La bioseparación de 1,3-propanodiol es un proceso bioquímico para la producción de 1,3-propanodiol (PDO). PDO es un compuesto orgánico con muchas aplicaciones comerciales. Convencionalmente, el PDO se produce a partir de productos del petróleo crudo como el propileno o el óxido de etileno . Sin embargo, en los últimos años, empresas como DuPont están invirtiendo en la producción biológica de DOP utilizando materias primas renovables como el maíz . [1] [2]
En mayo de 2004, DuPont y Tate & Lyle anunciaron que iniciarían una empresa conjunta para construir una instalación que produzca polímeros a partir de materias primas renovables en lugar de petroquímicos. [1] En particular, su objetivo era diseñar un sistema de fermentación que convierta el azúcar de maíz en PDO (el propanodiol fabricado de esta manera se denomina en los medios "BioPDO"). Argumentan que el uso de un bioproceso de este tipo es más eficiente energéticamente que los procesos petroquímicos convencionales (conversión de propileno en propanodiol) porque el bioproceso tiene cuatro ventajas sobre el proceso convencional: menor huella ambiental , menores costos operativos, menor inversión de capital y mayor sostenibilidad debido a Uso de materia prima de maíz renovable . [1]
BioPDO se puede producir mediante la fermentación bacteriana de glicerol . [3] Sin embargo, DuPont ha logrado diseñar una cepa de Escherichia coli ( E. coli ), [4] una bacteria común, para permitir la producción a escala industrial de 1,3-propanodiol mediante fermentación de glucosa . Después de que E. coli produce suficiente producto BioPDO, DuPont utiliza un método para separar el BioPDO del caldo celular que sale del biorreactor que consta de cuatro pasos: microfiltración y ultrafiltración , intercambio iónico , evaporación instantánea y destilación . [4]
El primero de los dos pasos de filtración, la microfiltración, se utiliza para eliminar las células del caldo del reactor. Se utilizan filtros cerámicos porque, aunque son caros, pueden durar de cinco a diez años. [4] Se ha descubierto que las altas temperaturas aumentan el flujo de líquido a través de la membrana de microfiltración, por lo que se especifica una temperatura mínima de 165 °F (74 °C). [4] Se utiliza una serie de tres membranas de ultrafiltración para filtrar proteínas con un peso molecular de 5.000 daltons y superior. La presión de alimentación a la membrana de microfiltración es típicamente de 65 psia con una caída de presión transmembrana de 40 psia. [4] La presión de alimentación a cada membrana de ultrafiltración es de 60 psia. [4] Utilizando estas presiones y temperaturas de alimentación, los flujos de líquido transmembrana típicos son 108 LMH (litros por hora por metro cuadrado) para la membrana de microfiltración y 26 LMH para la membrana de ultrafiltración.
El siguiente paso del esquema, el intercambio iónico, elimina las impurezas que hacen que el producto polimérico posterior se vuelva amarillo. [4] Se utilizan cuatro columnas de intercambio iónico en serie para eliminar estas impurezas, y están dispuestas en el siguiente orden: [4]
El primer intercambiador catiónico reemplaza los cationes divalentes en solución por iones de hidrógeno . [4] El primer intercambiador aniónico reemplaza los aniones en solución por iones hidróxido . [4] Los segundos intercambiadores catiónicos y aniónicos reducen aún más los niveles de iones en la solución. Tenga en cuenta que los iones de hidrógeno (H + reaccionan espontáneamente con los iones de hidróxido (OH − ) para formar agua (H 2 O):
Después del paso de intercambio iónico, se produce un exceso de agua a partir de los iones de hidrógeno e hidróxido, lo que puede diluir el producto a una concentración inferior al 10 % en peso. [4] Al enviar la solución diluida a un sistema de evaporación al vacío, el agua saldrá de la solución y se convertirá en vapor a baja presión, dejando una solución de propanodiol con hasta un 80 % de propanodiol en peso. [4] Luego, el vapor de baja presión se comprime a una presión y temperatura más altas y luego se dirige a la carcasa exterior de la unidad de evaporación flash para calentar el sistema. [4]
El paso final del esquema, la destilación, comprende dos columnas de destilación y, opcionalmente, cuatro columnas de destilación. [4] Los tres tipos principales de sustancias químicas en el fluido en esta etapa de la separación son agua, BioPDO e impurezas como glicerol, azúcares y proteínas. De los tres productos químicos, el agua tiene el punto de ebullición más bajo (consulte los artículos sobre agua , 1,3-propanodiol y glicerol para obtener información sobre el punto de ebullición), por lo que se elimina como destilado en la primera columna. Luego, el fondo de la primera columna se envía a una segunda columna, donde el BioPDO se elimina como destilado debido a su punto de ebullición más bajo. [4] Ambas columnas funcionan a baja presión (55 mm Hg en la primera columna; 20 mm Hg en la segunda columna) para reducir los puntos de ebullición del destilado y las corrientes de cola, utilizando así un vapor de menor presión que el de las columnas atmosféricas. [4] En este punto, la corriente de BioPDO tiene una pureza del 99%. [4] Sin embargo, si el BioPDO se va a utilizar para la producción de polímeros, se requiere una mayor pureza. [4] Para lograr una mayor pureza, el destilado de BioPDO de la segunda columna se envía a un reactor de hidrogenación para convertir las impurezas colorantes del polímero restantes en productos químicos no colorantes. [4] El efluente del reactor luego se envía a un segundo conjunto de dos columnas de destilación que funcionan de la misma manera que el primer conjunto de columnas. El destilado BioPDO de la cuarta columna de destilación tiene una pureza del 99,97%, lo que puede cumplir con los estándares de calidad de polímeros y fibras. [5]
Según DuPont, el proceso BioPDO utiliza un 40% menos de energía que los procesos convencionales. [1] [2] DuPont también afirma que el bioproceso reduce las emisiones de gases de efecto invernadero en un 20%, [1] [2] y que la producción de cien millones de libras de BioPDO anualmente "ahorra la energía equivalente a quince millones de galones de gasolina por año". [2] Debido al éxito de DuPont y Tate & Lyle en el desarrollo de un proceso BioPDO renovable, la Sociedad Química Estadounidense otorgó a los equipos de investigación de BioPDO el premio "2007 Heroes of Chemistry ". [2]