Phương pháp tách 2,3-BD tiết kiệm chi phí: những hiểu biết từ sự chưng cất hỗ trợ bằng chiết xuất hai pha lỏng

Pramod M. Gawal1,2
1Department of Chemical Engineering, Indian Institute of Technology Guwahati, Guwahati, India
2The Energy and Resources Institute, New Delhi, India

Tóm tắt

2,3-Butanediol (2,3-BD), được biết đến với nhiều ứng dụng và khả năng sản xuất từ vi sinh vật, đang đối mặt với thách thức về khả năng thương mại do tính chất tiêu tốn năng lượng cao của phương pháp tinh chế truyền thống. Nghiên cứu này tập trung vào việc thu hồi và tinh chế 2,3-BD từ dịch lên men (FB) dựa trên glucose bằng cách sử dụng phương pháp chưng cất hỗ trợ chiết xuất hai pha lỏng (HATPED). Hệ thống butanol/NaCl được chọn đã được tối ưu hóa với ảnh hưởng của các tham số như muối, dung môi và nhiệt độ chiết xuất đến hiệu suất chiết xuất 2,3-BD thông qua thiết kế composite trung tâm (CCD) và phương pháp mặt phản ứng (RSM). Dưới các điều kiện tối ưu (35% (v/v) butanol, 30% (w/v) NaCl, và nhiệt độ chiết xuất 40 °C) cho ra hệ số phân chia cao nhất (KD) (5.9) và hiệu suất chiết xuất (85.5%) của 2,3-BD vượt qua giá trị lý thuyết 85.1%, với mức chênh lệch 0.7678%. Giai đoạn chiết xuất tiếp tục được thực hiện trong một cột chưng cất để thu hồi 2,3-BD. Trong nghiên cứu quy mô lớn, quá trình chiết xuất và tinh chế được thực hiện qua hai chu kỳ, dẫn đến tổng tỷ lệ chiết xuất và thu hồi 2,3-BD lần lượt đạt 97.08% và 96.82% (> 99% độ tinh khiết). Thêm vào đó, độ hồi phục NaCl từ pha nước đạt 83.33% thông qua quá trình bay hơi. Phương pháp tiết kiệm chi phí và có thể mở rộng này cung cấp những hiểu biết quý giá cho việc phát triển quá trình chưng cất hỗ trợ ATPS bằng dung môi hữu cơ/muối vô cơ để tách và thu hồi 2,3-BD từ dịch lên men phức tạp.

Từ khóa

#2 #3-Butanediol #chiết xuất hai pha #chưng cất hỗ trợ #tối ưu hóa #quy mô lớn

Tài liệu tham khảo

Gawal PM, Golder AK (2024) Vegetal route for synthesis of CQDs/CdS nanocomposites for photocatalytic reduction of CO2 to methanol under visible light. Colloids Surf A Physicochem Eng Asp 683:133068. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2023.133068

Chaudhari SM, Gawal PM, Sane PK et al (2018) Solar light-assisted photocatalytic degradation of methylene blue with Mo/TiO2: a comparison with Cr- and Ni-doped TiO2. Res Chem Intermed 44:3115–3134. https://doi.org/10.1007/s11164-018-3296-1

Harvianto GR, Haider J, Hong J et al (2018) Purification of 2,3-butanediol from fermentation broth: process development and techno-economic analysis. Biotechnol Biofuels 11:1–16. https://doi.org/10.1186/s13068-018-1013-3

Hermann BG, Patel M (2007) Today’s and tomorrow’s bio-based bulk chemicals from white biotechnology: a techno-economic analysis. Appl Biochem Biotechnol 136:361–388. https://doi.org/10.1007/s12010-007-9031-9

Paul Alphy M, Hakkim Hazeena S, Binoop M et al (2022) Synthesis of C2–C4 diols from bioresources: pathways and metabolic intervention strategies. Bioresour Technol 346:126410. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.126410

Xie S, Li Z, Zhu G et al (2022) Cleaner production and downstream processing of bio-based 2,3-butanediol: a review. J Clean Prod 343:131033. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.131033

Xiu ZL, Zeng AP (2008) Present state and perspective of downstream processing of biologically produced 1,3-propanediol and 2,3-butanediol. Appl Microbiol Biotechnol 78:917–926. https://doi.org/10.1007/s00253-008-1387-4

Ripoll V, Ladero M, Santos VE (2021) Kinetic modelling of 2,3-butanediol production by Raoultella terrigena CECT 4519 resting cells: effect of fluid dynamics conditions and initial glycerol concentration. Biochem Eng J 176:108185. https://doi.org/10.1016/j.bej.2021.108185

Gawal PM, Subudhi S (2023) Advances and challenges in bio-based 2,3-BD downstream purification: a comprehensive review. Bioresour Technol Reports 24:101638. https://doi.org/10.1016/j.biteb.2023.101638

Li L, Li K, Wang Y et al (2015) Metabolic engineering of Enterobacter cloacae for high-yield production of enantiopure (2R,3R)-2,3-butanediol from lignocellulose-derived sugars. Metab Eng 28:19–27. https://doi.org/10.1016/j.ymben.2014.11.010

Gawal PM, Mudgil D, Subudhi S (2023) Hybrid extraction distillation for downstream purification of 2, 3-butanediol, and ethanol from fermentation broth. Bioresour Technol Reports 24:101649. https://doi.org/10.1016/j.biteb.2023.101649

Wheat JA, Leslie JD, Tomkins RV et al (1948) Production and properties of 2,3-butanediol: XXVIII. pilot plant recovery of levo 2,3-butanediol from whole wheat mashes fermented by aerobacillus polymyxa. Can J Res 26f:469–496. https://doi.org/10.1139/cjr48f-047

Li Y, Zhu J, Wu Y, Liu J (2013) Reactive-extraction of 2,3-butanediol from fermentation broth by propionaldehyde: equilibrium and kinetic study. Korean J Chem Eng 30:73–81. https://doi.org/10.1007/s11814-012-0145-6

Haider J, Qyyum MA, Minh LQ, Lee M (2020) Purification step enhancement of the 2,3-butanediol production process through minimization of high pressure steam consumption. Chem Eng Res Des 153:697–708. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2019.11.005

Shao P, Kumar A (2011) Process energy efficiency in pervaporative and vacuum membrane distillation separation of 2,3-butanediol. Can J Chem Eng 89:1255–1265. https://doi.org/10.1002/cjce.20468

Xie S, Zhang Y, Zhou Y et al (2017) Salting-out of bio-based 2,3-butanediol from aqueous solutions. J Chem Technol Biotechnol 92:122–132. https://doi.org/10.1002/jctb.4999

Gawal PM (2023) Downstream purification of 2, 3-butanediol from fermentation broth using a 1-butanol/Nacl system. Indian J Nat Sci 14:62925–62932

Wu YY, Zhu JW, Chen K et al (2008) Liquid-liquid equilibria of water + 2,3-butanediol + 1-butanol at T = 298.15 K, T = 308.15 K and T = 318.15 K. Fluid Phase Equilib 265:1–6. https://doi.org/10.1016/j.fluid.2007.12.003

Haider J, Harvianto GR, Qyyum MA, Lee M (2018) Cost- and energy-efficient butanol-based extraction-assisted distillation designs for purification of 2,3-butanediol for use as a drop-in fuel. ACS Sustain Chem Eng 6:14901–14910. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.8b03414

Narisetty V, Amraoui Y, Abdullah A et al (2021) High yield recovery of 2,3-butanediol from fermented broth accumulated on xylose rich sugarcane bagasse hydrolysate using aqueous two-phase extraction system. Bioresour Technol 337:125463. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.125463

Iqbal M, Tao Y, Xie S et al (2016) Aqueous two-phase system (ATPS): an overview and advances in its applications. Biol Proced Online 18:1–18. https://doi.org/10.1186/s12575-016-0048-8

Harvianto GR, Kang KJ, Lee M (2017) Process design and optimization of an acetic acid recovery system in terephthalic acid production via hybrid extraction-distillation using a novel mixed solvent. Ind Eng Chem Res 56:2168–2176. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.6b04586

Nhien LC, Long NVD, Kim S, Lee M (2017) Techno-economic assessment of hybrid extraction and distillation processes for furfural production from lignocellulosic biomass. Biotechnol Biofuels 10:1–12. https://doi.org/10.1186/s13068-017-0767-3

Dai J-Y, Ma L-H, Wang Z-F et al (2017) Sugaring-out extraction of acetoin from fermentation broth by coupling with fermentation. Bioprocess Biosyst Eng 40:423–429. https://doi.org/10.1007/s00449-016-1710-x

Kraemer K, Harwardt A, Bronneberg R, Marquardt W (2011) Separation of butanol from acetone-butanol-ethanol fermentation by a hybrid extraction-distillation process. Comput Chem Eng 35:949–963. https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2011.01.028

Hao J, Xu F, Liu H, Liu D (2006) Downstream processing of 1, 3-propanediol fermentation broth. J Chem Technol Biotechnol Int Res Process Environ Clean Technol 81:102–108

Chen Y, Li K, Chen C, Chien I (2015) Design and control of a hybrid extraction − distillation system for the separation of pyridine and water. Ind Eng Chem Res. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.5b01671

Omwene PI, Yagcioglu M, Ocal Sarihan ZB et al (2020) Recovery of succinic acid from whey fermentation broth by reactive extraction coupled with multistage processes. J Environ Chem Eng 8:104216. https://doi.org/10.1016/j.jece.2020.104216

Amdoun R, Khelifi L, Khelifi-Slaoui M et al (2018) The desirability optimization methodology; a tool to predict two antagonist responses in biotechnological systems: case of biomass growth and hyoscyamine content in elicited Datura starmonium hairy roots. Iran J Biotechnol 16:11–19. https://doi.org/10.21859/ijb.1339

Li L, Hu Q (2017) Response surface optimization of the extraction yield of 2,3-butanediol produced by Klebsiella pneumonia ZH-1. IJCST 5:536–540

Li Z, Teng H, Xiu Z (2010) Aqueous two-phase extraction of 2,3-butanediol from fermentation broths using an ethanol/ammonium sulfate system. Process Biochem 45:731–737. https://doi.org/10.1016/j.procbio.2010.01.011

Jiang B, Li ZG, Dai JY et al (2009) Aqueous two-phase extraction of 2,3-butanediol from fermentation broths using an ethanol/phosphate system. Process Biochem 44:112–117. https://doi.org/10.1016/j.procbio.2008.09.019

Mukwevho PL, Kaseke T, Fawole OA (2023) Optimisation using response surface methodology of quality, nutritional and antioxidant attributes of ‘Wichita’ pecan nuts roasted by microwaves. Processes 11:2503. https://doi.org/10.3390/pr11082503