CN101679212B - 使谷氨酸的α型晶体析出的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种在不使谷氨酸的2种同质多晶型物中的稳定形晶体即β型晶体析出的前提下，使亚稳定形晶体即α型晶体优先析出的结晶方法。该结晶通过组合下述的(a)、(b)两个过程使作为亚稳定形晶体的α型晶体优先析出：(a)向含有谷氨酸的溶液中混合酸性溶液，从而调节至谷氨酸的等电点以下的pH范围，以形成过饱和的过程；和(b)在生成(a)的过饱和后，在经过一定时间之后再次添加谷氨酸盐溶液，以形成第2阶段的过饱和的过程。

Description

使谷氨酸的α型晶体析出的方法
技术领域
本发明涉及在谷氨酸的2种同质多晶型物(結晶多型，crystalpolymorphisms)中，使亚稳定型晶体即α型晶体优先析出的结晶方法。
背景技术
在谷氨酸晶体中，存在亚稳定形的α型晶体和稳定形的β型晶体这2种同质多晶型物。
所述α型晶体的存在早已为人们所熟知(专利文献1)，并已知有先使α型晶体析出、再使其转化为β型晶体从而对谷氨酸进行纯化的方法(专利文献2)。该纯化方法被认为是基于在发生晶型转变时，α型晶体中所包含的杂质会随之释放出来的原理。
作为获得α型晶体的方法，可考虑下述方法：与甘氨酸的添加α型晶体的方法(非专利文献1)相同，通过向谷氨酸盐的溶液中加酸以降低谷氨酸的溶解度，从而使该溶液呈过饱和状态后，再添加α型晶体作为晶种的方法。此外，作为其它方法，还已知有通过添加氨基酸类或糖类以使α型晶体析出的方法(专利文献1、3)。但是，尽管就学术而言，形成过饱和状态后在不添加晶种的条件下进行放置来首先析出α型晶体的方法是已知的(非专利文献2)，但尚未研究出利用该方法仅获得α型晶体的结晶方法。
专利文献1：日本特公昭36-017712号公报
专利文献2：日本特公昭45-004730号公报
专利文献3：日本特公昭45-011286号公报
非专利文献1：N.Doki et.al.，Crystal Growth&Design，4(5)，949-953，2004
非专利文献2：Jochen Scholl et.al.，Chem.Eng.Technol.29(2)，257-264，2006
需要指出的是，在为了获得α型晶体而添加晶种时，存在下述问题点。即，(1)在制备晶种后进行保存时，很难将附着在分离出来的晶体上的水分等控制在较低水平以使其不转化为β型晶体。其次，(2)由于pH4～6的范围是谷氨酸的溶解度对pH的依赖性较高的范围，因而难以将过饱和比控制在指定值。也就是说，如果在对pH进行调节时，因酸调节过快而致使远低于设定的pH，那么，就会导致过饱和比过高，从而引起作为稳定形晶体的β型晶体析出。而如果pH过高，则会导致添加的晶种发生溶解，进而引起β型晶体析出，使晶种的效果完全不值得期待。
另一方面，对于为了优先获得α型晶体而添加氨基酸类或糖类以使晶体析出的情况，从结晶的固有功能、即排除杂质的角度考虑，所添加的氨基酸或糖类相当于为体系引入杂质，这与纯化的目的相违背。
本发明的目的在于提供一种结晶方法，该结晶方法是在不向体系中添加α型晶种或用于使α型晶体优先析出的添加剂的情况下，可以在不使稳定形的β型晶体析出的前提下优先使作为亚稳定形晶体的α型晶体高重现性地析出的中和结晶方法。
发明内容
在用于使α型晶体析出的中和结晶中，作为β型晶体的析出机理，可考虑下述几种情况。第一种情况：以初级成核(一次核発生，Primary nucleation)的形式析出，其中，不但α型晶体析出，β型晶体也单独从溶液相中析出；第二种情况：先以α型晶体的形式析出之后，转化成β型晶体而析出；第三种情况：以析出的α型晶体作为晶种而引发β型晶体二次成核(二次核発生，Secondary Nucleation)。在本发明中，针对上述析出机理进行了各种研究，并制备出处于一定低过饱和比(1.0～1.7)状态的溶液，观察了结晶。其结果，在观察到α型晶体析出的同时，在本体溶液相中、而并非在α型晶体附近，观察到了β型晶体。由此可以认为，β型晶体是通过初级成核而单独从溶液相中析出的。基于此，可以想到：通过在β型晶体析出之前使α型晶体析出以解除过饱和，可以防止β型晶体的析出。
本发明的方法包括下述的步骤(A)和步骤(B)：(A)向谷氨酸盐溶液中加酸，使pH降低到谷氨酸的等电点后进一步降低，来形成第一过饱和状态的步骤；以及(B)向其中添加谷氨酸盐溶液，使pH向等电点方向移动，从而形成第二过饱和状态的步骤。
本发明的结晶方法制备含有谷氨酸的水溶液，并量取能够将所含的谷氨酸完全中和的量的酸。通过向部分谷氨酸中添加上述准备好的全部量的酸，使pH低于作为等电点的pH3.2。如图1所示，在该范围内，随着pH降低，溶解度有所增加，当初期谷氨酸浓度超过溶解度时，可以形成过饱和。如果保持上述第1阶段的过饱和稳定，那么在经过一段时间之后，会析出β型晶体、或α型和β型晶体的混合物。因此，必须要在β型晶体析出之前进一步引入第2阶段的过饱和来使α型晶体优先析出。为此，将此前使用了一部分的谷氨酸水溶液的剩余部分添加到在第1阶段形成的过饱和水溶液中，来形成第2阶段的过饱和。由于溶液本身中原本添加的酸的量是调节至谷氨酸的等电点所必须的量，因而，此时溶液的pH为3.2，显示出最大结晶率(晶析率)。
根据本发明，可以使谷氨酸的α型晶体在短时间内容易且稳定地生成。
附图说明
图1是对本发明的2阶段中和结晶法进行说明的示意图。
图2显示了当本发明中获得的总的(ォ一バ一ォ一ル)过饱和比为8.0时，第1阶段中和的过饱和比、到进行第2阶段中和为止所经过的时间、以及析出的晶体类型之间的关系图。
图3显示了当本发明中获得的总的过饱和比为4.0时，第1阶段中和的过饱和比、到进行第2阶段中和为止所经过的时间、以及析出的晶体类型之间的关系图。
图4显示了由图2、3的结果而获得的、由温度和过饱和比求算β型晶体的出现时间的结果的图。
图5示出了在实施例中获得的谷氨酸晶体的显微镜照片。
图6示出了在实施例中获得的谷氨酸晶体的拉曼光谱测定结果。
图7示出了在本发明的实施例1和参考例1中获得的晶体的粒度分布。
发明的具体实施方式
本结晶方法中的初期谷氨酸浓度为50g/l～200g/l，优选为80～120g/l。对于在该谷氨酸盐溶液中成盐的阳离子的种类并无限制，但通常为铵离子或者钠离子。溶液的pH通常在5.5～8.0左右，大多在6.0～7.5左右。作为谷氨酸盐溶液的实例，包括谷氨酸发酵液、从该发酵液中分离出菌体后得到的溶液等。
作为添加到该谷氨酸盐溶液中的酸，盐酸、硫酸、磷酸等可作为氢离子供体的酸均可使用。作为酸的量，为了提高谷氨酸的最终结晶率，优选将谷氨酸盐溶液中溶解的谷氨酸中和至其等电点即pH3.2的量，从实用角度考虑，可以是将其中和至pH3.2的量±3％的范围，优选将其中和至pH3.2的量±1％的范围。
将上述谷氨酸盐溶液分为两部分，其中的一部分在制成第一过饱和状态的步骤中使用。优选对在该第一步骤中使用的谷氨酸盐溶液的量进行设定，使第一过饱和状态中的过饱和比为1.0～1.7。这是由于，当偏离上述范围时，作为在25分钟内析出的晶体，可能会析出β晶体。
通常，在结晶操作中，以下述作为结晶的驱动力：在所要析出的溶质溶解度较高的范围内，以可溶解的浓度制备溶液，再使该溶液的温度、pH等发生变化，来将其置于溶解度低于初期浓度的条件下，从而形成过饱和。这里所述的过饱和是指：尽管溶质的浓度在溶解度以上，但因该结晶操作而暂时溶解的状态。表征过饱和的量的方法有下述2种：其一被称为过饱和比，另一被称为过饱和度。所述过饱和比，是用处于上述溶液状态的溶质的实际浓度除以其溶解度而得到的数值。所述过饱和度，代表的是处于上述溶液状态的溶质的实际浓度与其溶解度之差。在本说明书中，采用过饱和比作为表征过饱和的方法。
为了能够算出第一过饱和状态的过饱和比，利用下述的近似式来计算谷氨酸的饱和溶解度。谷氨酸的饱和溶解度的温度依赖性是已知的(非专利文献3)，其结果以Clausius-Clapeyron式作为近似。
[数学式1]
此外，饱和溶解度的pH依赖性也是已知的(非专利文献3)，其结果用下式近似表示。
[数学式2]
这里，Glu±代表电荷为零的谷氨酸离子。此外，将氢离子解离常数定为pK1＝2.19、pK2＝4.25、pK3＝9.67(非专利文献4)。另外，为了将每100g水的饱和溶解度换算成g/L单位，在假定固体成分仅为谷氨酸、并假定比重为d＝1.06g/mL的前提下，利用下式进行换算。
[数学式3]
采用通过上述方式求出的饱和溶解度的值，计算了过饱和比。需要说明的是，在图1中，第一过饱和状态的过饱和比以c/b表示，第二过饱和状态、即总的过饱和比以c/a表示。
非专利文献3：“食品工学ハンドブック(食品工学手册)”，p.651～p.656，日本食品工学会编(2004年)
非专利文献4：“化学便覧”，p.432，日本化学会编(1993年)
用于制成第一过饱和状态的谷氨酸盐溶液的量通过下述方法确定：预先通过添加各种量的谷氨酸盐溶液来做成pH的标准曲线，由此确定为达到预期pH所必须的溶液量。即，在确定要达到某预期过饱和比所要满足的pH后，通过标准曲线求出并确定达到该pH所必须的溶液量。因此，pH的范围依赖于结晶之前的水溶液中的谷氨酸浓度。在总的过饱和比为8.0的结晶中，第1阶段的过饱和状态的过饱和比1.0～1.7范围所对应的pH范围为1.3～1.6。此外，在总的过饱和比为4.0的结晶中，第1阶段的过饱和状态的过饱和比1.0～1.7所对应的pH范围为1.7～2.0。
第一过饱和状态可通过向上述量的谷氨酸盐溶液中添加上述酸而形成。此时的理想溶液温度为20～30℃范围。当温度不在该范围内时，无论是温度过高或过低，都会导致β型晶体析出的风险增高。添加酸时，无需逐渐添加，一次性添加即可。此时，为使溶液均匀，必须要进行搅拌。
在本发明中，在制成该第一过饱和状态之后，为使α型晶体优先析出，必须要在一定时间内加入其余的谷氨酸盐溶液。该时间按下述方法求算。
制备127g/L的谷氨酸单钠一水合物(MSG)水溶液100mL，并在烧杯中量取3.4g硫酸。此时，谷氨酸为0.068摩尔，硫酸为0.034摩尔。在该MSG水溶液中，对在第1阶段中中和的量进行各种改变，并在利用磁力搅拌器进行搅拌的同时，利用水浴将温度保持在25℃，并与硫酸快速混合。对时间进行各种改变，在该时间后添加其余的MSG水溶液，来形成第2阶段的过饱和。此时，总的过饱和比为8.0。
利用显微镜进行观察以判断析出的谷氨酸晶体是α型晶体还是β型晶体。另外，在利用显微镜难以判断时，通过使用该浆料作为晶种再次进行结晶来判断是否为β型晶体。具体而言，通过下述方法进行了判断：制备127g/L的MSG溶液，并量取1ml该溶液。向该溶液中添加约200μl的判断用样品。然后，立即添加20μl的浓硫酸并进行手动振荡。接着，利用显微镜对得到的晶体进行观察，来判断是否混入了β型晶体。
所述的谷氨酸的亚稳定形晶体(α型晶体)是指，表现出如图5(a)的显微镜照片中所示的形状，且通过利用拉曼分光装置进行分析时显示出如图6(a)所示的谱图的晶体。另一方面，当为稳定形晶体时，呈现图5(b)所示的扁平晶体，且显示出图6(b)所示的特征峰。
利用上述方法得到的结果如图2所示，图2示出了第一过饱和状态的过饱和比、加入硫酸后至添加剩余的MSG水溶液的时间、和析出的晶体为α型还是β型之间的关系。
另外，制备63.5g/L的谷氨酸单钠一水合物(MSG)水溶液100mL，并在烧杯中量取1.7g硫酸。此时，谷氨酸为0.034摩尔，硫酸为0.017摩尔。在该MSG水溶液中，对量取的量做各种改变来作为在第1阶段中中和的量，并在利用磁力搅拌器进行搅拌的同时，利用水浴将温度保持在25℃，并与硫酸快速混合。对时间进行各种改变，在该时间后添加其余的MSG水溶液，以形成第2阶段的过饱和。此时，总的过饱和比为4.0。此时的晶型判断结果如图3所示。
为了确认β型晶体析出时间是伴随通常所述的初级成核的结晶诱导时间(晶化待ち時間)(从生成过饱和到观察到晶体析出所经过的时间)，针对图2和图3的区域按照ln(t)(t：结晶诱导时间[sec.])和1/(T3×(lnS)2)(T：温度[K]、S：过饱和比[-])的关系进行了整理，其结果如图4所示。可以判定：图中(1)的边界、(3)的边界不依赖于体系。即，可知：分别显示出均匀的初级成核和不均匀的初级成核，但β型晶体均是以初级成核的形式而析出。(2)的边界被认为是过渡区域，尽管因实验条件而异，但基本上呈直线。该结果可通过如下所示的范围表示。
其中，由图4可知：
(1)的边界线的斜率为3.46×108、y截距为-9.69，因而(1)的边界线可由下式表示。
[数学式4]
lnt＝1/(T3(lnS)2)×3.46×108-9.69
(2)的边界线(实线)的斜率为1.95×107、y截距为4.35，因而可由下式表示。
[数学式5]
lnt＝1/(T3(lnS)2)×1.95×107+4.35
(2)的边界线(虚线)的斜率为1.95×107、y截距为4.80，因而可由下式表示。
[数学式6]
lnt＝1/(T3(lnS)2)×1.95×107+4.80
(3)的边界线的斜率为6.16×104、y截距为7.34，因而可由下式表示。
[数学式7]
 lnt＝1/(T3(lnS)2)×6.16×104+7.34
通过参考图2、3可知，为了稳定地获得α型晶体，当第一过饱和状态中的过饱和比为2.6～8.0时，在t≤exp{1/(T3(InS)2)×3.46×108-9.69}范围内添加剩余的谷氨酸盐溶液即可；当第一过饱和状态中的过饱和比为1.8～2.6时，在t≤exp{1/(T3(InS)2)×1.95×107+4.35}范围内添加剩余的谷氨酸盐溶液即可；当第一过饱和状态中的过饱和比为1.0～1.8时，在t≤exp{1/(T3(InS)2)×6.16×104+7.34}范围内添加剩余的谷氨酸盐溶液即可。另一方面，为了制成第一过饱和状态，在向谷氨酸盐溶液中添加酸之后、加入剩余的谷氨酸盐溶液之前，至少要相隔1分钟的时间。
剩余的谷氨酸盐溶液也可以一次性加入，此时，优选进行搅拌。
此外，由图7可知，与传统的添加晶种的方法相比，通过本结晶方法获得的晶体的粒度分布非常微细。通常，在使用得到的晶体作为晶种的情况下，可认为晶体的表面积越大则其效果越好，因而本方法在制备大规模结晶的晶种方面可发挥有利效果。
由上述方法获得的α型晶体浆料可被用作大规模结晶的晶种，此外，还可以进行如下所述的结晶转化(転移晶析)。即，在从0℃到约100℃的范围内，α晶体的溶解度必然高于β型晶体的溶解度。因此，当突然出现β型晶体的晶种、或是以一定概率突然出现β型晶体时，整个体系的溶解度变为以β型作为残留物(液底体，dispersed amount)的溶解度。这样一来，α型晶体发生溶解，并以α型晶体和β型晶体的溶解度之差为驱动力，完全转化为β型晶体。在获得该谷氨酸β型晶体之后，利用氢氧化钠水溶液将其溶解并调整成可形成一水合谷氨酸单钠(グルタミン酸ナトリゥム1水塩，MSG)的pH，然后，通过浓缩使晶体析出，再对分离出的晶体进行干燥，从而可获得作为产品的一水合谷氨酸单钠(非专利文献3)。
〔实施例1〕
制备127g/L的谷氨酸单钠一水合物(グルタミン酸ソ一ダ1水和物，MSG)水溶液100mL，并在烧杯中量取3.4g硫酸。此时，谷氨酸为0.068摩尔，硫酸为0.034摩尔。从该MSG水溶液中量取出46ml，在利用磁力搅拌器进行搅拌的同时，用水浴将温度保持在25℃，并与硫酸快速混合，从而使第1阶段的过饱和比为1.2。在1.0分钟之后，添加其余的MSG水溶液54ml来形成第2阶段的过饱和，从而完成结晶。此时，总的过饱和比为8.0。此时的晶型为α型。
〔比较例1〕
制备127g/L的谷氨酸单钠一水合物(MSG)水溶液100mL，并在烧杯中量取3.4g硫酸。此时，谷氨酸为0.068摩尔，硫酸为0.034摩尔。从该MSG水溶液中量取出54ml，在利用磁力搅拌器进行搅拌的同时，用水浴将温度保持在25℃，并与硫酸快速混合，从而使第1阶段的过饱和比为2.3。在2.5分钟之后，添加其余的MSG水溶液46ml来形成第2阶段的过饱和。此时，总的过饱和比为8.0。此时，析出了α型和β型这两种晶体。
〔参考例1〕
制备127g/L的谷氨酸单钠一水合物(MSG)水溶液100mL，并在烧杯中量取3.4g硫酸。此时，谷氨酸为0.068摩尔，硫酸为0.034摩尔。向该MSG水溶液中缓慢添加硫酸，将pH调节至5.0。此时，添加了α型晶体1g作为晶种。搅拌约30分钟之后，用3小时的时间添加其余的硫酸，从而使谷氨酸晶体析出。此时的晶型为α型。
工业实用性
由于本发明可以简易且稳定地获得谷氨酸的α型晶体，因而可将本发明设置在谷氨酸的生产工序中。

Claims (3)

1.一种使谷氨酸的α型晶体析出的方法，该方法包括下述的步骤(A)和步骤(B)：
(A)向谷氨酸盐溶液中添加酸，使得pH跨越谷氨酸的等电点并进一步降低并保持至少1分钟，来形成过饱和比为1.0～1.7的第一过饱和状态的步骤；以及
(B)向其中添加谷氨酸盐溶液，使得pH向等电点方向移动，来形成第二过饱和状态的步骤；
其中，在形成步骤(A)中的第一过饱和状态后的25分钟以内添加步骤(B)的谷氨酸盐溶液。
2.根据权利要求1所述的使谷氨酸的α型晶体析出的方法，其中，
准备谷氨酸盐溶液、以及能够将该溶液中溶解的谷氨酸中和至其等电点pH3.2的量的酸，将上述谷氨酸溶液分成两份，将其中的一份用作步骤(A)的谷氨酸溶液，向其中加入所述酸来形成第一过饱和状态，将另一份谷氨酸盐溶液用作步骤(B)的谷氨酸盐溶液。
3.一水合谷氨酸单钠的制造方法，该方法在利用权利要求1所述的方法析出谷氨酸的α型晶体、并将该谷氨酸的α型晶体转化为β型晶体来获得谷氨酸的β型晶体之后，用氢氧化钠水溶液进行溶解并调制成能够形成一水合谷氨酸单钠(MSG)的pH，然后通过浓缩使晶体析出，再对分离出来的晶体进行干燥并以此作为产品。
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