Status Biotechnologische Herstellung und chemische Konversion von Bernsteinsäure. Folie 1 Fraunhofer UMSICHT

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1 Status Biotechnologische Herstellung und chemische Konversion von Bernsteinsäure Folie 1

2 Projektübersicht Nachwachsender Rohstoff Fermentation Lösungsmittel THF g-butyrolacton Dialkylsuccinate H H Plattform Bernsteinsäure Monomere 1,4-Diaminobutan 1,4-Butandiol Zwischenprodukte Bernsteinsäureanhydrid Bernsteinsäuredinitril Polymere Folie 2

3 AGENDA Biotechnologische Herstellung von Bernsteinsäure ptimierung Substrattests Downstream Chemische Konversion von Bernsteinsäure Bernsteinsäureester 1,4-Butandiol Zusammenfassung Folie 3

4 Biotechnologische Herstellung Der Mikroorganismus Anaerobiospirillum succiniciproducens Anaerob, Gram-Negativ, bipolar polytriche Begeißelung (Davis et al. 1976) Hauptprodukte: Bernsteinsäure und Essigsäure Nebenprodukte: Milchsäure und Ameisensäure Substrat : Glucose, Lactose, Sucrose, Fructose, Maltose, Raffinose, Stärke, Glycerin Folie 4

5 ptimierung im Batch-Prozess Medienzusammensetzung Literatur optimiert 10 g/l Glucose 10 g/l Fleischpepton 5 g/l Hefeextrakt 5 g/l (NH 4 ) 2 S 4 3 g/l K 2 HP 4 0,2 g/l CaCl 2 *2H 2 0,2 g/l MgCl 2 *6H 2 1 g/l NaCl 1 g/l Na 2 C 3 H 2 S 4 zur ph- Einstellung 10 g/l Glucose 15 g/l Hefeextrakt 3 g/l K 2 HP 4 0,2 g/l CaCl 2 *2H 2 0,2 g/l MgCl 2 *6H 2 NaH zur ph- Einstellung 5M NaH [ml] ~ Bernsteinsäure Bildung Start (Medium Literatur) opt. Parameter (Medium Literatur) opt. Parameter (Medien opt.) Zeit [h] Bei Verwendung optimierter Parameter und des optimierten Mediums ist die Raum-Zeit Ausbeute am größten und die LAG-Phase sehr gering. Folie 5

6 ptimierung Fed-Batch-Prozesse A) absatzweise Zugabe des Substrates B)+C) kontinuierliche Zugabe des Substrates Konzentration Substrat: 300 g/l Glucose Bernsteinsäure [g/l] Absatzweiser Feed (Lit. Medium) Konti Feed (Lit. Medium) Konti Feed (pt. Medium) Ausbeute [%] Batch Std Konti Std Konti pt Prozesszeit [h] Bei Verwendung des optimierten Mediums und einem kontinuierlichen Feed ist die Raum-Zeit Ausbeute bei gleichzeitiger hoher Gesamtausbeute am größten Folie 6

7 Substrattests Glycerin (5 g/l) Tests im Batch-Verfahren g/l Glycerin + 2,5 g/l Glucose (2:1) 5 g/l Glycerin + 1,67 g/l Glucose (3:1) 5 g/l Glycerin + 1,25 g/l Glucose (4:1) 5 g/l Glycerin Restglycerin [%] 2:1 3:1 4:1 Glycerin 5M NaH [ml] Prozesszeit [h] Bei Verwendung eines 2:1 Gemisches aus Glycerin / Glucose ist die Raum-Zeit Ausbeute am größten und der Restgehalt an Glycerin am geringsten Folie 7

8 Substrattests Glycerin Tests im Fedbatch-Verfahren 32 Glycerin:Glucose (3:1) Glucose Std. 28 3:1 Gemisch wird aus Kostengründen verwendet Bernsteinsäure [g/l] Ausbeute [%] Gly:Glu Glu Prozesszeit [h] Bei Verwendung eines 3:1 Gemisches aus Glycerin / Glucose ist die Raum-Zeit Ausbeute etwas geringer aber die Ausbeute an Bernsteinsäure am größten. Folie 8

9 Substrattests Weiter getestete Substrate: Stärke Stärkehydrolysat ª Molke Melassen ª Glycerine (Biodiesel) ª (Verkleisterung) (Prozessdauer) Folie 9

10 Zusammenfassung und Ausblick Fermentation Substrate wurden erfolgreich getestet. Feed Strategie wurde optimiert Medienoptimierung (Kostenersparnis) wurde durchgeführt Upscaling von 300 ml auf 2 und 5 Liter Fed-Batch Prozess in 2 und 5 Liter Folie 10

11 Integriertes Downstream Verfahren Bernsteinsäureproduktion wird nach einer bestimmten Zeit eingestellt Grund: osmotischer Druck durch zu hohe Konzentration an Succinat und Acetat Lösung: Abtrennung der BS (Säuren) während der Fermentation Folie 11

12 Downstream Charakterisierung Cross-Flow-Anlage und Auswahl Filtrationsmodul Plattenmodul Hohlfasermodul Auswahl Extraktionsmittel Reaktivextraktion Ionenaustauscher Kopplung Fermentation mit Cross-Flow und Bernsteinsäureabtrennung Folie 12

13 Downstream Ionenaustauscher Getestete Ionenaustauscher: Purolite A510, A860, A500, A850, A600; Jacobi Resinex A4 ph 6,5 bis zu 37 % der aufgetragenen Masse Elution Kristallisation der BS in der Säule Gradient HCl von 0,5 -> 5 M in 0,5 Schritten Fermentationslösung geringere Bindungskapazität (15 % der aufgetragenen Masse) Säulenriss durch ausgasendes C2 Folie 13

14 Downstream Reaktivextraktion unterschiedliche Löslichkeit einer Substanz in zwei nicht miteinander mischbaren Lösungsmitteln Zugabe einer reaktiven Komponente zum Lösungsmittel erhöht das Extraktionsvermögen beladene org. Phase Fermentationslösung Extraktion regenerierte org. Phase Rückextraktion Bernsteinsäure Rohprodukt Folie 14

15 Downstream Reaktivkomponente: tert. Amine (Trioctylamin) N 3 Trioctylamin (TA) Reaktion an der Phasengrenze zwischen protonierten Amin und Succinatanion zum Ammoniumsalz (Ionenpaarbildung): 1. Protonierung: R 3 N org + H + aq R 3 NH + org 2. Ionenpaarbildung R 3 NH + org + HB- aq R 3 NH + BH - org Reaktivkomponente: quart. Ammoniumsalz (Aliquat) Cl - + N H 3 Methyltrioctylammoniumchlorid Folie 15

16 Downstream Screeningversuche 100 extrahierte Menge BS [%] 80 Verschiedene Lösungsmittel/Amin- Kombinationen Unterschiedliche ph-werte ctanol/TA ph 2,4 1-ctanol/TA ph 6,5 Sojaöl/Aliquat ph 6,5 Untersuchung der Extraktionszeit Extraktionsmenge BS [%] Extraktionszeit [min] Folie 16

17 Zusammenfassung und Ausblick Downstream Extraktion von Bernsteinsäure mit verschiedenen Reaktivkomponenten möglich ph-wert der Lösung ist aufgrund der Komplexierung von BS ein entscheidender Faktor Das übliche TA / 1-ctanol ist für ein integratives Verfahren nicht einsetzbar bisheriges bevorzugtes Extraktionsmittel: Aliquat in Sojaöl Extraktionszeiten (Hin- und Rückextraktion) sehr kurz Folie 17

18 Chemische Konversion von Bernsteinsäure N N-Methyl succinimid H N H H Bernsteinsäureanhydrid H N Succinimid Tetrahydrofuran Pyrrolidon N g-butyrolacton N-Methylpyrrolidon R R Bernsteinsäureester H 1,4-Butandiol H H 2 N NH 2 1,4-Diaminobutan Folie 18

19 Bernsteinsäureester Einsatz als: Monomer in der Synthese von PA Edukt in der Synthese zu verschiedenen Lösungsmitteln z.b. Tetrahydrofuran, γ-butyrolacton, 1,4-Butandiol Alternative biogene Weichmacher Folie 19

20 Bernsteinsäureester Verwendete Alkohole Ethanol Diethylsuccinat dient als Monomer für die PA44-Synthese biogene Alkohole 1-Decanol 1-Butanol 2-ctanol Die Ester sollen als alternative Weichmacher eingesetzt werden. 2-Ethylhexanol Folie 20

21 1,4-Butandiol katalytische Hydrierung von Diethylsuccinat (bevorzugt Cu-Kats.) Vielfache Nebenreaktionen H H H + H 2 + H2 - H H2 Kat. + 2 H +2 H2 Kat. H H + 3 H2 - H 2 - H 2 H Produktsteuerung durch Anpassung der Reaktionsparameter Folie 21

22 1,4-Butandiol verschiedene Katalysatoren werden getestet Kupfer(I)-oxid (Cu 2 ) und Zinkoxid (Zn) (KataLeuna) Kupfer(II)-oxid (Cu) und Zirkondioxid (Zr 2 ) (KataLeuna) Kupferkatalysator auf Aluminiumoxid und Siliciumdioxid (Johnson Matthey Catalysts) Cu/Zn-Katalysator (Süd-Chemie) Cu/Cr-Katalysator (Süd-Chemie) Folie 22

23 1,4-Butandiol Rohrreaktor Volumen: 40 ml max. p: 200 bar max. T: 650 C Folie 23

24 Zusammenfassung und Ausblick Tests der verschiedenen Bernsteinsäureester als Weichmacher Hydrierungen von Bernsteinsäurederivaten zu 1,4-Butandiol fortsetzen Synthese von Pyrrolidon im Batch-Reaktor Folie 24

25 FRAUNHFER UMSICHT Geschäftsfeld Nachwachsende Rohstoffe Vielen Dank für die Unterstützung Kontakt: Fraunhofer UMSICHT sterfelder Straße berhausen info@umsicht.fraunhofer.de Internet: Foto: photocase.de Dr. Andrea Springer Telefon: andrea.springer@umsicht.fraunhofer.de Folie 25