CN102134189B - 从发酵液分离有机酸及氨基酸的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及通过固体床吸附分离从含有有机酸和/或氨基酸的发酵液分离有机酸和/或氨基酸。
Description
技术领域
本发明涉及通过固体床吸附分离从含有有机酸和/或氨基酸的发酵液分离有机酸和/或氨基酸。
背景技术
有机酸被用作食品酸化剂和增香剂并被用在药物、塑料、纺织品以及其他工业制剂中。按配方用有机酸制造的食品和药品的日益增加的应用是全球有机酸年产量超过3亿磅的主要缘由，预计这个产量未来会持续。
传统上，有机酸用深层培养发酵法生产，采用糖蜜、土豆或淀粉作为进料以及一种微生物，例如德氏乳杆菌(Lactobacillus del brueckii)、德氏乳杆菌保加利亚亚种、德氏乳杆菌莱库南亚种(L.leichnanii)。发酵产物含有碳水化合物、氨基酸、蛋白质和盐以及有机酸，这些物质必须从发酵液分离出来。
在有机酸的分离过程中，通常沉淀钙盐。所得羧酸钙进行过滤以除去重金属和某些有机杂质。再生的有机酸例如通过过滤与沉淀的硫酸钙分离，而所得的粗制有机酸随后通过碳处理及亚铁氰化钠进行纯化以分别除去其它的有机杂质及重金属。在过滤之后，使有机酸与离子交换树脂接触以除去微量离子。提纯过程复杂而且往往难以获得高纯度。
美国专利5068418揭示了一种采用选择性地吸附乳酸的非沸石型高分子吸附剂从发酵液分离乳酸的方法。非沸石型高分子吸附剂包括一种拥有叔胺或吡啶官能团的弱碱性的阴离子交换树脂，或者一种拥有季胺官能团的强碱性的阴离子交换树脂，或者是二者的混合物。US5068418的分离工艺的问题在于其使用了无机酸。无机酸构成对乳酸的污染。因而纯度受到洗脱液的影响。US5,068,418所披露的无机酸硫酸影响到树脂的操作容量，这进而直接影响运营成本。一旦被无机酸所饱和，则树脂必须进行再生处理。对于高浓度的溶液，树脂必须经常性地进行再生处理，因此直接提高了工艺成本。因而所需要的是一种会提升效率由此降低成本的方法。
本发明通过提供一种用于在无需无机酸溶液的情况下从发酵液分离有机酸及氨基酸的方法来解决这个问题。
附图简述
图1示出使用强酸性阳离子交换树脂对乳酸及其盐进行层析分离。
图2示出使用弱碱性阴离子交换树脂对乳酸及其盐进行层析分离。
发明内容
本发明涉及一种从发酵液分离有机酸的方法，包括：
i)提供一种包含发酵产物并且还包含有机酸的进料；
ii)提供一种离子交换吸附剂介质；以及
iii)通过用流动相经过离子交换吸附剂介质洗脱该进料，从进料分离有机酸；其中
流动相选自稀有机酸或水。
此外，本发明涉及一种从发酵液分离氨基酸的方法，包括：
i)提供包含发酵产物的进料；
ii)提供一种离子交换吸附剂介质；以及
iii)通过用流动相经过离子交换吸附剂介质洗脱该进料，从进料分离氨基酸；其中
流动相选自稀氨基酸或水。
具体实施方式
在本发明中，“有机酸”是指在其分子式中含有碳、氢和氧的酸，且其中的碳和氧构成羧基。有机酸的非限制性示例包括乳酸、乙酸、甲酸、草酸和柠檬酸。依本发明的定义，有机酸还包括氨基酸类。在本发明中，“有机酸”可以呈酸的形式或者呈相应的盐的形式。
在本发明中，“氨基酸”是指在其分子式中含有氨基的有机酸。氨基酸的非限制性示例包括谷氨酸和天冬氨酸。“氨基酸”可以呈酸的形式或者呈相应盐的形式。
本发明所设想的进料是发酵产物。
可用于本发明的普通非限制性发酵产物从糖类(例如葡萄糖)、糖蜜、土豆、尤其是淀粉用以下微生物中的一种进行的深层培养发酵获得：德氏乳杆菌(Lactobacillus del brueckii)、德氏乳杆菌保加利亚亚种、德氏乳杆菌莱库南亚种(L.leichnanii)。非离子化的有机酸使用在此描述的树脂吸附剂与发酵液中的其它离子种类(包括有机阴离子)分离开来。
有机酸的分离通过将进料的pH值调节到低于有机酸的电离常数而显著增强。有机酸的电离常数(pKa)是3.86(参见Handbook of Chemistry & Physics，第53版，1972-3，CRC Press出版)，因此，有机酸进料以及吸附区的pH值应当低于3.86。
通过固体床吸附分离将有机酸和/或氨基酸从发酵液分离的过程采用吸附剂树脂来实现。本发明的树脂可以是凝胶型(即“凝胶类”)或“大网格型”，此术语用在某些最新文献中，即Kunin和Hetherington的“通过大网格型离子交换树脂从水中除去胶体的发展报告(A Progress Report on the Removal of Colloids From Waterby Macroreticular Ion Exchange Resins)”，该论文是1969年10月在美国宾夕法尼亚州匹兹堡召开的国际水会议(the International Water Conference)上发表的，由罗门哈斯公司(Rohm & Haas Co.)重印。在最近的吸附技术中，“术语微网状是指凝胶结构，本质上是属于原子尺寸规格并取决于凝胶的溶胀性质的孔隙的大小，而“大网格孔隙以及真孔隙率是指结构中孔隙大于原子距离而且并非凝胶结构的组成部分的结构。其大小和形状不因环境条件的改变而受到大的影响，包括导致渗透压改变的那些条件”，而凝胶结构的尺寸“显著地依赖于环境条件”。在“经典吸附”中，“术语微孔性的和大孔性的通常分别是指小于20埃和大于200埃的孔隙。直径在20埃和200埃之间的孔隙被称作过渡性孔隙。”相反，作者选择了术语“大网格”用于本发明所用的新型离子交换树脂，这种树脂“既具有微网状孔结构又具有大网格孔结构。前者是指溶胀的凝胶结构中链和交联之间的距离，而后者是指并非实际化学结构的组成部分的孔隙。结构中的大网格部分实际上可能是由微孔、大孔及过渡孔组成的——取决于孔径分布。”(引文来自于Kunin等人论文的第一页)。大网格结构的吸附剂还耐磨耗(在常规大网状树脂中并不常见)。因此，在本申请中，所有提及“大网格”均指属于以上描述的具有Kunin和Hetherington定义的二重孔隙率的吸附剂类型。“凝胶”和“凝胶类”用其常规之义。
本发明的吸附剂树脂可以选自以下类型的离子交换树脂：强酸阳离子型、强碱阴离子型、弱碱阴离子型和弱酸阳离子型。具体地，在交联聚合物基质(例如丙烯酸类或苯乙烯)中呈酸形式的拥有叔胺或吡啶官能度的离子交换树脂可以用于本发明。若制成珠状，则它们尤为适合，均匀的聚合物孔隙率程度很高，显示出化学和物理稳定性以及良好的耐磨耗性能。本发明的吸附剂通常以盐酸盐形式获得，但是可以转化成酸形式。AmberliteTM吸附剂树脂是罗门哈斯公司制造的，适合使用。具体地，本发明可用的树脂的非限制性示例是AmberliteTM FPC23H、CR 1310、FPA53、FPA55、FPA53和FPA54吸附剂树脂。
适合的高分子吸附剂就结构和本发明的离子形式而言在物理性能上可能有些许差异，比如孔隙率(容积百分数)、主链密度、标称筛目大小，尤其在表面积、平均孔径和偶极矩方面更是如此。通常，本发明的吸附剂体表面积是10-2000m2/g，优选100-1000m2/g；均匀粒子系数在1到1.6之间；粒度范围200到800微米，或者在300到600微米的范围内。
在本发明的方法中，吸附剂与流动相中的进料混合物接触。进料混合物由发酵液组成。
流动相包括待纯化的有机酸稀溶液或者单纯的水作为洗脱液。在本发明中不使用无机酸。依据本发明，根据进料物流中有机酸或氨基酸中的官能团与离子交换吸附剂介质之间的相互作用挑选洗脱液。通常，当介质与对象酸或盐之间不存在离子相互作用时，将水用作洗脱液或流动相。相反，当有机酸或氨基酸中的官能团与介质之间存在离子相互作用时，应分别使用对象有机酸或氨基酸的稀溶液。
进料混合物可以在密压固定床中接触吸附剂和流动相。在本发明最简要的实施方式中，吸附剂采用单一静止床的形式，在此情况下该工艺仅仅是半连续性的。在另一个实施方式中，固定床中采用两个或更多个静止床一组的形式，与适当的阀门组接触，从而使进料混合物通过组中的一个或多个其它床。进料混合物的流动可以是向上或者向下。可以使用任意一种在静止床流体-固体接触中所采用的常规设备。
然而，逆流移动床或模拟移动床逆流系统具有比固定式吸附剂床系统更高的分离效率，因此是另一种选择。在移动床或模拟移动床工艺中，吸附操作在连续进行，这样可以连续生产提取物和提余液流，同时不断地使用进料和解吸物流。该方法的一个优选实施方式利用本领域众所周知的系统作为模拟移动床逆流流动系统。此类流动系统的操作原理和操作程序参见上述美国专利US2985589。虽然在许多吸附分离工艺中既可以采用液相操作也可以采用气相操作，但由于液相操作温度要求较低，也由于用液相操作获得的提取产物产率比用气相操作所获得的更高，本工艺优选液相操作。吸附条件包括温度、压力和pH值，温度范围在20℃到200℃，或者在20℃到25℃，或者在50℃到90℃，为确保液态，压力范围例如在大气压到约500psig(3450kPa表压)，优选50psi到100psi，而pH值低于有机酸的电离常数(pKa)。
附图详述
图1示出用处于适当离子形式的强酸阳离子分离含有约130g/L的乳酸和70g/L的盐的溶液。一部分的溶液(1ml)被注射进柱中。用水作为洗脱液。
洗脱流量是8毫升/分，得到的线速度是约3米/小时。柱的出口连接在特定检测器上。分辨率是3.39，而重叠是0.00。
图2示出用处于适当离子形式的弱碱阴离子分离含有约130g/L的乳酸和70g/L的盐的溶液。注射一部分的溶液。用浓度为0.02N的稀乳酸作为洗脱液。洗脱流量是8毫升/分，得到的线速度是约3米/小时。柱的出口连接在特定检测器上。分辨率是1.69，而重叠是0.00。
Claims (3)
1.一种从发酵液分离有机酸的方法，包括：
i)提供包含发酵产物并且还包含有机酸的进料，所述有机酸选自下组：乳酸和柠檬酸；
ii)提供离子交换吸附剂介质；以及
iii)通过用流动相经过离子交换吸附剂介质洗脱所述进料，从所述进料分离有机酸；其中
有机酸和离子交换吸附剂介质之间存在相互作用，所述流动相是所述酸的稀溶液。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述有机酸是乳酸。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述通过用流动相经过离子交换吸附剂介质洗脱所述进料，从所述进料分离有机酸的步骤是在模拟移动床中进行的。
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