VITO Introductie Unit Scheiding- en conversietechnologie

VITO Introductie Unit Scheiding- en conversietechnologie

Scheidingstechnologie Membraan/module ontwikkeling  Gieten en spinnen van polymeermembranen  Functionalisering van keramische NF  Nieuwe module concepten  Separatoren en elektrodes

Membraan applicatietesten/ontwikkeling  MF, UF, NF, RO, PV, ED, MBR  Solvent resistente NF  Membraandestillatie, RED, CDI

Extractie  Superkritische technologie  Biomassa downstream processing  Detectie en isolatie van hoogwaardige componenten

07/10/2011 © 2011, VITO NV

2

Conversie Technologie Bioconversie  Fermentatie met afvalgassen als grondstof (productie van bioplastics)  Fermentatie voor productie van specifieke componenten uit organische afvalstromen  Biodegradatie van organische polluenten

Electroconversie  Bio-elektrochemische cellen voor afvalwaterbehandeling  (Bio)Elektrosynthese

Chemische conversie  Reacties met (bio)molecules (integratie van CO) bij hoge T en P  Reacties met anorganische afvalmaterialen als katalysator

07/10/2011 © 2011, VITO NV

3

Cross-technologie topics/diensten: Duurzame industriële productie Industrieel water management (WaterPinch)  Identificatie van besparing/hergebruik opties  Screening van alternatieve waterbronnen

Duurzaamheidsevaluaties  Screening van BAT  Energiebesparing

Technologie demonstratie  Industriële kringloopsluiting  Waterzuivering/product terugwinning  Bodem en grondwater sanering

Valorisatie van (an)organisch afval  Biomass to product  Valorisatie van neven/afvalstromen  Grondstoffen: conversie en hergebruik

07/10/2011 © 2011, VITO NV

4

Demonstratie van Integratie van Scheidings- en Conversietechnologie Rendementsverhoging via integratie van scheidingsstappen met chemische reacties

In-Situ Product Recovery van fermentaties en biochemische reacties Organofiele Pervaporatie(IP)

Bioconversie

Keramische NF and GS Membranen(IP)

Solvent-Resistente Filtratie

Kweek van biomassa cellen (algen) en downstream processing

Enzyme immobilisatie in membraanreactor - Gefunctionaliseerde membranen (IP) - Plasma immobilisatie (IP) - Reactor concept

MF/UF filtratie (IPC concept)

07/10/2011 © 2011, VITO NV

Cell disruptie/ extractie (SCF)

5

Membraantechnologie voor de zuivering van processtromen en de recuperatie van componenten uit nevenstromen

VIK, 10 oktober 2011

Membranen in de procesindustrie Membraantechnologie, niet enkel voor waterbehandeling maar ook in procestechnologie

 Voeding  Chemie  Farmacie

Membranen voor waterzuivering

Membranen in complexe processtromen

 Micro-, Ultra-, Nanofiltratie  Omgekeerde Osmose

 Solvent-Resistente Nanofiltratie  Pervaporatie

 Membraancontactoren  Elektrodialyse

07/10/2011 © 2011, VITO NV

7

Drivers voor membraantechnologie ‘Klassieke’ scheidingtechnologie

 Verhoogd vertrouwen in en aanvaarding van membranen  Lozingsnormen  Water- en solventprijzen  Wettelijke normen voor productkwaliteit  Stijging energieprijs  Trend naar meer duurzaamheid Membraantechnologie

07/10/2011 © 2011, VITO NV

8

Membranen in de voedingsindustrie Specifieke eisen in de voedingsindustrie Mede bepaald door overheid en klant Hoge kwaliteit: bewaren of verbeteren smaak, kleur, textuur,… Hoge veiligheid: microbiologisch en chemisch, procestechnieken mogen geen gevaarlijke stoffen introduceren Hoge stabiliteit: “verse voeding” met medium tot lange termijn bewaarbaarheid Innovatie: trend naar nieuwe producten bvb. “nutraceuticals” Hoge duurzaamheid:  Afval preventie/minimalisering : valorisatie afvalstromen, max. recyclage  Verhoging energie-efficiëntie  Maximaal gebruik van de grondstoffen

07/10/2011 © 2011, VITO NV

9

Membranen in de voedingsindustrie Voordelen membraantechnologie

Hoge kwaliteit: Membraanfiltratie is niet-thermisch proces Hoge veiligheid: membranen/modules hygiënisch, frekwent reinigbaar met sterke zure en basen Hoge stabiliteit: Niet-thermische sterilisatie mogelijk Innovatie: Membraanfiltratie laat verregaande fractionering toe Hoge duurzaamheid:  Membraanfiltratie zeer energie-efficiënt  Membraanfiltratie sterk potentieel bij zero-waste processen  Membraanfiltratie kan afvalstromen valoriseren

07/10/2011 © 2011, VITO NV

10

Membraantechnologie: zuivelindustrie Nanofiltratie  concentrering en demineralisatie van wei

Ultrafiltratie  fractionering van melk voor kaasproductie  fractionering van wei voor wei proteïne concentraten

 fractionering van wei voor zoutloze, lactosehoudende weipoeders  modificatie van magere melk

Microfiltratie  klaring van kaaswei  ontvetten van melk  van microbiële belasting van melk  koude sterilisatie voor medium termijn houdbaarheid (ESL-melk)

 concentrering van melk voor koel- + transportkosten

 MF+pasteurisatie voor lange termijn houdbaarheid

Omgekeerde Osmose

Electrodialyse

 concentrering  demineralisatie

gedeeltelijke demineralisatie

07/10/2011 © 2011, VITO NV

11

Membraantechnologie: drankindustrie Nanofiltratie  concentrering van fruitsappen

Ultrafiltratie

 recuperatie van aroma componenten

klaring van bier, wijn

Microfiltratie klaring van bier, wijn

Omgekeerde Osmose  concentrering fruitsappen  gedeeltelijke alcohol verwijdering uit bier, wijn

Electrodialyse ontzuring van fruitsappen

07/10/2011 © 2011, VITO NV

12

Membraantechnologie: voedingsindustrie-andere Nanofiltratie Ultrafiltratie  proteïnte recuperatie in vlees/vis en gevogelte industrie

 brijn zuivering in de visindustrie  zuivering van dextrose siroop  productie van aminozuren en oligosacchariden

 gelatine concentratie

Microfiltratie kleurverwijdering en deeltjes -verwijdering in de suikerindustrie

 zetmeel recuperatie de-gumming of ruwe pantaardige olie

Omgekeerde Osmose downstream processing in mais-refining

Elektrodialyse ontzuring van fruitsappen

07/10/2011 © 2011, VITO NV

13

Membranen in chemische en farmaceutische industrie Membraantechnologie als middel voor bereiken van Procesintensificatie A-thermisch: geen verlies aan productkwaliteit Veiligere processen

Modulair design: Makkelijk te down-/upscalen

Efficient: Recyclage van grondstoffen, solventen, water, ...

Gereduceerde dimensies installatie

Milieu-technisch verantwoord

Minimalisatie afval en bijproducten

07/10/2011 © 2011, VITO NV

14

Process intensification strategy offers a possible solution to the problem of satisfying the increasing demand for water, energy, raw materials and products under the constrains imposed by the concept of sustainable development.

E. Drioli, Ind. Eng. Chem. Res. 2007, 46, 2235 07/10/2011 © 2011, VITO NV

15

lower costs

shorter time to market

safer processes

smaller plants

less waste and by-products

less energy, raw materials

Courtesy: European Roadmap for PI 07/10/2011 © 2011, VITO NV

16

Procesintensificatie » Strategie gericht op “to produce much more with much less”*

*J.C. Charpentier, Ind. Eng. Chem. Res., 2007, 46, 3465-3485 07/10/2011 © 2011, VITO NV

17

Membraantechnologie en procesintensificatie How does it fit? » Energieverbruik voor membraantoepassingen is grootteorde lager dan voor conventionele processen » RO: 3 – 10 kWh/m³ (elektrisch) » ED: 5-20 kWh/m³ (elektrisch) » Evaporatie: 75 – 250 kWh/m³ warmte (+2 kWh/m³ elektrische) » Membraantechnologie kan synergetische effecten van deelprocessen optimaliseren op elke schaal » Optimalisering van drijvende krachten en maximaliseren van specifiek oppervlak waar deze krachten op werken  nanogestructureerde membranen

07/10/2011 © 2011, VITO NV

18

Membranen in de procesindustrie Membraantechnologie, niet enkel voor waterbehandeling maar ook in procestechnologie

 Voeding  Chemie  Farmacie

Membranen voor waterzuivering

Membranen in complexe processtromen

 Micro-, Ultra-, Nanofiltratie  Omgekeerde Osmose

 Solvent-Resistente Nanofiltratie  Pervaporatie

 Membraancontactoren  Elektrodialyse

07/10/2011 © 2011, VITO NV

19

Drukgedreven membraanprocessen poriën

druk

0.1 - 20 µm

0.1 - 3 bar

geselecteerde macromoleculen

2 nm – 0.1µm

0.1 - 10 bar

gesuspendeerde deeltjes

~1 nm

5 - 30 bar

Meerwaardige zouten Kleine opgeloste stoffen

0.1 - 1 nm dicht

10 - 100 bar

zouten

07/10/2011 © 2011, VITO NV

retentie

20

Ontzouting: membraangebaseerde technologie Water verwijdering » Omgekeerde osmose Membraanscheiding waarbij water selectief permeëert Gelimiteerd door osmotisch druk (~ 100 g/l) » “DE “ waterzuiveringstechnologie

» Forward osmosis

Scheiding op basis van osmotisch drukverschil over een barrière (membraan) – “draw solution” » Oude technologie, opnieuw aan interesse gewonnen own nieuwe membranen (hoge porositeit, zelfdragend, dun)

07/10/2011 © 2011, VITO NV

21

» Membraandestillatie

Thermische scheiding van water/solvent via membraancontactoren; enkel efficient integratie van warmte en hoge E recovery. » Opkomende technologie

» Pervaporatie

Kinetisch scheiding van water door selectieve verdamping van water doorheen hydrofiel membraan » Industrieel toegepast (water/organisch solvent) maar membraan life-time en kost is beperkend » Organofiele pervaporatie: opkomend voor solventscheidingen (Hydrofoob membraan)

07/10/2011 © 2011, VITO NV

22

Ontzouting: membraangebaseerde technologie Ionverwijdering » Nanofiltratie (NF) Multivalent salts

NF Water

salts

Kinetische scheiding gebaseerd op grootte en lading. Laat scheiding toe van ionen met hogere lading. » Industrieel toegepast

RO

» Diafiltratie

Uitwassen van ionen door aanvullen gepermeëerd deel voeding met gedeïoniseerd water. » Industrieel toegepast, inefficiënt

» Elektrodialyse (ED)

Scheiding gebaseerd op verschil transport van geladen deeltjes in an extern E veld door ionwisselende membranen. » Toegepast op industriële schaal voor ontzouting en demineralisatie 07/10/2011 © 2011, VITO NV

23

» Bipolaire membraan elektrodialysis (BPM)

Idem als Ed maar gebruik makend van bipolaire membranen en watersplitsing in OH- en H+ » Toegepast op industriële schaal voor het creëren van zuren en basen uit zouten (~ 2 molaire oplossingen)

» (Membraan) capacitieve deïonisatie (CDI)

Verwijdering van ionen in de dubbellaag van een capacitator: anionen worden geadsorbeerd aan anode en kationen kathode » Beperkt gecommercialiseerd (Voltea)

» Elektrodionisatie (EDI)

Elektriciteit in combinatie met ionenwisselingshars om opgeloste ionen af te scheidin uit water. » Toegepast op grote schaal voor de deionisatie van RO permeaat

07/10/2011 © 2011, VITO NV

24

Membranen in de procesindustrie Membraantechnologie, niet enkel voor waterbehandeling maar ook in procestechnologie

 Chemie  Voeding  Farmacie

Membranen voor waterzuivering

Membranen in complexe processtromen

 Micro-, Ultra-, Nanofiltratie  Omgekeerde Osmose

 Solvent-Resistente Nanofiltratie  Pervaporatie

 Membraancontactoren  Elektrodialyse

07/10/2011 © 2011, VITO NV

25

Membranen in complexe processtromen Membraancontactoren  Hydrofoob MF membraan vormt barrière tussen 2 fasen  Groot contactoppervlak via poriën  Transport waterdamp/gassen en vluchtige componenten  Drijvende kracht is dampdrukverschil

 Ontgassen/begassen van vloeistoffen  Membraandestillatie Ontzilting zeewater, ultra-puur water aanmaak  Osmotische evaporatie: opconcentratie fruitsappen

 Membraankristallisatie  Membraan gasabsorptie  CO2, SOx scrubber  Membraanemulsificatie: Uniforme druppels

07/10/2011 © 2011, VITO NV

26

Membranen in complexe processtromen Elektrodialyse  geladen membranen AM – aniontransport CM – kationtransport  In diluaat : ion verwijdering  In concentraat : ion concentratie  Nitraatverwijdering  Demineralisatie van wei  Productie van tafelzout uit zeewater  Ontzuring van fruitsappen  Productie van drinkbaar water uit brak water en zeewater  Verwijdering van organische zuren bij fermentatie

07/10/2011 © 2011, VITO NV

27

Membranen in complexe processtromen Solvent-Resistente Nanofiltratie (SRNF)  Laatste generatie solvent-resistente polymeer NF membranen

 Keramische NF membranen met cut-off tot 450 g/mol  Scheiding van organische componenten in 200-1000 Da range  Geladen membraan: retentie van meerwaardige ionen

07/10/2011 © 2011, VITO NV

28

Membranen in complexe processtromen Pervaporatie PERmeatie Component ↔ selectief membraan Affiniteit membraanmateriaal

e-VAPORATIE  fase transitie (voeding:vloeistof → permeaat:damp)  energiezuinig alternatief voor distillatie  distillatie: transport doorheen membraan tgv. verschillen in dampdrukken

mengsels  Azeotropen  Close-boiling

07/10/2011 © 2011, VITO NV

29

Membranen in complexe processtromen Pervaporatie PERmeatie Component ↔ selectief membraan Affiniteit membraanmateriaal

e-VAPORATIE  fase transitie (voeding:vloeistof → permeaat:damp)  energiezuinig alternatief voor distillatie  distillatie: transport doorheen membraan tgv. verschillen in dampdrukken

07/10/2011 © 2011, VITO NV

30

Case 1: Toepassing van SRNF in productie van peptide APIs Reactie

Scheiding

API

1 Huidige procesvoering

2 Voorbereidende RP HPLC

Lyophilisatie

Verwijdering van DMSO organisch solvent vereist

Verwijdering van AcN organisch solvent vereist

Rotavap of evaporatie

Evaporatie

07/10/2011 © 2011, VITO NV

31

Case 1: Toepassing van SRNF in productie van peptide APIs 1.

Voorbehandeling voor HPLC purificatie van ruwe APIs

2.

Verwijdering van organische solventen van gezuiverde APIs

Alternatieve proces: Diafiltratie via nanofiltratie  ongelimiteerde solvent verwijdering  hoge API retentie Voordelen:  A-thermische behandeling  Energie-efficient

Membraan  Nanofiltratie (MWCO 200 – 1000 Da)  Keramisch  sterk resistent: (aprotische) polaire solvent in water Sterk zure mengsels (TFA)

07/10/2011 © 2011, VITO NV

32

Case 1: Toepassing van SRNF in productie van peptide APIs 1. Voorbehandeling voor HPLC purificatie van ruwe APIs Stroom: 5 g/l API peptide van 2200 Da In mengsel solvent

water

DMSO

AcN

TFA

gew. %

75

15

10

0.1

Membraan: 0.9 nm Inopore (IKTS), 0.1 m2 Retentie molecules > 450 Da TMP: 10 bar Flux : ~10 l/h.m2

Doel: DMSO verwijdering < 500 ppm

07/10/2011 © 2011, VITO NV

33

Case 1: Toepassing van SRNF in farmacie (productie van peptide APIs)

Relatieve concentratie

1. Voorbehandeling voor HPLC purificatie van ruwe APIs

AcN DMSO

Aantal diavolumes

07/10/2011 © 2011, VITO NV

DMSO 3 %

34

Case 1: Toepassing van SRNF in productie van peptide APIs 2. Verwijdering van organische solventen van gezuiverde APIs Stroom: 20 g/l API peptide van 3700, 2180 and 830 Da In mengsel solvent

water

AcN

TFA of azijnzuur

wt. %

50 – 70

50 – 30

0.1 – 0.5

Membraan: 0.9 nm Inopore (IKTS), 0.1 m2 Retentie molecules > 450 Da TMP: 10 bar Flux : ~20-50 l/h.m2

Doel: AcN verwijdering < 100 ppm

07/10/2011 © 2011, VITO NV

35

Case 1: Toepassing van SRNF in productie van peptide APIs

Acetonitrile concentratie (ppm)

2. Verwijdering van organische solventen van gezuiverde APIs

AcN 100 ppm

Logarithmisch scale

07/10/2011 © 2011, VITO NV

diavolumes 36

Case 2: Toepassing van SRNF in voeidngsindustrie Verwijdering van organische solvent uit inulinestroom Probleem:  Product ~1000 g/mol  40/60 product/NMP  Doel : Zuivering tot < 0,1 wt % NMP  Verdamping of extractie: concentratie NMP gelimiteerd tot 3 wt. %

Oplossing: solvent wissel NMP → water Diafiltratie met keramische NF membranen Fluxen ~200 l/h met 5 m2 Productverlies < 1 % ~100% permeaathergebruik

07/10/2011 © 2011, VITO NV

37

Case 3: Pervaporatie voor In-Situ Product Recovery Microbiële butanol productie

Product direct verwijderen tijdens fermentatie/voor toxische concentratie bereikt wordt

Verhogen van rendement en productiviteit van fermentatie reacties Continue operatie (3 weken) 07/10/2011 © 2011, VITO NV

38

Case 4: Pervaporatie voor In-Situ Product Recovery Trends Fermentor productiviteit stijgt bij toepassing van scheidingstechnologie voor solventverwijdering (inhibitie) Verhogen van concentratie levende cellen in fermentor verhoogt solvent productiviteit Integratie van solvent recovery laat het gebruik van meer geconcentreerde substraat oplossingen toe (reductie van hoeveelheid water geprocessed) Scheiding is technische haalbaar

07/10/2011 © 2011, VITO NV

39

Conclusies » Membraanscheidingen spelen vandaag een strategisch belangrijke rol in waterbehandeling. » Procesverbeteringen zijn gericht op verhoging van recovery (hoog efficiënte membranen), concentraat behandeling (vb membraan kristallisatie), vermindering milieuimpact (eg hernieuwbare energiebronnen) » Er is een duidelijk groeiend potentieel voor membranen in de procesindustrie » Industriële interesse: belangrijke implementaties gerealiseerd » Solventstabiele membranen deels commercieel, deels in ontwikkeling » Maar : technologisch conservatisme: Meer succesverhalen nodig

07/10/2011 © 2011, VITO NV

40