POLITECHNIKA POZNAŃSKA WYDZIAŁ TECHNOLOGII CHEMICZNEJ

WYDZIAŁ TECHNOLOGII CHEMICZNEJ

INSTYTUT TECHNOLOGII I INŻYNIERII CHEMICZNEJ

mgr inż. Marta J. Woźniak-Budych ROZPRAWA DOKTORSKA

Separacja kwasów dikarboksylowych technikami membranowymi (NF i EDBM)

Praca wykonana pod kierunkiem prof. dr hab. inż. Krystyny Prochaska

POZNAŃ 2014

Składam serdeczne podziękowania Promotorowi pracy doktorskiej

prof. dr hab. inż. Krystynie Prochaska

za cenne wskazówki, wyrozumiałość

oraz poświęcony mi czas.

Serdeczne podziękowania składam

dr inż. Katarzynie Staszak za wszelką pomoc, owocne dyskusje oraz nieocenione wsparcie w trudnych chwilach.

Za współpracę w miłej atmosferze dziękuję

również Pracownikom i Doktorantom

Zakładu Technologii Chemicznej.

But the opposite of a profound truth may well be another profound truth.

N. Bohr

Spis treści

Wykaz symboli, skrótów i akronimów ... 4

1 Wprowadzenie ... 6

2 Część literaturowa ... 8

2.1 Zagospodarowanie frakcji glicerynowej po produkcji biodiesla ... 9

2.2 Biokonwersja glicerolu do małocząsteczkowych związków organicznych ... 10

2.3 Techniki separacji małocząsteczkowych związków organicznych ... 17

2.3.1 Nanofiltracja ... 26

2.3.2 Elektrodializa bipolarna i klasyczna ... 36

2.4 Ocena przydatności membran jonoselektywnych ... 46

3 Cel pracy ... 51

4 Część eksperymentalna ... 52

4.1 Aparatura badawcza ... 53

4.1.1 Charakterystyka zastosowanych membran nanofiltracyjnych ... 53

4.2 Układ do nanofiltracji Spirlab^® ... 54

4.3 Układ do nanofiltracji Pilot-NF ... 55

4.4 Układ do nanofiltracji SEPA GE OSMONICS ... 57

4.5 Charakterystyka membran stosowanych w elektrodializie ... 58

4.6 Trzykomorowy układ do elektrodializy (moduł ED) ... 59

4.7 Dziesięciokomorowy układ do elektrodializy (ED 200 BM) ... 62

4.8 Metody analityczne ... 63

4.8.1 Polarografia ... 63

4.8.2 Spektrofotometria ... 65

4.8.3 Absorpcyjna spektrometria atomowa (ASA) ... 68

4.8.4 Miareczkowanie potencjometryczne ... 69

4.8.5 Chromatografia cieczowa ... 69

4.9 Techniki badawcze ... 70

4.9.1 Tensjometr Tracker... 70

4.9.2 Wiskozymetr Höpplera ... 70

4.9.3 Grubościomierz ... 70

4.10 Materiał badawczy ... 71

4.10.1 Modelowe roztwory wodne ... 71

4.10.2 Brzeczka kwasu fumarowego po biotechnologicznej konwersji glicerolu ... 73

4.10.3 Stosowane odczynniki ... 74

5 Omówienie wyników ... 75

5.1 Nanofiltracja ... 76

5.1.1 Wpływ stężenia i pH roztworu na efektywność procesu NF ... 76

5.1.2 Wpływ ciśnienia transmembranowego na efektywność procesu NF ... 83

5.1.3 Wpływ składu modelowych roztworów kwasu fumarowego na efektywność procesu NF ... 85

5.1.3.1 Nanofiltracja roztworów kwasu fumarowego z glicerolem ... 86

5.1.3.2 Wpływ dodatku soli mineralnych na retencję kwasu fumarowego ... 89

5.1.3.3 Nanofiltracja soli wapniowej kwasu fumarowego ... 93

5.1.4 Wpływ temperatury na retencję separowanego kwasu fumarowgo w procesie NF ... 99

5.1.5 Nanofiltracja wieloskładnikowych roztworów wodnych kwasu fumarowego ... 102

5.1.6 Zmiana właściwości efektywnej powierzchni membrany w procesie NF modelowych roztworów kwasu fumarowego ... 106

5.2 Elektrodializa klasyczna i bipolarna ... 107

5.2.1 Graniczna gęstość prądu ... 108

5.2.2 Wpływ składu i pH roztworu na efektywność procesu elektrodializy bipolarnej ... 112

5.2.2.1 Elektrodializa bipolarna jednoskładnikowych roztworów wodnych kwasu fumarowego ... 113

5.2.2.2 Elektrodializa bipolarna dwu- i trzyskładnikowych roztworów wodnych kwasu fumarowego ... 116

5.2.3 Wpływ budowy stosu elektrodialitycznego na możliwość separacji kwasu fumarowego z modelowych roztworów wodnych... 124

5.2.4 Elektrodializa bipolarna modelowych roztworów kwasu fumarowego z dodatkiem glicerolu i 1,3-propanodiolu (1,3-PD) ... 126

5.2.5 Zjawiska towarzyszące elektrodializie bipolarnej modelowych roztworów kwasu fumarowego ... 133

5.3 Układy hybrydowe ... 141

5.3.1 Separacja kwasu fumarowego z płynu pofermentacyjnego

po biokonwersji glicerolu w układzie NFCER + EDBM ... 143

5.3.2 Separacja kwasu fumarowego z płynu pofermentacyjnego po biokonwersji glicerolu w układzie NFPOL + EDBM ... 147

6 Podsumowanie i wnioski ... 152

6.1 Wnioski ... 157

Streszczenie ... 158

Abstract ... 160

7 Spis literatury ... 162

8 Dorobek naukowy ... 178

9 Aneks ... 182

9.1 Współczynnik przepuszczalności hydrodynamicznej ... 183

9.2 Grubość membran ... 184

9.3 Zawartość wody w membranie ... 185

9.4 Pojemność jonowymienna membrany ... 185

9.5 Lepkość dynamiczna i gęstość analizowanych płynów ... 187

9.6 Pomiary przewodnictwa i pH w czasie elektrodializy bipolarnej. ... 188

Wykaz symboli, skrótów i akronimów

Symbole

A m² powierzchnia membrany

CE % wydajność prądowa

D cm²/s·V przepuszczalność elektroosmotyczna membrany

F C/mol stała Faradaya

I A natężenie prądu

J m³/m²·s strumień objętościowy J mol/m²·s strumień molowy

LPK liczba par komór

P cm³ parachora

R gramorównoważnik chemiczny jonów chlorkowych

Ri % retencja i-tego składnika

R_m m^-1 opór hydrodynamiczny membrany R_ma W/m² opór elektryczny powierzchni membrany

T K, °C temperatura

U V różnica potencjałów

V cm³/mol objętość molowa V_r dm³ objętość roztworu

VD dm³ objętość komory dializatu V_K dm³ objętość komory koncentratu

V_AgNO3 cm³ zużyta do miareczkowania objętość mianowanego roztworu AgNO3

VNaOH cm³ zużyta do miareczkowania objętość mianowanego roztworu NaOH

VHCl cm³ zużyta do miareczkowania objętość mianowanego roztworu HCl

W % zawartość wody w membranie

X siła napędowa

ZA mmol/g pojemność jonowymienna membrany anionoselektywnej Z_K mmol/g pojemność jonowymienna membrany

kationoselektywnej

ZB mmol/g pojemność jonowymienna membrany bipolarnej

a,b wyznaczane doświadczalnie współczynniki cCl-

g/dm³ stężenie jonów chlorkowych cD0

g/dm³ stężenia składnika w komorze dializatu w czasie t = 0 c_D^t g/dm³ stężenie składnika w komorze dializatu w czasie t = i c_K⁰ g/dm³ stężenia składnika w komorze koncentratu w czasie t = 0 cKt

g/dm³ stężenie składnika w komorze koncentratu w czasie t = i c_N g/dm³ stężenie i-tego składnika w nadawie

c_Na⁺ g/dm³ stężenie jonów sodu cNaCl g/dm³ stężenie chlorku sodu

c_NO3^- g/dm³ stężenie jonów azotanowych(V) c_NaNO3 g/dm³ stężenie azotanu(V) sodu cNa2SO4 g/dm³ stężenie siarczanu(VI) sodu

c_p g/dm³ stężenie i-tego składnika w permeacie cSO42-

g/dm³ stężenie jonów siarczanowych(VI)

i A/m² gęstość prądu

i_lim A/m² graniczna gęstość prądu ji mol/m²·s strumień i-tego jonu

k dm/h współczynnik przenikania masy

k_BL dm/h współczynnik wnikania masy w warstwie granicznej

mm g masa mokrej membrany

ms g masa suchej membrany

m_sp g masa spęczniałej membrany nAgNO3 g Cl^-/m³ miano roztworu AgNO3

nHCl mmol/cm³ miano roztworu HCl n_NaOH mmol/cm³ miano roztworu NaOH

rs nm promień Stokesa

t s, h Czas

t_m liczba przenoszenia w membranie

tBL liczba przenoszenia w warstwie granicznej

u m/s prędkość liniowa

z wartościowość

Symbole greckie

a stopień dysocjacji

ΔC_D g/dm³ różnica stężeń w komorze dializatu ΔP MPa gradient ciśnienia

Ð m²/s współczynnik dyfuzji

Q deg kąt zwilżania

d nm grubość warstwy dyfuzyjnej

hi mPa·s lepkość dynamiczna i-tego roztworu h_ods,zat % stopień odsolenia, zatężenia

r g/cm³ gęstość roztworu Skróty i akronimy

AM membrana anionowymienna

BM membrana bipolarna

Bur kwas bursztynowy

CM membrana kationowymienna

Cyt kwas cytrynowy

Fum kwas fumarowy

Glc glicerol

Hek kwas 1,3,4,5-tetrahydroksycykloheksanowy (mannitol)

IEP punkt izoelektryczny membrany

Oct kwas octowy

1,2-PD 1,2-propanodiol

1,3-PD 1,3-propanodiol

TMP MPa ciśnienie transmembranowe

1 Wprowadzenie

,,Najważniejszym wyzwaniem stojącym przed ludzkością jest zapewne konieczność takiego rozbudzania naszej umiejętności utrzymywania wspólnej wiedzy i świadomego działania, abyśmy mogli pokonać piętrzące się przed nami niezliczone problemy społeczne i ekologiczne.” Parafrazując słowa Davida Kortena celem nadrzędnym jest taka zmiana kierunku rozwoju technologii, która zagwarantuje kolejnym pokoleniom dostęp do zasobów przyrodniczych.

Z uwagi na dążenie do poprawy jakości życia przy zachowaniu bioróżnorodności i bogactwa zasobów naturalnych, bardzo duże nadzieje wiąże się z rozwojem działalności w zakresie biotechnologii. Zdobycze biotechnologii są jednym z czynników umożliwiających intensywny rozwój przemysłu chemicznego, farmaceutycznego oraz kosmetycznego, a konsekwencją rozwoju różnych gałęzi przemysłu, jest również podniesienie poziomu społeczności pod względem wykształcenia i jakości życia.

Biotechnologia zmienia podejście do projektowania, wskazując na konieczność wykorzystywania niekonwencjonalnych i odnawialnych surowców. Niewątpliwie burzliwy rozwój przeszła w ostatniej dekadzie produkcja kwasów organicznych na drodze fermentacji. Ze względu na niezawodność i konkurencyjność pod względem cenowym, mikroogranizmy, jako platformy bio-produkcyjne kwasów organicznych stały się realną alternatywą dla tradycyjnych syntez chemicznych.

Przykładem takich związków są kwasy dikarboksylowe otrzymywane w procesie fermentacji odpadowego glicerolu po produkcji biodiesla. Z uwagi na obecność różnych metabolitów w brzeczce pofermentacyjnej, konieczne jest zastosowanie dodatkowych operacji umożliwiających wydzielenie i zatężenie produktu głównego.

W myśl zasad zrównoważonego rozwoju do separacji produktów fermentacji wskazane jest zastosowanie przyjaznych środowisku technik rozdziału.

W chwili obecnej do separacji małocząsteczkowych związków organicznych stosuje się szereg procesów, wśród których na pierwsze miejsce wysunęły się operacje membranowe. Przykładowo mikro- i ultrafiltrację wykorzystuje się do usuwania wielkocząsteczkowych związków organicznych, związków nieorganicznych, a także pozostałości biologicznych z roztworów czy brzeczek pofermentacyjnych.

Nanofiltrację zastosować można do rozdziału substancji, takich jak peptydy, cukry proste, kwasy organiczne oraz niektóre jony, szczególnie wielowartościowe.

Ponadto coraz większą popularnością cieszą się ceramiczne membrany nanofiltracyjne.

Cechuje je możliwość pracy w agresywnym środowisku (w skrajnych pH) oraz w większym zakresie temperatur i ciśnień transmembranowych, w porównaniu z membranami polimerowymi.

Do rozdziału metabolitów brzeczki pofermentacyjnej wykorzystać można również techniki, w których siłą napędową jest różnica stężeń (dializa) lub ukierunkowany transport jonów pod wpływem stałego pola elektrycznego (elektrodializa, elektro-elektrodializa, elektrodializa bipolarna). W przypadku technik prądowych kluczowy jest dobór konfiguracji stosu elektrodialitycznego.

Do zatężania elektrolitów zastosować należy membrany aniono- i kationoselektywne (elektrodializa klasyczna), z kolei stosując membrany bipolarne (elektrodializa bipolarna) przeprowadzić można konwersję soli do kwasu i zasady.

Wachlarz możliwości jakie oferują procesy membranowe sprawił, że stały się skutecznym narzędziem globalnej strategii mającej na celu modernizację technologii na mało- lub bezodpadowe (tzw. technologie czyste). Zastosowanie technik membranowych pozwala na efektywniejsze wykorzystanie zasobów, ogranicza zużycie surowców i redukuje ilość powstałych odpadów. Korzyści płynące dla środowiska naturalnego w wyniku wprowadzenia na skalę przemysłową membranowych technik rozdziału są więc nieporównywalne w stosunku do technik tradycyjnych, które nierzadko przyczyniają się do powstania nieodwracalnych zmian w ekosystemie.

2 Część literaturowa

2.1 Zagospodarowanie frakcji glicerynowej po produkcji biodiesla

Potrzeba wprowadzenia zmian w polityce gospodarowania zasobami energetycznymi na świecie stała się przedmiotem dyskusji Parlamentu Europejskiego już na początku 1990 roku [1]. Głównym celem prowadzonych rozmów [2] było zabezpieczenie istniejących zasobów energetycznych, tak aby do 2020 roku obniżyć zużycie paliw kopalnianych o 20%. Gwałtowny wzrost zainteresowania biopaliwami, wywołany zmianami w gospodarce energetycznej Europy, stał się impulsem do produkcji biodiesla na skalę przemysłową. Według danych statystycznych w latach 2005-2007 wytwarzanie biodiesla w Europie, spowodowało wzrost jego światowej produkcji o 2,5 mln ton [3]. Szacuje się, że do 2020 roku produkcja biodiesla w skali globalnej wzrośnie sześciokrotnie.

Biodiesel (estry metylowe kwasów tłuszczowych: FAME) jest otrzymywany w procesie transestryfikacji olejów roślinnych i tłuszczów zwierzęcych, a głównym produktem ubocznym powstającym przy jego produkcji jest glicerol [4].

Ze względu na stały wzrost produkcji biodiesla, pojawiło się niebezpieczeństwo nagromadzenia znacznych ilości odpadowego glicerolu [5]. Tak więc tematem licznych prac naukowych stały się również techniki przerobu frakcji glicerynowej [6-10].

Ponadto istotnym problem jest skład odpadowej frakcji, która prócz glicerolu zawiera również inne składniki, takie jak woda, sole organiczne i nieorganiczne czy alkohol [11]. Spośród dostępnych metod przerobu frakcji glicerynowej [12,13], jak np. destylacja [14] bądź wymiana jonowa [15], umożliwiających jego dalsze zagospodarowanie w różnych gałęziach przemysłu [16], dużą popularnością cieszą się techniki oparte na biotechnologicznej konwersji glicerolu do użytecznych przemysłowo produktów [7-9].

Ze względu na „przyjazny dla środowiska” charakter, oczyszczona frakcja glicerolu może być wykorzystana w przemyśle farmaceutycznym i kosmetycznym do produkcji kremów, past, maści, syropów oraz wyciągów alkoholowych. Surową glicerynę można również wykorzystać w przemyśle tworzyw sztucznych, np. do produkcji poliestrów i poliuretanów. Ponadto glicerynę używa się jako dodatek do niskowrzących płynów chłodniczych i hamulcowych. Nietoksyczność gliceryny pozwala na wykorzystanie jej w przemyśle spożywczym, np. jako rozpuszczalnik barwników i środków smakowych, a także jako środek słodzący [7,8,16].

Dostępne dane literaturowe [17] wskazują na możliwość użycia odpadowego glicerolu jako głównego źródła węgla przez liczne grupy mikroorganizmów, jak np. Citrobacter freundii [18], Clostridium butyricum [19] czy Enterobacter aerogenes [20], dzięki czemu na drodze biotechnologicznych przemian pozyskać można małocząsteczkowe związki organiczne, takie jak 1,3-propanodiol (1,3-PD) [21], 2,3-butanodiol [22], dihydroksyaceton (DHA) [23], etanol [20], kwas bursztynowy [24] czy kwas cytrynowy [25]. Taka forma utylizacji frakcji glicerynowej jest atrakcyjna przede wszystkim ze względów ekonomicznych, ponieważ pozwala na otrzymanie użytecznych przemysłowo produktów bez konieczności oczyszczania odpadowego glicerolu.

2.2 Biokonwersja glicerolu do małocząsteczkowych związków organicznych

Dostępność i niska cena frakcji glicerynowej, jak również szerokie spektrum mikroorganizmów zdolnych do biokonwersji glicerolu do małocząsteczkowych związków organicznych sprawiły, że proces fermentacji stał się jedną z bardziej obiecujących metod jego utylizacji. W Tabeli 1 zestawiono przykłady związków chemicznych pozyskiwanych na drodze biotechnologicznej konwersji glicerolu.

Tabela 1. Przykłady związków chemicznych otrzymywanych w procesie fermentacji glicerolu.

Produkt główny biosyntezy i mikroorganizm

Stężenie końcowe produktu,

g/dm³

Całkowita produktywność,

g/dm³/h

Źródło glicerolu

Warunki fermentacji

Odnośnik literaturowy

1,3-PD Clostridium

butyricum VPI 1718

67,9 0,78 odpadowy^a beztlenowe

pH = 6,8 [26]

1,2-PD Saccharomyces

cerevisiae 2,19 0,03 odpadowy^a tlenowe

pH>10 [27]

Escherichia coli 5,32 0,67 odpadowy^a tlenowe [28]

Klebsiella oxytoca

FMCC-197 25,2 0,29 odpadowy^a beztlenowe

pH = 7 [29]

Bioetanol Enterobacter

aerogenes HU-101

10,0 0,37 odpadowy^a beztlenowe [30]

Escherichia

coli MG1655 4,72 0,32 odpadowy^a beztlenowe

pH = 6 [31]

Erytrytol Yarrowia lipolytica

Wratislavia K1 170,0 1,00 odpadowy^a tlenowe [32]

Yarrowia lipolytica

Wratislavia K1 133,6 0,59 odpadowy^a tlenowe

pH = 3 [33]

Kwas propionowy Propionibacterium

freudenreichii ssp.

shermanii

24,8 0,60 odpadowy^a beztlenowe

pH = 6,8 [34]

Kwas glicerynowy Gluconobacter

frateurii NBRC103465

50,0 0,39 odpadowy^a tlenowe

pH = 6 [35]

Kwas mlekowy Lactobacillus sp.

CYP4 3,5 1,28 odpadowy^a beztlenowe

pH>6 [36]

Kwas bursztynowy Corynebacterium

glutamicum ΔsdhCAB/

pVWEx1-glpFKD

9,3 0,18 odpadowy^a tlenowe

pH = 7 [37]

Basfia succinici-

producens 8,4 0,90 odpadowy^a beztlenowe

pH = 7,8 [38]

Kwas fumarowy Rhizopus arrhizus

RH-07-13 4,4 0,20 odpadowy^a tlenowe

pH = 3,5 [39]

Kwas cytrynowy Yarrowia lipolytica

Wratislavia AWG7 131,5 1,05 odpadowy^a tlenowe

pH = 5,5 [40]

Yarrowia lipolytica

IMUFRJ 50682 12,04 0,08 odpadowy^a tlenowe

pH = 7 [41]

a - odpadowa frakcja glicerolu po produkcji biodiesla

Przykładem małocząsteczkowego związku organicznego pozyskiwanego na drodze biotechnologicznej konwersji glicerolu jest 1,3-propanodiol (1,3-PD).

Doniesienia literaturowe wskazują na możliwość zastosowania 1,3-PD w przemyśle tworzyw sztucznych, m.in. do produkcji poliestrów i poliuretanów [26]. Ponadto w przemyśle chemicznym związek ten jest stosowany jako składnik preparatów o właściwościach smarujących, a także klejów, laminatów, żywic i rozpuszczalników [42].

Zaobserwowany w ostatnich latach wzrost produkcji poliestrów, takich jak politereftalan propylenu (PPT) wpłynął znacząco na produkcję 1,3-PD, który jak wspomniano wcześniej, może zostać użyty jako monomer w syntezie PPT [43].

Tradycyjne metody otrzymywania 1,3-PD, jak hydratacja akroleiny [44]

czy hydroformylowanie i uwodornienie tlenku etylenu [45] są dobrze znane i szeroko opisane, jednak ich główną wadą jest duża szkodliwość dla środowiska naturalnego.

Konieczność globalnego spojrzenia na proces chemiczny, uwzględniającego oddziaływanie na środowisko, energochłonność i odnawialność substratów, skierowała zainteresowanie na biotechnologiczną produkcję 1,3-propandiolu.

Istnieje wiele wyselekcjonowanych mikroorganizmów zdolnych do biokonwersji odpadowej frakcji glicerolu, w tym Klebsiella, Citrobacter czy Enterobacter [26].

Ponadto liczne prace naukowe wskazują na możliwość przemysłowego otrzymywania 1,3-PD na drodze biosyntezy [46,47].

Jak opisuje Chatzifragkou i współpracownicy [26] szczep bakterii Clostridium butyricum VPI 1718 zdolny jest do konwersji odpadowego glicerolu (po produkcji biodiesla) do 1,3-propanodiolu. Proces beztlenowej fermentacji prowadzono przez ok. 12 h, uzyskując jako produkt główny: 1,3-PD o stężeniu 30,1 g/dm³ oraz jako produkty uboczne kwasy organiczne (mlekowy, octowy i masłowy) o stężeniu nieprzekraczającym 11 g/dm³. W cytowanej pracy oceniono również możliwość prowadzenia fermentacji glicerolu w warunkach laboratoryjnych i rzeczywistych, a także wpływ stężenia początkowego glicerolu (30-80 g/dm³) na metabolizm analizowanego szczepu bakterii. Stwierdzono, że prowadzenie fermentacji w niesterylnych warunkach nie rzutuje negatywnie na wzrost hodowli, jak również na możliwość konwersji glicerolu do 1,3-PD. Ponadto autorzy wykazali, że wzrost stężenia glicerolu powoduje tylko wydłużenie czasu fermentacji, nie ma natomiast wpływu na skład końcowy brzeczki fermentacyjnej.

Innym przykładem małocząsteczkowego związku organicznego, otrzymywanego podczas fermentacji glicerolu po produkcji biodiesla jest erytrytol [33]. Związek ten, zaliczany do polioli i potocznie nazywany cukrem brzozowym (lub sucolinem), stosowany jest w przemyśle spożywczym, jako bezkaloryczny słodzik [48].

Jako dodatek do żywności otrzymał symbol E 969 (grupa sztucznych substancji słodzących) [49]. Na skalę przemysłową erytrytol jest produkowany w procesie fermentacji glukozy z udziałem mikroorganizmów Yarrowia lipolytica [50].

W roku 1993 na podstawie badań klinicznych przeprowadzonych na diabetykach, Hiele i współpracownicy [51] udokumentowali, że erytrytol nie wpływa na poziom cukru we krwi, dzięki czemu może być stosowany jako słodzik dla osób cierpiących na hiperglikemię. Aktualne doniesienia literaturowe wskazują również, że Y. lipolytica Wratislavia K1 może z łatwością wykorzystać odpadowy glicerol, jako główne źródło węgla w czasie fermentacji prowadzonej w bioreaktorze z wirującym biofilmem [33].

Badacze wykazali, że mimo zanieczyszczeń obecnych we frakcji glicerolu, zastosowany szczep zdolny jest do produkcji ok. 156 g/dm³ erytrytolu. Ponadto w brzeczce pofermentacyjnej zidentyfikowano kilka produktów ubocznych, takich jak arabitol, mannitol oraz kwasy: cytrynowy i α-ketoglutarowy, których sumaryczne stężenie nie przekraczało 10% wszystkich zsyntetyzowanych metabolitów. Tak niewielka ilość zanieczyszczeń jest istotną zaletą procesu, ponieważ zdecydowanie obniży koszty oczyszczenia pożądanego produktu.

Kolejnym użytecznym przemysłowo produktem fermentacji glicerolu jest bioetanol [30,31]. Najpopularniejszą metodą wytwarzania bioetanolu jest fermentacja surowców, takich jak cukry (trzcina cukrowa, buraki cukrowe, fruktoza, serwatka), skrobie i zboża (pszenica, kukurydza, maniok, ziemniaki, ryż). Spośród licznej grupy mikroorganizmów, wyodrębniono m.in. szczepy Escherichii coli SS1, które w odpowiednich warunkach zdolne są do produkcji bioetanolu oraz niewielkich ilości wodoru, co jest dodatkową zaletą procesu [52]. Suhaimi i współpracownicy wykazali, że wydajność biosyntezy bioetanolu jest 3-krotnie większa, gdy glukozę stosowaną najczęściej jako główne źródło węgla, zastąpi się odpadowym glicerolem.

Po 96 h fermentacji glicerolu uzyskano 9,23 g/dm³ etanolu oraz 1,59 mmol/dm³ wodoru. Prócz tego, w płynie pofermentacyjnym oznaczono niewielkie ilości kwasów organicznych (bursztynowy, mlekowy, octowy i mrówkowy). Uzyskane wyniki wskazują, że szczepy E.coli także mogłyby zostać wykorzystane do produkcji bioetanolu na skalę przemysłową.

Mono-, di- i trikarboksylowe kwasy organiczne, ze względu na możliwości aplikacyjne, szczególnie w przetwórstwie spożywczym, farmaceutycznym czy chemicznym, stały się również przedmiotem badań naukowych dotyczących poszukiwania alternatywnych, proekologicznych metod ich wytwarzania.

Kwas propionowy (kwas propanowy) znany pod symbolem E-280 [49] (grupa konserwantów) jest kwasem monokarboksylowym stosowanym głównie jako środek konserwujący do żywności [53]. Jest również produktem pośrednim w syntezie herbicydów czy polimerów, jak np. octan celulozy [54]. Jak przedstawiają Kośmider i inni [34] bakterie Propionibacterium freudenreichii ssp. shermanii umożliwiają produkcję kwasu propionowego z glicerolu, przy czym największą produktywność (13,22 g/dm³ kwasu propionowego) uzyskano przy dodatku laktozy do pożywki w stosunku wagowym 1:1 względem glicerolu. Dodatkowo stwierdzono, że wprowadzenie laktozy do układu powoduje wzrost produkcji kwasu octowego, jako jednego z produktów ubocznych (bez dodatku laktozy: 0,82 g/dm³, z dodatkiem:

2,65 g/dm³) i jednocześnie obniża produkcję kwasu bursztynowego (bez dodatku laktozy: 2,67 g/dm³, z dodatkiem: 2,49 g/dm³). Przeprowadzone badania wymagają dalszej analizy, jednak na ich podstawie można stwierdzić, że bioprodukcja kwasu propanowego może być rozpatrywana jako jedna z metod utylizacji glicerolu.

Zasadniczą zaletą biotechnologicznych metod produkcji związków organicznych nad tradycyjnymi syntezami chemicznymi, jest możliwość otrzymania konkretnego izomeru pożądanego produktu. Właściwość ta została wykorzystana szczególnie w przypadku kwasu mlekowego (kwas 2-hydroksypropanowy) [36], którego 90%

światowej produkcji opiera się na procesach biotechnologicznych [55]. Związek ten, na dużą skalę stosowany jest w przemyśle spożywczym (E-270), farmaceutycznym oraz tworzyw sztucznych [56]. Pozyskiwanie kwasu mlekowego z glicerolu jest możliwe z udziałem bakterii Lactobacillus sp. CYP4 (warunki beztlenowe) oraz Lactobacillus rhamnosus ATCC 7469 (warunki tlenowe), przy czym Lactobacillus sp. CYP4 znacznie lepiej asymiluje odpadowy glicerol niż L. rhamnosus ATCC 7469.

Największą produktywność biosyntezy kwasu mlekowego, tj. 3,5 g/dm³ uzyskano przy użyciu Lactobacillus CYP4. Ponadto w płynie pofermentacyjnym zidentyfikowano ok. 1,4 g/dm³ etanolu [36].

Do grupy dikarboksylowych kwasów organicznych, które otrzymać można na drodze biotechnologicznych przemian, zaliczają się kwas bursztynowy [37,38]

i fumarowy [39]. Oba te związki stosowane są w przemyśle spożywczym, jako dodatki

do żywności i napojów i oba mają olbrzymie znaczenie w przetwórstwie tworzyw sztucznych, szczególnie przy produkcji poliestrów [57] czy biodegradowalnych poliamidów [58] (np. Nylon®x,4). Ponadto zarówno kwas fumarowy, jak i bursztynowy są prekursorami wielu ważnych w przemyśle chemicznym substancji, jak np. 1,4-butanodiol, tetrahydrofuran [58], kwas maleinowy, kwas asparaginowy [57].

Kwas bursztynowy jest obecnie pozyskiwany w procesie hydrolizy bezwodnika maleinowego, otrzymywanego w reakcji utleniania n-butanu katalizowanej tlenkiem wanadu [59]. Wysokie koszty konwersji bezwodnika maleinowego do kwasu ograniczają możliwość wykorzystania kwasu bursztynowego w przemyśle. Z drugiej strony analiza kosztów [60] wskazuje, że bioprodukcja kwasu może wymagać równie dużych nakładów finansowych. Jak opisuje Litsanov i inni [37], otrzymanie kwasu bursztynowego jest możliwe dzięki zastosowaniu szczepu Corynebacterium glutamicum, zmodyfikowanego plazmidem pochodzącym od Escherichia coli.

Przekazany na drodze koniugacji plazmid pVWEx1-glpFKD koduje zdolność do utylizacji glicerolu. W efekcie, podczas fermentacji uzyskano 9,3 g/dm³ kwasu bursztynowego oraz 1,2 g/dm³ kwasu octowego, co odpowiada 42% maksymalnej teoretycznej wydajności procesu w warunkach tlenowych. Warto nadmienić, że C. glutamicum należą do grupy GRAS (Generally Recognized as Safe [61]) i są bakteriami stosowanymi na dużą skalę do produkcji, np. kwasu α-amino-β- hydroksypropionowego (D lub L) [62], 1,4-diaminobutanu (zwyczajowo putrescyna) czy etanolu [63].

Pierwsze doniesienia literaturowe dotyczące biotechnologicznych metod otrzymywania kwasu fumarowego sięgają początku lat 90. XX wieku [64]. Do roku 1959 opublikowano wiele prac badawczych skupiających się na produkcji kwasu fumarowego w skali laboratoryjnej i przemysłowej, testując różne mikroorganizmy, m.in. Rhizopus [65,66], Mucor, Circinella. Kilkanaście lat później, ze względu na burzliwy rozwój przemysłu petrochemicznego, bioprodukcja kwasu fumarowego została zastąpiona procesem izomeryzacji kwasu maleinowego w obecności kwasu chlorowodorowego lub tiomocznika [67,68]. Niemniej jednak, wzrost cen ropy naftowej, zmniejszające się zasoby paliw kopalnianych, a także konieczność zwrócenia uwagi na ochronę środowiska naturalnego, spowodowały zwrot w kierunku zapomnianych metod biotechnologicznej produkcji kwasu [69-71].

W roku 2012 pojawiła się pierwsza wzmianka na temat biosyntezy kwasu fumarowego z odpadowego glicerolu [72]. Podobnie jak w przypadku kwasu

bursztynowego, zastosowany szczep (Rhizopus) wymagał modyfikacji genetycznej.

W tym celu przeprowadzono fuzję protoplastów R. oryzae i R. microsporus, która jak przedstawiają Kordowska-Wiater i inni, umożliwia zwiększenie wydajności procesu fermentacji glicerolu. Dzięki zastosowanej hybrydyzacji somatycznej szczepu z 2% glicerolu użytego, jako główne źródło węgla, uzyskano brzeczkę fermentacyjną zawierającą 4,1 g/dm³ kwasu fumarowego oraz ok. 0,12 g/dm³ kwasu mlekowego.

Zaprezentowane wyniki wskazują jak istotne znaczenie w ochronie środowiska i wszystkich gałęziach przemysłu ma inżynieria genetyczna. Umiejętnie przeprowadzona manipulacja genetyczna może stać się skutecznym narzędziem do utylizacji odnawialnych materiałów odpadowych, takich jak glicerol. Należy zaznaczyć, że bioprodukcja kwasów dikarboksylowych z odpadowej frakcji biodiesla wymaga jeszcze wielu dodatkowych badań. Jednak, ze względu na wzrastający popyt na kwas fumarowy i bursztynowy, związany głównie z produkcją biodegradowalnych materiałów polimerowych, techniki oparte na biotechnologicznej konwersja glicerolu, mogą stać się w niedalekiej przyszłości konkurencyjne do obecnie stosowanych metod ich otrzymywania na skalę przemysłową.

Kolejnym przykładem małocząsteczkowego związku organicznego otrzymywanego na drodze fermentacji glicerolu jest kwas cytrynowy [40,41]. Zaliczany do grupy trikarboksylowych kwasów organicznych jest wykorzystywany jako dodatek do środków konserwujących, aromatyzujących, a także jako regulator kwasowości i przeciwutleniacz (przemysł spożywczy) [41]. Co więcej, sole kwasu cytrynowego są stosowane w przemyśle farmaceutycznym i kosmetycznym [73].

Najpopularniejszą metodą otrzymywania kwasu cytrynowego jest fermentacja sacharozy z udziałem grzybów Aspergillus niger [17]. W ciągu ostatnich czterdziestu lat, pojawiło się wiele prac badawczych na temat wykorzystania mikroorganizmów do produkcji kwasu cytrynowego z glukozy, etanolu, kwasów tłuszczowych czy olejów roślinnych [40], natomiast pierwsze opracowania dotyczące biokonwersji glicerolu pojawiły się dopiero na początku XXI wieku [25]. Rywińska i współpracownicy [40] potwierdzili, że szczep Yarrowia lipolytica wykazuje duże zdolności asymilacyjne w stosunku do odpadowego glicerolu. W cytowanej pracy porównano produktywność biosyntezy kwasu cytrynowego stosując dwie odmiany szczepu: Y. lipolytica Wratislavia AWG7 i Y. lipolytica Wratislavia K1 oraz dwa różne źródła węgla: czystą glicerynę i odpadową frakcję glicerolu. Większą skuteczność biokonwersji uzyskano przy użyciu Y. lipolytica Wratislavia AWG7, co pozwoliło na otrzymanie znacznie większej ilości

kwasu cytrynowego (139 g/dm³) niż w przypadku zastosowania odmiany K1.

Wprowadzenie do układu zanieczyszczonego glicerolu nieznacznie obniżyło produkcję kwasu cytrynowego (131,5 g/dm³), natomiast miało znaczący wpływ na ilość powstających produktów ubocznych. Użycie glicerolu, jako główne źródło węgla spowodowało wzrost stężenia erytrytolu (o 8 g/dm³) i jednocześnie zmniejszenie stężenia mannitolu (o 6,8 g/dm³) w brzeczce pofermentacyjnej. Zaprezentowane wyniki, szczególnie ze względu na wysoką wydajność bioprodukcji kwasu cytrynowego, zachęcają do dalszych badań, które pozwolą na powiększenie skali procesu fermentacji z udziałem drobnoustrojów Y. lipolytica Wratislavia AWG7.

2.3 Techniki separacji małocząsteczkowych związków organicznych

Brzeczka powstała w trakcie biosyntezy zawiera prócz produktu głównego wiele innych metabolitów, takich jak proteiny, poliole, sole mineralne czy pozostałości niezużytych przez mikroorganizmy substratów [26-41]. Ponadto mikroorganizmy mogą wykorzystywać obecne w pożywce zanieczyszczenia jako dodatkowe źródło węgla i energii, a wytworzona biomasa bogata w produkty metabolizmu, umożliwia rozwój innych organizmów, co dodatkowo zanieczyszcza płyn pofermentacyjny [74].

Warto również dodać, że produkt główny biokonwersji występuje w postaci soli (najczęściej sodowej bądź wapniowej), o czym świadczy pH brzeczki, zazwyczaj znacznie większe niż pKa danego kwasu organicznego (Tabela 1).

Tak złożony skład płynu pofermentacyjnego powoduje konieczność zastosowania dodatkowych operacji, pozwalających na izolację produktu głównego oraz jego oczyszczenie, zatężenie i często konwersję do formy kwasowej.

Pierwszy etap oczyszczania obejmuje głównie separację biomasy oraz węglowodanów.

W tym celu stosuje się najczęściej mikro- lub/i ultrafiltrację [75]. Następny etap wymaga bardziej selektywnych metod rozdziału, dzięki którym możliwe będzie oddzielenie i zatężenie głównego produktu [76]. Przegląd literatury przedmiotu wskazuje na obszerną grupę technik separacji, które z powodzeniem mogą być wykorzystane do rozdziału składników brzeczek pofermentacyjnych [77]. Techniki te, jak przedstawiono na Rys. 1 podzielić można na trzy grupy: tradycyjne, membranowe oraz hybrydowe.

Rys. 1. Techniki separacji stosowane do rozdziału składników brzeczek pofermentacyjnych.

Każda z technik może zostać wykorzystana jako proces jednostkowy lub w układzie hybrydowym (łączącym techniki membranowe z tradycyjnymi bądź z innymi membranowymi), zapewniającym większą skuteczność i efektywność oczyszczania.

Jednak ze względu na konieczność ochrony środowiska naturalnego i projektowania

„technologii czystych”, bezodpadowych, techniki membranowe wydają się bardziej odpowiednie. Zastosowanie technik membranowych niesie za sobą wiele korzyści, takich jak niewielkie zużycie energii, łatwość powiększania skali, duża selektywność membran, prowadzenie separacji w nieszkodliwych dla środowiska warunkach czy też brak konieczności wprowadzania do układu dodatkowych chemikaliów [78]. Nie można jednak zapomnieć o wadach procesów membranowych, do których należy przede wszystkim spadek wydajności wywołany polaryzacją stężeniową oraz foulingiem membran [79], co dotyczy zarówno technik ciśnieniowych [80,81], jak i prądowych [82,83], szczególnie w przypadku separacji materii organicznej [84]. W literaturze znaleźć można wiele opracowań dotyczących sposobów zapobiegania foulingu membran, a jedną z nich jest stosowanie systemów hybrydowych [82].

W Tabeli 2 zestawiono przykłady technik stosowanych do separacji małocząsteczkowych związków organicznych pochodzenia fermentacyjnego.

TECHNIKI SEPARACJI

MEMBRANOWE - mikrofiltracja

- nanofiltracja - dializa

- elektrodializa klasyczna - elektrodializa bipolarna - elektro-elektrodializa

TRADYCYJNE - strącanie

- krystalizacja - ekstrakcja - destylacja - wymiana jonowa - adsorpcja

HYBRYDOWE - ultrafiltracja micelarna - ultrafiltracja ekstrakcyjna - dializa z elektrodializą

bipolarną

- ekstrakcja z odwróconą osmozą

- nanofiltracja

z elektrodializą bipolarną i ekstrakcją

Tabela 2. Technik separacji małocząsteczkowych związków organicznych.

Technika separacji Osiągnięty efekt Odnośnik

literaturowy

nanofiltracja rozdział soli kwasu mlekowego

od obojętnych cząsteczek cukrów [85]

mikrofiltracja

wstępne oczyszczenie brzeczki kwasu galakturonowego z cukrów i pozostałości biologicznych

[86]

ultrafiltracja wstępne oczyszczenie brzeczki kwasu

mlekowego z protein [87]

dializa

separacja kwasów karboksylowych (octowego, mlekowego, szczawiowego i winowego) z modelowych roztworów

wodnych

[88]

elektrodializa klasyczna

zatężenie soli kwasu organicznego

na przykładzie mleczanu amonu [89]

elektrodializa bipolarna

zatężenie i konwersja soli kwasu

mlekowego do formy kwasowej [90]

elektro- elektrodializa

zatężenie soli sodowej kwasu mlekowego

z modelowych roztworów wodnych [91]

perwaporacja

separacja 1,3-propanodiolu z modelowych roztworów wodnych

zawierających dodatek glicerolu i glukozy

[92]

strącanie separacja kwasu mlekowego przez strącenie

w postaci mleczanu wapnia [93]

krystalizacja

separacja kwasu bursztynowego z brzeczki pofermentacyjnej przy pH<2

i temperaturze 4ºC

[94]

ekstrakcja reaktywna

separacja kwasów dikarboksylowych od monokarboksylowych z roztworów wodnych z użyciem TOA i Aliquatu 336,

jako ekstrachentów

[95]

adsorpcja

separacja kwasu propionowego z brzeczki fermentacyjnej na żywicy jonowymiennej z n-propanolem użytym,

jako eluent

[96]

ultrafiltracja micelarna

separacja aminokwasów z roztworów wodnych w układzie z anionowym (SDBS) lub kationowym

(CTAB) surfaktantem

[97]

ekstrakcja reaktywna z odwróconą

osmozą

wydzielenie kwasu fumarowego z roztworów wodnych przez ekstrakcję

z trialkiloaminą i n-oktanolem, a następnie jego oczyszczenie i zatężenie

techniką odwróconej osmozy (RO)

[98]

nanofiltracja z elektrodializą

klasyczną

separacja kwasu lewulinowego i 5-hydroksymetylofurfuralu w wodnym

roztworze od galaktozy techniką nanofiltracji (NF), a następnie separacja

kwasu od furfunalu w procesie elektrodializy klasycznej (ED)

[99]

elektro- elektrodializa

z ekstrakcją reaktywną

ekstrakcja i zatężenie kwasu cytrynowego z brzeczki pofermentacyjnej z użyciem

czwartorzędowych amin i n-oktanolu

[100]

mikrofiltracja, adsorpcja i destylacja próżniowa

oczyszczenie 1,3-propandiolu z brzeczki zawierającej proteiny i pozostałości materii

organicznej (MF), dekoloryzacja na węglu aktywnym i zatężenie oraz rozdział od soli nieorganicznych (destylacja)

[101]

nanofiltracja z elektrodializą

bipolarną i ekstrakcją

rozdział soli kwasu fumarowego z brzeczki pofermentacyjnej od glicerolu, a następnie

jego zatężenie i konwersja do formy kwasowej

[102]

ekstrakcja reaktywna z destylacją próżniową i krystalizacją

ekstrakcja kwasu bursztynowego z brzeczki pofermentacyjnej za pomocą TOA, odparowanie lotnych zanieczyszczeń i krystalizacja kwasu bursztynowego w temp 4ºC i pH w zakresie 1.0-3.0

[103]

W przeważającej liczbie technik membranowych, w których siłą napędową jest różnica ciśnień, wykorzystuje się membrany polimerowe (symetryczne, asymetryczne lub lite) wykonane najczęściej z materiałów, takich jak: CA (octan celulozy), PTMSP (poli(1-trimetylosililo-1-propyn), PAI (poliaminoimid) czy PDMS (poli(dimetylosiloksan)) [104]. W celu podwyższenia wytrzymałości mechanicznej spreparowano także membrany kompozytowe [105]. Są one połączeniem porowatego, zapewniającego wysoką wytrzymałość podłoża z cienką warstwą aktywną, decydującą o właściwościach separacyjnych membrany. Jak wykazali Poletto i współpracownicy [105], kompozytowe membrany złożone z ceramicznego podłoża i warstwy poliamidowej (PA 66) czy polisulfonowej (PSf) można zastosować w procesach ultrafiltracji. Z kolei Lee i inni [106] wprowadzając do poliamidowej matrycy nanocząsteczki tlenku tytanu, skonstruowali kompozytową membranę wykazującą ponad 95% retencję wobec jonów dwuwartościowych (MgSO4), co sugeruje, że membrana ta może zostać z powodzeniem użyta w procesach nanofiltracji.

Coraz większym zainteresowaniem cieszą się również membrany ceramiczne, wytwarzane w procesach spiekania z tlenku glinu, krzemy, cyrkonu lub tytanu [107].

Ich zasadniczą zaletą jest możliwość pracy w szerokim zakresie temperatur i pH oraz mniejsza tendencja do foulingu [108], co ma szczególne znaczenie w przypadku oczyszczania brzeczek pofermentacyjnych [109].

W procesach elektrodializy wykorzystuje się membrany jonoselektywne (anionowymienne, kationowymienne, amfoteryczne, bipolarne), których zdolności separacyjne wynikają z rodzaju grup funkcyjnych wbudowanych w hydrofobową matrycę wykonaną najczęściej z usieciowanego polistyrenu, polietylenu czy polisulfony [110]. Rodzaj i stężenie grup funkcyjnych decyduje o właściwościach mechanicznych, przepuszczalności, jak również o przewodnictwie, które przekłada się na opór elektryczny membrany. Dla przykładu grupa sulfonowa (-SO₃^-) jest całkowicie zdysocjowana w całym zakresie pH, podczas gdy grupa karboksylowa (-COO^-)

pozostaje niezdysocjowana przy pH< 3. Istotny jest zatem właściwy dobór membrany do analizowanego medium.

Z ekonomicznego punktu widzenia bardzo ważna jest konstrukcja stosu elektrodialitycznego, który może zostać złożony z naprzemiennie ułożonych membran:

anionowymiennej i bipolarnej (AM-BM), kationowymiennej i bipolarnej (CM-BM) lub anionowymiennej i kationowymiennej (AM-CM). Literatura wskazuje, że do rozdziału soli słabych kwasów (np. sole sodowe kwasu octowego, mlekowego) o przewodnictwie nieprzekraczającym 7 mS/cm [111], bardziej odpowiedni jest stos typu AM-BM [112]. Z kolei stosy typu: CM-BM oraz AM-CM mogą zostać wykorzystane do odsolenia i zatężenia zarówno roztwórów wodnych, jak i brzeczek pofermentacyjnych [113]. Ponadto warto nadmienić, że tylko w procesie elektrodializy z membraną bipolarną, prócz separacji kwasów organicznych, przeprowadzić można konwersję soli do formy kwasowej [110].

Spośród tradycyjnych technik stosowanych do wydzielania kwasów organicznych z brzeczki pofermentacyjnej, znane i szeroko opisane w literaturze są procesy strącania, krystalizacji, ekstrakcji reaktywnej czy adsorpcji (Tabela 2).

Wasewar [93] przeanalizował proces separacji kwasu mlekowego przez strącanie stosowany od wielu lat w przemyśle. Brzeczka kwasu mlekowego jest alkalizowana wodorotlenkiem magnezu, podgrzewana do 70ºC i wstępnie przefiltrowywana w celu usunięcia pozostałości biologicznych. Filtrat zawierający mleczan wapnia, jest następnie zakwaszany kwasem siarkowym(VI) do pH 1,8, a powstający siarczan(VI) wapnia jest odfiltrowywany z płynu pofermentacyjnego. Kolejny etap polega na usunięciu pozostałych zanieczyszczeń, w tym barwnych substancji na węglu aktywnym. Następnie, oczyszczony płyn poddawany jest schłodzeniu, krystalizacji, a otrzymane kryształy mleczanu przemywane są wodą. Procedurę chłodzenia, krystalizacji i przemywania powtarza się kilkukrotnie do uzyskania zadawalającej czystości. Zaproponowane przez autorów rozwiązanie jest skuteczne (wydajność procesu na poziomie 90%). Jednak ilość generowanych odpadów i zużycie surowców, podnosi koszty całego procesu produkcji kwasu mlekowego o 50% [93].

Proces ten z ekonomicznego i ekologicznego punktu widzenia wydaje się zatem mało atrakcyjny.

Li i współpracownicy [94] zaproponowali proces krystalizacji do wydzielenia kwasu bursztynowego z brzeczki fermentacyjnej zawierającej prócz produktu głównego (97,8 g/dm³), kwas mrówkowy (23,5 g/dm³),

mlekowy (5,1 g/dm³) i octowy (17,4 g/dm³). Krystalizację kwasu bursztynowego prowadzono w obniżonej temperaturze 4ºC, co znacznie zmniejszyło rozpuszczalność kwasu bursztynowego względem pozostałych kwasów dikarboksylowych) oraz przy obniżonym pH (do ok. 2), ponieważ jak wykazują autorzy, przy takiej wartości pH, wszystkie kwasy karboksylowe znajdujące się w brzeczce pofermentacyjnej są niezdysocjowane.

Biorąc pod uwagę uzyskaną czystość (90%) i wydajność omawianego procesu (90%), można stwierdzić, że krystalizacja może zostać zastosowana, jako jeden z etapów oczyszczania płynu pofermentacyjnego zarówno jako proces jednostkowy, jak również w układzie hybrydowym z innymi technikami rozdziału.

Możliwość zastosowania ekstrakcji reaktywnej do separacji kwasu fumarowego i bursztynowego, przeanalizowali Szternel i inni [95]. W pracy podjęto próbę znalezienia najlepszego ekstrahenta do rozdziału mono- i dikarboksylowych kwasów z modelowych roztworów wodnych oraz oceniono wpływ pH (w zakresie 2-9) na stopień ekstrakcji. Jako ekstrahenty zaproponowano: fosforan tributylu (TBP), trioktyloaminę (TOA) oraz preparaty handlowe: Cyanex 923 i Aliquat 336, rozcieńczone w dwóch różnych rozpuszczalnikach: oktanolu lub Exxsolu D220/230.

Na podstawie licznych eksperymentów autorzy stwierdzili, że największy stopień ekstrakcji kwasów monokarboksylowych (na przykładzie kwasów mlekowego i octowego) uzyskano z Cyanexem 923, z kolei dla kwasu fumarowego i bursztynowego największą wydajność ekstrakcji zapewniały zasadowe ekstrahenty: Aliquat 336 i TOA.

Przeanalizowany przez autorów znaczący spadek stopnia ekstrakcji kwasów wraz ze wzrostem pH, sugeruje, że technika ta nie przyniesie zadawalających efektów rozdziału kwasów organicznych z brzeczek po biotechnologicznej konwersji glicerolu (pH 6-8, Tabela 1), może jednak zostać z powodzeniem zastosowana do separacji kwasu fumarowego otrzymywanego na drodze fermentacji glukozy z udziałem mikroorganizmów R. oryzae [71], bądź w biokonwersji kwasu maleinowego z wykorzystaniem szczepu P. alcaligenes Strain XD-1 [69].

Adsorpcja małocząsteczkowych kwasów organicznych (octowego, propionowego i masłowego) z wykorzystaniem dwóch typów adsorbentów: węgla aktywnego (Carbomafra 119) i żywicy jonowymiennej (Purolite A133S), stała się tematem prac badawczych Da Silva i Miranda [96]. Choć proces adsorpcji, ze względu na użycie dwóch różnych adsorbentów jest różny, stwierdzono, że w obu przypadkach kwasy z dłuższym łańcuchem alkilowym wykazują większą zdolność adsorpcji.

Ponadto wykazano, że niezależnie od użytych roztworów (jedno- lub wieloskładnikowych), żywica jonowymienna charakteryzuje się znacznie większą pojemnością sorpcyjną niż węgiel aktywny. Wynika to przede wszystkim z różnego mechanizmu adsorpcji. Oddziaływania pomiędzy grupami karboksylowymi a słabo zasadowymi grupami anionowymi wbudowanymi w matrycę żywicy, powodują powstanie sprzężonych par typu kwas-zasada (R-COO^-), które z powodu posiadanego ładunku przyciągane są do materiału żywicy (na zasadzie przyciągania elektrostatycznego ładunków przeciwnych). O zdolności sorpcyjnej węgla aktywnego decydują oddziaływania pomiędzy jego hydrofobową powierzchnią, a łańcuchami alifatycznymi kwasów [114]. Stąd też dopiero przy zastosowaniu wyższych stężeń kwasów lub mieszanin wieloskładnikowych, uzyskano większą wydajność procesu.

Ze względu na mechanizm działania wybranych adsorbentów, technika ta najbardziej nadaje się do separacji związków organicznych o długich łańcuchach alkilowych. Warto zwrócić uwagę, iż mimo interesujących efektów, możliwość zastosowania żywicy jonowymiennej i węgla aktywnego do rozdziału składników brzeczek pofermentacyjnych jest ograniczona, ponieważ Da Silva i Miranda nie przeanalizowali wpływu pH, które może znacząco zmienić charakter analizowanych oddziaływań.

Separacji kwasu bursztynowego z brzeczki pofermentacyjnej w układzie hybrydowym, łączącym: ekstrakcję reaktywną, destylację próżniową i krystalizację, podjęli się Huh i współpracownicy [103]. W pierwszym etapie wstępnego oczyszczania przeprowadzono proces ekstrakcji, celem usunięcia produktów ubocznych biosyntezy, tj. kwasu octowego, pirogronowego i pozostałości pożywki. Jako ekstrahent zaproponowano TOA w 1-oktanolu, ze względu na jej zdolność do ekstrahowania kwasów w formie niezdysocjowanej [115]. Określając współczynniki podziału kwasów karboksylowych w zależności od pH, autorzy pracy wyznaczyli zakres pH 5-6, w którym kwas bursztynowy jest niezdysocjowany, natomiast pozostałe składniki występują w formie jonowej. W efekcie, podczas 1-stopniowej ekstrakcji (25ºC, pH = 5) wydzielono z brzeczki 22,2 g/dm³ kwasu bursztynowego oraz niewielkie ilości kwasów monokarboksylowych (ok. 0,6 g/dm³). Części zanieczyszczeń pozbyto się w kolejnym etapie destylacji próżniowej, pozwalającej na całkowite usunięcie z płynu kwasu octowego. W ostatnim etapie, polegającym na krystalizacji kwasu bursztynowego prowadzonej w obniżonej temperaturze (4ºC) i pH w zakresie 1,0-3,0 [94], uzyskano czystość rzędu 99,8% [103].

Równie interesujące rozwiązanie, pozwalające na wydzielenie i oczyszczenie kwasów monokarboksylowych z brzeczki pofermentacyjnej, przedstawili Cho i Lee [116]. Hybrydowy układ złożony z nanofiltracji (NF) i odwróconej osmozy (RO) posłużył im do selektywnego rozdziału i zatężenia kwasu masłowego z modelowych roztworów zawierających sole mineralne (MgSO₄, FeSO₄, NaCl, (NH₄)₂SO₄, KH₂PO₄) oraz pozostałości niezużytej przez mikroorganizmy glukozy. W pierwszym etapie stosując polimerowe membrany nanofiltracyjne (HL, Duraslic, GE) w trakcie NF prowadzonej przy ciśnieniu transmembranowym 1,5 MPa i pH~3 odseparowano kwas masłowy od soli mineralnych i cukru. Następnie, techniką odwróconej osmozy (1,5 MPa) usunięto z roztworu rozpuszczalnik i zatężono kwas masłowy. Autorzy pracy sugerują również połączenie systemu NF/RO z bioreaktorem i prowadzenie ciągłego procesu fermentacji z jednoczesną separacją produktów [116]. Takie rozwiązanie, ograniczyłoby również efekt inhibicji wzrostu bakterii, wywołany zwiększającym się stężeniem kwasu masłowego w czasie fermentacji [117], co jest dodatkową zaletą proponowanego układu hybrydowego.

Literatura przedmiotu wskazuje na możliwość selektywnego rozdziału składników brzeczek pofermentacyjnych za pomocą wielu technik separacji. Zarówno techniki tradycyjne, jak i membranowe mają swoje zalety, ale i ograniczenia.

Zasadniczą wadą technik tradycyjnych jest duża ilość odpadów i wysokie koszty związane z ich przechowywaniem i utylizacją. W przypadku technik membranowych minusem jest konieczność wstępnego oczyszczania medium przed poddaniem go separacji w procesach membranowych oraz ograniczenia związane z wytrzymałością mechaniczną, chemiczną i termiczną stosowanych membran. Ostateczny wybór jest więc bardzo trudny, dlatego ciekawym rozwiązaniem mogą okazać się techniki hybrydowe. Połączenie technik membranowych z tradycyjnymi w jeden zintegrowany układ może poprawić wydajność całego procesu, a przy tym ograniczyć ilość generowanych odpadów, co jest bardzo istotne z ekologicznego punktu widzenia.

2.3.1 Nanofiltracja

Nanofiltracja (NF) jest techniką separacji, która ze względu na wielkość przyłożonego ciśnienia transmembranowego (TMP) klasyfikuje się między ultrafiltracją (UF) a odwróconą osmozą (RO) [78]. Zdolność rozdzielcza nanofiltracyjnych membran (cut-off) mieści się w przedziale 10-1000 Da, co wskazuje, że proces można zastosować do rozdziału substancji o rozmiarach 0,5-2 nm, a więc może służyć do separacji peptydów, cukrów prostych, kwasów organicznych oraz niektórych jonów (szczególnie wielowartościowych) [118].

Obecnie, największą popularnością cieszą się dwa typy membran NF:

organiczne membrany kompozytowe oraz nieorganiczne membrany ceramiczne.

Jak opisuje Li i inni [119], polimerowe membrany kompozytowe składają się najczęściej z dwóch części: włóknistego podłoża (ang. support) wykonanego, np. z poli(tereftalanu etylenu) połączonego z porowatą warstwą polisulfonu oraz decydującym o właściwościach separacyjnych filmem usieciowanego poliamidu.

Z uwagi na rozmiar porów (0,5-1,5 nm) oraz jonoseketywny charakter grup na powierzchni membrany (ładunek dodatni lub ujemny) o mechanizmie transportu masy w procesie NF decydują: efekt sitowy, efekt rozpuszczalnościowo-dyfuzyjny oraz oddziaływania elektrostatyczne (wykluczenie Donnana) [120]. Membrany tego typu znalazły szerokie zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu, jednak ich zasadniczą wadą jest ograniczona wytrzymałość mechaniczna, a także niewielka odporność chemiczna i termiczna [121].

Alternatywą dla polimerowych membran NF są membrany ceramiczne produkowane z materiałów nieorganicznych, takich jak tlenek glinu, tytanu, krzemu czy cyrkonu. Cechuje je możliwość pracy w agresywnym środowisku (w skrajnych pH) oraz w większym zakresie temperatur i ciśnień transmembranowych [122].

Membrany ceramiczne otrzymuje się najczęściej techniką żel-zol, która składa się z trzech głównych etapów: 1) otrzymanie mikroporowatego nośnika, 2) nałożenie mezoporowatej warstwy pośredniej, 3) nałożenie nanoporowatej warstwy aktywnej o zdolności rozdzielczej mniejszej niż 1000 Da [123]. O porowatości, rozkładzie rozmiaru porów, a także stabilności chemicznej i termicznej decyduje materiał nośnika [124], natomiast rodzaj i ładunek ugrupowań na powierzchni membrany determinuje jej selektywność. Podobnie jak w przypadku membran polimerowych na mechanizm

transportu masy wpływa efekt sitowy oraz oddziaływania elektrostatyczne między materiałem membrany a cząsteczkami filtrowanego roztworu.

Niezależnie od rodzaju stosowanych membran, kluczowym problemem separacji nanofiltracyjnej jest właściwy dobór modułu membranowego do analizowanego medium, jak również wyjaśnienie mechanizmu zjawisk odpowiadających za transport masy w trakcie nanofiltracji. W tym celu skorzystać można z wielu matematycznych modeli, jak np. zaproponowany przez Bowena i Mukhtara [125] model DSPM (ang. Donnan steric pore model), według którego membrana nanofiltracyjna jest obdarzoną ładunkiem porowatą warstwą, którą można scharakteryzować za pomocą trzech parametrów: średniej wielkości porów, gęstości ładunku i grubości warstwy aktywnej. DSPM zakłada, że efekt rozdziału wiąże się z oddziaływaniami elektrostatycznymi (wykluczenie Donnana) i zawadą steryczną. Wadę zaprezentowanego modelu stanowi fakt, iż wysokiej retencji dwuwartościowych kationów przez membranę posiadającą ujemny ładunek, nie można wytłumaczyć biorąc pod uwagę tylko wykluczenie Donnana. Dlatego też w późniejszych latach Vezzani i Bandini [126] rozbudowali model DSPM o dodatkowy efekt wykluczenia dielektrycznego (ang. Dielectric exclusion, DE). Nowy model zakłada współistnienie dwóch zjawisk: elektrostatycznych oddziaływań wywołanych różnicą stałych dielektrycznych roztworu oraz materiału membrany, a także zmianą właściwości dielektrycznych rozpuszczalnika w porach membrany. Zjawisko polaryzacji ładunkiem przestrzennym wywołane przez jony zgromadzone na granicy niejednorodnej powierzchni membrany powoduje, że membrana zdolna jest do zatrzymania zarówno anionów, jak i kationów wielowartościowych [126].

Nieco bardziej popularny model (ang. Pore Transport Model, PTM), w którym podjęto próbę oszacowania wielkości ładunku oraz wartości stałej dielektrycznej w porach membrany, zastosowali Déon i współpracownicy [127]. Według założeń tego modelu przyjęto, że najistotniejszy jest transport masy w porach z uwzględnieniem rozkładu masy po obu stronach membrany (na wlocie i wylocie). Ponadto PTM wskazywał, że: oddziaływania elektrostatyczne między przeciw- a współjonami można opisać za pomocą równowagi Donnana, efekt sterycznego wykluczenia wynika z rozmiaru jonów, a wykluczenie dielektryczne związane jest ze zmianą dielektrycznych właściwości roztworu znajdującego w porach membrany.

Znacząca większość proponowanych w literaturze modeli matematycznych opisujących proces nanofiltracji opiera się na rozbudowanym równaniu

Nernsta-Plancka. Zależność ta została ogólnie przyjęta do opisu strumienia i-tego jonu (1), ponieważ uwzględnia trzy istotne zjawiska: dyfuzję wywołaną różnicą potencjałów chemicznych, migrację związaną z oddziaływaniami elektrostatycznymi oraz konwekcję. Innym równaniem, które dodatkowo uwzględnia termodynamikę transportu składników przez membranę jest równanie Stefana-Maxwella (2).

Jednak ze względu na trudności związane z jego rozwiązaniem jest rzadziej rozpatrywane [127].

݆_݅ ൌ ܦ_݅ܭ_݅ǡ݀ܿ_݅ െ ܦ_݅݀ܿ_݅

݀ݔ െ ݖ^݅ܿ_݅ܦ_݅ ܨ

ܴܶ

݀߰

݀ݔ (1)

ܺ݅ ൌ ෍ ܴܶ

ܦ_݅݇ܿ_݅

݇

ሺݒ݅ െ ݒ݇ሻ (2)

Ogólnie przyjęło się, że wydajność procesów, w których siłą napędową jest różnica ciśnień, określa się na podstawie strumienia (J), zdefiniowanego jako objętość (masa lub liczba moli), która została przetransportowana przez powierzchnię membrany (A, m²) w jednostce czasu (t, h):

ܬ ൌ ܸ ܣ ή ݐ

(3)

Z kolei skuteczność procesów ciśnieniowych wyraża się za pomocą stopnia zatrzymania (stopnia retencji) i-tego składnika, zdefiniowanego przez stosunek stężeń składnika w permeacie (cp) i nadawie (cN):

ܴ݅ ൌ ͳ െܿ݌

ܿܰ

(4) Zjawiskiem towarzyszącym wszystkim procesom membranowym jest polaryzacja stężeniowa. W wyniku konwekcyjnego transportu składników w kierunku membrany, dochodzi do gromadzenia się zatrzymywanych przez membranę komponentów przy jej powierzchni i powstania warstwy granicznej [76]. Polaryzacja stężeniowa powoduje redukcję strumienia, co może być związane ze wzrastającym ciśnieniem osmotycznym zatrzymanych jonów oraz formowaniem się żelu [128]. Obserwowany spadek wydajności wpływa na wzrost oporu przepływu, którego wartość można oszacować korzystając z równania (5), znanego jako prawo Darcy'ego [78]:

ܴ_݌ ൌ οܲ

ܬ_݅ή ߟ

(5)

Warstwę graniczną charakteryzuje model filmu powierzchniowego (ang. Film Theory Model), opisany zależnością:

െܬܿ݌ ൅ ܬܿܰ ൅ ܦݏ݀ܿ_ܤܮ

݀ݔ ൌ Ͳ

(6) Zakładając, że x = δ, współczynnik dyfuzji i stężenie w warstwie granicznej są stałe, można uprościć równanie i wyznaczyć grubość warstwy polaryzacyjnej:

ߜ ൌ݈݊ ܿݓ െ ܿ݌

ܿܤܮ െ ܿ݌

ܬ

(7)

Polaryzacja stężeniowa jest zjawiskiem odwracalnym i może być kontrolowana przez zwiększanie prędkości liniowej nadawy, przepływ pulsacyjny czy stosowanie odpowiednich przekładek membranowych [129]. Konsekwencją dalszej akumulacji przy powierzchni membrany (lub wewnątrz jej porów) składników niezdolnych do permeacji są: zjawisko adsorpcji, powstanie placka filtracyjnego, a także trwały fouling lub skaling, które mogą doprowadzić do nieodwracalnego zniszczenia membrany [78].

Zgodnie z ogólnie przyjętą definicją: fouling jest zjawiskiem powodującym utratę właściwości selektywnych membrany, przez odkładanie się na jej powierzchni (lub w porach), rozproszonych lub rozpuszczonych cząsteczek [130]. Wyróżnia się kilka rodzajów foulingu: nieorganiczny, organiczny i biologiczny (biofouling).

Jak wskazują Ke i in. [131] wśród czynników powodujących powstanie warstwy foulingowej należy wymienić: skład i pH roztworu poddawanego filtracji, siłę jonową składników nadawy, a także właściwości membrany, tj. porowatość, zdolność rozdzielczą, hydrofobowość oraz ładunek. Dopiero szczegółowa analiza w/w czynników może pozwolić na określenie mechanizmu tworzenia warstwy foulingowej.

Zjawisko nieorganicznego foulingu wiąże się z obecnością soli nieorganicznych w roztworze zasilającym. Występowanie wapnia, glinu, żelaza, fosforu oraz baru w warstwie foulingowej, powstałej podczas nanofiltracji ścieków przemysłowych po procesie nitryfikacji/denitryfikacji z udziałem mikroorganizmów szczepu Nitrosolobus, wykryli Xu i współpracownicy [132]. Jak sugerują autorzy pracy, większość związków nieorganicznych w roztworach pofermentacyjnych ma tendencję do formowania koloidalnych cząsteczek, które na powierzchni membrany tworzą agregaty blokujące transport. Law i in. [133] zaobserwowali wzrost szybkości