Verfahren zur Trennung von Gemischen von D- und L-Monoammoniumglutamat bzw. von DL-Monoammoniumglutamat in die optisch aktiven Komponenten
Glutaminsäure oder Salze dieser Säure sind vor allem wertvoll in der Form der L-Isomeren, die man leicht aus natürlich vorkommenden Quellen in praktisch reiner Form erhalten kann. Es wurde auch die Herstellung von Glutaminsäure auf synthetischem Wege vorgeschlagen; dieses Verfahren war aber wirtschaftlich nicht massgebend; ein Hauptgrund lag darin, dass bei allen solchen synthetischen Methoden ein racemisches Gemisch aus D- und L-Glutaminsäure entsteht. Es gab bisher kein zufriedenstellendes Verfahren, aus diesem das L-Isomere wirtschaftlich abzutrennen.
Es wurde gefunden, dass man optisch aktives Monoammoniumglutamat selektiv aus einer Lösung von D- und L-Monoammoniumglutamat bzw. von DL-Monoammoniumglutamat auskristallisieren kann, wenn man eine wässrige Lösung eines Gemisches von L- und D-Monoammoniumglutamat bzw. des Racemats, welches ein pH zwischen 6 und 9 und eine Temperatur zwischen 15 und 350 C aufweist und an mindestens einer der beiden optisch aktiven Substanzen übersättigt ist, mit einer der beiden optisch aktiven Substanzen in Kristallform, und zwar, falls die Lösung nur in bezug auf eine der beiden Komponenten übersättigt ist, mit dieser impft, und sodann die ausgeschiedenen Kristalle der betreffenden Komponente von der Lösung der anderen abtrennt.
Eine übersättigte Lösung von DL-Monoammoniumglutamat kann in bekannter Weise dadurch erhalten werden, dass man eine kristalline DL-Glutaminsäure in Wasser einrührt und mit einer genügenden Menge an Ammoniak oder Ammoniaklösung vermischt, um einen pH-Wert zwischen 6 und 9 zu erzielen. Die hierbei entstandene Reaktionswärme genügt im allgemeinen, um eine völlige Lösung der Reaktionsteilnehmer zu bewirken. Das pH des reinen Monoammoniumglutamats liegt ungefähr bei 6,5; eine weitere Zugabe von Ammoniak zwecks Ansteigen des pH über diesen Wert bewirkt hauptsächlich eine Abnahme der Löslichkeit des Monoammoniumglutamats und umgekehrt eine Zunahme der Übersättigung der Lösung.
In gewissem Ausmasse ist das Vorhandensein eines Uberschusses an Ammoniak hierfür wünschenswert, da die Lösung mit dem Salz des abzutrennenden Enantiomorphen übersättigt sein muss, damit eine Abscheidung stattfindet: je höher der Übersättigungsgrad ist, verbessert sich der potentielle Grad der Abscheidung. Indessen neigen übermässig konzentrierte Lösungen dazu, zu rasch und nicht selektiv zu kristallisieren, so dass eine Trennung erschwert würde. Aus diesem Grund wird es vorgezogen, die Trennung in einer Lösung durchzuführen, die einen pH-Wert zwischen etwa 7 und etwa 8,5 aufweist.
Der Sättigungsgrad des L-Monoammoniumglutamats ändert sich mit der Temperatur und dem pH wie folgt:
EMI1.1
<tb> <SEP> Konzentration <SEP> bei <SEP> Sättigung
<tb> Temperatur
<tb> <SEP> pH <SEP> 6,5 <SEP> 1 <SEP> pH <SEP> 7,5
<tb> <SEP> 210 <SEP> C <SEP> 48,5 <SEP> Gew.O/o <SEP> 47,8 <SEP> Gew.o/ch <SEP>
<tb> <SEP> 25 <SEP> 51,2 <SEP> 49,5
<tb> <SEP> 30 <SEP> 52,1 <SEP> 52,7
<tb> <SEP> 35 <SEP> 54,4 <SEP> 53,8
<tb>
In der Lösung ist das abzutrennende Enantiomorphen zweckmässig in einer Konzentration von etwa 10 bis etwa 50 O/o im Überschuss zum Sättigungsgrad bei der gewählten Temperatur, vorzugsweise zwischen etwa 15 und etwa 30 /o, vorhanden.
Die Lösung wird vorteilhaft mit praktisch reinem, optisch aktivem Monoammonium-D-glutamatmonohydrat oder Mono ammonium-L-glutamatmonohydrat geimpft; die Menge an Monohydrat-Impfkristallen beträgt vorzugsweise zumindest etwa 5 /o und optimal zwischen etwa 10 und etwa 30 Gew.O/o, berechnet auf das Gewicht des abzutrennenden Isomeren in der Lösung.
Der entstandene Brei wird am besten sanft bewegt, um die Kristallisation zu unterstützen, während die Temperatur durch geeignete Mittel in der gewünschten Höhe aufrechterhalten wird. Das Auskristallisieren wird in dem Temperaturbereich zwischen 15 und 35 C durchgeführt; vorzugsweise wird in einem Bereich von etwa 20 bis etwa 300 C gearbeitet, da in diesem ein hoher Trennungsgrad ohne Komplikationen erzielt wird. Die Abscheidung der optisch aktiven Komponente erreicht in weniger als 60 Minuten ein Maximum; dies kann leicht durch eine Prüfung der Mutterlauge mit dem Polarisationsapparat festgestellt werden. Ist dieses Maximum erreicht, dann wird der Brei rechtzeitig filtriert und die auskristallisierten Festteilchen gewaschen und getrocknet.
Das Auswaschen kann mit einer gesättigten wässrigen Lösung des gewünschten Monoammoniumen antiomor- phen oder mit Methylalkohol, Äthyl alkohol oder mit einem flüchtigen, mit Wasser mischbaren, sauerstoffhaltigen organischen Lösungsmittel erfolgen. Die auskristallisierte Komponente besteht im wesentlichen aus der optisch aktiven Form des Monoammoniumglutamats, die derjenigen der verwendeten Monohydrat-Impfkristalle entspricht.
Der Anteil der Impfkristalle kann in weiten Grenzen schwanken. Die Trennung kann mit einer geringen Menge an Impfkristallen erreicht werden, besonders dann, wenn diese Kristalle von geringer Grösse sind, z. B. eine Teilchengrösse entsprechend einer Sieb öffnung von etwa 1,049 mm bis etwa 0,074 mm (das heisst lichter Maschenweite) aufweisen. Die Abscheidung kann bis zu einem gewissen Grade mit nur wenigen Einzelkristallen vollständig erreicht werden, vorausgesetzt, dass man eine genügend lange Kristallisationszeit einräumt. Es ist notwendig, dass die Ausgangslösung zumindest in dem gewünschten Enantiomorphen übersättigt ist: ist sie mit beiden Enantiomorphen übersättigt, dann treten eventuell in dem Produkt Kristalle des Antipoden in Erscheinung, insbesondere wenn die Kristallis ationszeit unangemessen verlängert wurde.
Die Kristallisationszeit ist begrenzt, wenn man eine Auskristallisation des nicht gewünschten Antipoden aus der Lösung vermeiden will. Dementsprechend muss eine genügende Menge an Impfkristallen benutzt werden, um in einer geringeren Zeit die erwünschte Kristallisation zu bewirken. Für diesen Zweck werden mindestens etwa 5 Gew.O/o an Monohydrat-Impfkristallen eingeführt, bezogen auf den Anteil des gewünschten Isomeren in dem Ausgangsgemisch.
Die Geschwindigkeit der Kristallisation wird von der Grösse der Impfkristalle beträchtlich beeinflusst.
Im allgemeinen nimmt der Wirkungsgrad dieser Impfkristalle pro Gewichtseinheit mit der Abnahme der Kristallgrösse erheblich zu. Daraus kann man ohne weiteres den Schluss ziehen, dass der Einfluss der Teilchengrösse wie auch der Menge der Impfkristalle in jedem Falle in direkter Beziehung zu ihrer Gesamtoberfläche steht. So werden beispielsweise mit fein gemahlenen Impfkristallen mit einer unter einer lichten Maschenweite von 0,074 mm (200 mesh) liegenden Teilchengrösse eine höhere Geschwindigkeit der Abscheidung und auch eine etwas höhere Ausbeute erzielt, als dies bei gleichem Gewicht der ursprünglichen Kristalle der Fall ist, von denen etwa 70 /o eine Teilchengrösse besitzen, die einer lichten Maschenweite von 0,25 bis 0,42 mm (40-60 mesh) entsprechen.
Die Auskristallisation des optisch aktiven Salzes beginnt gewöhnlich innerhalb einer Minute nach dem Impfen, und die Trennung erreicht allgemein ein Maximum in etwa 10 bis etwa 60 Minuten nach dem Beginn der Kristallisationsperiode, wobei sie direkt als Funktion der Kristallisationstemperatur sowie umgekehrt proportional der Salzkonzentration und umgekehrt proportional der Impfkonzentration variiert. Ist das Maximum der Abscheidung erreicht, dann beginnt die Kristallisation des nichtgewünschten Enantiomorphen, sofern die Lösung auch bezüglich des Antipoden übersättigt ist. Daher sollte in solchen Fällen die Kristallisation innerhalb etwa einer bis etwa 60 Minuten abgeschlossen sein, berechnet von dem Zeitpunkt der Zugabe der Impfkristalle, vorzugsweise innerhalb etwa 10 bis etwa 40 Minuten.
Beträchtlich längere Zeiten können ohne Gefahr dann angewendet werden, wenn die Lösung nur mit dem abzutrennenden Enantiomorphen übersättigt ist.
Als Lösungsmittel wird vorzugsweise Wasser benutzt, man kann in gewissen Fällen eine wässrige Lösung von bis zu 50 Vol.B/o eines flüchtigen, mit Wasser mischbaren sauerstoffhaltigen organischen Lösungsmittels, wie z. B. Methylalkohol, Äthylalkohol, Isopropylalkohol, Aceton oder dergleichen, verwenden. Das organische Lösungsmittel dient dazu, die Löslichkeit des Ammoniumglutamats herabzusetzen, wobei etwas höhere Ausbeuten bei geringeren Salzkonzentrationen erzielt werden; dies aber nur auf Kosten geringerer Reinheit des Produktes. Das nach der Erfindung erhaltene optisch aktive Monoammoniumglutamat kann, wenn gewünscht, in das entsprechende Mononatrium- oder Monokaliumglutamat oder dergleichen konvertiert werden, indem man es in wässriger Lösung mit einer hierfür geeigneten Base vermischt und das Ammoniak abdestilliert. So kann man z.
B. das Monoammonium-L-glutamat durch Reaktion mit Natriumhydroxyd in wässriger Lösung und durch Abdestillieren des Ammoniaks direkt in das Mononatrium-L-Glutamat überführen. Das Mononatriumglutamat kann aus der entstandenen Lösung in bekannter Weise auskristallisiert werden.
Die Überführung zu Mononatriumglutamat bietet eine speziell bequeme Methode für die weitere Reinigung des nach der Erfindung erhaltenen optisch aktiven Monoammoniumglutamates. Es kann dieses Erzeugnis eine gewisse Menge an unerwünschtem Antipoden enthalten. In einem solchen Falle kann das Produkt mit Natriumhydroxyd in wässriger Lösung in Reaktion gebracht, zwecks Austreibung von Ammoniak destilliert und bis zur Sättigungsgrenze des Mononatriumglutamatenantiomorphen, das im Über- schuss vorhanden ist, konzentriert werden. Bei diesem Punkt kristallisiert der Antipode quantitativ in Form des Mononatrium-DL-glutamats aus und hinterlässt eine reine Lösung des gewünschten Enantiomorphens.
Ein praktisch gleiches Resultat wird erzielt, wenn man optisch aktives Ammoniumglutamat, das mit dem nicht gewünschten Antipoden verunreinigt ist, mit einer wässrigen Natriumhydroxydlösung zu Brei verrührt, wobei das Verhältnis des genannten Glutamats zur Lösung ein solches sein soll, dass sich eine praktisch gesättigte Lösung des Mononatriumsalzes des Isomeren ergibt, und dass man das Ammoniak entfernt, wobei der Antipode quantitativ in das Mononatrium-DL-glutamat in fester Form übergeführt wird und eine reine Lösung des gewünschten Enantiomorphens hinterlässt.
Nach der erfindungsgemässen Abscheidung einer der optisch aktiven Komponenten kann die zurückbleibende Lösung konzentriert werden, bis sie in dem anderen Enantiomorphen übersättigt wird. Danach kann das Verfahren der Erfindung wiederholt werden, um auch den Antipoden durch Impfen der Lösung mit Kristallen daraus zu gewinnen. So kann man kontinuierlich arbeiten, indem man alternativ mit dem einen und mit dem anderen Enantiomorphen impft.
Die als Ausgangsmaterial für das erfindungsgemässe Verfahren in Betracht kommende DL-Glutaminsäure kann z. B. nach dem in der USA-Patentschrift Nr. 2606921 wiedergegebenen Verfahren hergestellt werden.
Die erfindungsgemäss hergestellten optisch aktiven Monoammoniumglutamate finden Verwendung zur Herstellung von D- bzw. L-Glutaminsäure bzw. deren Alkalimetallsalzen und dergleichen.
Beispiel 1
DL-Glutaminsäuremonohydrat (57,9) wird mit Wasser (19 ml) vermischt. Dazu werden 26 ml einer wässrigen, 281) leigen Ammoniumhydroxydlösung gegeben, um einen pH-Wert von 8,0 zu erzielen. Die hierbei entstehende Reaktionswärme genügt, um eine völlige Lösung herbeizuführen. Die Lösung wird auf 25asc abgekühlt und mit 6,4 g reiner Monoammonium-L-glutamatmonohydrat-Kristalle geimpft. Der entstandene Brei wird etwa 50 Minuten durchgerührt; während dieser Zeit erreicht die Kristallisation des Monoammonium-L-glutamats ein Maximum. Dann werden die Kristalle abgefiltert, vorsichtig mit Methylalkohol ausgewaschen und getrocknet.
Eine mit dem Polarisationsapparat durchgeführte Analyse ergab, dass diese getrockneten Kristalle zu 98-99 0/6 reines Mono ammonium-L-glutamatmonohydrat waren. Das Gewicht des Produktes im Überschuss der Impfkristalle ist 6,7 g, was 21e/o Monoammonium-Lglutamatmonohydrat in der ursprünglichen Lösung darstellt.
Anschliessend wurde ein Versuch vorgenommen, um den Einfluss verschiedener Kristallisationszeiten bei einer Lösungstemperatur von 200 C festzustellen, wobei von einer Lösung ausgegangen wurde, die 61 Gew.1/o an Monoammonium-DL-glutamatmonohydrat enthielt. Der pH-Wert der Lösung betrug annähernd 8, die Konzentration an Impfmaterial etwa 20 O/o, bezogen auf den Anteil der L-Komponente in der Lösung. In bestimmten Zwischenräumen wurden Proben abgezogen und analysiert.
Bei der Abscheidung der L-Komponente wurden folgende Ausbeuten erzielt:
Kristallisationszeit Ausbeute
5 Minuten 3,71/6
15 7,41/o
30 22,0 ovo
Eine weitere Prüfung wurde wie oben durchgeführt mit der Ausnahme, dass während des Kristallisationsvorganges die Temperatur der Lösung 25"C betrug.
Die erzielten Ausbeuten bei unterschiedlicher Kristallis ationszeit waren folgende:
Kristallisationszeit Ausbeute
10 Minuten 5,00/6
20 7,4 ovo
30 8,3 /o
50 9,4 ovo
70 10,9 ovo
Es wurde eine weitere Prüfung wie oben ausgeführt, mit der Ausnahme, dass die ursprüngliche Lösung 64 Gew.O/M Monoammonium-DL-glutamatmonohydrat enthielt und die Kristallisation bei einer Temperatur der Lösung von 25o C stattfand.
Es ergaben sich folgende Werte:
Kristallisationszeit Ausbeute
15 Minuten 15,00/6
30 16,80/6
45 18,7 ovo
60 21,0 O/o
Eine weitere Prüfungsreihe wurde durchgeführt, wobei Lösungen angewendet wurden, die 61 Gew.O/o Monoammonium-DL-glutamat als Monohydrat berechnet enthielten. Indessen wurde das pH der Lösung über einen Bereich von 6,7 bis 9,45 variiert, um den Einfluss des pH zu erforschen.
Bei pH 6,7 wurde in 30 Minuten eine Ausbeute von 11 /o erreicht.
Bei pH 8,0 wurde in 30 Minuten eine Ausbeute von 191/6 erreicht.
Bei einem pH von 9,45 erfolgte die Kristallisation der L-Komponente sehr rasch, und eine Ausbeute von 26 ovo wurde in nur 15 Minuten erzielt. In diesem Falle war jedoch das Produkt allerdings sehr mit racemischem Salz verunreinigt. So wurde der optimale Grad der Trennung (gute Ausbeute ohne Verunreinigung) bei diesem pH-Niveau schon überschritten.
Eine andere Prüfungsreihe wurde durchgeführt, um die günstigste Kristallisationszeit bei 250 C zu bestimmen, um eine maximale Trennung ohne wesentliche Verunreinigung bei verschiedenen Konzentrationen des DL-Salzes in der Ausgangslösung zu erzielen. Es ergab sich folgendes:
Anfangskonzentration des DL-Salzes Kristallisationszeit Ausbeute
Gew. % Minuten
61 70 9,0
64 50 21
66 15-20 24
In der folgenden Aufstellung werden die Ergebnisse über die Änderung der ursprünglichen Konzentration des Monoammonium-DL-glutamatmonohydrats und der Temperatur in Beziehung gebracht.
EMI4.1
<tb>
Ursprüngliche <SEP> Ausbeute <SEP> bei
<tb> Konzentration
<tb> des <SEP> DL-Salzes <SEP> 200 <SEP> C <SEP> | <SEP> 250 <SEP> C <SEP> | <SEP> 300 <SEP> C
<tb> <SEP> 55 <SEP> ovo <SEP> 1,3 <SEP> ovo <SEP> 0, <SEP> - <SEP>
<tb> <SEP> 61 <SEP> 17 <SEP> 9,0 <SEP> - <SEP>
<tb> <SEP> 64 <SEP> - <SEP> <SEP> 21,0 <SEP> 21,0 <SEP> O/o <SEP>
<tb> <SEP> 66 <SEP> 25,6 <SEP> 24,0 <SEP> 23,4
<tb> <SEP> 68 <SEP> - <SEP> <SEP> - <SEP> <SEP> 22,0
<tb>
Beispiel 2
DL-Glutaminsäuremonohydrat (140 g) wurde mit 55 ml Wasser zu einem Brei verrührt.
Dazu wurden 62,5 ml einer 280/(ringen wässrigen Ammoniumhydroxydlösung bis Einstellung eines pH-Wertes von 8 gegeben. Die entstandene Mischung wurde zwecks Beschleunigung des Lösens bis auf 600 C erhitzt. Dann wurde die Lösung auf 200 C abgekühlt, mit 15,2 g reinen Monoammonium-L-glutamatmono- hydrat-Kristallen geimpft, bei 200 C 28 Minuten lang langsam durchgerührt und gefiltert. Die Kristalle wurden abgepresst, mit 5 ml eines wasserhaltigen 80 /Oigen Athylalkohols ausgewaschen, auf einem Filter durch einstündiges Absaugen getrocknet und schliesslich in einem Ofen 10 Minuten lang bei etwa 65"C getrocknet.
Die getrockneten Kristalle wogen 30,4 g und enthielten 93,5 0/6 Monoammonium-Lglutamatmonohydrat. Dies entspricht einer Ausbeute von 170/6, bezogen auf den Gewichtsanteil des L-Isomeren in der ursprünglichen Lösung.
Beispiel 3
Es wurde eine Lösung von racemischem Ammoniumglutamat wie folgt hergestellt: 60 g DL-Glutaminsäuremonohydrat wurden in 14,4 g Wasser verrührt und mit 28,6 ml einer 28 6/o igen Ammoniumhydroxydlösung auf einen pH-Wert 6,4 eingestellt.
Hierbei ergaben sich 100 g einer Lösung, die 66 g Monoammonium-DL-glutamat, als das Monohydrat errechnet, enthielt. Zu dieser Lösung wurden bei 200 C unter Durchrührung 11,0 g kristallines Monoammonium-L-glutamatmonohydrat gegeben. Nach bestimmten Zeitabschnitten wurden Bruchteile des Lösungsgemisches und der Impfkristalle abgezogen, die Kristalle aus der Lösung abgetrennt und die optische Drehung der Lösung bestimmt. Nachdem das Durchrühren nach 5 Minuten fortgesetzt wurde, konnte man feststellen, dass 18,8 /o des am Anfang in der Lösung befindlichen Monoammonium-L-glutamats auf den Impfkristallen auskristallisiert waren. Nach
15 Minuten waren 25 O/o des ursprünglichen Monoammonium-L-glutamats auskristallisiert.