Биоразделение 1,3-пропандиола
Биоразделение 1,3-пропандиола представляет собой биохимический процесс получения 1,3-пропандиола (ПДО). PDO — органическое соединение, имеющее множество коммерческих применений. Обычно ПДО производят из продуктов сырой нефти, таких как пропилен или оксид этилена . Однако в последние годы такие компании, как DuPont, инвестируют в биологическое производство PDO с использованием возобновляемого сырья, такого как кукуруза . [1] [2]
История
[ редактировать ]В мае 2004 года DuPont и Tate & Lyle объявили, что создадут совместное предприятие для строительства завода по производству полимеров из возобновляемого сырья вместо нефтехимии. [1] В частности, их целью было разработать систему ферментации , преобразующую кукурузный сахар в ПДО (пропандиол, производимый таким способом, в средствах массовой информации именуется «БиоПДО»). Они утверждают, что использование такого биопроцесса более энергоэффективно, чем традиционные нефтехимические процессы (конверсия пропилена в пропандиол), поскольку биопроцесс имеет четыре преимущества перед традиционным процессом: меньший экологический след , более низкие эксплуатационные расходы, меньшие капитальные вложения и большая устойчивость благодаря использование возобновляемого кукурузного сырья. [1]
Процесс
[ редактировать ]BioPDO можно получить путем бактериальной ферментации глицерина . [3] Однако DuPont удалось создать штамм Escherichia coli ( E. coli ), [4] обычная бактерия, позволяющая производить 1,3-пропандиол в промышленных масштабах путем ферментации глюкозы . После того как E. coli производит достаточное количество продукта BioPDO, DuPont использует метод отделения BioPDO от клеточного бульона, выходящего из биореактора , состоящий из четырех этапов: микрофильтрация и ультрафильтрация , ионный обмен , мгновенное испарение и дистилляция . [4]
Фильтрация
[ редактировать ]Первый из двух этапов фильтрации, микрофильтрация, используется для удаления клеток из реакторного бульона. Керамические фильтры используются потому, что, хотя они и дороги, они могут прослужить от пяти до десяти лет. [4] Было обнаружено, что высокие температуры увеличивают поток жидкости через микрофильтрационную мембрану, поэтому рекомендуется минимальная температура 165 °F (74 °C). [4] Серия из трех ультрафильтрационных мембран используется для фильтрации белков с молекулярной массой 5000 дальтон и выше. Давление подачи на микрофильтрационную мембрану обычно составляет 65 фунтов на квадратный дюйм при трансмембранном перепаде давления 40 фунтов на квадратный дюйм. [4] Давление подачи на каждую ультрафильтрационную мембрану составляет 60 фунтов на квадратный дюйм. [4] При использовании этих давлений и температур подачи типичные потоки трансмембранной жидкости составляют 108 лмч (литров в час на квадратный метр) для микрофильтрационной мембраны и 26 лмч для ультрафильтрационной мембраны.
Ионный обмен
[ редактировать ]Следующий этап схемы, ионный обмен, удаляет примеси, которые вызывают пожелтение последующего полимерного продукта. [4] Для удаления этих примесей используются четыре ионообменные колонны, последовательно расположенные в следующем порядке: [4]
- Сильнокислотный катионит
- Сильноосновный анионообменник
- Сильнокислотный катионит
- Сильноосновный анионообменник
Первый катионообменник заменяет двухвалентные катионы в растворе ионами водорода . [4] Первый анионообменник заменяет анионы в растворе гидроксид-ионами . [4] Вторые катионные и анионные обменники еще больше снижают уровень ионов в растворе. Обратите внимание, что ионы водорода (H + самопроизвольно реагирует с гидроксид-ионами (OH − ) с образованием воды (H 2 O):
- ЧАС + + ОН − → Н 2 О
Мгновенное испарение
[ редактировать ]После стадии ионного обмена из ионов водорода и гидроксида образуется избыточная вода, что может разбавить продукт до концентрации менее 10% по весу. [4] При отправке разбавленного раствора в систему выпаривания под вакуумом вода выбрасывается из раствора в пар низкого давления, в результате чего остается раствор пропандиола с содержанием пропандиола до 80% по весу. [4] Затем пар низкого давления сжимается до более высокого давления и температуры, а затем направляется во внешний корпус установки мгновенного испарения для нагрева системы. [4]
Дистилляция
[ редактировать ]Последний этап схемы, дистилляция, включает две дистилляционные колонны и, возможно, четыре дистилляционные колонны. [4] Тремя основными типами химических веществ в жидкости на этом этапе разделения являются вода, BioPDO и примеси, такие как глицерин, сахара и белки. Из трех химикатов вода имеет самую низкую температуру кипения (информацию о температуре кипения см. в статьях о воде , 1,3-пропандиоле и глицерине ), поэтому ее удаляют в виде дистиллята в первой колонне. Остаток первой колонны затем направляют во вторую колонну, где BioPDO удаляется в виде дистиллята из-за его более низкой температуры кипения. [4] Обе колонны работают при низком давлении (55 мм рт. ст. в первой колонне; 20 мм рт. ст. во второй колонне), чтобы снизить температуры кипения потоков дистиллята и кубового остатка, тем самым используя пар с более низким давлением, чем в атмосферных колоннах. [4] На данный момент поток BioPDO имеет чистоту 99%. [4] Однако если BioPDO будет использоваться для производства полимеров, тогда потребуется более высокая чистота. [4] Для достижения большей чистоты дистиллят BioPDO второй колонны направляют в реактор гидрирования для преобразования оставшихся красящих полимер примесей в неокрашивающие химические вещества. [4] Сточные воды реактора затем направляются во второй набор из двух дистилляционных колонн, которые работают так же, как и первый набор колонн. Дистиллят BioPDO четвертой ректификационной колонны имеет чистоту 99,97%, что соответствует стандартам качества полимеров и волокон. [5]
Энергоэффективность процесса
[ редактировать ]По данным DuPont, процесс BioPDO использует на 40% меньше энергии, чем традиционные процессы. [1] [2] DuPont также утверждает, что биопроцесс снижает выбросы парниковых газов на 20%. [1] [2] и что производство ста миллионов фунтов BioPDO ежегодно «экономит энергию, эквивалентную пятнадцати миллионам галлонов бензина в год». [2] Благодаря успеху компаний DuPont и Tate & Lyle в разработке возобновляемого процесса BioPDO, Американское химическое общество наградило исследовательские группы BioPDO наградой « Герои химии 2007 года ». [2]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и Муска, Карл Ф.; Аллес, Карина (11 мая 2005 г.). Биологический 1,3-пропандиол: новая химическая платформа для 21 века (PDF) . Дюпон . Архивировано из оригинала (PDF) 22 октября 2017 года . Проверено 22 апреля 2024 г.
- ^ Jump up to: а б с д и «Растущий спрос на продукцию, произведенную из пропандиола биологического происхождения от DuPont» . 12 июня 2007 г.
- ^ Х. Библь; К. Мензель, А.-П. Цзэн и В.-Д. Деквер (1999). «Микробное производство 1,3-пропандиола». Прикладная микробиология и биотехнология . 52 (3): 289–297. дои : 10.1007/s002530051523 . ПМИД 10531640 . S2CID 20017229 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п д р с WO 2004101479 , Адкессон, DM; Олсоп, AW ; Эймс, ТТ ; Чу, Луизиана; Дисней, Дж. М. ; Дравис, Британская Колумбия ; Фитцгиббон, П.; Гэдди, Дж. М.; Галлахер, ФГ ; Ленхардт, ВФ ; Ливенсе, JC ; Луйбен, ML ; Сипан, М.; Троттер, RE ; Вендт, генеральный директор; Ю, Е.К., «Очистка биологически полученного 1,3-пропандиола», выдано 25 ноября 2004 г., передано компании Du Pont.
- ^ Куриан, Джозеф В. (2005). «Новая полимерная платформа будущего - 1,3-пропандиол, полученный из кукурузы». Журнал полимеров и окружающей среды . 13 (2): 159–167. дои : 10.1007/s10924-005-2947-7 . S2CID 137246045 .