DD247022A1 - Verfahren zur gewinnung von aminosaeure-hydrochlorid-loesungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Aminosaeure-Hydrochlorid-Loesungen basischer Aminosaeuren wie Lysin aus Fermentationsloesungen mittels Ionenaustausch fuer den Einsatz in der technischen Mikrobiologie. Das Ziel der Erfindung ist die Senkung der Lysinverluste, besonders bei hohen Konzentrationen, in der Fermentationsloesung durch Nutzung der Vorteile der H-Form eines stark sauren Kationsaustauschers, in dem die sich daraus ergebenden Nachteile durch den Umladungsprozess fuer die zusaetzliche Abwasserlast vermieden werden. Die Erfindung beinhaltet die Aufgabe, eine Verringerung der Abasserlast durch die zweifache Nutzung der eingesetzten Salzsaeure fuer die Ueberfuehrung des stark sauren Kationenaustauschers in die H-Form und die Ueberfuehrung der Aminosaeure in das Hydrochlorid zu erreichen. Die Aufgabe wird dadurch geloest, dass im alkalischen Eluat nach der Ammoniakabtreibung beim Ueberleiten ueber einen schwach basischen Anionenaustauscher in der Chloridform durch einfache Gleichgewichtsbildung das Hydrochlorid der Aminosaeure eingestellt wird. Bei der anschliessenden Regenerierung mit verduennter Salzsaeure wird der ammoniumchloridhaltige Ablauf des stark sauren Kationenaustauschers zur Ueberfuehrung des schwach basischen Anionenaustauschers in die Chloridform eingesetzt.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung der Hydrochloride von Aminosäuren aus Fermentationslösungen und Hydrolysaten für den Einsatz in der Futtermittelindustrie und zur Herstellung von Reinsubstanzen mittels Ionenaustauschern.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Aminosäuren spielen eine wichtige Rolle in der Futtermittel-Industrie, der Nahrungsmittelindustrie und der Pharmazie.

So werden z. B. zur Anreicherung von Futtermitteln große Mengen L-Methionin und L-Lysin eingesetzt. Natriumglutamat dient als Geschmacks- und Aromaverstärker zur Verfeinerung von Fleischspeisen und Suppen. Schließlich werden L-Aminosäuregemische zur Herstellung von Infusionslösungen benötigt.

Das Hauptinteresse richtet sich auf die Gewinnung folgender essentieller Aminosäuren, die vom menschlichen und tierischen Organismus nicht selbst aufgebaut werden können:

L-Isoleucin, L-Leucin, L-Methionin, L-Phenylalanin, L-Lysin, L-Threonin, L-Tryptophan und L-Valin sowie die semiessentiellen Aminosäuren L-Arginin und L-Histidin.

Für die Herstellung von Aminosäuren bestehen im technischen Maßstab zwei Wege:

1. Mikrobiologische Synthese

2. Hydrolyse natürlicher Proteine

In beiden Fällen erhält man Aminosäurelösungen, die neben dem Zielprodukt noch eine Reihe unerwünschter Substanzen enthalten. Aus diesen Lösungen muß die Aminosäure in möglichst reiner Form gewonnen und in ein kristallines Endprodukt, in den meisten Fällen in das entsprechende Hydrochlorid, überführt werden.

In der DE-PS 240Ί 519 wird ein Verfahren zur Gewinnung von L-Lysin als Futterkonzentrat oder als kristallines Lysin-Monohydrochlorid beschrieben.

In der US-PS 390764 wird ein Verfahren zur Herstellung wie L-Lysin, L-Valin, L-Leuzin und L-Arginin durch Fermentation auf der Basis Methanol beschrieben.

Ebenso werden in der DD-PS 143269 durch Fermentation auf der Basis von Hexose- und Pentosemonosacchariden aus einer Perkolationshydrolyse von pflanzlichen Rohstoffen mit verdünnter Schwefelsäure verschiedene Aminosäuren, u.a. Lysin, hergestellt.

In der DE-PS 3326633 wird ein Verfahren zur Gewinnung bestimmter Aminosäurefraktionen und deren Verwendung zur Gewinnung einzelner Aminosäuren durch Säurehydrolyse aus Proteinen unter Verwendung stark saurer Kationenaustauscher undAmmoniakalsElutionsmittel beschrieben. Daraus erhält man Fraktionen mit den basischen Aminosäuren Lysin,Arginin und Histidin, die über verschieden gepufferte lonenaustauschermaterialien weiter aufgetrennt werden.

Analoge Verfahren enthält die DE-PS 2116264 und die GB-PS 612077, in der Gewinnung einer Histidin und ein Lysin und Arginin enthaltenden Fraktion beschrieben ist.

Beim heutigen Stand der Technik werden dazu dieaminosäurehaltigen Lösungen nach mechanischer Reinigung — z.B. zur Abtrennung der Biomasse—gewöhnlich über stark sau/e Kationenaustauscher geleitet. In der DE-PS 107404äsind dabei für die Aminosäure L-Lysin sowohl die Η-Form als auch die NH₄-Form eines stark sauren Kationenaustauschers geeignet, von dem adsobierten L-Lysin mit einer wäßrigen Ammoniaklösung eluiert wird.

In einer weiteren DE-PS 2015331 wird eine lysinhaltige Kulturlösung auf einen pH-Wert von'2,5 eingestellt und die angesäuerte Lösung über einen stark sauren Kationenaustauscher in der Η-Form geleitet, das adsorbierte L-Lysin mit einer wäßrigen Ammoniaklösung eluiert und der Kationenaustauscher anschließend wieder mit verdünnter Säure in dieH-Form überführt. Nach dem Eindampfen des Eluates wird der pH-Wert mit Ammoniak auf 10,5 eingestellt, diese.Lösung über einen stark basischen Anionenaustauscher in der OH-Form geleitet, von dem aus das adsorbierte Lysin mit zweinormaler wäßriger Essigsäure eluiert und anschließend das Eluat zur Trockne eingedampft wird.

Bei einer anderen Verfahrensweise, wie sie z. B. in der DE-PS 2034406 und der DE-PS 3005406 beschrieben ist, wird die NH₄ -Form des stark sauren Kationenaustauschers eingesetzt und ebenfalls mit einer wäßrigen Ammoniaklösung Elution und Regenerierung gleichzeitig durchgeführt

Durch vor- und nachgeschaltete Kationen- oder Anionenaustauscher können weitere störende Begleitstoffe entfernt werden.

So wird in der DE-PS 1041896 das erhaltene salzsaure Eluat über einen schwach basischen Anionenaustauscher in der Basen-Form zur Entfernung anorganischer Ionen geleitet. Die ammoniakalischen Eluate werden eingedampft, der Ammoniak abgetrieben, dem entstehenden Aminosäurekonzentrat Salzsäure zugeführt und ein bestimmter pH-Wert für die anschließende

Kristallisation eingestellt.

Das so erhaltene kristalline Aminosäure-Monohydrochlorid wird durch Urnkristallisation gereinigt bzw. in die wasserfreie Form überführt. Das besondere Problem dieser Verfahrensstufe im technischen Maßstab besteht in der korrekten Dosierung der für die Hydrochloridbildung erforderlichen Salzsäuremenge, da eine kleine Menge konzentrierter Salzsäure, die mit den vorhandenen Aminosäuren stöchiemetrisch reagieren muß, homogen zu verteilen ist und gleichzeitig ein bestimmter pH-Wert eingestellt werden muß.

So wird die Einstellung des für die Kristallisation von Lysin-Monohydrochlorid notwendigen Menge Salzsäure in der DE-PS 2034406 über das Einstellen eines pH-Wertes von 5 bis 6 erreicht, dagegen in der DE-PS 1296641 mit konzentrierter Salzsäure ein pH-Wert von 2 eingestellt.

In der SU-PS 206492 wird mit zweinormaler Salzsäure ein pH-Wert von 5 bis 6, in der SU-PS 378411 ebenfalls mit Salzsäure auf einen pH-Wert von 4,9 und in der SU-PS 214540 auf den pH-Wert 4,2 bis 4,5 eingestellt.

In der SU-PS 279621 wird über Zugabe von pulverförmigem Ammoniumchlorid in einem bestimmten Mengenverhältnis das

Lysin in Lysin-Monohydrochlorid überführt. '

Als gemeinsame Merkmale dieser dargestellten Verfahren geben folgende Stufen den Stand der Technik wieder:

Die Verwendungι stark saurer Kationenaustauscher in Η-Form oder Nl-U-Fo rm zur Adsorbierung der Aminosäuren, die Elution der Aminosäuren mit verdünnter wäßriger Ammoniaklösung, das Abtreiben des Ammoniaks beim Konzentrieren der ammoniakalischen Elutionslösung, der Zusatz von Salzsäure zum Konzentrat und Kristallisation des Hydrochlorids. Bei Einsatz , des Kationenaustauschers in der Η-Form muß mit verdünnter Salzsäure oder Schwefelsäure im Anschluß an die Elution die Überführung in die Η-Form erfolgen. Die dabei notwenidige große Säureüberschußmenge — in der Technik benötigt man etwa das zwei- bis zweieinhalbfache der.theoretisch notwendigen Säuremenge — sowie das gebildete Ammpniumchlorid gelangen als Rgenerierablauf in das Abwasser und müssen mit Alkalizusatz neutralisiert werden. Die Nachteile der bisher bekannten Verfahren liegervim zweimaligen Einsatz von Salzsäurelösungen sowohl zur Regenerierung der Kationenaustauscher in die Η-Form als auch zur Bildung des Hydrochlorids der Aminosäuren und in einer großen Unsicherheit bei der korrekten Dosierung

derfür die Hydrochloridbildung optimalen Salzsäuremenge. *

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, dem Kristallisationsprozeß eine qualitativ gleichbleibende Lösung von Aminosäure-Hydrochlorid zuzuführen.und die Menge der Abprodukte und einzusetzenden HilfsChemikalien erheblich zu verringern.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Gewinnung einer ausreichend reinen Lösung von Aminosäure-Monohydrochlorid nach dem lonenaustauschverfahren als Voraussetzung zur Herstellung eines kristallinen Produktes, wobei die für die Hydrochloridbildung notwendige Salzsäure mehrfach genutzt werden soll.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die aus Fermentationslösungen und Proteinhydrolysaten über Ionenaustauscher gewonnenen alkalischen Lösungen der basischen Aminosäuren Lysin, Arginin, Histidin und Qrmithin sowie von Aminosäure-Decarboxylierungsprodukten mit einem pH| > 9 über einen schwach basischen Anionenaustauscher in der Chloridform geleitet und durch Gleichgewichtseinstellung die entsprechenden Hydrochloride eingestellt werden. Bei der anschließenden Regenerierung wird der stark saure Kationenaustauscher, der sich nach der ammoniakalischen Elution in der NH₄-Form befindet, mit verdünnter Salzsäure in die Η-Form überführt und der ammoniumchloridhaltige Ablauf des stark sauren Kationenaustauschers zum Regenerieren des schwach basischen Anionenaustauschers in die Chloridform eingesetzt. Im einzelnen wird dabei so vorgegangen, daß ein stark saurer Kationenaustauscher in der H-Form —wie z. B. Wofatit^(R1KPS, Hersteller Chemisches Kombinat Bitterfeld — eingesetzt wird, über den die angesäuerte biomassefreie Fermentationslösung zur Adsorbierung der Aminosäure geleitet wird

Aus der Anwendung der H-Fornrdes stark sauren Kationenaustauschers ergeben sich für den Prozeß folgende Vorteile:

1. Minderung der Abwasserlast durch Einsparung von Säure, wenn die Ansäuerung der Fermentationslösung vor dem Beladungsprozeß mit einem Teil des stark sauren Ablaufs des stark sauren Kationenaustauschers aus dem vorangehenden Beladungszyklus vorgenommen wird.

2. Verminderung der Stickstoffbelastung des Abwassers durch Adsorption des in der Fermentationslösung nicht umgesetzten Ammoniums sowie die Vermeidung der Abgabe zusätzlicher Ammoniumionen beim Adsorptionsprozeß der NH₄-Form und damit Vermeidung dieses zusätzlichen Regeneriermittelverbrauchs. .

3. Verbesserte Adsorptionsbedingungen auch bei hohen Aminosäurekonzentrationen und damit geringerer Schlupf und Verringerung der Verluste an Aminosäuren.

4. Die Möglichkeit der sicheren, meßtechnischen Erfassung des Durchbruchpunktes der Aminosäure und damit die Steuermöglichkeit der Prozesse.

Nach der Spülung der Säule wird mit einer wäßrigen Ammoniaklösung eluiert und bei der anschließenden Konzentrierung das überschüssige Elutionsmittel in einer Abtriebskolonne entfernt.

Wenn dieser Produktstrom in den gesamten technologischen Prozeß des Innenaustausches einbezogen wird, ergeben sich daraus wesentliche Vorteile.

Erfindungsgemäß wurde gefunden, daß man die so gewonnene alkalische, von Ammoniak befreite Aminosäurelösung, durch Überleiten über einen schwach basischen Anionenaustauschers, wie z. B. „Wofatit"^<RIAD41, Hersteller Chemiekombinat Bitterfeld, in der Chloridform in die für die nachfolgenden Kristallisation notwenidige Aminosäure-Monohydrochloridlösung überführen kann. Der Ablauf des schwach basischen Anionenaustauschers weist dabei einen für jede Aminosäure spezifischen und für die Kristallisation notwendigen pH-Wert auf und vermeidet die Unsicherheiten bei der Dosierung der richtigen Salzsäuremenge infolge einer einfachen Gleichgewichtseinstellung am lonenaustauschermaterial. So können die Dosierungsund Mischprobleme sowie Unsicherheiten bei der Meßtechnik vermieden werden.

Für Lysin wird so beispielsweise ein pH-Wert-Bereich zwischen 4 und 5, vorzugsweise 4,2 bis 4,5, für Arginin ein pH-Wert von 6,5 bis 7,5 eingestellt. Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in der anschließenden Regenerierung der beiden lonenaustauschermaterialien deutlich.

Am Ende eines Zyklus liegen der stark saure Kationenaustauscher in der NH₄-Form und der schwach basische Anionenaustauscher in der Basenform vor.

Die anschließende Überführung des stark sauren Kationenaustauschers in die Η-Form erfolgt mit 4 bis 15%iger, vorzugsweise 4-5%iger Salzsäure. Durch entsprechende Hintereinanderschaltung beider Säulen ist es möglich, daß das am stark sauren Kationenaustauscher gebildete Ammoniumchlorid den schwach basischen Anionenaustauscher in die Chloridform überführt. Dabei werden beide Inenarten des Regeneriermittels Salzsäure genutzt, da das freie Chlorid aus der Überführung des stark sauren Kationenaustauschers in die Η-Form für die spätere Aminosäure-Monhydrochloridlösung am schwach basischen Anionenaustauscher genutzt wird.

Durch diese Nutzung der für die Hydrochloridbildung notwendigen Säuremenge für die Regenerierung des stark sauren Kationenaustauschers in die Η-Form werden Regenerierchemikalien eingespart, die zusätzliche Abwasserlast vermindert und trotzdem die Nutzung der Vorteile der Η-Form für den Beladungsprozeß ermöglicht.

Der sich ergebende Chloridverlust resultiert dann im wesentlichen nur aus der Menge des am stark sauren Kationenaustauscher adsorbierten, aus der Fermentationslösung stammenden Ammoniumanteils, der als Überschuß für die Regenerierung des schwach basischen Anionenaustauschers zur Verfugung steht.

Aus dem alkalischen Regenerierablauf des schwach basischen Anionenaustauschers kann der Ammoniak ebenfalls über eine Abtriebssäule zurückgewonnen werden. Damit werden die Aufwendungen an frischem Ammoniak zur Elution weiter vermindert. '

Die Vorteile der beschriebenen Erfindung bestehen in der Nutzung der günstigen Η-Form des stark sauren Kationenaustauschers, einer weitgehenden Vermeidung der zusätzlichen Abwasserlast, der Beseitigung von Unsicherheiten bei der Einstellung des Hydrochloride sowie in der gleichzeitigen Nutzung der eingesetzten Salzsäure für die Einstellung des Hydrochloride und für die.Regenerierung des Kationenaustauschers in die H-Form.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung wird nachstehend an einigen Ausführungsbeispielen erläutert:

Beispiel 1

Eine Fermentationslösung friit30g · !"^Aminosäure Lysin wird mit konzentrierter Salzsäure auf einen pH-Wert von 2,5 eingestellt und anschließend zur Lysinadsorption über einen stark sauren Kationenaustauscher in der Η-Form geleitet. Nach der Spülung und Elution des stark sauren Kationenaustauschers KPS sowie Abtreibung des überschüssigen Ammoniaks aus dem Eluat liegt alkalisches Eluatkonzentrat mit 68,4g Γ¹ Lysin vor. Von dieser Lösung werden 2,51 über 1,51 Austauschervolumen des schwach basischen Anionenaustauschers AD41 in der Chloridform geleitet. Im Ablauf, dessen pH-Wert 4,5 beträgt, befinden sich danach 49g Chlorid. Aus dieser Lösung wird Lysin-Monohydrochlorid mit 97,5%iger Reinheit kristallisiert.

Anschließend wird mit 0,5 Volumenteilen Wasser gespült. Aus der inzwischen mit 5%iger Salzsäure erfolgten Überführung des stark sauren Kationenaustauschers in die Η-Form werden 1,51 7%iger Ammoniakchloridlösung zur Überführung des schwach basischen Anionenaustauschers in die Chloridform eingesetzt

Im so entstehenden alkalischen Ablauf des schwach basischen Anionenaustauschers kann kein Lysin nachgewiesen werden.

Beispie! 2

Ein aus einer salzsauren Hydrolyse vorliegendes Proteinhydrolysat wird über einen der bekannten Wege entsäuert und in einzelne Fraktionen von Aminosäuren aufgetrennt.

Aus der Fraktion der basischen Aminosäuren wird über eine weitere Auftrennung eine Fraktion mit der Aminosäure Arginin erhalten, von der 200ml mit einer Konzentration von 100g Γ¹ über eine Laborsäule eines schwach basischen Anionenaustauschers in der Chloridform geleitet werden.

Im Ablauf liegt eine Lösung mit einem pH-Wert von 6,9 mit 4,8g Chlorid vor, aus der das Argininhydrochlorid auskristallisiert

wird. ·

Beispiel 3 ·

Aus einer Lysin-Fermentationslösung wird nach Biomasseabtrennung und Ansäuerung auf einen pH-Wert von 2,5 das Lysin an einem stark sauren Kationenaustauscher in der Η-Form gebunden. Nachderammoniakalischen Elution und der Abtreibung des überschüssigen Ammoniaks liegen 20,11 ammoniakfreies Eluat mit einer Konzentration von 45g · Γ¹ Lysin vor. Diese werden über 2Ol Austauschervolumen des schwach basischen Anionenaustauschers AD41 geleitet.

Im Ablauf, dessen pH-Wert 4,2 beträgt, befinden sich danach 265,4g Chlorid.

Aus dieser Lösung wird ein Lysin-Monohydrochlorid mit 97%iger Reinheit kristallisiert.

Claims (2)

1. -1-Erfindungsanspruch:

   1. Verfahren zur Gewinnung von Aminosäure-Hydrochloridlösungen bei denen die saure, aminosäurehaltige Rohlösung mit einem pH-Wert von 1 bis 4, vorzugsweise 2, über einen stark sauren Kationenaustauscher in der Η-Form geleitet und die adsorbierte Aminosäure mit verdünnter wäßriger 0;1 bis 15%iger, vorzugsweise 7%iger, Ammoniaklösung eluiertwird, dadurch gekennzeichnet, daß im Eluat nach Abtrennung des Elutionsmittels durch Überleiten über einen schwach basischen Anionenaustauscher in der Chloridform, infolge der Gleichgewichtseinstellung an der Säule, zwischen der Aminosäure und dem Chlorid die Hydrochloridbildung erfolgt und dabei ein für die Kristallisation der jeweiligen Aminosäure erforderlicher pH-Wert eingestellt wird und die Regenerierung der Ionenaustauscher in der Weise erfolgt, daß zunächst der stark saure Kationenaustauscher mit verdünnter 4 bis 15%iger, vorzugsweise 5 bis 6%iger, Salzsäure in die Η-Form überführt und der . resultierende Ammoniumchloridhaltige Regeneratablauf zur Überführung des schwach basischen Anionenaustauschers in die Chloridforrn verwendet wird.
2. 2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die basischen Aminosäuren Lysin, Histidin, Arginin und Ornithin sowie alle anderen Aminosäuren und Aminosäuredecarboxylierungsprodukte mit einem pH| > 9 auf diese Weise in. ein .Hydrochlorid zu überführen sind.