BR112014027264B1

BR112014027264B1 - processo para purificar ácido succínico a partir de um caldo de fermentação

Info

Publication number: BR112014027264B1
Application number: BR112014027264-6A
Authority: BR
Inventors: John G. Soper; Mitchell Schultz; Thomas P. Binder
Original assignee: Archer Daniels Midland Company
Priority date: 2012-05-07
Filing date: 2013-04-17
Publication date: 2021-05-25
Also published as: KR101928608B1; AU2013260020B2; JP2015515867A; CN104284982A; AU2013260020A1; HK1207397A1; CA2871018C; KR20150016553A; WO2013169447A1; EP2847342B1; EP2847342A1; MX2014013467A; ES2817793T3; BR112014027264A2; US9272977B2; EP2847342A4; SG11201406111YA; US20150158803A1; PL2847342T3; JP6628604B2

Abstract

PROCESSO PARA OBTENÇÃO DE UM PRODUTO DE ÁCIDO SUCCÍNICO A PARTIR DE UM CALDO DE FERMENTAÇÃO; MÉTODO PARA PRODUZIR UM SAL SUCCINATO; E MÉTODO PARA PURIFICAR ÁCIDO SUCCÍNICO A PARTIR DE UM CALDO DE FERMENTAÇÃO. Descreve-se um processo para purificar um caldo de fermentação filtrado contendo ácido succínico. O processo envolve a separação de ácido succínico dos outros ácidos orgânicos e sais em um caldo filtrado bruto usando uma resina cromatográfica não funcionalizada. A operação pode ser executada como uma eluição isocrática para obter ácido succínico livre ou como uma eluição em gradiente ou binária para produzir um sal succinato.

Description

BENEFÍCIO DE PRIORIDADE

[001] O presente pedido de patente reivindica o benefício de prioridade do pedido de patente provisório de número de série 61/643.405, depositado em 7 de maio de 2012.CAMPO DA INVENÇÃO

[002] A presente invenção refere-se a um processo para a separação de ácido succínico e/ou succinato dibásico a partir de um caldo de fermentação. Em particular, a invenção refere-se a um método de purificação de ácido succínico e/ou seu sal que envolve a utilização de cromatografia em resinas não funcionalizadas.

ANTECEDENTES

[003] O ácido succínico e seus derivados são produtos químicos de base úteis que são habitualmente usados na fabricação de polímeros, aditivos para combustível, tintas, cosméticos e como aditivos em alimentos e produtos farmacêuticos. Por exemplo, o ácido succínico pode ser usado como matéria-prima na produção de pigmentos, solventes, detergentes, revestimentos metálicos e polímeros de poli(succinato de butileno), que podem ser usados para substituir plásticos convencionais em aplicações como embalagens flexíveis, películas agrícolas e sacos compostáveis.

[004] O ácido succínico tem sido tradicionalmente produzido a partir de agentes petroquímicos que são limitados, custosos e que causam problemas de contaminação. Devido a sua diversidade de aplicações, métodos alternativos de produção do bio-ácido succínico tem despertado interesse nos últimos anos. Uma abordagem mais ambientalmente correta que tem despertado muito interesse é a produção fermentativa de ácido succínico a partir de glicose por bactérias anaeróbicas. A produção fermentativa de ácido succínico pode ser vista como uma tecnologia ecológica não apenas devido ao fato de substratos renováveis serem usados para sua produção, mas também por que CO2 é incorporado no ácido succínico durante a fermentação. Portanto, o ácido succínico fermentativo constitui uma matéria-prima bioderivada ecológica para a fabricação de resinas sintéticas, polímeros biodegradáveis e intermediários químicos.

[005] Apesar da produção fermentativa de ácido succínico apresentar várias vantagens frente aos processos baseados em agentes petroquímicos, para que o processo biotecnológico seja competitivo com a produção petroquímica é desejável minimizar os custos de produção. (Vide, por exemplo, James McKinlay et al., “Prospects for a Bio-based Succinate Industry,” APPL. MICROBIOL. BIOTECHNOL., (2007) 76:727740; aqui incorporado por citação.) Cerca de 60% dos custos totais de produção são gerados por processamento posterior, por exemplo, o isolamento e a purificação do produto no caldo de fermentação. A purificação de ácido succínico a partir de caldos de fermentação é uma etapa crítica no desenvolvimento de um processo rentável e bem sucedido para recuperar o ácido.

[006] Ao longo dos anos, várias abordagens foram desenvolvidas para isolar o ácido succínico. Essas técnicas envolveram o uso de ultra-filtração, precipitação com hidróxido de cálcio ou amônia, cristalização, eletrodiálise, extração líquido-líquido, sorção e cromatografia de troca iônica. (Vide, Tanja Kurzrock et al., “Recover of Succinic Acid from Fermentation Broth,” Revisão, Biotechnology Letter, (2010) 32:331-339; aqui incorporada por citação.) Várias impurezas, incluindo sais, ácidos orgânicos e biomassa residual podem inibir o isolamento de ácido succínico puro ou o processamento posterior de correntes contendo ácido succínico. Por causa disso, várias soluções diferentes foram propostas para a purificação de ácido succínico, mas essas soluções apresentam desvantagens.

[007] Por exemplo, um problema com alguns protocolos que outros exploraram é a capacidade relativamente limitada de soluções de troca iônica convencionais de separarem o ácido succínico desejado. A troca iônica não foi comprovada como sendo uma técnica de processamento viável que pode ser adaptada a operações em escala comercial. Até hoje, não foi demonstrado que as resinas apresentam capacidade grande suficiente para o ácido succínico para proporcionar um processo de sorção eficiente. Portanto, a cromatografia por adsorção é limitada em termos de seletividade e capacidade para o ácido succínico. Poderia ser aplicado o uso de troca iônica para remover sais da corrente de fermentação, mas isso requer o uso de ácidos e bases para regenerar as resinas e é apenas eficiente se níveis relativamente baixos de sais estiverem presentes. Se o teor de sal for alto em um caldo de fermentação, um sistema de troca iônica ficaria lento e seria ineficiente devido ao baixo rendimento. Portanto, as resinas de troca iônica serão menos eficientes na separação do sal de outros ácidos orgânicos. Consequentemente, esse processo não é eficiente em casos com níveis elevados de sais. Ademais, as técnicas de troca iônica tradicionais não separam facilmente os diferentes ácidos orgânicos presentes no caldo. A eletrodeionização (EDI) não separa os diferentes ácidos orgânicos em grau viável para aplicações de alta rendimento devido a problemas relacionados com obstrução da membrana. Outras abordagens tais como a extração reativa requerem solventes orgânicos e reagentes caros.

[008] Apesar de todas essas técnicas terem tido certo êxito, são limitadas em termos de custo, geração de subprodutos ou resíduos, ou a economia de escala. Portanto, por essas razões, são necessários métodos melhores ou mais diretos de recuperação de ácido succínico que podem simplificar o processo e reduzir os custos do processamento posterior assim como os resíduos.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[009] A presente invenção descreve um método de purificação de ácido succínico ou succinato dibásico das impurezas em um caldo de fermentação. Em particular, o processo envolve filtrar um caldo de fermentação; ajustar seu pH para obter um filtrado que contém succinato com um valor de pH inferior ou igual a cerca de 3,0; passar o filtrado acidificado por uma coluna cromatográfica que tem uma resina não funcionalizada seletivamente a uma temperatura operacional compreendida em uma faixa de cerca de 20 °C a cerca de 100 °C, de modo a obter pelo menos duas frações distintas, sendo que pelo menos uma das frações contém ácido succínico livre ou um sal succinato.

[010] Em outro aspecto, a invenção descreve um método para purificar o ácido succínico livre a partir de um caldo de fermentação, em que o método envolve: filtrar um caldo de fermentação para obter um caldo clarificado; proporcionar ou acidificar o referido caldo clarificado para um valor de pH inferior a 3,0; introduzir o filtrado clarificado em um aparelho de cromatografia contínua que tem uma resina não funcionalizada a uma temperatura operacional predeterminada para uma resina particular empregada para separar o ácido succínico livre; e cristalizar o ácido succínico.

[011] Uma vantagem do processo é que o ácido livre pode ser cristalizado para fornecer um produto de pureza de 90% ou superior após uma única cristalização. Para separar um sal succinato dibásico, o ácido livre pode ser posteriormente eluído com uma base inorgânica forte durante a separação cromatográfica.

[012] Em outro aspecto, a invenção descreve um método para produzir um sal succinato. O método envolve: filtrar um caldo de fermentação para obter um filtrado que contém succinato, em que o filtrado tem um pH inferior a 3,0; processar o filtrado por uma coluna de cromatografia líquida em uma resina não funcionalizada a uma temperatura de até cerca de 70 °C, eluindo com uma base forte ou solvente orgânico para formar sais succínicos.

[013] Ademais, outra vantagem é que pode ser isolada uma corrente de espécies dibásicas, tais como o succinato diamônico, o qual oferece a possibilidade de transformação direta em diversos derivados nitrogenados que incluem N-metilssuccinamida, N-metilpirrolidinona, pirrolidinona e N-vinilpirrolidona. Como característica, a presente invenção oferece una forma mais fácil, simples e rentável de conseguir um material precursor mais limpo para sua conversão em processamento posterior.

[014] Em outro aspecto da invenção, pode-se adaptar o conceito acima para separações contínuas ou de alto rendimento. Pode-se implementar um sistema cromatográfico em leito móvel simulado (SMB, do inglês "simulated-moving-bed") para a aplicação primária.

[015] As características e vantagens adicionais do presente processo de purificação serão reveladas na seguinte descrição detalhada. Entende-se que tanto sumário acima como a descrição detalhada e os exemplos a seguir são apenas representativos da invenção, e seu propósito é fornecer uma visão geral para o entendimento da invenção na forma reivindicada.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[016] A FIG. 1 é um fluxograma que representa as etapas de processamento de acordo com uma modalidade de realização da presente invenção.

[017] A FIG. 2 é uma ilustração gráfica de um teste de pulsos derivado de uma separação isocrática de acordo com uma iteração da presente invenção, em que o filtrado de um caldo de fermentação com um pH de 2 é passado por uma coluna a uma temperatura de cerca de 50 °C.

[018] A FIG. 3 mostra o gráfico de um teste de pulsos para uma separação isocrática tal como na Fig. 2, realizada a uma temperatura de cerca de 60 °C.

[019] A FIG. 4 mostra o gráfico de um teste de pulsos para uma separação isocrática tal como na Fig. 2, realizada a uma temperatura de cerca de 75 °C.

[020] A FIG. 5 mostra o gráfico de um teste de pulsos para uma separação isocrática tal como na Fig. 2, realizada a uma temperatura de cerca de 90 °C.

[021] As FIGs. 6A, 6B, e 6C ilustram os gráficos de uma série de testes de pulsos para separações isocráticas, cada uma realizada a uma temperatura de 60 °C, mas com valores de pH diferentes para o material de partida: A Fig. 6A é com um pH de 2,5; a Fig. 6B é com um pH de 3,0; e a Fig. 6C é com um pH de 4,3.

[022] A FIG. 7 mostra o gráfico de um teste de pulsos de uma separação isocrática tal como na Fig. 3, realizada a uma temperatura de cerca de 60 °C. O gráfico mostra o pico distinto para ácido succínico e sua separação de outros ácidos orgânicos.

[023] A FIG. 8 mostra o gráfico de um teste de pulsos derivado de uma eluição em gradiente ou binária com uma base (por exemplo, NaOH) a uma temperatura operacional de cerca de 40 °C e a um pH do material de partida de 2, de acordo com outra modalidade de realização da presente invenção.

[024] A FIG. 9 mostra o gráfico de um teste de pulsos para uma eluição binária tal como na Fig. 8, realizada a uma temperatura de 25 °C em com um pH do material de partida de 2.

[025] A FIG. 10A mostra o gráfico de um teste de pulsos para uma eluição binária com NH4OH, realizada a uma temperatura de 25 °C em com um pH do material de partida de 2.

[026] A FIG. 10B mostra o gráfico de um teste de pulsos para uma eluição em gradiente tal como na Fig. 10A, mas com uma adição tardia de base para demonstrar que o succinato elui na forma de um sal à temperatura ambiente com um pico pronunciado.

[027] A FIG. 11 mostra uma representação esquemática de um sistema cromatográfico em leito móvel simulado adaptado para eluir o ácido succínico (protonado) de acordo com uma iteração da presente invenção.

[028] A FIG. 12 é uma representação esquemática de um sistema cromatográfico em leito móvel simulado adaptado para eluir um sal succínico desprotonado (por exemplo, succinato diamônico).

DESCRIÇÃO DETALHADA

[029] Seção I - Definições

[030] Antes de descrever a presente invenção detalhadamente, entende-se que a terminologia é utilizada para descrever modalidades de realização particulares e não pretende ser limitante. Conforme usado na presente memória descritiva e nas reivindicações anexas, as formas no singular "um", "uma" e "o/a" incluem os referentes no plural a menos que o contexto indique claramente em contrário. Salvo definidos de outro modo pelo contexto, todos os termos técnicos e científicos no presente documento possuem seu significado habitual, convencionalmente entendido pelos especialistas na técnica à qual a presente invenção faz referência.

[031] O termo "fermentação", conforme usado no presente documento, se refere ao processo de bioconversão e bioprodução de ácidos orgânicos, álcoois e outros materiais químicos de interesse. O termo compreende um ou mais dos processos de conversão ou produção que ocorrem sozinhos, sequencialmente ou em conjunto, e em qualquer estado de crescimento (estacionário, estável, em replicação, etc.) de um microrganismo.

[032] O termo "caldo de fermentação" refere-se a um meio líquido no qual microrganismos convertem fontes de carbono orgânico para produzirem outros materiais orgânicos de interesse.

[033] O termo "fonte de carbono" refere-se a qualquer fonte de carbono que pode ser metabolizada por um microrganismo em que a fonte contém pelo menos um átomo de carbono. As fontes de carbono podem incluir, por exemplo, vários carboidratos, tais como dextrose, glicose, frutose, sacarose, amidos, etc., álcoois, ácidos orgânicos e seus sais correspondentes, ou óleos, gorduras e triglicerídeos de plantas ou animais.

[034] Os termos "volume do leito" ou "volume da coluna" referem-se ao volume total do material empacotado e do líquido intersticial. O volume mínimo de solvente necessário para umedecer uma quantidade definida de adsorvente dentro da coluna pede variar dependendo da natureza do adsorvente (por exemplo, ~120 μl por 100 mg de adsorvente de sílica gel de 60 Â, em comparação a ~600 μl por 500 mg de adsorvente de sílica gel de 60 Â) .

[035] O termo "resolução cromatográfica" refere-se ao grau de separação entre os analitos consecutivos que emergem de uma coluna cromatográfica.

[036] O termo "eluição isocrática" refere-se a uma separação por cromatografia líquida (LC, do inglês "liquid chromatography") em que a composição da fase móvel permanece constante durante todo o processo de separação. A eluição isocrática é tipicamente eficaz na separação de componentes de uma amostra que possuem afinidades similares com a fase estacionária.

[037] O termo "eluição em gradiente" refere-se a uma separação na qual a composição da fase móvel se modifica ou varia durante a análise cromatográfica. Em particular, o termo "eluição binária" refere-se a uma separação na qual dois tipos diferentes de meios de eluição são utilizados.

[038] Seção II - Descrição

[039] A presente invenção descreve, em parte, um processo para produzir moléculas químicas que atuam como matéria-prima a partir de ácidos orgânicos livres derivados de um caldo de fermentação. Conforme usado no presente documento, o termo "ácido orgânico livre" refere-se a um composto de ácido orgânico que encontra-se no seu estado protonado quando está em solução (ou seja, no ou abaixo do seu valor de pKa). O presente processo de separação pode ser utilizado para recuperar o ácido livre ou seu sal. De acordo com o presente processo, a separação do ácido livre é uma eluição isocrática e a geração de um sal é uma eluição em gradiente ou binária. Um método de eluição isocrática é útil para separar de forma rentável e em grande escala ácido succínico de outros ácidos orgânicos, açúcares e sais, etc.

[040] O presente processo inventivo emprega um leito de resina não funcionalizada hidrofóbica para purificação cromatográfica. De interesse particular é a capacidade do presente processo de separar ácido succínico livre ou sal succinato de outros ácidos orgânicos, sais e açúcares dissolvidos presentes no filtrado do caldo. Dependendo das condições cromatográficas, pode ser isolada uma corrente de ácido succínico purificado ou succinato dibásico. Pode-se operar seletivamente o processo de separação para isolar ácido succínico ou succinato dibásico ao variar as condições de eluição. A temperatura operacional pode ser na faixa de cerca de 20 °C a cerca de 100 °C. Em certas modalidades de realização, dependendo da resina cromatográfica particular utilizada de acordo com a invenção, o ácido succínico é isolado em temperaturas elevadas, e o succinato dibásico é isolado em temperaturas mais baixas com uma eluição binária. A temperatura operacional para a separação é determinada mediante as constantes de equilíbrio de ligação, a forma dos picos e a resolução de ácido succínico frente às impurezas.

[041] Este tipo de purificação é benéfica pois proporciona um método robusto para isolar correntes de succinato dos sais residuais, impurezas nitrogenadas e outros ácidos orgânicos em um único passo evitando alguns dos inconvenientes inerentes de outros métodos de purificação, tais como a obstrução de membranas de eletrodiálise, o uso de solventes orgânicos, a baixa capacidade das resinas de troca iônica e a sensibilidade da cristalização. Devido às desvantagens das resinas de troca iônica convencionais que requerem o uso de ácidos/bases para sua regeneração e que têm demonstrado baixa capacidade em relação ao ácido succínico em processos de sorção, uma estratégia nova mais eficiente para o processo de purificação em que se utiliza cromatografia seria muito bem recebida.

[042] Diferente da cromatografia de troca iônica convencional, um leito de resina não funcionalizada não troca sais e também não precisa ser regenerado. Portanto, o presente processo permite economizar tanto tempo como custos quando as separações são realizadas como um processo cromatográfico em lotes descontínuos ou, de forma ótima, contínuo.

[043] Especificamente, o processo para purificar o ácido succínico a partir de um caldo de fermentação envolve: filtrar um caldo de fermentação; ajustar o pH para obter um filtrado que contém ácido succínico com um valor de pH inferior ou igual a cerca de 3,0; passar o filtrado acidificado por um sistema cromatográfico, tal como um sistema em leito móvel simulado (SMB), empregando uma resina não funcionalizada a uma temperatura operacional que é otimizada para a resina particular usada. A temperatura operacional para resinas de poli(estireno-divinilbenzeno) (PS-DVB) não funcionais particulares é determinada mediante a compilação de dados empíricos referentes às constantes de equilíbrio de ligação, os tempos de retenção e a resolução dos picos. Por exemplo, para uma resina cromatográfica não funcionalizada, tal como XAD-4, a temperatura operacional pode ser a) superior a 50 °C para produzir um ácido succínico livre ou b) inferior a 50 °C para produzir um sal do ácido succínico; de modo a obter pelo menos duas frações distintas. Entretanto, outras resinas podem permitir ou necessitar que a temperatura operacional alcance valores maiores ou menores, por exemplo, de até cerca de 65 °C ou cerca de 70 °C para a produção de succinato dibásico.

[044] Este processo oferece uma forma possível de purificar uma corrente de ácido succínico da grande maioria dos outros contaminantes que são tipicamente encontrados em um caldo de fermentação em uma única operação. Uma ventagem da presente invenção é que se pode obter o ácido succínico ou seu sal com uma pureza elevada (> 90%) em uma rodada de cristalização depois da cromatografia, sem purificação prévia. Com otimização, o processo pode conseguir um nível de pureza que poderia alcançar, por exemplo, cerca de 92% ou 95%, até cerca de 97% ou 99%.

[045] De acordo com uma característica do presente processo de separação, aparece um pico característico do ácido succínico em 3 volumes do leito. Normalmente, o pico característico é observado entre cerca de 1,0 e cerca de 2,75 volumes do leito. Os sais e outros ácidos orgânicos e compostos obtidos como subprodutos podem ser facilmente separados da extração succínica desejada. Esta característica pode permitir o isolamento de uma corrente "limpa" (ou seja, > 85% ou 90%) de ácido succínico/succinato com perda de produto muito baixa. Pode-se conseguir uma recuperação de pelo menos cerca de 68% ou 70% (tipicamente, cerca de 72% ou 75%) do ácido livre e das formas salinas a partir do caldo filtrado. A taxa de recuperação a partir do filtrado bruto pode ser de cerca de 80%, 85% ou superior e, com a optimização, pode-se recuperar o ácido ou as formas salinas com um rendimento de 90% a 95% ou superior a partir da matéria-prima inicial.

[046] A.

[047] Em parte, a presente invenção contribui para o refinamento de técnicas de separação cromatográfica para espécies orgânicas cuja purificação é difícil. A abordagem da invenção se compara favoravelmente com as abordagens convencionais, pois pode ser mais eficaz e rentável que os processos atuais. Uma característica da invenção envolve a descoberta de um regime operacional criado mediante um equilíbrio entre vários parâmetros, que incluem a temperatura, o pH e as condições de eluição, antes e durante o processo cromatográfico.

[048] De acordo com uma característica da invenção, adaptamos técnicas de cromatografia líquida (LC) para purificar em uma única operação uma corrente de ácido succínico de grande parte dos outros contaminantes que são tipicamente encontrados em um caldo de fermentação. A LC normalmente utiliza diferentes tipos de fases estacionárias (ou seja, adsorventes) contidas em colunas, uma bomba que move a fase móvel e os componentes da amostra através da coluna, e um detector que é capaz de proporcionar os tempos de retenção característicos para os componentes da amostra e as contagens de área que refletem a quantidade de cada analito que passa pelo detector. O tempo de retenção de um analito varia dependendo da intensidade de suas interações com a fase estacionária, a composição e a taxa de fluxo da fase móvel utilizada, e das dimensões da coluna. Neste caso, utilizam-se colunas com diâmetros relativamente grandes e tamanhos de partícula grandes para evitar a pressão.

[049] Conforme mencionado previamente, diversos métodos foram explorados para a purificação do ácido succínico incluindo a extração reativa, eletrodiálise, cristalização e troca iônica, mas cada um apresentou problemas. Para resolver esses problemas, a presente invenção emprega resinas não funcionalizadas. As resinas não funcionalizadas não se ligam às diferentes espécies por meio de uma carga iônica; em vez disso, as resinas não funcionalizadas atuam por um equilíbrio de afinidades hidrofílicas e hidrofóbicas. Nas modalidades de realização descritas, as resinas adsorventes não estão modificadas e são consideradas resinas hidrofóbicas. Portanto, as espécies orgânicas hidrofóbicas podem se ligar a elas e serem retidas em sistemas aquosos.

[050] Devido ao fato da resina não estar funcionalizada, é necessário ajustar o pH do material de entrada para que o ácido succínico tenha afinidade pela resina. Por conseguinte, o filtrado bruto procedente do caldo de fermentação deve ser ácido, com um valor de pH inferior a cerca de 3. O caldo filtrado pode ter um valor de pH ácido original ou pode ser tratado para ser acidificado para um pH inferior a 3. Em particular, o filtrado tem um valor de pH compreendido na faixa de cerca de 1,0 a cerca de 3,0. Normalmente, o pH é de cerca de 1,2 ou 2,0, alcançando valores de até 2,8 ou 2,9, desejavelmente o pH está compreendido na faixa de cerca de 1,3 ou 1,5 a cerca de 2,5 ou 2,7.

[051] Nas modalidades de realização, um tipo de resina utilizado na separação do ácido succínico pode ser classificado como resinas de poli(estireno-divinilbenzeno) (PS-DVB) adsorventes. O poliestireno é reticulado com divinilbenzeno. As resinas PS-DVB são um adsorvente atrativo para a extração e separação de vários tipos de compostos devido à sua estabilidade na faixa de pH de 1 a 14. Sabe-se que as resinas PS-DVB possuem superfícies hidrofóbicas com grande capacidade de retenção de compostos apolares e baixa retenção de compostos polares.

[052] As resinas do tipo PS-DVB hidrofóbicas são comercialmente disponíveis de diversos vendedores (por exemplo, Dow Chemical Company, Rohm & Haas Co., Mitsubishi Chemical Corporation, Purolite Corporation, Lanxess Corporation, etc.). Dependendo do fabricante e das especificações particulares de cada tipo de resina, a resina pode ter vários tamanhos de poro e áreas superficiais diferentes, que podem afetar a natureza física e química das resinas, a qualidade da separação e, portanto, as temperaturas necessárias para os diferentes protocolos. Pode- se utilizar uma resina que tem uma área superficial compreendida na faixa de cerca de 120 m2/g ou 150 m2/g a cerca de 1100 m2/g ou 1200 m2/g. Normalmente, a área superficial da resina está compreendida na faixa de cerca de 150 m2/g ou 200 m2/g a cerca de 800 m2/g ou 1000 m2/g. Nas resinas adaptadas em particular para certas soluções orgânicas (por exemplo, xarope de milho, sucos de frutas, HFCS, polifenóis, ou extratos naturais), a resina tem uma área superficial de cerca de 250 ou 300 m2/g a cerca de 600 ou 750 m2/g. O diâmetro médio de poros pode estar compreendido entre cerca de 50 Â ou 100 Â e cerca de 600 Â ou 700 Â; tipicamente entre cerca de 100 Â ou 150 Â e cerca de 450 Â ou 500 Â. O diâmetro médio das partículas da resina pode estar compreendido entre cerca de 300 μm ou 350 μm e cerca de 750 μm ou 800 μm; tipicamente, entre cerca de 400 μm ou 500 μm e cerca de 650 μm ou 700 μm. As resinas exibem uma porosidade compreendida na faixa de cerca de 0,90 ou 0,95 ml/g a cerca de 1,40 ou 1,52 ml/g; tipicamente de cerca de 0,97 ml/g a cerca de 1,18 ou 1,25 ml/g.

[053] Devido ao fato das resinas adsorventes exibirem tendências apolares ou hidrofóbicas, isso significa que adsorvem facilmente compostos orgânicos que são muito solúveis em água. Por exemplo, uma classe de resinas de troca iônica comerciais da Rohm & Haas são os adsorventes poliméricos AMBERLITE™ XAD™, que são polímeros esféricos muito porosos baseados em polímeros de poliestireno macrorreticulares com um alto grau de reticulação. Suas grandes áreas superficiais internas podem absorver e depois dessorver uma grande variedade de espécies diferentes dependendo do ambiente no qual são utilizadas. Por exemplo, em solventes polares tais como a água, os adsorventes poliméricos exibem um comportamento apolar ou hidrofóbico e podem adsorver espécies orgânicas que são pouco solúveis. Esta hidrofobicidade é mais pronunciada nos adsorventes estirênicos. (Em comparação com os solventes apolares, tais como os hidrocarbonetos, etc., a maioria dos adsorventes exibem propriedades ligeiramente polares ou hidrofílicas e, portanto, adsorverão espécies com certo grau de polaridade. Esta polaridade é mais pronunciada nos adsorventes acrílicos e nos adsorventes fenólicos.) A Tabela 1 resume alguns dos atributos físicos e químicos das resinas da marca AMBERLITE™.

[054] Outros inventores desenvolveramestratégias de purificação aproveitando tais características funcionais. Por exemplo, no modo de captura/concentração, os meios de AMBERLITE™ XAD™ proporcionam uma primeira etapa de purificação excelente na recuperação de compostos fenólicos ou hidrocarbonetos clorados. Em algumas aplicações, as resinas XAD realizam uma descoloração. Os adsorventes AMBERLITE™ XAD™ podem ser adaptados para uso tanto em operações em batelada e (preferencialmente) contínuas. Outras resinas adsorventes poliestirênicas comercializadas, tais como os adsorventes PuroSorb™ PAD da Purolite, são feitas de monômeros limpos e possuem áreas superficiais grandes que estão livres de quaisquer contaminantes, tais como sais, metais e outros minerais, tornando-as especialmente adequadas para usos alimentícios e farmacêuticos. Entretanto, tais resinas não parecem ter sido propostas ou adaptadas para a separação industrial de ácidos orgânicos, em particular para usos com o ácido succínico/succinato.

[055] B.

[056] A Figura 1 é uma representação esquemática de um processo de separação e purificação, de acordo com uma modalidade de realização da presente invenção, que mostra os principais produtos de cada uma das diversas etapas de processamento. Em geral, o processo de separação envolve a utilização de uma fonte derivada do caldo de fermentação (1.) de um ácido orgânico, tal como o ácido succínico, filtrar (2.) o caldo de fermentação (1.) para remover a biomassa e obter um meio filtrado bruto (3.). O filtrado bruto (3.) pode ter um valor de pH ácido inato ou é tratado para acidificar (4., 5.) o meio antes de introduzir o filtrado em uma coluna cromatográfica (6.) que tem uma resina não funcionalizada. A separação pode ser realizada seletivamente de acordo com dois protocolos diferentes dependendo do produto desejado; o ácido protonado ou um sal dibásico. Na separação que produz o ácido livre (7.), o material de partida é tipicamente processado de forma isocrática com uma eluição com água desionizada a uma temperatura elevada (por exemplo, uma temperatura operacional superior ou igual a 50 °C, tipicamente compreendida entre cerca de 52 °C e cerca de 87 °C para XAD-4). Opcionalmente, se for desejado, o ácido livre bruto (9.) pode ser posteriormente cristalizado (11.) para fornecer o ácido succínico purificado (13.). Na separação que produz o sal (8.), o material de partida é processado com uma eluição binária com água desionizada e uma base forte a temperaturas mais baixas (por exemplo, uma temperatura operacional inferior a cerca de 50 °C, compreendida entre cerca de 20 °C e cerca de 45 °C para XAD-4) ou com um solvente orgânico, tal como metanol, etanol ou acetona. Outras resinas PV-DVB podem ter afinidades diferentes; portanto, podem ser processadas a temperaturas diferentes de acordo com os parâmetros gerais. Quaisquer bases inorgânicas fortes, de amônia ou carbonato podem ser usadas no processo (por exemplo, NaOH, KOH, LiOH, NH3, Na2CO3). Como alternativa, conforme refletido na Figura 1, pode-se realizar uma eluição isocrática a temperaturas elevadas, isolar o ácido succínico e depois tratar com uma base aquosa para gerar o succinato dibásico (10.) (por exemplo, succinato diamônico (14.)). Os produtos de qualquer uma dessas vias podem ser subsequentemente processados quimicamente (12.) para fornecer outros produtos químicos comercialmente importantes (15.) (por exemplo, tetraidrofurano, 2-pirrolidona, N-Metil-2-pirrolidona (NMP), 1,4-butanodiol, 1,4-diaminobutano, succinonitrila, succindiamida ou éster succínico dibásico). Conforme descrito no presente documento em termos gerais, diversas permutações e iterações diferentes são contempladas de acordo com a presente invenção; portanto, qualquer uma das etapas processuais anteriores pode ser combinada com qualquer outra etapa em uma sequência metodológica.

[057] Na eluição isocrática, a largura dos picos aumenta com o tempo de retenção. Habitualmente, esta característica resulta na desvantagem de que os picos eluídos mais tarde se tornam muito planos e largos; portanto, sua forma e largura impedem que sejam reconhecidos como picos. No presente sistema de eluição isocrática, uma das vantagens é que o tempo de retenção da amostra foi reduzida em comparação aos parâmetros operacionais convencionais. Os picos das espécies que são eluidas mais tarde foram concentrados e amplificados. Esta característica tem aumentado muito o potencial para o processamento de alto rendimento e curta duração de uma forma econômica e eficaz. Em particular, quando se utiliza uma resina como XAD-4 a temperaturas mais baixas (< 40 °C), o ácido succínico é eluído com tempos de eluição maiores e com uma forma de pico largo. Ao aumentar a temperatura, melhoram tanto a forma do pico como o tempo de retenção. Ademais, ao realizar uma eluição binária com uma solução básica ou um solvente orgânico, o pico de eluição lenta do ácido succínico é eluído muito mais rápido e em concentrações maiores. Ambos tratamentos resultam em um potencial muito maior para o processamento de alto rendimento de forma econômica e eficaz.

[058] Conforme ilustram os testes de pulsos com XAD-4 adjuntos, as separações do ácido succínico podem requerer a realização da separação com mais de três (3) volumes do leito antes que apareça um pico de eluição e o pico tenderá a ser muito largo à temperatura ambiente, tornando a eluição mais difícil de discernir. Em contraste, de acordo com a presente divulgação, pode-se obter uma separação boa e distinta do ácido succínico dos outros ácidos orgânicos, sais e açúcares dissolvidos, etc., no filtrado do caldo em três (3) volumes do leito mediante o ajuste das temperaturas operacionais. Tipicamente, aparece um pico característico em cerca de 2,8 volumes do leito. Conforme mostrado nas Figuras 2 a 9 adjuntas, pode-se observar um pico característico do ácido succínico entre cerca de 0,8 ou 1,0 e cerca de 2,5 ou 2,75 volumes do leito. A resolução cromatográfica (ou seja, o grau de separação) entre o pico do succinato e aqueles dos sais e outros ácidos orgânicos pode ser entre cerca de 0,1 ou 0,2 volumes do leito e cerca de 0,5, 0,75 ou 1,0 volumes do leito. Dependendo das concentrações de entrada, a quantidade de ácido succínico produzido por litro pode ser significativamente maior que aquela dos demais ácidos orgânicos.

[059] Apesar da temperatura operacional para as diferentes resinas não funcionais poder variar em função das constantes de equilíbrio de ligação, os tempos de retenção e a resolução dos picos, no caso de XAD-4, a temperatura operacional para separar o ácido livre está tipicamente compreendida entre cerca de 50 °C e cerca de 90 °C, enquanto que a temperatura operacional para gerar um sal está compreendida entre cerca de 20 °C e cerca de 50 °C. Quando o processo de purificação é realizado a uma temperatura superior ou igual a cerca de 50 °C, observamos que a resolução, a forma dos picos e o tempo de retenção melhoraram para o ácido livre, e possivelmente também a taxa de separação e a eficácia. Com o aumento da temperatura, o tempo de retenção do ácido succínico em condições isocráticas pode ser melhorado para menos de cerca de 2,0 volumes do leito resultando em um sistema SMB eficaz, tal como mostrado nas Figuras 2, 3, 4, e 5. Uma temperatura operacional mais alta está compreendida em uma faixa de cerca de 50 °C ou 53 °C a cerca de 88 °C ou 90 °C, inclusive. Mais particularmente, a temperatura está compreendida entre cerca de 55 °C ou 58 °C e cerca de 83 °C ou 85 °C, e desejavelmente entre cerca de 60 °C ou 65 °C e cerca de 78 °C ou 80 °C. As faixas de temperatura operacional compreendidas entre cerca de 55 °C ou 60 °C e cerca de 70 °C, 75 °C ou 85 °C podem ser convenientes para o processamento industrial. A temperatura operacional das resinas não funcionais pode ser de até cerca de 150 °C, com resinas específicas a temperaturas compreendidas entre cerca de 65 e 90 °C, tipicamente de cerca de 72 °C a cerca de 80 °C.

[060] Além da separação do succinato de sais, o presente processo permite precipitar e recuperar sais metálicos a partir do refinado, se for desejado, sem perder succinato no bolo de filtração nem expor o succinato às condições de recuperação. Quando a eluição isocrática é realizada à temperatura ambiente (ou seja, ~20 °C a 25 °C) com XAD-4, a eluição tendia a ser relativamente lenta e não era prática nem podia ser adaptada para o processamento comercial em grande escala, tal como a cromatografia SMB. A aparência de um pico do ácido succínico separado normalmente teria um tempo de retenção ou permanência superior a 2,75 ou 3 volumes do leito. A eluição binária reduz a retenção dos componentes que são eluidos mais tarde, de modo que sejam eluidos mais rapidamente, fornecendo picos mais estreitos (e mais altos) para a maioria dos componentes. Isso também melhora a forma dos picos no caso de picos com rastros, já que a concentração maior do eluente faz com que a parte de rastro do pico seja translocada para frente. Isso também aumenta a altura dos picos (os picos parecem mais "afilados"), sendo isso importante para a eficácia. No caso de XAD-4, a temperatura operacional para a separação de um sal está compreendida entre cerca de 22 °C ou 24 °C e cerca de 44 °C ou 48 °C.

[061] A eluição em gradiente ou binária reduz o tempo de retenção dos componentes que são eluídos mais tarde, resultando em uma forma de pico melhorada para o ácido succínico. Os componentes que são eluídos mais tarde parecem ser eluídos mais rapidamente e deste modo obtêm-se picos mais estreitos (e mais altos) para a maioria dos componentes. Isso por sua vez resulta em maior concentração do produto e um processo cromatográfico mais eficiente. Isso também aumenta a concentração de ácido succínico já que o eluente faz com que a parte de rastro de um pico seja translocada para frente, o que aumenta a altura do pico (ou seja, o pico parece mais "afilado"), que é importante em análises de traços. O programa de gradiente pode incluir aumentos "escalonados" súbitos na porcentagem do componente orgânico ou inclinações diferentes em tempos diferentes - tudo de acordo com o desejo de obter uma separação ótima em um tempo mínimo. A temperatura operacional para a separação de um sal está compreendida entre cerca de 22 °C ou 24 °C e cerca de 44 °C ou 48 °C.

[062] A Figura 3 também mostra que o presente processo de separação pode facilmente remover tanto sais como compostos nitrogenados, tais como aminoácidos ou ureia, que podem permanecer na solução após filtração. Os compostos nitrogenados são removidos no começo, no primeiro volume do leito. A resolução distintiva entre as diferentes espécies pode ser amplificada em sistemas em leito móvel contínuo simulado para obter uma separação ainda melhor.

[063] Conforme ilustrado nas Figuras 6A a 6C adjuntas, o meio da matéria-prima deverá ser processado a um valor de pH baixo inferior ou igual a cerca de 3,0. Normalmente, para um bom rendimento cromatográfico, o valor de pH não é superior a cerca de 2,8 ou 2,5. A Figura 6A mostra um gráfico de um teste de pulsos em que a separação foi realizada com um pH do material de partida de 2,5. O teste de pulsos mostra uma boa resolução entre o ácido succínico, sais e outros ácidos orgânicos, e picos característicos para cada espécie. De forma análoga, a Figura 6B é um gráfico de um teste de pulsos para um pH do material de partida de 3,0. A resolução do ácido succínico, sais e outros ácidos orgânicos ainda é boa, mas uma quantidade pequena de ácido succínico pode ser potencialmente perdida no refinado já que se percebe um ligeiro aumento da curva de separação do ácido succínico entre cerca de 0,5 e 0,9 volumes do leito. O teste de pulsos da Figura 6C é realizado com um pH do material de partida de cerca de 4,3. Como pode ser observado na Figura 6C, quando a matéria-prima tem um pH superior a cerca de 3,0, os demais sais e impurezas tendem a se sobrepor de forma bem próxima com a extração do ácido succínico; portanto, a separação do ácido succínico dos sais tende a não se resolver distintivamente.

[064] A Figura 7 mostra a efetividade relativa do presente processo para separar vários tipos diferentes de ácidos orgânicos. A resolução para os ácidos málico, láctico e acético a partir do ácido succínico pode ser conseguida em um sistema cromatográfico contínuo (por exemplo, leito móvel simulado (SMB)).

[065] Por conseguinte, contemplamos uma modalidade de realização na qual o presente processo torna viável e eficaz do ponto de vista comercial a separação do succinato dos caldos de fermentação em resinas não funcionalizadas utilizando cromatografia SMB. SMB normalmente emprega fases estacionárias (ou seja, adsorventes) de diferentes tipos contidas em colunas, bombas que impulsam as diferentes fases móveis e algum tipo de dispositivo para "deslocar" a fase estacionária de forma contra corrente em relação ao fluxo do líquido. Os testes de pulsos que são discutidos na seguinte seção proporcionam uma base para avaliar as diferentes condições e resinas para sua aplicação em cromatografia SMB. A cromatografia SMB pode ser otimizada para purificar uma corrente de ácido succínico de modo contínuo.

[066] Seção III - Exemplos empíricos

[067] De acordo com modalidades de realização da presente invenção, uma fonte de succinato é derivada de fermentação. Como passo inicial, o processo de separação e purificação envolve ultrafiltrar o caldo de fermentação para remover a massa celular, restos celulares, proteínas e outros materiais insolúveis para obter um filtrado bruto que contém succinato. O filtrado pode ter um valor de pH inato inferior ou igual a cerca de 3, ou o filtrado pode ser acidificado para um pH inferior a 3,0. Posteriormente, o filtrado bruto é processado ou passado por uma coluna cromatográfica.

[068] Todos os testes de pulsos nos exemplos experimentais foram realizados em resinas cromatográficas não funcionalizadas. A faixa de temperatura operacional específica para a separação pode mudar ou ser ajustada se forem utilizadas outras resinas não funcionais de outros fabricantes. Utilizamos testes de pulsos para demonstrar a viabilidade funcional de sistemas SMB. Os especialistas na técnica compreendem que o rendimento da separação de outras resinas não funcionais particulares pode ser melhor ou pior que o da resina mostrada nos resultados e as faixas dos presentes exemplos deverão ser ajustadas e otimizada segundo as necessidades de cada caso individual.

[069] Parâmetros cromatográficos:

[070] Foram realizados vários testes de pulsos™ utilizando uma resina hidrofóbica não funcional (AMBERLITEXAD-4 da Rohm & Haas Co.). Os testes demonstram uma boa separação entre o ácido succínico e diversas impurezas. Nos exemplos, todos os testes de pulsos foram realizados em colunas de vidro com camisa de 1,5 cm com 100 ml de resina. As resinas cromatográficas são empacotadas nas colunas como una suspensão densa utilizando um fluxo descendente. A resina foi lavada bem com água desionizada antes dos testes serem realizados. Um pulso de 6 ml do material de partida foi carregado e eluído com água desionizada (DI) numa vazão de 3 ml/minuto. Não foi observada nenhuma contrapressão.A. Faixa de temperatura operacional

[071] No caso de XAD-4, observamos que temperaturas mais altas promovem melhores resultados de separação com um volume de eluição razoável sob condições isocráticas. Se a separação for realizada a temperaturas elevadas, pode-se isolar o ácido succínico de sais, compostos nitrogenados e outros ácidos orgânicos (por exemplo, os ácidos málico, láctico ou acético). Conforme demonstrado pelos testes de pulsos nas figuras adjuntas, o ácido succínico livre é distintivamente separado de todos os outros sais que são eluídos facilmente com uma lavagem com água. Com base nas separações cromatográficas observadas nos testes de pulsos, o ácido succínico protonado se liga mais fortemente à resina hidrofóbica do que as impurezas incluindo os outros ácidos orgânicos. Em geral, quanto menor a constante de equilíbrio ou a ligação dinâmica, mais rápido as espécies retidas tenderão a ser eluidas da resina. Provavelmente, o inverso também é verdadeiro, ou seja, quanto maior a constante de equilíbrio, mais devagar as espécies tenderão a ser eluidas e ficarão retidas por mais tempo. Apesar dos testes em XAD-4 indicarem que temperaturas elevadas são necessárias para eluição eficaz do ácido succínico, as temperaturas operacionais exatas podem variar dependendo dos parâmetros operacionais da resina não funcionalizada específica utilizada e/ou das espécies de interesse.

[072] Os Exemplos 1, 2, 3, e 4, ilustram o efeito da temperatura na eficiência de separação do ácido succínico de um caldo de fermentação utilizado como matéria- prima empregando uma resina cromatográfica não funcionalizada XAD-4. Foram introduzidos 100 ml de XAD-4 em uma coluna de vidro com camisa (1,5 cm de diâmetro). A resina é aquecida até a temperatura indicada utilizando um banho de água. A resina foi lavada com ~500 ml de água. Um pulso de 6 ml do material de partida foi carregado e eluído com água desionizada (DI) com uma vazão de 3 ml/minuto. Não foi observada nenhuma contrapressão.

[073] Conforme indicado pelos resultados dos testes de pulsos, quando aplicados a um sistema SMB, as separações realizadas a temperaturas operacionais inferiores a 50 °C parecem separar de forma menos eficaz, e necessitariam do uso de maior eluição e, portanto, maior diluição do produto desejado. Portanto, conforme indicam os dados dos exemplos, a capacidade de separar de forma eficaz o ácido succínico livre dos outros sais e ácidos orgânicos no filtrado ocorre em uma faixa de temperatura compreendida entre cerca de 50 °C e cerca de 90 °C com XAD-4. Normalmente, a temperatura operacional está compreendida entre cerca de 53 °C ou 55 °C e cerca de 75 °C ou 80 °C, e desejavelmente entre cerca de 57 °C ou 65 °C e cerca de 70 °C ou 72 °C.

[074] EXEMPLO 1: Purificação de ácido succínico a partir de caldo de fermentação em pH 2 e a 50 °C.

[075] A Figura 2 mostra os resultados de um teste de pulsos realizado a 50 °C de acordo com uma permutação da presente invenção. É mostrada uma resolução cromatográfica distintiva entre o ácido succínico e outros ácidos orgânicos e sais. O pico dos sais é resolvido em cerca de 0,4 volumes do leito com um pico em cerca de 0,7 volumes do leito. Os outros ácidos orgânicos mostram um pico em cerca de 1,2 volumes do leito. O ácido succínico começa a ser resolvido em cerca de 0,9 ou 1,0 volumes do leito e alcança um pico em cerca de 1,5 ou 1,6 volumes do leito. Quase todo ácido succínico é eluido em cerca de 2,8 volumes do leito.

[076] EXEMPLO 2: Purificação de ácido succínico a partir de caldo de fermentação em pH 2 e a 60 °C.

[077] De forma similar ao Exemplo 1, a separação no Exemplo 2, de acordo com a presente invenção, foi realizada com a temperatura da camisa na coluna aquecida a 60 °C com um banho de água. A Figura 3 resume os resultados de um teste de pulsos realizado a 60 °C. Isso resultou na eluição completa do ácido succínico. Ademais, a figura mostra que o ácido succínico foi separado de forma eficaz dos materiais nitrogenados e outros ácidos orgânicos que são contaminantes comuns nos caldos de fermentação.

[078] Como seria esperado, a eletrocondutividade no sistema monitoriza estreitamente a dessorção de outros sais. Outro detalhe na Figura 7 mostra uma resolução distintiva clara do ácido succínico frente aos ácidos málico, láctico e acético no filtrado bruto. A curva do ácido succínico alcança um pico em cerca de 1,5 volumes do leito, enquanto os picos das curvas de outras espécies ácidas se sobrepõem de forma bem próxima desde cerca de 0,75 até cerca de 1,25 volumes do leito.

[079] EXEMPLO 3: Purificação de ácido succínico a partir de caldo de fermentação em pH 2 e a 75 °C.

[080] De forma igual aos exemplos anteriores realizados a 50 °C e 60 °C, a eluição a 75 °C mostra uma separação cromatográfica praticamente completa dos sais e do ácido succínico. Ademais, a eluição de outros ácidos orgânicos foi relativamente boa.

[081] EXEMPLO 4: Purificação de ácido succínico a partir de caldo de fermentação em pH 2 e a 90 °C.

[082] Quando uma separação cromatográfica é realizada a uma temperatura de cerca de 90 °C, os picos das diferentes espécies começam a convergir. Esta característica poderia resultar em uma maior perda de ácido succínico na porção de rafinado, o qual começa a ir contra o objetivo da presente invenção para maximizar as quantidades de succinato no material eluido. Este resultado sugere que as temperaturas operacionais acima de 90 °C podem não ser benéficas e que, pelo menos para o tipo de resina não funcionalizada particular utilizada, pode haver um limite superior da temperatura operacional.

[083] EXEMPLO 5: Purificação de succinato diamônico a partir de um caldo de fermentação em pH 2 a 25 °C.

[084] Um teste de pulsos similar foi realizado à temperatura ambiente, mas o NH4OH não foi adicionado até cerca de 2,4 volumes do leito. Neste teste foi observado que o ácido succínico começa a eluir em cerca de 1,5 volumes do leito e que o NH4OH acelera a eluição.

[085] B. Faixa de valores de pH

[086] De forma análoga aos exemplos na seção anterior, as Figuras 6A a 6C ilustram o efeito do pH na separação cromatográfica. A Figura 6A utiliza um material de partida que tem um pH de 2,5; a Figura 6B tem um pH de 3,0; e a Figura 6C tem um pH de 4,3. O valor de pH da matéria-prima deve ser inferior a 3. Como pode ser observado nas figuras adjuntas, os resultados do teste de pulsos a pH 2,5 mostram uma boa separação e eluição, mas quando o valor do pH é aumentado para um valor superior ou igual a 3, o pico do ácido succínico se torna bimodal. Isso resultaria em perdas do produto no refinado. Para minimizar as ocorrências de picos bimodais para o ácido succínico desejado na separação, parece que uma faixa de valor de pH operacional boa começa entre cerca de 2,5 e 3, e pode tender a reduzir para cerca de 1,3 ou 1,0, ou até menos.

[087] C. Eluição binária

[088] EXEMPLO 6: Purificação de succinato dissódico a partir de um caldo de fermentação em pH 2,0 e a 40 °C.

[089] A Figura 8 mostra um teste de pulsos inicial, no qual 6 ml do caldo de fermentação que contém ~50 g/L de ácido succínico foram carregados na coluna à temperatura ambiente seguido de eluição com 3 ml/minuto de água desionizada. Após observar uma diminuição da condutividade (sais haviam sido eluidos), o eluente foi trocado por NaOH 5%. A análise resultante revelou que os sais foram completamente separados do succinato dissódico.

[090] EXEMPLO 7: Purificação de succinato dissódico a partir de um caldo de fermentação em pH 2,0 e a 25 °C.

[091] A Figura 9 mostra um teste de pulsos similar àquele no Exemplo 6, entretanto uma temperatura de 25 °C foi usada. Mais uma vez ocorreu uma separação completa entre o succinato e os sais.

[092] EXEMPLO 8: Purificação de succinato diamônico a partir de um caldo de fermentação em pH 2,0.

[093] A Figura 10A mostra outro teste de pulsos realizado de forma similar àquele do Exemplo 6; entretanto, NH4OH foi usado como o segundo eluente. Isso resultou numa corrente de succinato diamônico que pode ser potencialmente utilizado em processamento posterior para formar outros produtos nitrogenados, tais como a N-metilpirrolidinona comercialmente desejável.

[094] D. Condições de eluição

[095] Eluição binária:

[096] Para a eluição básica de succinato dibásico com XAD-4, a faixa de temperatura operacional está compreendido entre cerca de 20 °C e cerca de 40 °C. As resinas não funcionais poderiam ser utilizadas para separar succinato dos sais e outros ácidos diretamente à temperatura ambiente. Em um exemplo, foram carregados 100 ml de XAD-4 em uma coluna de vidro com camisa (1,5 cm de diâmetro). A resina é aquecida até a temperatura apropriada (cerca de 22 a 25 °C) usando um banho de água. A resina foi lavada com ~500 ml de água DI. Um pulso de 6 ml do material de partida derivado de fermentação é carregado e eluído com água DI numa vazão de 3 ml/minuto. Em um momento apropriado (por exemplo, em cerca de 1,2 a 2,0 ou cerca de 2,5 a 3,0 volumes do leito, inclusive), uma solução de base 5 a 10% em peso foi utilizada como eluente para criar o sal succinato. (Apesar de serem utilizados tanto NaOH como NH4OH, qualquer base inorgânica forte, tal como NH3, LiOH ou KOH, pode funcionar.) Não é observada nenhuma contrapressão. Um experimento adicional é realizado para a eluição básica de succinato dibásico a 40 °C, utilizando NaOH ou KOH para eluir. A partir dos dados empíricos resumidos nas Figuras 8 a 10, parece que uma vez que a temperatura é aumentada acima de 40 °C, a capacidade de purificação do ácido succínico dos outros ácidos orgânicos será difícil em XAD-4; portanto, a purificação isocrática seria uma abordagem melhor.

[097] Eluição isocrática:

[098] Da mesma forma que acima, 100 ml de resina XAD-4 são carregados em uma coluna de vidro com camisa (1,5 cm de diâmetro). A resina é aquecida até cerca de 60 °C utilizando um banho de água. A resina é lavada com cerca de 500 ml de agua DI. Um pulso de 6 ml do material de partida derivado de fermentação é carregado e eluído com água DI numa vazão de 3 ml/minuto. A temperatura é mantida constante durante toda a eluição. Não é observada nenhuma contrapressão.

[099] Ocorrerá eluição incompleta do composto de interesse se a massa do adsorvente for muito grande para o volume de solvente utilizado. Ocorrerá retenção incompleta do composto de interesse se a massa do adsorvente for inadequada, resultando na eluição do composto na fração ou no solvente de lavagem. Tais casos podem resultar em taxas de recuperação menores.

[0100] Para os especialistas em cromatografia, os resultados resumidos nas figuras adjuntas sugerem que o presente processo pode ser adaptado para a separação contínua do ácido succínico utilizando cromatografia em leito móvel simulado. Contemplamos o uso de condições isocráticas e o ajuste da temperatura operacional para obter o melhor rendimento de resinas particulares, que provavelmente é numa temperatura elevada. Ademais, podemos aplicar os resultados à separação contínua de succinato dibásico utilizando cromatografia em leito móvel simulado. Neste caso, seria em um sistema de 4 a 5 zonas utilizando tanto água como uma solução básica. Este processo pode proporcionar um modo mais simples e limpo de reagir o succinato com NH4OH para produzir succinato diamônico, que pode ser utilizado como material precursor para outros produtos químicos. Ademais contempla-se que o ácido succínico poderia ser isolado como uma corrente em solvente/água utilizando um solvente orgânico, tal como álcool, como eluente em uma montagem similar àquela da Figura 12. Isso resultaria em uma corrente de ácido succínico que poderia ser utilizado diretamente em um processamento posterior.

[0101] A presente invenção foi descrita de forma geral e detalhadamente por meio de exemplos. Os especialistas na técnica compreendem que a invenção não se limita necessariamente às modalidades de realização especificamente descritas, mas que podem ser realizadas modificações e variações sem se afastar do âmbito da invenção, tal como se define nas seguintes reivindicações ou seus equivalentes, incluindo outros componentes equivalentes atualmente conhecidos, ou que serão desenvolvidos, que podem ser utilizados dentro do âmbito da presente invenção. Portanto, a menos que as alterações se afastem do âmbito da invenção, as alterações devem ser interpretadas como estando incluídas no presente documento.

Claims

1. PROCESSO PARA PURIFICAR ÁCIDO SUCCÍNICO A PARTIR DE UM CALDO DE FERMENTAÇÃO, que compreende: filtrar um caldo de fermentação; assegurar que o filtrado que contém succinato possui pH inferior ou igual a 3,0; passar o referido filtrado acidificado por uma coluna cromatográfica que tem uma resina não funcionalizada seletivamente a uma temperatura operacional compreendida em uma faixa de 20 °C a 100 °C, em que pelo menos duas frações distintas são alcançadas, pelo menos uma contendo ácido succínico ou sal de succinato, caracterizado pela dita temperatura operacional ser selecionada para sera) superior a 50 °C para produzir um ácido succínico livre, em que a dita produção de ácido succínico livre é uma eluição isocrática de água deionizada, oub) inferior a 50 °C para produzir o sal de ácido succínico, em que a dita operação de produção de sal é uma eluição binária de água deionizada e forte base aquosa ou uma eluição binária de água deionizada e um solvente orgânico.

2. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela dita temperatura operacional para o ácido succínico livre estar entre 50°C a 90 °C, particularmente entre 55 °C a 85°C ouem que a dita temperatura operacional para o sal do ácido succínico deve estar entre 20°C a 50°C, particularmente entre 22°C a 45°C.

3. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender ainda a cristalização do ácido succínico livre, sendo que em particular o dito ácido succínico apresenta uma pureza maior ou igual a 90% após uma única cristalização.

4. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo dito filtrado ter um pH de 1,0 a 3,0, em particular pelo dito filtrado ter um pH de 1,5 a 2,8.

5. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo dito solvente orgânico ser selecionado do grupo que consiste em metanol, etanol e acetona.

6. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela dita resina não funcionalizada ser um poliestireno divinilbenzeno (PS-DVB) hidrofóbico.

7. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela dita coluna cromatográfica fazer parte de um aparelho de separação contínua, particularmente em que o dito aparelho de separação contínua é um sistema em leito móvel simulado (SMB).

8. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela resina exibir uma afinidade maior para o ácido succínico do que outras impurezas encontradas no caldo de fermentação.

9. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo ácido succínico ser separado de outros ácidos orgânicos, sais, e açucares presentes no dito filtrado.