مقاله روشهای نوین استخراج و پالایش اسیدهای آلی از مایع تخمیر

بخشی از مقاله

روشهای نوین استخراج و پالایش اسیدهای آلی از مایع تخمیر

چکیده با توجه به استفاده روز افزون اسیدهای آلی در نگهدارندگی و طعم دهندگی مواد غذایی، صـنایع آرایشـی و دارویـی ، فـراوری چـرم، تولیـد مـواد

شیمیایی تولید اسیدهای آلی توسط سویههای میکروبی از منابع کربوهیدراتی ارزان قیمت نظیر بقایـای نیشـکر، چغنـدر قنـد، گلـوکز، آب پنیـر حـاوی لاکتوز، مالتوز و دکستروز حاصل از هیدرولیز نشاسته مورد توجه ویژهای قرار گرفته است. تولید اسیدهای آلی به دو روش شـیمیایی و تخمیـری صـورت می گیرد. در روش شیمیاییمعمولاً مخلوط راسمیک D) و(L اسید آلی و در فرایند تخمیر فقط یک نوع ایزومر فضایی از اسید آلـی تولیـد مـی شـود. درجه خلوص اسیدهای آلی تولید شده به روش تخمیری به مراتب بیشتر از روش شیمیایی بوده که مجموعه ایـن عوامـل منجـر بـه کـاربرد ویـژه روش تخمیری به منظور تولید انواع اسیدهای آلی گردیده است. جداسازی و پالایش اسید های آلی از مایع تخمیر حاوی ترکیبات قندی باقیمانده، رنگ، تـوده سلولی میکروبی و سایر ترکیبات موجود در آن همیشه یکی از مهمترین دغدغههای مهم در استفاده صنعتی از فرایندهای تخمیری بوده است. مهمتـرین پارامترهای انتخاب روش جداسازی اسید آلی کارایی و راندمان روش جداسازی، سرعت جداسازی و سازگار بودن آن با قوانین زیست محیطـی مـیباشـد. در این مقاله با توجه به یافتههای جدید در دهه اخیر کارامدترین روشهای پالایش اسیدهای آلی به عنوان فرایندهای پایین دسـتی مـایع تخمیـر نظیـر استخراج فعال، جذب سطحی، الکترودیالیز، استریفیکاسیون و تقطیر فعال، رسوب گذاری- فیلتراسیون- شسشوی نمک اسـید آلـی، اسـتخراج غشـایی و افزودن دیاکسیدگوگرد از لحاظ محاسن، معایب، راندمان استخراج، بهینهسازی روشهای استخراج و تعیـین بهتـرین روش از مـابین روشهـای معرفـی شده مورد بررسی قرار گرفته است.

واژه های کلیدی: استخراج فعال، اسید آلی، مایع تخمیر

مقدمه

نیشکر، چغندر قند، گلوکز، آب پنیر حاوی لاکتوز، مالتوز، دکستروز حاصل از هیدرولیز نشاسته مهمترین منابع کربوهیدراتی به منظور تولید انواع اسیدهای آلی میباشند که ملاس و آبپنیر ارزانترین این منابع محسوب میشوند. قندهای ساده نظیر دکستروز و گلوکز خالصترین منابع کربوهیدراتی بوده ولی به دلیل هزینه زیاد کمتر مورد استفاده قرار میگیرد. بازیافت اسیدهای کربوکسیلیک از مایع تخمیر به علت پیچیدگی طبیعی مایع تخمیر و حضور ترکیبات قندی باقیمانده، رنگ، توده سلولی میکروبی و سایر ترکیبات موجود در آن هنوز با مشکلاتی مواجه میباشد. مهمترین معیارهای انتخاب روش جداسازی اسید آلی کارایی و راندمان روش جداسازی، سرعت جداسازی و سازگاربودن آن با قوانین زیست محیطی میباشد. در روشهای سنتی پالایش، عدم کنترل pH، منجر به افت pH در حین فرایند تخمیر و یونیزاسیون اسید آلی مورد نظر شده و راندمان استخراج و بازیافت آنها کاهش مییابد. تولید نمکهای جانبی و آلوده کننده محیط زیست و مصرف زیاد مواد شیمیایی مضر برای سلامتی در حین عملیات پالایش از دیگر معایب روشهای سنتی بازیافت میباشد لذا بهینهسازی روشهای استخراج سنتی و استفاده از روشهای نوین استخراج و پالایش اسیدهای آلی به عنوان فرایندهای پایین دستی(Down stream) 1 مایع تخمیربا راندمان بالا و حداقل افت اسیدهای آلی اخیراً مورد توجه محققین علم بیوتکنولوژی قرار گرفته است. در این مقاله به بررسی روشهای نوین بازیافت اسیدهای آلی از مایع تخمیر نظیر استخراج فعال2، جذب سطحی3، الکترودیالیز، استریفیکاسیون و تقطیر فعال4، رسوب گذاری- فیلتراسیون- شسشوی نمک اسید آلی، استخراج غشایی5 و افزودن دیاکسیدگوگرد پرداخته شده است. انواع فرایندهای پایین دستی به منظور استخراج و پالایش اسیدهای آلی از مایع تخمیر -1 استخراج فعال

سه پارامتر مهم در روش استخراج فعال شامل طبیعت و نوع اسید آلی مورد استخراج، غلظت استخراج کننده6 و نوع رقیقکننده میباشد. ماده استخراجکننده در یک فاز آلی رقیق شده (Diluent) و با اسید آلی حل شده در فاز مایع واکنش داده و بعد از آن طی مرحله جداسازی فاز آلی7 اسید آلی از فاز آلی بازیابی میگردد.

Extractant+Diluent (organic phase) + Organic acid in fermentation broth  organic acid+aqueous phase

1

حلالیت ناچیز ماده استخراج کننده در آب، دارا بودن بیشترین ضریب حلالیت ماده استخراج کننده برای اسید آلی و کمترین ضریب حلالیت آن برای سایر ناخالصیهای مایع تخمیر مانند ترکیبات قندی باقیمانده، رنگ و سایر اسید های آلی از مهمترین ویژگیهای ماده استخراج کننده است. آمینهای آلیفاتیک بلند زنجیرمانند آلامین (نوعی آمین چرب با وزن مولکولی بالا) موثرترین ماده استخراج کننده برای تفکیک اسیدهای کربوکسیلیک از فاز آبی هستند. آمینهای آلیفاتیک میبایست در یک رقیق کننده آلی (حلال آلی) نظیر متیل ایزوبوتیل کتون، الکل، کلروفرم...حل شود. علاوه بر آمینهای بلند زنجیر بازهای آلی نیز میتواند به عنوان ماده استخراج کننده اسیدهای کربوکسیلیک استفاده شود. به منظور کنترل ویسکوزیته، تنظیم غلظت و دانسیته ماده استخراج کننده از رقیق کننده استفاده میشود. رقیق کنندهها به دو گروه قطبی و غیر قطبی طبقه بندی می شوند. قابلیت استخراج توسط آمینهای نوع سوم در محیط قطبی با افزایش طول زنجیره آمین، افزایش یافته و از گروه رقیق کننده های قطبی -1 بوتانول، ا-هگزانول و ا- اکتانول را می توان را نام برد. قابلیت استخراج توسط آمینهای نوع سوم در محیط غیر قطبی با افزایش طول زنجیره آمین کاهش مییابد. بنابراین رقیق کنندههای قطبی برای استخراج اسیدهای آلی مناسبتر هستند و از گروه رقیق کنندههای غیرقطبی می توان به -n پنتان و -n هگزان اشاره نمود. فاکتورهای موثر در انتخاب ماده رقیقکننده عبارتند از:

-1 ضریب توزیع:1 ضریب توزیع در مرحله استخراج و در دمای اتاق می بایست از 1 بیشتر باشد و در مرحله جداسازی فاز آلی 2باید کمتر از 1 باشد. -2 سمیت:3 سمیت رقیق کننده و ماده استخراج کننده برای میکروب در حین تخمیر مشکل بحرانی محسوب شده و این سمیت از تثبیت سلولها در محیط فرمانتور ممانعت میکند. رقیق کنندههای با قطبیت بیشتر و وزن مولکولی بالا از سمیت کمتری برخوردار هستند. Yanbannavar و همکاران (2000) گزارش کردند که افزودن روغن لوبیا سویا در حفاظت سلولهای میکروبی تثبیت شده در مقابل اثرات سمی ماده استخراج کننده و رقیق کننده بسیار موثر است. Tik و همکاران (2002) بیشینه غلظت بازیافت اسید لاکتیک (%85) را از مایع تخمیر حاوی %15 ماده استخراج کننده (آلامین)، رقیق کننده (اتیل الکل) و %15 روغن آفتابگردان استفاده شده برای تثبیت سلولهای میکروبی بدست آوردند.

-3 ویسکوزیته و دانسیته: ویسکوزیته و دانسیته پایین باعث سهولت عملیات تفکیک دو فاز آلی و آبی از همدیگر شده که هیدروکربنهای پارافین این حالت را به خوبی ایجاد می کنند.
-4 پایداری:4 از لحاظ پایداری در محیط تخمیر هیدرو کربن های پارافین پایدارتر از الکل و هیدروکربن های هالووژنه هستند.

از محاسن این روش سهولت بازیابی اسید آلی، ممانعت از افت pH مایع تخمیر و امکان برگشت دادن ماده استخراج کننده و ماده رقیق کننده به فرمانتور به شرط عدم سمیت و مضر نبودن آنها برای حیات میکروارگانیسم میباشد عملیات استخراج مجدد5

در روش استخراج فعال به منظور تفکیک و شکستن کمپلکس آمین- اسیدهای آلی نمیتوان از سانتریفیوژهای دور بالا استفاده کرد. این فاز امولسیونی یک محدودیت عمده در روش استخراج فعال محسوب میگردد و برای تفکیک این فاز امولسیونی می بایست یک ترکیب اصلاح کننده با قابلیت انحلال زیاد در کمپلکس آمین- اسیدهای آلی نظیر هیدروکسید سدیم، اسید کلریدریک و تریمتیلآمین به ماده استخراج کننده اضافه گردد. (2000) Yabannavar and Wang گزارش کردند که از محیط حاوی آلامین 336، اولئیل الکل و اسید لاکتیک در حضور محلول هیدروکسید سدیم (1:10 v/v) به عنوان اصلاح کننده می توان با راندمان بیشتر از%90 اسید لاکتیک را از کمپلکس آلامین- لاکتیک اسید جداسازی و استخراج نمود. البته طی این فرایند رسوب لاکتات سدیم ایجاد شده که با افزودن یک اسید قویتر نظیر اسید سولفوریک این رسوبات حل شده و اسید لاکتیک خالص به همراه مقداری نمک سولفات کلسیم به عنوان یک محصول جانبی6 نامطلوب که آلاینده محیط زیست میباشد ،تولید میشود. راندمان استخراج اسید لاکتیک با سود 0/1 نرمال بیشتر از %90 بوده در حالیکه این راندمان برای استخراج با آب%55 است. اسید کلریدریک نیز به عنوان اصلاحکننده میتواند جایگزین اسید آلی در کمپلکس آمین- اسید آلی شده و اسید آلی را آزاد کند و حسن این روش عدم تولید نمک و محصول جانبی است. آمین حاصله از استخراج برگشتی7 دوباره به فاز آبی تخمیر برگشت داده میشود. راندمان استخراج دراین روش %83 و امولسیون ایجاد شده طی عملیات استخراج مجدد خیلی پایدار میباشد. عیب دیگر این روش خورنده بودن اسید کلریدریک بوده که نیاز به تجهیزات و لولههای خاصی از جنس شیشه در این روش میباشد. علاوه بر دو روش فوقالذکر اسیدهای آلی استخراج شده از فاز آلی می توانند طی فرایند استخراج برگشتی توسط یک ترکیب آمینه فرار قویتر مثل تری متیل آمین (TMA) از کمپلکس آمین- اسید آلی جدا شوند. حسن این روش عدم استفاده از مواد شیمیایی و عدم تولید نمک به عنوان محصول جانبی میباشد. اسید آلی به عنوان محصول اصلی جداسازی شده و بخارات باز آلی یا آمین پس از عملیات تقطیر به فرمانتور برگشت داده میشود. ممکن است مقادیری تری متیل آمین همراه آمین باقی بماند و به فرمانتور برگشت داده شود که روی فعالیت بیولوژیکی آنزیم تاثیر

2

نامطلوب دارد. معروفترین باز آلی محلول در آب بخارات آمونیاک است. عیب استفاده از محلول آمونیاک، آمینهای نوع اول و دوم، تشکیل آمید طی استخراج برگشتی اسیدهای کربوکسیلیک بوده که بازیافت و برگشت آمین را با مشکل مواجه میسازد.

-2روش جذب سطحی پارامترهای مهم در انتخاب مواد جاذب توانایی جذب زیاد اسید آلی، ضریب انتخابی زیاد برای جذب اسید آلی مورد نظر در محیط آب و

سوبسترا، قابلیت بازیافت اسید آلی از ماده جاذب، سازگاری بیولوژیکی ماده جاذب با میکروارگانیسم داخل فرمانتور میباشدمعمولاً. بیشتر فرایندهای تخمیری به منظور تولید اسیدهای کربوکسیلیک در pH بالاتر از pka آن اسیدآلی انجام میشود. بنابراین در بازیافت اسیدهای کربوکسیلیک حتماً از مواد استخراجکننده بازی به منظور نگهداشتن pH چندین واحد بالاتر از pka اسید مورد نظر استفاده میشود. Tung و همکاران (1999) استخراج و جذب اسید لاکتیک و اسید سوکسینیک را در فرمانتور بستر شناور با تثبیت لاکتوباسیلوس دلبروکی و استفاده از بازهای آلی مختلف و انواع مواد جاذب مورد بررسی قرار داد و نتایج حاصله عبارت بود از:

-1 جذب اسیدهای کربوکسیلیک به ماده جاذب پلیمری در دامنه 6 -5 pH کاملا وابسته به قدرت بازی ماده استخراجکننده میباشد.

-2 ماده جاذب باید حداکثر ضریب انتخابی را بین محصول (اسید کربوکسیلیک) و قندهای سوبسترا داشته باشد. هرچه قندهای سوبسترا بیشتر توسط ماده جاذب، جذب شوند، میزان انتخابی بودن واکنش کمتر شده و کارایی ماده جاذب و بازیافت اسید کربوکسیلیک نیز کاهش می یابد. در این فرمانتور گلوکز بیشترین قابلیت جذب به ماده جاذب را دارد.

-3 از روش تبادل یون به منظور تفکیک بیولوژیکی اسید لاکتیک و اسید سوکسینیک با کارایی و خلوص زیاد میتوان استفاده نمود.

-4 بهترین مواد جاذب در بازیافت اسیدهای کربوکسیلیک کربن فعال، رزین Poly vinyl pyridine ، Amberlit 420 وAmberlit 400 میباشد که کربن فعال در جذب اسیدهای آلی موثرتر بوده و با افزودن اسید کلریدریک و افت pH این قدرت جذب بیشتر نیز خواهد شد. البته گلوکز و سلولهای میکروبی نیز ممکن است جذب کربن فعال شده که جذب هر دو میتواند تاثیر منفی روی میزان جذب اسید آلی داشته باشد.

توسط Kulprathipanja و همکاران (2000) بازیافت اسید لاکتیک از مایع تخمیر با استفاده از یک ژل مشبک نامحلول در آب یا رزین anion-exchange با گروههای عملگر آمین نوع سوم و آمین نوع چهارم انجام شد. رزینها به فرم سولفاته بوده و گروههای عملگر هم با پیوندهای عرضی به ماتریکس رزین استر متصل شده است. مکانیسم جذب یون لاکتات روی این رزین مطابق شکل زیر می باشد. در رزین های-anion exchange جفت الکترون تنها مربوط به اتم نیتروژن قادر است اتم نیتروژن را بصورت هیدروژن باند به یون سولفات متصل کند. رزین با این گروههای عملگر خاصیت بازی نسبتا قوی خواهد داشت و قادر به جذب یونهای اسید لاکتیک از کمپلکس اسید آلی- باز میباشد و بدین ترتیب اسید لاکتیک از سایر نمکهای غیر آلی موجود در مایع تخمیر تفکیک میگردد. شکل 1 ساختار رزین Amberlit 400 را نشان میدهد که از قابلیت بازیافت 0/2گرم اسید لاکتیک به ازاء هرگرم رزین برخوردار است. از جمله معایب روش جذب سطحی ضرورت انجام مراحل مقدماتی شامل حذف کامل سلول-های باکتریایی با فرایند فیلتراسیون یا سانتریفیوژ قبل از شروع عملیات بازیافت توسط رزین میباشد زیرا وجود این ناخالصیها راندمان و کارایی رزین را برای جذب اسیدهای آلی کاهش میدهد کهمتعاقباًانجام این عملیات مستلزم صرف انرژی و هزینه میباشد. از محاسن ای روش سادگی تجهیزات اعم از ستون، رزین anion-exchange و پمپ پریستالیک بوده علاوه بر این مواد شیمیایی واکنشگر مصرفی در این روش دارای درجه تجاری بوده و استفاده از مواد شیمیایی با خلوص بالاتر ضرورتی ندارد.

شکل-1 ساختار رزین Amberlit 400 با گروههای عملگر سولفات

-3 روش الکترودیالیز سیستم الکترودیالیز متشکل از دو الکترد آند و کاتد متصل به یک منبع برق مستقیم بوده و مجموعهای از غشاءها در آن جای میگیرد . در

این سیستم دو نوع غشاء کاتیونی و آنیونی وجود دارد که بهصورت متناوب در کنار یکدیگر قرار گرفته و با ایجاد کانالهایی منجر به جریان یافتن آب در فواصل بین غشاها میشوند. ضخامت غشاها در حدود 0/5 میلیمتر بوده که به وسیله فضاهای متخلخلی (کانالها) با عرض حدود 1 میلیمتر از همدیگر جدا شدهاند. غشاءهای کاتیونی اجازه عبور یونهای مثبت آب (کاتیونها) را داده و از عبور یونهای منفی (آنیونها) جلوگیری میکنند. عکس این عمل در مورد غشاءهای آنیونی روی میدهد. از مجموع یک غشاء آنیونی و یک غشاء کاتیونی یک سل الکترولیز ایجاد میشود. در اثر برقراری جریان الکتریسیته بین آند و کاتد، اختلاف ولتاژی پدید میآید که این اختلاف ولتاژ باعث می شود کاتیونها به سمت کاتد (قطب منفی) و آنیونها به سمت آند (قطب مثبت) حرکت نمایند. با توجه به آنچه گفته شد و بر اساس خاصیت انتخابی غشاها در سیستم الکترودیالیز از یونهای

3