DD285792A5 - Verfahren zur abtrennung und aufarbeitung organischer saeuren aus fermentationsmesdien - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung und Aufarbeitung organischer Saeuren aus Fermentationsmedien. Die Erfindung bezieht sich auf die Abtrennung von Carbonsaeuren aus Fermentationsmedien, sowie auf die anschlieszende Abtrennung von Nebenprodukten, wie sie in Fermentationsprozessen haeufig anzutreffen sind. Dabei werden vorzugsweise Medien aufbereitet, die aus der kontinuierlichen Fermentation mit immobilisierten Mikroorganismen hervorgehen. Die Anwendungsgebiete der Erfindung umfassen die Lebensmittelindustrie, die Pharmazie, die Medizin, sowie die chemische Industrie und Biotechnologie. Erfindungsgemaesz werden die Carbonsaeuren mittels Anionenaustauscher mit quartaeren Ammoniumgruppierungen, der durch Behandlung mit Bicarbonatloesung in die Hydrogencarbonatform ueberfuehrt wurde, aus dem Fermentationsmedium quantitativ entfernt. Durch den Austausch gegen die Hydrogencarbonationen erfolgt keine unmittelbare Beaufschlagung des Fermentationsmediums mit Fremdionen, so dasz das aufbereitete Fermentationsmedium, wenn notwendig, in den Reaktor zurueckgefuehrt werden kann. Durch die Waesche des Austauscherharzes mit alkanolischem Loesungsmittel koennen die ungeladenen adsorptiv auf dem Austauscher haftenden Verunreinigungen entfernt werden. Die Elution der organischen Saeuren, sowie die Konditionierung des Austauscherharzes fuer den erneuten Einsatz wird durch Behandlung mit steriler Bicarbonatloesung erreicht. Die Wandlung der Salze der Carbonsaeuren in die freie Saeureform wird durch die Behandlung der Loesung mit Kationenaustauscher in der Protonenform vorgenommen.{Carbonsaeuregemische; Citronensaeure; Anionenaustauscher; Kationenaustauscher; Abtrennung; Auftrennung; Fermentation}

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft sin Verfahren zur Abtrennung organischer Säuren aus Fermentationsmedien, die in kontinuierlichen Fermentationsprozessen erzeugt werden, sowie die weitere Aufarbeitung und Trennung von Säuregemischen in ihre Bestandteile auf einfache Weise.

Das Verfahren kann in der Lebensmittelindustrie, der Pharmazie und Medizin sowie in der chemischen Industrie und Biotechnologie Anwendung finden.

Stand der Technik Bei den bisher angewendeten Verfahren zur Fermentation organischer Säuren handelt es sich meist um batch-Verfahren, die

eine sofortige Abtrennung der organischen Säuren während der Formentation nicht erforderlich machen.

So ist in der Patentschrift DD 232723 der Jon., A. Benckiser GmbH ein Verfahren beschrieben, das die bisher übliche Form dor Abtrennung organischer Säuren nach Abschluß des Fermentationsprozesses durch Kalziumsalzfällung aus dem Fermentationsmedium mit einer Vielzahl an Schritten kombiniert (Membranfiltration, Umkehrosmose, Adsorption an Adsorberharz, Kalziumsalzfällung, Kalziumsulfatumsetzung und Abtrennung der Kat- und Anionen durch Ionenaustauscher). Dabei werden ausschließlich Medien aus batch-Fermentationen zur Aufarbeitung genutzt. Von der Hoechst AG wurde in der Patentschrift DE 3328093 ein Verfahren vorgestellt, mit dem mittels Polymerisaten, die tertiäre Aminogruppen tragen, die freien Säuren direkt aus einem kontinuierlich geführtem Prozeß entfernt werden. Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, daß der pH-Wert im Fermentationsraum nur durch vollständige Abtrennung der Säuren aus dem Medium,

oder durnh ständige Korrektur mit Hilfe entsprechender alkalischer Lösungen konstant gehalten werden kann.

Eine vollständige Bindung der Säuren ist jedoch wiihrend dor gesamten Beladungsphase am Austauscherharz nicht gegeben,

wodurch eine Analyse der Qualität und Quantität dec gebundenen organischen Säuren während des Ferrnentationsverlaufes erschwert wird.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur kontinuierliche.-) Abtrennung organischer Säuren auf einfache, umweltfreundliche und ökonomischer Weise, das bei kontinuierlichen FermenKtionsprozessen angewendet werden kann und zugleich eine Ermittlung der Qualität des Fermontationsprozesses <i ^stattet.

Darlogung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, organische Säuren quantitativ und kontinuierlich aus dem Fermentationsmedium zu entfernen und das säurefreie Medium erneut zur Fermentation einzusetzen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch den Einsatz von Anionenaustauschern mit quartären Ammoniumgruppen gelöst, die

durch die Behandlung mit Natronlauge, steriler Natriumcarbonatlösung und steriler Natriumhydrogencarbonatlösung keimfrei gemacht und zugleich in die stabile Hydrcgencarbonatform überführt werden.

Bei der kontinuierlichen Abtrennung der organischen Säuren erfolgt der Austausch der Säureionen gegen Hydrogencarbonationenquantiativ. Zu Beginn des Fermentationsprozesses werden die gebildeten organischen Säuren durch verdünnte Natronlauge in üblicher Weise neutralisiert und bis auf eine Konzentration von 1,5 bis 3,0g/lim Fermentationsmedium angereichert. Wird nun das mit neutralisierten organischen Säuren angereicherte Fermentationsmedium über t'en in der Hydrogencarbonatform vorliegenden Anionenaustauscher gegeben, findet ein vollständiger Austausch der Hydrogencarbonationen gegen Säureanionen am Anionenaustauscher statt. Die Fermentationslösung wird dann dem Reaktor

wieder zugeführt. Der aus dem Austauschvorgang resultierende Alkalitätsüberschuß der aufbereiteten Lösung kann dabei in vorteilhafter Weise zur Neutralisierung der weiterhin gebildeter; Säuren genutzt werden. Das überschüssige Kohlendioxid, das bei dem entsprechenden pH-Wert nicht im Fermentationsmedium gelöst werden kann, wird mit dem Abgas aus dem Fermenter ausgetragen.

Die Durchflußgeschwindigkeit kann so eingestellt werden, daß der pH-Wert im Sollbereich verbleibt. Die Menge der abgetrennten organischen Säuren entspricht genau der der gebildeten organischen Säuren und läßt sich leicht

aus den Durchflußvolumina errechnen.

Eine Belastung des Fermentationsmediums mit Fremdsalzen tritt bei dieser Form der Neutralisation nicht ein. Die Ermittlung der Qualität der fermentierten organischen Säuren wird durch Probenahme aus dem Fermentationsmedium und geeignete Analysenmethoden realisiert. Es ist vorteilhaft, zwei Austauschersäulen vorzusehen, die parallel 'angeordnet sind und wechselseitig botrioben werden. Die Beaufschlagung mit Fermentationsmedium erfolgt im Aufstrom, die anschließende Elution wird im Abstrom vorgenommen. Durch Spülon der Austauschersäule mit alkanolischem Lösungsmittel lassen sich adsorptiv gebundene Verunreinigungen aus

dem Fermentationsmedium vom Kationenaustauscherharz waschen. Das Lösungsmittel kann leicht destillativ zurückgewonnen werden.

Erfindungsgemäß werden die auf dem Austauscher gebundenen organischen Säuren durch sterile gesättigte Natriumhydrogencarbonatlösung eluiert. Die Elution kann auch mittels eines Gradienten zwischen sterilem Wasser und steriler Natriumhydrogencarbonatlösung erfolgen. Die Anwendung der Elutionsvariante ist je nach Trennproblem zu wählen. Die Adsorbersäule bleibt im sterilen Zustand und ist

nach der Elution sofort wieder einsatzbereit.

Im Eluat wird mittels stark saurer Kationenaustauscher in der Protonenform das Bicarbonat in freie Kohlensäure umgewandelt

und die Salze der organischen Sauren werden in die freie Säureform überführt. Die Lösung der freien Säuren kann dann durch geeignete Verfahren in bekannter Weise eingeengt und zur Kristallisation gebracht werden.

Gemäß Abbildung 1. werden die sterilisierten Säulen wechselweise zur Beladung bzw. Elution gebracht. Zum Schutz der Säulen

(a u. b) vor Kontamination mit Organischen des Kulturstammes aus dom Fermentationsraum oder Fremdinfektionen aus den

Elutions- und Waschwässern, werden jeweils die Sterilfilter (c u.d) zum Einsatz gebracht.

Ausführungsbeispiele Beispiel 1

einem dreimaligen Regenerier- und Beladecyclus unterworfen (wechselweise Beaufschlagung mit verdünnter Natronlauge, verdünnter Salzsäure und Zwischenwaschen mit destilliertem Wasser), um eventuelle Verunreinigungen, insbesondere Amine aus dem Syntheseprozeß, zu entfernen. Darauf folgt die Konditionierung das Harzes mit 210ml 5%iger Natronlauge, dann mit 210 ml 5%iger Natriumcarbonatlösung und 210 ml 5%igerNatriumbicarbonat!ösung, die vorher sterilisiert wurden. Der Vorgang ist nach dem Auswaschen mit sterilisiertem destilliertem Wasser beendet.

Nach dieser Behandlung ließt der Austauscher in der Hydrogencarbonatform vor und ist infektionsfrei. Aus einem 500ml Bioreaktor mit immobilisierten citratakkumulierenden Hefen wird jeweils soviel Fermentationsmedium über

die Austauschersäule geführt, und in den Reaktor zurückgeleitet, daß der pH-Wert im Fermenter Werte zwischen 5,0 und 5,2 beibehält.

Die vorgegebene Durchlaufmenge kann 5 bis 7 Tage im Kreislauf geführt werden, bis das Austauscherharz mit organischen Säuren beladen ist. Die Erschöpfung des Austauschers wird erkennbar, wenn der pH-Wert dos rückgeführten Mediums von 8,2 auf 7,2 gesunken ist. Der Abfall des pH-Wertes vollzieht sich unter den genannten Bedingungen innerhalb kurzer Zeit. Nach Erschöpfen der Säulenkapazität wird die Säule gegen eine Zweite, ebenso vorbereitete, ausgetauscht. Zur Abtrennung der an das Austauscherharz adsorptiv gebundenen Verunreinigungen aus der Fermentation, die vornehmlich

aus Polyalkoholen bestehen, wird die Austai-.»chersäule mit 500ml Ethanol gespült.

Denn vird die mit Citratiriien beladene Säule mit einem Gradienten aus Wasser und gesättigter wäßriger Natriumhydrogecarbonatlösung eluiert. Der Gradient verläuft linear mit einer Menge von 8-8,5 Bettvolumen. Die Fraktion

zwischen 2,5 und 5,0 Bettvolumen wird zur Entfernung des überschüssigen Hydrogencarbonates über eine Säule mit

Kationenaustacscher Wofatit KPS in der Protonenform eluiert. Dabei wird außerdem das Salz der Säure in die freie Säure

überführt.

In dem so behandelten Eluat befindet sich Citronensäure in einer Konzentration von 20 bis 50g/l. Die Nebenprodukte wie Ketoglutarsäure sind abgetrennt. Die Lösung der Säure kann dann in bekannter Weioe zur Kristallisation gobracht werden. Beispiel 2 Eine Glasfiltersäule wie in Beispiel 1 beschrieben, wird mit 6OmI starkbasischem Anionenaustauscher Wofatit SZ30 gefüllt und

analog Beispiel 1 in die Hydrogenkarbonatform überführt.

Ein 500ml Bioreaktor wird mit immobilisierten, isocitratakkumulierenden Hefen gefüllt und das entstehende Fermentationsmedium entsprechend Beispiel 1 aufbereitet. Der Beladungs- und Elutionsvorydng verläuft analog Beispiel 1, jedoch enthält die Elutionsfraktion zwischen 2,5 und S Bettvolumen vornehmlich Isocitrst, das wie die Citronensäure aufgearbeitet und zur Kristallisation gebracht wird.

Claims (6)

1. Verfahren zur Abtrennung und Aufarbeitung organischer Säuren aus Fermentationsmedien, gekennzeichnet dadurch, daß während des Fermentationsprozesses eine bestimmte Menge an Fermentationslösung ständig über einen Anionenaustauscher mit quartären Ammon.umgruppen geleitet und in den Reaktor zurückgeführt wird. Der Austauscher befindet sich vorzugsweise in der Hydrogencarbonatform, wodurch im Austausch gegen organische Säuren soviel Alkalität freigesetzt wird, daß durch den rückgeführten Volumenstrom der pH-Wert im Fermenter konstant gehalten werden kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zur Elution der organischen Säureionen vorzugsweise eine sterile Natriumhydrogencarbonatlösung verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Gemische von Carbonsäuren durch Einsatz eines Elutionsgradienten zurTrennung gebracht werden können.

4. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Abtrennung der auf dem Austauscher adsorptiv gebundenen Nebenprodukte vorzugsweise durch einen vorausgehenden Elutionsschritt mit Alkanolen vor der eigentlichen Desorption der organischen Säuren erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Eluat anschließend über einen stark sauren Kationsaustauscher in der Protonenform geführt wird, wodurch die freie Säureform der Carbonsäuren erhalten werden kann.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Sterilität der Elutions- und Waschwässer sowie der aufgearbeiteten Fsrmentationsmedien durch vorgeschaltete Sterilfilter gewährleistet.