DE2450670A1 - Verfahren zur abtrennung von citrat oder citronensaeure aus fermentationsloesungen - Google Patents
Verfahren zur abtrennung von citrat oder citronensaeure aus fermentationsloesungenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung und Konzentrierung von Citrat bzw. Citronensäure
und/oder Isocitronensäure aus wässrigen Lösungen, insbesondere Fermentationslösungen von anderen organischen
Verbindungen und anorganischen Salzen.
Zur Lösung zahlreicher Trennprobleme haben sich Trennprozesse
mittels eines Druckgradienten als treibende Kraft unter Verwendung poröser und/oder semipermeabler Membranen, wie bei
der Ultrafiltration und reversen Osmose, vorzüglich bewährt» Bekannt sind z.B. die Aufbereitung spezieller Abwässer, die
Meerwasser-Entsalzung sowie eine Reihe industriell praktizierter Verfahren zur Konzentrierung, Isolierung oder
Reinigung von unterschiedlichen Verbindungen (CZ-Chemie-Technik
2 (1975)7-11).
Während bei der Ultrafiltration vorzugsweise kolloidale Partikel
bei Arbeitsdrücken von 7 Bar vor allem nach Partikelgröße (Durchmesser 10° - 10 nm) an mikroporösen Membranen
abgetrennt werden, kann die Hyperfiltration nicht mehr mit einem einfachen Filtrationsvorgang erklärt werden. Das heute
allgemein anerkannte Prinzip der Hyperfiltration - das Synonym reverse Osmose verdeutlicht dies - ist die Ut? 1 kehr
des osmotischen Verdünnungsbestrebens an semipermeabler!
Membranen mit Hilfe einer Druckdifferenz, wobei zumindest
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, - ■ BENCXlSB'
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die osmotische Druckdifferenz (_.\ί ) zu überwinden ist.
Als theoretische Grundlage für den Transportmechanismus, somit/ auch ,alo Basis für die Membrankonzeption, hat sich
das Lösungs- und Diffusionsmodell (H. Yasuda, CE. Lamaze, Office of Saline Water, Research Development Progress
Report No. 473, September 1969) durchgesetzt; es trägt insbesondere
der Korrelation zwischen der molekularen Struktur des polymeren Membranmaterials und dem Trennverhalten
Rechnung.
Die bekanntesten und zur Zeit am häufigsten in der Praxis eingesetzten semipermeablen Membranen bestehen aus Cellulosederivaten;
in jüngster Zeit sind aber auch andere Kunststoffe wie z.B. Polyacryl- bzw. Polymethacrylderivate,
Polyamide u.a. als Membranmaterial im Einsatz, wobei entsprechend der Membran-Morphologie zwischen homogenen und.
asymmetrischen Membranen unterschieden wird. Der.allgemeine Trend im Bereich der Membrantrennprozesse zielt auf
Untersuchungen, um Membranen bezüglich ihrer Selektivität für ein bestimmtes, vorgegebenes Trenriproblern zu optimieren*
So sind Membranen zur Pervaporation bekannt, die zur selektiven Abtrennung von V/asser aus wässrigen Beschickungsgemischen
mit organischen und anorganischen Lösungsbestandteilen geeignet sind. Sie bestehen aus einem organischen Polymerisat, das anionische
Gruppen aufweist und kationische Gruppen enthalten kann. Gemäß der hier beispielhaft anzuführenden Erfindungen
(DT-OS 2 129 723 und 2 129 731O ist aber die Verwendung einer
flüssigen Phase auf beiden Seiten der Membrane unpraktisch,
weil dann diese Membranen Drücke bis zu 1000 Bar erfordern; damit sollen aufgabengemäß anorganische Salze auch nicht abgetrennt
werden. Demnach sind diese Membranen für die Lösung der dieser Erfindung zugrunde liegenden Aufgabenstellung
unbrauchbar.
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■- J -
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In einer weiteren ürfenlegungsschrirt (r>T-OS ? 051 6j31)
werden selektiv trennende Membranen beschrieben, die aus Copolymeren bestehen, welche mindestens 50 % hydrophile,
nichtionische Gruppen tragen, vor allem Hydroxylgruppen und der Rest 'basische oder carboxygruppenhaltige Einheiten
umfassen. Diese Copolymere sind angabengemäß selektiver als Ionenaustauschermembranen; belegt wird diese Aussage am
Beispiel Na+ und Ca+"1". Angaben über das Selektivitätsverhalten
dieser Membranen bezogen auf Gemische aus Polycarbonsäuren und/oder deren Salze und anorganische einbzv/.
mehrwertige Anionen sind dort jedoch nicht zu finden.
Auch sind Membranen mit selektiver Durchlässigkeit in der
DT-OS 2 O44 509 genannt, die aus Vinylcopolymeren bestehen
und aus drei oder mehr Monomeren aufgebaut sind; ebenso ist die Vernetzung mit bekannten bifunktionellcn Monomeren
genannt. Der Selektivitätsnachweis ist auf das System Kochsalz-Wasser beschränkt.
Aus der Offenlegungsschrift 2 027 698 ist ein Verfahren zur
Reinigung wässriger Itaconsäurelösungen durch reversierte
Osmose bekannt. An Membranmaterial sind Polyamide und Celluloseester aufgeführt. Es wurde dort auch schon versucht,, anstelle
der Itaconsäurelösung eine Citronensäurelösung aufzuarbeiten.
Es wurde jedoch festgestellt, daß hier die Selektivität sehr
schlecht ist und daß die Membranen für diesen Zweck nicht
geeignet sind.
Ziel der Erfindung war deshalb das Auffinden eines Verfahrens, das es gestattet, entweder Citrat oder Citronensäure aus Herstellungslösungen selektiv von Verunreinigungen abzutrennen.
ΑΫ,Ο: IGS HO
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/ und eine konzentrierte Lösung der Weiterverarbeitung zu-/
zuführen. Citronensäure wird bekanntlich großtechnisch / überwiegend durch Fermentation von Kohlenhydraten oder
' Kohlenwasserstoffen gewonnen, wobei eine Fermentationsbrühe
anfällt, die als Hauptbestandteile neben Citronensäure respektive Citrat, Zucker, nicht fermentierte Kohlenhydrate,
Eiweiß, Farbstoffe und anorganische Salze enthält. Für die überwiegende Mehrzahl der Anwendungsfälle muß die
Citronensäure in einer hochreinen Qualität isoliert werden, was beim Einsatz klassischer Aufbereitungsverfahren einen
beachtlichen technischen Aufwand u.U. auch Substanzverluste und nicht selten beachtliche Umweltprobleme bedeuten
kann.
Es wurde nun ein Verfahren zur Abtrennung und Aufkonzentrieren von Citrat bzw. Citronensäure und/oder Isocitronensäure
aus wässrigen Lösungen, insbesondere Fermentationslösungen
von anderen Begleitstoffen gefunden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man .permselektive Membranen, deren
Grundmaterial durch Einführung von sauren Gruppen bis zu
einem Quellungsvermögen von 5-25 Vol. % oder durch Einführung
von basischen Gruppen bis zu einem Quellungsvermögen von 5.-15 Vol. % modifiziert ist, im pH-Bereich
von 1-8 und im Druckbereich von 5 - 100 Bar einsetzt.
Erfindungsgemäß kann man zur Abtrennung und Aufkonzentrierung von Citrat bzw. Citronensäure und/oder Isocitronensäure verschiedene
Wege einschlagen. Die erfindungsgemäße Hyperfiltration erfolgt bei Fermentationslösungen nach der konventionellen
Reinigung von Zellfragmenten und suspendierten Partikeln z.B. durch Grobfiltration, Zentrifugation und/oder Säulenchromatographie.
Sind makromolekulare gelöste Bestandteile z.B. Proteine oder Polysaccharide vorhanden, so ist es unter
Umständen zweckmäßig, vorher noch eine Ultrafiltrationsstufe
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einzuschalten. Diese Ultrafiltration kann mit üblichen porösen Membranen und bei einem Arbeitsdruck bis etwa
10 atm erfolgen.
Soll Citrat und/oder Isocitrat aus einer auf diese Weise vorgereinigten Lösung vom pH 5*5 - 7*5* wie sie beispielsweise
bei der Gewinnung der Citronensäure mittels Hefen aus Kohlenhydraten oder Kohlenwasserstoffen anfällt, abgetrennt
werden, so verwendet man erfindungsgemäß vorteilhaft
die Membranen mit sauren Gruppen mit einem Quellungsvermögen
von 5-25 Vol. $, vorzugsweise 8 - 18 Vol. % und arbeitet
bei Drucken von ^O - 100 Bar. Das Citrat und/oder Isocitrat
wird dann bevorzugt von der Membran zurückgehalten, während die anderen Stoffe durch die Membran permeieren.
Setzt man die gleichen Membranen bei Citronensäurelösungen
vom pH-Wert unter ;5 und bei Drucken von 5-50 atm ein,
so werden umgekehrt die Begleitstoffe von der Membran zurückgehalten
und die Citronensäure und/oder Isocitronensäure permeieren.
Man kann aber auch die erfindungsgemäßen Membranen mit basischen Gruppen und einem Quellungsvermögen von 3-15 Vol.J^,
vorzugsweise 5-10 Vol.$, bei Citronensäure enthaltenden Lösungen mit pH-Werten unter j5 und bei Drucken von J>0 - 100 Bar
einsetzen, wobei bevorzugt die Citronensäure und/oder Isocitronensäure zurückgehalten werden und die anderen Stoffe
permeieren.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde auch gefunden, daß man eine Fermentationslösung vom pH 5*5 - 7*5 zunächst mit PoIyyinylsulfonsäure
auf einen pH unter J> einstellen und dann mit
einer Membran mit sauren Gruppen weiterarbeiten kann.
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SO 9 S 1 ÖT/^1 1 1 2
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Blatt
Das Ansäuern'mit Polyvinylsulfonsaure hat den großen Vorteil,
daß .diese polymere, starke Säure von der Membran zurückgehalten wird und somit Citronensäure und/oder Isocitronensäure,
die die Membran permeieren, nicht verunreinigt werden. Auch adsorbiert die gelöste Polyvinylsulfonsäure
kein Produkt, wie es häufig an granulierten festen Ionentausehern der Fall ist und das Ansäuern und
die Trennung kann in einer Reaktionsstufe erfolgen. Wesentlich ist außerdem, daß durch das Ansäuern keine zusätzliche
Aufsalzung beispielsweise mit entstehenden anorganischen Salzen erfolgt, was die Trennwirkung der Membran verschlechtern
würde.
Wenn man anstelle von Polyvinylsulfonsaure beispielsweise
Schwefelsäure verwenden würde, so entstehen dabei aus einem Mol Trinatriumcitrat 1,5 Mole Na2SOj.. Soll nun beispielsweise
die freie Citronensäure die Membran permeieren und Sulfat von der Membran zurückgehalten werden, so führt die
durch das Ansäuern entstandene hohe Sulfatkonzentration zu einem geringeren Rückhaltevermögen der Membran gegenüber
Sulfat und damit zu einem schlechteren Trennfaktor. Diese Verschlechterung tritt beim Ansäuern mit Polyvinylsulfonsäure
nicht auf.
Es ist erfindungsgemäß auch möglich, die permselektiven Membranen mit sauren Gruppen mit permselektiven Membranen
mit basischen Gruppen in nachgeschalteten Stufen zu kombinieren. Dadurch ergeben sich weitere Möglichkeiten zur Abtrennung
und Aufkonzentrierung von Citronensäure und/oder Isocitronensäure. Beispielsweise kann man zur Abführung
von Citronensäure/Isocitronensäure aus einer sauren Fermentationsbrühe (vorzugsweise pH 1 - ^) bei einem mittleren Arbeitsdruck (vorzugsweise 5-50 atm) die erfindungsgemäßen Membranen
100. 103 HD _ Y «=,
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/ mit sauren Gruppen einsetzen. Dabei permeieren Citronen-/
säure/lsocitronensaure durch "die Membran bei gleichzeitigem
partiellen Rückhalt der anorganischen Salze sowie unter vollständigem Rückhalt makromolekularer Bestandteile
der Permentationsbrühe. Die mit diesem Schritt aus der
Fermentationsbrühe abgeführte Citronensäure/Isocitronensäure
werden im gleichen pH-Bereich einer nachgeschalteten 2. Hyperfiltrationsstufe mit einer erfindungsgemäßen
Membran mit basischen Gruppen zugeleitet. Hier werden bei hohem Arbeitsdruck (vorzugsweise ^O - 100 atm) Citronensäure/Isocitronensäure
zurückgehalten und somit aufkonzen-. triert, während in diesem Falle anorganische Salze die
Membran besser permeieren.
Auf diese Weise wird in beiden Hyperfiltrationsstufen eine
partielle Abtrennung der Citronensäure/Isocitronensäure von Begleitsalzen erzielt: in der 1. Stufe unter Abführung der
Citronensäure/Isocitronensäure aus der Fermentationsbrühe
durch die Membran, in der 2. Stufe unter Rückhalt und Aufkonzentrierung. Diese 2. Stufe ist andererseits auch im
schwach sauren bis alkalischen pH-Bereich durchführbar (vorzugsweise pH 5,5 - 7*5)· In diesem Falle muß die Aufkonzentrierung
mit Membranen mit sauren Gruppen vorgenommen werden.
An erfindungsgemäßen Membranen sind Polykondensate wie mit sauren und basischen Gruppen modifizierte Polyimide und
Polyamide geeignet, wobei Polyimide durch Dehydratisierung von Poiyamidcarbonsäuren entweder thermisch oder mit Hilfe
wasserentziehender Reagentien wie Acetanhydrid hergestellt werden. Die Poiyamidcarbonsäuren und Polyamide werden durch
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Polykondensation von multifunktioneIlen Carbonsäuren wie
beispielsweise Pyromellithsäure, Trimellithsäure,· Terephthalsäure,
Naphtalindiearbonsäure mit aromatischen Diaminen
wie beispielsweise ^,^'-Diaminodiphenylmethan, p-Phenylendiamin,
;5.»5-Diaminobenzoesäure synthetisiert. Diese Polykondensation
erfolgt beispielsweise gemäß US-Patent 3.179.614
oder US-Patent 3.094.511 auf bekannte Weise.
Die sauren und basischen Gruppen werden entweder durch Verwendung entsprechend substituierter Diamine oder durch Umsetzung
der Polykondensate mit sauren oder basischen Reagentien eingeführt. Als saure Substituenten sind erfindungsgemäß
vorzugsweise SuIfonsäure-, Carboxyl- und Phosphonsäuregruppen
und als basische Substituenten vorzugsweise primäre,
sekundäre und tertiäre Aminogruppen geeignet. Die Einführung dieser Substituenten in die Polykondensate kann durch Umsetzung
bereits vorhandener funktioneller Gruppen der Diaminkomponente erfolgen, beispielsweise Veresterung einer Carboxylgruppe mit
p-Phenolsulfonsäure oder Weinsäure sowie Amidbildung mit
Diäthylaminopropylamin. Freie Aminogruppen können außerdem
beispielsweise durch Vernetzung der Polykondensate mit Diisocyanaten eingeführt werden, wobei verbleibende Isocyanatgruppen
sich mit Wasser zum Amin umsetzen.
Erfindungsgemäß können weiter Membranen aus sauer oder basisch modifizierten Vinylcopolymeren eingesetzt werden, beispielsweise
aus Styrol, Acrylnitril, Acrylsäure, Itakonsäure, Vinylsulfonsäure, Vinylpyridin oder Butadien.
Die basischen und sauren Gruppen werden entweder·über das
Monomere (z.B. Vinylsulfonsäure, Vinylpyridin) oder durch Umsetzung der Copolynieren eingeführt, beispielsweise durch
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Sulfonierung oder Quaternlerung von Styrol. Als Membranen
geeignet sind auch aromatische Polysulfone, die durch sulfonsaure
Gruppen substituiert werden.
Die Copolymerisationen und Herstellung der Polysulfone sind Stand der Technik, so daß hier nicht näher darauf eingegangen
werden muß.
Wichtig für die erfindungsgemäße ausgezeichnete Trennwirkung der verschiedenen permselektiven Membranen ist ihr
Quellungsvermögen, das von der Anzahl der eingeführten sauren oder basischen Gruppen abhängt und das bei den sauer
substituierten Membranen zwischen 5-25 Vol.% vorzugsweise 8 - l8 Vol.$ und bei den basisch substituierten Membranen
zwischen 5 - 15 Vol.# vorzugsweise 5-10 VoI.^ liegen muß.
Es war überraschend, daß nur Membranen in diesem Bereich die gute Wirkung besitzen.
Nachfolgend einige Beispiele für die Herstellung permselektiver Membranen, die für das erfindungsgemäße Verfahren
zur. Abtrennung von Citrat bzw. Citronensäure und/ oder Isocitronensäure aus wässrigen Lösungen von anderen
Begleitstoffen geeignet sind:
Bei der Herstellung der Membranen können die Polymeren zu Membranmodulen mit flachen, tubulären spiralförmigen
und hohlfaserförmigen Membranen verarbeitet werden.
Die Membranen können sowohl eine homogene als auch eine asymmetrische Makrostruktur besitzen.
-.10 -
1 " lao. 103HD .
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Copolymermembrän (Vinylsulfonsäure-Acrylnitril 1:6)
yloo g einer wässrigen Lösung von 25 Gew.% vinylsulfonsaurem
/ Natrium (Hoeohst AG) werden mit 7 g Acrylnitril, 2 ml Di-[
methylsulfoxyd, 0,24 g K2S3Og, 0,01 g NaHSO5 versetzt, auf
; pH 1 gestellt und für 48 Stunden bei 5°C polymerisiert.
Danach wird mit Methanol gefällt und gewaschen, mit Wasser nachgewaschen und in N-Methylpyrrolidon kalt gelöst. Eine
Lösung von 10 Gew.% Polymeren wird mit einer 200 /um Rakel auf einer polierten Glasplatte bei Raumtemperatur ausgezogen
und der Film 2 Stunden im Vakuum getrocknet.
Filmdicke ' 5 /um
Reißfestigkeit
(feucht, 20°C, Abzug 50 mm/min) 266 kg/cm2
Quellung
(Wasserlagerung 24 Std., 20°C) 10 Vol.# '
Kapazität (feucht) 1,4 m Val/g Membran
Eine 5 #ige Lösung einer Polyamidcarbonsäure aus Pyromellithsauredianhydrid
und 5j5-Diaminobenzoesäure in
Dimethylformamid ( χι .. = l,8o dl/g) wird auf einer polierten
Glasplatte mit einer 100 /um Rakel ausgezogen, etwa 2 Stunden im Vakuum bei Normaltemperatur belassen, danach
für 80 Stunden in Acetanhydrid/Pyridin (Volumenanteil 1:1)
bei ca, 250C eingebracht. Öie Polyimidmembran wird vom
Träger abgelöst und 30 Minuten bei 60°C in Dimethylformamid/
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Pyridin/Thionylchlorid (Volumenanteile 5:^5:50) behandelt.
Danach wird die Membran 2 Stunden bei 60°C in Dimethylformamid mit 1 Gew.% scharf getrocknetem 2,3-Dihydroxynaphtälin-ö-sulfonsaurem
Natrium (p-Phenol-sulfonsaurem
Natrium) erhitzt und in Wasser gelagert.
Filmdicke (feucht) 16,5/um
Quellung
(Wasserlagerung 24 Stunden, 200C) 16 Vol.Ji
Kapazität (feucht) 0,30 m Val/g Membran
Copolymermembran (Styrol-1,3 Butadien
J>:
1, sulfoniert)
In einer Druckflasche werden 0,08 Gew.% FeSO^, 0,04 Gew.%
Dibenzoylperoxid mit 3 Gew.% Natriumlaurylsulfat in Wasser
gelöst, 20 Gew.% Styrol mit 10 Gew.% 1,3-Butadien hinzugefügt
und unter N2 bei 250C 7 Stunden unter anfänglichem
Schütteln belassen. Der Latex wird mit Methanol, 1 Gew.% konz. HCl 0,1 Gew.% N-Phenyl-2-naphtylamin gefällt, gewaschen
und im Vakuum bei Raumtemperatur getrocknet. Eine Lösung mit 10 Gew.% des Copolymeren in Tetrahydrofuran wird
auf einer polierten Glasplatte mit einer 200 /um Rakel ausgezogen
und die Membran an der Luft getrocknet. Zur Vernetzung wird die Membran in eine 5 Vol.Ji Lösung von frisch
destilliertem SpCIp in trockenem Nitromethan eingebracht,
nach 2 Stunden bei Raumtemperatur in n-Heptan mit 10 Vol.#
CSp gewaschen und durch Einbringen in Methanol und Wasser abgelöst. Die Sulfonierung erfolgt nach-Vorquellung in CHCl,
in einer Lösung von 2 Vol.$ ClSO^H in CHCl, innerhalb 15 min.
bei Raumtemperatur. Es wird nacheinander mit Chloroform, Methanol und Wasser gewaschen.
•1&0.103 ho- \ 609818/1112
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Blatt ~
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Filmdicke ' 20 /um
Quellung (Wasserlagerung 24 Stunden,20°C) 12 Vol.#
Kapazität (feucht) 1,8 mVal/g Membran
Es wird nach Beispiel 1 eine Copolymermembran mit einem Molverhältnis
Vinylsulfonsäure-Acrylnitril 1:3 unter Zusatz von
5 Gew.# Acrylsäure und Polymerisation bei 60°C hergestellt. Die Membran wird 30 min in 2,5 Vol.# Toluylendiisocyanat
in Xylol bei 4O0C behandelt und mit Xylol gewaschen.
in Xylol bei 4O0C behandelt und mit Xylol gewaschen.
Filmdicke 11 /um
Quellung
(Wasserlagerung 24 Stunden 200C) 15 Vol.#
Kapazität (feucht) 2,3 mVal/g. Membran
Es wird eine Polyimidmembran nach Beispiel 2 hergestellt und mit 5 Gew.% scharf getrockneter L (+) Weinsäure in Dimethylformamid
20 Stunden bei 60°C behandelt. Die Membran wird in Wasser gelagert.
Filmdicke ,15 /um
Quellung
(Wasserlagerung 24 Stunden, 200C) 18 Vol.%
Kapazität (feucht) 0,7 m Val/g Membran
. los HD 609 818/1112
BENCKISER
Blatt -
-685- Ä
/Beispiel 6
Polysulfonmembran (sulfoniert)
Eine Lösung von 15 Gew.# Polysulfon (PSF-3500, Union Carbide)
in 1,2-Dichloräthan wird mit einer Lösung von 5 Vol.$ ClSOJEi
in 1,2-Dichloräthan zu gleichen Volumenanteilen in 1,2-Dichloräthan
eingetragen und 5 Stunden bei 600C gerührt. Das ausgefällte
Polymere wird in Dimethylformamid gelöst, mit Aceton gefällt, gewaschen und bei 60°C im Vakuum getrocknet. Eine
10 Gew.^-Lösung des Polymeren in Dimethylformamid wird mit
einer 200 /um Rakel auf einer Glasplatte ausgezogen und die Membran im Vakuum getrocknet.
Filmdicke 12 /um
Reißfestigkeit (feucht) 80 kg/cm2
Quellung
(24 Stunden Wasser lagerung, 200C) 14 Vol. Ji
Kapazität (feucht) 1,2 m Val/g Membran
In ein Glasrohr werden unter Stickstoff 2-Vinylpyridin mit
0,2 Mol-# Azoisobuttersäurenitril eingefüllt, die Mischung entgast und 33 Mol-# 1,3-Butadien eindestilliert. Das Rohr
wird verschlossen und 24 Stunden bei 500C belassen. Das
Polymer wird in Tetrahydrofuran mit 0,2 Gew.% N-Phenyl-2-naphtylamin
gelöst und mit η-Hexan gefällt, gewaschen und irn Vakuum getrocknet.
- 14 -
IPO. 103HD
609818/1112
BENCKiSER
Blatt -ijj ^.
- 685 -
Eine 10 Gew.^-Lösung des Copolymeren in Tetrahydrofuran
wird auf einer polierten Glasplatte mit einer 200 /am Rakel
ausgezogen und die Membran bei 70° C für 1 Stunde im Vakuum getrocknet. Es wird eine Atmosphäre von Methylbromid eingeleitet
und die Membran für 48 Stunden bei 70° C belassen. Sie'wird in eine 5 Vol.^-Lösung von frisch destilliertem
SpCIp in trockenem Nitromethan eingebracht, nach 6 Stunden
bei Raumtemperatur in n-Heptan mit 10 Vol.$ CSp gewaschen
und durch Einbringen in Methanol und· Wasser gelöst.
Filmdicke 26/um
Quellung
(Wasserlagerung 24 Stunden, 200C) 8 Vol.$
Kapazität (feucht) 1,2 m Val/g Membran
Es wird eine Polyimidmembran nach Beispiel 2 hergestellt und 3 Stunden bei 100° C in Dimethylformamid mit 3 Gew.% 4,4-Diphenylmethandiisocyanat
behandelt, die Membran mit Aceton abgespült und getrocknet.
Filmdicke 16/üm
Quellung
(Wasserlagerung 24 Stunden, 200C) 5 Vol.#
Kapazität (feucht) 0,1m VaJ/g Membran
I.800 g vinylsaures Natrium (25 Gew.% wässrige Lösung, _
Hoechst AG) werden bei 5° C innerhalb 48 Stunden zu einer
,OC1OiHD 609818/1112
- 15 -
BENCKISER
Blatt -
niedrig viskosen Lösung polymerisiert. (Redoxsy stern
NaHSO,), in ca. j5.6OO'ml Methanol gefällt und abgesaugt.
330 g des feuchten Rückstandes werden 2 mal in Wasser gelöst
und mit Methanol gefällt. Eine Lösung des Natriumsalzes in 6.000 ml Wasser wird über einen Ionentauscher
(Amberlite IR-120) in die freie Säure überführt. Das Eluat
wird durch Hyperfiltration mit einer Membran nach Beispiel 6 von niedermolekularen Anteilen befreit und im Vakuum eingeengt.
In der gelbbraunen, stark viskosen Lösung (333 g) werden 19,6 Gew.# der freien Säure titrimetrisch bestimmt.
Es hat sich gezeigt, daß zur Abtrennung des Citrats aus Lösungen von pH 5,5 - 7,5 und bei Drucken von 30 - 100 Bar
besonders die Membranen nach Beispiel 1, 3 und 4 und im sauren Bereich bei Drucken von 5-50 Bar die Membranen
nach Beispiel 2, 5 und 6 geeignet sind. Es können aber auch alle Membranen für jede Arbeitsweise eingesetzt werden.
Die Membranen mit basischen Gruppen werden vorzugsweise nach erfolgter Permeation der Citronensäure mit den erfindungsgemäßen
Membranen mit sauren Gruppen in einer 2. Stufe im sauren Bereich zur Aufkonzentrierung der Citronen
säure eingesetzt. Besonders geeignet sind hierfür Membranen nach Beispiel 7 und 8.
Aus den nachfolgenden Tabellen I, II und III ist die ausgezeichnete
Trennwirkung der erfindungsgemäßen Membranen im Vergleich mit Membranen nach dem Stande der Technik zu
ersehen. Als Maß für die Leistungsfähigkeit der Membranen
wurde das Rückhaltevermögen (R) und der Trennfaktor (TF), das ist der Quotient des Konzentrationsverhältnisses in der
Lösung zu dem des Permeats, bestimmt.
TP.= Konzentrationsquotient in der Lösung
190. 103 HD ■
Konzentrationsquotient im Permeat · 609818/1112
- 16 -
BENCKISER
Blatt -
- 685 -
Konzentrationnquotient = (Citratkonzentration)/(Phosphat oder
SuIfatkonzentration)
Bei den Versuchen der Tabelle I wurden erfindungsgemäße
Membranen mit. sauren Gruppen eingesetzt. Der pH-Wert der
Lösungen betrug 7,1. Erfindungsgemäß wird hier die Citronensäure und/odoi' Isoci'tronensäure bevorzugt zurückgehalten und
die übrigen stoffe permeieren. Es wurde bei einer Strömungsgeschwindigkeit
von 12 cm/s und bei einer Temperatur von 20° C gearbeitet.
Die Tabelle \χ zeigt die Trennwirkung der erfindungsgemäßen
Membranen mit: sauren Gruppen bei pH-Werten unter J, wobei
erfindungsgiMtiJiß bevorzugt die Citronensäure permeiert und
die übrigen stoffe zurückgehalten werden. Die Temperatur
betrug 2O0C.
Bei den Versuchen der Tabelle III wurden erfindungsgemäße Membranen mit. basischen Gruppen bei pH-Werten unter 3 eingesetzt.
Erfinvtungsgemäß wird hierbei die Citronensäure bevorzugt zurückgehalten und die übrigen Stoffe permeieren.
Die Temperatur betrug 200C. "
- 17 -
. 103ΜΟ :
609818/1112
,Tabelle I
Rückhaltevermögen (R) und Trennfaktoren (TF) bei erfindungsgemäßen Membranen (Versuch 1
sowie Membranen nach dem Stand der Technik (Versuch 7 - 9), pH = 7,1
TNZ = Trinatriumcitrat
| Vers. Nr., |
Membran | Ausgangslösung | Druck atm |
Wasserfluß l/m2d |
R | 91 % 12 % 51 % |
TF |
| 1. | Copolyvinylsulfonat -acrylnitril Beispiel 1 |
1,5 η TNZ 0,01 η KIi3PO4 0,01 η CaSO4 |
40 | 25 | Citrat Sulfat Phosphat |
99 % 64 % 91 % |
9,8 7,7 |
| oj | Copolyvinylsulfonat -acrylnitril Beispiel 1 |
1,5 η TNZ 0, 01. η KH2PO4 0,01 η CaSO4 |
100 | 174 | Citrat Sulfat Phosphat |
91 % 65 % 65 % |
56,0 9,0 |
| 5. | Polyimid (sulfoniert) Beispiel 2 |
1,5 η TNZ 0,01 η KH2PO4 0,01 η MgSO4 |
100 | 220 | Citrat Phosphat Sulfat |
91 % 18 % 50 % |
4,1 4,1 |
| 4. | Copolystyrol/- -1,5 butadien (sulfoniert) Beispiel 5 |
1,5 η TNZ 0,2 η KpSO4 0,01 η KH2PÖ4 |
40 | 25 | Citrat Sulfat - Phosphat |
15,1 7,8 |
|
5. Copolyvinylsulf onat-acrylnitril Beispiel 1
190,103 HO
Fermentationslsg. 5,5 Gew.% Citrat
4,8 " "Isocitrat 0,049 " " KH2PO4
0,079 " " CaSO4 pH 6,5
40
| Citrat | 85 % | - | 2 | 1 |
| Isocitrat | 88 % | — | 1 | ON |
| Sulfat | 55 % | 4, | CO | |
| Phosphat | 54 % | 5, | Ul | |
| Vers. Nr. ■ |
Membran | Ausgangslösung | Druck atm |
Wasserfluß l/m2d. |
R. | lS % 2 % 42 % |
TF | |
| 6. | Polyimid (sulfoniert) Beispiel 2 |
Fermentationslsg. wie Vers. 5 |
40 | 35 | Citrat Sulfat Phosphat |
96 % 99 % 94 % |
2*4 | |
| 7. cn O |
Celluloseacetat (850C getempert) Desalination 8 (1970) 277 |
wie Vers. 4 | 40 | 25 | Citrat Sulfat • Phosphat |
Citrat 23 % Sulfat 10 % Phosphat 14 % |
0,3 1,5 |
|
| r-* VO I |
co OO __», —A |
Carboxylme thy 1- cellulose Kolloid Zeitschr. 150 (1957) 5 |
wie Versuch 4 | 40 | 25 | Citrat Sulfat - Phosphat · |
1,2 1,1 |
|
| ro 9. · |
Polyelektrolyt (sulfoniert) Amicon UM-05 |
wie Vers. 1 | 7 | 11 | 17 % 22 % -10 % |
1,5 1,3 |
cn ο cn
I
CL-
GO ΓΠ
Du
Vers i
Nr.
Nr.
Rückhalte-vermögen (R) und Trennfaktoren. (TF) bei erfindungsgemäßen Membranen (Versuche 1-6)
sowie Membranen nach dem Stand der Technik (Versuche 7 ■* 9)
Membran
Ausgangslösung
pH
Druck Strömungsatm ge'schw. cm/s
Wasserdurchfluß
l/m2d
l/m2d
TP
1, . Polyimid (sulfoniert)
■ Beispiel 2
■ Beispiel 2
1,5· η Cltronens. 0,05 η
0,02 η
1,9
Citronens. 19 % -Phosphat 31 % 0,86
Sulfat 58 fo 0,49
1 oo 2.
Polyimid
(carboxyliert)
Beispiel 5
(carboxyliert)
Beispiel 5
1,5 η Citronens. 2,0 0,02 η
Citronens. 5 % -Phosphat 42 % 0,63
Copolyvinylsulfonat/
acrylnitril
Beispiel 4
acrylnitril
Beispiel 4
1,5 η Citronens. 0,01 η KgSO^
Citronens. 11 # Sulfat 46 % 0,61
OI O CD
4.
Polysulfon (sulfoniert) 2 η Citronens.
Beispiel 6 0,01 η
0,01 η
1,7
10
Citronens. 31 % -Phosphat
45 % 0,80 Sulfat 72 % 0,41
5. · Polyimid (sulfoniert)
Beispiel 2
Beispiel 2
Permsntationslsg.
pH 6,5
Citrat 5,3 Gew.$-
Iso-
citrat 4,8 Gew.^
0,049 Gew.% 0,079 Gew.$ Polyvinylsu].fons.
angesäuert.
Citronens.- 23 % -
Isocitronen-
säure · - 28 % -
Phosphat 10 % 0,73
Sulfat
25 % 0,61
CD
| Vers. Nr. |
Membran | Ausgangslsg. | pH | Druck atm |
Strömungs- geschw. cm/s |
Wasser- ' durchfl. |
R | - 18* 15 % löfo |
0,72 0,57 |
^? | |
| 6. | Polysulfon (sulfoniert) Beispiel β |
wie Vers. 5 mit Polyvinylsul- fonsäure ange säuert |
2 | 30 | 6 | Citronens. Phosphat Sulfat |
22 % 23 % 19 fo |
0,99 1,04 |
,50670 | ||
| 609818 | 7. | Celluloseacetat (700C getempert) Desalination 8 (1970) 277 |
wie Versuch 1 | 1,9 | 30 | 6 | . 87· | Citronens. Sulfat Phosphat |
32 fo 35 % 25 fo |
0,9o 1,10 |
|
| 8. | Carboxylmethyl- cellulose Kolloid Zeitsjchr. . 150 (1957) 5 |
wie Vers. 1 | 1,9 | 30 . | β | 87 | Citronens. Sulfat Phosphat |
1 fo | 1,11 1,04 |
||
| 9. | Polyelektrolyt (sulfoniert) Amicon UM-05 |
wie Vers. 4 | 1,9 | 7 | 6 | 1200 | Citronens. Sulfat Phosphat |
||||
3, ο
oo
CO
ΓΠ X!
Huclchaltevermögen (R) und Trennfaktoren (TP) bei erfindvmgsgeraäßen Membranen (Vers. 1 - 2 )
sowie Membranen nach dem Stand der Technik (Vers. 3)
| Vers. | Membran | Ausgangs1sg. | PH | Druck atm |
Strömungs- gecchw. ck/s |
V/asser- durchfluS |
Citronens. Phosphat Sulfat |
91 % 64 % 78 % |
TF | 24506 |
| 1. σ> ο co |
Copoly-2-vinyl- pyridin-1,3- butadien 2:1 Beispiel 7 |
1,5 η Citronens. 0,01 η KH2?04 0,01 η CaSO^ |
1,9 | 100 | 21 | 15 | Citronens. Phosphat Sulfat |
97 % 84 % 89 Κ» |
4,0 2,4 |
|
|
•
OJ 318/1 1 |
Polyimid (ajniniert) Beispiel 8 |
1 η Citronens. 0,02 η KH2POiJ. 0,01 η K2SOj+ |
2,2 | 100 | 12 | 31 | Citronens. Phosphat Sulfat |
9β % 94 % 99 % |
5,3 3,7 |
|
| ^ 3. | Celluloseacetat (850C getempert) Desalination 8 (1970) 277 |
wie Vers. 1 | 2,2 | 100 | 12 | 31 | 1,5 0,3 |
|||
Claims (8)
- PatentansprücheI.) Verfahren zur Abtrennung und Konzentrierung vonCitrat bzw. Citronensäure und/oder Isocitronensäure aus·wässrigen Lösungen, insbesondere Fermentationslösungen von anderen organischen Verbindungen und anorganischen Salzen, dadurch gekennzeichnet, daß man permselektive Membranen deren Grundmaterial durch Einführung von sauren Gruppen bis zu einem Quellungsvermögen von 5-25 Vol.$ oder durch Einführung von basischen Gruppen bis zu einem Quellungsvermögen von J5 - 15 % modifiziert ist, im pH-Bereich von 1-8 und im Druckbereich von 5-100 Bar einsetzt.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man bei pH von 5,5 - 7,5 und bei Drucken von 20 - 100 Bar permselektive Membranen mit sauren Gruppen einsetzt, wobei bevorzugt das Citrat bzw. Isocitrat zurückgehalten wird und die anderen Stoffe permeieren.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man bei pH unter 3 und bei Drucken von 5-50 Bar permsalektive Membranen mit sauren Gruppen einsetzt, wobei bevorzugt die Citronensäure bzw. Isocitronensäure permeieren und die anderen Stoffe zurückgehalten werden.
- 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man bei pH unter 3 und bei Drucken von j50 - 100 Bar perrselektive Membranen mit basischen Gruppen einsetzt, wobei bevorzugt die Citronensäure bzw. Isocitronensäure zurückgehalten wird und die anderen Stoffe permeieren.-25 -HO. 102 Hü ,609818/1112- 685 -
- 5· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die citrathaltigen Lösungen mit Polyvinylsuifonsäure auf pH unter J5 einstellt und wie im Anspruch J5 arbeitet.
- 6. Verfahren nach Anspruch 1 - 5* dadurch gekeimzeichnet, daß man permselektive Membranen mit sauren Gruppen mit permselektiven Membranen mit basischen Gruppen'kombiniert.
- 7< Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran aus einem mit sauren oder basischen Gruppen modifizierten Polyko'ndensat aus PoIyimid oder Polyamid besteht.
- 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran aus einem mit sauren Gruppen modifizierten Polysulfon besteht.9· Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran aus mit sauren oder basischen Gruppen modifizierten VinyIcopolymeren besteht.609818/1 1 12
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| DE19742450670 Withdrawn DE2450670A1 (de) | 1974-10-25 | 1974-10-25 | Verfahren zur abtrennung von citrat oder citronensaeure aus fermentationsloesungen |
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