CZ389497A3 - Process of continuous preparation of lactic acid with biomass recycling - Google Patents

Abstract

No information given.

Description

Kyselina mléčná je v přírodě jednou z nejrozšířenějších organických kyselin, kterou je možné vyrábět fermentačním způsobem. Kyselina mléčná je produktem celé řady mikroorganismů. Pro průmyslové využití se používají mléčné bakterie, nejčastěji zástupci rodů: Lactobacillus a Streptococcus, které se vyznačují homofermentativním metabolismem, tzn. že kyselina mléčná jako hlavní produkt metabolismu je tvořena z více jak 80 % teoretického výtěžku. Mléčné bakterie jsou z hlediska požadavků na živiny poměrně náročnými organismy, pro svůj růst a tvorbu kyseliny mléčné vyžadují kromě zdroje uhlíku (jednoduché cukry) a dusíku (amonné soli a aminokyseliny), celou řadu růstových látek, vitamínů a minerálů. V případě nedostatku některé z živin rychlost produkce kyseliny mléčné výrazně klesá, případně je zastavena. Vlastní fermentace je rovněž silně inhibována tvořenou kyselinou mléčnou a poklesem hodnoty pH zkvašovaného média. Proto je nutné v průběhu celé fermentace udržovat pH v optimálním rozmezí mezi 5,5 až 6,5.Lactic acid is one of the most widespread organic acids in nature, which can be produced by fermentation. Lactic acid is the product of many microorganisms. For industrial use, lactic acid bacteria are used, most commonly representatives of genera: Lactobacillus and Streptococcus, which are characterized by homofermentative metabolism, ie. that lactic acid as the main metabolic product is made up of more than 80% of the theoretical yield. Lactic bacteria are relatively demanding organisms in terms of nutrient requirements and require a variety of growth substances, vitamins and minerals in addition to carbon (simple sugars) and nitrogen (ammonium salts and amino acids) for their growth and lactic acid production. In the absence of any of the nutrients, the rate of lactic acid production decreases significantly or is stopped. The fermentation itself is also strongly inhibited by lactic acid and a decrease in the pH of the fermented medium. Therefore, it is necessary to maintain the pH in the optimum range between 5.5 and 6.5 throughout the fermentation.

První komerční výroba byla realizována v USA v roce 1881. „Klasická“ výroba kyseliny mléčné byla velmi jednoduchá: vsádková fermentace, vysrážení laktátu vápenatého, jeho přečištění a vytěsnění kyseliny mléčné, další přečištění a zakoncentrování. Ztráty kyseliny mléčné při tomto způsobu výroby dosahují i přes 50%, pokud není optimalizována recirkulace matečných louhů obsahujících laktát nebo kyselinu mléčnou.The first commercial production took place in the United States in 1881. The "classic" lactic acid production was very simple: batch fermentation, calcium lactate precipitation, purification and displacement of lactic acid, further purification and concentration. Losses of lactic acid in this production process are over 50% unless the recirculation of the mother liquor containing lactate or lactic acid is optimized.

Zvýšení produktivity fermentace je možné dosáhnout využitím přítokovaného systému (fedbatch) nebo kontinualizaci fermentace. U „klasické“ kontinuální fermentace (chemostatu) je zřeďovací rychlost a tím i produktivita omezena malou růstovou rychlostí kultury produkčního kmene, proto byly hledány způsoby, které by umožňovaly efektivnější, opakované využití již narostlé biomasy pomocí recyklace biomasy. Separace aktivní biomasy z prokvašeného média je v klasické technologii znemožňována především používáním mletého vápence či vápenného mléka k neutralizaci vznikající kyseliny mléčné. Proto se recyklace biomasy známá z jiných kvasných procesů (např. lihové kvašení s vratnou separací kvasinek - Melle-Boinot,1930) při fementační výrobě kyseliny mléčné neuplatnila. Recirkulaci biomasy je možné využit v případě čirých médií, kdy je k neutralizaci požíván hydroxid sodný nebo draselný nebo čpavek. Moderní technologie využívají k separaci aktivní ·· ···· · ·· ·· ···· 9 ··· ······· ** ····· ····· • · · · · ······ • · · · · · · ·· ··· ··· ···· ·· · biomasy mléčných bakterií separačních jednotek pracujících na principu usazováků, odstředivek, membránové filtrace apod..Increased fermentation productivity can be achieved by using a fedbatch system or by continualizing the fermentation. In the "classic" continuous fermentation (chemostat), the dilution rate and thus the productivity is limited by the low growth rate of the production strain culture, therefore, ways have been sought which would allow more efficient, reuse of already grown biomass by biomass recycling. Separation of the active biomass from the fermented medium is prevented in classical technology mainly by the use of ground limestone or lime milk to neutralize the resulting lactic acid. Therefore, the recycling of biomass known from other fermentation processes (eg spirits with reverse yeast separation - Melle-Boinot, 1930) has not been applied in the fermentation production of lactic acid. Biomass recirculation can be used for clear media where sodium or potassium hydroxide or ammonia is used for neutralization. Modern technologies use active separation to separate 9 ·········································· Biomass of lactic bacteria separation units working on the principle of settlers, centrifuges, membrane filtration, etc.

Další možnosti vedoucí ke zefektivnění a zvýšení výtěžnosti kyseliny mléčné je inovace izolace a čištění kyseliny mléčné, původní srážení sCa²⁺ ionty bylo realizováno pomoci vsádkového procesu a vedlo k poměrně vysokým ztrátám.Another possibility to improve the efficiency and increase of lactic acid yield is the innovation of isolation and purification of lactic acid, the original precipitation with Ca ²⁺ ions was realized through a batch process and led to relatively high losses.

Moderní způsoby izolace jsou založeny na:Modern insulation methods are based on:

• zachycování kyseliny mléčné pomocí iontoměničů• Lactic acid capture by ion exchangers

- iontoměmč lze regenerovat a znovu použit,- the ion exchange resin can be regenerated and reused,

- nevýhodou je malá kapacita a velké množství odpadů z regenerace iontoměničů • extrakci organickými rozpouštědly- the disadvantage is the low capacity and the large amount of waste from the recovery of ion exchangers • by extraction with organic solvents

- nevýhodou je omezená selektivita rozpouštědel, částečná rozpustnost vhodných rozpouštědel ve vodě a vysoké nároky na jejich oddělení z extraktu, • destilaci kyseliny mléčné po převedeni na těkavé methyl- nebo ethylestery • metodami pertrakce na kapalných membránách- the disadvantage is limited selectivity of solvents, partial solubility of suitable solvents in water and high demands on their separation from the extract, • distillation of lactic acid after conversion to volatile methyl or ethyl esters • methods of liquid membrane perforation

- metoda je zatím ve stadium poloprovozních zkoušek a není prověřeno, zda se bude hodit pro průmyslové měřítko • elektrodialýze (ED)- the method is still in the pilot stage and it is not verified whether it will be suitable for industrial scale • electrodialysis (ED)

- výhodou je možnost kontinualizace procesu, vysoké výtěžnosti a v případě recyklace proudů diluátu nepatrný dopad na životní prostředí • (Boyaval P, Corre C. and Terre S.: Continuous lactic acid fermentation with concentrated product recovery by ultrafiltration and elektrodialysis. Biotechnol. Lett. 9, 207-212, 1987).- the advantage is the possibility of continualization of the process, high yield and, in the case of recycling of diluate streams, a slight environmental impact • (Boyaval P, Corre C. and Terre S .: Continuous lactic acid fermentation with concentrated product recovery by ultrafiltration and electrodialysis. Biotechnol. Lett. 9, 207-212 (1987).

Vzhledem k celosvětovému trendu vývoje tzv. bezodpadních technologií, které by co nejméně zatěžovaly svými odpadními produkty okolní přírodu a tak, aby byl minimalizován negativní dopad na životni prostředí, je zde nutné uvažovat o maximálním využití všech komponent vstupujících do procesu, včetně proudů odpadních vod, které by odcházely z izolace a čištění kyseliny mléčné. Tomuto hledisku je nutné podřídit i výběr vhodné separační a purifikační techniky. Elektrodialýza (ED) je z tohoto pohledu jednou z nejekologičtějších technologií vzniká malé množství odpadních vod, které jsou navíc recyklovatelné.Given the worldwide trend of developing so-called waste-free technologies that would minimize the burden on the surrounding nature with their waste products and in order to minimize the negative impact on the environment, it is necessary to consider maximum utilization of all process components, including wastewater streams, that would come from the isolation and purification of lactic acid. The selection of a suitable separation and purification technique must also be subordinated to this aspect. From this point of view, electrodialysis (ED) is one of the most environmentally friendly technologies and produces a small amount of waste water that is recyclable.

Při realizaci dřívějších způsobů mléčného kvašení v přítokovaných systémech, ve kterých se neuplatňovala recirkulace mléčných bakterii ani média po odstraněni laktátu, je pro řízení přítoků sacharidického zdroje postačující využití změn pH, ke kterým dochází v průběhu fermentace. S přídavkem neutralizačního činidla (zásady), jehož přítok byl řízen regulátorem spojeným s pH-metrem se současně přidával roztok cukru, jehož množství bylo přímo úměrné množství dodaného neutralizačního činidla.In the implementation of prior lactic acid fermentation processes in fed-batch systems in which no lactic acid recirculation or media were removed after removal of the lactate, the use of pH changes occurring during fermentation is sufficient to control the saccharide source inflows. With the addition of a neutralizing agent (base) whose flow was controlled by a regulator associated with the pH meter, a sugar solution was added at the same time, the amount of which was proportional to the amount of neutralizing agent delivered.

Při vracení média v procesech s recirkulací je nutné zajistit konstantní složení média přítokovaného do ťermentoru. K tomu je nutné znát koncentraci jednotlivých komponent, to však není možné zabezpečit, jednak by to bylo finančně nákladné a dále na řadu komponent neexistují vhodná a spolehlivá on-line čidla. Stanovení off-line - výsledek je znám s časovou prodlevou, malá životnost a spolehlivost speciálních čidel, medium z recyklu není možné v důsledku možné kontaminace skladovat.When returning the medium in recirculated processes, it is necessary to ensure a constant composition of the medium fed to the fermenter. It is necessary to know the concentration of individual components, but it is not possible to ensure it, both it would be costly and many components do not have suitable and reliable online sensors. Determination off-line - the result is known with time lag, low durability and reliability of special sensors, recycled medium cannot be stored due to possible contamination.

Základní bilanční rovnice:Basic balance equations:

Tvorba kyseliny mléčnéFormation of lactic acid

C₆H_!2O₆ -> 2 C₃H₆O₃ C ₆ H ₁₂ O ₆ -> 2 C ₃ H ₆ O ₃

180 90180 90

Neutralizace kyseliny mléčnéNeutralization of lactic acid

NaOH + C₃H(5O₃ NaOH + C ₃ H (5O ₃ -> -> NaC₃HsO₃ NaC ₃ H ₃ O ₃ 48 48 90 90 KOH + KOH + C₃hUO₃ C ₃ hUO ₃ — - KC₃H₅O₃ KC ₃ H ₅ O ₃ 54 54 90 90 NH4OH + NH 4 OH + C₃H6O₃ C ₃ H ₆ O ₃ -> -> NH4C₃H₅O₃ NH ₄ C ₃ H ₅ O ₃ 35 35 90 90

Vysvětlivky.Explanatory notes.

Ctfí i jO(> glukosaIt is also 10 (> glucose

C3H/J3 kyselina miéčná + H₂O + h₂o + h₂oC ₃ H / J 3 lactic acid + H ₂ O + h ₂ o + h ₂ o

Možnosti regulace a řízení bioprocesuPossibilities of regulation and control of bioprocess

Stanovení koncentrace KM —> podle spotřeby neutralizačního roztoku - zásadyDetermination of KM -> concentration according to consumption of neutralization solution - alkali

Bilance kyseliny mléčné odpovídající spotřebě zásady za podmínky udržování konstantního pH v průběhu fermentace při předpokládané 80 % výtěžnosti:Lactic acid balance corresponding to the consumption of alkali under the condition of maintaining a constant pH during fermentation at an assumed yield of 80%:

litr 20 % NaOH litr 20 % KOH litr 24 % NH4OH —> 375 g KM -* 450 g glukosy —> 410 g sacharosy —> 333 g KM -> 400 g glukosy -> 364 g sacharosyliter 20% NaOH liter 20% KOH liter 24% NH4OH -> 375 g KM - * 450 g glucose -> 410 g sucrose -> 333 g KM -> 400 g glucose -> 364 g sucrose

-> 617 g KM —> 740 g glukosy -> 670 g sacharosy je použitelná pro jednoduché systémy - přítokované (fed-batch) a kontinuální fermentace bez recyklu média, v případě fermentace s recirkulací biomasy a média po izolaci kyseliny mléčné • · · · · ·-> 617 g KM -> 740 g glucose -> 670 g sucrose can be used for simple systems - fed-batch and continuous fermentation without recycle medium, in case of fermentation with recirculation of biomass and medium after isolation of lactic acid • · · · · ·

je tento typ regulace značně nepřesný a je nutné tento sytém doplnit dalšími regulačními prvky.this type of regulation is considerably inaccurate and it is necessary to supplement this system with other regulation elements.

—> na základě vodivosti média-> based on medium conductivity

Tvořená KM je neutralizována a s koncentrací laktátu (resp. přídavku neutralizačního činidla) přímo úměrně stoupá vodivost média (podmínkou je udržování konstantního pH v bioreaktoru).The formed KM is neutralized and with the lactate concentration (or the addition of neutralizing agent) the conductivity of the medium increases directly in proportion (the condition is to maintain a constant pH in the bioreactor).

—> umístit vodivostni čidlo přímo bioreaktoru nebo do recirkulačního potrubí (nutná kalibrace vodivosti na koncentraci KM a použité médium) (Payot T. and Fick M.: On-line estimation of lactic acid concentration by conductivity measurement in fermentation broth. Biotechnol Techniques, 11, 17-20, 1997).-> place the conductivity sensor directly in the bioreactor or in the recirculation line (calibration of conductivity to KM concentration and medium used) (Payot T. and Fick M .: On-line estimation of lactic acid concentration by conductivity measurement in fermentation broth. Biotechnol Techniques, 11 1997, 17-20).

—> podle refřakce-> by refraction

Kyselina mléčná (laktát) a sacharosa mají téměř shodný index lomu, proto touto metodou lze koncentraci jednotlivých látek zjistit pokud se druhá látka v médiu nenachází nebo její koncentrace se nemění (nutná kalibrace na reálné roztoky).Lactic acid and sucrose have almost the same refractive index, so this method can determine the concentration of individual substances if the second substance is not present in the medium or its concentration does not change (necessary calibration to real solutions).

Výše uvedené metody je možné použít k on-line stanovení koncentrace kyseliny mléčné (laktátu) pouze za určitých podmínek - v modelových situacích. V komplikovaném systému (v roztocích obsahujících více komponent např. fermentaČní média) jsou nepřesné a selhávají. Aby bylo dosaženo požadované přesnosti, je nutné jednotlivé údaje vzájemně kombinovat, pak lze využít tyto on-line, instrumentálně nenáročné a jednoduché metody pro efektivní řízení kontinuálního fermentačního systému s několika nezávislými recykly media.The above methods can be used to determine the lactic acid (lactate) concentration on-line only under certain conditions - in model situations. In a complicated system (in solutions containing multiple components, eg fermentation media), they are inaccurate and fail. In order to achieve the required accuracy, it is necessary to combine the individual data with each other, then these on-line, instrument-friendly and simple methods can be used to efficiently control a continuous fermentation system with several independent media recyclers.

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Uvedené nevýhody odstraňuje způsob kontinuální výroby kyseliny mléčné s recyklací biomasy za použití elektrodialýzy s následnou elektrokonverzí podle vynálezu, který spočívá v tom, že roztoky diluátů z obou elektrochemických stupňů a kromě toho i koncentrát ze stupně elektrokonverze (hydroxid sodný) jsou recyklovány a po doplnění nezbytných živin a zdroje uhlíku vraceny zpět do fermentoru.The above-mentioned disadvantages are eliminated by the method of continuous production of lactic acid with recycling of biomass using electrodialysis followed by electroconversion according to the invention, which consists in that diluate solutions from both electrochemical stages and also the concentrate from electroconversion stage (sodium hydroxide) are recycled and nutrients and carbon sources returned to the fermenter.

Na základě naměřených hodnot pH, refřakce (RI), elektrické vodivosti (G) jednotlivých recyklovaných diluátů a spotřeby neutralizačního činidla - zásady se podle algoritmu, odpovídajícímu konkrétnímu zařízení, dávkuje do fermentoru produkční médium připravené z recyklovaných diluátů, z koncentrátu z elektrokonverze a vody, spolu s vhodným množstvím cukru a dalších živin.Based on the measured pH, refraction (RI), electrical conductivity (G) of each recycled diluate and neutralizing agent consumption, the production medium prepared from recycled diluates, electroconversion concentrate and water is fed to the fermenter according to the equipment-specific algorithm, along with appropriate amounts of sugar and other nutrients.

·· ······ ····

Postup podle vynálezu nezatěžuje svými odpadními produkty okolní přírodu a minimalizuje negativní dopad na životní prostředí. Využívá všech komponent vstupujících do procesu, včetně proudů odpadních vod, které by odcházely z izolace a čištění kyseliny mléčné.The process according to the invention does not burden the surrounding nature with its waste products and minimizes the negative impact on the environment. It utilizes all of the components entering the process, including the waste water streams that would leave the lactic acid isolation and purification.

Elektrodialýza (ED) je z tohoto pohledu jednou z nej ekologičtějších technologií - vzniká malé množství odpadních vod, které jsou navíc recyklovatelné.From this point of view, electrodialysis (ED) is one of the most environmentally friendly technologies - it generates a small amount of waste water and is recyclable.

Pro řízení přítoků sacharidického zdroje je postačující využití změn pH, ke kterým dochází v průběhu fermentace. S přídavkem neutralizačního činidla (zásady), jehož přítok je řízen regulátorem spojeným s pH-metrem se současně přidává roztok cukru, jehož množství je přímo úměrné množství dodaného neutralizačního činidla.The use of pH changes that occur during fermentation is sufficient to control the inflows of the saccharide source. With the addition of a neutralizing agent (base), the flow of which is controlled by a regulator associated with the pH meter, a sugar solution is added at a time which is proportional to the amount of neutralizing agent delivered.

Způsob fermentace podle vynálezu využívá recirkulace biomasy a média zbaveného většiny anionů laktátu pomocí ED. Vzhledem ktomu, že optimální režim ED vyžaduje zachování určité vodivosti roztoků na vstupu i výstupech, tak i diluát vystupující z ED obsahuje určité množství iontů laktátu a solí, případně kyseliny mléčné. Přesto, že jsou do bioreaktoru vraceny zpět diluáty zED, je nutné doplňovat vodu, která kompenzuje ztráty způsobené odváděním kyseliny mléčné ze systému. Při kompletaci produkčního média je rovněž nutné brát v úvahu i množství laktátu, cukru a solí, které jsou obsaženy v proudech diluátu recyklovaných z ED.The fermentation process of the present invention utilizes recirculation of biomass and medium devoid of most lactate anions by ED. Since the optimal ED regime requires a certain conductivity of the inlet and outlet solutions to be maintained, the ED-derived diluate also contains a certain amount of lactate ions and salts or lactic acid. Although the diluates from the ED are returned to the bioreactor, it is necessary to replenish the water to compensate for the losses caused by the removal of lactic acid from the system. The amount of lactate, sugar and salts contained in the ED-recycled diluate streams must also be considered when completing the production medium.

Přehled obrázkůOverview of pictures

Na obr. 1 je znázorněna schématicky výroba kyseliny mléčné podle varianty 1 a na obr. 2 podle varianty 2.Fig. 1 shows schematically the production of lactic acid according to variant 1 and Fig. 2 according to variant 2.

PříkladExample

Fermentace: pH v bioreaktoru 1 s míchadlem se reguluje na konstantní hodnotě v rozmezí 5,5 až 6,5 dávkováním roztoků zásady -tok F_z (NaOH, KOH nebo NH4OH). Konstantní objem média - konstantní hladina v bioreaktoru se udržuje na 5 m³ . Koncentrace biomasy v bioreaktoru se odtahem zkvašeného média udržuje na 200 g/1.Fermentation is at pH 1 in a bioreactor with a stirrer was regulated to a constant value ranging from 5.5 to 6.5 by feeding a solution of the principle means of a solution _of F (NaOH, KOH or NH4OH). Constant volume of medium - constant level in the bioreactor is maintained at 5 m ³ . The biomass concentration in the bioreactor is maintained at 200 g / l by withdrawing the fermented medium.

Zkvašené médium z bioreaktoru 1 s buňkami produkčního kmene se vede na mikrofiltrační keramické membrány 2 mající velikost pórů mezi 0,1 až 0,7 μ. Retentát obsahující buňky produkčního kmene se vede zpět do bioreaktoru 1.The fermented medium from the bioreactor 1 with the production strain cells is fed to a microfiltration ceramic membrane 2 having a pore size of between 0.1 and 0.7 μ. The retentate containing the cells of the production strain is returned to bioreactor 1.

Bezbuněčný permeát -tok 2 je veden na elektrodialýzu ED I 3.The cell-free permeate-flow 2 is directed to electrodialysis ED 13.

Tok 2 je kontrolován průtokoměrem F2, refraktometrem RI2 a vodivostním čidlem G2.Flow 2 is controlled by flow meter F2, refractometer RI2 and conductivity sensor G2.

Elektrodialytická separace ED1 3 využívá anionaktivních a kationaktivních membrán .The ED1 3 electrodialytic separation employs anionic and cationic membranes.

• ·· ·• ·· ·

Diluát -tok 6 se vrací zpět do bioreaktoru 1 a je kontrolován průtokoměrem F6, refraktometrem R16 a vodivostním čidlem Gň.Diluate-flux 6 is returned to bioreactor 1 and is controlled by flow meter F6, refractometer R16 and conductivity sensor Gn.

Koncentrát laktátu - tok 3 se vede na elektrokonverzi ED II 4 kontrolován průtokoměrem F3, refraktometrem R13 a vodivostním čidlem G3.The lactate concentrate - flow 3 is fed on the electroconversion ED II 4 controlled by a flowmeter F3, a refractometer R13 and a conductivity sensor G3.

Elektrodialýza II (ED II) 4, kde probíhá elektrokonverze laktátu na kyselinu mléčnou využívá anionaktivních a kationaktivních membrán . Do elektrodialyzéru je přidáván pomocný roztok anorganické kyseliny, jakožto zdroj H⁺ iontů Z elektrodialyzéru odchází diluát -tok 4, obsahující zbytky laktátu a dále koncentrované anorganické soli -tok 7, oba proudy jsou vedeny zpět do bioreaktoru.Electrodialysis II (ED II) 4, where electroconversion of lactate to lactic acid takes place, uses anionic and cationic membranes. An inorganic acid auxiliary solution is added to the electrodialyser as a source of H ⁺ ions. The diluate-flux 4 containing the lactate residues and further concentrated inorganic salts-flux 7 is discharged from the electrodialyser, both streams are returned to the bioreactor.

Toky 4 a 7 jsou kontrolovány průtokoměry F4 _a 7, refraktometry RI4_a7 a vodivostními čidly G4 _a 7.Flows 4 and 7 are controlled by flow meters F4 _and 7, refractometers RI4 _and 7 and conductivity sensors G4 _and 7.

Koncentrát laktátu je možné konvertovat na kyselinu mléčnou na bipolámích membránách, které jsou schopny generovat protony (FT) a hydroxylové anionty (OFT).The lactate concentrate can be converted to lactic acid on bipolar membranes capable of generating protons (FT) and hydroxyl anions (OFT).

Vystupuje diluát obsahující hydroxid který recykluje zpět do bioreaktoru a koncentrát kyseliny mléčné.A diluate containing hydroxide is recovered which recycles back to the bioreactor and lactic acid concentrate.

Optimalizace a řízení procesuProcess optimization and control

Varianta 1Option 1

Podle obr. 1, je recykl z mikrofiltru vracen přímo do bioreaktoru L Toky diluátů jso vedeny do nádrže_5, kde se kompletuje médium přiváděné do bioreaktoru 1 která slouží i k vyrovnáváni různých nepravidelností chodu systému. Doplněné fermentační médium je přiváděno do bioreaktoru 1.Referring to Fig. 1, the recycle from the microfilter is returned directly to the bioreactor 1. The diluate flows are fed to a tank 5, where the medium fed to the bioreactor 1 is assembled to compensate for various irregularities in the operation of the system. The supplemented fermentation medium is fed to the bioreactor 1.

-> řízení přítoku média do bioreaktoru 1-> control of medium flow to bioreactor 1

- průtok je řízen sondou Vi, která udržuje konstantní objem, příp. hladinu v bioreaktoru 1- the flow is controlled by a probe Vi, which maintains a constant volume, resp. bioreactor level 1

- v případě, že průtoky diluátů F₆ z EDI a F7 z ED1I nejsou nedostatečné (menší jak Fi) je potřebný objem doplňen přítokem vody, který vyrovnává ztrátu způsobenou odvodem koncentrátu kyseliny (tok 4) a odtahem biomasy z bioreaktoru. K regulaci přídavku vody je využíváno čidla V5, které hlídá v přípravné nádrži minimální objem, příp. hladinu.- in the event that the flow of the diluate from EDI F ₆ and F7 in ED1I the insufficient (less than Fi) is the required final volume of water inflow to compensate for the loss caused by the discharge of acid concentrate (stream 4) and exhaust the biomass from the bioreactor. The V5 sensor is used to control the water addition, which monitors the minimum volume in the preparation tank. surface.

—y řízení a regulace složení média přiváděného do bioreaktoru—Y control and regulation of the composition of the medium fed to the bioreactor

Substrát - cukrSubstrate - sugar

- Refřakce RI5 v přítoku fermentačního media je udržována přídavkem zásobního cukerného roztoku na konstantní zvolené hodnotě (odpovídající ~ 8 % hmotn. ).The refraction RI5 in the fermentation broth is maintained at a constant selected value (corresponding to ~ 8% by weight) by adding a stock sugar solution.

- Koncentrace laktátu v diluátu z ED I 3_a II 4 je poměrně stabilní a pohybuje se mezi 1 až 2 % hmotn., a rovněž nevyužitý cukr obsažený v diluátu je vracen v toku 6 a 7(R1ó a RI7).The lactate concentration in the diluate of ED 13 and II 4 is relatively stable and is between 1 and 2% by weight, and also the unused sugar contained in the diluate is returned in streams 6 and 7 (R 10 and R 17).

• Φ φφφφ φ φ φφφφ φφφφ φ φ · • φ φφφφ •Φ φ φ φ φφφφ φφφ φ · · · ·· φφφ φφφ φφφφ ·· *• Φ φ φ φ φ • • • • • • • • • • • • • • • • • • φ φ

- Refrakce (Rli) při fermentaci zůstává konstantní (cukr je konvertován na kyselinu mléčnou, příp. laktát - které mají přibližně stejný index lomu).- Refraction (Rli) during fermentation remains constant (sugar is converted to lactic acid or lactate - which have approximately the same refractive index).

- Přídavek cukru neovlivňuje změnu vodivosti roztoku.- The addition of sugar does not change the conductivity of the solution.

Živiny - anorganické soliNutrients - inorganic salts

- Živiny ve formě anorganických solí jsou doplňovány na základě vodivosti média v přípravné nádrži 5, do níž jsou vedeny diluáty z EDI 3 a EDII4, -» řízení odběru kyseliny mléčné z bioreaktoru, regulace chodu ED- Nutrients in the form of inorganic salts are replenished on the basis of the conductivity of the medium in the preparation tank 5, into which the diluates from EDI 3 and EDII4 are led, - »control of lactic acid collection from the bioreactor, regulation of ED flow

- po najetí fermentace tj. po dosažení maximální hodnoty vodivosti 35 mS se zapojí MF 2 a ED 13_a II 4 a systém se převede do kontinuálního režimu- after the fermentation has started, ie when the maximum conductivity value of 35 mS has been reached, MF 2 and ED 13_a II 4 are connected and the system is switched to continuous mode

- vodivost média se v bioreaktoru 1 v permeátu a po mikrofiltraci (Gi, resp. G₂) udržuje na optimální hodnotě cca 5 až 8 % hmotn. kyseliny mléčné.- the conductivity of the medium is maintained in the bioreactor 1 in the permeate and after microfiltration (Gi and G ₂ , respectively) at an optimum value of about 5 to 8 wt. Lactic acid.

Měřící místa č. 2, 3, 4, 6 a 7 slouží k seřízení optimálního režimu elektrodialyzačních jednotek - tj. požadovanému zakoncentrování laktátu v odpovídající čistotě (bez příměsi balastních látek) a jeho maximální konverzi na kyselinu mléčnou. Ke stanovení koncentrace laktátu lze využít hodnot vodivosti. Protože v průběhu ED Π 4 dochází ke změně laktátového anionu na méně disociovanou formu - kyselinu mléčnou, dochází k poklesu vodivosti roztoku, je tedy nutno koncentraci kyseliny mléčné zjišťovat pomocí kombinace pH s refřakcí . Hodnoty vodivosti jednotlivých toků jsou důležité pro vlastní ED procesy. Obsah kyseliny mléčné ve vystupujících proudech je určován tedy na základě refrakce.Measuring points No. 2, 3, 4, 6 and 7 serve to adjust the optimal regime of electrodialysis units - ie the required concentration of lactate in the corresponding purity (without the addition of ballast substances) and its maximum conversion to lactic acid. Conductivity values can be used to determine lactate concentration. Since the lactate anion is changed to a less dissociated form - lactic acid during ED Π 4, the conductivity of the solution decreases, so it is necessary to determine the concentration of lactic acid using a combination of pH and refraction. Conductivity values of individual streams are important for own ED processes. The lactic acid content of the outgoing streams is thus determined by refraction.

Jak pro RI, tak pro vodivost je nutné experimentálně nalézt optimální hodnoty, které jsou závislé na kmenu mléčných bakterií, složení média, zařízení a řadě dalších faktorů. Pro daný systém tyto hodnoty jsou podkladem algoritmu řízení procesu kontinuální výroby kyseliny mléčné.For both RI and conductivity, it is necessary to experimentally find optimal values that are dependent on the lactic acid strain, the composition of the medium, the device and a number of other factors. For a given system, these values underlie the algorithm of continuous lactic acid production control.

Varianta 2Option 2

Podle obr. 2 všechny recykly (z MF 2, včetně diluátů z ED I 3 a ED II 4) jsou vraceny přímo do bioreaktoru 1. Diluáty nejsou vedeny přes nádrž, ve které by se kompletovalo médium přítokované do bioreaktoru J. Cukr, živiny a voda jsou dodávány rovněž přímo do bioreaktoru 1.According to Fig. 2, all recycled materials (from MF 2, including the diluates from ED I 3 and ED II 4) are returned directly to bioreactor 1. Diluates are not passed through a tank in which the medium fed to bioreactor J would be assembled. Sugar, nutrients and the water is also supplied directly to the bioreactor 1.

Přítok vody je řízen čidlem Vi, které vyrovnává ztrátu způsobenou odvodem koncentrátu kyseliny (tok 4) a odtahem biomasy z bioreaktoru 1.The water inflow is controlled by a sensor Vi, which compensates for the loss caused by the removal of the acid concentrate (flow 4) and the removal of biomass from the bioreactor 1.

Dávkování cukru je řízeno podle refrakce média v bioreaktoru 1 (RIi), která je udržována na konstantní hodnotě.Sugar dosing is controlled by refraction of the medium in bioreactor 1 (RIi), which is kept constant.

Dávkování živin (solí) je řízeno podle vodivosti média v bioreaktoru 1 (Gi), která je udržována na konstantní hodnotě nebo může být spřaženo k dávkováni cukru.The dosing of nutrients (salts) is controlled by the conductivity of the medium in the bioreactor 1 (Gi), which is kept constant or can be coupled to the sugar dosing.

Ostatní regulace zůstává stejná jako u Varianty 1.The other regulation remains the same as for Option 1.

Tato varianta je náročnější na regulaci a řízení, neboť nepravidelnosti chodu jednotlivých zařízení se okamžitě projeví v bioreaktoru L V předcházející variantě nádrž 5 sloužila k vyrovnání možných náhlých změn v celém zařízení, neboť hlavním kritériem je řízení jednotlivých izolačních stupňů s cílem dodržet maximální koncentraci a kvalitu kyseliny mléčné jako výstupního produktu. Tomu je podřízen i režim jednotlivých elektrodiaiyzérů a kvalita a množství diluátů.This variant is more demanding on regulation and control, as the irregularities of the operation of individual devices are immediately reflected in the LV bioreactor preceding the variant tank 5 used to compensate for possible sudden changes in the whole device. dairy as output product. This is also subject to the regime of individual electrodes and the quality and quantity of diluates.

Kyselina mléčná byla získávána výše uvedeným způsobem podle Varianty 1 nebo 2.Lactic acid was obtained as described in Option 1 or 2 above.

Byl použit homofermentativni kmen mléčných bakterií a médium obsahující sacharosu nebo glukosu jako zdroj uhlíku a energie, anorganické soli a zdroj organického dusíku, vitamínů a růstových látek. Fermentace byla prováděny při teplotním optimu daného produkčního mikroorganismu a konstantním pH.A homofermentative strain of lactic acid bacteria and a medium containing sucrose or glucose as source of carbon and energy, inorganic salts and source of organic nitrogen, vitamins and growth agents were used. Fermentations were carried out at a temperature optimum of the production microorganism at a constant pH.

Po doplnění bioreaktoru a dosažení zvolené hodnoty vodivosti média v bioreaktoru byla fermentace přepnuta do kontinuálního režimu, tento režim byl udržován více jak 560 hodin. Typické hodnoty získané z ustáleného stavu jsou uvedeny v tabulce 1.After adding the bioreactor and reaching the selected value of the conductivity of the medium in the bioreactor, the fermentation was switched to a continuous mode, this mode was maintained for more than 560 hours. Typical steady state values are given in Table 1.

Tabulka 1Table 1

Označení toku Flow designation 2 2 3 3 4 4 6 6 7 7 Látka (gV Substance (gV výstup z MF, vstup na ED I output from MF, input to ED I výstup z ED 1, vstup na ED 11 I output from ED 1, entry to ED 11 AND 1 koncentrát z ED II 1 concentrate of ED II Diluát z ED I - recykl Diluate from ED I - recycle Diluát z ED II, recykl ED II Diluate, recycle cukr)' sugar)' 3,8 3.8 0,1 0.1 0,05 0.05 7,3 7.3 — - kyselina mléčná lactic acid 72 72 155 155 195 195 10,5 10.5 5,0 5.0 G (mS) G (mS) 35 35 75 75 12 12 3,8 3.8 12 12 RF (index lomu) RF (refractive index) 1,345 1,345 1,357 1,357 1,363 1,363 1,336 1,336 1,333 1,333

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Vynález je využitelný při výrobě kyseliny mléčné.The invention is useful in the manufacture of lactic acid.

Claims (2)

1. Způsob kontinuální výroby kyseliny mléčné s recyklací biomasy za použití elektrodialýzy s následnou elektrokonverzí vyznačující se tím, že roztoky diluátů z obou elektrochemických stupňů a kromě toho i koncentrát ze stupně elektrokonverze -hydroxid sodný, jsou recyklovány a po doplnění nezbytných živin a zdroje uhlíku vraceny zpět do fermentoru.Process for the continuous production of lactic acid with recycling of biomass using electrodialysis followed by electroconversion, characterized in that diluate solutions from both electrochemical stages and in addition the concentrate from the electroconversion stage - sodium hydroxide are recycled and returned after the necessary nutrients and carbon source are returned back to the fermenter. 2. Způsob podle nároku 1 vyznačující se tím, že na základě naměřených hodnot pH, refrakce (Rl), elektrické vodivosti (G) jednotlivých recyklovaných diluátů a spotřeby neutralizačního činidla - zásady se podle algoritmu, odpovídajícímu konkrétnímu zařízení, dávkuje do fermentoru produkční médium připravené z recyklovaných diluátů, z koncentrátu z elektrokonverze a vody, spolu s vhodným množstvím cukru a dalších živin.Method according to claim 1, characterized in that, based on the measured pH values, the refraction (R1), the electrical conductivity (G) of the individual recycled diluates and the consumption of the neutralizing agent - the production medium prepared according to the algorithm corresponding to the particular device from recycled diluates, from electroconversion and water concentrates, along with appropriate amounts of sugar and other nutrients.