Fra antibiotika til biokemikalier og biobrændsel. Her gives en oversigt over den aktuelle status for membranprocesser i fermenteringsindustrien.
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 3, 2013 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder. Se relaterede artikler nederst på siden.
Af PhD, Dipl.Ing., BEng Frank Lipnizki, Alfa Laval
Moderne bioteknologi begyndte med Pasteurs produktion af mælkesyre i 1857 og Flemings opdagelse af penicillin i 1928. Disse milepæle foranledigede den første bølge af bioteknologiske processer, der flyttede produktionen af især antibiotika og aminosyrer fra laboratorierne til industriel målestok. I den anden bølge af bioteknologiske processer blev molekylær teknik brugt til at rekombinere dna.
I slutningen af årtusindet begyndte så den tredje og stadig aktuelle bioteknologiske bølge: her erstattes de kemiske processer, der bruger C2/C3-kemi baseret på olie og gas, med bioteknologiske processer.
De vigtigste egenskaber for membraner i biotekindustrien er:
- Drift ved lav til moderat temperatur, hvilket sikrer varsom produkthåndtering.
- Brug af selektive separeringsmekanismer som f.eks. sigtning, opløsningsdiffusion eller ionbytning.
- De er nemme at installere pga. modulært design.
- De har reduceret energiforbrug sammenlignet med traditionelle inddampere og kondensatorer.
- Integration af synergiprocesser med f.eks. separatorer og inddampere, som samlet giver forbedret drift.
De vigtigste membranprocesser i den bioteknologiske industri er mikrofiltrering (MF), ultrafiltrering (UF), nanofiltrering (NF) og omvendt osmose (RO). Hovedfunktionerne for disse membranprocesser er sammenholdt i tabel 1.
Brug af membranprocesser
Brugen af membranprocesser i produktionen af bulkfermenteringsprodukter har i vid udstrækning været etableret siden 1970’erne og omfatter bulkprodukter som f.eks. aminosyrer, organiske syrer, antibiotika, enzymer og biopolymerer.
For at vise potentialet for membranprocessen i bulkfermenteringsprocessen er produktionen af antibiotika blevet udvalgt som eksempel (figur 1). Den første vigtige anvendelse af membraner inden for produktionen af antibiotika er separering af antibiotika fra fermenteringsmediet vha. MF eller UF. MF-/UF-membraner som afviser biomassen og tillader antibiotika at blive ført ind i permeatet. For at maksimere udbyttet af denne proces kan diafiltreringsvand – vand af høj kvalitet, der fortynder fødestrømmen – tilsættes. Moduler med åbne kanaler er en robust og energieffektiv løsning til håndtering af strømme med middel og høj viskositet med opslæmmede stoffer som f.eks. fermenteringsmediet. Figur 2 viser en installation af disse moduler i fermenteringsindustrien.
Efter dette kan UF-permeatstrømmen opkoncentreres af NF og RO. Det giver koncentrerede antibiotikastrømme i en vandfase, hvilket kan være anvendeligt i forbindelse med direkte genanvendelse som diafiltreringsvand i det tidlige MF-/UF-stadie. I det efterfølgende trin renses antibiotika yderligere ved f.eks. absorption, bundfældning og udvidelse af opløsningsmidler.
Ved at tage absorberingsvejen (figur 1) kan RO bruges efter absorbering som et indledende koncentrationstrin før inddampning. Desuden kan inddamperkondensatet fra trinnet med termisk koncentration behandles med RO for at opnå renset procesvand, som potentielt kan anvendes. Som den sidste mulighed i denne proceslinje kan UF bruges før krystallisering til at fjerne pyrogen og andre urenheder.
Fremtidige bioraffinaderier
Bioraffinaderier er integrerede biotekfaciliteter, der skal sikre fuld udnyttelse af fødematerialet til den samtidige produktion af f.eks. fødevarer, biobrændsel og biokemikalier. Som eksempler kan nævnes den integrerede produktion af biobrændsel og/eller biopolymerer/biokemikalier fra sukker og/eller cellulosebaserede fødematerialer i fabrikker inden for sukker/stivelse eller papirfabrikker. Afhængigt af råmaterialet, f.eks. biomasse fra træ eller stivelse, er det første trin forbehandlingen og konverteringen af råmaterialet til sukker (figur 3). Afhængigt af hvilken type af sukkerdannelsestrin, der er tale om, skal sukkeret poleres, før det behandles yderligere. Tallerkenstak-centrifuger og dekantere kan sammen med MF eller UF sikre en effektiv løsning. Derudover kan UF bruges til at gendanne de enzymer, der bruges til konvertering, så de kan genbruges.
Hvis sukkerkoncentrationerne er meget lave, er det muligt at anvende RO, så der opnås en mere energieffektiv sukkerkoncentration på 25–35ºBrix. Sukkerstrømmen kan derefter konverteres til det ønskede biobrændsel eller biopolymerer/biokemikalier vha. fermentering.
Under fermenteringen kan MF eller UF bruges til at gendanne fermenteringsprodukterne fra fermenteringsanlægget og dermed forhindre, at produktinhibitorer stopper fermenteringen. Konceptet med en membranbioreaktor (MBR) kan enten benyttes ved en metode, hvor der bruges sidestrøm, eller med membraner, der direkte nedsænkes i fermenteringsanlægget. Hvor metoden med sidestrøm er velunderbygget, er metoden med nedsænkning stadig under udvikling. Brug af MF eller UF til denne separation af fermenteringsprodukterne fra fermenteringsmediet medfører, at permeatstrømmen indeholder det ønskede produkt kombineret med sukker. Med NF kan man separere sukkeret fra fermenteringsproduktet, f.eks. bioethanol eller organiske syrer, og derefter genanvende det direkte i fermenteringen eller i trinnet med sukkerkoncentrationen. De fortyndede biobrændstoffer/biokemikalier kan derefter koncentreres ved inddampning eller destillation.
Fremtidsudsigter
Membranprocesserne vil som meget selektive og energieffektive separeringsprocesser fortsat vinde udbredelse. Det gælder både inden for produktionsprocessen af nuværende fermenteringsprodukter og i fremtidige bioraffinaderier. Især er integrerede procesløsninger, der kombinerer membranprocesser med konventionelle separeringsteknologier, områder, hvor der sker en spændende udvikling.
Ordforklaring:
Koncentrat: Væskestrøm, der er afvist af membranen.
Cross-flow-filtrering: Kontinuerlig membranproces, der separerer føden i en permeat- og en koncentratstrøm.
Diafiltrering: Membranbaseret separeringsproces til fjernelse/reducering af små molekylære komponenter fra føden. Det opnås ved at erstatte mængden af permeatet, der fjernes fra føden, med diafiltreringsvand, der tilsættes vandet.
Føden: Væskestrøm, der kommer ind i membranprocessen eller -modulet.
Membran: Semigennemtrængelig barriere, der giver visse komponenter mulighed for at passere, mens andre afvises. Membraner til MF, UF, NF og RO fremstilles typisk i keramiske eller polymermaterialer.
Permeat: Væskestrøm, der passerer gennem membranen.
Lidt historik
Siden Sidney og Sourirajan opfandt membranen med faseinvertering i 1960’erne, er membranfiltreringsteknikker med succes blevet integreret i bioteknologiske produktionsprocesser. Teknologien fandt hurtigt anvendelse i Danmark, og i 1965 begyndte De Danske Sukkerfabrikker A/S (DDS) udviklingen og produktionen af cross-flow-membraner og membranprocesser, der førte til etableringen af DDS Filtration, som nu er Business Centre Membranes hos Alfa Laval.
Tabel 1. De vigtigste membranteknologier inden for bioteknologi.
Figur 1. Udvalgte membranmuligheder inden for produktion af antibiotika.
Figur 2. Installation af Alfa Laval M39-modul til fermenteringsindustrien.
Figur 3. Membranmuligheder i bioraffinaderier til produktion af biokemikalier og biobrændsel.
