專利名稱：從發(fā)酵液中分離有機(jī)酸鹽和釋放有機(jī)酸的方法
說明本發(fā)明涉及通過部分蒸發(fā)結(jié)晶和隨后或同時的其鹽的置換沉淀從水溶液中、特別是從發(fā)酵排出液中分離有機(jī)酸鹽，并優(yōu)選使用電隔膜處理從結(jié)晶中釋放有機(jī)酸的方法。
有機(jī)酸，特別是羧酸，是被作為活性物質(zhì)或制備這些物質(zhì)的中間體的、經(jīng)濟(jì)上重要的、應(yīng)用廣泛的化學(xué)品(特別在營養(yǎng)品、化妝品或醫(yī)藥中)。由此，乳酸被用作食品防腐劑和被添加到藥物制劑中。乳酸單體構(gòu)成了制備可降解塑料的基質(zhì)。多羥基酮羧酸2-酮-L-古洛糖酸(2-keto-L-gulonicacid，KGA)是制備維生素C的重要中間體。這樣的有機(jī)酸及它們二次產(chǎn)品的制備的特點是在所有的處理階段對純度和產(chǎn)率具有特殊的要求一方面是為了使在人的營養(yǎng)品中使用最終產(chǎn)品成為可能，另一方面是為了，如果可能的話，降低制備成本。
有機(jī)酸主要是通過常規(guī)的化學(xué)合成來制備的。用于制備KGA的“Reichstein方法”是個多步驟和非常費力的方法。因此，在最近幾十年里，已經(jīng)開發(fā)了具有更少的反應(yīng)步驟和要求更少的保護(hù)基團(tuán)化學(xué)的生物技術(shù)方法。
在較近期的方法中，KGA可通過一步或多步發(fā)酵方法獲得，例如通過使用適合的微生物(在某些情況下經(jīng)特別修飾)的、經(jīng)過山梨糖的山梨醇兩步發(fā)酵方法獲得。
按照不同的變型，通過使用常規(guī)基礎(chǔ)處理技術(shù)操作(如離子交換、結(jié)晶、萃取等)將KGA從發(fā)酵溶液中分離出來，并反應(yīng)得到抗壞血酸。
但是，特別地，如例如羧酸如乳酸、檸檬酸或古洛糖酸的有機(jī)酸的發(fā)酵制備通常都非常簡單，而合成或發(fā)酵產(chǎn)品的分離和提純通常是困難和較低效的。在這一點上，兩個因素發(fā)揮了使情況變得特別復(fù)雜的影響一方面，產(chǎn)物溶液中含有可觀的量的、在有些情況下有具有強烈顏色的雜質(zhì)。因此，在發(fā)酵溶液中，甚至在僅80％的有價值物質(zhì)分離后，一般在所得到的母液中副組分的含量仍比有價值的產(chǎn)品的含量高。隨著產(chǎn)率的提高，雜質(zhì)的共分離因此也越來越有可能。另一方面，在通常的處理技術(shù)制備和提純條件下，有機(jī)酸表現(xiàn)出隨pH和溫度變化的趨勢而分解并形成令人討厭的、同樣有色的副組分的趨勢。
因此，分離有機(jī)酸(例如KGA)的鹽(例如，2-酮-L-古洛糖酸鈉(Na KGA)而不是直接獲得這些酸在文獻(xiàn)中被描述為是具有優(yōu)點的。這些鹽類不但對熱的壓力具有更低的敏感性，而且可在中性pH值下被分離，而其在中性條件下分解的傾向比在酸性介質(zhì)中更低。可以在另外的處理階段(例如，通過離子交換或電滲析)中將純化的酸從鹽類中釋放。
WO 01/09074提出對還含有細(xì)胞物質(zhì)的含酮古洛糖酸發(fā)酵液進(jìn)行干燥。隨后將干燥的發(fā)酵液被懸浮于醇中并移走醇溶液的不溶成分。用低水礦物酸將KGA釋放。這里當(dāng)KGA溶解于醇中時，礦物酸的鹽類就會沉淀下來。在KGA進(jìn)一步的反應(yīng)或后處理至待形成的抗壞血酸的過程中，不要在處理技術(shù)費用方面有什么好處，因為在干燥過程中沒有任何雜質(zhì)被分離出來。雜質(zhì)至少部分溶于醇溶液中并必須在此后以高丟失方式被分離出來。
EP 0805210描述了通過蒸發(fā)、冷卻或置換結(jié)晶的方式從被純化的發(fā)酵液中分離Na KGA的可能性和局限性。在實施例1中，顯示出在分批過程中，為獲得95.5％的產(chǎn)率，至少需要四次結(jié)晶操作和隨后的母液和水洗用水的后處理。另外，在實施例2中提及了在實驗室條件下獲得的關(guān)于連續(xù)蒸發(fā)結(jié)晶的數(shù)據(jù)，由此產(chǎn)生的總產(chǎn)率僅為83.6％。對大規(guī)模方法來說，此值過低。
在《離子交換與吸附》(1998)，14(2)，175-179中，王描述了使用吸附樹脂處理Na KGA結(jié)晶母液的純化方法。通過利用將Na KGA吸附到樹脂上并將雜質(zhì)洗掉而使賦予顏色的和其他麻煩的組分部分分離，此后的結(jié)晶可將該方法的總產(chǎn)率從75％純蒸發(fā)結(jié)晶產(chǎn)率提高到94％。然而，這個處理技術(shù)路線包括了附加處理階段的不菲的費用、得到大量稀釋沖洗溶液的及樹脂再生。
在JP 52066684中，Na KGA被從Ca KGA釋放，濃縮并通過添加溶劑(如低級酮或醇)隨后被沉淀出來。在GB 800 634中，含有2％KGA的發(fā)酵液被濃縮到1/4，然后添加甲醇以沉淀出2-KGA。這個步驟的問題在于一方面為獲得高產(chǎn)率而不得不添加非常大量的溶劑。例如對于Na KGA和甲醇，為從約18％濃度的溶液(在室溫下飽和)開始獲得95％的產(chǎn)率，必須使用經(jīng)濟(jì)上不利的10kg甲醇/kg有價值的產(chǎn)物的高用量。另一方面，通過加入雜質(zhì)，不僅有價值的產(chǎn)品的溶解度減小，而且很多雜質(zhì)的溶解度都不加選擇地減少。一旦獲得超過90％的產(chǎn)率，副組分總是發(fā)生沉淀，因而總是污染Na KGA。
在已知的有機(jī)酸(特別是2-酮-L-古洛糖酸)的鹽的分離或純化的方法中，產(chǎn)量因此受限于溶液的物理特性(例如粘度、顏色、副組分的受限制的溶解度)。
本發(fā)明因此是基于以下問題的在從發(fā)酵液中分離或純化有機(jī)酸(特別是羧酸，例如酮古洛糖酸、乳酸、檸檬酸、香草酸、艾杜糖酸、古洛糖酸，尤其是抗壞血酸、2，4-二酮-D-古洛糖酸、2，5-二酮-D-古洛糖酸或2-酮-L-古洛糖酸)的操作中，要么必須預(yù)見到的高產(chǎn)物雜質(zhì)(其必須在后面的處理階段中以高丟失的方式分離)，要么僅獲得低產(chǎn)量的高純度產(chǎn)品。現(xiàn)有技術(shù)中給出的方法由于大量處理步驟(例如為了制備發(fā)酵液或為了得到優(yōu)良的產(chǎn)率)而是非常費時的，并且更由于耗能和多為有毒的有機(jī)溶劑的高消耗而在生態(tài)學(xué)1上很值得懷疑。
本發(fā)明的目標(biāo)是要得到一個有益的方法，從而能經(jīng)濟(jì)地、環(huán)保地和有效地從發(fā)酵液中分離游離有機(jī)酸及其鹽。
我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，該目標(biāo)可以通過具有本發(fā)明的權(quán)利要求中的特征的實施方案達(dá)到。
本發(fā)明涉及從發(fā)酵液中分離有機(jī)酸鹽的方法，其中包括以下步驟a)部分蒸發(fā)結(jié)晶，和b)鹽的沉淀的置換。
術(shù)語“有機(jī)酸”指具有一個或多個羧基基團(tuán)(-COOH)的、3到20個碳原子、優(yōu)選4到10個碳原子、更優(yōu)選5到7個碳原子的、取代或未取代的、支化或直鏈的碳鏈。優(yōu)選的“有機(jī)酸”指羧酸。羧酸也可以帶一個或多個酮基團(tuán)(-C＝O)。有機(jī)酸可通過糖(如淀粉、蔗糖或葡萄糖)的發(fā)酵轉(zhuǎn)化來制備。有機(jī)酸的例子是例如酮古洛糖酸、乳酸、檸檬酸、香草酸、艾杜糖酸、古洛糖酸，尤其是抗壞血酸、2，4-二酮古洛糖酸、2，5-二酮-D-古洛糖酸或2-酮-L-古洛糖酸(KGA)。類似地，術(shù)語有機(jī)酸包括乙酸、馬來酸、丙二酸、水楊酸、羥基乙酸、戊二酸、安息香酸、丙酸、草酸、硬脂酸、抗壞血酸、谷氨酸等或其混合物。有機(jī)酸優(yōu)選2-酮-L-古洛糖酸(KGA)。
本發(fā)明中的術(shù)語“部分蒸發(fā)結(jié)晶”指發(fā)酵液被部分蒸發(fā)以便將溶解于其中的待分離的酸(特別是乳酸、檸檬酸、抗壞血酸、古洛糖酸或2-酮-L-古洛糖酸)的鹽部分沉淀，即優(yōu)選10到95％的有機(jī)鹽還溶解于發(fā)酵液中。蒸發(fā)結(jié)晶可在常壓或降低了的壓力下操作。
蒸發(fā)結(jié)晶的一部分可被“冷卻結(jié)晶”所代替。在本發(fā)明的方法中，部分蒸發(fā)結(jié)晶可以和“部分冷卻結(jié)晶”相結(jié)合。在本發(fā)明中，術(shù)語“部分冷卻結(jié)晶”指發(fā)酵液(特別是在蒸發(fā)結(jié)晶中有機(jī)鹽已經(jīng)被“耗盡”了的發(fā)酵溶液)被冷卻以便溶解于其中的、待分離的酸(特別是乳酸、檸檬酸、抗壞血酸、古洛糖酸或2-酮-L-古洛糖酸)的鹽部分沉淀出來。
“部分沉淀”是指經(jīng)沉淀后10到95％的有機(jī)酸鹽仍然溶于發(fā)酵液中。
本發(fā)明中，術(shù)語“置換沉淀”是指所提及酸(特別是乳酸、檸檬酸、抗壞血酸、古洛糖酸或2-酮-L-古洛糖酸)的鹽通過添加有機(jī)液體從發(fā)酵水溶液中沉淀出來，其中有機(jī)液體可與水混合，但所提及的鹽(特別是乳酸、檸檬酸、抗壞血酸、古洛糖酸或2-酮-L-古洛糖酸)的鹽不溶或溶解性差?？膳c水混合的有機(jī)溶劑是極性溶劑，例如烷基醇(如甲醇、乙醇、正丁醇、異丁醇、1-丙醇、2-丙醇等)或烷基酮(如丙酮、2-丁酮、丙酮等)。
此處所用的術(shù)語“發(fā)酵液”(和“發(fā)酵溶液”或“發(fā)酵排出液”同意)指的是液態(tài)營養(yǎng)介質(zhì)，其中生物體(通常是微生物，例如原生物(如真菌、酵母或細(xì)菌)，藻類或動物或植物細(xì)胞)被培養(yǎng)出來并且因此可包括這些生物體。該術(shù)語包括含生物質(zhì)的介質(zhì)及其中生物質(zhì)通過例如過濾(例如錯流膜處理、傾析或離心分離)被移走或減少的介質(zhì)。發(fā)酵液、發(fā)酵溶液或發(fā)酵排出液可含有不同量的生物質(zhì)，特別是被溶解的物質(zhì)(例如蛋白質(zhì)、糖、肽)或不溶的組分(例如微生物或細(xì)胞成分)?？梢詫⒁环N或多種適宜地改善了成分的萃取、穩(wěn)定性或溶解性或賦予其適宜的特性(如pH、傳導(dǎo)率、鹽濃度等)的物質(zhì)(例如鹽或緩沖溶液)溶于發(fā)酵液中或與之混合。發(fā)酵液也可以含有某一比例的可與水混合的有機(jī)溶劑，只要這一比例不會導(dǎo)致所提及的鹽的沉淀即可。導(dǎo)致細(xì)胞解體的物質(zhì)也可存在于其中。該術(shù)語也包括按照此處所描述的、被容易地制備的發(fā)酵液。
在文獻(xiàn)中，通常首先得到有機(jī)酸鹽，然后從中將酸釋放并結(jié)晶。特別是在酮古洛糖酸的釋放和結(jié)晶中，這導(dǎo)致了高比例的副產(chǎn)品(尤其是通過不希望的閉環(huán)作用的方式)。已有技術(shù)中描述的基于將有機(jī)酸及其鹽通過揮發(fā)結(jié)晶從發(fā)酵液中分離的方法的產(chǎn)率僅80到90％。高于95％的產(chǎn)率只能通過結(jié)合多個結(jié)晶步驟才能獲得(見上文、EP 0805210、EP 0359645)。在JP52066684和GB800634中，借助修改后的置換結(jié)晶方法，在不利的高甲醇消耗下，獲得了純Na KGA的高達(dá)90％的產(chǎn)率，在Na KGA被雜質(zhì)污染的情況下，產(chǎn)率高達(dá)95％。沒有描述蒸發(fā)結(jié)晶和置換沉淀的組合。
借助本發(fā)明，可獲得使在一步或兩步內(nèi)、在經(jīng)濟(jì)、環(huán)保方面有利地、以超過90％、優(yōu)選超過95％的產(chǎn)率分離有機(jī)酸鹽成為可能的方法。有利的是有機(jī)酸延首先被結(jié)晶出來，然后將酸從重新溶解的鹽中釋放。尤其是對KGA，其具有可避免例如通過閉環(huán)作用產(chǎn)生的高比例副產(chǎn)品的優(yōu)點。
令人驚訝的是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可以通過添加有機(jī)溶劑將最大量的、還處于溶解狀態(tài)的有機(jī)酸鹽以高產(chǎn)率和純度的結(jié)晶的形式從含高比例雜質(zhì)的發(fā)酵液中沉淀出來，而沒有顯著的副組分的共沉淀，其中有機(jī)酸本身并不溶解于上述有機(jī)溶劑。盡管在體積上被濃縮的發(fā)酵液(母液)在組成上具有極不利的有價值產(chǎn)品與副組分的比，仍可做到這一點。因此，例如可在僅兩步中可以以97到99％的產(chǎn)率得到具有僅輕微的變色和很好的純度的KGA。
由此，與已有技術(shù)相比，根據(jù)本發(fā)明的方法具有不僅僅可以在僅一或兩步加工上經(jīng)濟(jì)的步驟實施的優(yōu)點。有利的是，由于置換沉淀是由濃縮發(fā)酵溶液實行的，因此在比已有技術(shù)更小的體積里發(fā)生，根據(jù)本發(fā)明的方法也導(dǎo)致了有機(jī)溶劑消耗的顯著減少。另外，使用有機(jī)溶劑稀釋原來高粘度的母液從處理角度而言具有使固液分離變得方便的優(yōu)點，進(jìn)而導(dǎo)致更高的純度和顏色減輕。從能量的角度而言，還具有純化過程部分可在絕熱條件下進(jìn)行、因此不需要加熱或冷卻的優(yōu)點。最后，根據(jù)本發(fā)明的方法對發(fā)酵溶液的制備僅要求很少或根本不需要準(zhǔn)備步驟。最后，根據(jù)本發(fā)明的方法還具有甚至在非常早的階段就得到了高度純化的物質(zhì)、因此在基于經(jīng)純化的物質(zhì)的隨后的步驟中產(chǎn)品的產(chǎn)率和純度可得到改善的優(yōu)點。
根據(jù)本發(fā)明，在此處描述的方法中，發(fā)酵溶液僅被部分蒸發(fā)，即蒸發(fā)至10到95％、優(yōu)選30到90％、更優(yōu)選50到85％或更高(取決于起始溶液的濃度而定)。優(yōu)選大于75％、更優(yōu)選大于80％并最優(yōu)選大于85％的所用的水被蒸發(fā)，并且優(yōu)選大于30％的酸、尤其是KGA被結(jié)晶。蒸發(fā)程度越高，所用的置換劑就越少。
進(jìn)料中水的最高蒸發(fā)比率或限度取決于起始溶液中的鹽濃度。蒸發(fā)限度優(yōu)選95％、并且更優(yōu)選90％的進(jìn)料中的水。對于5至15重量％Na KGA水溶液，最大蒸發(fā)限度或程度優(yōu)選80到95％溶液中的水。對于起始溶液(例如發(fā)酵溶液)中的水，最大蒸發(fā)比率優(yōu)選85到95％。
在懸浮液中，特別是對于Na KGA，懸浮液優(yōu)選具有從20到60重量％、更優(yōu)選30到50重量％、例如40重量％的固含量，并且水含量為30到60％并優(yōu)選40到50％。這對應(yīng)于20-70重量％、并優(yōu)選40-60重量％溶解的和固體的Na KGA。
在部分蒸發(fā)的過程中，以較高產(chǎn)率得到了非常純的有機(jī)酸鹽。蒸發(fā)的程度取決于所希望的產(chǎn)物純度和所希望的產(chǎn)率。蒸發(fā)的程度越高，從發(fā)酵液所得到的雜質(zhì)和所希望的產(chǎn)品的產(chǎn)率就越高。
因此，例如在被蒸發(fā)到90％的、不含細(xì)胞物質(zhì)的發(fā)酵溶液中，獲得了75％范圍里的KGA產(chǎn)率。令人驚訝的是，通過加入例如甲醇的置換劑，從上層清液可以更高純度沉淀出另外的有價值的產(chǎn)物。有利的是，為了以高純度從上層清液中沉淀有機(jī)酸鹽，僅需要少量的置換劑。
在一個優(yōu)選的實施方案中，蒸發(fā)結(jié)晶在低溫和降低了的壓力下完成。溫和反應(yīng)條件避免了產(chǎn)物的分解。優(yōu)選地，結(jié)晶器的溫度在20℃和100℃之間，更優(yōu)選在30℃和80℃之間，最優(yōu)選在40℃和70℃之間。
優(yōu)選壓力在0.01巴到1巴，更優(yōu)選0.05巴到0.5巴，最優(yōu)選0.1巴到0.3巴之間。
在另一個實施方案中，結(jié)晶器中的固含量優(yōu)選從5到60重量％，更優(yōu)選從25到50重量％。在結(jié)晶器中的“固含量”是指基于懸浮液總量的結(jié)晶有機(jī)酸鹽(尤其是Na KGA)的重量比例。
蒸發(fā)結(jié)晶可在任何所希望的結(jié)晶器(例如攪拌容器、強制再循環(huán)器、通流管或流化床結(jié)晶器(例如Oslo型))中進(jìn)行。優(yōu)選的結(jié)晶器也適合在較低壓強下完成處理。
在一個實施方案中，根據(jù)本發(fā)明的方法也包括和冷卻結(jié)晶結(jié)合在一起的蒸發(fā)結(jié)晶。在冷卻結(jié)晶中，在帶有有機(jī)酸鹽結(jié)晶的蒸發(fā)后將發(fā)酵液冷卻。優(yōu)選冷卻到0℃到50℃，更優(yōu)選30℃到40℃。冷卻結(jié)晶可在和蒸發(fā)結(jié)晶同一設(shè)備中進(jìn)行。冷卻可以通過真空蒸發(fā)、用冷傳遞介質(zhì)直接冷卻或通過熱交換間接冷卻進(jìn)行。為避免結(jié)殼，特別地，也可以使用具有被連續(xù)或循環(huán)清潔的熱交換器表面的所有類型的結(jié)構(gòu)，例如冷卻圓盤結(jié)晶器。
優(yōu)選在蒸發(fā)結(jié)晶中或蒸發(fā)結(jié)晶及冷卻結(jié)晶中10到95％之間的有機(jī)酸鹽被沉淀。優(yōu)選30到95％之間，更優(yōu)選40到90％之間。如果僅從產(chǎn)品質(zhì)量方面考慮，結(jié)晶產(chǎn)量應(yīng)在50-60％之上。特別優(yōu)選結(jié)晶產(chǎn)率為約60-90％并且蒸發(fā)比率在75-95％的范圍。
起始溶液中有機(jī)酸鹽的濃度優(yōu)選至少5％，更優(yōu)選7％，甚至更優(yōu)選10％，甚至更優(yōu)選12％或更高，特別是對于KGA鈉鹽。
待蒸發(fā)的溶劑的量和獲得的結(jié)晶部分取決于起始溶液中的鹽濃度。2％KGA鈉鹽水溶液需要將約90％的溶劑(例如水)蒸發(fā)掉以獲得結(jié)晶，而對于15％Na KGA水溶液，小于30％到50％的溶劑被蒸發(fā)掉。
在一個優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明因此涉及在以下條件進(jìn)行部分蒸發(fā)結(jié)晶的方法i)結(jié)晶器中的溫度在20℃到100℃之間；ii)壓力在0.01巴到1.0巴之間；iii)結(jié)晶器中的固含量從5到60重量％；和/或iv)將濃縮發(fā)酵液冷卻到0℃到50℃。
特別優(yōu)選在條件(i)到(iv)下進(jìn)行處理。甚至更優(yōu)選在以下條件進(jìn)行處理i)結(jié)晶器中的溫度在40℃到70℃之間；ii)壓力在0.1巴到0.3巴之間；iii)結(jié)晶器中的固含量從25到50重量％；和iv)將濃縮發(fā)酵液冷卻到30℃到40℃。
最優(yōu)選以結(jié)晶產(chǎn)率在60到90重量％的范圍內(nèi)和蒸發(fā)比率超過75％的方式實施結(jié)晶。因此，對于上述方法，特別優(yōu)選按照(i)到(iv)及(v)KGA鈉鹽起始濃度至少為5％。
根據(jù)本發(fā)明，置換沉淀是通過在蒸發(fā)結(jié)晶過程中或蒸發(fā)結(jié)晶后將可與水混合而待分離的鹽是不溶于其中或在其中溶解性差的有機(jī)溶劑加入母液或?qū)⒛敢杭尤胗袡C(jī)溶劑而實現(xiàn)的。
通過將含水發(fā)酵液和有機(jī)溶劑混合發(fā)生形成沉淀的鹽置換。沉淀優(yōu)選通過添加水溶性極性溶劑得到，優(yōu)選通過添加水溶性烷基醇(例如甲醇、乙醇、正丁醇、異丁醇、1-丙醇、2-丙醇、己醇、庚醇、辛醇等)或水溶性烷基酮(例如丙酮、2-丁酮、戊酮等)；優(yōu)選甲醇或乙醇。最優(yōu)選甲醇。
鹽在所使用的溶劑中溶解性差，優(yōu)選幾乎不溶。優(yōu)選鹽的溶解度是7％，更優(yōu)選5％，甚至更優(yōu)選低于3％。
至于反應(yīng)容器中的水溶液或發(fā)酵液(進(jìn)料料流)，優(yōu)選使用10到80％、更優(yōu)選使用15到75％、甚至更優(yōu)選使用15到60％、最優(yōu)選使用20到40％的置換劑進(jìn)行沉淀，特別在烷基醇，尤其是乙醇、甲醇或丙醇中進(jìn)行置換。置換劑的用量取決于步驟(a)中的濃縮程度。
優(yōu)選使用在0.2kg MetOH/kg產(chǎn)物到3kg MetOH/kg產(chǎn)物(基于結(jié)晶量)的范圍內(nèi)的甲醇沉淀劑，更優(yōu)選小于2kg/kg和最優(yōu)選從0.5到1.0kgMetOH/kg產(chǎn)物，尤其當(dāng)產(chǎn)物是Na KGA時。
通過本發(fā)明的方法的步驟(a)和(b)得到的純度優(yōu)選超過90％，更優(yōu)選超過95％和甚至更優(yōu)選96％、97％、98％、99％或更高。
置換沉淀在一個優(yōu)選方案中在沉淀設(shè)備中的溫度為0到100℃，優(yōu)選在10到80℃，特別優(yōu)選在20到70℃的條件下進(jìn)行。
反應(yīng)溫度和置換劑比例的選擇取決于要沉淀的鹽和置換劑在水中的溶解度。通過選擇反應(yīng)溫度，可以影響鹽在溶液中的溶度積，而溶度積對沉淀所希望的鹽需要的置換劑的比例有影響(反之亦然)。
沉淀可在結(jié)晶器中進(jìn)行或具有以可控方式進(jìn)行混合(例如帶有混合噴嘴)的設(shè)備的特別用于沉淀的設(shè)備中進(jìn)行。
因此，本發(fā)明涉及一個方法，其中，根據(jù)本發(fā)明，結(jié)晶置換是在以下條件下進(jìn)行的i)添加甲醇、乙醇、1-丙醇、2-丙醇、丙酮和/或2-丁醇作為置換劑；ii)用10％到80％的置換劑(相對于發(fā)酵液)進(jìn)行沉淀，和/或iii)沉淀設(shè)備中的溫度為0℃到100℃。
特別優(yōu)選地，在條件(i)至(iii)下實施該方法。甚至更優(yōu)選地，在以下條件下實施該方法i)添加甲醇、乙醇、2-丙醇作為置換劑；ii)用20％到40％的置換劑(相對于發(fā)酵液)進(jìn)行沉淀，和iii)沉淀設(shè)備中的溫度從20℃到60℃。
蒸發(fā)結(jié)晶和沉淀可在兩個分開的設(shè)備或輪流在一個設(shè)備中進(jìn)行，取決于溫度和壓力比及沉淀劑的選擇。本發(fā)明的方法中的步驟(a)和(b)可相繼或同時進(jìn)行。
在母液(尤其是發(fā)酵罐溶液)被特別嚴(yán)重污染或變色的情況下，可以僅進(jìn)行一次蒸發(fā)結(jié)晶，這是因為在此階段，甚至在這些條件下，也總有白色結(jié)晶分離出來，僅能向母液加入沉淀劑(例如甲醇)并且此處形成的預(yù)純化(但并不符合規(guī)格)的結(jié)晶能夠被送回蒸發(fā)結(jié)晶操作。
有利地，基于起始發(fā)酵溶液(進(jìn)料溶液)中KGA的含量，僅在一步或(如果需要)兩步內(nèi)可有利地獲得高于90％、優(yōu)選高于95％、特別優(yōu)選高于97％或98％、最優(yōu)選高于99％或更高的高產(chǎn)率。
根據(jù)本發(fā)明，得到的結(jié)晶可被洗滌以去除存在的雜質(zhì)。優(yōu)選用一種有機(jī)酸鹽在其中具有低溶解性，優(yōu)選完全不溶的溶劑洗滌結(jié)晶。優(yōu)選地，使用置換沉淀的溶劑。本發(fā)明的方法的產(chǎn)率可以通過循環(huán)洗滌水而提高。對于循環(huán)洗滌水的情況，產(chǎn)率依賴于所使用溶劑的量，因此可在例如95到99％之間進(jìn)行調(diào)整。因此，每kg鹽所使用的溶劑的量可在0.2到1kg之間。在一個優(yōu)選方案中，溶劑是甲醇或乙醇，待純化的鹽是KGA鹽，優(yōu)選Na KGA。
按照本發(fā)明的方法得到的結(jié)晶展現(xiàn)出僅僅輕微的變色。取決于方法的實施和所獲得的產(chǎn)率，結(jié)晶為微黃色到無色。優(yōu)選結(jié)晶為無色。
有利地，也由根據(jù)本發(fā)明的方法獲得非常高純度的產(chǎn)品，尤其是乳酸、古洛糖酸、KGA或檸檬酸的鹽。
因此，產(chǎn)品的純度優(yōu)選超過95％，更優(yōu)選超過97％，甚至更優(yōu)選超過98％，甚至更優(yōu)選超過99％或更高。
在一個優(yōu)選的實施方案中，有機(jī)酸是羧酸，特別優(yōu)選多羥基羧酸并且更優(yōu)選2-酮多羥基-C6-羧酸。更優(yōu)選如酮古洛糖酸或乳酸、檸檬酸、香草酸、安息香酸或古洛糖酸的有機(jī)酸。尤其優(yōu)選酮古洛糖酸是2，4-二酮-D-古洛糖酸、2，5-二酮-D-古洛糖酸、2-酮-L-古洛糖酸和抗壞血酸。最優(yōu)選2-酮-L-古洛糖酸。
根據(jù)本發(fā)明的方法可連續(xù)操作或分批操作。
在一個實施方案中，有機(jī)酸是以鈉、鉀、鎂、銨或鈣鹽的形式存在的。如果要在開始時制備游離酸，例如在發(fā)酵過程中，作為代謝產(chǎn)物，酸的鹽通常可以通過調(diào)整合適的pH值而得到，例如通過添加堿NH4OH/NH3、MgO、Mg(OH)2、NaOH、NaHCO3、Na2CO3、KOH、KHCO3、K2CO3、CaOH、CaCO3、Ca(OH)2、CaO或弱有機(jī)酸(如甲酸、乙酸等)的鹽。優(yōu)選鈉鹽。鈣例如可以通過添加碳酸鈉或引入CO2和CaCO3以碳酸鈣的形式沉淀并過濾出來。最優(yōu)選2-酮-L-古洛糖酸的鈉鹽的分離。
在根據(jù)本發(fā)明的方法的一個優(yōu)選的實施方案中，除了待分離的發(fā)酵液的有機(jī)酸之外，減少了生物質(zhì)和/或有機(jī)的和/或無機(jī)的成分。發(fā)酵液通常含有不溶的生物質(zhì)以及有機(jī)和無機(jī)雜質(zhì)，無機(jī)雜質(zhì)主要含有金屬陽離子。因此，不溶成分(例如生物質(zhì)如微生物或細(xì)胞成分)優(yōu)選在蒸發(fā)結(jié)晶之前被分離。固體成分可通過普通的固/液分離方法除去，例如在有沉淀劑或過濾添加劑(如聚丙烯酰胺)的存在下，例如通過過濾(尤其是超濾或微濾)或分離(例如撇取、離心或傾析)除去。
類似地，在實施根據(jù)本發(fā)明的方法之前，將起始水溶液的某些可溶成分分離也是有利的。因此將某些金屬或蛋白質(zhì)至少部分分離可以是有利的，但是徹底分離并非總是必需的。通過另外的純化步驟(例如微濾或超濾)，可以將蛋白質(zhì)和其他大分子物質(zhì)除去。
為除去不希望的無機(jī)離子，可以對發(fā)酵液進(jìn)行去礦物質(zhì)處理。特別以除去二價離子為有利。
例如可以通過將發(fā)酵液酸化或借助螯合劑或陽離子交換劑(優(yōu)選聚合物陽離子交換劑)將無機(jī)陽離子除去。
因此，根據(jù)本發(fā)明的方法包含一個或多個過濾步驟，尤其是發(fā)酵液的微濾或超濾，微濾或超濾的界線是可以變化的。通常從微濾到超濾的過渡被視為孔徑約為100nm。
對細(xì)胞和/或蛋白質(zhì)的分離和純化KGA鈉鹽溶液的獲得而言，可以將被污染的溶液懸浮液和膜在壓力作用下接觸，可以將滲透物(濾液)在膜的背面在以比進(jìn)料側(cè)低的壓力下除去。得到含細(xì)胞和/或蛋白質(zhì)的濃縮物(滲余物)和含KGA鈉鹽的純化滲透物。有利地，通過循環(huán)、膜的機(jī)械移動或膜間的攪拌單元，在膜和進(jìn)料溶液間可產(chǎn)生一個0.1到10m/s的相對速度。通過不能透過組分的濃縮實現(xiàn)分離。
為提高產(chǎn)率，可隨后對濃縮物進(jìn)行滲濾操作。此處通過向滲余物提供水，將不能透過的組分的濃度保持不變并將有價值的產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為滲透物。
膜處理可以以間歇操作的形式通過將懸浮液重復(fù)通過膜模塊或連續(xù)地一次通過一個或多個串聯(lián)的進(jìn)料和滲出階段進(jìn)行。
優(yōu)選地，微濾或超濾是孔徑為200到20nm、優(yōu)選100到50nm的過濾1，或孔徑為100到5nm、優(yōu)選50到20nm的過濾2或3，或超濾1、2和/或3的組合。20nm的孔徑大致對應(yīng)于20kD的分離極限，5nm大致對應(yīng)于10kD，而分離極限高度依賴于各自的大分子，因此不能直接指定分離極限和孔徑。
過濾1根據(jù)本發(fā)明在經(jīng)發(fā)酵后進(jìn)行，過濾2根據(jù)本發(fā)明在過濾1后或在發(fā)酵后，但是，有利地，過濾2在將從過濾1得到的濾液濃縮后進(jìn)行，如以下所述。溶解結(jié)晶后，也可以進(jìn)行過濾3，如以下所述。優(yōu)選盡可能少地實施過濾步驟。所以特別優(yōu)選在發(fā)酵后進(jìn)行過濾1和在將從過濾1得到的濾液濃縮后進(jìn)行過濾2的組合。更優(yōu)選僅實施過濾1或過濾2；最優(yōu)選僅實施過濾1。
分離層可由有機(jī)聚合物、陶瓷、金屬或碳組成，并且在加工溫度下和反應(yīng)介質(zhì)中穩(wěn)定。由于機(jī)械的原因，作為慣例，通常將分離層附著到與分離層同種的材料或多種不同的材料的單層或多層多孔亞結(jié)構(gòu)上。例子有表1分離層
膜可以以板、管、多溝槽元件、毛細(xì)管或纏繞幾何形狀形式使用，對于其可以得到允許滲余物和滲透物之間的分離的適當(dāng)?shù)膲毫γ荛]單元模塊。
在滲余物和滲透物之間的最佳的可透膜壓取決于依膜孔的直徑或分離極限(以分子量單位表示)和膜的機(jī)械穩(wěn)定性，取決于膜的類型，基本為1到40巴之間，對于微濾例如為1到10巴之間，而對于超濾例如為8到40巴之間。通常越高的可透膜壓導(dǎo)致滲透液的流速越高。同時，對于太高的進(jìn)料壓力，可以通過提高滲透物壓力調(diào)節(jié)可透膜壓。
操作溫度取決于產(chǎn)物和膜的穩(wěn)定性。對于酮古洛糖酸鈉的純化，溫度為20和90℃之間，優(yōu)選40和80℃之間。溫度越高，滲透流量越大。
例如可以使用以下的膜
表2膜
特別優(yōu)選孔徑為50nm。
結(jié)晶之前的蛋白質(zhì)和生物質(zhì)的分離及通過電隔膜處理的有機(jī)酸的釋放具有不可能發(fā)生變色或蛋白質(zhì)沉淀的優(yōu)點。
如上所述，除了有機(jī)酸的合成制備之外，已經(jīng)開發(fā)了多種利用微生物制備有機(jī)酸的方法。由此例如將D-葡萄糖通過發(fā)酵轉(zhuǎn)化成5-酮-D-古洛糖酸并將其通過發(fā)酵方法或化學(xué)方法轉(zhuǎn)化成L-艾杜糖酸和氧化成2-酮-L-古洛糖酸?？梢詫-山梨醇可通過發(fā)酵成L-山梨糖被發(fā)酵成2-酮-L-古洛糖酸。
發(fā)酵過程可以是需氧的或厭氧的。可以在有機(jī)酸分離前將微生物或細(xì)胞分離并任選地將其送回發(fā)酵過程中。
在一個實施方案中，原生生物(如酵母、真菌、藻或其他真核微生物)或細(xì)菌或動物或植物細(xì)胞被用來制備發(fā)酵液。優(yōu)選使用桿菌屬、乳桿菌屬、假葡萄糖酸菌屬(pseudogluconobacter)、假單胞菌屬、棒狀桿菌屬、變形桿菌屬、檸檬酸桿菌屬、腸桿菌屬、歐文菌屬、黃單胞菌屬、黃桿菌屬、醋桿菌屬、葡萄糖桿菌屬、曲霉屬或短桿菌屬的微生物或其混合物。類似地，植物材料、動物細(xì)胞或藻類的均漿可被用來作起始原料，并且被類似地在術(shù)語“發(fā)酵液”下理解，如果需要的話，特定起始材料必須預(yù)先被純化或稀釋。
在此處描述的有機(jī)酸的分離和釋放前對發(fā)酵液進(jìn)行滅菌可能是有利的。
在發(fā)酵制備中，通常在室溫或約20℃下在發(fā)酵液中形成1到30重量％之間(通常為7和18重量％之間)有機(jī)酸。相應(yīng)地，此處描述的方法的起始溶液中有機(jī)酸鹽濃度為1到30％之間。如例如Na KGA的有機(jī)酸鹽的溶解度可以比游離酸更低。由此，Na KGA在約20℃時的溶解度是18％，發(fā)酵液中溫度越高，鹽的溶解度就越高。例如Na KGA在50℃時的溶解度是24％。優(yōu)選地，如上所述，發(fā)酵液或起始溶液在20℃下Na KGA的含量為5重量％和15重量％之間。但是，鹽濃度取決于有機(jī)酸的性質(zhì)，陽離子和如例如溫度的其他處理條件的選擇使發(fā)酵液在室溫(即15℃到25℃)和常壓(即在980到1100毫巴)下不會結(jié)晶。
可以在除去生物質(zhì)和其他雜質(zhì)之前或之后，任選地對發(fā)酵液進(jìn)行濃縮(例如通過蒸發(fā)或滲透，特別是通過反滲透)，從而可調(diào)整發(fā)酵液的濃度以適應(yīng)結(jié)晶。就此而論，以低溫(如果可能的話10℃到90℃)為有利。
優(yōu)選在結(jié)晶之前并且在一個或多個過濾步驟之后對發(fā)酵液進(jìn)行處理。尤其優(yōu)選在過濾1之后進(jìn)行濃縮。
在另外的實施方案中，根據(jù)本發(fā)明的方法包括一個或多個另外的結(jié)晶或產(chǎn)品的分離和/或制備步驟。
固液分離方法，例如過濾、傾析、吸濾、撇取和/或離心，即例如借助于吸濾器、旋轉(zhuǎn)過濾器、帶式過濾器、剪切離心機(jī)、轉(zhuǎn)筒離心機(jī)等的分離是適用于根據(jù)本發(fā)明的分離的。分離后結(jié)晶可被干燥和/或研磨并隨后被貯存或另外處理。
取決于干燥處理，所獲得的有機(jī)酸鹽的結(jié)晶含有可在另外的干燥步驟中被除去的結(jié)晶水。因此，2-酮-L-古洛糖酸鹽可以以一水化物的形式被分離出來。結(jié)晶水可通過例如進(jìn)一步在降低了的壓力下干燥和如果適當(dāng)?shù)脑捦ㄟ^加熱而被除去。
隨后結(jié)晶可在水或另一種極性溶劑來吸收，如具有3到7個碳原子的支化或直鏈的脂肪醇，特別是甲醇、乙醇、正丙醇、異丙醇、丁醇、己醇或庚醇。
為了從結(jié)晶中除去不希望的有色雜質(zhì)，可以任選地實施本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的方法以進(jìn)行結(jié)晶的提取。
為了在一個或多個另外的處理步驟中從分離的鹽釋放純化的酸，根據(jù)本發(fā)明方法也可以包含尤其通過酸的質(zhì)子化(例如通過離子交換處理步驟的方法或電隔膜處理步驟的方法，如通過隔膜電解或電滲析方法)而實現(xiàn)的步驟。
在離子交換處理步驟中，鹽的陽離子被位于交換樹脂上的質(zhì)子所取代，并且酸以這種方式被釋放。
在電隔膜處理步驟中，鹽的陽離子(“反離子”)(例如鈉、鉀或鈣離子)和酸的離子被分開并利用離子選擇性膜被在空間上單獨收集。有利地，分離是利用電場的影響進(jìn)行的。酸陰離子和被釋放或或可得到的質(zhì)子(H+)反應(yīng)，給出游離酸，例如KGA或抗壞血酸，同時反離子和被平行地釋放或可得到的氫氧根離子反應(yīng)，得到對應(yīng)的堿(例如NaOH)。
取決于所使用的離子選擇性膜和所使用的電極，可將電隔膜處理的各種實施方案加以區(qū)別。在隔膜電解中，利用在電場中的離子交換膜將帶電粒子分離，并通過電極上的水電解產(chǎn)生質(zhì)子和氫氧根離子。電極的排列，除了只具有末端電極的最簡單電路之外，也可以使用雙極膜，如電滲析中的那樣，而用(雙性)電極則取代雙極膜。在電滲析中，利用雙極膜上的水的電強制離解來產(chǎn)生質(zhì)子和氫氧根離子。如果用專用回路將電極和酸、堿或中間室分開，以低能量要求和避免溶液中的其他成分氧化或還原有利。
由此，通過一個或多個離子選擇性膜，被吸收在水里或水溶液的、根據(jù)本發(fā)明分離得到的有機(jī)酸可優(yōu)選地在電場的作用下被離解并在空間上分開成陰離子和金屬反陽離子，并且，被釋放的酸和對應(yīng)的氫氧化物隨后被通過同時產(chǎn)生過程或提供質(zhì)子或氫氧根離子而被制備出來。特別地，電隔膜處理在EP-A-0230 021、WO96/41021、US 50747,306、US 4990,441和在《歐洲膜指南》(“European Membrane Guide”)(出版商Mulder，荷蘭，1997年)第35到38頁中得到了描述。此類從有機(jī)酸鹽分離出有機(jī)酸的電滲析概括性地描述于例如，在Mani，《脫鹽》(“Desalination”)第68卷(1988年)第149-166頁和Nagasubramanian，《膜科學(xué)期刊》(“J.Membrane Sci.”)第2卷(1997年)第109-204頁中。WO96/41021要求了對一個從通過過濾步驟除去雜質(zhì)的發(fā)酵液中釋放有機(jī)酸的方法的權(quán)利。US6,004,445和EP 779286要求了對使用雙極膜通過電滲析從其堿金屬鹽中釋放抗壞血酸的方法的權(quán)利。WO99/61647描述了一個使用雙極電滲析從發(fā)酵溶液中分離出酮古洛糖酸(Kgat)，同時釋放游離KGA的方法。在YU在《化學(xué)工程期刊》(“Chemical Engineering Journal”)第78卷(2000)第153-157頁中描述了通過電滲析從發(fā)酵溶液中釋放抗壞血酸或KGA。這些文獻(xiàn)的內(nèi)容及其所引用的參考文獻(xiàn)也被認(rèn)為包括于此。
在本發(fā)明另一個優(yōu)選的實施方案中，從溶液中除去多價陽離子到含量低至15ppm，優(yōu)選低至5ppm，更優(yōu)選低至3ppm，最優(yōu)選低至1ppm。有利地，可以通過使用形成螯合物的離子交換樹脂處理溶液除去多價離子。多價離子指二價或更高價，例如三價或四價離子，即陽離子或陰離子，例如Ca2+、Mg2+、CO32-等。可能的形成螯合物的離子交換樹脂是例如帶有亞氨基二乙酸基團(tuán)或氨基磷酸基團(tuán)的離子交換樹脂。它們是例如Rohmand Haas的Amberlite 718或748。
如果對鈣鹽進(jìn)行結(jié)晶處理，在下面的隔膜電解中，為防止氫氧化物的沉淀，堿循環(huán)(base cycle)至少為保持中性。如果反離子的氫氧化物的沉淀成為問題的話，這原則上對單價離子也是可能的。
所以，在一個實施方案中，本發(fā)明涉及一個從其鹽制備游離有機(jī)酸和鹽的對應(yīng)的氫氧化物的方法，包括根據(jù)本發(fā)明的有機(jī)酸的分離以及此外的以下的步驟c)將有機(jī)酸鹽的結(jié)晶溶解于水中或水溶液中，從而得到結(jié)晶溶液；d)從結(jié)晶溶液中除去多價陽離子；和e)從結(jié)晶溶液中釋放有機(jī)酸，尤其是通過離子交換或電隔膜處理。
在根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案中，根據(jù)步驟(c)得到的結(jié)晶溶液中有機(jī)酸鹽的濃度在10到50重量％之間，優(yōu)選15到25重量％之間。
此外，根據(jù)本發(fā)明的方法還可包含下面的步驟c)結(jié)晶溶液的過濾。
優(yōu)選的過濾是根據(jù)步驟(c)將結(jié)晶溶解之后和/或根據(jù)步驟(e)將酸分離之前進(jìn)行的過濾3。
通過結(jié)晶溶液的過濾，被共沉淀的雜質(zhì)(特別是例如對酸的釋放有害的蛋白質(zhì))可以被除去。過濾3的優(yōu)點在于，和上述過濾2相比，需要純化的進(jìn)料料流體積量更小，因為通常結(jié)晶溶液具有更高的有機(jī)酸鹽濃度。此外的優(yōu)點是雜質(zhì)的一部分是非共沉淀的，因此進(jìn)料料流是已被預(yù)純化了的。另外的優(yōu)點是在水中的、使用醇(特別是乙醇或甲醇)的結(jié)晶或預(yù)沉淀過程中，某些蛋白質(zhì)變性并絮凝，從而使得膜可以得到更好的利用。
對于蛋白質(zhì)的分離，例如可以使用上述的膜，例如孔徑從100到5nm、優(yōu)選從50到20nm的膜。例如可以使用該過濾代替過濾2。
提及的酸釋放優(yōu)選通過電隔膜處理來進(jìn)行，尤其優(yōu)選通過隔膜電解或電滲析方法來進(jìn)行。如上所述，可以通過電滲析或雙極膜產(chǎn)生質(zhì)子或氫氧根離子。此外的優(yōu)點是在此類處理步驟中不需要使用額外的化學(xué)品。而且，依實施方案，除了游離酸外，也可以得到有價值的堿。在電隔膜處理中，利用在電場中的一個或多個離子選擇性離子交換膜，被溶解的鹽的陽離子(反離子)和/或被溶解的有機(jī)酸鹽的陰離子從結(jié)晶溶液(供電隔膜處理的進(jìn)料料流)中被分離。鹽可溶解在例如水或水溶液中。將陰離子從進(jìn)料料流的其他雜質(zhì)中分離掉尤其有好處。進(jìn)料料流(例如結(jié)晶溶液)的兩種離子也可以被分離。所提及的鹽的陽離子和陰離子和同時產(chǎn)生的或提供的質(zhì)子和氫氧根離子反應(yīng)從而制備出游離有機(jī)酸和對應(yīng)的反陽離子的氫氧化物。質(zhì)子可通過例如添加酸來提供，氫氧根離子可通過例如添加堿來提供。
在根據(jù)本發(fā)明的方法的一個實施方案中，陰離子或陽離子交換膜因此被放置在末端陽極和末端陰極之間，從而形成陽極室和陰極室，游離有機(jī)酸在陽極室中生成(酸循環(huán)(acid cycle))，對應(yīng)的反陽離子的氫氧化物在陰極室中生成(堿循環(huán))。
如果使用陽離子交換膜，陽離子(例如鈉離子)在電場的作用下被從結(jié)晶溶液流過的室中除去。電中性的維持是通過將每一鈉離子用單極電極的陽極產(chǎn)生的質(zhì)子(酸循環(huán))置換而實現(xiàn)的。陽離子透過陽離子交換膜向陰極方向遷移到陰極或堿室(該室用待生產(chǎn)的堿沖洗從而產(chǎn)生導(dǎo)電性)，在該處與從單極電極的陰極所產(chǎn)生的氫氧根離子反應(yīng)，得到對應(yīng)的堿(例如NaOH)(堿循環(huán))。如果用陰離子交換膜代替陽離子交換膜，為了要產(chǎn)生導(dǎo)電性和在那里與在單極電極上產(chǎn)生的質(zhì)子反應(yīng)，酸(例如酮古洛糖酸或抗壞血酸)的陰離子透過膜遷移到陽極室(酸室)(該室優(yōu)選被一個經(jīng)稀釋的酸(例如待純化的酸)沖洗從而產(chǎn)生導(dǎo)電性)，在該處與從單極電極上產(chǎn)生的質(zhì)子反應(yīng)。陽離子維持在進(jìn)料溶液中并與陰極上產(chǎn)生的氫氧根離子反應(yīng)從而得到堿。
具有單極電極的兩室體系的缺點是僅堿室中的溶液(對于陽離子交換膜)或酸室中的溶液(對于陰離子交換膜)從進(jìn)料料流中被分離出來從而得到純化。
在具有單極電極的3室體系中，待純化的酸和堿都被純化并且被從進(jìn)料料流中分離出來。
在此情況下，兩個選擇性離子交換膜被放置在末端陽極和末端陰極之間從而形成了陽極室、中間室和陰極室。中間室分別被離子交換膜和陰極室及陽極室隔開。離子交換膜可以是相同的或不相同，即例如可以使用兩個陰離子交換膜、兩個陽離子交換膜或一個陰離子交換膜和一個陽離子交換膜。
如果有利地使用一個陽離子交換膜和一個陰離子交換膜，則中間室形成了入口室，并且有利地用陽離子交換膜同陰極室隔開并用一個陰離子交換膜和陽極室隔開。例如從步驟(c)或(d)的結(jié)晶溶液(進(jìn)料料流)被引入到中間室(或稀釋室)。離子按上述原則遷移。隨后在陽極室形成游離酸；在陰極室形成反離子對應(yīng)的堿。
在另外的實施方案中，可用遵守如上所述的室和末端電極的排列的雙性電極取代末端電極。在這個組件中，電解在雙性電極上發(fā)生。
如

圖1和圖2所示，通過帶有2到3個循環(huán)的雙極膜電滲析釋放所提及的酸也是有利的。
在另外的實施方案中，末端電極上發(fā)生的電解可以由遵守如上所述的室和末端電極的排列的雙極膜上發(fā)生的電滲析來補充。
利用這些排列，在電極產(chǎn)生的電場中，許多的室的組件被用來并聯(lián)生產(chǎn)游離酸和對應(yīng)的堿。如上所述的任意數(shù)量的2-室或3-室的組件由此可串聯(lián)排列，在每一情況下都用雙性電極分開。
優(yōu)選用單獨的循環(huán)來沖洗電極。其可通過將電極用將電極的酸循環(huán)和堿循環(huán)分開(如例如圖1和圖2中所示)的單極性膜包圍而實施。適合的電極溶液是酸或堿(如例如H2SO4、HNO3、NaOH、KOH等)或堿金屬鹽溶液(如例如Na2SO4、K2SO4、NaNO3、KNO3等)。
類似地，可以通過兩室氣體擴(kuò)散陽極池進(jìn)行酸的釋放，如例如US6,004,445中所描述的。
在根據(jù)本發(fā)明的方法中，可以使用的陰離子交換膜是強、中、弱堿性的，對單價陰離子具有選擇性和透過性但對陽離子則不具有選擇性和透過性的；陽離子交換膜可以是中或強酸性膜，例如其含有磷酸或磺酸基團(tuán)，并允許單價陽離子通過，但不允許單價陰離子通過。雙極膜具有一個陽離子交換層和一個陰離子交換層，前者允許陽離子通過，而后者則允許陰離子通過。陽離子層不允許陰離子通過，而陰離子界面不允許陽離子通過。此類膜的例子在EP-779 286第8頁第8到第24行提及。
在一個優(yōu)選方案中，根據(jù)圖1或2中所示電滲析原理進(jìn)行隔膜電解；特別優(yōu)選根據(jù)圖1中所示電滲析原理的2-室體系。
在根據(jù)本發(fā)明的另外一個實施方案中，通過給稀釋室或中間室提供電場，陰離子(例如Na KGA)從含有機(jī)酸鹽(如Na KGA)的溶液中透過陰離子交換膜被轉(zhuǎn)移到酸循環(huán)室中。被轉(zhuǎn)移的陰離子(如Na KGA)和在雙極膜上形成的質(zhì)子反應(yīng)得到游離酸(如KGA)。陰離子的反離子(例如對于Na KGA為鈉離子)被通過陽離子交換膜運送到堿循環(huán)室中并和在雙極膜上釋放的氫氧根離子形成對應(yīng)的堿。不帶電荷的粒子依然留在稀釋室中，由此同時發(fā)生了KGA的純化。對于酸循環(huán)的使用，源自例如此前的處理批次的游離酸(例如KGA)的稀釋溶液是適合的。圖2說明了該方法的原理。
在一個優(yōu)選方案中，使用到電滲析步驟，其包括通過施加電場進(jìn)行的、從含有機(jī)酸鹽(如KGA鈉鹽(Na KGA)或另一種陰離子形式的酮羧酸)和陽離子(如Na離子)的進(jìn)料溶液的、從酸循環(huán)室通過陽離子交換膜進(jìn)入堿循環(huán)室的轉(zhuǎn)移。對應(yīng)的堿(例如氫氧化鈉溶液)由在雙極膜上形成的氫氧根離子和被運送的反離子(例如鈉離子)得到并被分離出來或輸送回稀釋溶液中。陰離子和在雙極膜上釋放的質(zhì)子一起留在“酸循環(huán)室”中并形成游離酸，特別是KGA。圖1說明了方法原理，并且特別有利地和根據(jù)本發(fā)明的此前的結(jié)晶步驟結(jié)合。
一般地，所使用的堿循環(huán)加料是更高稀釋的對應(yīng)于反離子(例如對于鈉鹽為氫氧化鈉溶液)的堿；僅需要在電滲析開始時保證溶液的足夠的離子電導(dǎo)率。所形成的堿，如果適當(dāng)?shù)脑捲跐饪s后，又可以再次用于發(fā)酵中。在單獨的循環(huán)中用電解質(zhì)溶液沖洗電極以避免不希望的溶液組分的反應(yīng)。
在另一個優(yōu)選的實施方案中，例如以上已經(jīng)描述(例如具有單極電極或具有雙性電極或雙極膜及已經(jīng)描述的室的排列)的組件被串聯(lián)排列數(shù)次。酸室和堿室的2-室組件或酸室、堿室和中間室或進(jìn)料室的3-室組件可以串聯(lián)排列數(shù)次。因此酸陰離子和反離子僅在一個電場作用下在多個平行循環(huán)中彼此相互分離。
例如，可存在這樣的一個排列末端陽極/陽極室/第一膜/陰極室/第一陰極/陰極室/第二膜/陽極室/第二陽極/陽極室/...等等...最終膜/最終陰極室/末端陰極。多個室的另外的例子在以上引用的關(guān)于電解和電滲析的文獻(xiàn)里已有詳細(xì)的描述，并且是本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的，并且明確地引用于此。
進(jìn)料溶液可以含有有機(jī)或無機(jī)鹽以提高溶液的電導(dǎo)率(如果合適的話)；例如可存在堿金屬硫酸鹽、硫酸氫鹽、氯化物或磷酸鹽、有機(jī)酸(例如四丁基銨)、銨鹽(例如氯化銨)等。優(yōu)選其他鹽比例低，最有選沒有其他鹽被加到進(jìn)料溶液中。
作為雙極膜，可以使用其上帶有適當(dāng)?shù)墓倌軋F(tuán)(例如-SO3-、-CO2-、-NR4+等)的均勻或非均勻的、交聯(lián)或未交聯(lián)的聚合物，例如Tokuyama Corp.的Neosepta BP-1或FuMaTech的FBI?？赡艿年栯x子交換膜是例如Tokuyama Corp.的Neosepta CMX和CMB膜、Asahi Glass的SelemionCMV膜或Dupont的Nafion 350和450。陰離子交換膜可以是例如Tokuyama Corp.的Neosepta AMX或ACS或Asahi Glass的Selemion AMV或ASV。
根據(jù)本發(fā)明的方法中所用的電流密度或電壓取決于方法參數(shù)，并且是本領(lǐng)域的技術(shù)人員的專業(yè)知識的范圍內(nèi)的，或者是可以不必付出不合理的努力即可發(fā)現(xiàn)的。離子的濃度、膜的數(shù)量和類型、室的排列和尺寸以及溫度可以是關(guān)鍵性的。
優(yōu)選地，在溫度范圍從0℃到90℃和電流密度從1到1000mA/cm2的條件下進(jìn)行隔膜電解。由于有機(jī)酸(特別是KGA和抗壞血酸)是對熱敏感的，因此盡可能選擇低溫，優(yōu)選在10℃和40℃之間。對于電滲析，處理在0℃到60℃之間、優(yōu)選20℃到40℃之間以及電流密度為1到500mA/cm2，特別優(yōu)選50到150mA/cm2的條件下進(jìn)行。最優(yōu)選20℃和40℃和50到150mA/cm2。
在另外一個優(yōu)選的實施方案中，在根據(jù)本發(fā)明的方法的釋放步驟中，相對于結(jié)晶溶液或電隔膜處理的進(jìn)料溶液中有機(jī)酸鹽的總含量，游離有機(jī)酸僅被釋放到60％到99％、優(yōu)選到80％到95％的釋放程度。有利地，酸的釋放不能通過電滲析達(dá)到完全，而是僅能達(dá)到最高99％的釋放程度。殘留反離子(特別是Na、K)通過常規(guī)的陽離子交換器或其他用于釋放殘留的酸的適當(dāng)方法例(例如用HCl處理)除去。優(yōu)選使用陽離子交換器。本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的許多酸性離子交換樹脂是合適的，例如由具有例如-SO3-或-CO2-的官能團(tuán)的、交聯(lián)或非交聯(lián)聚合物得到的大孔或凝膠狀樹脂，例如Bay AG的Lewatit S2528或S100或Mitsubishi Chemical Corporation的Nekrolith RP或RPS。
被釋放的酸可以隨后被結(jié)晶、干燥或在溶液中另外進(jìn)行處理。由此，例如含水KGA可直接被酯化。干燥KGA可隨后如下所述和醇酯化，以和C1到C4醇酯化為有利。如果產(chǎn)品的純度不夠，可進(jìn)行上述結(jié)晶。
有利地，使用根據(jù)本發(fā)明的方法釋放的KGA可被用作抗壞血酸制備的重要中間體，從而可對整體最優(yōu)化的抗壞血酸制備作出的顯著貢獻(xiàn)。KGA酯是制備抗壞血酸的中間體。尤其是對抗壞血酸的制備，在工業(yè)方法中，對游離KGA用支化或直鏈C1到C8烷基醇(例如甲醇、乙醇、正丁醇、異丁醇、1-丙醇、2-丙醇、戊醇等)進(jìn)行酯化。因此，在一個實施方案中，本發(fā)明也涉及有機(jī)酸酯的制備方法，上述有機(jī)酸酯優(yōu)選2-酮-L-古洛糖酸的酯，尤其是這些酸的甲酯、乙酯或丁酯，該方法包括上述的方法的步驟，并且此外還包括酸的釋放和游離酸的酯化?？砂匆呀?jīng)在上面描述的方法或在例如被引用的EP 0 805 210中所描述的方法進(jìn)行釋放和酯化。
因此，本發(fā)明也涉及到抗壞血酸的制備方法，其包括上述方法的步驟，此外還包括一個或多個以下步驟KGA和KGA酯的內(nèi)酯化以得到抗壞血酸，粗抗壞血酸的分離。該方法可任選另外包括以下的進(jìn)一步的步驟之一抗壞血酸從其鹽中的釋放，抗壞血酸和/或抗壞血酸鹽的脫色、抗壞血酸的分離和高純化。
根據(jù)本發(fā)明的方法中的有機(jī)酸以在中性到堿性的條件下被分離為有利。這樣，副反應(yīng)(例如KGA內(nèi)酯化到抗壞血酸)被減少了，優(yōu)選被排除了。有利地，在根據(jù)本發(fā)明的方法中，在最終的抗壞血酸產(chǎn)品分離前的早期處理步驟中，可進(jìn)行用于制備抗壞血酸的高純2-酮-L-古洛糖酸的分離，這導(dǎo)致了在方法的隨后的步驟中更少的副產(chǎn)品從而導(dǎo)致了最終產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)率和純度的改善。經(jīng)純化的酸可被酯化和內(nèi)酯化，如文獻(xiàn)中所述的。
在另外的實施方案中，加工產(chǎn)物(特別是Na KGA、KGA、抗壞血酸鹽或抗壞血酸)的純度超過80％，更優(yōu)選超過90％，甚至更優(yōu)選超過95％，最優(yōu)選超過98％。
借助以下的圖說明本發(fā)明圖1展示了在有2個循環(huán)/2個室的雙極性電滲析中的KGA釋放原理。
圖2展示了在有3個循環(huán)/3個室的雙極性電滲析中的KGA釋放原理。
通過以下實施例說明本發(fā)明，該實施例不應(yīng)被認(rèn)為是以任何方式限制本發(fā)明的。
實施例1將利用過濾處理除去細(xì)胞物質(zhì)但并未進(jìn)行其他處理的發(fā)酵液引入一個3升雙層壁實驗室結(jié)晶器中，并通過按照本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的條件在真空下使用夾套加熱使其在60℃下沸騰。將3000g/h Na KGA含量為10％的發(fā)酵溶液使用平衡添加控制的方法連續(xù)引入結(jié)晶器中，同時使用冷凝器從系統(tǒng)中移走2450g的蒸餾的水。此處在懸浮液中得到了約40％的固含量。通過調(diào)整灌裝面，懸浮液通過底部的放泄閥以550g/h的速度以半連續(xù)的方式被排入到排空至相同真空下的容器中。從這個貯存器對第二沉淀容器裝料，其中將140g/h的沉淀劑甲醇在常壓下在回流下加入到的懸浮液中。固含量為42％的懸浮液被以半連續(xù)方式被移走。經(jīng)在實驗室離心分離器中離心之后，用冷水洗滌，并在30℃的真空干燥爐中干燥，得到含結(jié)晶水的白色到微淡黃色的固態(tài)Na KGA。在固定狀態(tài)下，得到294g/h純度為99.8％的Na KGA一水合物，含鹽洗滌溶液被送回?；谶M(jìn)料溶液中的KGA含量，產(chǎn)率為98％。
實施例2在和實施例1同樣的條件下對同樣的實驗裝置進(jìn)行操作，但不進(jìn)行此后的甲醇沉淀。在這些實驗條件下，得到產(chǎn)率為僅73％的、純度為98.5％的微黃色-淺褐色的Na KGA一水化物固體。
實施例3除了16重量％Na KGA是通過發(fā)酵制備之外，還含有40ppm Mg的溶液，用形成螯合物的離子交換樹脂處理以除去Mg。為此，將3千克的上述溶液通過填充有160克Amberlite 718離子交換樹脂的、直徑為3厘米的柱。在此處理中，溶液中Mg離子被除去至含量低于5ppm。
實施例4在實施例1中得到的溶液被分成3份，每份1千克。隨后每一部分被用在具有雙極膜的電滲析的酸循環(huán)中以釋放酸。
在每一種情況下，電滲析模塊裝有5個Neosepta BP-1膜作為雙極膜、5個Neosepta CMX膜作為陽離子交換膜、2個Neosepta C66F膜作為最終膜。所使用的電極材料是鉑。膜的有效膜面積是37cm2。膜之間的墊板厚度為1mm。所使用的電解液是濃度為5重量％的硫酸。堿循環(huán)裝料是濃度為0.5重量％的氫氧化鈉溶液(500g)。
這三個電滲析實驗是在將電流密度限制在80mA/cm2和將電池電壓限制在20V的條件下進(jìn)行的。實驗時間為1、2和3小時以得到不同程度的減少。結(jié)果列于下表中。
作為酸循環(huán)的排出物，得到濃度為14重量％的KGA溶液，作為堿循環(huán)的排出物，得到濃度約為4重量％的氫氧化鈉溶液。在堿循環(huán)中的KGA損失低于1％。
權(quán)利要求
1.從發(fā)酵液中分離有機(jī)酸的鹽的方法，其中包括以下步驟a)部分蒸發(fā)結(jié)晶；和b)鹽的置換沉淀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中包含在發(fā)酵液中的水的10到95％被蒸發(fā)掉并且KGA結(jié)晶。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中發(fā)酵液至少含有5％的有機(jī)酸的鹽。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3中任意一項的方法，其中部分蒸發(fā)結(jié)晶在下述參數(shù)下進(jìn)行i)結(jié)晶器中的溫度為20℃和100℃之間；ii)壓力為0.01和1.0巴之間；iii)結(jié)晶器中的固含量為5到60重量％，和/或iv)將濃縮發(fā)酵液冷卻到0℃到50℃。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任意一項的方法，其中部分蒸發(fā)結(jié)晶在下述參數(shù)下進(jìn)行i)結(jié)晶器中的溫度為40℃和70℃之間；ii)壓力為0.1和0.3巴之間；iii)結(jié)晶器中的固含量為25到50重量％，和iv)將濃縮發(fā)酵液冷卻到30℃到40℃。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5中任意一項的方法，其中蒸發(fā)結(jié)晶在下述參數(shù)下進(jìn)行i)添加甲醇、乙醇、1-丙醇、2-丙醇、丙酮和/或2-丁酮作為置換劑；ii)用相對于發(fā)酵液為10％到80％的置換劑進(jìn)行沉淀；和/或iii)沉淀設(shè)備中的溫度為0℃到100℃。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到6中任意一項的方法，其中置換結(jié)晶在下述參數(shù)下進(jìn)行i)添加甲醇、乙醇或2-丙醇作為置換劑；ii)用20％到40％的置換劑進(jìn)行沉淀；和iii)沉淀設(shè)備中的溫度為20℃到60℃。
8.根據(jù)權(quán)利要求1到7中任意一項的方法，其中有機(jī)酸是乳酸、酮古洛糖酸、檸檬酸、香草酸、艾杜糖酸、抗壞血酸或古洛糖酸。
9.根據(jù)權(quán)利要求1到8中任意一項的方法，其中有機(jī)酸是2，4-二酮-D-古洛糖酸、2，5-二酮-D-古洛糖酸或2-酮-L-古洛糖酸。
10.根據(jù)權(quán)利要求1到9中任意一項的方法，其中鹽是鈉、鎂、鉀和/或鈣的鹽。
11.根據(jù)權(quán)利要求1到10中任意一項的方法，其中發(fā)酵液的生物質(zhì)和/或無機(jī)或有機(jī)雜質(zhì)被減少了。
12.根據(jù)權(quán)利要求1到11中任意一項的方法，其中該方法還包括以下步驟i)通過過濾從發(fā)酵液中分離有機(jī)和無機(jī)雜質(zhì)。
13.從其鹽中制備游離有機(jī)酸和鹽對應(yīng)的氫氧化物的方法，其中包含根據(jù)權(quán)利要求1到12中任意一項的方法并且還包括以下步驟a)將有機(jī)酸的鹽的結(jié)晶溶解于水或水溶液中，從而得到結(jié)晶溶液；b)從結(jié)晶溶液中除去多價陽離子；c)從結(jié)晶溶液中釋放有機(jī)酸。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中將多價陽離子從溶液中除去到低于15ppm的含量。
15.根據(jù)權(quán)利要求13或14的方法，其中包含以下步驟通過電隔膜處理步驟釋放酸。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中在電隔膜處理步驟中，陽離子(反陽離子)和/或被溶解的有機(jī)酸的鹽的陰離子在電場中通過使用一個或多個離子選擇性離子交換膜被從結(jié)晶溶液中分離出來，并可以與同時產(chǎn)生的質(zhì)子和氫氧根離子或與可獲得的質(zhì)子和氫氧根離子反應(yīng)，從而制備游離有機(jī)酸和反陽離子的對應(yīng)的氫氧化物。
17.根據(jù)權(quán)利要求1到16中任意一項的方法，相對于結(jié)晶溶液或電隔膜處理的進(jìn)料溶液中的有機(jī)酸的鹽的總含量，酸的釋放通過電隔膜處理被進(jìn)行到60％到99％的釋放程度。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中還包括以下步驟使用陽離子交換步驟將在電隔膜處理中未除去的陽離子除去。
19.有機(jī)酸的酯的制備方法，其中包括權(quán)利要求1到18中任意一項的方法的步驟以及以下步驟i)經(jīng)分離的有機(jī)酸與C1-C6烷基醇的酯化。
20.抗壞血酸的制備方法，其中包括權(quán)利要求1到19中任意一項的方法的步驟，有機(jī)酸是2-酮-L-古洛糖酸，并且還包括以下步驟i)KGA酯的內(nèi)酯化；和ii)粗抗壞血酸的分離。
全文摘要
本文描述了一個通過部分蒸發(fā)結(jié)晶并隨后或同時置換沉淀其鹽從水溶液中(特別是從發(fā)酵排出液中)分離有機(jī)酸鹽，以及從結(jié)晶中釋放有機(jī)酸(優(yōu)選通過電隔膜處理)的方法。
文檔編號C07D307/62GK1568299SQ02820087
公開日2005年1月19日 申請日期2002年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月10日
發(fā)明者M·勞爾斯, H·福斯, T·福斯特, T·多姆施克, M·默爾格 申請人:巴斯福股份公司