DE102009019248A1 - Processing organic acid from fermentation broth in which biomass is separated and filtrate is treated with acid to obtain a mixture, comprises applying the mixture on chromatography resin, rinsing with mobile phase and obtaining fractions - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufarbeitung organischer Säuren aus Fermenterbrühen mit Hilfe chromatographischer Methoden. Dabei zielt die Erfindung insbesondere darauf ab die herkömmlichen Chromatographiemethoden zur Aufreinigung von organischen Säuren zu optimieren, indem eine kontinuierliche Chromatographie mit Simulated Moving Bed durchgeführt wird.The The invention relates to a process for working up organic acids from fermenter broths using chromatographic methods. The invention aims in particular at the conventional Chromatography methods for the purification of organic acids to optimize by using Simulated Continuous Chromatography Moving Bed is performed.
Im Allgemeinen wird zur Kontrolle des pH-Wertes während der Fermentation in der Regel eine Base zudosiert, welche die entstehende Säure als Salz bindet. So verwendet man beispielsweise Calziumhydroxid zur Neutralisation bei der fermentativen Herstellung von Zitronensäure und Milchsäure.in the Generally, to control the pH during the Fermentation usually added to a base, which is the resulting Acid binds as salt. For example, calcium hydroxide is used for neutralization in the fermentative production of citric acid and lactic acid.
Durch Ansäuern der Fermentationsbrühe, zum Beispiel mit Schwefelsäure, erhält man die freie organische Säure und es fällt Gips aus. Für die weitere Aufarbeitung und Konzentration der organischen Säure müssen nun möglichst alle weiteren Komponenten entfernt werden. Dies sind die Reste der zur Fermentation eingesetzten Stoffe, wie Zucker, Aminosäuren und andere sowie das Sulfation und das Kation der bei der Fermentation genutzten Base, wie Natrium oder Ammonium.By Acidifying the fermentation broth, for example with sulfuric acid, you get the free organic Acid and it precipitates gypsum. For the further work-up and concentration of the organic acid now, if possible, all other components be removed. These are the residues of the used for fermentation Substances like sugar, amino acids and others as well as the sulphation and the cation of the base used in the fermentation, such as sodium or ammonium.
Im klassischen Milchsäureverfahren wird zur Neutralisation der entstehenden Milchsäure Calciumcarbonat oder Calciumhydroxid verwendet.in the classic lactic acid process becomes neutralization the resulting lactic acid calcium carbonate or calcium hydroxide used.
Bei der Aufarbeitung der Brühe macht man sich die geringe Löslichkeit des Calciumsulfats zu nutze, das bei der Ansäuerung mit Schwefelsäure als Niederschlag ausfällt und durch Filtration abgetrennt werden kann. Da die anfallenden Calciumsulfatmengen bei dieser Methode erheblich sind und der anfallende Gips häufig nur schwer einer Verwertung zugeführt werden kann und somit meist entsorgt werden muss, wird intensiv nach alternativen Verfahren gesucht, die die Trennung effektiver gestalten.at The workup of the broth makes you the low solubility of calcium sulfate, which is used in the acidification with Sulfuric precipitates as precipitate and by Filtration can be separated. As the accumulating calcium sulfate in this method are significant and the resulting plaster often difficult to be recycled and thus usually needs to be disposed of intensively according to alternative procedures sought, which make the separation more effective.
Beispiele solcher alternativer Verfahren aus dem Stand der Technik sind die Elektrodialyse und verschiedene Extraktionsverfahren. Auch die Veresterung der Säure mit einem kurzkettigen Alkohol mit anschießender Destillation wurde erprobt. Sämtliche aufgezählten Verfahren konnten sich bisher bei Großanlagen nicht durchsetzen.Examples Such alternative methods of the prior art are the Electrodialysis and various extraction methods. Also the esterification the acid with a short-chain alcohol with subsequent Distillation was tested. All enumerated So far, procedures have not been successful in large-scale plants.
Es
wurde zudem gefunden, dass sich Milchsäure aus der oben
beschriebenen Mischung, also beispielsweise einer mit Schwefelsäure
angesäuerten Fermentationsbrühe, die neben freier
Milchsäure noch Ammonium- und Sulfationen enthält,
mittels chromatographischer Methoden isolieren lässt.
Sind die Affinitätsunterschiede der zu trennenden Moleküle sehr klein, reicht ein Wechsel der mobilen oder stationären Phase oft nicht aus, um eine effektive Separierung der zu trennenden Moleküle zu erreichen. Das Problem der Generierung unterschiedlicher Retentionszeiten der zu trennenden Moleküle muss also auf andere Art und Weise gelöst werden. Zudem ist ein Ionenaustauschverfahren im Großmassstab viel zu teuer und aufwendig.are the affinity differences of the molecules to be separated very small, a change of mobile or stationary ranges Phase often fails to effectively separate the to be separated To reach molecules. The problem of generating different Retention times of the molecules to be separated must therefore other way to be solved. It is also an ion exchange process on a large scale much too expensive and expensive.
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin den herkömmlichen Prozess der Aufarbeitung organischer Säuren so zu optimieren, dass oben angeführte Probleme, die in erster Linie mit den hohen anfallenden Calciumsulfatmengen bei der Aufarbeitung der Fermentationsbrühe verbunden sind, gelöst werden. Dabei soll als Zielprodukt die organische Säure selektiv aus der salzhaltigen Fermenterbrühe isoliert werden, die auch noch weitere Komponenten, wie Restzucker, Farbstoffe und andere Stoffe enthalten kann.The The object of the invention is therefore the conventional Process of processing organic acids so to optimize that above-mentioned problems that primarily with the high accumulating amounts of calcium sulfate in the workup of the Fermentation broth are connected to be solved. The target product is the organic acid selectively be isolated from the salt-containing fermenter broth, the also other components, such as residual sugar, dyes and others May contain substances.
Dies wird erreicht durch ein Verfahren zur Aufarbeitung organischer Säuren aus Fermenterbrühen, wobei der pH-Wert während der Fermentation über die Zugabe einer Base eingestellt wird, welche die entstehende organische Säure als Salz bindet, die Biomasse von der Fermentationsbrühe abgetrennt wird, und das entstehende Filtrat mit Säure behandelt wird, wodurch ein Gemisch entsteht, das die freigesetzte organische Säure sowie weitere Komponenten enthält, indem das Gemisch auf ein mit einer geeigneten mobilen Phase equilibriertes Chromatographieharz, einer kontinuierlich betriebenen Simulated Moving Bed Chromatographie, umfassend eine oder mehrere miteinander verbundener Säulen, aufgebracht wird, die Säule mit der mobilen Phase gespült wird, und verschiedene Fraktionen erhalten werden, in denen Einzelkomponenten des Gemisches aufgrund unterschiedlicher Retentionszeiten getrennt voneinander gesammelt werden.This is achieved by a process for working up organic acids from fermenter broths, with the pH during the fermentation is adjusted by the addition of a base which is the resulting organic acid as a salt binds the biomass separated from the fermentation broth is treated, and the resulting filtrate is treated with acid, creating a mixture that releases the released organic acid and other components by adding the mixture a chromatographic resin equilibrated with a suitable mobile phase, a continuously operated Simulated Moving Bed Chromatography, comprising one or more interconnected columns, is applied, the column rinsed with the mobile phase , and various fractions are obtained in which individual components the mixture separated due to different retention times collected from each other.
Unter Umständen kann das entstehende Filtrat nach dem Abtrennen der Biomasse einer Filtration unterzogen werden, um möglichst alle Partikel zu entfernen. Insbesondere geeignet wäre eine Mikrofiltration, aber auch eine Ultrafiltration, wodurch in der Regel zudem noch eine teilweise Entfärbung des entstehenden Filtrats erreicht werden kann.Under Circumstances, the resulting filtrate after separation The biomass of a filtration are subjected to as possible remove all particles. In particular, would be suitable a microfiltration, but also an ultrafiltration, whereby in usually also a partial discoloration of the resulting Filtrats can be achieved.
Die Technik der Simulated Moving Bed Chromatographie stellt eine verbesserte Variante der High Performance Liquid Chromatographie dar. Dabei wird durch eine Aufeinanderfolge von über Ventile miteinander verbundenen Säulen eine unendlich verlängerbare stationäre Phase erzeugt, womit sich die Auftrennung der zu trennenden Moleküle drastisch verbessern lässt, da eine große Anzahl theoretischer Böden gebildet werden kann. Dabei werden die Probeneinlassvorrichtung und die Analytaustrittsvorrichtung kontinuierlich bewegt.The technique of Simulated Moving Bed Chromatography represents an improved version of High Performance Liquid Chromatography For example, a succession of columns interconnected by valves produces an infinitely extensible stationary phase, which drastically improves the separation of the molecules to be separated, since a large number of theoretical plates can be formed. In this case, the sample inlet device and the analyte outlet device are moved continuously.
Es konnte ein für organische Säuren, insbesondere Milchsäure, geeignetes Chromatographieharz gefunden werden, das es ermöglicht eine sehr reine Säurefraktion zu erhalten, ohne dass diese stark verdünnt vorliegt oder es zu größeren Produktverlusten kommt. Dabei handelt es sich um einen schwach basischen Anionenaustauscher, wie z. B. LEWATIT MP62, 64 oder Amberlite FPA 51; 53 oder 54. Vorzugsweise handelt es sich bei der mobilen Phase um Wasser.It could be one for organic acids, in particular Lactic acid, suitable chromatography resin can be found This allows a very pure acid fraction to obtain without this being very diluted or it comes to larger product losses. It acts it is a weakly basic anion exchanger, such as. B. LEWATIT MP62, 64 or Amberlite FPA 51; 53 or 54. Preferably the mobile phase is water.
Bei der im Verfahren zu isolierenden organischen Säure handelt es sich um Zitronensäure oder Milchsäure. Dabei wird diese Säure in einer Reinheit von 80–98% erhalten, indem die Einzelkomponenten des Gemisches anhand der charakteristischen Retentionszeiten aufgetrennt werden. Die Salze verbleiben in der zweiten Fraktion und können einer weiteren Aufarbeitung zugeführt werden.at the organic acid to be isolated in the process it is citric acid or lactic acid. there this acid is in a purity of 80-98% obtained by the individual components of the mixture on the basis of the characteristic Retention times are separated. The salts remain in the second fraction and may further work up be supplied.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand eines Durchführungsbeispiels detailliert beschrieben.The The present invention will be described below with reference to an embodiment described in detail.
Eine filtrierte Fermenterbrühe aus einer Milchsäurefermentation wurde durch Eindampfen aufkonzentriert. Der Milchsäuregehalt betrug danach 20,6 Masse %. Durch das Ansäurern mit Schwefelsäure enthielt die Lösung 10,5 Massen % Sulfationen, die entfernt werden mussten. Dazu wurde das Gemisch über eine Simulated Moving Bed Chromatographie gegeben, die aus 8 miteinander verbundener Säulen bestand und mit je 3 Liter Harz pro Säule gefüllt waren. In diesem Beispiel wurde Amberlite FPA 53 Harz der Firma Rohm & Haas verwendet. Zur Kontrolle des Milchsäuregehaltes wurde ein Refraktometer eingesetzt. Im Ergebnis der Trennung konnten ca. 85% der Milchsäure in einer sulfatfreien Fraktion gewonnen werden. Die Konzentration der Milchsäure in dieser Fraktion betrug 10 Masse %.A filtered fermenter broth from a lactic acid fermentation was concentrated by evaporation. The lactic acid content was then 20.6% by mass. By acidification with sulfuric acid The solution contained 10.5 mass% sulfate ions which were removed had to be. For this, the mixture was simulated over Moving Bed Chromatography given, consisting of 8 interconnected Columns and filled with 3 liters of resin per column were. In this example, Amberlite FPA 53 resin was the company Rohm & Haas used. To control the lactic acid content was a refractometer used. As a result of the separation, about 85% of lactic acid could be obtained in a sulfate-free fraction. The concentration the lactic acid in this fraction was 10% by mass.
Vorteile, die sich aus der Erfindung ergeben:
- • effektive Isolierung der organischen Säuren möglich
- • die organischen Säuren können nach ihrer Chiralität aufgetrennt werden
- • effective isolation of organic acids possible
- • The organic acids can be separated according to their chirality
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