CN105073703A - 从发酵液中纯化羧酸的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于从包含羧酸铵盐的发酵液中分离和纯化羧酸的方法和装置，所述方法包括以下的步骤，a)从所述发酵液中去除生物质和存在的任何固体，b)通过进行模拟移动床色谱(SMB)生产包含期望的羧酸的溶液和包含铵盐的附加溶液，c)超纯化来自步骤b)的所述包含期望的羧酸的溶液，d)浓缩来自步骤c)的经纯化的羧酸溶液，e)结晶来自步骤d)的经浓缩的羧酸溶液，f)浓缩来自步骤b)的所述包含铵盐的附加溶液，其特征在于，在步骤d)和f)的浓缩中，进行反渗透和蒸发浓缩的结合并且将来自步骤f)的蒸发浓缩的蒸汽进料至来自步骤d)的蒸发浓缩。

Description

从发酵液中纯化羧酸的方法

技术领域

本发明涉及从发酵液中纯化羧酸的方法，并且还涉及用于进行根据本发明的所述方法的装置。羧酸(其不能或难以通过蒸馏分离)的分离被证明是非常复杂的。

背景技术

通过各种微生物发酵含碳水化合物的基质而产生的羧酸的工业用途的决定性因素是从水发酵溶液中分离及纯化乳酸的经济可行性和效率，所述水发酵溶液除了包含羧酸或羧酸盐外，还进一步包含有机酸、其他发酵副产物、微生物和其组分以及基质的残余物例如糖。这些杂质损害产生的羧酸的后续处理。例如，乳酸被聚合成聚乳酸以生产在生物学上可降解的塑料。在这种情况下，为了获得乳酸的高聚合度必须使用非常纯的单体。这早已公知并在例如J.Dahlmann等人的BritishPolymerJournal，第23卷(1990)，第235-240页中出现。

已知例如对于琥珀酸也是同样的。生产的琥珀酸品质可以通过细分为以下的琥珀酸加以区分，即具有以质量计至少97％琥珀酸含量的工业级和具有以质量计至少99.5％含量的特别适合用于聚合(聚合级)的琥珀酸。

一些专利描述了从发酵溶液中生产琥珀酸，包括

-使用提取剂例如三丁胺、三烷基胺、烯烃、各种醇和芳香烃的提取过程，

-使用氢氧化钙和硫酸的过程，其中石膏作为副产物出现，

-使用电渗析的过程，

-热方法例如分馏或热分级色谱，

-使用CO₂的高压提取，

-膜方法例如反渗透和其他过滤过程，

其中还讨论了连接这些过程并且通过对应于在先技术的附加步骤进行增补。尤其是在DE69821951T2，DE69015233T2，DE69015019T2，DE69006555T2，DE69015019，DE19939630C2，DE60028958T2，DE102004026152A1的专利说明书中描述了这样的方法。

还已知许多涉及乳酸纯化的方法。

例如，在一些专利中教导使用蒸馏从水溶液中纯化乳酸。在EP0986532B2中利用了这样的方法。DE102007045701B3公开了使用线性正三辛胺(TOA)和蒸馏的结合提取。从该文献中已知的其他可能是电渗析或使用醇的酯化作用，之后同样地进行蒸馏然后水解形成的酯。这些方法极其高成本。蒸馏也有缺点，即一部分碳水化合物也总是被共同提取，这导致整个过程的生产量变差且使得难以分离产品。

还已知使用氢氧化钙和硫酸的过程，在上述过程中石膏作为副产物大量地出现。在这种背景下，还发现能够通过色谱方法从例如用硫酸酸化的发酵液中分离乳酸，所述发酵液除了游离的乳酸外还包含铵和硫酸根离子。举例来说，DE69815369T2描述了，尤其是从水混合液中通过在固体吸附剂上吸附进行乳酸的去除，这里优选使用固体吸附剂吸附乳酸而不是乳酸盐。特别地，根据上述文件有可能使用弱阴离子交换剂用于乳酸的分离。DE102009019248A1进一步描述了通过进行模拟移动床色谱纯化有机酸特别是乳酸的色谱方法。

WO2006/124633A1描述了通过发酵制备乳酸铵的过程。在发酵中形成乳酸的铵盐，例如通过提取可将其从发酵溶液中分离。在随后的步骤中使用弱酸或二氧化碳能够很容易地分解出铵盐。从而获取游离的乳酸，然后其例如通过蒸馏被纯化。

WO99/19290描述了乳酸发酵以及随后的过滤和提取，在这里提取可以是吸附。在该情况下，没有公开在固相吸附中相互作用的类型。在WO93/06226中公开了相似的方法，其中吸附固相具有叔氨基且由此增加了游离酸的产率。EP0135728也教导了通过具有叔氨基的吸附剂分离酶促产生的羧酸。在该情况下通过固定在柱子上的小室进行发酵。

DE102010025167A1公开了用于分离、回收和纯化琥珀酸的方法。在该情况下，在两个连续的步骤中完成生物质从发酵液中的分离。然后通过模拟移动床色谱从不含生物质的发酵液中分离二羧酸溶液，接着是超纯化和多级蒸发及结晶。该方法的缺点是由二羧酸溶液的多级蒸发引起的高能耗。

WO2011082378A2教导了从包含琥珀酸铵的发酵液中纯化琥珀酸。使用离子交换柱从发酵液中分离琥珀酸铵并产生琥珀酸。在该情况下，在提余液中获取硫酸铵并在提取液中获取琥珀酸。使提余液经受结晶，其目的是浓缩提余液。通过反渗透和/或蒸发进行提余液的浓缩即硫酸铵的浓缩。该步骤是公知的。硫酸铵的处理对于通过发酵制备琥珀酸的经济可行性是必不可少的，因为在从发酵液中琥珀酸铵至琥珀酸的转化中，获取大约1.5倍的硫酸铵量。

因此，很多过程的缺点是方法的实际实施与相当大的技术支出和能耗相关联。

发明内容

本发明的目的是提供在能量方面有利的用于从发酵液中分离和纯化羧酸的整个过程，其中能够避免其他方法的已知缺点。

根据本发明通过使用从发酵液中分离和纯化羧酸的方法达到所述目的，其中所述方法包括以下的步骤：

a.从发酵液中去除生物质和任何存在的固体，

b.通过用浓硫酸酸化不含生物质的发酵液并且使其经受模拟移动床色谱(SMB)制备包含期望的羧酸的溶液和包含铵盐的附加溶液，

c.超纯化来自方法步骤b)的所述包含期望的羧酸的溶液，

d.浓缩来自方法步骤c)的经纯化的羧酸溶液，

e.结晶来自方法步骤d)的经浓缩的羧酸溶液，

f.浓缩来自方法步骤b)的所述包含铵盐的附加溶液，

其特征在于，

在方法步骤d)和f)的浓缩中，进行反渗透和蒸发的结合并且将来自方法步骤f)的蒸发的蒸汽传递至方法步骤d)的蒸发。

铵盐的转化和回收对于通过发酵制备琥珀酸的经济可行性是必不可少的。

在所述方法的有益构造中，设计方法步骤f)使得在方法步骤d)中在正常操作下不供应新蒸汽或每吨羧酸产品供应1-10吨新蒸汽，特别优选每吨羧酸产品供应1.5-4吨新蒸汽。此处正常操作指设备加电之后的操作且暗含操作过程没有中断。

在进一步的实施方案中，在方法步骤a)中通过预涂层过滤和/或微量过滤和/或超滤从发酵液中去除生物质，而且在方法步骤a)中去除的生物质被再次回输至发酵器。在这种情况下，温度和pH对应于发酵值，因为已经发现通过增高温度以及添加酸降低pH使生物质失活加速了生物质的自溶，而且更多的溶解产品释放到发酵液中。发酵的完成和生物质的去除之间的时间必须保持尽可能的短且不超过2h且优选小于1-2h。滤液中的生物质浓度不应该超过1g/l。最终的产品品质确实受到该过程的影响。

许多微生物本身能够用于发酵，其包括细菌、酵母和真菌。发酵液也可包含来自整个过程的各种再循环液流。

来自预涂层过滤或微量过滤的滤液也被任选地进料至单级或二级超滤。此处，去除了残余的生物质成分、不溶固体和更高分子量的化合物。具有≤10kDa截留的膜被确定为产品品质和通量率之间最佳的膜。由于琥珀酸铵在水中的溶解度系数，液体介质的温度应当≥30℃。渗余物被回输到预涂层过滤或微量过滤，或者被收集并且用作产生工业级二羧酸的原始材料，而透过物被供应至进一步的处理。

二羧酸以其盐的形式存在于方法步骤a)的透过物中—例如在琥珀酸的情况下，以琥珀酸铵的形式。为了转化为羧酸，加入浓硫酸并使其混合进去，这导致溶液的pH降低到2.2和2.4之间的值。在这种情况下，硫酸铵按化学计量比形成。为了避免不希望的沉淀，该过程步骤在30℃和60℃之间，优选在30℃和40℃之间的范围内的温度下进行。该经预纯化的溶液可用于分离和纯化二羧酸。也可任选地通过在方法步骤a)之前进行第一次酸化以及在方法步骤a)之后进行第二次酸化从而在两个阶段中进行酸化。

通过模拟移动床色谱进行超滤的酸性透过物的分离。模拟移动床色谱是高效液相色谱的特别有效的变型，其中通过由阀门以无限循环方式互相连接的几个分离柱的序列实现大量的理论塔板，并且色谱的选择性得到显著的改善。阳离子交换剂和阴离子交换剂用作固定相。在施用溶液后，二羧酸结合至固定相并在反复清洗溶液中不希望的组分后从系统中洗脱出来，而且作为分离提取液被排出。去矿质水和/或蒸汽冷凝物用作洗脱剂。也可能使用来自反渗透的透过物作为洗脱剂。可以通过再循环水进一步提高整个过程的经济可行性。

可以表明的是可以在提取液中获取来自超滤的透过物中存在的超过95％的二羧酸，其中超滤的透过物和洗脱剂之间的比率在1：1.5和1：2.5之间的范围内变化，而且使用八个以无限循环方式连接的阴离子交换柱。提取液仅包含少量的硫酸铵、来自发酵液的醋酸和色素。经洗脱的提余液包含至多1g/l二羧酸以及硫酸铵和伴生的来自发酵的盐例如磷酸盐、硝酸盐和氯化物。

在进行方法步骤b)的SMB时，维持以下的条件：

-以1：1.5到1：2.5的透过物：洗脱剂比率连续加入来自方法步骤a)的过滤的透过物和洗脱剂，

-羧酸结合至SMB的固定相，其中所述固定相由阳离子交换剂和/或阴离子交换剂组成，

-相互分离地收集包含羧酸的提取液和具有≤1g/l的二羧酸含量的提余液，

-从来自方法步骤a)的过滤的透过物中回收羧酸的效率≥95％。

为了制备高纯度二羧酸(聚合级)，对来自模拟移动床色谱的提取液进行超纯化，其中膜具有100-400Da的分离粒度。可以表明的是使用200Da截留的纳滤取得良好的结果。操作该过程使得纳滤的渗余物不超过总吞吐量的10％。渗余物除了羧酸之外还包含醋酸和色素并能将其加入原始材料用于产生工业级羧酸。

由于仍然存在色素的残余物和伴生物质，根据用于发酵的原材料品质和发酵中的过程控制，对来自上游纳滤的透过物或来自SMB色谱的提取液进行附加的超纯化。在这种情况下，在下游进行通过活性炭过滤和/或离子交换的超纯化。根据杂质的化学分析，阳离子和/或阴离子交换剂可用作离子交换树脂。

在根据本发明的方法的进一步构造中，在方法步骤d)中至少一个或更多个用于反渗透的阶段与至少一个或更多个用于蒸发的方法步骤相结合。

通过结晶进行羧酸产品(工业级品质和聚合级品质)的制备。已经发现过程控制的参数对产品品质有显著的影响。

为了实现具有以质量计≥97％的羧酸含量的工业级，贯穿这些方法步骤单程进行方法步骤d)和e)是足够的。进行反渗透和蒸发直到以质量计30-50％的浓度。发现产品品质的重要参数是在结晶过程中用于溶液冷却的温度梯度。因此，应该以3–8℃/min且优选以3–5℃/min逐步进行冷却。然后通过分离从母液中分离形成的晶体，使用40℃的热水清洗并在蒸发前返回母液。分离之后干燥晶体。

为了实现具有以质量计≥99.5％含量的聚合级品质的羧酸，已经发现温度应该在从70℃到80℃的范围而且溶液必须调节到以质量计50±5％的浓度。发现溶液冷却过程中的温度梯度对于晶体的品质是重要的。因此，以1℃–5℃/h逐步实施冷却。因此以聚合级品质产生晶体，所述晶体通过分离得以分离并被干燥。母液可以再循环。分离后如果必要的话，晶体可以溶解在去矿质水和/或蒸汽冷凝物中并重复结晶和分离步骤。

在结晶之后通过分离有利地分离羧酸晶体，其中在蒸发前回输产生的母液并随后干燥晶体。

为了使过程在经济上有效，在方法步骤f)中浓缩来自方法步骤c)的铵盐。

来自方法步骤c)的各种过滤的渗余物任选地结合并充当用于制备工业级品质的羧酸的原始溶液。包装经干燥的晶体用于进一步使用。

根据本发明的方法有利地用于纯化羧酸，所述羧酸选自羟基羧酸和二羧酸，优选选自苹果酸、乙醇酸、异柠檬酸、扁桃酸、乳酸、丙醇二酸、酒石酸、柠檬酸、β-羟丁酸、甲羟戊酸、水杨酸、草酸、马来酸、琥珀酸、戊二酸、己二酸、庚二酸、辛二酸、富马酸和衣康酸。

此外本发明还包括用于进行如权利要求1中所述的方法的装置，其包括

a)一个或更多个用于从发酵液中去除生物质和存在的任何固体的过滤装置，

b)用于酸化后模拟移动床色谱(SMB)的方法步骤，其中生产出包含期望的羧酸的溶液和包含铵盐的附加溶液，

c)用于超纯化来自方法步骤b)的所述包含期望的羧酸的溶液的方法步骤，

d)用于浓缩来自方法步骤c)的经纯化的羧酸溶液的方法步骤，

e)用于结晶来自方法步骤d)的经浓缩的羧酸溶液的方法步骤，

f)用于浓缩来自方法步骤b)的所述包含铵盐的附加溶液的方法步骤，

其特征在于，

方法步骤d)和f)包括一个或更多个用于反渗透的装置与一个或更多个用于蒸发的装置的结合，且连接件就位从而将来自方法步骤f)的蒸发的蒸汽传递至方法步骤d)的蒸发。

在根据本发明的所述装置的有利构造中，在方法步骤d)中设备组件旨在产生新蒸汽，每吨羧酸产品产生1-10吨新蒸汽，且特别地旨在每吨羧酸产品产生1.5-4吨新蒸汽。

还有利的是，连接件就位从而将来自反渗透的透过物传递至方法步骤b)的模拟移动床色谱。以这种方式能够使得整个过程甚至更加经济。

具体实施方式

实施例1

根据本说明通过过滤预纯化包含琥珀酸铵的发酵液。在将铵盐转化成琥珀酸的酸式之后，通过模拟移动床色谱将溶液分离为5.7l的提取液和6.6l的提余液。在该情况下，以无限循环方式总共连接8个具有强酸性阳离子交换剂的分离柱。在2.4的透过物/洗脱剂比率下，琥珀酸的回收系数为99.9％。提取液中的硫酸盐浓度为238mg/l，提余液中的硫酸盐浓度为35.709mg/l，因此实现99.4％的硫酸盐消除。

实施例2

根据本说明通过过滤预纯化包含琥珀酸铵的发酵液。在将铵盐转化成琥珀酸的酸式之后，通过模拟移动床色谱将溶液分离为5.3l的提取液和6.1l的提余液。在该情况下，以无限循环方式总共连接8个具有强酸性阳离子交换剂的分离柱。在2.2的透过物/洗脱剂比率下，琥珀酸的回收系数为99.8％。实现97.9％的硫酸盐消除。

实施例3

通过使用200Da截留的纳滤使来自模拟移动床色谱的包含琥珀酸的提取液经受超纯化。在提取液中分析出44.8g/l的琥珀酸含量和698mg/l的硫酸盐含量。浓缩、结晶和分析经过滤的提取液。晶体具有1.031g/l的琥珀酸含量和21.9mg/l的残余硫酸盐含量以及13.8mg/l的氯化物。晶体的颜色为“白色”。

实施例4

通过使用200Da截留的纳滤使来自模拟移动床色谱的包含44.77g/l琥珀酸含量的琥珀酸和699mg/l硫酸盐的提取液经受超纯化并随后经受活性炭过滤。从超纯化产生的晶体具有1.065g/l的琥珀酸含量和35.3mg/l的残余硫酸盐以及9.5mg/l氯化物。晶体的颜色为“纯白色”。

实施例5

通过离子交换使来自模拟移动床色谱的包含琥珀酸的提取液经受超纯化。提取液具有44.8g/l的琥珀酸含量、699mg/l硫酸盐和1.88mg/l氯化物。从经超纯化的溶液产生的晶体具有967g/l的琥珀酸含量、37.6mg/l的硫酸盐和0.92mg/l氯化物。晶体的颜色为“白色”。

实施例6

使类似实施例2获取的包含5％浓度的硫酸铵的提余液经受反渗透和蒸发。反渗透之后，提余液中的硫酸铵浓度为12％。然后通过蒸发使该溶液经受进一步的浓缩至40％。经浓缩的溶液包含40％的硫酸铵含量。为了蒸发，在每吨硫酸铵中进料2.1吨蒸汽。离开蒸发单元的蒸汽进入用于浓缩包含琥珀酸的提取液的蒸发单元(每吨琥珀酸约2.1吨蒸汽)并在那里被进一步使用。通过与反渗透结合，无需向羧酸的蒸发单元进料附加的新蒸汽。

根据本发明的方法的优点：

-通过根据本发明结合反渗透和蒸发并且进一步处理来自方法步骤f)的提余液浓缩的蒸汽，能够实现显著的蒸汽节省并且因此实现能量节省，

-使得从发酵液中纯化羧酸的方法显著地比在先技术的方法更加经济。

Claims (15)

1.用于从发酵液中分离和纯化羧酸的方法，所述发酵液包含羧酸铵盐，其中所述方法包括以下的步骤，

a)从所述发酵液中去除生物质和存在的任何固体，

b)通过用浓硫酸酸化不含生物质的发酵液并且使其经受模拟移动床色谱(SMB)制备包含期望的羧酸的溶液和包含铵盐的附加溶液，

c)超纯化来自方法步骤b)的所述包含期望的羧酸的溶液，

d)浓缩来自方法步骤c)的经纯化的羧酸溶液，

e)结晶来自方法步骤d)的经浓缩的羧酸溶液，

f)浓缩来自方法步骤b)的所述包含铵盐的附加溶液，

其特征在于，

在方法步骤d)和f)的浓缩中，进行反渗透和蒸发的结合并且将来自方法步骤f)的蒸发的蒸汽传递至方法步骤d)的蒸发。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于设计方法步骤f)使得在方法步骤d)中在正常操作下不供应新蒸汽或每吨羧酸产品供应1-10吨新蒸汽，特别优选每吨羧酸产品供应1.5-4吨新蒸汽。

3.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于由反渗透产生的透过物在方法步骤b)中用作洗脱剂。

4.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于在方法步骤a)中通过预涂层过滤和/或微量过滤和/或超滤从发酵液中去除生物质并且在方法步骤a)中去除的生物质被再次回输至发酵器。

5.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于在方法步骤a)中从发酵液中去除生物质而不降低pH并且也没有热灭活。

6.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于在方法步骤a)中保持发酵的完成和生物质的去除之间的时间尽可能的短，并且该时间优选不超过2h且特别优选小于1-2h。

7.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于在方法步骤a)中滤液中的生物质浓度不高于1g/l。

8.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于用浓硫酸酸化来自方法步骤a)的过滤的透过物至2.2到2.4的pH，其中超滤的经酸化透过物的温度维持在30℃和60℃之间的范围，且优选30℃和40℃之间的范围。

9.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于在方法步骤b)中

-以1：1.5到1：2.5的透过物：洗脱剂比率连续加入来自方法步骤a)的过滤的透过物和洗脱剂，

-羧酸结合至SMB的固定相，其中所述固定相由阳离子交换剂和/或阴离子交换剂组成，

-彼此分离地收集包含羧酸的提取液和具有≤1g/l的二羧酸含量的提余液，

-从来自方法步骤a)的过滤的透过物中回收羧酸的效率≥95％。

10.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于来自方法步骤b)的SMB色谱的提取液在方法步骤c)中经受纳滤，其中膜具有100-400Da，优选200Da的截留，和/或在方法步骤c)中通过活性炭过滤和/或阳离子交换和/或阴离子交换进行超纯化。

11.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于在方法步骤d)中至少一个或更多个用于反渗透的方法步骤与至少一个或更多个用于蒸发的方法步骤相结合。

12.根据前述权利要求任一项所述的方法，其特征在于待分离和纯化的羧酸选自羟基羧酸和二羧酸，且优选选自苹果酸、乙醇酸、异柠檬酸、扁桃酸、乳酸、丙醇二酸、酒石酸、柠檬酸、β-羟丁酸、甲羟戊酸、水杨酸、草酸、马来酸、琥珀酸、戊二酸、己二酸、庚二酸、辛二酸、富马酸和衣康酸。

13.用于进行根据权利要求1所述的方法的装置，包括

a)一个或更多个用于从发酵液中去除生物质和存在的任何固体的过滤装置，

b)用于酸化后模拟移动床色谱(SMB)的方法步骤，其中生产包含期望的羧酸的溶液和包含铵盐的附加溶液，

c)用于超纯化来自方法步骤b)的所述包含期望的羧酸的溶液的方法步骤，

d)用于浓缩来自方法步骤c)的经纯化的羧酸溶液的方法步骤，

e)用于结晶来自方法步骤d)的经浓缩的羧酸溶液的方法步骤，

f)用于浓缩来自方法步骤b)的所述包含铵盐的附加溶液的方法步骤，

其特征在于，

方法步骤d)和f)包括一个或更多个用于反渗透的装置与一个或更多个用于蒸发的装置的结合，且连接件就位从而将来自方法步骤f)的蒸发的蒸汽传递至方法步骤d)的蒸发。

14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于在方法步骤d)中设备组件旨在产生新蒸汽，每吨羧酸产品产生1-10吨新蒸汽，且特别地旨在每吨羧酸产品产生1.5-4吨新蒸汽。

15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于连接件就位从而将来自反渗透的透过物传递至方法步骤b)的模拟移动床色谱。