CN107250093A - 由发酵培养液使用纳滤纯化回收的母液来制造琥珀酸的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通过发酵得到的琥珀酸的制造方法，所述方法在琥珀酸晶体回收方面表现出高产率，并且可获得具有低含量糖类的最终产物。

Description

由发酵培养液使用纳滤纯化回收的母液来制造琥珀酸的方法

介绍

本发明的目的是提供通过发酵得到的琥珀酸的制造方法，所述方法在琥珀酸晶体回收方面表现出高产率，并且可以获得低含量糖类的最终产物。

琥珀酸是C4-二羧酸，是三羧酸循环(TCA)的中间体。估计全球琥珀酸产量为每年16000至30000吨，年均增长10％。琥珀酸在化妆品、制药、食品工业和聚合物制备中有许多应用。在食品和饮料行业，它被用作酸调节剂或pH控制剂。作为食品添加剂和膳食补充剂的营养形式，琥珀酸是安全的，并经美国食品药品管理局(FDA)批准。作为药物中的赋形剂，它用于控制酸度，很少被用在泡腾片中。

琥珀酸及其衍生物二胺和二醇可以用作各种塑料的单体单元，例如聚酯、聚酰胺和聚酯酰胺。其中，聚(丁二酸丁二醇酯)(PBS)及其共聚物是由琥珀酸、丁二醇或其它二羧酸酯和烷基二醇合成的一系列可生物降解的聚酯。由于它们具有优异的热加工性能、平衡的机械性能和良好的可生物降解性，因而受到学术界和工业界的高度重视。PBS产品可以广泛应用于超市袋、包装膜、地膜和其他一次性用品。必须指出的是，琥珀酸的PBS使用需要高纯度的所述酸。

到目前为止，琥珀酸主要通过石油化学工艺生产，包括马来酸的氢化、1,4-丁二醇的氧化和乙二醇的羰基化。然而，这条路线被认为涉及对环境有害的过程。由可再生原料生产琥珀酸-经由所谓的通过发酵的生物生产路线-一直被重点关注，作为石油化学工艺的有吸引力的替代品。这是取代由不可再生资源生产酸的能源更密集、更不利于环境的方法的途径。

现有技术

通过发酵制造琥珀酸的方法基本上包括：从发酵培养液中结晶琥珀酸并进一步纯化/回收琥珀酸。从工业角度来看，在琥珀酸晶体回收方面达到最大产率是非常重要的。多年来，几个文件披露了用于提高产氯的一些路线。

EP 2371802公开了一种使琥珀酸结晶的方法，其中用氧化剂处理包含琥珀酸的水溶液，所述琥珀酸进一步结晶。该方法对于除去富马酸和乳清酸等杂质并降低最终琥珀酸晶体的着色非常有效，而不会对琥珀酸晶体回收方面的全球产率产生负面影响。在一个优选的实施方式中，其声称含有残留的琥珀酸和杂质并且由结晶步骤产生的母液，可以再循环到结晶步骤，从而可以提高所产生的琥珀酸晶体的产率。在一个具体的实施方式中，在再循环之前对母液硫施加臭氧处理，以便除去部分杂质并提高晶体质量。

EP 2504307公开了从发酵培养液中回收结晶形式的琥珀酸的方法。所述方法包括以下步骤：a)使发酵培养液的pH值在1至4之间，b)使琥珀酸结晶，c)在30至90℃的温度范围内溶解琥珀酸晶体，d)抛光并重结晶琥珀酸。得到琥珀酸晶体，其糖含量为1-100ppm，氮含量为1-80ppm。此外，来自步骤b)的母液可被再循环到步骤b)的进料中，所述再循环步骤被认为有利于提高琥珀酸的产率。

WO 2013/088239公开了一种从粗制琥珀酸中除去着色体(color body)的方法，所述方法包括蒸馏粗制琥珀酸并在含水接收器中收集馏出物。着色体基本保留在蒸馏塔底中，并且含水接收器中的纯化的琥珀酸基本上不含着色体。可以进行返回循环(backwardloop)，以将蒸馏残余物再循环到氨去除蒸馏步骤中。采用完全再循环的蒸馏基本上没有琥珀酸的损失，并且接近定量回收所含琥珀酸是可能的。

EP 2508501公开了从含有琥珀酸盐的发酵衍生溶液中生产二羧酸(如琥珀酸)的方法。所述方法主要包括：提供发酵得到的含琥珀酸二铵(DAS)的溶液，通过反应蒸发将所述溶液转化成含有半酸半盐琥珀酸的(MXS)的溶液，通过冷却和/或蒸发结晶使所述溶液结晶，通过生物极性膜电渗析、阴离子交换、阳离子交换或其组合将MXS转化成琥珀酸，并通过冷却和/或蒸发结晶使琥珀酸结晶。其提到了结晶母液中所含的琥珀酸可以循环到反应蒸发步骤。

WO 2013/039647公开了从羧酸如琥珀酸(SA)相应的生物法产生的铵盐(如DAS)和/或酰胺和/或酰亚胺来制造羧酸如琥珀酸(SA)的方法。该方法包括在高温下使生物法产生的衍生物进行反应，除去氨和水，使得到的羧酸结晶并将母液再循环到反应体系中。提供了结晶母液近似全再循环的方法，其得到了接近定量的生物法产生的羧酸铵到羧酸的转化。

EP 2371804公开了一种由澄清的含琥珀酸二铵发酵培养液来制造琥珀酸的方法，其包括在超大气压下在100-300℃的温度下蒸馏发酵培养液，冷却和/或蒸发包含琥珀酸的塔底物，以将所述塔底物分离成液体部分和基本上纯的琥珀酸的固体部分；并将固体部分与液体部分分离。来自固体分离步骤的母液可以被再循环到蒸馏装置中以增强琥珀酸的回收率。

CN 102942472公开了从微生物发酵培养液中提取琥珀酸的方法。首先，将琥珀酸发酵培养液澄清，然后酸化，进行减压蒸馏，并在搅拌下进一步冷却结晶。将所得过滤液浓缩，同时对残留的母液进行循环操作，以获得至少高纯度的琥珀酸晶体。

鉴于现有技术，再循环由结晶步骤产生的母液似乎是一般方法的至少一个可能的实施方式，最多作为增加所述方法的产率的一个机会。然而，产率和纯度通常是双重概念。EP 2371802中强调了如何在这两个参数之间达成折中的问题。

事实上，纯度也是琥珀酸工业生产所涉及的主要问题，特别是在通过发酵生产的情况下。这种途径使用不同的细菌：Actinobacillus succinogenes、Mannheimiasucciniciproducens和Escherichia coli，以及真菌如Aspergillus niger和Saccharomyces cerevisiae。在微生物发酵过程中，也产生许多杂质如有机酸、蛋白质等。还要特别注意原料中存在的糖类：它们通常不能被微生物完全消耗，并且会污染待生产的有机酸。当从发酵培养液中回收琥珀酸时，需要除去这些和其它杂质，以获得具有足够高纯度的琥珀酸晶体。如已经提到的，使用琥珀酸作为制备PBS的单体需要所述酸的纯度高。

许多文献已经解决了通过发酵途径生产琥珀酸(或另一种有机酸)期间消除糖类的问题。US 6284904公开了从糖类中分离羧酸的方法。该方法包括通过使羧酸的阴离子形式与阴离子交换柱结合并洗涤柱来除去杂质。通过用强无机阴离子洗涤树脂来将羧酸阴离子替换为为羧酸。然而，用于吸附到树脂、再循环等的相应操作是复杂的，并且树脂通过重复的再循环操作而降解。

JP 2011 219409公开了通过使用比表面积为1500-5000m2/g的活性炭除去来自生物质资源的各种材料，从而以高纯度生产脂肪族二羧酸的方法。然而，这种方法不能被认为是便宜的，面临的成本不仅包括活性炭，而且还包括不可回收的消耗装置。

至少EP 1686182公开了由于使用有机溶剂而提纯的方法。所述方法包括加热有机酸盐和糖类的混合物，将加热的混合物与醇接触，然后从加热的糖类中分离有机酸盐。然而，溶剂可能对环境有害，而且对人而言也是有害的。至少要消耗大量的能量去除溶剂，并且分离作为杂质的少量的糖类的成本太高。该文献还指出，为获得高纯度有机酸而进行的重结晶或洗涤降低了有机酸的回收率。同时再循环有机酸以提高其回收率存在微量的糖类逐渐积累的问题。

鉴于此，人们别无选择，只注意到，对于制造琥珀酸，优选由发酵培养液来制造琥珀酸，为了提高琥珀酸晶体的回收率并且为了同时达到低糖含量进入最终产品，迄今为止没有有效的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种解决上述技术问题的方法。所述方法包括：

a)提供琥珀酸的水溶液；

b)从水溶液中结晶琥珀酸以形成中间体晶体和母液；

c)将所述母液与所述中间体晶体分离；

d)通过纳滤处理所述母液；

e)将经处理的母液再循环至步骤b)；

f)纯化所述中间体晶体；和

g)回收琥珀酸。

申请人已经表明，与使用纳滤来处理主通量相比较，通过选择母液作为待处理的特定通量，该方法的产率得到改善。选择正确的流体不仅不是显而易见的，而且EP 1686182也教导本领域技术人员不要选择母液，因为该文件指出“再循环有机酸以提高其回收率，存在微量的糖类逐渐累积的问题”，如已经讨论的那样。

EP 2371802是唯一公开了母液可能是用于处理的令人感兴趣的流体的文件，其中相应的处理是借助臭氧进行的。然而，申请人已经在本发明中表明，所述处理在糖减少和加工产率方面不是很有效。

令人惊讶的是，申请人已经表明，通过本发明的方法不仅提高了该方法的产率，而且与不涉及纳滤方法或涉及臭氧处理的相同方法相比，杂质、特别是糖类的含量显着降低。因此，由于根据本发明的方法，现在可以实现在琥珀酸晶体回收方面表现出高产率的方法与获得其中的糖类含量大大减少的高纯度琥珀酸的方法之间的主要兴趣点的折中。

附图说明

图1是表示制造琥珀酸而不使母液再循环的方法的方案。

图2是代表其中50％的母液直接再循环来制造琥珀酸的方法的方案。

图3是表示纳滤后母液再循环来制造琥珀酸的方法的方案。

图4是表示具有或不具有纳滤的用于制造琥珀酸的方法的方案：a)具有50％母液直接再循环的基础方案，b)在结晶之前施加纳滤，c)溶解后施加纳滤，d)在回收之前在母液上施加纳滤(即根据本发明)。

发明详述

根据本发明的方法包括：

a)提供琥珀酸的水溶液；

b)从水溶液中结晶琥珀酸以形成中间体晶体和母液；

c)从母液中分离出中间体晶体；

d)通过纳滤处理母液；

e)将经处理的母液再循环至步骤b)；

f)纯化中间体晶体；和

g)回收琥珀酸。

步骤a)：提供琥珀酸的水溶液

所述方法的第一步是提供琥珀酸的水溶液。琥珀酸的水溶液基本上是指至少含有溶解形式和/或晶体形式的琥珀酸和水的组合物。所述水溶液中琥珀酸的一般浓度通常为1至90重量％。

在一个优选的实施方式中，所述水溶液是通过发酵会产生琥珀酸的微生物细胞而获得的发酵培养液。发酵培养液可以是允许微生物细胞生长和琥珀酸生产的任何合适的培养液。发酵培养液包含任何合适的碳源，如葡萄糖、果糖、半乳糖、木糖、阿拉伯糖、蔗糖、乳糖、棉子糖和甘油。

微生物细胞的发酵可以在有氧条件、厌氧条件、微-嗜氧或氧限制条件下、或这些发酵条件的组合下进行，例如WO2009/083756中所公开的。本文将厌氧发酵方法定义为如下发酵方法，其在不存在氧气的情况下运行或者其中基本上不消耗氧气，优选小于5、2.5或1mmol/L/h，并且其中有机分子既用作电子给体，也用作电子受体。

取决于微生物细胞，微生物细胞的发酵可以在1至9之间的任何合适的pH下进行。在微生物细胞是细菌细胞的情况下，发酵培养液中的pH优选为5至8，优选5.5至7.5。通常，通过加入中和剂如氢氧化钾或氢氧化钠或铵，将细菌发酵培养液的pH值保持为这些值。在微生物细胞是真菌细胞的情况下，发酵培养液中的pH可以在1和7之间，优选在2和6之间，优选在2.5和5之间。在真菌细胞的发酵期间，pH通常降低到1和4之间，优选在2和3之间。在根据本发明的方法中可以进行微生物细胞发酵的合适温度可以在5至60℃之间，优选在10至50℃之间，更优选在15至40℃之间，更优选在20至30℃之间，这取决于微生物细胞。本领域技术人员知道在本发明的方法中发酵微生物细胞的最佳温度。

在一个实施方式中，微生物细胞是来自Mannheimia属、Anaerobiospirillum属、Bacillus属或Escherichia属的细菌，或来自Saccharomyces属、Aspergillus属、Penicillium属、Pichia属、Kluyveromyces属、Yarrowia属、Candida属、Hansenula属、Humicola属、Torulaspora属、Trichosporon属、Brettanomyces属、Rhizopus属、Zygosaccharomyces属、Pachysolen属或Yamadazyma属的真菌细胞。优选地，细菌细胞属于下列菌种：Mannheimia succiniciproducens、Anaerobiospirillum succiniciproducensBacillus amylophylus、B.ruminucola和E.coli。优选地，真菌细胞属于下列菌种：Saccharomyces cervisiae、Saccharomyces uvarum、Saccharomyces bayanus、Aspergillus niger、Penicillium chrysogenum、P.symplissicum、Pichia stipidis、Kluyveromyces marxianus、K.lactis、K.thermotolerans、Yarrowia lipolytica、Candidasonorensis、C.glabrata、Hansenula polymorpha、Torulaspora delbrueckii、Brettanomyces bruxellensis、Rhizopus orizae或Zygosaccharomyces bailii。优选地，真菌细胞为酵母，优选Saccharomyces cerevisiae。

根据本发明的微生物细胞可以是任何合适的野生型生物体或遗传修饰的微生物。合适的遗传修饰的E.coli细胞公开在Sanchez等人，Metabolic Engineering，7(2005)229-239、WO 2006/031424和US 7223567中。合适的真菌细胞公开在WO 2009/065780和WO 2009/065778中。

步骤b)：从水溶液中结晶琥珀酸

根据本发明的方法的第二步是将琥珀酸从水溶液中结晶以形成中间体晶体和母液。

结晶可以通过本领域技术人员已知的任何方法来进行。优选地，所述结晶包括蒸发结晶。在这种情况下，结晶步骤包括蒸发阶段，其中通过在50至90℃之间、优选在60至80℃之间、更优选在65至80℃之间的温度下蒸发水来浓缩水溶液；和结晶阶段，其中使浓缩的水溶液达到1至25℃的温度，从而发生结晶。通过这样做，由于冷却在水溶液中形成琥珀酸晶体。

在一个优选的实施方式中，结晶包括通过本领域已知的任何合适的方法使水溶液的pH达到1至4、优选1至3、优选1至2。将水溶液达到优选的pH值可以通过使水溶液进行水解双极电渗析和/或通过使用阳离子交换树脂来酸化或通过在所述溶液中直接加入强酸来进行。

优选地，使水溶液达到优选的pH值可以通过使含有琥珀酸的水溶液通过H⁺形式的阳离子交换树脂来进行。阳离子交换树脂步骤是本领域技术人员公知的，并且包括使树脂中的H⁺与溶液的阳离子交换。因此，水溶液的pH降低，琥珀酸在结晶之前以其离解形式获得。

步骤c)：从母液中分离中间体晶体

根据本发明的方法的第三步是从母液中分离中间体晶体。

通常通过过滤或离心，优选通过离心，将步骤c)中获得的中间体晶体从母液中分离。分离后，获得两条主要的流：

-含有中间体晶体的湿饼；和

-来自分离步骤的含有液相的母液。

步骤d)：处理母液

根据本发明的方法的第四步是通过纳滤来处理含有杂质和残留量的琥珀酸的母液。

纳滤可以用通常截止点在10至1000Da、优选100至500Da、更优选100至300Da的膜来进行。

可以使用几种纳滤膜，例如来自的DL2540或来自的NF270-2540。优选的膜是由制造的DL2540，因为它表现出琥珀酸回收率(影响工艺效率、杂质的保留、影响最终产品质量)和渗透通量(影响处理成本)之间的良好折中。

纳滤的操作条件通常如下所示：

-母液的温度升高至10-80℃，优选30-60℃，更优选30-40℃，

-母液溶液的pH不变，介于1和2之间，

-跨膜压力为1至20巴，优选5至20巴，更优选10巴。

纳滤可以有利地包含浓缩阶段和渗滤阶段。在浓缩阶段期间，糖、氮和颜料被膜保留。一些二-三价离子也被保留，而大多数琥珀酸通过膜。因为通量作为质量浓度系数的函数而不断减少，所以目标质量浓度系数(MCF)为1至5，优选2至3，以在后续渗滤阶段限制膜表面和水分消耗。

当达到目标质量浓度系数时，通过用去离子水洗涤渗余物来进行渗滤阶段，以便回收保留在渗余物中的琥珀酸。渗滤相优选以连续模式进行，保持罐中的水平和质量浓度系数恒定。所述去离子水的温度等于在浓缩阶段的工作温度，以避免温度冲击并改善渗滤通量。这可以使在琥珀酸回收期间的水消耗最小化。渗滤速率在0.2至2kg水/kg初始母液(进料)之间，优选0.5至1.5kg水/kg初始母液。

经处理的母液

在一个优选的实施方式中，步骤d)包括在纳滤之前通过微滤处理母液，以除去任何固体和胶体。纳滤前的微滤防止了纳米过滤膜的损伤，并限制了纳滤膜的结垢。微滤膜的典型截止点为150kDa至0.8μm，优选为0.1μm左右，例如由制造的Kerasep BW。微滤膜可以是有机或矿物质；优选用矿物(陶瓷)膜进行微滤，其更坚固。

微滤是本领域技术人员公知的。施加于母液流，微滤操作条件可以如下所示：

-母液的温度升高至10-80℃，优选40-80℃，更优选40-50℃，

-母液溶液的pH不变，介于1和2之间，

-跨膜压力在0.5至5巴之间，优选在0.5巴和2巴之间，

-目标质量浓度系数为1至30，优选10至25，并且任选地随后进行渗滤步骤以优化琥珀酸的回收。

步骤e)：将母液再循环至结晶步骤b)

根据本发明的方法的第五步是将经处理的母液再循环到上述使琥珀酸结晶的步骤b)中。

当通过蒸发结晶进行琥珀酸水溶液的结晶时，在蒸发阶段之前，通常将经处理的母液加入到水溶液中。

步骤f)：纯化中间体晶体

本发明方法的第六步是纯化中间体晶体。

在一个优选的实施方式中，通过将中间体晶体溶解在水中并用活性炭和/或用离子交换树脂处理溶解的中间体晶体以除去其它杂质(例如离子性物种或残留的有机酸)和任何着色促进剂来纯化步骤c)中获得的中间体晶体。

溶解中间体琥珀酸晶体的步骤可以在30-90℃、优选35-90℃、更优选40-90℃的温度下进行。发现在高T℃下溶解琥珀酸晶体是有利的，因为与低于40℃的温度下溶解琥珀酸相比，较高量的琥珀酸溶解在较少量的水中。发现在根据本发明的方法中限制用水量是有利的，因而这样减少了在溶解的琥珀酸结晶之前的后续浓缩步骤期间蒸发所述额外水所需的能量和蒸汽的量。

优选地，将含有所述溶解的琥珀酸晶体的溶液通过填充有粒状活性炭的柱。该步骤是本领域技术人员熟知的，可以使用例如由制造的CPG 1240或由制造得Carbosorb 1240。这种处理将允许除去氮化合物和着色促进剂。

优选地，然后将所述经处理的溶液通过填充有H⁺形式的阳离子交换树脂的柱，以除去来自先前步骤(包括活性炭处理)的阳离子痕迹，特别是铁。所使用的树脂可以是例如制造的C150或由制造的DOW88。

优选地，然后将所述经处理的溶液通过填充有OH-形式的阴离子交换树脂的柱，以除去阴离子和最后的着色促进剂痕迹。所使用的树脂可以是由例如制造的FPA55或由制造的S4528。

步骤g)：回收琥珀酸

本发明方法的第七步是回收琥珀酸。

琥珀酸的回收通常通过重结晶进行。纯化步骤f)后获得的溶液以与步骤b)相同的方式浓缩并结晶，得到高纯度琥珀酸晶体和第二母液。通常通过过滤或离心将琥珀酸晶体从第二母液中分离出，洗涤并干燥。与上述步骤d)相似，由此获得的第二母液流有利地再循环回到步骤b)中，有利地在通过纳滤处理之后，任选地在进行微滤之前。

获得的最终产品是完美的白色，其纯度非常高。它特别适用于非常严格的应用，如PBS生产。

图1示出了没有母液再循环的基础方案。在该方法中，整个母液流被清除。因此，该流中包含的所有琥珀酸都会丢失，并将大量的污水送到废水处理厂，这对经济和环境的影响很大。另一方面，包含在母液中的杂质(包括糖)在结晶步骤中不再循环，从而可以允许中间体晶体以及最终琥珀酸达到良好质量。用于中间体晶体相应的相对下游过程回收率，作为与以下情况进行比较的参考，设定为1。

图2示出了50％的母液在不经过任何处理的情况下再循环的基础方案。送到废水处理厂的母液量除以2。这种配置被称为50％母液直接再循环的基础方案。该方法对于经济和环境方面都是有利的。结果，部分琥珀酸也通过该再循环回收，相对回收率提高了7％。另一方面，杂质(包括糖)也在结晶步骤中再循环和积累。这可能会影响中间体晶体的质量，并可能影响最终产品的质量。因此，不经处理通过母液再循环回收的琥珀酸的量受到会影响品质的杂质积累效应的限制。

图3示出了根据本发明的方法，其中母液流再循环回结晶步骤b)的蒸发阶段之前通过纳滤处理。在再循环之前对母液流施加纳滤时，待送到废水处理厂的污水是纳滤膜渗余物，这是一个小流，对成本和环境有积极的影响。根据本发明的方法允许以高产率和合理的水消耗回收琥珀酸。在经处理的母液中，母液中所含的琥珀酸的50至95重量％、优选70至95重量％、优选70至95重量％、更优选80至95重量％被回收，并再循环至步骤b)。

结果，中间体晶体的相对回收率提高了12％。此外，在纳滤过程中，当琥珀酸通过时，杂质(包括糖)被纳滤膜保留。因此，在纳滤后再循环回结晶步骤b)的母液的纯度比在50％母液直接再循环的基础方案(图2)下高得多。结果，在结晶步骤中没有杂质(包括糖)的积累，并且中间体晶体的产品质量与没有母液再循环的基础方案(图1)相当。

因此，在再循环之前通过纳滤处理母液流可以提高约12％的回收率而不影响中间体晶体的质量。此外，送到废水处理厂的废物量也减少了。

实施例1

通过发酵、生物质分离和使用来自的C150阳离子交换树脂的酸化来获得含有琥珀酸的水溶液。

如文献WO 2011/064151的实施例5.4所述获得发酵培养液。按照同一文献的实施例5.5进行酸化、结晶和母液回收。

因此得到两条主要的流：

-含有高纯度中间体琥珀酸晶体的湿饼；

-含有来自分离步骤的液相的母液。

然后将中间体琥珀酸晶体溶解在去离子水中，然后在最终重结晶之前，将所得溶液顺序通过填充有颗粒活性炭(CPG1240)和阳离子(DOW88)和阴离子(S4528)交换树脂的柱。

这个实施例与纳滤作为在下游过程中待处理的流的函数的优点有关。在图4中，没有纳滤(a)的基础方案与另外三种情况(b、c和d)进行比较，其中通过纳滤处理不同的流。下游过程中纳滤单元的位置由交叉表示：方案b)结晶前在主流上施加纳滤，情况c)溶解后在主流上施加纳滤，和d)在回收之前在母液上施加纳滤(即根据本发明)。

进行微滤步骤以在纳滤之前从溶液中除去任何固体或胶体。微滤以分批模式进行，使用制造的导向滑块(pilot skid)：将渗透物回收在分离的罐中，同时在浓缩阶段将渗余物循环回进料罐。滑块配备了来自的Kerasep BW陶瓷膜；在40℃，跨膜压力为1。初始溶液稍微混浊，得到的渗透物是完全透明的并且准备通过纳滤处理。

在制造的导向滑块中进行纳滤。在10bar和40℃下，使用来自的DL2540膜以分批模式进行纳滤：将渗透物在分离的罐中回收，同时在浓缩阶段将渗余物循环回进料罐。渗透通量在浓缩步骤中逐渐降低，当达到5kg/h/m²时，记录质量浓度系数，然后在进料罐中连续加入40℃的去离子水，同时保持水平恒定，开始渗滤阶段。在渗滤阶段监测添加的水量和糖类含量(Brix)。渗透物(渗滤物)的Brix低于0.2单位时；停止渗滤。

取决于要通过纳滤处理的流、设备尺寸(和投资)，对琥珀酸回收率和用水量的影响将会有所不同。下表显示，关于这些标准，通过纳滤处理的最佳流是母液流。实际上，与处理主流(方案b和c)的方案相比，处理次流如母液(方案d)导致中间体晶体和最终产物的琥珀酸回收率最高，因此具有最小的设备尺寸和最低耗水量。

表1

从表1可以看出，对于没有母液的基础方案(如图1所示)：没有母液再循环且不进行纳滤。回收率设为1,00，作为比较参考。

对于50％母液直接再循环的基础方案：50％(w/w)的母液流直接再循环回到之前的蒸发步骤，而没有处理。再循环回蒸发步骤的琥珀酸的相应量也是50％(w/w)。不施加纳滤，因此不需要膜，也不需要额外的用水进行渗滤。相对于没有回收的基础方案，最终产品的回收率为1.07。

面对纳滤施加于主流的方案：纳滤通量较高，主流相对较干净。然而，主流流率也很高，这导致相当大的膜表面以便处理整个流。此外，在渗滤步骤期间需要大量额外的水以提高琥珀酸的回收率。这种额外的稀释将在结晶之前的后续浓缩步骤中对蒸汽和能量消耗产生负面影响。此外，即使在这些条件下，在渗滤之后一些琥珀酸仍保留在渗余物中，这导致最终产物中琥珀酸的总回收率，略低于基础方案，约为1.06。

关于在母液上施加纳滤的方案：通过纳滤和渗滤来处理整个母液流，然后使渗透物和渗滤物再循环回到蒸发步骤。母液中的纳滤通量低于主流的纳滤通量，因为母液比主流含有更多的杂质。然而，母液流远低于主流，最终导致操作所需的最小膜表面。与以前的方案b和c相比，消耗额外的渗滤水也减少了。然后限制蒸发步骤的额外稀释和对蒸汽和能量消耗的影响。在这些条件下，渗滤步骤后的琥珀酸回收率为90％。与其中母液流没有处理的50％(w/w)琥珀酸再循环的基础方案相比，在对母液进行纳滤后，母液中所含的90％的琥珀酸可以再循环。这导致回收率提高，最终产品的总回收率为1.12。

如上所示，在母液上施加纳滤而不是在主流上施加纳滤可以最大限度地获得对琥珀酸回收率的最佳影响，同时具有最低的额外耗水量和最小的设备尺寸(最低膜表面)。

实施例2

在本实施例中，比较了两种不同的有机膜：来自的DL2540和来自的NF270-2540。

母液流按照与实施例1相同的方案生产。如实施例1，在纳滤之前进行对母液流微滤的步骤，以除去悬浮液中的任何胶体和固体。

微滤后，母液分为两部分：

-46,2kg用于DL2540有机膜的纳滤

-45,0kg用于NF270-2540有机膜的纳滤

在这两个试验中，将微滤过的母液引入到装有DL2540或NF270-2540有机膜的纳滤滑块的进料罐中并进行清洗。纳滤(包括浓缩阶段和渗滤阶段)以间歇模式进行，由于热线圈，进料罐的温度保持在40℃，操作压力为10巴。

下表2显示了在来自的DL2540膜(>96％MgSO₄排除率)上纳滤之前的母液和纳滤之后经处理的母液的分析结果。

表2

颜色测量

在来自Bio-Tek KONTRON的分光光度计UVIKON 923中，在420nm处测量溶液中的颜色。着色以ICUMSA单位(制糖统一分析方法国际委员会)表示，其计算公式如下：

ICUMSA＝(Abs 420_nm×100000)/Brix

用折射计测量的一度白利糖度(1°Brix)等于在20℃下在100g溶液中1g蔗糖。

硫和阳离子的测定

利用电感耦合的等离子体通过原子发射谱测定硫和阳离子。

阴离子的测定

阴离子如硫酸根、氯离子和磷酸跟在阴离子交换柱上分离，所述阴离子交换柱为Dionex AS11-HC型，其在36摄氏度下加热，并通过电导率检测。洗脱是逐渐增加的NaOH浓度的梯度。三氟乙酸(TFA)用作内标。

有机酸的测定

有机酸用来自Biorad HPX-87H型的柱(3串联)通过离子交换色谱分离，将其在85摄氏度下加热，并用210nm的UV检测。洗脱溶剂为5mM硫酸溶液。通过外部校准进行定量分析。丙酮酸、苹果酸、富马酸、乳酸、甲酸和乙酸用作标准品。色谱分离在等度模式下进行，注入60微升3％的琥珀酸溶液。

糖的测定

水解后按照以下方案分析糖：

向500μl样品中加入500μl 8N TFA，以在100℃下进行水解4小时。然后将样品冻干以除去TFA，将残余物溶于1500μl Milli-Q水中。如果需要，在注射到HPAEC系统之前，将溶液用Milli-Q水稀释至约10mg/l的浓度。

表2中的结果显示平均渗透通量为25kg/h/m²，并且DL2540纳滤膜能够除去80％以上的着色、超过95％的糖和大部分的氮和硫。同时达到高于90％的琥珀酸回收率。

在来自的NF270-2540膜(>97％MgSO₄排除率)上用45.0kg微滤过的母液进行相同的实验。结果如下表3所示。

表3

表3中的结果表明，与DL2540膜相比，NF270膜能够去除更多的杂质，特别是着色、糖和氮。然而，NF270膜也保留更多的琥珀酸，导致较低的琥珀酸回收率。

此外，用NF270获得的渗透通量比DL2540膜低两倍，这意味着需要两倍的表面来处理相同的流。使用NF270而不是DL2540的兴趣可能因此受到限制。

这些观察结果符合供应商表示的排除率：排除率越高，保留在膜上的琥珀酸的量越高。在DL2540和NF270膜之间，优选的膜是由制造的DL2540膜。

实施例3

实施例3示出了通过纳滤(用DL2540膜)处理母液在质量和废水量方面的额外优点。

比较三个方案：

-没有母液再循环的基础方案

-50％(w/w)母液直接再循环的基础方案

-在再循环前对母液施加纳滤

下表总结了三种不同方案的结果：

处理没有母液再循环的基础方案：如前所述，琥珀酸回收率设为1，其作为比较参考。在这种情况下，清除整个母液流：将1.3t/h母液(含有177kg干物质)送至废水处理厂。这代表用于废水处理厂的额外成本，但允许在相对较低水平的糖存在下结晶中间体晶体：19.5g/kg。

关于50％母液直接再循环的基础方案：再循环50％母液回到蒸发步骤使相对琥珀酸回收率提高到1.07，并减少送到废水处理厂的母液量：0.7t/h母液，含有135kg干物质。然而，由于在连续生产期间杂质的积累，干物质含量保持相对较高。出于同样的原因，直接再循环50％母液而没有处理的主要缺点是，在稳定状态下，中间体晶体的结晶然后在相对高水平的糖的存在下进行：36.7g/kg。这可能会对中间体晶体和最终产品的质量产生负面影响。

在再循环之前对母液进行纳滤：如实施例2所示，用DL2540膜对母液进行纳滤和渗滤允许回收90％的琥珀酸，导致相对回收率提高至1.12。与此同时，在渗滤之后，清除的是渗余物，送到废水处理厂的废水量也显着降低：0.8t/h的渗余物，含有96kg干物质。此外，由于纳滤膜保留了95％的糖，纳滤后的再循环母液还允许在与没有母液循环的基础方案相当的糖水平存在下结晶中间体晶体：18.3g/kg。在这种结构中，中间体晶体的质量与没有再循环的基础方案下的中间体晶体的质量相当。

因此，在再循环之前对母液进行纳滤可以产生相同质量的中间体晶体，回收率为12％，和降低的废水处理影响(超过40％)。

实施例4

该实施例举例说明在再循环之前对母液进行纳滤，而不是再循环之前的臭氧处理的益处。将实施例2中用DL2540膜获得的结果与臭氧处理后获得的结果进行比较。

臭氧处理按批次模式进行：

-将50L母液引入搅拌罐中，

-该罐连接到产生臭氧的CFS06OZONIA反应器，

-注入含有母液的罐中的臭氧流量固定为450g/h，

-颜色减少(ICUMSA)，直到稳定，

-当残留的着色稳定时，分析经处理的母液。

	单位	最初的母液	臭氧处理	纳滤
					颜色	ICUMSA	5665	3222	619
颜色去除	％	-	55	>80
					总的氮去除	％	-	2	>65
糖去除	％	-	6	>95
					琥珀酸纯度	％/DM	77	77	88

结果表明，臭氧处理与纳滤相比，对于除去颜色、氮和糖的效率较低。此外，臭氧处理使这些杂质氧化，但是大多数获得的产物保留在母液内。结果，用臭氧处理的母液的纯度没有变化，而纳滤膜物理保留了杂质，显著提高了母液的纯度(77-88％/DM)。

因此，纳滤比臭氧处理更有效地除去糖、氮，并提高经处理溶液的纯度。

Claims (10)

1.琥珀酸的制造方法，所述方法包括：

a)提供琥珀酸的水溶液；

b)从所述水溶液中结晶琥珀酸以形成中间体晶体和母液；

c)从所述母液中分离出所述中间体晶体；

d)通过纳滤处理所述母液；

e)将经过处理的母液再循环至步骤b)；

f)纯化所述中间体晶体；和

g)回收琥珀酸。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水溶液是发酵培养液。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述母液中所含的50-95重量％、优选70-95重量％、更优选80-95重量％的琥珀酸被回收在经处理的母液中并被再循环至步骤b)中。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，使用截止点范围为10至1000Da、优选100至500Da、更优选100至300Da的过滤膜进行纳滤。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述膜是由GE制造的DL2540。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，纳滤包括浓缩阶段和渗滤阶段。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，在所述纳滤期间，温度范围为10至80℃，优选30至50℃。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，在所述纳滤期间，跨膜压力为1至20巴，优选5至20巴。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，步骤f)包括将步骤b)中获得的所述中间体晶体溶解并用活性炭和/或离子交换树脂处理溶解的中间体晶体。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，纯化步骤g)包括纯化的中间体晶体的再结晶。