Verfahren zur optischen Trennung racemischer Gemische der Glutaminsäure,
Glutaminsäurehydrohalogenide oder Glutamate
Verschiedene physikalisch-chemische Verfahren zur optischen Trennung racemischer Glutaminsäure und deren Derivate sind bekannt, aber diese Verfahren arbeiten alle chargenweise, wie z. B. im E. P.
Nur.773661, im US-Pat. Nur.2898358 und im japanischen Patent Nr. 261 365 beschrieben. Bei diesen Verfahren wurden oft infolge spontaner Kristallisation ungeimpfter Substanzen im Lauf der Trennung Verunreinigungen des erstrebten optischen Isomeren der nicht erwünschten Antipodenkristalle oder nichtracemischer Kristalle beobachtet. Es ist deshalb äu sserst wichtig, Mittel zu finden, um die Antipode und die racemische Substanz selber stabil in Lösung zu halten und die gewünschte enantiomorphe Form leicht von der Mutterflüssigkeit abtrennen zu können.
Um die Ausbeute der gewünschten Komponente bei der physikalisch-chemischen Trennung der racemischen Glutaminsäure zu erhöhen, ist es nicht nur notwendig, den Übersättigungsgrad hinsichtlich des Glutaminsäureracemats in der Lösung zu erhöhen, sondern auch die Antipode stabil in Lösung zu halten.
Es wurde auch festgestellt, dass eine konzentrierte Lösung von Glutaminsäureracematsalzen ein geeignetes Lösungsmittel für diese Zwecke ist. Bei Verwendung eines solchen Lösungsmittels ist es möglich, die Antipode, welche in der übersättigten Lösung durch das Wachstum der Impfkristalle entsteht, in der Lösung stabil zu halten. Jedoch ist der Grad der tÇbersätti- gung hinsichtlich des Glutaminsäureracemats in der vorstehend erwähnten glutaminsauren Salzlösung natürlich auf einen bestimmten Grad beschränkt, so dass es unmöglich ist, eine genügende Ausbeute durch einen Kreisprozess bei chargenweisem Zusatz zu erreichen. Darüber hinaus besteht auch eine bestimmte Tendenz zur Verringerung der optischen Reinheit des Produktes durch Verunreinigung mit der Antipode, welche durch irgendeinen Zufall spontan auskristallisiert.
Darum ist dieses Verfahren vom Standpunkt der Stabilität aus nicht immer befriedigend.
Ein theoretischer Mangel dieses Verfahrens für die technische Anwendung liegt ferner in der Diskrepanz zwischen dem Erfordernis eines hohen Über- sättigungsgrades für die Erhöhung der Ausbeute und der Erfordernis eines niedrigen Ubersättigungsgrades zur Vermeidung des Auskristallisierens der Antipode.
Zur kontinuierlichen Trennung von racemischen Aminosäuren wurde vorgeschlagen, Impfkristalle der zu gewinnenden enantiomorphen Form in einer Trennung kolonne durch eine vom Kolonnenboden in Aufwärtsrichtung einströmende übersättigte Lösung aufzunehmen. Die beim Wachsen der Impfkristalle zu grösseren Kristallen im unteren Teil der Kolonne suspendierten Kristalle werden am Kolonnenboden entnommen und neue Impfkristalle im Kolonnenkopf eingebracht.
Irgendwelche feinen Kristalle der Antipode oder der racemischen Substanz, die aus der Lösung auskristallisieren könnten, werden von der oben abfliessenden Lösung begleitet, so dass die optische Reinheit der gewünschten gewachsenen Kristalle ohne Verunreinigung durch feine Kristalle aufrechterhalten werden kann. Der oben abfliessenden Lösung wird wieder racemische Substanz in der Menge zugefügt, die der Menge der entnommenen, aus den Impfkristallen entstandenen grossen Kristalle, entspricht und zur erneuten Trennung im Kreisprozess gelöst.
Ein weiteres Merkmal dieses Verfahrens ist das kontinuierliche Auflösen des Racemats unter Einführen der Impfkristalle am Kopf und Abführen der gewachsenen Kristalle am Boden der Trennungskolonne. Obwohl das kontinuierliche Verfahren eine ideale Arbeitsweise bildet, da alle im System herrschenden Bedingungen glatt und genau kontrolliert werden können, erfordert die Durchführung doch grosse Geschicklichkeit und strenge Vorsichtsmassregeln zur Kontrolle des komplizierten Vorganges und ausserdem eine komplizierte mechanische Vorrichtung für das kontinuierlich durchzuführende Impfen und die kontinuierliche Abführung der gewachsenen Impfkristalle und Entfernung der Lösung.
Deshalb bemühte man sich, um eine Vereinfachung des Vorganges und fand ein Verfahren, mit welchem eine hohe Ausbeute und ein hoher Reinheitsgrad-der optisch aktiven Komponenten ohne mechanische und betriebliche Schwierigkeiten erzielt wird.
Die Erfindung betrifft demnach ein Verfahren zur optischen Trennung racemischer Gemische der Glutaminsäure, Glutaminsäurehydrohalogenide oder Glutamate, dadurch gekennzeichnet, dass man eine übersättigte Lösung des racemischen Gemisches in einen oder mehrere Behälter konstant einführt und darin Impfkristalle der optischen Isomere oder mit den Isomeren überzogene Fremdkörper durch Rühren suspendiert, und dass man die überlaufende Lösung abzieht und die gewachsenen Kristalle abtrennt.
Dieses Verfahren ist in der beigefügten Abbildung beispielsweise illustriert: Gemäss Fig. 1 werden Saatkristalle 4 in geeigneter Grösse im Trenngefäss 1 suspendiert, das mit einem Rührwerk 5 ausgestattet ist, während kontinuierlich eine übersättigte Lösung des racemischen Gemisches mit geeigneter Geschwindigkeit eingeführt wird und die abfliessende Lösung im Überlauf 3 abgeführt wird. Bei diesem Verfahren kristallisiert die jeweils gewünschte in der Lösung gelöste enantiomorphe Kristallform an der Oberfläche der Impfkristalle aus, und die nicht gewünschte enantiomorphe Antipode bleibt in Lösung. Mit anderen Worten, die Trennung des racemischen Gemisches findet in dem Gefäss 1 statt.
Selbst wenn irgendwelche feinen Kristalle des Racemats oder der nicht gewünschten enantiomorphen Form auskristallisieren würden, könnten sie leicht am Gefässüberlauf mit der ablaufenden Flüssigkeit entfernt werden. Der oben abfliessenden, Racemat und Antipode enthaltenden Lösung wird zur Auffrischung eine gewisse Menge durch Erwärmen gelösten und dann durch Abkühlen auf den gewünschten Übersättigungsgrad gebrachten Racemats zugefügt, und zwar in einer Menge, die der aus dem Gefäss entfernten Menge der abgetrennten enantiomorphen Antipode entspricht. Die so hergestellte übersättigte Lösung wird z. B. in ein anderes Trenngefäss geleitet und mit einer aus der anderen Racematkomponente bestehenden Impfkristallsuspension versetzt.
Die oben aus dem letzteren (zweiten) Trenngefäss abfliessendeLösung wird mit entsprechenden Mengen des im Gefäss verbrauchten Racemats versetzt und wiederum in das erste Trenngefäss eingeführt, oder auch in ein drittes Gefäss, in welchem dieselbe Impfung mit der gleichen enantiomorphen Racematkomponente, wie im ersten Gefäss, suspendiert ist. Auf diese Weise kann die Lösung im Kreisprozess kontinuierlich in zwei oder mehreren Gefässen zirkuliert werden. Nach einer geeigneten Zeitperiode wird der Kreislauf der Lösung unterbrochen und die in den Trenngefässen gewachsenen Kristalle von der Mutterlauge abgetrennt. Da die bei dem Verfahren gewonnenen Kristalle gleichförmige Grösse haben und fast keine feinen Kristalle enthalten, ist ihre Abtrennung von der Lösung ganz leicht durchführbar.
Die Verbindung der Trenngefässe ist zweckmässig so eingerichtet, dass ein Konzentrationsüberschuss der Antipode in jedem Gefäss ausgeschlossen ist, um eine Auskristallisation dieser Antipode zu vermeiden. Zu diesem Zweck ist in den Fig. 2 und 3 die Art der Verbindungsleitung zwischen den Gefässen illustriert.
In Fig. 2 ist schematisch die Aneinanderreihung in Serie eines Kristallisationsgefässes für die eine Racematkomponente und eines weiteren Kristallisationsgefässes für die andere Racematkomponente wiedergegeben. Fig. 3 zeigt schematisch die reihenweise Verbindung von parallelen Paaren von Kristallisationsgefässen, von denen je eines für die eine Racematkomponente und das andere für die andere Racematkomponente dient. Durch eine derartige Anordnung wird es ermöglicht, das racemische Gemisch laufend, in hoher Reinheit, in seine beiden Komponenten wirkungsvoll zu trennen, weil eine jede der beiden Komponenten alternativ in dem einen Trennungsgefäss ausgeschieden wird und aus der Mutterlauge wieder in dem nachfolgenden Trennungsgefäss die andere Racematkomponente ergibt.
Es ist weiter empfehlenswert, unter denselben Bedingungen mit der gleichen Menge von Impfkristallen gleicher Grösse zu arbeiten, um zu vermeiden, dass die Lösung ein Bestreben zeigt, hinsichtlich der Konzentration einer der beiden Komponenten den Vorzug zu geben. Auf diese Weise wird die jeweilige Konzentration der einen Racematkomponenten im Trennungsgefäss auf gleicher Höhe gehalten, und es können die gleichen Kristallausbeuten von beiden Komponenten erzielt werden.
Es ist besonders zweckmässig, beide Racematkomponenten gleichzeitig in einem Trennungsgefäss, das durch Einsetzen einer Platte in zwei Kammern getrennt ist, zu gewinnen, wobei diese Platte die Lösung, aber nicht die Impfkristalle frei passieren lässt und so der Inhalt des Trenngefässes in zwei gleiche Fraktionen geteilt wird. In einem solchen Gefäss wird in der einen Hälfte mit Hilfe von Impfkristallen die eine Racematkomponente und in der anderen Gefässhälfte die andere Racematkomponente aus der Lösung des racemischen Gemisches abgetrennt, ohne Gefahr zu laufen, dass sich in der gleichen Gefässhälfte auch die andere Komponente ausscheidet.
Wie allgemein bei flüssig-fest-Reaktionen ist es zur Erzielung eines hinreichend innigen Kontaktes zwischen den Impfkristallen und der Lösung erforderlich, dass die Impfkristalle durch geeignetes Rühren in der Lösung vollständig ohne Bodenkörperbildung suspendiert werden. Anderseits muss die Lösung konstant aus dem Gefäss oben abfliessen, ohne dass im Abfluss durch das Rühren suspendierte Impfkristalle enthalten sind. Um dies zu erreichen, ist es notwendig, eine Absitzzone einzuhalten, oder eine als Abfangsnetz wirkende Zwischenschicht vor dem oberen Gefässabfluss einzuschalten. Demgemäss sollte das Trenngefäss zweckmässig aus zwei Unterteilungen bestehen: ein Teil zur Erreichung einer hinreichenden Trennung durch innigste Berührung von Impfkristallen und Lösung, und eine zweite Unterteilung zur Verhinderung des Abflusses von Kristallen mit der am Gefässkopf abfliessenden Lösung.
Die Trennungskapazität, d. h. das Gewicht der abgetrennten Racematkomponente pro Zeiteinheit und Gefässvolumen hängt ab von der im Trenngefäss befindlichen Kristallmenge. Da die Trennung an der Kristalloberfläche vor sich geht, ist das Gewicht der abgetrennten Racematmenge um so grösser, je grösser die Oberfläche der vorhandenen Impfkristalle ist.
Wenn die Grösse der letzteren konstant ist, hängt die Trennungskapazität vom Gewicht der Impfkristalle ab. Wenn dieses Gewicht konstant gehalten wird, ist die Trennungskapazität um so grösser, je kleiner die Impfkristalle sind. Somit ist es ratsam, die Konzentration der Kristalle im Trennungsgefäss hoch zu halten. Anderseits wird die Erhaltung einer Homogenität des Gemisches im Gefäss mit wachsender Konzentration schwieriger. Bei Benutzung der nachstehend als geeignet beschriebenen Kristallgrösse ergibt ein Maximum von 40 Volumprozenten eine geeignete Konzentration zur Erzielung einer glatten Durchführung des Verfahrens mit guten Ergebnissen.
Bei Anwendung gleicher Mengen Impfkristalle ist es einleuchtend, die möglichst kleinste Kristallgrösse zur Erzielung quantitativ und qualitativ günstigster Ergebnisse zu verwenden, da dann die grössere Oberfläche in Wirkung tritt. Jedoch ist die Kristallgrösse in gewissen Grenzen beschränkt, da mit abnehmender Grösse die Tendenz derselben, am Überlauf des Gefässes mitgerissen zu werden, wächst und anderseits mit wachsender Grösse die Wirkung als Impfkristall verringert wird und grössere Kristalle auch schwieriger in der Lösung suspendiert zu halten sind. Es wurde festgestellt, dass die Kristallgrösse, mit der eine Endbewegungsgeschwindigkeit von mindestens 1 cm/sec und höchstens eine solche von 20 cm/sec erreicht wird, als Impfkristalle vorzuziehen ist.
Nach Abtrennung von der Lösung können die gewachsenen Kristalle nach Zerkleinerung auf die ursprüngliche Grösse oder nach Ablösen der darauf gewachsenen Racematmenge mit Säure oder Alkali wieder als Impfkristalle verwendet werden.
Anstelle solcher Kristalle können geeignete Teilchen entsprechender Grösse, z. B. aus Gummi, Ton, Kunstharz, Glas, Porzellan, oder dergleichen mit einem Überzug aus einer der beiden Racematkomponenten, die sich durch Rühren in der Lösung suspendieren lassen, benutzt werden. In der Beschreibung wird zur Vereinfachung nur noch von Impfkristallen gesprochen.
Bei der Trennung der beiden optisch aktiven Racematkomponenten mittels Impfkristallen wird durch Abscheidung der einen Komponente auf den Impfkristallen die relative Menge der anderen Racematkomponente in der Lösung erhöht, wobei gleichzeitig die auskristallisierende Menge die optische Reinheit der Lösung der erstrebten Komponente infolge der Verunreinigung durch die andere Racematkomponente verringert. Daher ist es ganz notwendig, die Konzentration der anderen Racematkomponente in der Lösung innerhalb gewisser Grenzen zu erhalten, um eine optisch reine Komponente zu gewinnen. Beim erfindungsgemässen Verfahren hängt die Konzentration der in Lösung befindlichen Komponente von der Menge der erstrebten auskristallisierten Komponente ab.
Die in das Trenngefäss eingebrachte Lösung und die Menge des in derselben gelösten Racematgemisches lassen sich leicht kontrollieren, um die Konzentration der optischen Antipoden in geeigneten Grenzen zu halten. Auf diese Weise ist es möglich, sowohl die gewünschte Komponente als auch gleichzeitig in gleicher Menge die Antipodenkomponente in hoher optischer Reinheit zu gewinnen. Wenn die Konzentration einer der Komponenten zufällig etwas über den passenden Grad ansteigt, wird dies durch die natürliche Selbstkontrolle, die ein Charakteristikum dieses Verfahrens ist, überwunden, wie dies im Beispiel 4 gezeigt wird.
Beispiel 1
Eine wässrige, mit einem racemischen Glutaminsäuregemisch bei 600 C und einem pH von 4,3 gesättigte Lösung, hergestellt durch Zusatz eines racemischen Glutaminsäuregemisches und Na-Hydroxyd zu Wasser, zirkuliert mit einer Geschwindigkeit von 2 1/min in einer Zirkulationsapparatur, bestehend aus einem Heizrohr, einem Kühlrohr, einer Pumpe und einem Paar Trennungsgefässen in Parallelschaltung, jedes mit mechanischer Rührvorrichtung ausgestattet, und auf einer Temperatur von 55o C gehalten. Je 500 g Impfkristalle D- und L-Glutaminsäure (30-35 mesh USA-Norm) wurden mit einer Geschwindigkeit von 6,0-7,8 cm ! sec in je einem der Gefässe suspendiert.
Durch Einbringen eines racemischen Glutaminsäuregemisches in die zirkulierende Lösung, mit einer Geschwindigkeit von 600 g/Stunde, am Einlass der Heizvorrichtung, floss eine übersättigte Lösung des racemischen Gemisches in die Trenngefässe, nachdem die Kristalle in der Heizanlage gelöst und in der Kühlvorrichtung auf 55 C heruntergekühlt waren. Nach 7stündiger Zirkulationsdauer wurden die gewachsenen D- bzw. L-Glutaminsäurekristalle abzentrifugiert und getrocknet, wobei sich je 26 kg Kristalle ergaben. Die spez.
Drehung der D-Glutaminsäurekristalle wurde für [a] D20 zu 30,30 = 94,S8/o optische Reinheit fest- gestellt (berechnet auf [a] D20 =-32, 0 ) für die 1006/oige Substanz, während sich für die erhaltene L-Glutaminsäure ein a1 D20 von +30,60 ergab, d. h. eine optische Reinheit von 95, 3 /o. ähnliche Ergebnisse wurden gefunden, wenn die Impfkristalle mit einer Endgeschwindigkeit von 15,0 bis 19,8 cm/sec benutzt wurden.
Beispiel 2
425 g feine Gummikörner (Maschengrösse 20) mit einer Auslaufgeschwindigkeit von 11,5 cm/sec, die in eine wässrige Lösung von D- und L-Glutaminsäure gebracht waren, wurden nach Abtrennung aus der Lösung getrocknet. Das Verfahren wurde bis zum Gewinn eines 75 g betragenden Gesamtgewichtes jeder der beiden mit D- bzw. mit L-Glutaminsäure überzogenen Oberflächen wiederholt. Unter Verwendung von je 500 g dieser mit D- bzw. mit L-Glutaminsäure überzogenen Körner wurde 5 Stunden lang unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 dieses Trennverfahren durchgeführt, mit der Ausnahme, dass die Zusatzmenge von Glutaminsäureracemat 300 g pro Stunde betrug. Es wurden 823 g bzw. 820 g D- bzw.
L-Glutaminsäure gewonnen. Die spez. Rotation [a] D20 betrug -29,6 (= optischer Reinheitsgrad 92,5 O/o) und +29, (optischer Reinheitsgrad 91,0 0/o).
Beispiel 3
Eine wässrige, bei 50O C mit saizsaurem Glutaminsäureracemat gesättigte Lösung, liess man in einem gleichen Gefäss, in welches das Racemat mit einer Stundengeschwindigkeit von 400 g eingebracht war, umlaufen, während je 500 g Impfkristalle von D- bzw.
L-Glutaminsäure, die eine Endgeschwindigkeit von 6,0-10,1 cm/sec hatten, in besonderen Trenngefässen 3 Stunden lang bei 45o C suspendiert gehalten wurden. Nach dieser Operation erhaltene Mengen Dbzw. L-Glutaminsäure hatten spez. Drehungen von [a] 1)20 - 24,00 (93, 6 /o optischer Reinheitsgrad) für das D-Isomere bzw. [a] D20 = + 24,20 (94,50/0 optischer Reinheitsgrad) für das L-Isomere.
Beispiel 4
Eine wässrige, wie gemäss Beispiel 1 hergestellte gesättigte racemische Glutaminsäurelösung mit einem Zusatz von 1,5 ovo L-Glutaminsäure zirkulierte in einem Gefäss, wie in Beispiel 1 beschrieben. Je 500 g D- bzw.
L-Impfkristalle wurden benutzt und pro Stunde 600 g Glutaminsäureracemat eingeführt und das Trennungsverfahren 3 Stunden lang in Gang gehalten. Es ergaben sich hierbei 1,52 kg D-Glutaminsäure und 1,28 kg L-Glutaminsäure. Die Mutterlauge im Trenngefäss enthielt bei Versuchsschluss 1, 0eo Glutaminsäure. Nach den ermittelten spez. Drehungswerten ergaben sich für die optische Reinheit der erzielten Produkte die folgenden Werte: 75,6'/o [a] D20 = -24,2" für D-Glutaminsäure bzw. 96, 56/o [a] D20 = + 30,90 für L-Glutaminsäure.
Beispiel 5
Eine mit Glutaminsäureracemat bei 55 C und einem pH von 4,8 gesättigte Lösung zirkulierte mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 2 1/min in einem System, bestehend aus einem Heizrohr, einem Kühlrohr, einer Pumpe und einem 30 Liter fassenden Trenngefäss, das in zwei 15-Liter-Abteilungen mittels eines vertikal verlaufenden Trennetzes mit 36 Maschengrösse geteilt war. Je 500 g Impfkristalle mit einer Endströmungsgeschwindigkeit von 1,0 bis 3,0 cm ! sec von D- bzw. L-Glutaminsäure wurden jeweils in jedem der beiden Abteile des Gefässes suspendiert.
Nach Einführen der Glutaminsäureracematkristalle in die zirkulierende Lösung mit einer Geschwindigkeit von 500 Stunde in das vorgeschaltete Heizrohr floss die übersättigte Lösung nach Auflösung der Kristalle in den Trenntank und wurde im Kühlrohr auf 500 C herabgekühlt. Die gewachsenen Kristalle, jede Komponente für sich, wurden mit Siphons direkt aus den beiden Abteilungen mit einer Geschwindigkeit von 300 glStunde abgezogen, und frische Impfkristalle beider Komponenten in das für sie bestimmte Teilgefäss eingeführt mit einer Stundenmenge von 50 g. Die entnommenen gewachsenen Kristalle beider Komponenten wurden von anhaftender Lösung befreit und mit Wasser gewaschen. Nach 10stündigem Verlauf wurden die Kristalle aus ihrem Gefässteil entfernt, von der Lösung getrennt und gewaschen.
Die erhaltene Gesamtmenge von D- bzw. von L-Glutaminsäure in Höhe von 3,9 kg zeigte einen optischen Reinheitsgrad von 92,3 O/o für L- und von 92,5 ovo für D-Glutaminsäure.