych szczepów, kwas szczawiowy stanowił główny produkt procesu fermentacji, a uzyskane stężenia produktu były znacznie wyższe niż w przypadku dotychczas stosowanych źródeł węgla w postaci cukrów. Na podstawie tych badań stwierdzić można, że frakcja glicerynowa może być dobrym źródłem węgla i energii w procesach fermentacji prowadzącej do otrzymania kwasu szczawiowego. W związku z tym prowadzone w tym zakresie badania mogą w przyszłości przynieść korzyści zarówno ekologiczne jak i ekonomiczne podczas produkcji kwasu szczawiowego [44].

1.2. Kwas mlekowy

Kwas mlekowy (Rys.4) czyli kwas 2-hydroksypropanowy, jest najczęściej występującym hydroksykarboksylowym kwasem z asymetrycznym atomem węgla o dwóch enancjomerach, kwas D(-) i L(+) mlekowy. Kwas mlekowy jest pozbawioną zapachu, bezbarwną substancją o właściwościach bakteriostatycznych i bakteriobójczych. Pozostałe właściwości fizykochemiczne przedstawione zostały w tabeli 1. W przemyśle wykorzystującym kwas mlekowy, preferowana jest forma L(+), ponieważ forma D(-) może być szkodliwa dla organizmu człowieka. Ze względu na obecność grupy karboksylowej oraz hydroksylowej, kwas mlekowy posiada szerokie możliwości użycia go jako substratu do wielu syntez oraz reakcji chemicznych prowadzących do otrzymania wysokowartościowych produktów o cennym znaczeniu przemysłowym.

Rys.4. Enancjomery kwasu mlekowego. (a) Kwas L(+) mlekowy, (b) kwas D(-)

mlekowy.

Kwas mlekowy jest naturalnym kwasem organicznym, powstającym w wyniku fermentacji mlekowej. Występuje on między innymi w produktach mleczarskich, np.

kefirze czy jogurcie oraz w pieczywie, nadając produktom kwaskowy smak [45,46,47].

W organizmie ludzkim kwas mlekowy powstaje podczas intensywnego wysiłku fizycznego, przy wystarczającej ilości tlenu staje się jedynie produktem pośrednim, przekształconym następnie do kwasu cytrynowego, a później spalanym do wody i CO

. Jednak w momencie kiedy do mięśni jest dostarczona niewystarczająca ilość tlenu kwas mlekowy odkłada się w tkance mięśniowej powodując powstawanie bólu podczas intensywnych ćwiczeń fizycznych.

Kwas mlekowy ze względu na swoje właściwości, znajduje szerokie zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu. W ostatnim czasie kwas mlekowy wzbudził szerokie zainteresowanie w związku z możliwością wykorzystania go jako surowca do produkcji biodegradowalnych polimerów – poli(kwasu mlekowego) (PLA) [48,49]. W wyniku reakcji polimeryzacji można otrzymać przyjazny środowisku, biokombatybilny polimer będący alternatywą dla tworzyw sztucznych pochodzących z przemysłu petrochemicznego [17,50]. W przypadku zastosowania kwasu mlekowego jako surowca do produkcji polimerów, ważne jest, aby proces fermentacji był ściśle kontrolowany, a warunki jego prowadzenia były jak najlepiej dobrane, ponieważ czystość kwasu mlekowego ma istotny wpływ na jakość i cenę otrzymywanego tworzywa sztucznego [48,51]. Biopolimery kwasu mlekowego, wykorzystywane są w szerokim zakresie, głównie jako materiały opakowaniowe produktów spożywczych oraz napojów, jak również w branży biurowej i gospodarstwie domowym. Tworzywa te, cechuje odporność na zgniecenia, podatność na formowanie, zwilżalność, elastyczność, wytrzymałość oraz cenioną w produkcji materiałów opakowaniowych przezroczystość [48,51,52].

Kolejne zastosowanie kwas mlekowy znalazł w przemyśle spożywczym, jako

polepszacz smaku oraz konserwant i emulgator, głównie w przemyśle piekarniczym,

w produktach cukierniczych, przetworach owocowych i warzywnych, przy produkcji

napojów dla uwydatnienia naturalnego aromatu owocowego. Kwas mlekowy stosowany

jest również w przemyśle garbarskim i tekstylnym oraz do produkcji ekologicznych

i biodegradowalnych rozpuszczalników. Dodatkowo dzięki właściwościom

nawilżającym, bakteriobójczym, oczyszczającym i złuszczającym używany jest często

w przemyśle kosmetycznym i farmaceutycznym, głównie do produkcji środków higieny osobistej regulujących pH oraz preparatów dermatologicznych [53,54,55,56].

W związku z szerokim zastosowaniem kwasu mlekowego, głównie w przemyśle spożywczym oraz użyciem go do produkcji biodegradowalnych tworzyw sztucznych, światowa produkcja oraz zużycie tego kwasu znacznie wzrasta. Według danych literaturowych w roku 2012 wynosiła ona około 260 000 ton rocznie co jest wartością dwukrotnie wyższą w porównaniu do lat wcześniejszych (rok 2007). Największym producentem oraz konsumentem kwasu mlekowego są Stany Zjednoczone, kraje Europy Zachodniej oraz Chiny. Prognozuje się, iż rozwój przemysłu przyczyni się do dalszego wzrostu ilości produkowanego kwasu mlekowego (Rys.5) [55,57].

Rys.5. Szacunkowe światowe zużycie kwasu mlekowego. Dane na rok 2012 [57].

Kwas mlekowy otrzymać można metodami chemicznymi [58,59] jak również w wyniku procesu fermentacji. Jedną z możliwości chemicznej produkcji kwasu mlekowego jest synteza przebiegająca z udziałem aldehydu octowego oraz cyjanowodoru do wytworzenia nitrylu kwasu mlekowego. Dalej poprzez szereg procesów destylacji, hydrolizy z udziałem kwasu siarkowego bądź chlorowodorowego i estryfikacji metanolem otrzymuje się oczyszczony kwas mlekowy [59]. Inne metody chemicznej produkcji kwasu mlekowego to między innymi, degradacja cukrów w obecności zasadowego katalizatora, utlenianie glikolu propylenowego, tlenku węgla i wody w warunkach podwyższonego ciśnienia i temperatury, jak również hydroliza kwasu chloropropionowego czy utlenianie propylenu [55]. W wyniku zastosowania procesów chemicznej produkcji kwasu mlekowego otrzymuje się mieszaninę racemiczną dwóch enancjomerów, w związku z czym potrzebne są dalsze operacje

33%

13% 18%

9%

7%

7%

5%

3% 2%

1%

2%

Stany Zjednoczone

Europa zachodnia Chiny

Centralna i Południowa Ameryka Japonia Centralna

i wchodnia Europa Pozostała Azja

Kanada

Meksyk Oceania

Pozostałe

pozwalające na ich rozdział. Procesy fermentacyjne natomiast, przy doborze odpowiednich bakterii czy grzybów pozwolić mogą na otrzymanie produktu w postaci jednego z dwóch izomerów, produktu optyczne czystego, co znacznie zwiększa konkurencyjność tej metody [16].

Blisko 90% produkowanego kwasu mlekowego otrzymywane jest w procesach mikrobiologicznej konwersji [16]. Podczas fermentacyjnej metody otrzymywania kwasu mlekowego wykorzystuje się najczęściej drobnoustroje z gatunku Rhizopus [17,60]. Potencjalnymi producentami kwasu mlekowego są również Aspergillus niger [47] lub Lactobacillius [50]. Rodzaj Rhizopus należy do grzybów strzępkowych.

Porównując te grzyby do bakterii okazuje się, że gatunek Rhizopus ma dużo mniejsze wymagania żywnościowe, poza źródłem węgla wymagają jedynie soli nieorganicznych, dodatkowo są bardziej odporne na środowisko kwasowe [17,60]. Proces produkcji kwasu mlekowego z wykorzystaniem grzybów Rhizopus ma charakter tlenowy.

Szczepy te są zdolne wykorzystywać jako źródło węgla i energii zarówno sacharydy proste, dwucukry, jak również polisacharydy. Najczęściej jako źródło węgla stosuje się melasę, surowce skrobiowe w tym kukurydzę czy ziemniaki oraz surowce lignocelulozowe, takie jak słoma lub odpady drzewne [50,53].

Pałys i współpracownicy [61] wykazali, że na wzrost wydajności produkcji kwasu mlekowego ma wpływ zarówno rodzaj zastosowanego mikroorganizmu oraz źródła węgla i energii, jak również dobór odpowiedniego stosunku węgla i azotu w pożywce, temperatury, formy morfologicznej grzybów, pH podłoża oraz napowietrzeniu bioreaktora. Wykazano również znacznie zwiększoną wydajność produkcji kwasu mlekowego po unieruchomieniu grzybni na nośniku, na przykład na piance poliuretanowej czy tkaninie bawełnianej [61].

1.3. Kwas winowy

Kwas winowy (Rys.6), jest to związek organiczny z grupy hydroksykwasów

dikarboksylowych zawierający dwie grupy hydroksylowe. Naturalnie występuje

w owocach, zwłaszcza w winogronach, w postaci wolnej i w postaci soli. Jest

to krystaliczne ciało stałe o właściwościach przedstawionych w tabeli 1. Kwas winowy

jest nietoksyczny, w organizmie człowieka występuje w skórze jako metabolit

węglowodanów. Występuje jako izomer L (naturalny), o konfiguracji R,R czyli

kwas (+) winowy, izomer D o konfiguracji S,S czyli kwas (-) winowy, oraz kwas mezo-winowy o konfiguracji R,S [32,62].

Kwas winowy głównie stosowany jest w przemyśle spożywczym jako przeciwutleniacz oraz regulator kwasowości szczególnie przy produkcji serów topionych oraz w przemyśle winiarskim. Kwas winowy posiada silne właściwości prebiotyczne w związku z czym stosowany jest w medycynie jako środek o działaniu antyseptycznym i przeciwzapalnym. W przemyśle farmaceutycznym stosowany jest również jako substancja stabilizująca oraz oczyszczająca w przemyśle kosmetycznym.

Ponadto, kwas winowy używany jest jako substancja wyjściowa w wielu syntezach chemicznych oraz w analizie chemicznej do wykrywania jonów potasu [24,63,64].

Rys.6. Izomery kwasu winowego. (a) Kwas L(+) winowy, (b) kwas D(-) winowy, (c) kwas mezowinowy.

Kwas winowy można otrzymać na wiele sposób. Tradycyjnie produkuje się go poprzez ekstrakcję surowego winianu potasu, pozyskiwanego w winiarstwie. Inną metodą jest metoda chemiczna produkcji kwasu winowego z bezwodnika maleinowego.

Światowa roczna produkcja kwasu winowego osiąga około 80 000 ton z czego ponad

50% zostaje wykorzystane w przemyśle spożywczym. Przewiduje się w najbliższych

latach wzrost produkcji kwasu winowego ze względu na światowy wzrost jego

konsumpcji, poprzez produkcję nowych napojów o różnorodnych smakach oraz

zwiększenie produkcji wina w wielu regionach świata. Największe zużycie kwasu

winowego występuje w krajach europejskich i sięga blisko 40% światowej produkcji

(Rys.7) [65].

Rys.7. Szacunkowe zużycie kwasu winowego. Dane na rok 2013 [65].

Największy udział w produkcji kwasu winowego odgrywa fermentacja.

W badaniach nad produkcją kwasu winowego na drodze fermentacji wykorzystuje się między innymi mikroorganizmy z gatunku Leucosporidium Fellini. Gimenez-Jurado wraz ze współpracownikami [19] przeprowadził badania, w których porównano różne źródła węgla w tym glukozę, galaktozę, maltozę czy glicerol na zdolność różnych odmian Leucosporidium fellini do produkcji kwasów organicznych. Okazuje się, że przy doborze odpowiedniego źródła węgla oraz warunków prowadzenia procesu fermentacji można otrzymać kwas winowy z wysoką wydajnością [19].

Jedną z możliwości produkcji kwasu winowego jest jednoetapowa biokonwersja z cis-epoksy kwasu bursztynowego (CES) przy użyciu Nocardia tartaricans oraz Acetobacter curtus, Corynebacterium sp., Acinetobacter tartarogenes, Agrobacterium aureum, Rhizobium Validum, Pseudomona ssp. oraz Rhodococcus rhodochrous, których komórki zawierają enzym - hydralazę CES [20,62,66,67,68]. Wang wraz ze współpracownikami [62] przeprowadził badania biokonwersji cis-epoksy bursztynianu sodu do kwasu winowego z użyciem Nocardia tartaricans i E.coli. W badaniach tych przeanalizowano wpływ składu podłoża, natężenia przepływu przy ciągłej biokonwersji na unieruchomionym złożu oraz wpływ szybkości mieszania na zdolność produkcyjną kwasu winowego. Z przeprowadzonych badań wynika, że przy odpowiednim doborze warunków można uzyskać kwas winowy z wydajnością około 30 g·dm

·h

przy konwersji bursztynianu ponad 90%, co świadczy o wysokiej efektywności procesu produkcji kwasu winowego. W badaniach tych przeprowadzono również próbę

44%

14%

13%

10%

8%

6% 3%

2%

Europa

Stany Zjednoczone Azja

Oceania Centralna i południowa Ameryka

Afryka i środkowy wschód Meksyk Kanada

powiększenia produkcji kwasu winowego, która wykazała, iż w ten sposób można efektywnie i bez przeszkód produkować kwas winowy na skalę przemysłową [62].

2. Metody wydzielania składników brzeczek pofermentacyjnych 2.1. Strącanie

Obecnie, podstawową metodą wydzielania kwasów z brzeczki pofermentacyjnej jest metoda strąceniowa z użyciem wodorotlenku wapnia lub potasu [23,24,69].

Szczegółowo można przedstawić ten proces na przykładzie kwasu winowego [24].

Zarówno w przypadku produkcji kwasu winowego metodą chemiczną jak i metodą fermentacyjną, otrzymywany kwas winowy występuje w postaci soli potasowych lub sodowych, które następnie należy w wyniku szeregu procesów chemicznych przekształcić w kwas winowy. Przykładowy schemat tradycyjnej produkcji kwasu winowego przedstawiono na rysunku 8.

Rys.8. Przykładowy schemat tradycyjnej metody produkcji kwasu winowego. Na podstawie [24].

Otrzymany winian sodu lub potasu, ulega strąceniu w wyniku dodania

wodorotlenku wapnia. Wydzielona sól wapniowa otrzymywanego kwasu po

przepłukaniu traktowana jest kwasem siarkowym w wyniku czego otrzymuje się

H

C

O

i osad CaSO

. Następnym etapem są procesy oczyszczania, między innymi

odbarwienie na węglu aktywnym, wymiana jonowa, kolejno procesy: zatężania,

krystalizacji i odwadniania. W wyniku szeregu różnych procesów powstaje kwas

winowy. Taki sposób wydzielania kwasów organicznych jest jednak wysoce

energochłonny i powoduje powstawanie znacznych ilości gipsu jako produktu

ubocznego [24]

Analogiczny proces odzysku kwasu winowego zaproponował Yalcin i współpracownicy [23]. Prowadzili oni badania dotyczące między innymi odzysku kwasu winowego z roztworu odpadowego po produkcji wina i soków. Roztwór po usunięciu zanieczyszczeń na węglu aktywnym poddano działaniu KOH w podwyższonej temperaturze. Następnie powstały winian potasu został zakwaszony, a powstałe jony K

oraz SO

usunięte zostały w procesie wymiany jonowej.

Ostatecznie roztwór kwasu winowego zatężono oraz poddano krystalizacji w temperaturze 4°C [23].

Inną możliwością jest zastosowanie metody strąceniowej z użyciem amoniaku.

Badania wydzielenia kwasu bursztynowego były prowadzone w skali laboratoryjnej przez Berglund oraz współpracowników [70], jak również Yedur i współpracowników [71]. Zastosowanie amoniaku w porównaniu do wodorotlenku wapnia, spowodowało zmniejszenie ilości wytwarzanych produktów ubocznych oraz możliwość odzysku stosowanych w procesie separacji związków w tym amoniaku i kwasu siarkowego.

Jednakże selektywność procesu jest znacznie niższa poprzez jednoczesne strącenie współobecnych w brzeczce fermentacyjnej pozostałych kwasów organicznych [72].

2.2. Ekstrakcja

Jednym z najstarszych typów ekstrakcji jest ekstrakcja typu ciecz-ciecz, która jest w dalszym ciągu stosowana z dużym powodzeniem głównie do ekstrakcji związków organicznych z roztworów wodnych [73]. W związku z tym w wielu pracach rozpatruje się zastosowanie procesu ekstrakcji rozpuszczalnikowej jako alternatywnej metody wydzielania kwasów organicznych z brzeczki pofermentacyjnej. Analiza literaturowa wykazuje, że najczęściej podczas ekstrakcji kwasów organicznych stosowanymi ekstrahentami są aminy. Dla przykładu przeprowadzony został szereg badań dotyczących ekstrakcji kwasu mlekowego z zastosowaniem trioktyoaminy [74,75], tridecyloaminy [76,77] czy mieszaniny trioktyloaminy oraz tridecyloaminy [78,79,80].

Bardzo często do ekstrakcji kwasów organicznych stosuje się również pochodne kwasu fosforowego [81] oraz pochodne fosfonowe [82].

Kyuchoukov ze współpracownikami [22] prowadził w związku z tym badania

dotyczące ekstrakcji kwasu mlekowego, wydzielając go z modelowej bądź rzeczywistej

brzeczki pofermentacyjnej. Badania te dotyczyły ekstrakcji kwasu mlekowego

z użyciem długołańcuchowych trzeciorzędowych amin. W eksperymentach tych, zastosowano ekstrahenty: tridodecyloaminę (Alamine 304), triizooktyloaminę (Alamine 308), triizodecyloaminę (Alamine 310), mieszaninę trioktyloaminy oraz tridecyloaminy (Alamine 336) oraz trioktyloaminę (TOA) i tridecyloaminę (TDA). Jako rozpuszczalnik zastosowano alkohol oleilowy oraz dodekan. W badaniach tych analizowano głównie wpływ rodzaju zastosowanej aminy, rodzaju rozpuszczalnika oraz całkowitego składu fazy organicznej na wydajność procesu ekstrakcji.

Rys.9. Wpływ stężenia aminy na współczynnik podziału podczas ekstrakcji kwasu mlekowego dla różnych amin. Skład fazy organicznej 20% v/v dodekan, amina oraz alkohol oleinowy. ● Alamine 304, ○ Alamine 308, ▲ Alamine 310, Δ Alamine 336, ■ TOA, □ TDA [22].

Uzyskane przez Kyuchoukova wyniki badań (Rys.9) wykazują, że zdolność zastosowanych do ekstrakcji amin zależy od ich stężenia. Obserwuje się, że przy stężeniu aminy w zakresie od 20 do 40% uzyskuje się najwyższy współczynnik podziału. Przykładowo dla Alamine 304 przy około 40%, dla Alamine 308 przy 30%, a dla TOA przy 25%. Wzrost stężenia czynnego rozpuszczalnika powoduje wzrost zasadowości aminy, zmienia się także rozpuszczalność ekstrahowanej substancji w fazie organicznej poprzez solwatację, jak również powstawanie kompleksów (amina-kwas-rozpuszczalnik) o różnych składach. Otrzymane wartości nie tworzą jednak żadnej zależności związanej z budową czy właściwościami ekstrahentu. Istotne byłoby zatem przeprowadzenie badań przy równym dla każdego układu stężeniu aminy lub jak w przypadku Kyuchoukova, badań przy stałej zawartości aminy, przy której osiągano maksymalną wartość współczynnika podziału. W tym przypadku obserwuje się wzrost współczynnika podziału wraz ze wzrostem udziału aktywnego rozpuszczalnika jakim był alkohol oleinowy oraz zmniejszenie wartości współczynnika podziału przy zwiększeniu stężenia rozpuszczalnika obojętnego - dodekanu (Rys.10) [22].

0 1 2 3 4 5

0 20 40 60 80

D

Stężenie aminy, % v/v

Rys.10. Wpływ (a) czynnego i (b) biernego rozpuszczalnika na współczynnik podziału podczas ekstrakcji kwasu mlekowego przy stałym stężeniu aminy. ● 40%

Alamine 304, ▲ 30% Alamine 308, ■ 25% TOA, ○ 40% Alamine 304, Δ 30%

Alamine 308, □ 25% TOA [22].

Autorzy przeprowadzili również proces ekstrakcji, w którym fazę organiczną stanowiła wyłącznie czysta amina, współczynnik podziału wzrastała wówczas zgodnie z następującym szeregiem,

Alamine 310>Alamine 304>TDA>Alamine 308>Alamine 336>TOA.

W przypadku użycia aminy rozpuszczonej w rozpuszczalniku w ilości gwarantującej uzyskanie maksymalnej wartości współczynnika podziału otrzymano odwrotny porządek stosowanych amin. Najwyższy współczynnik podziału uzyskano dla TOA, najniższy zaś dla Alamine 310. Wartości te przedstawiono w tabeli 2 [22].

Tabela 2. Wartości współczynnika podziału (D) w zależności od składu fazy organicznej [22].

Amina D Amina z

rozpuszczalnikiem

Amina (% v/v)

D

TOA 0,23 Alamine 310 40 2,98

Alamine 308 0,35 Alamine 304 40 3,11

TDA 0,38 TDA 30 3,17

Alamine 336 0,76 Alamine 308 30 3,32

Alamine 304 0,80 Alamine 336 20 3,79

Alamie 310 0,81 TOA 25 3,93

Poza doborem odpowiedniego ekstahentu, bardzo ważny jest również dobór odpowiedniego rozpuszczalnika. Należy wziąć pod uwagę budowę chemiczną, a w szczególności obecność grup funkcyjnych w rozpuszczalniku. Jak wskazują doniesienia literaturowe związki posiadające w swojej strukturze atom z wolną parą

0 1 2 3 4 5 6

0 10 20 30 40 50 60 70

D

Stężenie alkoholu oleinowego, % v/v 0 1 2 3 4 5 6

0 10 20 30 40 50 60 70

D

Stężenie dodekanu, % v/v

a) b)

elektronową jak również atomem tlenu lub chloru wykazują lepsze właściwości podczas ekstrakcji kwasów organicznych [83]. W przypadku ekstrakcji związków organicznych o charakterze hydrofobowym np. związków zawierających pierścień aromatyczny zaleca się zastosowanie rozpuszczalnika niepolarnego w tym najczęściej toluenu.

Natomiast do ekstrakcji związków o charakterze hydrofilowym np. związków zawierających grupy hydroksylowe czy karboksylowe oczekiwać należy dobrej rozpuszczalności w rozpuszczalniku polarnym, między innymi w ketonie metyloizobutylowym (MIBK) czy oktanolu. Należy jednak zwrócić uwagę na fakt, iż rozpuszczalniki o zbyt wysokiej polarności powodować mogę wzrost rozpuszczalności w fazie wodnej przez co mogą wystąpić straty rozpuszczalnika podczas ekstrakcji, a także należy liczyć się z trudnością rozdziału faz po procesie.

Podczas procesu ekstrakcji w fazie organicznej istnieje możliwość powstawania kompleksów o różnych składach. Jak wskazują doniesienia literaturowe rodzaj zastosowanego rozpuszczalnika wpływa również na powstający kompleks.

Tamada [84,85] wraz ze współpracownikami przeprowadził badania ekstrakcji kwasów organicznych: kwasu octowego, mlekowego, fumarowego, bursztynowego oraz maleinowego. W badaniach tych wykazano, iż w przypadku zastosowania aktywnych rozpuszczalników protycznych następuje stabilizacja kompleksu kwasu do ekstahentu w stosunku 1:1. Wynika to prawdopodobnie z możliwości tworzenia wiązań wodorowych pomiędzy atomem tlenu z grupy karboksylowej kwasu, a atomem wodoru z rozpuszczalnika [84,85]. W przypadku nadmiaru kwasu organicznego względem ekstahentu, powstaje kompleks o wyższym stosunku kwasu organicznego do ekstrahentu niż 1:1, uważa się wówczas za słuszne zastosowanie aktywnych rozpuszczalników aprotycznych. Wykazują one bowiem preferencję do stabilizacji kompleksów o składzie kwasu organicznego do ektrahentu 2:1 [84,85].

Podczas procesu ekstrakcji można również stosować mieszaniny rozpuszczalników,

ponieważ właściwości utworzonej mieszaniny mogą przynieść lepsze rezultaty niż

pojedynczych rozpuszczalników. Poza polarnością ważnym czynnikiem również jest

jego gęstość, im większa różnica gęstości tym szybciej i dokładniej dojdzie do

rozdzielenia faz. Należy jednak zwrócić uwagę na możliwość uzyskania mętnego

roztworu poprzez wytworzenie emulsji [73].

Inci [86] przeprowadził badania dotyczące ekstrakcji kwasu winowego przy użyciu Amberlite LA-2, rozpatrując wpływ zastosowanego rozpuszczalnika oraz stężenia wyjściowego kwasu winowego. Do badań użyto cykloheksan, izooctan, MIBK, 1-oktanol oraz heksan. Jak wskazują wyniki przeprowadzonych badań, najlepsze rezultaty uzyskano dla polarnych rozpuszczalników, takich jak MIBK oraz 1-oktanol, co związane jest z hydrofilowym charakterem ekstrahowanego związku. Przy użyciu MIBK maksymalna ekstrakcja kwasu winowego wynosiła nawet 91%. Najwyższą wydajność procesu ekstrakcji uzyskaną dla najwyższych wartości stężenia ekstrahentu uzyskano zgodnie z szeregiem:

MIBK>1-oktanol>izooctan>cykloheksan>heksan.

Analizując natomiast, wpływ stężenia początkowego kwasu winowego zauważyć można, że wzrost stężenia kwasu winowego powoduje spadek współczynnika podziału (Rys.11), a więc zdolność do ekstrakcji kwasu winowego zmniejsza się wraz ze wzrostem stężenia początkowego kwasu winowego [86].

Rys.11. Wpływ stężenia początkowego kwasu winowego na współczynnik podziału pomiędzy ekstahentem, a fazą wodną. Na podstawie [86].

W procesach fermentacyjnych powstają brzeczki zawierające głównie mieszaninę kwasów organicznych. Nawet przy odpowiednim doborze warunków prowadzenia procesu, w tym rodzaju użytego źródła węgla i energii oraz stosowanego mikroorganizmu, otrzymuje się poza występującym w znaczącej przewadze produktem głównym, szereg produktów ubocznych. W związku z tym, przeprowadzone zostały również badania nad procesem ekstrakcji z użyciem mieszanin kwasów organicznych.

Marinova [87] przeprowadziła badania ekstrakcji kwasu winowego i mlekowego z użyciem TBP, TOA, Aliquat 336 jako ekstrahentów oraz 1-dekanolu i dodekanu jako rozpuszczalników. Rozpatrzono wpływ składu fazy organicznej, stężenia

0 20 40 60 80 100

0 0,25 0,5 0,75 1

D

C₀, mol·dm^-3

rozpuszczalnika i ekstrahentu na ich zdolność do ekstrakcji kwasów organicznych.

W badaniach rozpatrzono ekstrakcję pojedynczych kwasów organicznych, jak również ich wydzielenie z modelowego roztworu mieszaniny kwasu winowego i mlekowego o składzie odpowiadającym mieszaninie rzeczywistej otrzymywanej w przemyśle winnym. Celem prowadzonych badań było otrzymanie takich warunków prowadzenia procesu ekstrakcji, przy których nastąpi selektywny rozdział kwasu winowego i mlekowego. Podczas doboru rozpuszczalnika okazało się, że najlepsze rezultaty otrzymano dla układu TOA/1-dekanol/dodekan oraz dla układu TBP/dodekan.

Zastosowanie tych układów pozwoliło na uzyskanie wysokich wartości stopnia ekstrakcji oraz wykazało potencjalną możliwość selektywnego rozdziału kwasu winowego i mlekowego (Tabela 3).

Tabela 3. Stopień ekstrakcji (E) oraz stosunek współczynników podziału (D

/D

) dla kwasu winowego oraz mlekowego w zależności od zastosowanego rozpuszczalnika. Stężenie początkowe kwas winowy 4,728 g·dm

, kwas mlekowy 8,206 g·dm

[87].

Rozpuszczalnik (v/v)

E (%) Kwas winowy

E (%) Kwas mlekowy

D

/D

70% TBP,

30% dodekan 21,22 40,29 0,399

15% TOA, 15% 1-dekanol,

70% dodekan

92,93 53,42 11,459

Rys.12. Wpływ stężenia TOA na współczynnik podziału (1) kwasu winowego (2) kwasu mlekowego. (a) Ekstrakcja pojedynczych kwasów. Stężenie początkowe: kwas winowy: 4,813 g·dm

, kwas mlekowy: 7,726 g·dm

. Skład fazy organicznej: TOA, 15% 1-dekanol, dodekan. (b) Ekstrakcja mieszaniny kwasów. Stężenie początkowe: kwas winowy: 4,565 g·dm

, kwas mlekowy:

7,448 g·dm

. Skład fazy organicznej: TOA, 15% 1-dekanol, dodekan [87].

0 5 10 15 20 25

0 20 40 60 80 100

D

TOA, % v/v

85 65 45 25 5 0 dodekan, % v/v

0 5 10 15 20 25 30 35

0 5 10 15 20 25 30 35

D

TOA, % v/v

85 80 75 70 65 60 55 50 dodekan, % v/v

1

2

1

2

a) b)

Rysunek 12 przedstawia wpływ stężenia TOA na współczynnik podziału kwasu winowego i mlekowego podczas procesu ekstrakcji pojedynczych kwasów (Rys.12a), jak również ekstrakcji kwasów z ich mieszaniny (Rys.12b). Jak można zauważyć, w przypadku kwasu mlekowego, wzrost stężenia TOA powoduje nieznaczny wzrost współczynnika podziału, zarówno dla ekstrakcji pojedynczych kwasów jak też ich mieszaniny. W przypadku kwasu winowego natomiast, obserwuje się szybki wzrost współczynnika podziału wraz ze wzrostem stężenia TOA. Maksymalną wartość w przypadku ekstrakcji pojedynczych kwasów uzyskano dla TOA o stężeniu około 30%. Następnie przy dalszym wzroście stężenia TOA obserwuje się spadek współczynnika podziału. Autorzy sugerują, że przebieg ekstrakcji kwasów organicznych z ich mieszaniny przebiega w odmienny sposób w porównaniu do ekstrakcji w układzie pojedynczych kwasów organicznych. Analizując jednak przedstawione krzywe zauważyć należy, że autorzy przeprowadzili badania ekstrakcji kwasów z mieszaniny w zmniejszonym zakresie stężenia TOA. W związku z tym, wyciągnięty przez autorów wniosek o zupełnej odmienności przebiegu procesu może być uznany za zbyt pochopny. Porównując zależności z uwzględnieniem różnicy w skali dotyczącej stężenia TOA, zauważyć należy, że zarówno dla procesu ekstrakcji pojedynczych kwasów jak i ekstrakcji z ich mieszaniny wpływ stężenia TOA na współczynnik podziału kwasów jest bardzo zbliżony.

Rys.13. Wpływ stężenia TOA na (1) czystość kwasu winowego (P

) w fazie organicznej oraz (2) na stosunek współczynników podziału kwasu mlekowego i winowego (a) ekstrakcja pojedynczych kwasów. Stężenie początkowe: kwas winowy: 4,636 g·dm

, kwas mlekowy: 7,458 g·dm

. Skład fazy organicznej:

TOA, 1-dekanol, dodekan, stosunek objętościowy TOA:1-dekanol=1:1.

(b) ekstrakcja mieszaniny kwasów. Stężenie początkowe: kwas winowy:

4,565 g·dm

, kwas mlekowy: 7,448 g·dm

. Skład fazy organicznej: TOA, 15%

1-dekanol, dodekan [87].

2 4 6 8 10 12 14 16

35 40 45 50 55 60 65

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Dwinowy/Dmlekowy

PA, %

TOA, % v/v 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

dodekan, % v/v

2

0 5 10 15 20 25 30

50 53 56 59 62 65

5 10 15 20 25 30

Dwinowy/Dmlekowy

PA, %

TOA, % v/v 80 75 70 65 60 55

dodekan, % v/v

1

2

1

a) b)

Rysunek 13 przedstawia wpływ stężenia TOA na czystość kwasu winowego (P

) oraz stosunek współczynników podziału kwasu winowego (D

) i mlekowego (D

), zwany również selektywnością, uzyskany podczas procesu ekstrakcji pojedynczych kwasów oraz ich mieszaniny. Jak można zauważyć wzrost stężenia TOA powoduje spadek czystości kwasu winowego. Odmienną sytuację zaobserwować natomiast można analizując selektywność procesu. W przypadku ekstrakcji pojedynczych kwasów wzrost stężenia TOA początkowo powodował wzrost selektywności procesu, a następnie jego spadek. W przypadku ekstrakcji kwasów z ich mieszaniny, analizując zakres stężenia TOA do 30% (v/v) składu fazy organicznej obserwuje się podobną zależność, selektywność rośnie wraz ze wzrostem stężenia TOA.

Przy stężeniu około 30% obserwuje się powstawanie załamania, które jak można przypuszczać jest początkiem spadku selektywności. Jednakże, otrzymane na obydwu przedstawionych wykresach krzywe przecinają się w punkcie, który uznano za kompromis uzyskując w ten sposób najlepsze rozwiązanie ze względu na selektywność procesu oraz czystość kwasu. Tym samym oznacza to, że najlepsze rezultaty, zarówno dla procesu z udziałem pojedynczych kwasów jak i ich mieszaniny, otrzymano dla układu: 15% (v/v) TOA, 15% (v/v) 1-dekanol oraz 70% (v/v) dodekan (Rys.13).

W przypadku ekstrakcji kwasów z mieszaniny, dla wybranego w ten sposób układu otrzymano 90% ekstrakcję kwasu winowego oraz 40% kwasu mlekowego co świadczy o trafnym doborze układu ekstrakcyjnego oraz jego dużej i obiecującej zdolności do selektywnego wydzielenia składników mieszaniny kwasów organicznych. Dane dla ekstrakcji pojedynczych kwasów przedstawione zostały w tabeli 3 [87].

Pomimo szeregu przeprowadzonych badań i uzyskania zadowalających wyników rozdziału składników brzeczki pofermentacyjnej, metody ekstrakcyjne nie są jednakże najlepszym rozwiązaniem jako metoda separacyjna. Spowodowane jest to koniecznością zastosowania dużych ilości związków aktywnych oraz rozpuszczalników organicznych [87,88]. Stwarza to ryzyko przechodzenia do brzeczki pofermentacyjnej, jak też oczyszczonego roztworu niepożądanych związków organicznych. Powoduje to duże ograniczenia w możliwości zastosowania ekstrakcji rozpuszczalnikowej.

2.3. Sorpcja i wymiana jonowa

Wymiana jonowa jest to proces dotychczas powszechnie stosowany w procesach

oczyszczania wody, polegający na wymianie jonu na inny tego samego znaku przy

użyciu odpowiedniego wymieniacza jonowego. Wymieniacz jonowy to nierozpuszczalne ciało stałe, zdolne do wymiany jonów w nim zawartych z innymi jonami otaczającymi go w roztworze. Zbudowany jest z obojętnego wielkocząsteczkowego szkieletu i grup funkcyjnych zdolnych do dysocjacji elektrolitycznej, cechuje go w związku z tym duża masa cząsteczkowa. Najczęściej stosowanym polimerem bazowym jest polistyren oraz polimery akrylowe sieciowane wewnętrznie diwinylobenzenem. Najogólniej jonity można podzielić ze względu na rodzaj grupy funkcyjnej, w ten sposób rozróżniamy anionity (zasadowe grupy funkcyjne np. czwartorzędowe grupy amoniowe) i kationity (kwasowe grupy funkcyjne np. karboksylowa) [89].

Jak wskazują doniesienia literaturowe procesy sorpcji oraz wymiany jonowej są stosowane jako metody separacyjne składników brzeczki pofermentacyjnej. Procesy te stosowane są głównie do wydzielenia kwasu bursztynowego [90,91,92], ale również kwasu cytrynowego [93], mlekowego [94] czy winowego [95]. Zastosowanie wymiany jonowej jest bardziej korzystne niż procesy ekstrakcji rozpuszczalnikowej ze względu na prostszy układ w postaci ciało stałe-ciecz, jak również możliwość ciągłego prowadzenia procesu. Ogólnie, procesy wymiany jonowej pomimo wielu zalet w tym szerokich możliwości dostępnych jonitów, cechuje niska wydajność oraz selektywność procesu przez co, zaleca się stosowanie tej metody jako jednego z etapów końcowych procesu separacji [72].

Rincon [94] przeprowadził badania pozwalające na otrzymanie kwasu mlekowego

z brzeczki pofermentacyjnej metodą wymiany jonowej, poprzez wymianę jonu Na

pochodzącego z mleczanu sodu. Badaniu poddano pięć komercyjnie stosowanych

wymieniaczy jonowych w postaci sulfonowanych pochodnych

polistyrenodiwinylobenzenu (Amberlitc lR-120, Amberlite 200, Amberlite 252, Lewatit

S-100 oraz Dowex XVS). Najlepsze wyniki uzyskano dla Amberlite lR-120, czyli

żelowego silnie kwasowego kationowymiennego złoża o wysokiej odporności

chemicznej, dobrych właściwościach fizykochemicznych, wysoką pojemnością oraz

szybkością wymiany jonowej. Wymieniacz ten, może być regenerowany po procesie

poprzez przepłukanie roztworem kwasu chlorowodorowego. Badania prowadzone były

w skali przemysłowej, uzyskując końcowe stężenia kwasu mlekowego

bliskie 40·g·dm

, a uzyskany produkt był w pełni zdatny do użycia jako środek konserwujący w przemyśle spożywczym.

Du wraz ze współpracownikami [95] przeprowadził natomiast badania dotyczące sorpcji kwasu winowego z użyciem sorbentu D-Cu (Rys.14), czyli polimerowego wymieniacza jonowego Dowex M-4195 zawierającego chelatowy kompleks Cu

.

Rys.14. Struktura sorbentu (a) Dowex M-4195 oraz (b) D-Cu.

Sorbent ten otrzymano w wyniku przepuszczenia roztworu CuSO

przez szklaną kolumnę z wypełnieniem w postaci kulek, aż do momentu przebicia. Następnie sorbent przepłukano wodą, aż do otrzymania obojętnego odcieku, a następnie wysuszono.

W badaniach jako fazę zasilającą zastosowano modelowy roztwór odpadów z przemysłu spożywczego. Biorąc pod uwagę różne warunki prowadzenia procesu i wynikające stąd możliwości powstawania roztworów odpadowych o różnych składach, przeanalizowano wpływ pH oraz zawartość Na

SO

na zdolność sorpcyjną zastosowanego wymieniacza. Badania wykazały, że zastosowany sorbent, jest zdolny do sorpcji kwasu winowego nawet przy wysokiej zawartości siarczanu sodu.

Z teoretycznego punktu widzenia, reakcja pomiędzy sorbentem, a kwasem winowym zachodzić możne nie tylko dzięki oddziaływaniu typu elektrostatycznego lecz również oddziaływaniom typu kwas-zasada. W tym przypadku zgodnie z teorią Lewisa Cu

będzie kwasem, a anion winianowy zasadą.

Przeprowadzone badania pokazały (Rys.15), że zdolność do sorpcji kwasu

winowego początkowo rośnie wraz ze wzrostem pH, aż do pH=5, następnie do wartości

pH=8 obserwuje się pewną stabilizację bez straty wydajności procesu. Dalszy wzrost

pH powoduje znaczny i gwałtowny spadek sorpcji kwasu winowego. Przy pH>11

wartość ta jest bliska zeru. Sytuacja ta jest związana z oddziaływaniem pomiędzy

sorbentem, a anionem kwasu winowego. Przy pH=1-5 kwas winowy dysocjuje do

formy HA

lub A

(Rys.16) co powoduje wzrost sorpcji kwasu winowego w tym

przedziale pH, dalszy wzrost pH powoduje powstawanie Cu(OH)

poprzez hydrolizę jonów Cu

z sorbentu z jonami OH

z roztworu wodnego zgodnie z reakcją 1 [95].

Rys.15. Wpływ pH roztworu na sorpcję kwasu winowego przy użyciu D-Cu.

Temperatura: 25°C (0,1 g D-Cu/100 cm

roztworu zawierającego 100 mg·dm

kwasu winowego i 1% Na

SO

). Na podstawie [95].

 

2

2 OH Cu OH

Cu



 (1)

Rys.16. Udział procentowy form kwasu winowego w zależności od jego pH.

Wielokrotne zastosowanie sorbentu z jego ciągłą regeneracją (2% roztwór NaCl) nie wpływa na wydajność procesu sorpcji. Połączenie wymieniacza polimerowego z miedzią jest bardzo silne i trwałe. W związku z tym, zaproponowane rozwiązanie posiada duży potencjał badawczy i może stanowić alternatywną metodę separacji kwasu winowego z odpadowych roztworów przemysłowych [95].

2.4. Techniki membranowe

Do separacji związków organicznych z brzeczek pofermentacyjnych zastosować można szereg technik membranowych, w tym między innymi szeroko rozwiniętą

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

0 2 4 6 8 10 12

Sorpcja kwasu winowego, %

pH roztworu w stanie równowagi

w przemyśle spożywczym filtrację, w szczególności nanofiltrację (NF) oraz ultrafiltrację (UF) [96,97]. Inną możliwością może być zastosowanie odwróconej osmozy (RO), elektrodializy klasycznej (ED), elektrodializy z membraną bipolarną (EDBM), jak również różnego rodzaju membran ciekłych.

Elektrodializa, czyli membranowa technika rozdziału oparta na prądowej zasadzie separacji (siłą napędowa procesu jest różnica potencjału elektrycznego) z udziałem monopolarnych membran kationo- i anionowymiennych ułożonych naprzemiennie.

Po przyłożeniu pola elektrycznego, kationy przechodzą w stronę membran kationowymiennych (naładowanych ujemnie), na membranach anionowymiennych (naładowanych dodatnio) są natomiast zatrzymywane. Analogicznie, aniony migrują w stronę membrany anionowymiennej, na kationowymiennych są natomiast zatrzymywane. Dzięki naprzemiennemu ułożeniu membran jonowymiennych, istnieje możliwość usuwania substancji jonowych z jednego roztworu i ich zatężanie w roztworze sąsiednim [98]. Dotychczas elektrodializa stosowana była głównie do odsalania wód słonawych i słonych, oczyszczania wody pitnej z azotu, odsalania substancji organicznych lub demineralizacji roztworów organicznych. Obecnie elektrodializa stosowana jest także do otrzymywania kwasów i zasad z pofermentacyjnych roztworów soli [99]. W procesach elektrodializy stosowane są głównie membrany otrzymywane z hydrofobowych polimerów, przede wszystkim polistyrenu, polietylenu lub polisulfonu. Membrana taka powinna być selektywna, cechować się niską opornością elektryczną oraz wysoka stabilnością fizyczną i chemiczną. Dodatkowo membrany stosowane w procesie elektrodializy muszą być trwałe, stabilne w całym zakresie pH, nie mogą ulegać odkształceniom pod wpływem zmiennej temperatury czy siły jonowej [99].

W ostatnim okresie ukazał się szereg interesujących publikacji dotyczących zastosowań procesu elektrodializy z użyciem membrany bipolarnej do odzysku kwasów organicznych otrzymywanych w procesach fermentacyjnych. Badania te dotyczyły głównie kwasu mlekowego [100,101,102,103], jabłkowego [104], bursztynowego [105], fumarowego [106,107], cytrynowego [108,109] oraz winowego [110]. Membrana bipolarna jest kompozytową warstwową membraną, składa się z dwóch warstw jonowymiennych o przeciwnie naładowanych grupach (aniono- i kationowymiennej).

Jedna z warstw membrany bipolarnej jest zatem selektywna względem kationu druga

natomiast warstwa jest selektywna względem anionu. W związku z czym możliwy jest

odzysk dwóch składników co zwiększa atrakcyjność omawianego procesu. Membrana bipolarna jest podstawową częścią elektrodializera. Zasada jego działania przedstawiona jest na rysunku 17. Przykładowy roztwór soli MX wprowadzony zostaje do komory 1 i 4, w której z jednej strony znajduje się membrana aniono- a z drugiej kationowymienna. Kationy M

z komory 1 migrują przez membranę kationowymienną do komory 2, gdzie tworzą z jonami OH

, z membrany bipolarnej, roztwór zasady MOH. Natomiast aniony X

, wprowadzone do komory 4, migrują do komory 3 gdzie tworzą roztwór kwasu HX z jonem H

, który opuścił membranę bipolarną [98].

Rys.17. Schemat działania elektrodializera z membraną bipolarną. Na podstawie [98].

Szymański [107] wraz ze współpracownikami prowadził badania z zastosowaniem elektrodializy bipolarnej w separacji i zatężeniu kwasu fumarowego z modelowego roztworu brzeczki pofermentacyjnej. Analizowana brzeczka poza produktem głównym zawierała dodatkowo sole sodowe kwasu bursztynowego, octowego, cytrynowego oraz glicerol, propano-1,3-diol i sole nieorganiczne. Jak wykazano na efektywność i wydajność procesu ma wpływ gęstość prądu oraz pH brzeczki. Przy pH alkaicznym (pH 8) autorzy zaobserwowali efektywniejszy transport jonów przez membranę anionoselektywną niż w przypadku niższego pH (pH 6). Autorzy tłumaczą to całkowitą dysocjacją składników brzeczki w przypadku zastosowania wyższego pH [107].

Podobne badania prowadziła również Woźniak-Budych [106,111] wraz

ze współpracownikami. Rozpatrzono w nich wpływ konfiguracji stosu

elektrodialitycznego, pH, składu modelowego roztworu brzeczki oraz gęstości prądowej

na wydajność procesu elektrodializy bipolarnej kwasu fumarowego. Autorzy zauważyli, że wzrost gęstości prądu powoduje wzrost odsolenia kwasu fumarowego. Dodatek kwasów organicznych lub soli nieorganicznych w tym głównie chlorkowych, powoduje spadek stopnia odsolenia kwasu fumarowego, jednak można tą sytuację wyregulować wzrostem gęstości prądu [106].

Przedstawione badania wykazały, że można dokonać konwersji produktów fermentacji bakteryjnej do kwasów karboksylowych przy użyciu procesu elektrodializy z membraną bipolarną. Jednak otrzymany podczas badań zatężony produkt był w dalszym ciągu zanieczyszczony w związku z czym, proces ten nie jest w pełni selektywny. Proces elektrodializy z membraną bipolarna można zastosować jako jeden z etapów procesu separacji składników brzeczki pofermentacyjnej, polegający na konwersji soli do kwasu [106,107].

W porównaniu do konwencjonalnej elektrodializy proces ten może być bardziej opłacalny z punktu widzenia oszczędności energii oraz możliwości otrzymania czystych, zatężonych produktów, jak również obniżenia stężenia soli w odprowadzanym strumieniu co jest związane z odzyskiem wartościowych składników [99,106,107].

Przykładem zastosowania elektrodializy z wykorzystaniem membran dwubiegunowych może być również proces separacji kwasu mlekowego otrzymywanego w procesie fermentacji [100].

Rys.18. Proces produkcji oraz wydzielania kwasu mlekowego z brzeczki fermentacyjnej

z zastosowaniem elektrodializy z membraną bipolarną. Na podstawie [100].

Franken [100] zaproponował rozwiązanie z użyciem dwóch etapów elektrodializy, konwencjonalnej oraz drugiego z użyciem membrany dwubiegunowej (Rys.18).

W etapie z elektrodializą konwencjonalną mleczan sodu jest oczyszczany z zanieczyszczeń oraz zatężany, ponieważ tylko zjonizowane związki brzeczki pofermentacyjnej są zdolne do transportu przez jonowymienne membrany. Pozostałe związki są ponownie zawracane do bioreaktora. Podczas kolejnego procesu elektrodializy, zatężony mleczan sodu jest rozdzielony przy użyciu bipolarnej membrany na kwas mlekowy oraz NaOH. Strumień kwasu zawierający w dalszym ciągu jony Na

jest dalej oczyszczany w procesie wymiany jonowej, natomiast ług sodowy jest zawracany w celu kontroli pH podczas fermentacji. Zdolność konwersji mleczanu sodu do kwasu mlekowego przy użyciu membrany bipolarnej sięga 100%, jednak ze względów ekonomicznych należy utrzymywać ją na poziomie 95% [100].

Badania dotyczące konwersji mleczanu sodu z użyciem elektrodializy z membrana bipolarną prowadziła również Narębska [101] otrzymując kwas mlekowy z wydajnością 5,6-6,4 mol·m

·h

.

Rozwiązaniem dla procesu separacji składników brzeczki pofermentacyjnej może okazać się zastosowanie zintegrowanego układu technik membranowych [112].

Zwrócić należy jednak uwagę na połączenie technik, które jednocześnie mogą również ograniczyć problemy środowiskowe w tym powstawanie toksycznych ścieków, jak również zapotrzebowanie na wysokie zużycie energii. Li [112], jak również Cho [113]

wraz ze współpracownikami zaproponował połączenie techniki nanofiltracji

z odwróconą osmozą w celu wydzielenia kwasu mlekowego z brzeczki

pofermentacyjnej powstałej w przemyśle mleczarskim. Nanofiltracja oraz odwrócona

osmoza jako ciśnieniowe techniki separacji stosowane są głównie w technologii wody

oraz w procesach odsalania. Główną różnicą pomiędzy zaproponowanymi przez Li

technikami jest różnica mechanizmów transportu substancji. Membrana nanofiltracyjna

pozwala rozdzielić jony jednowartościowe od wielowartościowych, w przypadku

odwróconej osmozy rozdział nie jest uzależniony od ładunku. Dodatkowo membrany

stosowane w nanofiltracji posiadają pory o średnicy 0,001-0,01 µm, w przypadku

odwróconej osmozy natomiast średnica porów jest o rząd niższa. Porównując natomiast

ciśnienie robocze, w przypadku odwróconej osmozy jest ono trzykrotnie wyższe

(1200-8500 kPa) niż dla nanofiltracji (350-1000 kPa) [99]. W pierwszym etapie po

fermentacji, podczas procesu nanofiltracji odseparowano kwas mlekowy od laktozy

i pozostałości biologicznych. W wyniku nanofiltacji autorzy uzyskali zatrzymanie laktozy bliskie 97%, jednak jednoczenie retencja kwasu mlekowego wynosiła również ponad 40%. Otrzymany po nanofiltracji permeat składał się w związku z tym głównie z kwasu mlekowego oraz wody. W kolejnym etapie z zastosowaniem procesu odwróconej osmozy został zatężony uzyskując 100% rozdział składników [112]. Istotne byłoby jednak udoskonalenie tego zintegrowanego procesu, w celu doboru membrany filtracyjnej pozwalającej na 100% zatrzymanie laktozy. Należy również zwrócić uwagę na możliwość powstawania foulingu, który powodować może blokowanie zewnętrzne (na powierzchni membrany) lub wewnętrzne (w porach membrany), ograniczając tym samym przepuszczalność i porowatość membrany [99,112].

McMurray wraz ze współpracownikami [114] badali natomiast zastosowanie ciekłych membran podpartych (SLM) do separacji mieszaniny kwasów organicznych:

kwasu trans akonitowego, szczawiowego, maleinowego oraz cytrynowego otrzymywanych w procesie fermentacji melasy pochodzącej z trzciny cukrowej. Jako ekstrahent zastosowano TBP w połączeniu z Shellsol 2046, czyli niepolarną cieczą organiczną złożoną z mieszaniny parafin, aromatów oraz węglowodorów naftenowych.

Rys.19. Współczynnik odzysku (RI) oraz selektywność (S) dla transportu kwasów organicznych przez SLM. □ selektywność kwas trans akonitowy, ○ kwas trans akonitowy, ∆ kwas szczawiowy, + kwas trans jabłkowy, ◊ kwas cytrynowy. Na podstawie [114].

Tabela 4. Właściwości badanych kwasów organicznych.

Kwas organiczny pK

Kwas trans akonitowy 2,80 [28]

Kwas szczawiowy 1,27 [28]

Kwas jabłkowy 3,40 [28]

Kwas cytrynowy 3,13 [28]

0 0,5 1 1,5 2 2,5

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

0 5 10 15 20 25

SRI

Czas,h