281 Využití stripování plynem při separaci acetonu, 1-butanolu a ethanolu z kultivačního média Ing. Petr Fribert; Ing. Jakub Lipovský; Dr. Ing. Petra Patáková; Prof. Ing. Mojmír Rychtera, CSc.; Prof. Ing. Karel Melzoch, CSc. Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, Ústav kvasné chemie a bioinženýrství, Technická 5, 166 28 Praha 6 Tel. +420 220 444 127 fax. +420 220 445 051 e-mail: petr.fribert@vscht.cz web: www.vscht.cz Abstrakt Tradiční metodou separace organických rozpouštědel produkovaných při acetonbutanol-ethanolové (ABE) fermentaci bakteriemi rodu Clostridium je destilace. Tato metoda je energeticky a finančně náročná, neboť 1-butanol má vyšší bod varu než voda a koncentrace všech zmíněných rozpouštědel v kultivačním médiu je nízká. Z důvodu výhodného poměru cena/výkon se jako předstupeň pro zakoncentrování rozpouštědel před destilací jeví stripování plynem, které je jednoduchým a zároveň účinným způsobem izolace 1-butanolu i ostatních rozpouštědel z kultivačního média. Tato práce směřuje k možnosti připojení stripovacího zařízení k laboratornímu fermentoru, což by umožnilo in situ separaci ABE rozpouštědel během fermentace, čímž by se zabránilo inhibici produkčních bakterií produkovaným butanolem, proto výkon stripovací jednotky by měl být takový, aby aktuální koncentrace 1-butanolu v médiu nepřekračovala 5 g/l. V prvních modelových pokusech byl jako stripovací plyn použit vzduch, který byl do modelové směsi rozpouštědel, obsahující 8 g/l acetonu, 8 g/l 1-butanolu a 8 g/l ethanolu, distribuován fritou. Rychlost dodávky plynu byla 1,6 litrů na litr média za minutu (VVM), teplota vymražování 0oC. Na konci stripování bylo dosaženo koncentrace acetonu 13 g/l, 1butanolu 77,2 g/l a ethanolu 46,7 g/l. Rychlost separace jednotlivých rozpouštědel během stripování byla 0,94 g/(l.h) acetonu, 0,44 g/(l.h) 1-butanolu a 0,25 g/(l.h) ethanolu. V další fázi bude jako stripovací plyn využit dusík a místo modelové směsi rozpouštědel bude použito reálné kultivační médium po ABE fermentaci. Úvod Stripování plynem je jednoduchou a zároveň účinnou cestou separace butanolu z kultivačního média. Je to metoda, která umožňuje selektivní separaci těkavých látek z média v průběhu kultivace bez nutnosti použití membrány nebo drahých chemikálií (Ezeji a kol. 2005). Metoda stripování plynem patří společně s pervaporací k preferovaným technikám izolace butanolu in situ. Z důvodu výhodného poměru cena/výkon v průmyslovém měřítku se jeví jako velmi slibné právě stripování plynem (Ezeji a kol. 2005). Při této metodě je fermentační plyn probubláván skrz kultivační médium. Do plynu jsou strhávány těkavé látky, které jsou v médiu obsažené. Tento plyn je následně veden do kondenzátoru, ve kterém dochází ke kondenzaci a následně pak i k separaci rozpouštědel. Stripovací plyn je poté recyklován a veden zpět do reaktoru a proces pokračuje až do vyčerpání zdroje uhlíku a energie. (Lee a kol. 2008) Parametrem ovlivňujícím sdílení hmoty 1441
je velikost bublin, kdy k lepšímu sdílení dochází, pokud jsou bubliny malé (menší než 0,5 mm). Naopak velké bubliny (0,5 až 5 mm) zvyšují recirkulaci a míchání v reaktoru. Mezi další parametry ovlivňující proces izolace patří rychlost recyklovaného plynu a koncentrace přítomného acetonu a ethanolu (Qureshi & Blaschek 2001, Ezeji a kol. 2005). Tato metoda umožňuje použití koncentrovaných roztoků sacharidů ve fermentoru, redukci vlivů inhibice produktem a vysokou utilizaci sacharidů produkčním organismem (Lee a kol. 2008). V některých systémech integrovaných se stripováním bylo dosaženo téměř 100% utilizace sacharidů přítomných v médiu (Ezeji a kol. 2005). Stripování plynem bylo použito pro separaci butanolu z fermentačního média v průběhu vsádkové fermentace C. beijerinckii BA 101. V těchto podmínkách došlo k úspěšnému zkvašení cukerného roztoku o koncentraci 161,7 g/l a produkci rozpouštědel v koncentraci 75,9 g/l (Ezeji a kol. 2004a). Tato metoda byla dále použita ve spojení s přítokovanou kultivací. Při tomto procesu došlo k významné redukci inhibice produktem a zvýšení koncentrace biomasy v reaktoru. V tomto systému bylo zkvašeno 500 g glukosy a vyprodukováno 233 g rozpouštědel s produktivitou 1,16 g/(l.h) a výtěžkem 0,47 g/g glukosy (Ezeji a kol. 2004b). V případě spojení kontinuální kultivace s touto metodou separace produktů bylo vyprodukováno 460 g rozpouštědel z 1163 g glukosy s produktivitou systému 0,91 g/(l.h) (Ezeji a kol. 2004b). Metodika Práce byly prováděny ve stripovací koloně vlastní konstrukce. Schéma aparatury je na obrázku 1. Objem stripovací kolony byl jeden litr, průtok stripovacího plynu se pohyboval od 1,5 do 2,5 VVM. Jako stripovací plyn byl použit vzduch, který byl do stripovací kolony distribuován fritou. Stripování prováděno bez recyklace stripovacího plynu. Vystripovaná rozpouštědla byla ze stripovacího plynu vymražována při teplotě 0 C. Ke stripování byly použity modelové směsi acetonu, butanolu a ethanolu. Byly použity dvě různé modelové směsi ABE. První směs obsahovala 8 g/l acetonu, 8 g/l 1butanolu a 8 g/l etanolu. Ve druhé směsi byl poměr ABE 1 : 3 : 1 (1,4 : 4,3 : 1,4 g/l). Obr. 1: Schéma aparatury pro in-situ separaci ABE rozpouštědel stripováním plynem. 1442
Odebrané vzorky byly analyzovány metodou vysokoúčinné kapalinové chromatografie (HPLC). K separaci jednotlivých látek obsažených ve vzorku byla použita ionexová kolona WATREX 250x8 mm kovová kolona Polymer IEX/H+ form firmy WATREX Praha, spol. s r.o., Česká republika. Kolona byla vyhřátá na teplotu 80 oc. Jako mobilní fáze byla použita 5 mm kyselina sírová. Průtok mobilní fáze byl 0,5 ml za minutu. Výsledky Při prvních pokusech byl jako stripovací plyn použit vzduch, který byl do modelové směsi rozpouštědel, obsahující 8 g/l acetonu, 8 g/l 1-butanolu a 8 g/l ethanolu, distribuován fritou. Rychlost dodávky plynu byla 1,6 VVM, teplota vymražování 0oC. Na konci stripování bylo dosaženo koncentrace acetonu 13 g/l, 1-butanolu 77,2 g/l a ethanolu 46,7 g/l. Průměrná rychlost separace jednotlivých rozpouštědel během stripování byla 0,94 g/(l.h) acetonu, 0,44 g/(l.h) 1-butanolu a 0,25 g/(l.h) ethanolu. Průběh separace rozpouštědel z media je zobrazen na obrázku 2. Obr. 2: Průběh poklesu koncentrace ABE během stripování první modelové směsi. V dalších měřeních byla použita směs rozpouštědel o koncentracích 1,4 g/l acetonu, 4,3 g/l 1butanolu a 1,4 g/l ethanolu. Tato měření byla prováděna při různých průtocích stripovacího plynu. Teplota vymražování byla 0 C. Konečné koncentrace ABE rozpouštědel jsou uvedeny v tabulce I. V tabulce II jsou uvedeny průměrné rychlosti separace jednotlivých rozpouštědel během stripování. Na obrázcích 3 A-C je znázorněn průběh poklesu koncentrace ABE v mediu během stripování. Tab. I: Konečné koncentrace ABE po stripování. Aceton 1-butanol Ethanol Suma ABE 1,5 VVM 3,6 60,8 47,5 9,7 2 VVM 3,9 33,2 7,2 44,3 2,5 VVM 2,5 33,8 7,5 43,8 1443
Tab. II: Průměrné rychlosti separace ABE během stripování. Aceton 1-butanol Ethanol [g/(l.h)] [g/(l.h)] [g/(l.h)] 1,5 VVM 0,21 0,15 0,02 2 VVM 0,27 0,19 0,05 2,5 VVM 0,29 0,19 0,05 Obr. 3 A-C: Průběh poklesu koncentrace ABE během stripování druhé modelové směsi. A: 1,5 VVM, B: 2 VVM, C: 2,5 VVM. 1444
Diskuse a závěr Během práce byly sledovány dva faktory, které by mohly ovlivnit průběh stripování. Koncentraci rozpouštědel v mediu a rychlost průtoku stripovacího plynu stripovací kolonou. Z výsledků vyplývá, že rychlost separace 1-butanolu je závislá na koncetraci 1-butanolu v mediu. Při koncentraci 1-butanolu 8g/l byla rychlost separace 1-butanolu 0,44 g/(l.h). při koncentraci 4,3 g/l byla rychlost separace 1,8 g/(l.h). Tyto výsledky korespondují s výsledky uvedenými v práci Ezeji a kol.(2004b). Průtok stripovacího plynu stripovací kolonou měl při daném uspořádání aparatury vliv na konečnou koncentraci ABE, při 1,5 VVM byla koncentrace ABE o 15 g/l vyšší, toto mohlo být zapříčiněno nedostatečnou intenzitou vymražování ABE ze stripovacího plynu, kdy docházelo ke ztrátám nezkondenzovaných rozpouštědel. Tomuto faktoru bude zabráněno při použití recyklace stripovacího plynu. Dosažené konečné koncentrace ABE jsou srovnatelné s výsledky publikovanými Ezeji a kol. (2003). Z naměřených výsledků je patrno, že je možné 1-butanol separovat stripováním plynem, přičemž se dosáhne poměrně vysokého zakoncentrování 1-butanolu. Během měření bylo dosahováno v průměru asi desetinásobného zakoncentrování obsahu 1-butanolu v produktu, což povede ke snížení nákladů na konečnou destilaci 1-butanolu. Ezeji a kol.(2004b) uvádí, že při zvýšení koncentrace 1-butanolu v zápaře z 10 na 40 g/l se náklady na jeho separaci destilací sníží až šestinásobně. Další práce bude probíhat in-situ, kdy se stripování kolona připojí k laboratornímu fermentoru a jako stripovací plyn bude použit dusík a dusík s fermentačním plynem. Poděkování Tato studie byla realizována díky finanční podpoře projektu NAZV č. QH81323/2008 a výzkumného záměru MŠM6046137305. Literatura: EZEJI, T.C.; QURESHI, N.; BLASCHEK, H.P. Production of acetone, butanol and ethanol by Clostridium beijerinckii BA101 and in situ recovery by gas stripping. World Journal of Microbiology & Biotechnology, 2003, 19, 595-603. EZEJI, T.C.; QURESHI, N.; BLASCHEK, H.P. Acetone butanol ethanol (ABE) production from concentrated substrate: reduction in substrate inhibition by fed-batch technique and product inhibition by gas stripping. Applied Microbiology and Biotechnology, 2004a, 63, 653658. EZEJI, C.E.; QURESHI, N.; BLASCHEK, H.P. Butanol fermentation research: Upstream and downstream manipulations. The Chemical Record, 2004b, 4 (5), 305-314. EZEJI, T.C.; KARCHER, P.M.; QURESHI, N.; BLASCHEK, H.P. Improving performance of a gas stripping-based recovery system to remove butanol from Clostridium beijerinckii fermentation. Bioprocess and biosystems engineering, 2005, 27 (3), 207-214. LEE, S.Y.; PARK, H.J.; JANG, S.H.; NIELSEN, L.K.; KIM, J.; JUNG, K.S. Fermentative butanol production by Clostridia. Biotechnology and Bioengineering, 2008, 101 (2), 209-228. QURESHI, N.; BLASCHEK, H.P. Recovery of butanol from fermentation broth by gas stripping. Renewable energy, 2001, 22, 557-564. 1445