Zuivering van aminozuren met actieve kool

Bij de productie van aminozuren is een hoge zuiverheidsgraad van essentieel belang.

DESOTEC heeft een uitgebreide ervaring in het samenwerken met klanten in de chemische sector, waarbij voor elke unieke toepassing de best mogelijke zuiveringsoplossing wordt gevonden.

De markt en zijn trends

Aminozuren worden gebruikt in de veevoeder-, de voedings-, de farmaceutische, de gezondheids- en de cosmeticamarkt. Intussen heeft de voedingssector de eerste plaats overgenomen van diervoeder als grootste markt voor aminozuren.

Het toevoegen van aminozuren als additief in diervoeder verlaagt de kosten, verbetert de efficiëntie en versnelt de groei van de dieren. L-lysine, DL-methionine, L-threonine, en L-tryptofaan worden in deze sector veel gebruikt.

Voor levensmiddelen worden deze componenten gebruikt als conserveermiddel of smaakversterker. Ze kunnen ook worden toegevoegd om voor voldoende inname van essentiële aminozuren te zorgen, die het menselijk lichaam niet zelf kan produceren. L-glutaminezuur, L-asparaginezuur, L-fenylalanine worden veel gebruikt.

In de gezondheidszorg worden ze ingezet voor de behandeling van slaapstoornissen en spijsverteringsproblemen, of als precursoren voor een reeks andere farmaceutische producten. In cosmetica worden ze aangetroffen in hydraterende crèmes.

De wereldwijde markt voor aminozuren werd geraamd op 21 à 25 miljard euro in 2020, met een verwachte jaarlijkse groei van 5-7%.

Zo'n 8 miljoen ton aminozuren worden jaarlijks geproduceerd. Het niet-essentiële L-glutaminezuur (gebruikt als smaakstof in levensmiddelen en als additief in diervoeding) en het essentiële L-lysine (gebruikt als additief in diervoeding en als voedingssupplement) hebben de grootste productievolumes.

Aminozuurproductie

Er zijn verschillende manieren om aminozuren te produceren. Biotechnologische processen, namelijk fermentatie en enzymatische katalyse, worden steeds belangrijker, terwijl extractie en chemische synthese aan belang inboeten.

Voor de productie van aminozuren via fermentatie worden meestal bijproducten van de landbouw als grondstof gebruikt. Planten zoals sojabonen, tarwe, maïs, aardappelen en erwten, die met behulp van biotechnologie worden verwerkt, zijn goed voor de grootste omzet wereldwijd. Van de meest voorkomende aminozuren worden L-glutamaat en L-lysine over het algemeen geproduceerd via fermentatie van plantaardige grondstoffen.

Voor aminozuren via extractie zijn dierlijke bronnen het meest gangbaar. Cysteïne en tyrosine worden op deze manier geproduceerd.

DL-methionine is nog steeds hoofdzakelijk op olie gebaseerd en wordt gewoonlijk via chemische synthese geproduceerd.

Uitdagingen bij de zuivering van aminozuren

Het is duidelijk dat het, gezien de betrokken sectoren, van cruciaal belang is dat aminozuren aan zeer hoge zuiverheids- en kwaliteitsnormen voldoen.

De meest voorkomende onzuiverheden die moeten worden behandeld zijn organische stikstofmoleculen, die worden gedetecteerd als kleur en gemeten door UV-transmissie. Zij kunnen worden veroorzaakt door variaties in de grondstof- of procesparameters.

Zuivering kan ook nodig zijn om:
•   Het kristallisatieproces te verbeteren
•   Het rendement te verbeteren door verliezen te minimaliseren
•   Toxische of schuimende verbindingen te verwijderen vóór de vergisting
•   Het vergistingsproces te verbeteren.

Zuiveringstechnologieën

Actieve kool kan worden gebruikt om ongewenste moleculen uit aminozuren te verwijderen, tijdens de productie en/of als ‘polishing’ stap. Er zijn twee vormen: in poedervorm (PAC), en in korrelvorm (GAC).

PAC wordt toegevoegd aan batches van een aminozuuroplossing om de verontreinigingen te adsorberen en wordt vervolgens uit te filteren. PAC kan echter niet worden gereactiveerd en creëert dus een afvalstroom. Bovendien is het verbruik gewoonlijk twee- tot driemaal hoger dan voor granulaire actieve kool (GAC).

Daarom kan het voor klanten zinvol zijn over te schakelen op een continu proces met gebruik te maken van GAC. GAC zit in filterunits en verwijdert onzuiverheden door adsorptie in het filterbed. Eenmaal verzadigd, kan de kool meestal worden gereactiveerd, wat de kosteneffectiviteit en duurzaamheid ten goede komt.

Fabrikanten van aminozuren stellen echter hoge eisen aan de productkwaliteit en geven er de voorkeur aan hun eigen gereactiveerde kool te hergebruiken in plaats van gebruik te maken van een algemene pool. Voor grote klanten kunnen wij speciale reactivatiediensten aanbieden, waarbij uitsluitend hun eigen actieve kool wordt gebruikt en hergebruikt.

Actiefkoolfiltratie kan ook luchtemissies en afvalwater behandelen dat afkomstig is van het aminozuurproductieproces.

Praktijkvoorbeelden: industriële aminozuurzuivering

Wij hebben een langdurige samenwerking met een grote Europese fabrikant van een essentieel aminozuur. Zijn product bevat nog moleculen die het een lichte kleur geven en andere onzuiverheden die de kwaliteit verminderen. Er staan meerdere filters in serie op de site om de stroom van 20 - 40 m³/h te behandelen. Om een optimale zuivering te bereiken, wordt het proces uitgevoerd bij een hogere temperatuur en een lage pH.

Wij werken ook samen met verschillende andere aminozuurproducenten in Europa. Een van hen is Evonik, de grootste producent van methionine ter wereld. De methionine-oplossing wordt behandeld in GAC-filters om de UV-transmissie te verhogen en nevencomponenten te verwijderen. Bij productietests in Antwerpen verving de hernieuwbare granulaire actieve kool (GAC) van Desotec de op steenkool gebaseerde GAC, met behoud van uitstekende prestaties. De omschakeling naar hernieuwbare GAC werd met succes afgerond zonder dat de prestaties achteruitgingen. Labotesten bewezen verder de haalbaarheid van reactivatie van GAC, die binnenkort zal worden gerealiseerd en verdere economische voordelen zal opleveren.

Wat de CO₂e (CO₂ -equivalent) voetafdruk van deze productiestap betreft, leiden het lagere verbruik, de zeer kleine CO₂ voetafdruk van de hernieuwbare actieve kool zelf en de mogelijkheid om de actieve kool te reactiveren tot een aanzienlijke vermindering van de CO₂e emissie per ton product. Door bijvoorbeeld een fossiele actieve kool te vervangen door een hernieuwbare actieve kool van dezelfde kwaliteit kan de CO₂e voetafdruk met meer dan 90% worden verminderd voor de nieuwe actieve kool en met ruwweg 70% voor de gereactiveerde actieve kool.

De voordelen van DESOTEC's oplossingen

DESOTEC heeft uitgebreide ervaring met het ontwerpen en implementeren van oplossingen op basis van PAC en GAC voor gebruik tijdens de productie van aminozuren. Wij begrijpen dat elk bedrijf binnen de chemische sector zeer precieze en unieke vereisten heeft.

Alvorens een volledige oplossing te implementeren, voeren wij uitgebreide labotesten en in-situ proeven uit om de optimale kwaliteit van de kool en de filteropstelling te bepalen. Als wij na het testen van mening zijn dat onze oplossing niet de optimale is, zullen wij de klant dat laten weten. Wij onderzoeken en ontwikkelen voortdurend manieren om de producten en diensten die wij onze klanten aanbieden te verbeteren.

Wij werken nauw samen met onze klanten om een zeer hoge kwaliteitscontrole te handhaven. Onze expertise stelt ons in staat problemen op te lossen en de hoofdoorzaak van eventuele problemen op te sporen.

Onze filters zijn mobiel en worden geleverd op maandelijkse huurbasis, waardoor ze een flexibele oplossing vormen voor veel klanten in de chemische sector.

Het gebruik van gereactiveerde en hernieuwbare actieve kool in mobiele filters wordt ook als duurzaam beschouwd, met name voor de productie van aminozuren op plantaardige basis. De van cradle-to-gate afgelegde CO_₂e-voetafdruk van een aminozuur op plantaardige basis ligt in de grootteorde van maximaal 20 kg CO_₂e/kg product. Het GAC-verbruik kan ongeveer 1 kg/100 kg product bedragen, en zou dus minder dan 0,1% van de totale CO_₂e vertegenwoordigen.

Zodra de actieve kool is verzadigd, wordt het in gesloten filterunits van klanten naar DESOTEC-installaties getransporteerd. Dit betekent dat er ter plaatse geen kool hoeft te worden gemanipuleerd, waardoor chemische fabrieken stof- en vuilvrij blijven.

In de ovens van DESOTEC worden verontreinigingen volledig vernietigd in overeenstemming met de Europese wetgeving, en wordt de koolstof gereactiveerd. Het proces wordt continu gecontroleerd, zodat alleen onschadelijke waterdamp uit de schoorstenen komt.