СПОСОБ ФЕРМЕНТАЦИИ
FERMENTATION METHOD

Настоящее изобретение относится к способу ферментации, включающему ферментирование источника углеводов в условиях ферментации с помощью микроорганизма.
Способы ферментации, в которых источник углеводов ферментируют в условиях ферментации с помощью микроорганизма, способного превращать углевод в продукт ферментации, известны в уровне техники и нашли применение в производстве различных продуктов ферментации.
Было обнаружено, что во время способов ферментации в промышленном масштабе могут возникать проблемы, особенно когда рассматривают большие объемы реактора, относительно высокие температуры ферментации и высокие концентрации биомассы и продукта ферментации. Это потому что, как было обнаружено, в таких ситуациях трудно поддерживать температуру в реакционном сосуде постоянной во всем объеме реакционного сосуда. Это важно по разным причинам.
С одной стороны, в тех областях в реакторном сосуде, где температура является относительно низкой, может проходить кристаллизация продукта ферментации, если продукт ферментации имеет ограниченную растворимость в воде. Это может приводить к образованию отложений на холодных поверхностях, таких как поверхность теплообменников, которые часто используют в сосудах для ферментации. Такое образование отложений отрицательно влияет на функционирование теплообменника. Кроме того, кристаллизация продукта ферментации на холодных поверхностях также приводит к образованию кристаллов с неоднородной структурой, что является нежелательным.
Кроме того, холодные пятна в блоке ферментации могут влиять на производительность микроорганизмов в этой области реактора.
Микроорганизмы обычно имеют оптимальную температуру продуцирования, и когда они находятся при температуре ниже этого значения, их активность снижается, что, конечно, является нежелательным.
Напротив, в тех областях в блоке ферментации, где температура является относительно высокой, тоже можно получить нежелательные эффекты. В частности, температуры, которые слишком высоки, также могут приводить к снижению активности микроорганизма. Кроме того, высокие температуры могут приводить к образованию нежелательных побочных продуктов.
В уровне техники, способы ферментации с регулированием температуры, в которых рассматриваются большие объемы реактора, относительно высокие температуры ферментации и высокие концентрации биомассы и продукта ферментации, часто проводили при обеспечении теплообменников в реакторе в сочетании с элементами гомогенизации, такими как смесители. Однако было обнаружено, что эти элементы не всегда отвечают требованиям. Как описано выше, отложение продукта ферментации с ограниченной растворимостью на теплообменниках является проблемой, как и образование холодных пятен. Другая проблема состоит в том, что добавление теплообменников уменьшает свободный объем реактора, и, если требуется интенсивное охлаждение, в реакторе может не быть достаточно места для установки требуемой охлаждающей емкости. Кроме того, теплообменники являются дорогими и относительно слабо адаптивными, так что один раз установленные, они могут быть удалены только при закрытии реактора.
В уровне техники есть потребность в способе ферментации, который обеспечивает постоянную температуру реакции во всем блоке, в том числе там, где рассматриваются большие объемы реактора, относительно высокие температуры ферментации и высокие концентрации биомассы и продукта ферментации. Кроме того, есть потребность в способе ферментации, где однородную температуру реакции можно получить при ограниченных финансовых вложениях, и где регулирование температуры является гибким, так что охлаждающее действие может быть прямо адаптировано к нуждам способа. В настоящем изобретении предложен способ, в котором решены указанные проблемы.
Изобретение относится к способу ферментации, включающему
- ферментирование источника углеводов в условиях ферментации в водной ферментационной среде в реакторе ферментации с помощью микроорганизма, способного превращать углевод в продукт ферментации,
- в процессе способа ферментации извлечение части ферментационной среды, содержащей биомассу, из реактора ферментации в виде возвратного потока,
- подачу возвратного потока, содержащего биомассу, в сосуд под давлением, в котором давление выбирают так, что температура возвратного потока снижается путем испарения воды на величину 1-8°С по сравнению с температурой ферментационной среды в реакторе ферментации,
- возвращение рециклом охлажденного возвратного потока в реактор ферментации.
Было обнаружено, что способ по изобретению позволяет получить однородный профиль температуры ферментационной среды с ограниченным появлением горячих и холодных пятен внутри реактора. Было обнаружено, что это приводит к улучшению эффективности ферментации.
Основной особенностью способа по изобретению является удаление части ферментационной среды, подача ее в сосуд под давлением, в котором она охлаждается до специфической степени путем испарения воды, и возвращение охлажденного потока рециклом в реактор ферментации.
Следует отметить, что в US 2012/0220003 описан способ непрерывного разделения представляющих интерес органических материалов из процесса ферментации, в частности молочно-кислого или спиртового брожения, в котором ферментационную среду извлекают из ферментатора и подают в сепаратор мгновенного испарения, в котором летучие продукты ферментации мгновенно испаряются из ферментационной среды. Указывают, что биомассу выделяют из ферментационной среды перед тем, как последнюю подают в сепаратор мгновенного испарения. Это является отличием от настоящего изобретения, в котором биомассу не удаляют из возвратного потока. Особенностью настоящего изобретения является то, что благодаря относительной мягкости стадии понижения давления, что можно понять по ограниченному снижению температуры, удаление биомассы перед стадией снижения давления не требуется. Это приводит к существенной экономии не только в части расходов на приобретение оборудования, необходимого для стадии отделения биомассы, но также и в части обслуживания оборудования. Кроме того, стадия отделения биомассы, как ее проводят в указанном документе, сама по себе оказывает негативное влияние на свойства биомассы.
В JP 59039293 описана ферментация спирта, в которой часть ферментационной среды извлекают из реактора ферментации, подвергают мгновенному испарению и возвращают в реактор ферментации. В этой ссылке, биомассу иммобилизуют на носителе. Когда биомассу иммобилизуют на носителе, температура в реакторе ферментации всегда будет неоднородной.
В US 2012/0244587 описано осуществление ферментации при пониженном давлении, где воду испаряют и удаляют из реактора в процессе ферментации в количестве, которое составляет по меньшей мере 20% от объема жидкости, присутствующей в реакторе в начале ферментации. В этом документе не описаны извлечение части ферментационной среды из реактора ферментации, подача этого потока в сосуд под давлением, где давление выбирают так, что температура возвратного потока снижается на величину 1-8°С по сравнению с температурой ферментационной среды в реакторе ферментации, и возвращение этого потока рециклом в реактор ферментации.
В US 4349628 описан способ ферментации для производства летучих органических компонентов, в котором часть
ферментационной среды непрерывно подают в сепаратор, в котором этанол или другие летучие компоненты испаряются при температуре, которая не является разрушительной для микроорганизма, путем воздействия на ферментационную среду с помощью пониженного давления, и возвращают рециклом часть или всю оставшуюся фракцию в ферментатор. Цель данного способа состоит в удалении летучих компонентов из системы, поскольку они могут быть токсичными для микроорганизма. Указывают, что материал, возвращаемый рециклом в реактор, должен иметь температуру, которая является настолько высокой, насколько возможно, пока это не влияет на сохранение жизнеспособности микроорганизма. Это является отличием от настоящего изобретения, в котором для осуществления регулирования температуры используют испарение воды из ферментации продукта, который имеет температуру кипения выше температуры кипения воды.
Далее настоящее изобретение будет рассмотрено более подробно.
Настоящее изобретение будет проиллюстрировано со ссылкой на следующие фигуры, без какого-либо ограничения.
На Фиг. 1 проиллюстрировано первое воплощение настоящего изобретения.
На Фиг. 2 проиллюстрировано еще одно воплощение настоящего изобретения.
На Фиг. 1, способ ферментации проводят в реакторе (1) ферментации. Биогенные вещества и источник углеводов можно подавать по линии (2). Нейтрализующее соединение можно подавать по линии (3). Очевидно, что эти линии можно объединять, или биогенные вещества и углевод можно подавать по отдельным линиям. Возможно также все эти соединения добавить в реактор в начале реакции, в этом случае можно обойтись без указанных линий.
В процессе способа ферментации часть ферментационной среды, содержащую биомассу, извлекают из реактора ферментации по линии (4) и подают в сосуд под давлением (5). В сосуде под давлением воду испаряют и извлекают по линии (7). Полученный охлажденный возвратный поток возвращают рециклом обратно в реактор ферментации по линии (6). Ферментационную среду можно извлечь из реактора по линии (8). Это можно осуществлять непрерывно, периодически или одноразово по окончании ферментации, в зависимости от конфигурации способа.
Первой стадией способа по изобретению является ферментирование источника углеводов в условиях ферментации в водной ферментационной среде в реакторе ферментации с помощью микроорганизма, способного превращать углевод в продукт ферментации, при этом продукт ферментации является солью или продуктом с температурой кипения выше температуры кипения воды. Природа продукта ферментации не является критичной для способа по изобретению.
В одном из воплощений настоящего изобретения предложен способ ферментации для производства продукта, содержащего соль кислоты. В таких способах ферментации, микроорганизм продуцирует кислоту, а основание добавляют в ферментационную среду для поддержания рН в пределах диапазона, требуемого для рассматриваемого микроорганизма, превращая всю кислоту или ее часть в ее соответствующую соль.
Кислоты, которые можно производить согласно способу по изобретению, включают карбоновые кислоты, в частности карбоновые кислоты, выбранные из группы, состоящей из моно-, ди- и трикарбоновых кислот, имеющих 2-8 атомов углерода. Примеры включают молочную кислоту, пропионовую кислоту, лимонную кислоту, яблочную кислоту, малеиновую кислоту, фумаровую кислоту, адипиновую кислоту, янтарную кислоту, винную кислоту, альфа-кетоглутаровую кислоту, оксалоуксусную кислоту, уксусную кислоту, акриловую кислоту, фурандикарбоновую кислоту (ФДКК), глюконовую кислоту, гликолевую кислоту, малоновую кислоту, 3-гидроксипропионовую кислоту, масляную кислоту, 3-гидроксимасляную кислоту, валериановую кислоту, изовалериановую кислоту, капроновую кислоту и/или их соли.
Настоящее изобретение может быть особенно полезно, когда продукт ферментации имеет низкую растворимость в воде, например, в случае низкорастворимых кислот или солей. Обнаружили, что настоящее изобретение особенно подходит для применения в процессах ферментации лактатов магния и кальция, в частности лактата магния. Настоящее изобретение также может быть особенно полезно для получения ФДКК магния и сукцината магния.
Как обсуждалось выше, в процессе ферментации, образование кислоты приводит к снижению рН. В противовес этому и для удержания рН в пределах диапазона, в котором микроорганизм может продуцировать, в процессе ферментации обычно добавляют основный раствор. Подходящие основные растворы включают растворы, содержащие одно или более веществ из (гидр)оксида кальция, карбоната кальция, бикарбоната кальция, (гидр)оксида магния, гидроксида натрия, гидроксида аммония, гидроксида калия, карбоната магния, бикарбоната натрия, бикарбоната калия. В зависимости от растворимости основания, основный раствор, указанный выше, может представлять собой истинный раствор в том смысле, что основание полностью растворено, и раствор не содержит твердых компонентов. Однако основный раствор может также представлять собой суспензию, которая, помимо растворенного основания, содержит твердые частицы. В описании данной заявки термин «раствор» включает оба воплощения.
Обычно основный раствор добавляют в количестве, эффективном для регулирования рН бульона примерно от 3 до 9, более конкретно от 5,5 до примерно 7,0.
Природа источника углеводорода не является критичной в настоящем изобретении. Источник углеводов обычно включает одно или более веществ из Сахаров, (разжиженного) крахмала, сахарного сиропа или сырной сыворотки, глюкозы, фруктозы или галактозы, или дисахаридов, таких как сахароза или лактоза, гексозы и пентозы в гидролизатах растительного происхождения, таких как биоотходы, древесина, солома и т.д.
К компетенции специалиста в данной области техники относится выбор микроорганизма и условий ферментации, которые приведут к получению целевого продукта ферментации. Эти аспекты не требуют более подробного освещения в данной заявке. Обнаружили, что способ по изобретению особенно подходит для способов, в которых используют микроорганизм, который имеет относительно высокую оптимальную температуру, поскольку эти организмы могут быть особенно чувствительными к холодным пятнам в блоке ферментации. Кроме того, способы ферментации, которые проводят при более высоких температурах, могут быть особенно восприимчивыми к нерегулируемому отклонению температуры, требуя регулируемого охлаждения. Следовательно, в одном из воплощений, температура в реакторе ферментации находится в диапазоне 30-65°С, в частности в диапазоне 40-60°С. Тепло в реакционной среде имеет несколько источников. Его частично генерирует сам микроорганизм, а также оборудование, такое как смесители и насосы. Его также добавляют нейтрализующий агент и загружаемые соединения. Настоящее изобретение обеспечивает необходимое регулирование температуры реактора.
Способ по настоящему изобретению может быть особенно полезен для ситуаций, когда концентрация продукта ферментации, присутствующего в ферментационной среде, близка к концентрации насыщения, находится на уровне концентрации насыщения или выше концентрации насыщения. В этом случае, способ по изобретению предотвращает присутствие «холодных пятен» в реакторе, которые могут приводить к нерегулируемому осаждению твердого продукта ферментации. Это может приводить к осаждению отложений на теплообменниках и/или образованию осажденного твердого продукта ферментации (кристаллов) с неоднородным размером частиц или свойствами кристаллов. В одном из воплощений, концентрация продукта ферментации в ферментационной среде выше 70% концентрации насыщения, в частности выше 80%, в некоторых воплощениях выше 90%, во время по меньшей мере части рабочего времени процесса ферментации.
Настоящее изобретение может быть особенно полезно, когда ферментационная среда содержит твердый продукт ферментации во время по меньшей мере части рабочего времени процесса ферментации, поскольку процессы ферментации этого типа особенно чувствительны к нерегулируемой кристаллизации, например, на холодных пятнах в реакторе. В одном из воплощений, во время по меньшей мере 20% рабочего времени процесса ферментации ферментационная среда содержит твердый продукт ферментации в количестве по меньшей мере 1% (об.), которое вычисляют как долю твердого продукта ферментации относительно всей ферментационной среды.
В данной заявке начальной точкой рабочего времени процесса ферментации является момент времени, когда все компоненты среды поданы в реактор, ферментационная среда доведена до условий ферментации, таких как выбранные рН и температура, и микроорганизм подан в реактор. В этот момент времени все условия соответствуют тому, чтобы началась ферментация. Конечной точкой рабочего времени процесса ферментации является момент времени, когда образование продукта по существу остановлено, то есть когда производительность, в г/л-ч составляет ниже 10% от максимального значения производительности, в г/л-ч в процессе способа. Это, как правило, происходит, когда источник углерода израсходован.
Доля рабочего времени, во время которого твердый продукт ферментации присутствует в ферментационной среде, будет зависеть от рассматриваемой ферментации, и может составлять значительно больше, чем 20%. Обычно, когда твердый продукт ферментации присутствует во время по меньшей мере части рабочего времени, может быть предпочтительным, чтобы твердый продукт ферментации присутствовал во время относительно большой части рабочего времени. В этом случае ферментация является ферментацией при высокой концентрации. Доля рабочего времени, во время которого присутствует твердый продукт ферментации, может составлять по меньшей мере 40%, в некоторых воплощениях по меньшей мере 60%, иногда по меньшей мере 70%, в некоторых специфических воплощениях по меньшей мере 80% и даже по меньшей мере 90%.
Количество твердого продукта ферментации может меняться в пределах широких диапазонов. Если присутствует, то может быть предпочтительным, чтобы он присутствовал в количестве по меньшей мере 5%, в некоторых воплощениях по меньшей мере 10%. В качестве общего максимума можно задать значение 50%, поскольку может быть затруднительно проводить ферментацию при более высоких концентрациях с точки зрения технологических проблем. Может быть предпочтительным, чтобы количество твердого продукта ферментации составляло не более 40%, более предпочтительно не более 35%.
Концентрацию твердого продукта ферментации в ферментационной среде можно определять по следующей методике: из ферментационного бульона берут 1 мл однородного образца с помощью трубки Эппендорфа (Eppendorf tube). Образец центрифугируют в течение 2 минут при 1300 оборотах в минуту. Объемную долу твердого слоя определяют визуально.
Этот твердый слой содержит и твердый продукт ферментации, и биомассу. Для исключения количества биомассы, количество биомассы можно определить отдельно с помощью способов, известных в уровне техники, например, путем определения при 600 нм оптической плотности (OD) образца ферментационного бульона, из которого удалили кристаллы путем его разведения до 5% (об.) в растворе 0,5н-ной EDTA, доведенного до рН 8 с помощью КОН, и сравнения полученной величины с ОD600нм стандартных растворов биомассы. Объемную долю твердого продукта ферментации можно после этого определить путем вычитания объемной доли биомассы из доли, полученной в процедуре центрифугирования, описанной выше.
3
3
3
3
Ферментацию проводят в реакторе ферментации. Было обнаружено, что проблемы, связанные с неоднородным нагреванием и охлаждением, особенно относятся к процессам ферментации, которые проводят в больших объемах реактора. Поэтому в одном из воплощений размер реактора ферментации такой, что объем ферментационной среды в реакторе ферментации составляет по меньшей мере 100 м. Реакторы ферментации большего размера тоже можно использовать. Объем ферментационной среды в реакторе ферментации может, например, составлять по меньшей мере 200 м или даже по меньшей мере 400 м. В качестве общего максимума, можно указать значение 2000 м.
Реактор ферментации можно оснастить обычным оборудованием для реактора, таким как смесители или другие средства для гомогенизации ферментационной среды. Может быть предпочтительным, чтобы реактор не содержал теплообменников. Теплообменники могут нарушать смешивание, проводимое для получения однородной среды, и признаком настоящего изобретения является ненужность теплообменников.
В процессе способа ферментации, часть ферментационной среды, содержащую биомассу, извлекают из реактора ферментации в виде возвратного потока. Возвратный поток, содержащий биомассу, подают в сосуд под давлением, в котором давление выбирают так, что температуру возвратного потока снижают на величину 1-8°С по сравнению с температурой ферментационной среды в реакторе ферментации путем испарения воды. Охлажденный возвратный поток подают обратно в реактор ферментации.
Эта стадия рециклинга через сосуд под давлением предназначена для однородного охлаждения ферментационной среды в способе ферментации. Степень охлаждения будет зависеть от снижения температуры в сосуде под давлением и от количества ферментационной среды, которую подают рециклом через сосуд под давлением.
Сосуд под давлением эксплуатируют в таких условиях, что температура возвратного потока снижается на величину 1-8°С по сравнению с температурой ферментационной среды. Понижение температуры меньше 1°С является слишком низким для осуществления значимого охлаждения. Понижение температуры выше 8°С может привести к неоднородному профилю температуры в реакторе ферментации, когда среду возвращают туда рециклом.
Для осуществления адекватного регулирования температуры ферментационной среды в реакторе ферментации, может быть предпочтительным, если температура возвратного потока снижается на величину 2-5°С по сравнению с температурой ферментационной среды в реакторе ферментации. Снижение температуры в сосуде под давлением получают путем испарения воды. К компетенции специалиста в данной области техники относится выбор величины давления, при котором будет получено целевое снижение температуры.
Следует отметить, что, поскольку в настоящем изобретении продукт ферментации представляет собой соль или продукт с температурой кипения выше температуры кипения воды, в сосуде под давлением не произойдет испарения продукта ферментации. Испарение низкокипящих побочных продуктов может происходить, если они образуются, но целью рециклинга через сосуд под давлением является снижение температуры, а не испарение побочных продуктов.
3
3
Объем сосуда под давлением обычно относительно мал по сравнению с объемом реактора ферментации. Предпочтительно, он составляет от 0,1 до 10 процентов от объема реактора ферментации. Если объем сосуда под давлением слишком мал, будет трудно получить адекватное охлаждение. Если объем сосуда под давлением слишком большой, стоимость оборудования будет возрастать без заметных преимуществ в отношении способа. Объем сосуда под давлением может, например, составлять от 0,5 до 10 м, в частности от 1 до 5 м.
Время рециклинга обычно относительно небольшое в способе по изобретению. Более короткое время рециклинга является предпочтительным, потому что в секции для рециклинга микроорганизм находится в менее регулируемых условиях, чем в реакторе. Более конкретно, время рециклинга, определяемое как время между извлечением фракции ферментационной среды из реактора ферментации и повторным введением фракции в реактор после охлаждения составляет не более 10 минут, в частности не более 5 минут. Не ожидается никаких преимуществ от более длительного времени рециклинга. Минимальное время рециклинга зависит от конкретной конфигурации оборудования и не является критичным.
Частоту рециклинга можно адаптировать для получения требуемого регулирования температуры. Она будет, среди прочего, зависеть от размера сосуда под давлением и размера реактора ферментации. В одном из воплощений частоту рециклинга выбирают так, что за час от 0,1 до 10 кратных объемов реактора ферментации возвращают рециклом через сосуд под давлением. Может быть предпочтительным возвращать рециклом от 0,5 до 5 кратных объемов реактора ферментации через сосуд под давлением в час, более предпочтительно от 0,5 до 2 кратных объемов реактора ферментации в час.
Способ ферментации может представлять собой периодический способ, способ с периодической подачей или непрерывный способ. Способ по изобретению может представлять собой периодический способ, способ с периодической подачей или непрерывный способ.
В одном из воплощений способ ферментации по изобретению представляет собой периодический способ. В описании данной заявки периодический способ определяют как способ, в котором источник углерода подают в реактор ферментации в начале реакции, и никаких (существенных) порций источника углерода не добавляется в процессе способа.
В одном из воплощений способ ферментации по изобретению представляет собой способ с периодической подачей. В описании данной заявки способ с периодической подачей представляет собой способ, в котором по меньшей мере источник углерода подают в реактор ферментации в начале реакции и во время реакции, при этом способ имеет заранее определенную конечную точку, после которой ферментация не может быть продолжена из-за, например, образования примесей.
В одном из воплощений способ ферментации по изобретению представляет собой непрерывный способ ферментации. В описании данной заявки непрерывный способ ферментации представляет собой способ, в котором по меньшей мере источник углерода подают в реактор ферментации в начале реакции и во время реакции, при этом способ не имеет заранее заданной конечной точки. В целом, общий объем ферментационной среды поддерживается более или менее постоянным. Это означает, что, из-за добавления источника углерода в процессе ферментации, что приводит к увеличению объема ферментационной среды, содержимое реактора будет извлекаться в процессе ферментации. Это может быть твердый продукт ферментации и/или жидкая ферментационная среда. В принципе, непрерывную ферментацию можно проводить в течение неопределенного времени, хотя в какой-то момент времени она будет прекращена для техобслуживания блока. Указанные принципы периодической ферментации, ферментации с периодической подачей и непрерывной ферментации известны специалисту в данной области техники.
На Фиг. 1 проиллюстрировано воплощение, в котором устройство, требуемое для стадии охлаждения, напрямую соединено с реактором ферментации. Можно также интегрировать устройство, требуемое для стадии охлаждения, на стадию, на которой извлекают продукт ферментации.
Одно из воплощений этого способа проиллюстрировано на Фиг. 2. На Фиг. 2 способ ферментации проводят в реакторе (1) ферментации. Биогенные вещества и источник углеводов можно подавать по линии (2). Нейтрализующее соединение можно подавать по линии (3). Также как в случае воплощения на Фиг. 1, эти линии могут быть объединены или биогенные вещества и углевод можно подавать по отдельным линиям. Возможно также, что все соединения подают в реактор в начале реакции, в этом случае можно обойтись без этих линий.
В процессе способа ферментации часть ферментационной среды, содержащей биомассу, извлекают из реактора ферментации по линии (8). Линия (8) разделяется на линию (81) и линию (82). Линия (81) ведет в сосуд под давлением (5). В сосуде под давлением воду (5) испаряют и извлекают по линии (7). Полученный охлажденный возвратный поток возвращают рециклом обратно в реактор ферментации по линии (6). Линия (82) содержит ферментационную среду, которую извлекают из способа. Ее можно обрабатывать по желанию, например, путем ее подачи в блок отделения биомассы, с последующими дополнительными стадиями обработки, такими как извлечение твердого продукта ферментации, если присутствует, и другими стадиями, известными в уровне техники, которые не требуют более подробного освещения в данной заявке.
Таким образом, в одном из воплощений настоящее изобретение относится к способу, в котором
- в процессе способа ферментации поток ферментационной среды, содержащей биомассу, извлекают из реактора ферментации,
- первую часть потока подают в сосуд под давлением, в котором давление выбирают так, что температура потока снижается путем испарения воды на величину 1-8°С по сравнению с температурой ферментационной среды в реакторе ферментации, и возвращают рециклом образованный таким образом поток в реактор ферментации, и
- вторую часть потока не подают в сосуд под давлением.
Как отмечалось выше, вторую часть потока можно перерабатывать по желанию. Это воплощение особенно подходит, когда способ осуществляют в непрерывном режиме.
Продуктом способа ферментации является ферментационный бульон, который представляет собой водную жидкость, содержащую продукт ферментации, биомассу и необязательно дополнительные компоненты, например, примеси, такие как сахара, протеины и соли.
Если желательно, ферментационный бульон можно ввести на стадию удаления биомассы, например, стадию фильтрования, перед дополнительной обработкой. Это обычно является предпочтительным для улучшения качества продукта. В зависимости от полученного продукта ферментации, другая промежуточная стадия может представлять собой отделение твердого продукта ферментации, например, карбоксилата магния, из ферментационного бульона, перед, после или одновременно с удалением биомассы, и необязательно введение продукта ферментации на стадию промывки.
В зависимости от полученного продукта ферментации, другая промежуточная стадия может представлять собой введение ферментационного бульона на стадию концентрирования для увеличения концентрации продукта ферментации в композиции перед дополнительной обработкой. Эту стадию можно проводить перед, после или одновременно со стадией удаления биомассы.
Другие промежуточные стадии, например, стадии очистки, можно проводить по желанию, что будет очевидно для специалиста в данной области техники.
Если продукт ферментации представляет собой соль карбоновой кислоты, следующая стадия может представлять собой введение соли карбоновой кислоты на стадию подкисления для превращения соли карбоновой кислоты в карбоновую кислоту. На этой стадии соль карбоновой кислоты приводится в контакте с неорганической кислотой с образованием водной смеси, содержащей карбоновую кислоту и соль, получающуюся из катиона соли карбоновой кислоты и аниона неорганической кислоты. Примеры подходящих неорганических кислот включают соляную кислоту, азотную кислоту, серную кислоту и фосфорную кислоту.
Существуют различные способы, которыми можно осуществить эту стадию.
Стадию подкисления обычно проводят путем приведения карбоксилатной соли в контакт с раствором неорганической кислоты. Однако когда используют соляную кислоту, возможен также контакт карбоксилатной соли с газообразным HCl.
Карбоксилатная соль может находиться в твердой и/или растворенной форме. В одном из воплощений карбоксилатную соль получают в твердой форме. В этом случае, стадию подкисления проводят путем приведения карбоксилатной соли в контакт с раствором кислоты. Преимущества получения водной смеси из карбоксилатной соли в твердой форме состоит в том, что при этом может быть получена очень высокая концентрация карбоновой кислоты, например, концентрация по меньшей мере 15% (масс.), в частности по меньшей мере 25%, вплоть до, например, 50% (масс.), или, например, 40% (масс.).
Карбоксилатная соль может также находиться в растворенной форме, обычно в виде части водного раствора. В этом случае, стадию подкисления можно проводить путем приведения карбоксилатной соли в контакт с раствором кислоты или кислотным газом.
Стадию подкисления можно проводить в отношении смеси карбоновой кислоты и карбоксилатной соли. Такую смесь можно, например, получить при низких рН в процессе ферментации. Смесь может, например, представлять собой водную суспензию.
Когда подкисление карбоксилатной соли проводят при контакте с раствором неорганической кислоты, он предпочтительно имеет концентрацию кислоты настолько высокую, насколько возможно. Такая высокая концентрация кислоты будет приводить к водной смеси с высокой концентрацией карбоновой кислоты, что является желательным. Следовательно, раствор кислоты содержит по меньшей мере 5% (масс.), более предпочтительно по меньшей мере 10% (масс.) и еще более предпочтительно по меньшей мере 20% (масс.) кислоты, относительно общей массы раствора кислоты.
Подкисление обычно проводят с помощью избытка кислоты. Избыток предпочтительно является небольшим, так что полученная водная смесь не является высоко кислотной, что может быть нежелательным с точки зрения дополнительной обработки такой смеси. Например, избыток используемой кислоты может быть таким, что получающаяся водная смесь имеет рН 2 или ниже, предпочтительно рН 0-1.
В случае применения газообразного HCl, он может взаимодействовать путем его приведения в контакт с раствором или суспензией карбоксилата. В частности, HCl газ можно продувать через раствор или суспензию.
Предпочтительно, подкисление проводят при температуре 75°С или меньше. При более высоких температурах становится экономически невыгодно адаптировать оборудование к жестким условиям кислотной среды при высоких температурах.
Альтернативно приведению соли карбоновой кислоты в контакт с неорганической кислотой можно также превращать соль карбоновой кислоты в кислоту путем приведения раствора соли в контакт с ионообменной смолой, например, в колонке с ионообменной смолой. Можно также превращать соль карбоновой кислоты в карбоновую кислоту с помощью принципов хроматографии с псевдодвижущимся слоем или посредством электродиализа раствора соли карбоновой кислоты.
Стадия подкисления приводит к образованию водной жидкости, содержащей карбоновую кислоту и соль. Эту водную жидкость подвергают стадии разделения, необязательно после того, как проведены промежуточные стадии обработки, такие как стадия концентрирования.
Подходящие стадии разделения известны в уровне техники. Тип используемой стадии зависит от природы и свойств кислот.
Если вся или часть карбоновой кислоты присутствует в форме твердого вещества в водной жидкости, разделение может проходить с помощью обычных способов разделения жидкости и твердого вещества, таких как фильтрование, центрифугирование и т.д..
Если вся или часть карбоновой кислоты присутствует в форме отдельной органической фазы в водной жидкости, разделение можно проводить с помощью обычных способов жидкость-жидкостного разделения, таких как декантация, высаживание, центрифугирование, применение тарелочных сепараторов, применение коагуляторов и применение гидроциклонов. Можно добавлять экстрагент для улучшения эффективности разделения. Можно также использовать сочетание различных способов и устройств.
Если карбоновая кислота присутствует в растворенном в водной жидкости форме, разделение можно проводить с помощью, например, экстракции подходящим экстрагентом.
Если экстрагент присутствует в способе по изобретению, экстрагент, который также можно называть как экстрагирующее вещество, по существу не смешивается с водой. Применение экстрагента приводит к образованию двухфазной системы во время стадии разделения, которая содержит жидкий органический слой, содержащий экстрагирующее вещество и карбоновую кислоту, и водный слой, содержащий растворенный хлорид магния.
Примерами подходящих экстрагентов являются алифатические и ароматические углеводороды, такие как алканы и ароматические соединения, кетоны и простые эфиры. Смеси различных соединений тоже можно использовать.
Примерами подходящих алифатических алканов являются С5-С10 алканы с нормальной цепью, разветвленные или циклические алканы, например, октан, гексан, циклогексан, 2-этилгексан и гептан.
Примерами подходящих ароматических соединений являются С6-С10 ароматические соединения, например, толуол, ксилолы и этилбензол.
Примерами подходящих в настоящем изобретении кетонов являются С5+ кетоны, более конкретно С5-С8 кетоны. С5+ относится к кетонам с по меньшей мере 5 атомами углерода. Применение С9+ кетонов менее предпочтительно. Обнаружили, что применение метилизобутилкетона (MIBK) является особенно предпочтительным.
Примерами подходящих простых эфиров являются С3-С6 эфиры, например, метил-трет-бутиловый эфир (МТВЕ) и диэтиловый эфир (DEE).
После экстракции карбоновую кислоту можно при необходимости отделять от экстрагирующего вещества. В одном из воплощений это можно осуществить путем удаления экстрагента с помощью упаривания. В другом воплощении карбоновую кислоту можно выделить из экстрагента путем экстракции водой или другой водной жидкостью.
После отделения карбоновой кислоты от соли, карбоновую кислоту можно при необходимости обработать. Примерами стадий дополнительной обработки являются стадии очистки, такие как одно или более промываний, обработка активированным углем, перекристаллизация, перегонка и фильтрование. Если карбоновая кислота представляет собой молочную кислоту, ее можно превратить в лактид и ПМК (полимолочную кислоту).
Как будет понятно специалисту, предпочтительные варианты для различных аспектов настоящего изобретения можно объединять, если они не являются взаимоисключающими.
Далее настоящее изобретение проиллюстрировано на следующем примере, не ограничиваясь им или до него.
Пример 1
3
Молочнокислое брожение проводили в сосуде объемом 300 л, к которому был присоединен сосуд под давлением объемом 20 л для обеспечения охлаждения ферментационного бульона. рН регулировали с помощью раствора гидроксида магния. В процессе ферментации применяли постоянную рециркуляцию 1,2 м/ч. Возвратный поток вакуумировали под давлением 14 кПа (140 мбар), что обеспечивало достаточное охлаждение ферментационного бульона. Жидкость возвращали рециклом в ферментационный бульон, а конденсат отбрасывали. Температура возвратного потока была на 2,5°С ниже температуры ферментационного бульона в сосуде для ферментации. Температуру ферментационного бульона в сосуде для ферментации регулировали на уровне желательной температуры с отклонением +0,1°С. Время рециклинга, определяемое как время между извлечение фракции ферментационной среды из реактора ферментации и повторным введением фракции в реактор, составляло порядка 1 минуты.
Этот пример показывает, что с помощью операции рециклинга по настоящему изобретению при регулировании температуры возвратного потока путем упаривания в сосуде под давлением, температуру бульона в сосуде для ферментации можно регулировать на уровне желательной температуры с отклонением +0,1°С.