Laktaatin ja mannitolin erotus biologisen prosessin effluentista
Raassina, Katariina (2020)
2020
Biotekniikan DI-tutkinto-ohjelma - Degree Programme in Bioengineering, MSc (Tech)
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2020-09-15
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202009076911
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202009076911
Tiivistelmä
Biologisien prosessien effluentit sisältävät useita arvokkaita yhdisteitä, kuten rasvahappoja, alkoholeja ja polysakkarideja. Effluentit sisältävät myös vähemmän arvokkaita sekä arvottomia yhdisteitä, joiden läsnäolo hankaloittavat arvokkaiden yhdisteiden erotusta. Arvokkaita yhdisteitä voidaan hyödyntää useissa eri teollisuuksissa, jolloin niiden talteenotto on kannattavaa ja effluentit voidaan hyödyntämään paremmin. Ongelmana tuotteiden erottamisessa ei yleensä ole teknologian saatavuus, vaan oikean teknologian valinta kyseiselle tuotteelle ja effluentille. Työn tarkoituksena oli tutkia laktaatin ja mannitolin erottamista biologisen prosessin effluentista ja löytää erotusmenetelmät, joilla maitohappo ja mannitoli saataisiin erotettua effluentista mahdollisimman tehokkaasti ja puhtaasti.
Kirjallisuusselvityksen perusteella maitohappo voidaan erottaa effluentista tislauksen, reaktiivinen tislauksen ja adsorption avulla. Mannitolin erotukseen soveltuu kylmäkuivaus sekä haihdutus yhdistettynä jäähdytykseen. Valittuja tekniikoita testattiin kokeellisesti ensiksi synteettisesti valmistetulla effluentilla, jossa oli maitohappoa 60 g/L, mannitolia 16 g/L, etikkahappoa 7 g/L ja glukoosia 5 g/L. Tämän jälkeen maitohappo erotettiin adsorptiolla biologisen prosessin varsinaisesta effluentista, joka sisälsi 54 g/L laktaattia, 4 g/L mannitolia ja 3 g/L asetaattia.
Tislaus ja reaktiivinen tislaus sopivat paremmin etikkahapon erotukseen kuin maitohapon, koska etikkahaposta jopa 96 % saatiin erotettua effluentista, mutta maitohaposta vain 2 %. Tämän lisäksi maitohappo ja sokerit jäivät tislauskolviin viskoosina liuoksena, jolloin niiden erottaminen toisistaan ei ole enää mahdollista. Tämän takia tislaus ei soveltunut tutkituille effluenteille.
Adsorptiolla ioninvaihtohartseja käyttäen pystyttiin erottamaan maitohappo effluentista. IRA-67:llä maitohapon alkuperäisestä 60 g/L:sta saatiin parhaimmillaan adsorboitua 16 % pH:ssa 4,0 ja IRA-400:lla pH:ssa 5,5, 15 %. Synteettisen effluentin puhtaus vaikutti adsorptioon, sillä puhtaista hapoista valmistettua effluenttia, adsorptio pH:ssa 1,8 oli 46 %. Kun taas effluentin hapot olivat natriumin suolojen muodossa ja sen pH oli säädetty 1,8:aan, adsorptio laski 8 %:iin. Useamman adsorption vaikutusta tutkittiin yhdistämällä neljä adsorptiota peräkkäin. Tällöin IRA-67:n adsorboi 94 % maitohaposta ja IRA-400:aa 23 % hartsin optimiolosuhteissa.
Adsorboituneen maitohapon desorptiota hartsista tutkittiin IRA-67:llä ja IRA-400:lla. IRA-67:llä desorptiossa käytettiin NaOH:ta ja parhaimmillaan 17 % effluentin maitohaposta saatiin desorboitua (2,5 M NaOH). IRA-400:lle desorptio toteutettiin H2SO4:llä ja parhaimmillaan 9 % effluentin maitohaposta desorbtoitui rikkihapon konsentraation ollessa 1 M.
Kylmäkuivauksella saatiin 42 % ja haihdutuksella 46 % mannitolista kiteytettyä. Haihtumiskokeissa huomattiin, että mannitolikiteillä ei ollut vaikutusta mannitolin kiteytymismäärään ja negatiivinen vaikutus mannitolin kiteytymisnopeuteen.
Varsinaisesta effluentista poistettiin kiintoaine, jotta se ei häiritsisi adsorptiota. Sentrifugoimalla saatiin poistettu 94 % kiintoaineesta. Effluentin pH oli 4,7 ja siinä ei havaittu mannitolia. IRA-400 adsorboi 12 % maitohaposta. Kahdeksan peräkkäisen adsorption aikana 57 % maitohaposta adsorboitui. Varsinaisen effluentin desorptioon (1 M H2SO4) valittiin kolme hartsia jatkuvasta adsorptiosta. Suurin desorptio oli ensimmäisessä adsorptiossa, jossa adsorboituneesta maitohaposta desorboitui 45 %. Maitohapon desorptio aleni myöhemmissä adsorptioissa ja kokeen aikana oli havaittavissa maitohapon takaisin adsorboitumista hartsiin.
Adsorptio oli maitohapon erotukseen paras tekniikka. Varsinaisesta effluentista IRA-400 adsorboi 12 % maitohappoa ja peräkkäisessä adsorptiossa 57 %. Maitohapon adsorptiota ja desorptiota tulee optimoida tulevaisuudessa. Mannitoli saatiin erotettua synteettisestä effluentista kiteytymällä, jolloin 46 % kiteytyi mannitolin konsentraation ollessa tarpeeksi korkea. Mannitolin erotus tulee vielä optimoida.
Kirjallisuusselvityksen perusteella maitohappo voidaan erottaa effluentista tislauksen, reaktiivinen tislauksen ja adsorption avulla. Mannitolin erotukseen soveltuu kylmäkuivaus sekä haihdutus yhdistettynä jäähdytykseen. Valittuja tekniikoita testattiin kokeellisesti ensiksi synteettisesti valmistetulla effluentilla, jossa oli maitohappoa 60 g/L, mannitolia 16 g/L, etikkahappoa 7 g/L ja glukoosia 5 g/L. Tämän jälkeen maitohappo erotettiin adsorptiolla biologisen prosessin varsinaisesta effluentista, joka sisälsi 54 g/L laktaattia, 4 g/L mannitolia ja 3 g/L asetaattia.
Tislaus ja reaktiivinen tislaus sopivat paremmin etikkahapon erotukseen kuin maitohapon, koska etikkahaposta jopa 96 % saatiin erotettua effluentista, mutta maitohaposta vain 2 %. Tämän lisäksi maitohappo ja sokerit jäivät tislauskolviin viskoosina liuoksena, jolloin niiden erottaminen toisistaan ei ole enää mahdollista. Tämän takia tislaus ei soveltunut tutkituille effluenteille.
Adsorptiolla ioninvaihtohartseja käyttäen pystyttiin erottamaan maitohappo effluentista. IRA-67:llä maitohapon alkuperäisestä 60 g/L:sta saatiin parhaimmillaan adsorboitua 16 % pH:ssa 4,0 ja IRA-400:lla pH:ssa 5,5, 15 %. Synteettisen effluentin puhtaus vaikutti adsorptioon, sillä puhtaista hapoista valmistettua effluenttia, adsorptio pH:ssa 1,8 oli 46 %. Kun taas effluentin hapot olivat natriumin suolojen muodossa ja sen pH oli säädetty 1,8:aan, adsorptio laski 8 %:iin. Useamman adsorption vaikutusta tutkittiin yhdistämällä neljä adsorptiota peräkkäin. Tällöin IRA-67:n adsorboi 94 % maitohaposta ja IRA-400:aa 23 % hartsin optimiolosuhteissa.
Adsorboituneen maitohapon desorptiota hartsista tutkittiin IRA-67:llä ja IRA-400:lla. IRA-67:llä desorptiossa käytettiin NaOH:ta ja parhaimmillaan 17 % effluentin maitohaposta saatiin desorboitua (2,5 M NaOH). IRA-400:lle desorptio toteutettiin H2SO4:llä ja parhaimmillaan 9 % effluentin maitohaposta desorbtoitui rikkihapon konsentraation ollessa 1 M.
Kylmäkuivauksella saatiin 42 % ja haihdutuksella 46 % mannitolista kiteytettyä. Haihtumiskokeissa huomattiin, että mannitolikiteillä ei ollut vaikutusta mannitolin kiteytymismäärään ja negatiivinen vaikutus mannitolin kiteytymisnopeuteen.
Varsinaisesta effluentista poistettiin kiintoaine, jotta se ei häiritsisi adsorptiota. Sentrifugoimalla saatiin poistettu 94 % kiintoaineesta. Effluentin pH oli 4,7 ja siinä ei havaittu mannitolia. IRA-400 adsorboi 12 % maitohaposta. Kahdeksan peräkkäisen adsorption aikana 57 % maitohaposta adsorboitui. Varsinaisen effluentin desorptioon (1 M H2SO4) valittiin kolme hartsia jatkuvasta adsorptiosta. Suurin desorptio oli ensimmäisessä adsorptiossa, jossa adsorboituneesta maitohaposta desorboitui 45 %. Maitohapon desorptio aleni myöhemmissä adsorptioissa ja kokeen aikana oli havaittavissa maitohapon takaisin adsorboitumista hartsiin.
Adsorptio oli maitohapon erotukseen paras tekniikka. Varsinaisesta effluentista IRA-400 adsorboi 12 % maitohappoa ja peräkkäisessä adsorptiossa 57 %. Maitohapon adsorptiota ja desorptiota tulee optimoida tulevaisuudessa. Mannitoli saatiin erotettua synteettisestä effluentista kiteytymällä, jolloin 46 % kiteytyi mannitolin konsentraation ollessa tarpeeksi korkea. Mannitolin erotus tulee vielä optimoida.