BRPI1101621A2 - Processos para a produção de ácido succínico a partir de caldos de fermentação contendo succinato de diamônio - Google Patents

Abstract

PROCESSOS PARA A PRODUÇÃO DE ÁCIDO SUCCINICO A PARTIR DE CALDOS DE FERMENTAÇÃO CONTENDO SUCCINATO DE DIAMÔNIO A presente invenção refere-se a processos para a produção de SA a partir de um caldo de fermentação contendo DAS clarificado ou um caldo de fermentação contendo MAS clarificado que inclui destilação do caldo sob pressão super atmosférica em uma temperatura de> 10000 a cerca de 30000 para formar um overhead que compreende água e amônia e uma parte inferior que inclui SA e pelo menos cerca de 20% em peso de água; resfriamento da parte inferior para uma temperatura suficiente para fazer com que a parte inferior se separe em uma porção liquida e uma porção só-lida que é SA substancialmente puro; e eparação da porção sólida da porção liquida. Um método também reduz a temperatura e pressão de destilação do caldo mediante a adição de um solvente de separação de amônia e/ou azeotropia em água ao caldo.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSOS PARA A PRODUÇÃO DE ÁCIDO SUCCÍNICO A PARTIR DE CALDOS DE FERMENTAÇÃO CONTENDO SUCCINATO DE DIAMÔNIO".

Pedidos Relacionados O presente pedido reivindica o benefício dos Pedidos Provisórios

US Nos 61/320.063, depositado em 1 de abril de 2010 e 61/327.789, depositado em 26 de abril de 2010, o assunto em questão dos quais é incorporado aqui por referência.

Campo Técnico

A presente descrição refere-se a processos para a produção di

reta de ácido succínico (Succinic Acid - SA) a partir de caldos de fermentação contendo succinato de diamônio (diammonium succinate - DAS), succinato de monoamônio (monoammonium succinate - MAS) e/ou SA. Antecedentes

Determinados produtos carbonáceos da fermentação de açúcar

são encarados como substituintes para materiais derivados de petróleo para uso como estoques de alimentação para a fabricação de produtos químicos contendo carbono. Um de tais produtos é SA.

Ácido succínico pode ser produzido por micro-organismos usan20 do fontes de carbono fermentáveis tais como açúcares, como materiais de iniciação. Contudo, micro-organismos que produzem succinato mais comercialmente viáveis descritas na literatura neutralizam o caldo de fermentação para manter um pH apropriado para crescimento, conversão e produtividade máximas. Tipicamente, o pH do caldo de fermentação é mantido em ou pró25 ximo de um pH de 7 mediante introdução de hidróxido de amônio no caldo, desse modo, convertendo o ácido succínico em DAS.

Kushiki (Publicação de Pedido de Patente Japonesa Publicada N0 2005-139156) divulga um método de obtenção de MAS a partir de uma solução aquosa de DAS que poderia ser obtida a partir de um caldo de fer30 mentação ao qual um sal de amônio é adicionado como um contraíon. Especificamente, MAS é cristalizado a partir de uma solução aquosa de DAS por meio da adição de ácido acético à solução para ajustar o pH da solução para um valor entre 4,6 e 6,3, fazendo com que MAS impuro se cristalize da solução.

Masuda (Publicação de Pedido Japonês Não Examinado P2007- 254354, 4 de Outubro de 2007) descreve a desamoniação parcial de soluções aquosas diluídas de "succinato de amônio" da fórmula H4NOOCCH2CH2COONH4. A partir da fórmula molecular divulgada, pode ser observado que "succinato de amônio" é succinato de diamônio. Masuda remove água e amônia por meio de aquecimento de soluções do succinato de amônio para proporcionar uma composição baseada em succinato sólido contendo, além de succinato de amônio, pelo menos um do succinato de monoamônio, ácido succínico, succinato de monoamida, succinimida, succinamida ou éster succinato. Assim, pode ser inferido que, assim como Kushiki, Masuda divulga um processo que resulta na produção de MAS impuro. Os processos de Kushiki e Masuda levam a materiais que precisam ser submetidos a vários regimes de purificação para produzir MAS de alta pureza.

Seria desejável ter um processo para a produção direta de SA substancialmente puro a partir de um caldo de fermentação contendo DAS. Sumário

Proporciona-se um processo para a produção de SA a partir de

um caldo de fermentação contendo DAS clarificado incluindo destilação do caldo sob pressão superatmosférica em uma temperatura de > 100°C a cerca de 300°C para formar um overhead que compreende água e amônia e uma parte inferior líquida que compreende SA e pelo menos cerca de 20% 25 em peso de água, resfriamento e/ou evaporação das partes inferiores para atingir uma temperatura e composição suficientes para fazer com que a parte inferior se separe em uma porção líquida e uma porção sólida que é SA substancialmente puro e separação da porção sólida da porção líquida.

Também proporciona-se um processo para a produção de SA a partir de um caldo de fermentação contendo DAS clarificado incluindo adição de um solvente de separação de amônia e/ou um solvente de azeotropia em água ao caldo, destilação do caldo em uma temperatura e pressão suficientes para formar um overhead que compreende água e amônia e uma parte inferior líquida que compreende SA e pelo menos cerca de 20% em peso de água, resfriamento e/ou evaporação da parte inferior para atingir uma temperatura e composição suficientes para fazer com que a parte inferior se sepa5 re em uma porção líquida e uma porção sólida que é SA substancialmente puro e separação da porção sólida da porção líquida.

Ainda proporciona-se um processo para produção de SA a partir de um caldo de fermentação contendo DAS clarificado incluindo destilação do caldo sob pressão superatmosférica em uma pressão de > 100°C a cerca 10 de 300°C para formar um overhead que compreende água e amônia e uma parte inferior líquida que compreende SA e pelo menos cerca de 20% em peso de água, resfriamento e/ou evaporação da parte inferior para atingir uma temperatura e composição suficientes para fazer com que a parte inferior se separe em uma porção líquida e uma porção sólida que é 15 SA substancialmente puro e separação da parte inferior sólida da porção líquida.

Ainda proporciona-se um processo para a produção de SA a partir de um caldo de fermentação contendo MAS clarificado incluindo adição de um solvente de separação de amônia e/ou um solvente de azeotropia 20 em água, destilação do caldo em uma temperatura e pressão suficientes para formar um overhead que inclui água e amônia e uma parte inferior líquida que compreende SA e pelo menos cerca de 20% em peso de água, resfriamento e/ou evaporação da parte inferior para atingir uma temperatura e composição suficientes para fazer com que a parte inferior se separe em 25 uma porção líquida e uma porção sólida que é SA substancialmente puro e separação da porção sólida da porção líquida.

Breve Descrição dos Desenhos

A figura 1 é um diagrama em bloco do processo para produção de SA a partir de um caldo contendo DAS.

A figura 2 é um gráfico mostrando a solubilidade de SA como

uma função da temperatura em água e em uma solução aquosa de MAS a 20% em peso. Descrição Detalhada

Será apreciado que pelo menos uma parte da descrição a seguir se destina a referir-se a exemplos representativos de processos selecionados para ilustração nos desenhos e não se destina a definir ou limitar a des5 crição de outro modo que não conforme nas reivindicações em anexo.

Os processos podem ser apreciados através de referência à figura 1, a qual mostra, na forma de diagrama em bloco, um exemplo representativo, 10, de nossos métodos.

Um vaso de crescimento 12, tipicamente um fermentador esterilizável in-place, pode ser usado para crescimento de uma cultura microbiana (não mostrada) que é subsequentemente utilizado para a produção do caldo de fermentação contendo DAS, MAS e/ou SA. Tais vasos de crescimento são conhecidos na técnica e não serão adicionalmente discutidos.

A cultura microbiana pode compreender micro-organismos capazes de produzir SA a partir de fontes de carbono fermentáveis, tais como açúcares de carboidrato. Exemplos representativos de micro-organismos incluem Escherichia coli (E. coli), Aspergillus niger, Corynebacterium glutamicum (também denominada Brevibacterium flavum), Enterococcus faecalis, Veillonella parvula, Actinobacillus suecinogenes, Mannheimia succiniciprodueens, Anaerobiospirillum sueeinieiproducens, Paecilomyees Varioti, Saceharomyees eerevisiae, Baeteroides fragilis, Baeteroides ruminieola, Bacteroides amylophilus, Alealigenes eutrophus, Brevibaeterium ammoniagenes, Brevibaeterium Iaetofermentum, Candida brumptii, Candida eatenulate, Candida myeoderma, Candida zeylanoides, Candida paludigena, Candida sonorensis, Candida utilis, Candida zeylanoides, Debaryomyees hansenii, Fusarium oxysporum, Humieola lanuginosa, Kloeekera apieulata, Kluyveromyces Iaetis, Kluyveromyces wiekerhamii, Penieillium simplieissimum, Piehia anômala, Piehia besseyi, Piehia media, Piehia guilliermondii, Piehia inositovora, Piehia stipidis, Saccharomyees bayanus, Schizosaceharomyees pombe, Torulopsis eandida, Yarrowia lipolytiea, misturas dos mesmos e semelhantes.

Um micro-organismo preferido é uma cepa de E. coli depositada na ATCC sob acesso número PTA-5132. Mais preferida é essa cepa com seus três genes de resistência a antibiótico (caí, amphl, tetA) removidos. Remoção dos genes de resistência a antibiótico cat (que codifica a resistência ao cloranfenicol) e amphl (que codifica a resistência à canamicina) pode ser realizada por meio do assim denominado procedimento "Lambda-red (□5 red)", conforme descrito em Datsenko KA e Wanner BL., Proc. Natl. Acad. Sei. U S A, 6 de Junho de 2000; 97(12): 6640-5, o assunto em questão do qual é incorporado aqui por referência. O gene de resistência à tetraciclina tetA pode ser removido usando o procedimento originalmente descrito por Bochner et ai, J Bacteriol., Agosto de 1980; 143(2): 926-933, o assunto em 10 questão do qual é incorporado aqui por referência. Glicose é uma fonte de carbono fermentável preferida para esse micro-organismo.

Uma fonte de carbono fermentável (por exemplo, carboidratos e açúcares), opcionalmente uma fonte de nitrogênio e nutrientes complexos (por exemplo, licor da maceração de milho), componentes de meio adicio15 nais, tais como vitaminas, sais e outros materiais que podem aprimorar o crescimento celular e/ou formação de produto e água pode ser alimentada ao vaso de crescimento 12 para crescimento e sustentação da cultura microbiana. Tipicamente, a cultura microbiana é crescida sob condições aeróbicas conferidas por purgação de um gás rico em oxigênio (por exemplo, ar 20 ou semelhante). Tipicamente, um ácido (por exemplo, ácido sulfúrico ou semelhante) e hidróxido de amônio são proporcionados para controle de pH durante o crescimento da cultura microbiana.

Em um exemplo (não mostrado), as condições aeróbicas no vaso de crescimento (proporcionadas por purgação de um gás rico em oxigê25 nio) são alteradas para condições anaeróbicas trocando o gás rico em oxigênio por um gás deficiente de oxigênio (por exemplo, CO2 ou semelhante). O ambiente anaeróbico dispara a bioconversão da fonte de carbono fermentável em ácido succínico in situ no vaso de crescimento 12. Hidróxido de amônio 12 é proporcionado para controle de pH durante bioconversão da 30 fonte de carbono fermentável em SA. O SA que é produzido é pelo menos parcialmente, se não totalmente neutralizado em DAS em virtude da presença do hidróxido de amônio, levando à produção de um caldo compreendendo DAS. O CO2 proporciona uma fonte de carbono adicional para a produção de SA.

Em outro exemplo, os conteúdos do vaso de crescimento 12 podem ser transferidos, via a corrente 14, para um vaso de bioconversão 16 5 distinto para bioconversão de uma fonte de carboidrato em SA. Um gás deficiente de oxigênio (por exemplo, CO2 ou semelhante) é purgado no vaso de bioconversão 16 para proporcionar condições anaeróbicas que disparam a produção de SA. Hidróxido de amônio é proporcionado para controle de pH durante bioconversão da fonte de carboidrato em SA. Em virtude da presen10 ça do hidróxido de amônio, o SA produzido é pelo menos parcialmente neutralizado em DAS, levando à produção de um caldo que compreende DAS. O CO2 proporciona uma fonte adicional de carbono para produção de SA.

Em ainda outro exemplo, a bioconversão pode ser conduzida em um pH relativamente baixo (por exemplo, 3-6). Uma base (hidróxido de amônio ou amônia) pode ser fornecida para controle de pH durante bioconversão da fonte de carboidrato em SA. Dependendo do pH desejado, em virtude da presença ou falta do hidróxido de amônio, SA é produzido ou o SA produzido é pelo menos parcialmente neutralizado em MAS, DAS ou uma mistura compreendendo DA, MAS e/ou DAS. Assim, o SA produzido durante bioconversão pode ser subsequentemente neutralizado, opcionalmente em uma etapa adicional, fornecendo amônia ou hidróxido de amônio, levando a um caldo compreendendo DAS. Como uma conseqüência, um "caldo de fermentação contendo DAS" geralmente significa que o caldo de fermentação compreende DAS e possivelmente qualquer número de outros componentes, tais como MAS e/ou SA1 quer adicionados e/ou produzidos por meio de bioconversão ou de outro modo. Similarmente, um "caldo de fermentação contendo MAS" geralmente significa que o caldo de fermentação compreende MAS e possivelmente qualquer número de outros componentes, tais como DAS e/ou SA, quer adicionados e/ou produzidos por meio de bioconversão ou de outro modo.

O caldo resultante da bioconversão da fonte de carbono fermentável (no vaso 12 ou vaso 16, dependendo de onde a bioconversão ocorre) contém, tipicamente, sólidos insolúveis, tais como biomassa celular e outro material suspenso, os quais são transferidos, via a corrente 18, para o aparelho de clarificação 20 antes de destilação. Remoção dos sólidos insolúveis clarifica o caldo. Isso reduz ou previne a incrustação do subsequente equi5 pamento de destilação. Os sólidos insolúveis podem ser removidos através de qualquer uma de várias técnicas de separação de sólido-líquido, isoladamente ou em combinação incluindo, mas não limitado a, centrifugação e clarificação (incluindo, mas não limitado a, ultrafiltração, microfiltração ou filtração profunda). A escolha de filtração pode ser feita usando técnicas conhe10 cidas no campo. Compostos inorgânicos solúveis podem ser removidos através de qualquer número de métodos conhecidos tais como, mas não limitado a, troca de íons, adsorção física e semelhantes.

Um exemplo de centrifugação é uma centrífuga de pilha de discos contínua. Ela pode ser útil para adicionar uma etapa de filtração de poli15 mento após centrifugação, tal como filtração "dead-end" ou de fluxo turbulento que pode incluir o uso de um auxiliar de filtro, tal como terra diatomácea ou semelhante ou, mais preferivelmente, ultrafiltração ou microfiltração. A membrana de ultrafiltração ou microfiltração pode ser cerâmica ou polimérica, por exemplo. Um exemplo de uma membrana polimérica é SeIRO MPS20 U20P (membrana de ultrafiltração estável ao pH) fabricada pela Koch Membrane Systems (850 Main Street, Wilmington, MA, EUA). Essa é uma membrana de poliéter sulfonada comercialmente disponível com um corte de peso molecular de 25.000 Daltons a qual opera, tipicamente, em pressões de

0,35 a 1,38 MPa (pressão máxima de 1,55 MPa) e em temperaturas de até 50 °C. Como uma alternativa ao uso de centrifugação e uma filtração de polimento em combinação, filtração de fluxo turbulento pode ser empregada isoladamente usando membranas de ultra- ou microfiltração.

O caldo contendo DAS ou caldo contendo MAS clarificado resultante, substancialmente isento da cultura microbiana e outros sólidos, é transferido, via a corrente 22, para o aparelho de destilação 24.

O caldo clarificado deverá conter DAS e/ou MAS em uma quantidade que é pelo menos uma maioria de, de preferência pelo menos cerca de 70% em peso, mais preferivelmente 80% em peso e, ainda mais preferivelmente, pelo menos cerca de 90% em peso de todos os sais de dicarboxiIato de amônio no caldo. A concentração de DAS e/ou MAS, como um percentual em peso (% em peso) dos sais de ácido dicarboxílico totais no caldo 5 de fermentação pode ser facilmente determinada por meio de cromatografia de líquido de alta pressão ( HPLC) ou outros meios conhecidos.

Água e amônia são removidas do aparelho de destilação 24 como um overhead e pelo menos uma porção é opcionalmente reciclada, via a corrente 26, para o vaso de bioconversão 16 (ou vaso de crescimento 12 operado no modo anaeróbico).

A temperatura e pressão de destilação não são críticas, na medida em que a destilação seja realizada de uma forma que assegura que o overhead de destilação contenha água e amônia e a parte inferior da destilação compreende, de preferência, pelo menos algum MAS e pelo menos cer15 ca de 20% em peso de água. Uma quantidade mais preferida de água é pelo menos cerca de 30% em peso e uma quantidade ainda mais preferida é pelo menos cerca de 40% em peso. A taxa de remoção de amônia da etapa de destilação aumenta com aumento da temperatura e também pode ser aumentada através de injeção de vapor (não mostrada) durante destilação. A 20 taxa de remoção de amônia durante destilação pode também ser aumentada conduzindo destilação sob um vácuo, sob pressão ou purgando o aparelho de destilação com um gás não reativo, tal como ar, nitrogênio ou semelhante.

Remoção de água durante a etapa de destilação pode ser inten25 sificada mediante o uso de um agente de azeotropia orgânica, tal como tolueno, xileno, metilciclo-hexano, metil isobutil cetona, ciclo-hexano, heptano ou semelhante, contanto que a parte inferior contenha pelo menos cerca de 20% em peso de água. Se a destilação é realizada na presença de um agente orgânico capaz de formação de um azeotropo consistindo da água e do 30 agente, destilação produz uma parte inferior bifásica que compreende uma fase aquosa e uma fase orgânica, caso no qual a fase aquosa pode ser separada da fase orgânica e a fase aquosa usada como a parte inferior de destilação. Subprodutos, tais como succinamida e succinimida, são substancialmente evitados, contanto que o nível de água na parte inferior seja mantido em um nível de pelo menos cerca de 30% em peso.

Uma temperatura preferida para a etapa de destilação está na 5 faixa de cerca de 50 a cerca de 300°C, dependendo da pressão. Uma faixa de temperatura mais preferida é cerca de 150 a cerca de 240°C, dependendo da pressão. Uma temperatura de destilação de cerca de 170 a cerca de 230°C é preferida. "Temperatura de destilação" refere-se à temperatura da parte inferior (para destilações em batelada, essa pode ser a temperatura no 10 momento quando a última quantidade desejada de overhead é tirada).

Adição de um solvente orgânico miscível em água ou um solvente de separação de amônia facilita a desamoniação sobre uma variedade de temperaturas e pressões de destilação, conforme discutido acima. Tais solventes incluem solventes apróticos, bipolares, contendo oxigênio que podem 15 ser capazes de formar ligações de hidrogênio passivas. Exemplos incluem, mas não estão limitados a, diglima, triglima, tetraglima, sulfóxidos, tal como sulfóxido de dimetila (DMSO), amidas, tais como dimetilformamida (DMF) e dimetilacetamida, sulfonas, tal como dimetil-sulfona, gama-butirolactona (GBL), sulfolano, polietilenoglicol (PEG), butóxitriglicol, N-metilpirrolidona 20 (NMP), éteres, tal como dioxano, metil etil cetona (MEK) e semelhantes. Tais solventes auxiliam na remoção de amônia do DAS ou MAS no caldo clarificado. A despeito da técnica de destilação, é preferível que a destilação seja realizada de uma forma que assegura que pelo menos algum MAS e pelo menos cerca de 20% em peso da água permaneçam na parte inferior e, ain25 da mais vantajosamente, pelo menos cerca de 30% em peso. A destilação pode ser realizada em pressões atmosféricas, subatmosféricas ou superatmosféricas.

Sob outras condições, tal como quando a destilação é conduzida na ausência de um agente azeotrópico ou solvente de separação de amônia, a destilação é conduzida em pressão superatmosférica em uma temperatura de > 100°C a cerca de 300°C para formar um overhead que compreende água e amônia e uma parte inferior líquida que compreende SA e pelo menos cerca de 20% em peso de água. Pressão superatmosférica cai, tipicamente, dentro de uma faixa de > atmosfera ambiente até e incluindo cerca de 25 atmosferas. Vantajosamente, a quantidade de água é pelo menos cerca de 30% em peso.

A destilação pode ser uma destilação "flash" em um estágio,

múltiplos estágios (isto é, uma destilação em coluna com múltiplos estágios), colunas múltiplas ou semelhante. A destilação "flash" em um estágio pode ser conduzida em um equipamento Flasher (por exemplo, um evaporador de filme enrolado, evaporador de filme fino, Thermosiphon Flasher, Forced Cir10 culation Flasher e semelhantes). Os múltiplos estágios da coluna de destilação podem ser obtidos usando bandejas, empacotamento ou semelhante. O empacotamento pode ser empacotamento aleatório (por exemplo, anéis Raschig, anéis Pall, pás Berl e semelhantes) ou empacotamento estruturado (por exemplo, empacotamento Koch-Sulzer, empacotamento Intalox, Mella15 pak e semelhantes). As bandejas podem ser de qualquer design (por exemplo, bandejas com peneira, bandejas com válvula, bandejas "bubble-cap" e semelhantes). A destilação pode ser realizada com qualquer número de estágios teóricos.

Se o aparelho de destilação é uma coluna, a configuração não é particularmente crítica e a coluna pode ser criada usando critérios bem conhecidos. A coluna pode ser operada no modo de extração, modo de retificação ou modo de fracionamento. Destilação pode ser conduzida no modo em batelada, semicontínuo ou contínuo. No modo contínuo, o caldo é alimentado continuamente no aparelho de destilação e o overhead e parte inferior são continuamente removidos do aparelho à medida que eles são formados. O destilado da destilação é uma solução de amônia/água e a parte inferior de destilação é uma solução aquosa líquida de MAS e SA, a qual pode também conter outros sais subprodutos da fermentação (isto é, acetato de amônio, formato de amônio, Iactato de amônio e semelhantes) e corpos coloridos.

A parte inferior de destilação pode ser transferida, via a corrente 28, para o aparelho de resfriamento 30 e esfriada por meio de técnicas convencionais. A técnica de resfriamento não é crítica. Um trocador de calor (com recuperação de calor) pode ser usado. Um equipamento de resfriamento de vaporização rápida pode ser usado para esfriar a parte inferior para cerca de 15°C. Resfriamento para O0C emprega, tipicamente, um refrige5 rante refrigerado tal como, por exemplo, solução de glicol ou, menos preferivelmente, salmoura. Uma etapa de concentração pode ser incluída antes de resfriamento para aumentar o rendimento de produto. Ainda, concentração e resfriamento podem ser combinados usando métodos conhecidos, tais como evaporação a vácuo e remoção de calor usando camisas de resfriamento 10 integradas e/ou trocadores de calor externos.

Descobriu-se que a presença de um pouco de MAS na parte inferior líquida facilita a separação de resfriamento-induzida da parte inferior em uma porção líquida em contato com uma porção sólida que "consiste essencialmente" pelo menos em SA (significando que a porção sólida é pelo 15 menos SA cristalino substancialmente puro) mediante redução da solubilidade de SA na parte inferior líquida aquosa contendo MAS. A figura 2 ilustra a solubilidade reduzida de SA em uma solução aquosa de MAS a 20% em peso em várias temperaturas oscilando de 5 a 45°C. Descobriu-se, portanto, que SA pode ser mais completamente cristalizado da solução aquosa se um 20 pouco de MAS também está presente nessa solução. Uma concentração preferida de MAS em tal solução é cerca de 20% em peso. Esse fenômeno permite a cristalização de SA (isto é, formação da porção sólida da parte inferior de destilação) em temperaturas maiores do que aquelas que normalmente seriam requeridas na ausência de MAS.

A parte inferior de destilação, após resfriamento, é alimentada,

via a corrente 32, para o separador 34 para separação da porção sólida da porção líquida. Separação pode ser realizada via filtração sob pressão (por exemplo, usando filtros de pressão do tipo Nutsche ou Rosenmond), centrifugação e semelhantes. O produto sólido resultante pode ser recuperado como produto 36 e seco, se desejado, por meio de métodos padrão.

Após separação, pode ser desejável tratar a porção sólida para assegurar que nenhuma porção líquida permanece sobre a(s) superfície(s) da porção sólida. Uma forma de minimizar a quantidade de porção líquida que permanece sobre a superfície da porção sólida é lavar a porção sólida separada com água e secar a porção sólida lavada resultante (não mostrado). Uma forma conveniente de lavar a porção sólida é usar uma assim de5 nominada "Basket Centrifuge" (não mostrado). Basket Centrifuges adequadas estão disponíveis da The Western States Machine Company (Hamilton, OH, EUA).

A porção líquida do separador 34 (isto é, o licor de origem) pode conter SA dissolvido, qualquer MAS não convertido, quaisquer subprodutos 10 de fermentação, tais como acetato de amônio, Iactato ou formato e outras impurezas mínimas. Essa porção líquida pode ser alimentada, via a corrente 38, a um aparelho a jusante 40. Em um caso, o aparelho 40 pode ser um meio para produzir um descongelante mediante tratamento da mistura com uma quantidade apropriada de hidróxido de potássio, por exemplo, para 15 converter os sais de amônio a sais de potássio. A amônia gerada nessa reação pode ser recuperada para reutilização no vaso de bioconversão 16 (ou vaso de crescimento 12 operando no modo anaeróbico). A mistura resultante de sais de potássio é valiosa como um descongelante e anticongelante.

O licor de origem da etapa de separação de sólidos, 34, pode ser reciclado (ou parcialmente reciclado) para o aparelho de destilação 24 via a corrente 42 para intensificar adicionalmente a recuperação de SA, bem como converter adicionalmente MAS em SA.

A porção sólida da cristalização de resfriamento-induzida é SA substancialmente puro e, portanto, é útil para as utilidades conhecidas de SA.

HPLC pode ser usada para detectar a presença de impurezas contendo nitrogênio, tais como succinamida e succinimida. A pureza do SA pode ser determinada por meio de análise de nitrogênio e carbono elemental. Um eletrodo de amônia pode ser usado para determinar uma aproximação bruta da pureza de SA.

Dependendo das circunstâncias e várias entradas de operação, há casos quando o caldo de fermentação pode ser um caldo de fermentação contendo MAS clarificado ou um caldo de fermentação contendo SA. Nessas circunstâncias, pode ser vantajoso adicionar MAS, DAS e/ou SA e, opcionalmente, amônia e/ou hidróxido de amônio a esses caldos de fermentação para facilitar a produção de SA substancialmente puro. Por exemplo, o pH de ope5 ração do caldo de fermentação pode ser orientado de modo que o caldo seja um caldo contendo MAS ou um caldo contendo SA. MAS, DAS, SA, amônia e/ou hidróxido de amônio pode ser opcionalmente adicionado a esses caldos para atingir um pH do caldo, de preferência, de menos de cerca de 6 para facilitar a produção do SA substancialmente puro mencionado acima. Em uma 10 forma particular, é especialmente vantajoso reciclar SA, MAS e água da parte inferior líquida resultante da etapa de destilação 24 e/ou a porção inferior líquida do separador 34, no caldo de fermentação e/ou caldo de fermentação clarificado. Ao se referir ao caldo contendo MAS, tal caldo geralmente significa que o caldo de fermentação compreende MAS e possivelmente qualquer nú15 mero de outros componentes, tais como DAS e/ou SA, quer adicionados e/ou produzidos por meio de bioconversão ou de outro modo.

Exemplos

Os processos são ilustrados pelos exemplos representativos não Iimitativos a seguir. Nos dois primeiros exemplos, uma solução de DAS aquosa sintética foi usada em lugar de um caldo de fermentação contendo DAS clarificado real. Os outros exemplos empregaram um caldo de fermentação contendo DAS clarificado real.

Para os dois primeiros exemplos, acredita-se que o uso de uma solução de DAS sintética é um bom modelo para o comportamento de um 25 caldo real nos processos em virtude da solubilidade dos subprodutos de fermentação típicos encontrados no caldo real. Os principais subprodutos produzidos durante fermentação são acetato de amônio, Iactato de amônio e formiato de amônio. Acetato de amônio, Iactato de amônio e formiato de amônio são significativamente mais solúveis em água do que SA e cada um 30 está, tipicamente, presente no caldo em menos de 10% da concentração de DAS. Além disso, mesmo quando os ácidos (ácidos acético, fórmico e láctico) foram formados durante a etapa de destilação, eles são miscíveis com a água e não cristalizarão da água. Isso significa que o SA atinge a saturação e cristaliza de solução (isto é, formando a porção sólida), levando às impurezas ácidas dissolvidas no licor de origem (isto é, a porção líquida).

Exemplo 1

5 Esse experimento mostra a conversão de DAS em SA em um

meio aquoso.

Um experimento foi conduzido em um reator de Parr agitado de 300 ml Hastelloy C usando uma solução de DAS sintética a 15% (1,0 M). O reator foi carregado com 200 g de solução e pressurizado para 1,378951 MPa 10 (200 psig). Os conteúdos foram, então, aquecidos para começar a destilação, levando a temperatura para aproximadamente 200°C. Amônia e vapor de água foram condensados overhead com água de resfriamento e coletados em um reservatório. Água potável foi bombeada novamente no sistema em uma taxa igual à taxa de produção (aproximadamente 2 g/min) para manter uma 15 concentração de succinato e volume de material constantes. A operação continuou durante 7 horas. Ao final da operação, análise do líquido de origem mostrou conversão de 59% para SA, 2,4% para ácido succinâmico e 2,9% para succinimida. Resfriamento do líquido de origem resultou em uma porção líquida e uma porção sólida que seria SA substancialmente puro.

Exemplo 2

Esse exemplo demonstra o efeito de solventes sobre a evolução de amônia de DAS aquoso. A operação 10 é o experimento de controle onde nenhum solvente está presente.

Os gargalos externos de um frasco de fundo redondo de 1 L com 25 três gargalos foram adaptados com um termômetro e uma rolha. O gargalo central foi adaptado com uma seção Oldershaw de 1" Five Tray. Uma cabeça de destilação foi colocada por cima da seção Oldershaw. Um frasco de fundo redondo de 500 mL resfriado foi usado como o receptor para a cabeça de destilação. O frasco de fundo redondo de 1 L foi carregado com água 30 destilada, o solvente que estava sendo testado, SA e solução concentrada de hidróxido de amônio. Os conteúdos foram agitados com um agitador magnético para dissolver todos os sólidos. Após os sólidos terem dissolvido, os conteúdos foram aquecidos com a manta de aquecimento para destilar 350 g de destilado. O destilado foi coletado no frasco de fundo redondo de 500 ml_ resfriado. A temperatura do recipiente foi registrada à medida que a última gota de destilada foi coletada. Os conteúdos no recipiente foram deixados esfriar para a temperatura ambiente e o peso do resíduo e o peso do destilado foram registrados. O teor de amônia do destilado foi, então, determinado via titulação. Os resultados foram registrados nas Tabelas 1 e 2. Tabela 1

3 4 5

Operação # 1

Nome do ácido carregado Succínico

Peso do ácido carregado (g) 11,8

Moles de ácido carregado 0,1 % em peso de solução de NH3 a

28% carregada (g) 12,76

Moles de NH3 carregado 0,21

Nome do solvente DMSO

Peso do solvente carregado (g) 400,9

Peso da água carregada (g) 400

Peso do destilado (g) 350,1

Peso do resíduo (g) 467,8

% em massa 99,1 % em peso de NH3 no destilado

(titulação) 0,91

Moles de NH3 no destilado 0,187

% de NH3 removido no destilado 89

% de NH3 primeiro removido no

destilado 100 % de NH3 posteriormente removido

no destilado 78

Temp. Final do recipiente (71C) 138

Proporção final de DAS/MAS/SA 0/22/78

Succínico Succínico Succínico Succínico

11,81 11,83 11,8 11,78 0,1 0,1 0,1 0,1 12,78 12,01 12,98 13,1 0,21 0,2 0,215 0,217 DMF NMP sulfolano triglima 400 400 400 400 400 400 400 401 365,9 351,3 352,1 351,2 455 460,5 457,1 473 99,6 98,5 98,1 99,8 0,81 0,78 0,71 0,91 0,174 0,161 0,147 0,188 83 81 66 86 100 100 100 100 66 62 32 72 114 126 113 103 0/34/66 0/38/62 0/68/32 0/28/72 Tabela 2 6 7 8 9 10 Operação # Nome do ácido carregado Succínico Succínico Succínico Succínico Succinic Peso do ácido carregado (g) 11,84 11,81 11,8 11,81 11,8 Moles de ácido carregado 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 % em peso de solução de 12,11 12,11 12,1 12,15 12,1 NH3 a 28% carregada (g) Moles de NH3Carregado 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 Nome do solvente Dowanol Tetraglima Tetra Me Gly Éter nenhum TPM PentaEG pesado Peso do solvente carregado (g) 400,1 400 400 400,1 0 Peso da água carregada (g) 400 400 400 400,1 800 Peso do destilado (g) 350 345 350 349 351 Peso do resíduo (g) 468,4 473,8 465 470,4 466 % em massa 99,3 99,4 98,9 99,4 99,2 % em peso de NH3 no desti¬ 0,58 0,62 0,55 0,6 0,13 lado (titulação) Moles de NH3 no destilado 0,119 0,126 0,113 0,123 0,027 % de NH3 removido no desti¬ 60 63 57 62 13,4 lado % de NH3 primeiro removido 100 100 100 100 27 no destilado % de NH3 posteriormente 20 26 14 24 0 removido no destilado Temp. Final do recipiente 104 110 115 113 100 (JtC) Proporção final de 0/80/20 0/74/26 0/86/14 0/76/24 83/27/0 DAS/MAS/SA Exemplo 3

Esse exemplo usou um caldo de fermentação clarificado contendo DAS derivado de um caldo de fermentação contendo a cepa ATCC PTA5132 de E. coli. O caldo de fermentação inicial foi clarificado, desse modo, resultando em um caldo de fermentação clarificado contendo ~4,5% de succinato de diamônio (DAS). Esse caldo clarificado foi usado para produzir SA cristalino como segue. O caldo foi primeiro concentrado para aproximadamente 5 9% usando uma membrana RO e, então, submetido à destilação em pressão atmosférica para concentrar adicionalmente o caldo para cerca de 40%.

O caldo concentrado foi usado como o material de iniciação para conversão de DAS em SA1 realizada em batelada em um reator de Parr de 300 ml. Uma porção de 200 g da solução foi reagida a 200°C/200 psig du10 rante 11 horas. À medida que a reação prosseguia, vapor de água e amônia liberados do DAS foram condensados e coletados overhead. Condensado foi coletado a cerca de 2 g/min e água de composição foi realimentada ao sistema aproximadamente na mesma taxa.

Múltiplas amostras foram tomadas por todo o experimento. 15 Amostras tomadas inicialmente na reação indicaram a presença de succinamida, ácido succinâmico e succinimida. Contudo, esses subprodutos contendo nitrogênio diminuíram por todo o experimento. Conversão em SA foi observada como sendo de 55% na amostra da parte inferior final. A solução final foi concentrada por meio de evaporação e esfriada para 4°C. Os sólidos 20 cristalinos resultantes foram isolados via filtração a vácuo, lavados com água gelada e secos sob vácuo. O produto (7 g) era SA essencialmente puro, conforme determinado por meio de HPLC.

Exemplo 4

Um frasco de fundo redondo de 500 ml_ foi carregado com 80 g 25 de uma solução aquosa de DAS a 36% e 80 g de triglima. O frasco foi adaptado com uma seção de coluna Oldershaw de 1" Five Tray a qual foi colocada por cima de uma cabeça de destilação. Um funil de adição contendo 3300 g de água também foi conectado ao frasco. O frasco foi agitado com um agitador magnético e aquecido com uma manta de aquecimento. O destilado foi 30 coletado em um receptor resfriado. Quando o destilado começou a chegar, a água no funil de adição foi adicionada ao frasco na mesma taxa na qual o destilado estava sendo tirado. Um total de 3313 g de destilado foi tirado. O destilado continha 4,4 g de amônia, conforme determinado através de titulação. Isso significa que -37% do DAS foram convertidos em SA1 com o restante sendo convertido em MAS. O resíduo no frasco foi, então, colocado em um frasco de Erlenmeyer e esfriado para - 4°C, enquanto se agitava. Após 5 agitação durante 30 minutos, a pasta foi filtrada enquanto fria, proporcionando 7,1 g de sólidos. Os sólidos foram dissolvidos em 7,1 g de água quente e, então, esfriados em um banho de gelo enquanto se agitava. A pasta fria foi filtrada e os sólidos secos em um forno a vácuo a 100°C durante 2 horas, proporcionando 3,9 g de SA. Análise por HPLC indicou que os sólidos eram 10 SA com um teor de 0,099% de ácido succinâmico presente.

Exemplo 5

Uma coluna de destilação por pressão foi feita usando uma tubulação SS Schedule 40 de 1,5" de 8 pés de comprimento que foi empacotada com 316 SS Propak Packing. A base da coluna foi equipada com um aque15 cedor de imersão para servir como uma caldeira. Nitrogênio foi injetado na caldeira via uma válvula com indicador até a pressão. O overhead da coluna tinha uma linha de verificação a qual usava um envoltório 316 SS e um condensador tubular com um receptor. A caldeira foi equipada com um manômetro e um regulador de contra-pressão. Material foi removido do receptor 20 de overhead via fundição a sopro através de uma válvula com indicador. Alimentação preaquecida foi injetada na coluna na parte superior do empacotamento via uma bomba junto com uma solução diluída de hidróxido de sódio a 0,4%. Água preaquecida também foi injetada na caldeira via uma bomba. Essa coluna foi primeiro operada em uma pressão de 0,3447379 MPa 25 (50 psig), a qual proporcionou uma temperatura da coluna de 150°C. À parte superior da coluna foi alimentado um caldo contendo DAS a 4,7% em uma taxa de 8 mL/min, junto com 0,15 mL/min de solução de hidróxido de sódio a

0,4%. Água foi alimentada à caldeira em uma taxa de 4 mL/min. A taxa de overhead destilado era de 8 mL/min e a taxa de resíduo era de 4 mL/min. Um total de 2565 g de caldo foi alimentado à coluna, junto com 53 g de solução de hidróxido de sódio a 0,4%. Um total de 2750 g de destilado foi tirado e 1269 g de resíduo durante a operação. Titulação do destilado indicou que -71% da amônia total contida no DAS foram removidos (isto é, o resíduo era uma mistura a 42/58 de SA/MAS). O resíduo composto foi, então, realimentado à mesma coluna no dia seguinte sob as seguintes condições: pressão de 0,6894757 MPa (100 psig) e temperatura de 173°C. O resíduo composto 5 foi alimentado à parte superior da coluna a 4 mL/min, junto com 0,15 mL/min de solução de hidróxido de sódio a 0,4%. Água foi alimentada à caldeira a 9,2 mL/min. Um total de 1240 g de resíduo do dia anterior foi alimentado à coluna, junto com 58 g de solução de hidróxido de sódio e 2890 g de água. Um total de 3183 g de destilado foi tirado, junto com 1132 g de resíduo du10 rante a operação. Titulação do destilado revelou que mais -14% da amônia foram removidos, proporcionando uma mistura a 70/30 de SA/MAS no resíduo.

Embora os processos tenham sido descritos com relação às etapas específicas e formas das mesmas, será apreciado que uma ampla variedade de equivalentes pode substituir os elementos e etapas especificados descritos aqui sem se desviar do espírito e escopo da presente descrição, conforme descrito nas reivindicações em anexo.

Claims (20)

REIVINDICAÇÕES

1. Processo para a produção de SA a partir de um caldo de fermentação contendo DAS clarificado, caracterizado pelo fato de que compreende: (a) destilação do caldo sob pressão super atmosférica em uma temperatura de > 100°C a cerca de 300°C para formar um overhead que compreende água e amônia e uma parte inferior líquida que compreende SA e pelo menos cerca de 20% em peso de água; (b) resfriamento e/ou evaporação da parte inferior para atingir uma temperatura e composição suficientes para fazer com que a parte inferior se separe em uma porção líquida e uma porção sólida que é SA substancialmente puro; e (c) separação da porção sólida da porção líquida.

2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a parte inferior líquida contem um pouco de MAS e/ou a porção sólida é substancialmente isenta de ácido succinâmico, succinamida e succinimida.

3. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ainda compreende reciclagem do SA e água e, opcionalmente, MAS da parte inferior líquida do caldo clarificado.

4. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ainda compreende remoção de água da parte inferior líquida para aumentar a concentração de SA na parte inferior.

5. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que destilação do caldo é realizada na presença de um solvente de separação de amônia o qual é pelo menos um selecionado do grupo consistindo em diglima, triglima, tetraglima, sulfóxidos, amidas, sulfonas, polietileno glicol (PEG), butoxitriglicol, N-metilpirrolidona (NMP), éteres e metil etil cetona (MEK) ou na presença de um solvente de azeotropia em água o qual é pelo menos um selecionado do grupo consistindo em tolueno, xileno, metilciclo-hexano, metil isobutil cetona, hexano, ciclo-hexano e heptano.

6. Processo para a produção de SA a partir de um caldo de fermentação contendo DAS clarificado, caracterizado pelo fato de que compreende: (a) adição de um solvente de separação de amônia e/ou solvente de azeotropia em água ao caldo; (b) destilação do caldo em uma temperatura e pressão suficientes para formar um overhead que compreende água e amônia e uma parte inferior líquida que compreende SA e pelo menos cerca de 20% em peso de água; (c) resfriamento e/ou evaporação da parte inferior para atingir uma temperatura e composição suficientes para fazer com que a parte inferior se separe em uma porção líquida e uma porção sólida que é SA substancialmente puro; e (d) separação da porção sólida da porção líquida.

7. Processo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a parte inferior líquida contem um pouco de MAS e/ou a porção sólida é substancialmente isenta de ácido succinâmico, succinamida e succinimida.

8. Processo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que ainda compreende reciclagem do SA1 água e solvente e opcionalmente MAS da parte inferior líquida do caldo clarificado.

9. Processo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que em que destilação do caldo é realizada na presença de um solvente de separação de amônia o qual é pelo menos um selecionado do grupo consistindo em diglima, triglima, tetraglima, sulfóxidos, amidas, sulfonas, polietileno glicol (PEG)1 butóxitriglicol, N-metilpirrolidona (NMP)1 éteres e metil etil cetona (MEK) ou na presença de um solvente de azeotropia em água o qual é pelo menos um selecionado do grupo consistindo de tolueno, xileno, metilciclo-hexano, metil isobutil cetona, hexano, ciclo-hexano e heptano.

10. Processo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado peIo fato de que ainda compreende remoção de água da parte inferior líquida para aumentar a concentração de SA na parte inferior.

11. Processo para a produção de SA a partir de um caldo de fermentação contendo MAS clarificado, caracterizado pelo fato de que compreende: (a) destilação do caldo sob pressão super atmosférica em uma temperatura de > 100°C a cerca de 300°C para formar um overhead que compreende água e amônia e uma parte inferior líquida que compreende SA e pelo menos cerca de 20% em peso de água; (b) resfriamento e/ou evaporação da parte inferior para atingir uma temperatura e composição suficientes para fazer com que a parte inferior se separe em uma porção líquida e uma porção sólida que é SA substancialmente puro; e (c) separação da porção sólida da porção líquida.

12. Processo de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a parte inferior líquida contem um pouco de MAS e/ou a porção sólida é substancialmente isenta de ácido succinâmico, succinamida e succinimida.

13. Processo de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que ainda compreende reciclagem do SA e água e opcionalmente MAS da parte inferior líquida do caldo clarificado.

14. Processo de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que ainda compreende remoção de água da parte inferior líquida para aumentar a concentração de SA na parte inferior.

15. Processo de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que destilação do caldo é realizada na presença de um solvente de separação de amônia o qual é pelo menos um selecionado do grupo consistindo de diglima, triglima, tetraglima, sulfóxidos, amidas, sulfonas, polietiIeno glicol (PEG), butóxitriglicol, N-metilpirrolidona (NMP), éteres e metil etil cetona (MEK) ou na presença de um solvente de azeotropia em água o qual é pelo menos um selecionado do grupo consistindo de tolueno, xileno, metilciclo-hexano, metil isobutil cetona, hexano, ciclo-hexano e heptano.

16. Processo para a produção de SA a partir de um caldo de fermentação contendo MAS clarificado, caracterizado pelo fato de que compreende: (a) adição de um solvente de separação de amônia e/ou solvente de azeotropia em água ao caldo; (b) destilação do caldo em uma temperatura e pressão suficientes para formar um overhead que compreende água e amônia e uma parte inferior líquida que compreende SA e pelo menos cerca de 20% em peso de água; (c) resfriamento e/ou evaporação da parte inferior para atingir uma temperatura e composição suficientes para fazer com que a parte inferior se separe em uma porção líquida e uma porção sólida que é SA substancialmente puro; e (d) separação da porção sólida da porção líquida.

17. Processo de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que a parte inferior líquida contem um pouco de MAS e/ou a porção sólida é substancialmente isenta de ácido succinâmico, succinamida e succinimida.

18. Processo de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que ainda compreende reciclagem do SA, água e do solvente e, opcionalmente, MAS da parte inferior líquida do caldo clarificado.

19. Processo de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que destilação do caldo é realizada na presença de um solvente de separação de amônia o qual é pelo menos selecionado do grupo consistindo em diglima, triglima, tetraglima, sulfóxidos, amidas, sulfonas, polietileno glicol (PEG), butóxitriglicol, N-metilpirrolidona (NMP), éteres e metil etil cetona (MEK) ou na presença de um solvente de azeotropia em água o qual é pelo menos um selecionado do grupo consistindo de tolueno, xileno, metilciclo-hexano, metil isobutil cetona, hexano, ciclo-hexano e heptano.

20. Processo de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que ainda compreende remoção de água da parte inferior líquida para aumentar a concentração de MAS na parte inferior.