CZ277767B6

CZ277767B6 - Process for preparing d-arabinose

Info

Publication number: CZ277767B6
Application number: CS90799A
Authority: CZ
Inventors: Jaroslav Ing Csc Prchlik; Vladimir Ing Csc Jiricny; Vladimir Ing Drsc Stanek; Jindrich Ing Dostal; Vladimir Dufek; Jiri Ing Stuchlik; Magda Borovcova
Original assignee: Vyzk Ustav Farm Biochem Sp
Priority date: 1990-02-19
Filing date: 1990-02-19
Publication date: 1993-04-14
Also published as: CS79990A3; SK277871B6

Abstract

D-glucose is fermentation oxidized with strain aspergillus niger by temperature 30 to 36 degrees of Celsius and pH 5,5 to 6,5 keeped on constant value by automatic dosing of sodium hydroxide, gained 10 to 25 per cent solution of d-gluconane sodium is straight adjusted in reactor with fluid anode by density direct current over 350 A/m exp.2 on 2 to 15 per cent weight the aqueous solution of d-arabinose which is introduced into contact with exchanger of ions in H exp.+ cycle then in OH/EXP-/ cycle and next again in H/EXP+/ cycle, gained dimineralised solution is vacuum thickened on concentration 40 to 80 per cent weight and after addition of methanol in mass 0,5 to 1,5:1,0, referenced on contents of d-arabinose is crystallized d-arabinose isolated or recrystallized from methanol after repeated dimineralisation. As cation exchanger can be used styrenedivinylbenzene copolymer with strong acid sulfo-groups and as amino exchanger styrenedivinylbenzene copolymer with quaternary dimethylhydroxylethylamione exchanging groups. By regeneration of anio exchanger can be gained glyconane sodium, which is added to gluconane sodium prepared by fermentation oxidation.

Description

Oblast techniky _g Technical field _g

Vynález se týká způsobu výroby monosacharidu D-arabinózy, který je mimo jiné limitním meziproduktem při výrobě vitaminu B₂.The invention relates to monosaccharide D-arabinose, which is, inter alia, by limiting intermediate in the preparation of vitamin B _2nd

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

V současné době se D-arabinóza připravuje různými chemickými nebo elektrochemickými postupy, jejichž společný princip je založen na zkracování uhlíkatého řetězce degradativní oxidací D-glukózy nebo kyseliny glukonové nebo jejich derivátů. Podstatnou nevýhodou těchto postupů při průmyslové výrobě D-arabinózy jsou, vedle relativně nízkých výtěžků (kromě chlornanové oxidace - NSR patent 2 923 267), složité nákladné purifikační postupy na odstranění značného množství anorganických solí (např. NSR patent 2 923 268) nebo hygienicky závadných látek (např. ionty mědi Čs. AO č. 232 647 nebo cěru Čs. AO č. 225 576) z reakční směsi při izolaci D-arabinózy, která vzhledem k farmaceutickým aplikacím musí mít odpovídající čistotu.Currently, D-arabinose is prepared by various chemical or electrochemical processes whose common principle is based on shortening the carbon chain by the degradative oxidation of D-glucose or gluconic acid or derivatives thereof. A significant disadvantage of these processes in the industrial production of D-arabinose is, in addition to the relatively low yields (except hypochlorite oxidation - German Patent No. 2 923 267), complicated costly purification procedures to remove significant amounts of inorganic salts (eg German Patent No. 2 923 268) or substances (e.g., copper ions, A-AO No. 232 647 or C-A-AO No. 225 576) from the reaction mixture in the isolation of D-arabinose, which, due to pharmaceutical applications, must be of adequate purity.

S těmito problémy jsou spojeny potíže při likvidaci vzniklých odpadů, což klade další nároky na investice, suroviny a energie.These problems entail difficulties in disposing of the waste generated, which places additional demands on investment, raw materials and energy.

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Uvedené nevýhody v podstatné míře odstraňuje způsob výroby D-arabinózy podle předloženého vynálezu, kde spojením fermentační oxidace a elektrochemické degradativní oxidace s efektivním způsobem izolace hlavního produktu byl získán postup, který se vyznačuje vysokým výtěžkem, vysokou kvalitou produktu, nízkými investičními náklady a dostupnými surovinami.These drawbacks are substantially eliminated by the process for producing D-arabinose according to the present invention, wherein combining fermentation oxidation and electrochemical degradative oxidation with an efficient method of isolating the main product yields a process characterized by high yield, high product quality, low investment costs and available raw materials.

Předmětem předloženého vynálezu je způsob výroby krystalické D-arabinózy elektrochemickou degradativní oxidací D-gklukonanu sodného získaného fermentační oxidací D-glukózy, jehož podstata spočívá v tom, že se D-glukóza fermentačně oxiduje s kmenem Aspergillus niger při teplotě 30 až 36 °C a pH 5,5 až 6,5 udržovaném na konstantní hodnotě automatickým dávkováním hydroxidu sodného, získaný 10 až 25% hmot, roztok D-glukonanu sodného je přímo zpracováván v reaktoru s fluidní anodou při proudové hustotě stejnosměrného proudu nad 350 A/m² na 2 až 15% hmot, vodný roztok D-arabinózy, který se uvede do styku s měničem iontů v H⁺ cyklu, poté v OH” cyklu a dále opět v H⁺ cyklu, přičemž měniče iontů jsou zejména v kolonovém uspořádání, získaný demineralizovaný roztok se vakuově zahustí na koncentraci 40 až 80 % hmot, a po přidání metanolu v množství 0,5 až 1,5:1,0 vztaženo na obsah D-arabinózy se vykrystalovaná D-arabinóza izoluje nebo překrystaluje z metanolu po opětné demineralizaci.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a process for the production of crystalline D-arabinose by electrochemical degradative oxidation of sodium D-glucluconate obtained by fermentative oxidation of D-glucose, characterized in that D-glucose is fermentatively oxidized with Aspergillus niger at 30 to 36 ° C and pH 5.5 to 6.5 maintained constant by automatic sodium hydroxide dosing, obtained from 10 to 25 wt.%, Sodium D-gluconate solution is directly processed in a fluid anode reactor at a DC current density above 350 A / m ² to 2 to 5% by weight. 15% by weight, aqueous D-arabinose solution, which is contacted with an ion exchanger in an H ⁺ cycle, then in an OH ”cycle, and again in an H ⁺ cycle, the ion exchangers in particular in a column configuration, the demineralized solution obtained under vacuum it is concentrated to a concentration of 40 to 80% by weight, and after addition of methanol in an amount of 0.5 to 1.5: 1.0 based on the D-arabinose content, The purified D-arabinose is isolated or recrystallized from methanol after re-demineralization.

Podle vynálezu lze postupovat tak, že v prvém stupni se fermentačně oxiduje D-glukóza s kmenem Aspergillus niger při teplotě 32 až 34 °C a pH 5,5 až 5,6 udržovaném na konstantní hodnotě automatickým dávkováním hydroxidu sodného. Získá se cca 18 % hmot, vodný roztok D-glukonanu sodného (průměrný výtěžek 98% teor.), který je bez dalších úprav zpracován v následujícím stupni- přímé elektrochemické degradativní oxidaci působením stejnosměrného proudu. Jde o proces, kdy zpracovávaný objem roztoku D-glukonanu sodného je cirkulován odstředivým čerpadlem přes elektrochemický reaktor s fluidní anodou, tvořenou vrstvou elektricky vodivých částic, v ampérstatickém režimu.According to the invention, in the first step, D-glucose with an Aspergillus niger strain is fermented by fermentation at a temperature of 32-34 ° C and a pH of 5.5-5.6 maintained at a constant value by automatic dosing of sodium hydroxide. An aqueous solution of sodium D-gluconate (average yield 98% of theory) is obtained, which is processed without further treatment in the following step - direct electrochemical degradative oxidation by direct current. It is a process in which the processed volume of the sodium D-gluconate solution is circulated through a centrifugal pump through an electrochemical reactor with a fluid anode, consisting of a layer of electrically conductive particles, in an amperstatic mode.

Za optimálních reakčních podmínek je průměrný výtěžek D-arabinózy v reakčním produktu 72% teor. Izolace D-arabinózy se provádí krystalizací z metanolu po purifikaci reakčního roztoku na iontoměničích. Hlavní podíl anorganických solí (normální a kyselý uhličitan sodný) se odstraní okyselením na sloupci katexu, ze kterého je odváděn vzniklý oxid uhličitý. Zároveň dochází ke konverzi nezreagovaného D-glukonanu sodného na kyselinu glukovonou, která se separuje v anexové koloně.Under optimal reaction conditions, the average yield of D-arabinose in the reaction product is 72% of theory. Isolation of D-arabinose is accomplished by crystallization from methanol after purification of the reaction solution on ion exchangers. The major portion of inorganic salts (normal and acidic sodium carbonate) is removed by acidification on a cation exchange column from which the resulting carbon dioxide is removed. At the same time, unreacted sodium D-gluconate is converted to gluconic acid, which is separated in an anion exchange column.

Při regeneraci této kolony hydroxidem sodným, je hlavní podíl zachycené kyseliny recyklován ve formě glukonanu sodného zpět do elektrochemické oxidace. Po finální deionizaci na sloupci katexu se roztok zahustí za sníženého tlaku na koncentraci 50 až 80% hmot. D-arabinózy a následuje krystalizace z metanolu při normální či snížené teplotě. Za předpokladu produkce krystalické D-arabinózy o čistotě vyšší 99% hmot, je nutno provést rekrystalizaci této surové substance (čistota min. 95% hmot.), z metanolu po deionizaci obdobným postupem. Průměrný celkový výtěžek izolace krystalické D-arabinózy o čistotě vyšší než 99% hmot, z produktu elektrochemické oxidace D-glukonanu sodného je 84% teor. Výchozí surovinou může být rovněž krystalický D-glukonan sodný, který po rozpuštění ve vodě na koncentraci 10 až 30% hmot, je ve formě tohoto vodného roztoku elektrochemicky oxidován.When regenerating this column with sodium hydroxide, the major part of the acid retained is recycled in the form of sodium gluconate back to the electrochemical oxidation. After final deionization on a cation exchange column, the solution is concentrated under reduced pressure to a concentration of 50 to 80% by weight. D-arabinose followed by crystallization from methanol at normal or reduced temperature. Assuming the production of crystalline D-arabinose with a purity higher than 99% by weight, it is necessary to recrystallize this crude substance (purity min. 95% by weight) from methanol after deionization in a similar manner. The average total recovery yield of crystalline D-arabinose having a purity of more than 99% by weight, from the electrochemical oxidation product of sodium D-gluconate, is 84% of theory. The starting material may also be crystalline sodium D-gluconate, which upon dissolution in water to a concentration of 10 to 30% by weight, is electrochemically oxidized in the form of this aqueous solution.

Způsobem pole vynálezu se připraví D-arabinóza v uspokojivém výtěžku a vysoké kvalitě, což umožňuje její další přímé použití např. ve farmacii. Přitom způsobem podle vynálezu dochází ke zpětnému získání nezreagovaného D-glukonanu sodného, což se projevuje nejen v nižších surovinových nákladech, ale rovněž v nižším zatížení odpadů, které tak mají podstatně menší ekologický dopad oproti jiným výrobám D-arabinózy. Popsaná technologie umožňuje plnou automatizaci provozu, včetně indikace havarijních stavů, s minimálními nároky na obsluhu.According to the method of the invention, D-arabinose is prepared in satisfactory yield and high quality, which allows its further direct use eg in pharmacy. In the process according to the invention, unreacted sodium D-gluconate is recovered, which results not only in lower raw material costs but also in a lower waste load, which thus has a considerably lower environmental impact compared to other D-arabinose production. The described technology enables full automation of operation, including the indication of emergency conditions, with minimum demands on operation.

Příklady provedení vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Příklad 1Example 1

Do laboratorního diskontinuálního míchaného izotermního fermentoru se předloží fermentační půda o složení:The fermentation broth with the following composition is placed in a laboratory batch isothermal stirred fermenter:

990 g D-glukóza g kukuřičný extrakt ml sojový olej990 g D-glucose g corn extract ml soybean oil

525 .ml voda pitná a provede se 1 hod. sterilizace při 120 °C. Po ochlazení substrátu na 36 ’C se přidá 725 ml narostlého inokula (kmen Aspergillus niger, kultivace inokulační půdy obdobného složení jako fermentační po dobu 8 až 9 hod. při 36 ”C za intenzivního třepání) a začne probíhat vlastní fermentace za následujících reakčních podmínek: teplota 36 °C, míchání lopatkovou turbínou 600 ot/min., vzdušnění přes sterilní vatový filtr průtokem 4 000 ml/min., doba fermentace 22,5 hod.525 ml of drinking water and sterilized at 120 ° C for 1 hour. After cooling the substrate to 36 ° C, 725 ml of grown inoculum (Aspergillus niger strain, cultivation of inoculum broth of similar composition to fermentation for 8 to 9 hours at 36 ° C with vigorous shaking) is added and the actual fermentation proceeds under the following reaction conditions: temperature 36 ° C, stirring by a turbine 600 rpm, aeration through a sterile cotton filter at a flow rate of 4000 ml / min, fermentation time 22.5 h.

iand

V průběhu fermentace se udržuje konstantní hodnota pH reakčního roztoku (6,0) automatickým dávkováním 10 M roztoku ¹¹ hydroxidu sodného, jehož spotřeba je 600 ml. Po filtraci na křemelině se získá 1 305 g D-glukonanu sodného ve formě vodného roztoku o koncentraci 16,7 % (w/v), který je přímo použit v dalším stupni (výtěžek 98,4 % teor.).During the fermentation, the pH of the reaction solution (6.0) is kept constant by the automatic addition of a 10 M solution of sodium hydroxide ¹¹ , the consumption of which is 600 ml. After filtration on diatomaceous earth, 1 305 g of sodium D-gluconate is obtained in the form of an aqueous solution having a concentration of 16.7% (w / v), which is used directly in the next step (yield 98.4% of theory).

Zásobník elektrochemického reaktoru s fluidní anodou se naplní 7 800 ml roztoku D-glukonanu sodného ve formě vodného roztoku a po ustanovení rovnoměrné fluidace částic grafitové anody se nastaví stejnosměrný proud na hodnotu 45 A. Tomu odpovídá napětí 12,9V na svorkách reaktoru. Teplota roztoku je udržována na konstantní hodnotě 40 °C, doba reakce je 10,5 hod. Získá se reakční roztok o objemu 7570 ml obsahující vedle 644 g D-arabinózy 365 g nezreagovaného D-glukonanu sodného, 316 g kyselého uhličitanu sodného, 47 g uhličitanu sodného a 9 g ostatních redukujících látek (výtěžek 71,7 % teor.).The fluid anode electrochemical reactor reservoir is charged with 7,800 ml of sodium D-gluconate solution as an aqueous solution and, after establishing uniform fluidization of the graphite anode particles, the DC current is set to 45 A. This corresponds to a voltage of 12.9V at the reactor terminals. The temperature of the solution is kept constant at 40 ° C, the reaction time is 10.5 hours. A 7570 ml reaction solution is obtained containing, besides 644 g of D-arabinose, 365 g of unreacted sodium D-gluconate, 316 g of sodium bicarbonate, 47 g. sodium carbonate and 9 g of other reducing substances (yield 71.7% of theory).

Reakční roztok z elektrochemické oxidace o objemu 7 570 ml je smíchán s 14 g aktivního uhlí a poté zfiltrován.’ Čirý roztok D-arabinózy je dávkován čerpadlem do spodní části katexové kolony deionizační stanice (náplň 5 600 ml Wofatitu KPS v H⁺ formě). Roztok purifikovaný od sodných iontů a uhličitanů je veden přepadem do anexové kolony (náplň 4 250 ml Wofatitu SBK v 0H~ formě), kde jsou zachyceny glukonové anionty. Následuje závěrečná deionizace v malé katexové koloně (náplň 1 400 ml Wofatitu KPS v H⁺ formě). Rychlost průtoku reakčního roztoku 10 1/hod., vstupní hodnota pH 8,0: výstupní 4,5. Celá deionizační stanice se následovně promyje 40 1 deminerali.zované vody ve stejném směru, jako byl veden purifikovaný roztok. Spojené roztoky jsou vakuově (13,3 kPa) zahuštěny na koncentraci 78 % hmot, sušiny a teplý sirup se v krystalizační nádobě zředí 570 ml metanolu.The 7 570 ml electrochemical oxidation reaction solution is mixed with 14 g of activated carbon and then filtered. The clear D-arabinose solution is fed through the pump to the bottom of the cation exchange column of the deionization station (5,600 ml Wofatit KPS in H ⁺ form). The solution purified from sodium ions and carbonates is passed through an overflow to an anion exchange column (4250 ml of Wofatit SBK in OH form), where the gluconic anions are collected. The final deionization in a small cation exchange column (1 400 ml of Wofatit KPS in H ⁺ form) follows. Reaction solution flow rate 10 L / h, pH inlet pH 8.0: outlet 4.5. The entire deionization station is then washed with 40 L of demineralized water in the same direction as the purified solution. The combined solutions are concentrated to 78% by weight in vacuo (13.3 kPa), the dry matter and the warm syrup are diluted in 570 mL of methanol in a crystallization vessel.

Za občasného míchání při teplotě 20 °C krystaluje D-arabinóza po dobu 12 hod. Izolace I. frakce surové krystalické D-arabinózy (518 g, čistota 96 % hmot.) se provádí filtrací na skleněné fritě G 2. Po promytí krystalů 2 x 70 ml metanolu (teplota 5 °C) se matečný roztok zahustí na vakuové odparce (na obsah sušiny 70 až 80 % hmot.) a po naředění 70 ml metanolu probíhá krystalizace za výše uvedených podmínek. Výtěžek krystalické D-arabinózy z II. frakce je 60 g (čistota 98 % hmot.), celkový výtěžek z obou frakcí činí 578 g (t.j. 89,7 % původního množství).With occasional stirring at 20 ° C, D-arabinose crystallizes for 12 hours. Isolation of the first fraction of crude crystalline D-arabinose (518 g, purity 96% by weight) is carried out by filtration on a G 2 glass frit. 70 ml of methanol (temperature 5 ° C) is concentrated by evaporation in a vacuum evaporator (to a dry matter content of 70 to 80% by weight) and after dilution with 70 ml of methanol the crystallization proceeds under the above conditions. Yield of crystalline D-arabinose from II. the fraction is 60 g (purity 98% by weight), the total yield of both fractions being 578 g (i.e. 89.7% of the original amount).

V případě přípravy vysoce čisté D-arabinózy se surová substance zbavená metanolu rozpustí v 600 ml demineralizované vody a k roztoku se přidá 5 g aktivního uhlí. Směs se vyčeří filtrací a čirý bezbarvý filtrát se deionizuje na sloupci katexu Wofatit KPS v cyklu H⁺ (30 ml). K vytékajícímu eluátu po promytí ionexu 180 ml vody se po částech přidá takový objem silně bázického anexu (Wofatit SBK v OH formě), aby pH roztoku dosáhlo konstantní hodnoty 6,1. Deionizovaný roztok D-arabinózy se vakuově zahustí na sirup s obsahem sušiny 79 % hmot, a provede se dvoustupňová krystalizace za výše uvedených podmínek s tím, že veškeré operace se provádí s metanolem p.a.. Po vysušení ve vakuové sušárně (50 °C, 1,3 kPa) se celkem získá 538 g krystalické D-arabinózy o čistotě vyšší než 99 % hmot.In the case of the preparation of highly pure D-arabinose, the methanol-free crude substance is dissolved in 600 ml of demineralized water and 5 g of activated carbon are added to the solution. The mixture was clarified by filtration and the clear colorless filtrate was deionized on a Wofatit KPS cation exchange column in a H ⁺ cycle (30 mL). The volume of the strongly basic anion exchange resin (Wofatit SBK in OH form) was added in portions to the effluent eluate after washing the ion exchange resin with 180 ml of water so that the pH of the solution reached a constant value of 6.1. The deionized D-arabinose solution is concentrated in vacuo to a syrup with a dry matter content of 79% by weight, and a two-stage crystallization is performed under the above conditions, with all operations carried out with methanol pa. After drying in a vacuum oven (50 ° C, 1.3 kPa), a total of 538 g of crystalline D-arabinose having a purity of more than 99% by weight is obtained.

(t.j. 83,5 % původně přítomného množství).(i.e., 83.5% of the amount initially present).

Příklad 2Example 2

Příprava je provedena stejným způsobem jako v příkladu 1 s tím, že při regeneraci anexu je získána zachycená kyselina D-glukonová ve formě D-glukonanu sodného, který je recyklován do elektrochemické oxidace.The preparation is carried out in the same manner as in Example 1 except that the anion exchanger regenerates the entrapped D-gluconate in the form of sodium D-gluconate, which is recycled to electrochemical oxidation.

Na sloupec Wofratitu SBK je dávkován regenerační roztok hydroxidu sodného (koncentrace 4 % hmot.) rychlostí 30 1/hod. Do zásobníku je jímán eluát obsahující D-glukonan sodný, pokud hodnota pH eluátu nepřesáhne 9,0. Roztok se vakuově odpaří na sirup o obsahu sušiny 74,9 % hmot, a po přidání metanolu velmi rychle krystaluje D-glukonan sodný (273,7 g), který po rozpuštění ve vodě na koncentraci 18 % (w/v) je využit pro elektrochemickou oxidaci. Tím se zvýší množství získané D-arabinózy' s čistotou vyšší 99 % hmot, o 111 g, t.j. o 20,6 % rel.A regeneration solution of sodium hydroxide (concentration 4% by weight) is fed to a column of Wofratit SBK at a rate of 30 l / h. An eluate containing sodium D-gluconate is collected into the reservoir if the pH of the eluate does not exceed 9.0. The solution is vacuum evaporated to a syrup with a dry matter content of 74.9% by weight, and upon addition of methanol, sodium D-gluconate (273.7 g) crystallizes very quickly, which, when dissolved in water to 18% (w / v), is used for electrochemical oxidation. This increases the amount of D-arabinose obtained with a purity higher by 99% by weight, by 111 g, i.e. by 20.6% rel.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Monosacharid D-arabinóza vyrobený způsobem podle vynálezu je důležitým meziproduktem při výrobě vitaminu B₂ či při jiných chemických syntézách a farmaceutických aplikacích.Monosaccharide D-arabinose by this invention is an important intermediate in the production of vitamin B ₂ or in other chemical syntheses and pharmaceutical applications.

Claims

PATENT CLAIMS

Process for the production of crystalline D-arabinose by electrochemical degradative oxidation of sodium D-gluconate obtained by fermentative oxidation of D-glucose, characterized in that D-glucose is fermentatively oxidized with an Aspergillus niger strain at a temperature

30 to 36 ° C and pH 5.5 to 6.5 kept constant by automatic sodium hydroxide dosing, the obtained 10 to 25% sodium D-gluconate solution is directly processed in a fluid anode reactor at a DC current density above 350 A / m ² to 2 to 15 wt.%, an aqueous solution of D-arabinose, which is contacted with an ion exchanger in an H ⁺ cycle, then in an OH ^- cycle and again in an H ⁺ cycle, the ion exchangers being in particular a column configuration, the obtained demineralized solution is concentrated in vacuo to a concentration of 40 to 80% by weight, and after addition of methanol in an amount of 0.5 to 1.5: 1.0 based on the D-arabinose content, the crystallized D-arabinose is isolated or recrystallized from methanol after re-demineralization .

2. A process according to claim 1, wherein the cation exchanger is a styrendivinylbenzene copolymer with strongly acidic sulfo groups and the anion exchanger is a styrendivinylbenzene copolymer with quaternary dimethylhydroxyethylammonium exchange groups.

3. A process according to claim 1, wherein sodium gluconate from anion exchange regeneration is added to the sodium gluconate obtained by fermentation oxidation.