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 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 3

Cross-technologie topics/diensten: Duurzame industriële productie Industrieel water management (WaterPinch) Identificatie van besparing/hergebruik opties Screening van alternatieve waterbronnen Technologie demonstratie Industriële kringloopsluiting Waterzuivering/product terugwinning Bodem en grondwater sanering Duurzaamheidsevaluaties Screening van BAT Energiebesparing Valorisatie van (an)organisch afval Biomass to product Valorisatie van neven/afvalstromen Grondstoffen: conversie en hergebruik 07/10/2011 4

Demonstratie van Integratie van Scheidings- en Conversietechnologie In-Situ Product Recovery van fermentaties en biochemische reacties Rendementsverhoging via integratie van scheidingsstappen met chemische reacties Organofiele Pervaporatie(IP) Bioconversie Keramische NF and GS Membranen(IP) Solvent-Resistente Filtratie Enzyme immobilisatie in membraanreactor - Gefunctionaliseerde membranen (IP) - Plasma immobilisatie (IP) - Reactor concept Kweek van biomassa cellen (algen) en downstream processing MF/UF filtratie (IPC concept) Cell disruptie/ extractie (SCF) 07/10/2011 5

VIK, 10 oktober 2011 Membraantechnologie voor de zuivering van processtromen en de recuperatie van componenten uit nevenstromen

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 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 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 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 10

Membraantechnologie: zuivelindustrie Ultrafiltratie fractionering van melk voor kaasproductie fractionering van wei voor wei proteïne concentraten concentrering van melk voor koel- + transportkosten Electrodialyse gedeeltelijke demineralisatie Nanofiltratie concentrering en demineralisatie van wei 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) MF+pasteurisatie voor lange termijn houdbaarheid Omgekeerde Osmose concentrering demineralisatie 07/10/2011 11

Membraantechnologie: drankindustrie Nanofiltratie concentrering van fruitsappen Ultrafiltratie klaring van bier, wijn recuperatie van aroma componenten Microfiltratie klaring van bier, wijn Electrodialyse ontzuring van fruitsappen Omgekeerde Osmose concentrering fruitsappen gedeeltelijke alcohol verwijdering uit bier, wijn 07/10/2011 12

Membraantechnologie: voedingsindustrie-andere Nanofiltratie Ultrafiltratie proteïnte recuperatie in vlees/vis en gevogelte industrie gelatine concentratie zetmeel recuperatie de-gumming of ruwe pantaardige olie Elektrodialyse ontzuring van fruitsappen brijn zuivering in de visindustrie zuivering van dextrose siroop productie van aminozuren en oligosacchariden Microfiltratie kleurverwijdering en deeltjes -verwijdering in de suikerindustrie Omgekeerde Osmose downstream processing in mais-refining 07/10/2011 13

Membranen in chemische en farmaceutische industrie Membraantechnologie als middel voor bereiken van Procesintensificatie Modulair design: Makkelijk te down-/upscalen A-thermisch: geen verlies aan productkwaliteit Veiligere processen Efficient: Recyclage van grondstoffen, solventen, water,... Gereduceerde dimensies installatie Milieu-technisch verantwoord Minimalisatie afval en bijproducten 07/10/2011 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 15

lower costs shorter time to market smaller plants safer processes less waste and by-products less energy, raw materials Courtesy: European Roadmap for PI 07/10/2011 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 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 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 19

Drukgedreven membraanprocessen poriën druk retentie 0.1-20 µm 0.1-3 bar 2 nm 0.1µm 0.1-10 bar geselecteerde macromoleculen gesuspendeerde deeltjes ~1 nm 5-30 bar Meerwaardige zouten Kleine opgeloste stoffen 0.1-1 nm 10-100 bar dicht zouten 07/10/2011 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 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 22

Ontzouting: membraangebaseerde technologie Ionverwijdering» Nanofiltratie (NF) Kinetische scheiding gebaseerd op grootte Multivalent salts en lading. Laat scheiding toe van ionen met hogere lading. Water RO salts NF» Industrieel toegepast» 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 23

» Bipolaire membraan Idem als Ed maar gebruik makend van elektrodialysis (BPM) 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 Verwijdering van ionen in de dubbellaag deïonisatie (CDI) 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 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 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 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 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 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 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 30

Case 1: Toepassing van SRNF in productie van peptide APIs Reactie Scheiding API 1 2 Huidige procesvoering Voorbereidende RP HPLC Verwijdering van DMSO organisch solvent vereist Rotavap of evaporatie Lyophilisatie Verwijdering van AcN organisch solvent vereist Evaporatie 07/10/2011 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 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 m 2 Retentie molecules > 450 Da TMP: 10 bar Flux : ~10 l/h.m 2 Doel: DMSO verwijdering < 500 ppm 07/10/2011 33

Relatieve concentratie Case 1: Toepassing van SRNF in farmacie (productie van peptide APIs) 1. Voorbehandeling voor HPLC purificatie van ruwe APIs AcN DMSO Aantal diavolumes DMSO 3 % 07/10/2011 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 m 2 Retentie molecules > 450 Da TMP: 10 bar Flux : ~20-50 l/h.m 2 Doel: AcN verwijdering < 100 ppm 07/10/2011 35

Acetonitrile concentratie (ppm) Case 1: Toepassing van SRNF in productie van peptide APIs 2. Verwijdering van organische solventen van gezuiverde APIs AcN 100 ppm Logarithmisch scale diavolumes 07/10/2011 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 m 2 Productverlies < 1 % ~100% permeaathergebruik 07/10/2011 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 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 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 40