Sposób przygotowania płynu po biosyntezie kwasu cytrynowego do

Sposób przygotowania płynu po biosyntezie kwasu cytrynowego do

RZECZPOSPOLITA
POLSKA
(12)
OPIS PATENTOWY
(19)
(21) Numer zgłoszenia: 364271
Urząd Patentowy
Rzeczypospolitej Polskiej
(54)
PL
203173
(13) B1
(11)
(51) Int.Cl.
C12P 7/48 (2006.01)
(22) Data zgłoszenia: 30.12.2003
Sposób przygotowania płynu po biosyntezie kwasu cytrynowego
do bezpośredniego wydzielenia z niego kwasu cytrynowego
(73) Uprawniony z patentu:
Uniwersytet Ekonomiczny we Wrocławiu,
Wrocław,PL
(43) Zgłoszenie ogłoszono:
11.07.2005 BUP 14/05
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:
(72) Twórca(y) wynalazku:
Joanna Harasym,Wrocław,PL
Władysław Leśniak,Bielany Wrocławskie,PL
Jerzy Jan Pietkiewicz,Wrocław,PL
Waldemar Podgórski,Wrocław,PL
30.09.2009 WUP 09/09
(74) Pełnomocnik:
PL 203173 B1
Marek Kramarz, Rzecznik Patentowy,
Uniwersytet Ekonomiczny we Wrocławiu
2
PL 203 173 B1
Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest sposób przygotowania płynu po biosyntezie kwasu cytrynowego
do bezpośredniego wydzielenia z niego kwasu cytrynowego, bez zastosowania neutralizacji wodorotlenkiem wapnia. W technologii produkcji kwasu cytrynowego po etapie fermentacji kwas cytrynowy
wydzielany jest z płynu pofermentacyjnego metodą klasyczną. Metoda ta opisana jest w książce
W. Leśniaka i M. Kutermankiewicz - Podstawy produkcji kwasu cytrynowego, STC 1990, str. 61-75. Po
zakończeniu etapu fermentacji grzybnia zostaje oddzielona, a przefiltrowany płyn poddawany jest
neutralizacji wodorotlenkiem wapnia w celu uzyskania niskorozpuszczalnej soli wapniowej - cytrynianu
triwapnia. Płyn ogrzewany jest do wrzenia: następnie wprowadzane jest 90% zimnego mleka wapiennego, następnie dodaje się pozostała ilość mleka wapiennego do uzyskania pH 7 i utrzymuje przez
15 min. Proces neutralizacji trwa około 120-150 minut. Oddzielony osad cytrynianu triwapnia kierowany jest do przemycia, a następnie do mieszaniny wprowadzany jest kwas siarkowy, w tym czasie cytrynian triwapnia ulega rozkładowi do kwasu cytrynowego i trudno rozpuszczalnego siarczanu wapnia
(gipsu). W procesie tym powstają odpady i ścieki w ilości około 2,5 tony odpadów - gipsu, 400-700 kg
3
grzybni oprócz tego 9-12 m odcieku po filtrowaniu cytrynianu wapnia na tonę kwasu cytrynowego.
Z patentu polskiego nr 128,527 z roku 1985 znany jest inny sposób wydzielania kwasu cytrynowego metodą bezcytrynianową, w której płyn zawierający grzybnie poddawany jest ogrzewaniu do
temperatury 70°C. Po tym etapie grzybnia ulega odfiltrowaniu na filtrze z dodatkiem ziemi okrzemkowej, a następnie do płynu dodawany jest syntetyczny garbnik lub żelazocyjanek potasu jako koagulant. Po wytrąceniu osadów białkowych płyn filtrowany jest na filtrze z dodatkiem ziemi okrzemkowej,
filtrat ogrzewany jest do 50°C, odbarwiany na kolumnie węglowej, demineralizowany na kolumnie
jonitowej, następnie zagęszczany w temperaturze 55°C do stężenia kwasu 70-72%. Po przeniesieniu
do krystalizatora następuje krystalizacja z wydajnością ok. 50% (I kryształ).
Inną metodą wydzielania kwasu cytrynowego jest ekstrakcja rozpuszczalnikami.
Amerykańskie patenty nr 4,994,609 z 1991 r. oraz 5,231,225 z 1993 r. opisują ekstrakcję kwasu
cytrynowego przy użyciu amin trzeciorzędowych oraz powrotną ekstrakcje w wysokiej temperaturze do
wody. Zastosowane w tych patentach ekstraktanty aminowe uzyskały aprobatę United States Food
and Drag Administration do zastosowań w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym. Wśród wielu
patentów dotyczących metody ekstrakcji tylko jeden znajduje zastosowanie jako proces przemysłowy.
Jest to metoda skomplikowana i droga, w której dodatkowo powstają znaczne ilości zużytych rozpuszczalników trudnych do utylizacji.
W patencie nr EP1096020 przedstawiono sposób wydzielania kwasu cytrynowego z płynu pofermentacyjnego przy użyciu techniki ultrafiltracji. Na zastosowany w tej metodzie moduł kierowano
płyn po fermentacji po wcześniejszym oczyszczeniu. Oczyszczenie przeprowadzano poprzez podgrzanie roztworu do temperatury 60°C, a następnie odfiltrowanie. Tak oczyszczony płyn kierowany był
na moduł ultrafiltracyjny, skąd następnie trafiał do oczyszczenia z zanieczyszczeń barwnych przy pomocy węgla aktywnego. Po odbarwieniu płyn kierowano na stację żywic jonowymiennych. Następnie
uzyskany przesącz zatężano i krystalizowano, odwirowany kryształ kierowano do stacji rekrystalizacji,
gdzie rozpuszczano go w czystej wodzie i krystalizowano ponownie. Niestety nie podano wydajności
uzyskania I kryształu, wiadomo natomiast, że zanieczyszczone płyny z pierwszej krystalizacji poddawano neutralizacji do uzyskania cytrynianu triwapnia. Trudno zatem określić skuteczność tej metody
w krystalizacji kwasu cytrynowego.
W trakcie prowadzonych badań okazało się, że niezwykle korzystne efekty oczyszczenia płynu
z zawiesin białkowych i resztkowych cukrów można uzyskać stosując technikę ultrafiltracji do płynu
pozbawionego jedynie grzybnie, we wcześniejszym procesie filtracji. Istota wynalazku polega na przeprowadzeniu obróbki wstępnej bez podgrzewania płynu po biosyntezie kwasu cytrynowego przez
Aspergillus niger i włączeniu do procesu oczyszczania etapu ultrafiltracji.
Po zakończeniu biosyntezy biomasa pleśni ulega odfiltrowaniu grzybni na filtrze z dodatkiem
ziemi okrzemkowej w ilości 0,25-1,0%, korzystnie 0,5%; po odfiltrowaniu grzybni do płynu dodawany
jest koagulant krzemowy w ilości 0,01-0,2%, korzystnie 0,10,15%. Ważnym parametrem w oczyszczaniu płynów z zawiesin białkowych jest temperatura i czas ogrzewania. Koagulację białek przy pomocy koagulanta krzemowego przeprowadza się w temperaturze 20°C-90°C, korzystnie 50°C-80°C,
w czasie 10-30 min, korzystnie 15-20 min. Wytrącone białka ulegają odfiltrowaniu na filtrze z dodatkiem ziemi okrzemkowej. Proces oczyszczania zachodzi przy zastosowaniu błon półprzepuszczalnych
o przepuszczalności granicznej 10 000 w zakresie ciśnienia płynu zasilającego 1 000-4 000 hPa, ko-
PL 203 173 B1
3
rzystnie 3000-4000 hPa. Po etapie ultrafiltracji filtrat odbarwiany jest przez dodatek węgla w dawce
0,5-8%, korzystnie 1,0-2,0%, następnie zatężany w temperaturze 40°C-60°C, korzystnie 50-55°C oraz
krystalizacji.
Zastosowanie opisanej metody pozwala na uzyskanie krystalicznego kwasu cytrynowego o wydajności 75% (I kryształ) i czystości 99,8%, pozwala również zminimalizować nakłady materiałowe
poniesione na wydzielanie kwasu cytrynowego. Retentat uzyskany z etapu ultrafiltracji zawierający
białka oraz śladowe ilości cukrów może stać się źródłem cennych białek np. enzymów lub po połączeniu z grzybnią stanowić wartościowy dodatek do pasz.
Powstające ścieki pochodzą z regeneracji kolumn odbarwiających w przypadku ich zastosowania w procesie oczyszczania oraz z przemywania urządzeń wchodzących w skład linii technologicznej.
Natomiast odciek pokrystalizacyjny może zostać zawrócony do procesu lub skierowany do uzyskiwania soli kwasu cytrynowego. Korzyściami płynącymi ze stosowania proponowanego procesu w miejsce
klasycznej metody są:
■ brak zużycia wodorotlenku wapnia do wytrącania cytrynianu wapnia
■ brak zużycia kwasu siarkowego do rozszczepiania cytrynianu wapnia
■ brak odpadów gipsowych i odcieków po filtracji cytrynianu wapnia niskie zużycie środków pomocniczych
■ niski poziom zanieczyszczeń
■ możliwość otrzymywania kwasu o wysokiej czystości
Proponowany sposób może być jednak stosowany tylko w procesie produkcji kwasu cytrynowego, w którym do fermentacji stosuje się substraty o dużej czystości jak np. cukier biały, cukier żółty,
glukoza czy skrobia
P r z y k ł a d 1.
Płyn po biosyntezie kwasu cytrynowego poddawano ultrafiltracji na błonie półprzepuszczalnej
o przepuszczalności granicznej 10 000. W jednym cyklu badań ultrafiltrowano płyn pozbawiony grzybni, w drugim cyklu płyn pozbawiony grzybni i poddany wstępnemu oczyszczaniu przez zastosowanie
koagulacji zolem krzemowym o nazwie Klar-Sol Super w dawce 0,1% w temperaturze 50°C w czasie
20 min. Płyny poddawano ultrafiltracji w zakresie ciśnień 1 000-4 000 hPa.
Najlepszymi wynikami charakteryzował się płyn wstępnie oczyszczony koagulantem krzemowym podawany przy ciśnieniu 4000 hPa, dla którego współczynniki zatrzymania substancji białkowych
oraz redukujących były najwyższe i wynosiły odpowiednio 86% i 52%, a współczynnik zatrzymania
kwasu cytrynowego wynosił zaledwie 6% i czas ultrafiltracji był najkrótszy.
Lepsze wyniki dotyczące współczynników zatrzymania substancji białkowych oraz redukujących
otrzymano przy ultrafiltracji płynu wstępnie nie oczyszczonego przy takim samym ciśnieniu, lecz
współczynnik zatrzymania kwasu był w tym przypadku większy i wynosił 12%, a czas ultrafiltracji
2,5 razy dłuższy.
P r z y k ł a d 2.
Otrzymane w wyniku stosowanych metod oczyszczania płyny poddano zatężaniu w temperaturze 50°C i krystalizacji. Do otrzymywania kryształów wykorzystano płyny poddane tylko oczyszczeniu
według metody bezcytrynianowej (PL 128527), płyny poddane ultrafiltracji bez wstępnego oczyszczenia, i płyny po wstępnym oczyszczeniu wg Przykładu 1 i poddane następnie ultrafiltracji. Wszystkie
płyny poddano przed zagęszczaniem odbarwieniu przy użyciu węgla aktywnego Norit SX 2 w dawce 1%.
Uzyskane wyniki pozwalają stwierdzić, że kwas cytrynowy krystalizował z największą wydajnością z płynów poddanych wstępnemu oczyszczeniu, a następnie ultrafiltracji, wydajność wynosiła tu 75%.
Najintensywniejsze zabarwienie posiadały kryształy z płynów, które poddane były oczyszczaniu metodą bezcytrynianową. Płyny poddane ultrafiltracji dawały kryształy jasne, o minimalnym zabarwieniu.
Kryształy otrzymane z płynów po ultrafiltracji charakteryzowały się też wysoką czystością sięgająca 99,8% i stosunkowo krótkim (około 2,5 godz.) czasem krystalizacji.
Kryształy z płynów oczyszczonych tylko metodą bezcytrynianową charakteryzowały się wyższą
zawartością inkluzji jonowych, w przeciwieństwie do roztworów poddanych ultrafiltracji.
4
PL 203 173 B1
Zastrzeżenie patentowe
Sposób przygotowania płynu po biosyntezie kwasu cytrynowego do bezpośredniego wydzielenia z niego kwasu cytrynowego, w którym proces biosyntezy prowadzi się metodą wgłębną, przy użyciu pleśni Aspergillus niger, na pożywce zawierającej sacharozę, z zastosowaniem procesów filtracji,
koagulacji, ultrafiltracji i zatężania, znamienny tym, że płyn po etapie biosyntezy oczyszcza się przez
odfiltrowanie grzybni na filtrze z dodatkiem ziemi okrzemkowej w dawce 0,25%-1,0%, korzystnie 0,5%,
filtrat poddaje się z kolei koagulacji dodatkiem koagulanta krzemowego w dawce 0,01%-0,2%, korzystnie 0,1%-0,15% w temperaturze 20°C-90°C, korzystnie 50°C-80°C w ciągu 10-30 minut, korzystnie 20 minut, zaś wytrącony osad białkowy filtruje się na filtrze z dodatkiem ziemi okrzemkowej
w dawce 0,25%-1,0%, korzystnie 0,5%, a następnie tak oczyszczony płyn poddaje się ultrafiltracji przy
ciśnieniu 1 000-4 000 hPa, korzystnie 3 000-4 000 hPa, po czym filtrat odbarwia się przez dodatek
węgla aktywnego w ilości od 0,5 do 8,0%, korzystnie 1%-2% i zatęża w temperaturze 50°C w celu
krystalizacji kwasu cytrynowego.
Departament Wydawnictw UP RP
Cena 2,00 zł.