Elektrochemické postupy na separáciu produktov pochádzajúcich z biologických premien

Číslo patentu: E 20578

Dátum: 30.01.2013

Autori: Rabaey Korneel, Stevens Christian

Je ešte 16 strán.

Pozerať všetko strany alebo stiahnuť PDF súbor.

Text

Pozerať všetko

Technická oblasť vynálezu Predložený vynález sa týka metódy na zvýšenie toku cieľových iónových druhovv elektrochemickom článku. To vedie k účinným metódam riadenia biologických premien,zatiaľ čo sa súbežne odstraňujú a premieňajú niektoré z vytvorených produktov. Konkrétnejšie anapríklad predkladaný vynález uvádza elektrochemicke postupy na odstránenie a zachytenie karboxylových kyselín alebo potenciálne toxíckého amónia počas ferrnentácií, respektíve anaeróbnych digescií. Vynález je možne teda využiť na zlepšenie postupov bioprodukcie pomocou regulácie pH a/alebo redukcie/oxidácie, v kombinácii sizoláciou produktu in situ.Počas anaeróbnej digescie sa amónium prítomné v odpadových prúdoch, ako sú jatočne odpadové vody, biomasa bohatá na proteíny a ďalšie prúdy biomasy, môže stať toxickým vďaka zvýšenej koncentrácie amónia v kombinácii so zvýšenými hladinami pH. Toto amónium sa musí z vyhnívajúcej nádrže odstrániť, aby sa docielila úspešná produkcia bioplynu. Vminulosti sa predstavilo niekoľko prístupov, hlavne zahrňujúcich prídavok alkalických roztokov, ako napríklad žieraviny, a následných kyselín, aby sa odstránil a zachytil amoniak. Tieto prístupy vyžadujú vysoké náklady na chemikálie, rovnako ako prídavok značných množstiev iónov k tekutine vyhnívajúcej nádrže. Je preto potrebná technológia schopná oddeliť amoniak bez spotreby drahých chemikálií na stripovanie a/alebo zachytenie.Niekoľko štúdií ešte viac opísalo odstránenie amónia z odpadových prúdov pomocou transportu smerom ku katóde a následne prchanie po vysokom pH. Avšak v týchto štúdiách sa tok amónia selektívne nezlepšil katodickou akumuláciou necieľových iónov, vedúcej kpohyblivosti udávanej elektrickým poľom, iba okrem malého gradientu spôsobeného prchavosťou amoniaku.JP 10142395 k Toshiba Corporation uvádza elektrodialýzu odpadovej vody odstraňujúcej amónium migráciou z anódového ku katódovému priestoru cez výmennú membránu. V katódovom priestore sa amónium premieňa na amoniak vďaka vyššiemu pH,ktoré sa čiastočne vytvára hydroxidom sodným a čiastočne generovaním hydroxidovýchTiež problematika aniónov s amóniom je problematika založená na katiónoch, čo môže byť problematické pre biologické premeny. Fermentácia biomasy napr. na bioetanol vedie k produkcii acetátu. Pretože fermentácia spôsobuje zníženie pH, acetát sa premení na kyselinu octovú, ktorá je toxická pre väčšinu mikroorganízmov. Súčasne prístupy na udržovanie fermentácii zahrňujú prídavok žieravých roztokov, ktoré zvyšujú pH a umožňujú ďalšiu biologickú aktivitu. Tento prídavok žieravinyje nákladný a vedie k zvýšenej slanosti samotného fermentačného média, čo je nežiaduce najmä v systémoch s uzavretou slučkou. Existuje preto potreba technológie, ktorá môže oddeliť acetát v kombinácii so zvyšovaním pH bez značného nárastu iónovej sily média.Nielen acetát ako anión môže vyvolať toxicitu, väčšina aniónových organických látok vytváraných počas fermentácie, ako napríklad kyselina maslová, kapronová alebo kaprylová,môžu mať rovnaký negatívny dopad. Zaujímavé je, že tieto chemikálie majú značnú trhovú hodnotu, pokiaľ sa vyskytujú V prečistenej forme. Teda zatiaľ čo existujú postupy mikrobiálnej produkcie pre ktorúkoľvek z týchto chemikálií a pripadne iných, ako napríklad sukcinát, kyselinu citrónovú, kyselinu maleínovú, kyselinu mravenčiu a iné, tieto konečné produkty často prejavujú určitú hladinu toxicity na produkujúci organizmus. Okrem toho,pokiaľ sa vyskytujú v médiu najmä pochádzajúcom z fermentácíou zmiešaných kultúr alebo ako vyčerpané médium po postupe bioprodukcie, získavanie týchto produktov nie je ešte ekonomické.Postupom, ktorý umožňuje separáciu iónových produktov z fermentačných médií, je elektrodíalýza (ED). V ED sa dve elektródy oddeľujú pomocou sekvencie viacnásobných,striedajúcich sa anión- a katión-výmenných membrán. To umožňuje odstránenie ako aniónov,tak katiónov z jedného roztoku, aby sa zachytili v koncentráte. Zatiaľ čo je očividne lákavá V uvedenom kontexte, ED trpí nízkou iónovou účinnosťou (pretože sa predovšetkým oddeľujú ďalšie ióny, ako napriklad sodné alebo chloridové) a nie je vždy kompatibilná s viskóznou povahou fermentačných médií alebo tekutín vyhnívajúcich nádrží. Ako príklad využitia elektrodialýzy sa odkazujeme na Boniardi a kolektív (Joumal of Applied Electrochemistry 27,str. 125 - 133, 1977).V takzvanej bípolárnej elektrodialýze (Wong et al., Biotechnology Letters 32, str. 1053 - 1057, 2010) sa navyše ukázalo, že pôsobenie elektrického prúdu na kultúru Escherichía call fermentujúcu glukózu neovplyvnilo negatívne tento organizmus pri zvýšení pH roztoku, rovnako ako transportu acetátu z média do opačného priestoru. Do tohto priestorusa priviedol obnovovací (recovery) roztok. Avšak postup stále viedol k slabému roztokuvytvoreného acetátu vobnovovacom priestore. Okrem toho naposledy uvedená štúdia je veľmi podobná skoršej práci Nomura a kolektív (Applied and Environmental Microbiology 54 (l), str. 137 - 142, 1988), V ktorej sa produkcia acetátu zlepšila z etanolu v ED zväzku. Hongo a kolektív (Applied and Environmental Microbiology 52 (2), str. 314-319-142, 1986) uvádzajú fermentačný postup pre laktát s in-situ separáciou laktátu a reguláciou pH elektrodialýzou. Turek a kolektív (Desalination 233, str. 119 -125, 2008) uvádzajú odstránenie bóru z odpadovej vody použitím elektrodialýzy so striedajúcimí sa katión- a anión-výmennými membránami. pH v druhom priestore sa udržuje tak vysoké, ako je to len možné, čo vedie k zlepšenému toku boritanu.Kľúčové nedostatky uvedených metód sú tie, že sa ešte nezískavajú produkty s vysokou pevnosťou, že účinnosť prenosu od produktov smerom k obnovovaciemu priestoru je obmedzená alebo že systém nie je prispôsobiteľný viskóznym tekutinám postupu, ktoré saí ukazuje elektrochemický článok s anódou a katódou, oddelenými iónovo výmennou membránou, výhodne katión-výmennou membránou. Anódou prechádza prietok odpadovej vody, vďaka oxidačnému postupu potrebujú katióny migrovať od anódy ku katóde. Amónium sa teda pohybuje od anódy ku katóde. Na katóde sa vytvára alkalický roztok s vyššou slanosťou než na anóde. To vedie k vytváraniu amoniaku z amónia. Tento amoniak je možné stripovať z katódového roztoku a následne izolovať.Qbr.2 ukazuje elektrochemický článok s anódou a katódou, oddelenými iónovo výmennou membránou, výhodne anión-výmennou membránou. Katódou prechádza prietok odpadovej vody, vďaka redukčnému postupu potrebujú anióny migrovať od katódy k anóde. Acetát sa teda pohybuje od katódy k anóde. Na anóde sa vytvára kyslý roztok s vyššou slanosťou než na katóde. To vedie k vytváraniu kyseliny octovej z acetátu. Túto kyselinu octovú je možné stripovať z anódového roztoku a následne izolovať. Alebo kyselina octová môže reagovať s alkoholom prítomným na anóde za tvorby esteru.Qbr.3 ukazuje odlišné uskutočnenie obr. 2, v ktorom je anódová elektróda iba nepriamo v kontakte s obnovovacím priestorom a slúži na moditikáciu iónového obsahu obnovovacieho priestoru, rovnako ako jeho pH bez priamej interakcie s obnovovacou tekutinou. Separátorom oddeľujúcim anódovú elektródu od obnovovacieho priestoru jenapriklad katión-výmenná membrána, zatiaľ čo sa obnovovací priestor od katódy oddeľujeanión-výmennou membránou, Druhá uvedená môže byť užitočná V prípade, že obnovovacia tekutina obsahuje chlorid, ktorý môže reagovať na anóde. Je zrejmé, že pre katódu je možné dosiahnuť opak a že takéto kombinácie môžu znamenať viacnásobné anódy, viacnásobné katódy a viacnásobné membrány v sériových alebo paralelných režimoch zväzkov.m ukazuje zariadenie, ako sa opisuje v príklade 1, zahrňujúce elektrochemický článok a absorbéry. Katódová tekutina sa posiela cez stripovaciu kolónu, kde katódovou tekutinou prechádza nosný plyn, ako napríklad dusík alebo vzduch, a stripuje sa amoniak. Plynná fáza obsahujúca amoniak sa následne odošle do absorbéra, kde kyslá tekutina zachytí amoniak ako amónium.í ukazuje výsledky experimentov, V ktorých sa študoval tok amónia od anódy ku katóde pri rôznych prevádzkových podmienkach, ktorými je vplyv pôsobiacej prúdovej hustoty (A), koncentrácia NH 4 na anóde (B), pH na katóde (C), koncentrácia NaCl na katóde(D) a pH na anóde (E). A-E sú experimenty vykonávané so syntetickou odpadovou vodou. V(F) sa skúmal vplyv prúdovej hustoty na tok dusíka s digestátom. Čiema plná čiara označuje 100 prúdovú účinnosť na prenos NH 4 ku katóde. Symboly A-D trojuholníky tok otvoreného obvodu, čierne a šedé krúžky tok uzavretého obvodu (zdvojenýk E krúžok anódový prietok 4 L L anódovým priestorom ďl, štvorec anódový prietok 66 L L anódovým priestorom d 1, trojuholník anódový prietok 131 L L 1 anódovým priestorom d F trojuholník tok otvoreného obvodu, čieme krúžky tok uzavretého obvodu (nezdvojený).m ukazuje relatívny príspevok katiónov na rovnováhu náboja vzávislosti napôsobiacej prúdovej hustote počas postupu s digestátom.Predkladaná prihláška sa týka elektrochemického postupu na separáciu amónia z mikrobiálneho média použitím aspoň dvoch elektródových priestorov oddelených katión-selektívnou membránou, kde a) anóda V prvom priestore je kontakte s mikrobiálnym médiom pretekajúcim uvedeným prvým priestorom, b) amónium prítomné vuvedenom mikrobiálnom médiu sa oddeľuje z média pomocou prietoku produktu riadeného elektrickou energiou smerom k druhému priestoru, c) roztok preteká uvedeným druhým priestorom, d) druhý priestor obsahuje katódu a uvedený roztok pretekajúci uvedeným druhým priestorom má pH, ktoré sa zvyšuje z pH uvedeného média o aspoň 2 jednotky pH, a f) koncentrácianecieľových iónov rovnakej polarity amónia roztoku v uvedenom druhom priestore je vyššia

MPK / Značky

MPK: C12P 7/40, B01D 61/44, C12P 7/54, C12P 7/48, C12P 3/00, C12P 7/62, C02F 3/00, C12P 7/46, C02F 1/469, B01D 61/42, C12P 7/56

Značky: postupy, premien, separáciu, elektrochemické, pochádzajúcich, produktov, biologických

Odkaz

<a href="http://skpatents.com/24-e20578-elektrochemicke-postupy-na-separaciu-produktov-pochadzajucich-z-biologickych-premien.html" rel="bookmark" title="Databáza patentov Slovenska">Elektrochemické postupy na separáciu produktov pochádzajúcich z biologických premien</a>

Podobne patenty