DE102018100810A1

DE102018100810A1 - Verfahren zur Aufarbeitung von L-Tryptophan

Info

Publication number: DE102018100810A1
Application number: DE102018100810.4A
Authority: DE
Inventors: Norbert Kockmann; Christoph HELD; Lukas HOHMANN; Robert Wolfgang Hampel
Original assignee: Technische Universitaet Dortmund
Current assignee: Technische Universitaet Dortmund
Priority date: 2018-01-16
Filing date: 2018-01-16
Publication date: 2019-07-18

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einVerfahren zur Aufarbeitung von L-Tryptophan aus Roh-Tryptophan, umfassend(1) Aufnehmen des Roh-Tryptophans in einem Lösungsmittelsystem umfassend Wasser und vorzugsweise mindestens einen Alkohol bei einer Temperatur im Bereich von bis zu 60°C, vorzugsweise 10 bis 50°C, vorzugsweise bis zur Sättigung;(2) optional Aufkonzentrieren, vorzugsweise Eindampfen, der in Schritt (1) erhaltenen Lösung bei einer Temperatur von bis zu 60°C, vorzugsweise bis 50°C, und/oder reduziertem Druck;(3) Kühlungskristallisation von L-Tryptophan durch Abkühlen der Lösung aus Schritt (1) oder falls vorhanden Schritt (2) auf eine Temperatur <30°C, vorzugsweise ≤20°C; und(4) Abtrennen des in Schritt (3) erhaltenen festen L-Tryptophans, insbesondere in kristalliner Form, von der flüssigen Phase.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufarbeitung von L-Tryptophan aus Roh-Tryptophan, insbesondere durch Roh-Tryptophan welches durch Fermentation erhalten wurde.
L-Tryptophan, nachstehend auch lediglich als L-Trp bezeichnet, ist eine essenzielle Aminosäure, die für den Einsatz zum Beispiel in Nahrungsergänzungs-, Futter-, und Arzneimitteln industriell hergestellt wird. Die Synthese kann auf verschiedene Arten erfolgen. Eine bedeutende Methode zur Herstellung ist dabei die fermentative Herstellung mit Mikroorganismen. Das so erhaltene Roh-Tryptophan, welches Verunreinigungen enthält, muss jedoch vor Verwendung in Nahrungsergänzungs-, Futter-, und Arzneimitteln aufgereinigt werden.
Bekannte Aufreinigungsverfahren für Roh-Tryptophan wie zum Beispiel in EP 0 274 728 A1 beschrieben, basieren auf dem Prinzip des pH-Wechsels. Das L-Trp ist wie auch andere Aminosäuren eine schwache Base und wird im sauren pH-Bereich des pH-Wechsel-Verfahrens größtenteils protoniert, wie in T.E. Needham et al. „Solubility of Amino Acids in Pure Solvent Systems", J. Pharm. Sci., 60 (4), 1971, 565-567 beschrieben. Die Löslichkeit der entstehenden Kationen des L-Trp in dieser wässrigen Lösung ist deutlich erhöht. In dem Verfahren der EP 0 274 728 A1 wird festes Roh-Tryptophan, nachstehend auch lediglich als Roh-Trp bezeichnet, bestehend aus festem L-Trp und festen Nebenkomponenten/Verunreinigungen, zunächst in der wässrigen Lösung einer starken anorganischen Säure, zum Beispiel Schwefelsäure, bei niedrigem pH-Wert von 1 bis 4, insbesondere < 2, nahe der Sättigungskonzentration gelöst. Anschließend wird der pH-Wert durch Zugabe starker anorganischer Basen, zum Beispiel Natronlauge, in den neutralen Bereich von pH = 5-8 verschoben. Dadurch wird die Lösung übersättigt und das L-Trp kristallisiert als Feststoff aus. Der Feststoff kann in weiteren Verfahrensschritten aus der Lösung abgetrennt, gewaschen und getrocknet werden. Obwohl beschrieben ist, dass die Kristallisation in Gegenwart von niederen Alkoholen oder Ketonen stattfindet, wird in den Beispielen weder ein niederer Alkohol noch ein Keton im Kristallisierungsschritt verwendet. Dieses bekannte pH-Wechsel-Verfahren bietet zahlreiche Nachteile durch den Einsatz der anorganischen Säuren und Basen. Diese wirken korrosiv und benötigen Anlagen und Apparate aus hochwertigen Werkstoffen. Die Säuren und Basen werden als Hilfsstoffe im Prozess verbraucht und können nicht ohne weiteres zurückgewonnen werden. Die entstehenden Salze müssen zunächst bei der an die Kristallisation anschließende Fest/Flüssig-Trennung mit der Mutterlauge von den Produktkristallen entfernt, mit geeigneten Lösungsmitteln gewaschen und im Anschluss entsorgt werden. Die Akkumulation der Salze erschwert oder verhindert zudem die Aufarbeitung und Rückführung der Mutterlauge in dem Prozess. Des Weiteren wird die Prozessanalytik, Prozesskontrolle und Qualitätssicherung durch die Anwesenheit der Säuren, Basen und Salze erschwert.
In J. Yang et al. „Spherulitic Crystallization of L-Tryptophan: Characterization, Growth Kinetics, and Mechanism" Cryst. Growth Des., 15 (10), 2015, 5124-5132 wird die Kühlungskristallisation von L-Trp aus Wasser in Gegenwart von Gelatine und in Abwesenheit von Säure, Basen, Salzen und Alkoholen beschrieben, was die Gewinnung sogenannter sphärolithischer Kristalle im Batchverfahren ermöglicht. Das Verfahren ist jedoch sehr speziell und aufwendig und die Gelatine muss in einem weiteren Schritt wieder entfernt werden. Das Verfahren basiert auf einer extrem schnellen Abkühlung (Quenching) der Lösung von 90 °C auf 1 - 20 °C innerhalb einer Minute im Labormaßstab, was die technische Umsetzung erschwert. Solch ein schnelles Abkühlen verhindert häufig eine hohe Reinheit in industriellen Prozessen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung war deshalb das Bereitstellen eines verbesserten Verfahrens zur Aufreinigung von L-Tryptophan, das weniger Arbeitsschritte und/oder geringere Anforderungen an die dafür verwendeten Apparaturen stellt. Insbesondere sollte ein Verfahren gefunden werden, welches den Einsatz von Säuren und/oder Basen minimiert oder gänzlich vermeidet.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben überraschend gefunden, dass die vorstehend genannten Nachteile durch folgendes Verfahren überkommen werden können:

Verfahren zur Aufarbeitung von L-Tryptophan aus Roh-Tryptophan, umfassend
1. (1) Aufnehmen des Roh-Tryptophans in einem Lösungsmittelsystem umfassend Wasser bei einer Temperatur im Bereich von bis zu 60°C;
2. (2) optional Aufkonzentrieren der in Schritt (1) erhaltenen Lösung bei einer Temperatur von bis zu 60°C und/oder reduziertem Druck;
3. (3) Kühlungskristallisation von L-Tryptophan durch Abkühlen der Lösung aus Schritt (1) oder falls vorhanden Schritt (2) auf eine Temperatur <30°C; und
4. (4) Abtrennen des in Schritt (3) erhaltenen L-Tryptophans, insbesondere in kristalliner Form, von der flüssigen Phase.

„Mindestens ein“, wie hierin verwendet, bedeutet 1 oder mehr, d.h. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder mehr. Bezogen auf einen Inhaltsstoff bezieht sich die Angabe auf die Art des Inhaltsstoffs und nicht auf die absolute Zahl der Moleküle. „Mindestens ein Alkohol“ bedeutet somit beispielsweise mindestens eine Art von Alkohol, d.h. dass eine Art von Alkohol oder eine Mischung mehrerer verschiedener Alkohole gemeint sein kann. Zusammen mit Gewichtsangaben bezieht sich die Angabe auf alle Verbindungen der angegebenen Art, die in der Zusammensetzung/Mischung enthalten sind, d.h. dass die Zusammensetzung über die angegebene Menge der entsprechenden Verbindungen hinaus keine weiteren Verbindungen dieser Art enthält.
Alle Prozentangaben, die im Zusammenhang mit den hierin beschriebenen Zusammensetzungen gemacht werden, beziehen sich, sofern nicht explizit anders angegeben auf Gew.-%, jeweils bezogen auf die betreffende Mischung oder Zusammensetzung.
Zahlenwerte, die hierin ohne Dezimalstellen angegeben sind, beziehen sich jeweils auf den vollen angegebenen Wert mit einer Dezimalstelle. So steht beispielsweise „99%“ für „99,0%“. Zahlenwerte, die hierin ohne Dezimalstellen angegeben sind, beziehen sich jeweils auf den vollen angegebenen Wert mit einer Dezimalstelle.
Der Ausdrücke „ungefähr“ oder „etwa“, in Zusammenhang mit einem Zahlenwert, bezieht sich auf eine Varianz von ±10% bezogen auf den angegebenen Zahlenwert.
„Im Wesentlichen frei von“ im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass das jeweilige System oder die jeweilige Zusammensetzung die betreffende Verbindung oder Komponente in weniger als 1 Gew.-%, bevorzugt weniger als 0,5 Gew.-%, stärker bevorzugt 0,01 Gew.-%, am stärksten bevorzugt weniger als 0,0001 Gew.-% bezogen auf das gesamte System oder die gesamte Zusammensetzung enthält.
In der vorliegenden Erfindung wird „1-Propanol“ auch lediglich als „1 PrOH“ und „iso-Propanol“ als „iPrOH“ bezeichnet.
Das Vorliegen des L-Tryptophans in kristalliner Form, was in der vorliegenden Erfindung auch lediglich durch den Begriff Kristall bezeichnet wird, wird mittels Röntgen-Pulverdiffraktometrie (XRPD) bestimmt. Stimmen die ermittelten charakteristischen Peaks mit den Daten von C.H. Görbitz et al., Single-crystal investigation of L-tryptophan with Z' = 16', Acta Cryst., 2012, B68, 549-557 überein, so wird davon ausgegangen, dass L-Tryptophan in kristalliner Form vorliegt.
Bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird im Wesentlichen auf den Einsatz von Säuren und Basen verzichtet.
In dem Verfahren, insbesondere im Schritt (3) ist im Wesentlichen kein Co-Kristallisationskeim, neben den optionalen Impfkristallen von L-Trp, vorhanden.
Die Erfindung betrifft insbesondere:

1. Ein Verfahren zur Aufarbeitung von L-Tryptophan aus Roh-Tryptophan, umfassend oder bestehend aus den folgenden Schritten:
1. (1) Aufnehmen des Roh-Tryptophans in einem Lösungsmittelsystem umfassend Wasser und vorzugsweise mindestens einen Alkohol bei einer Temperatur im Bereich von bis zu 60°C, vorzugsweise 10 bis 50°C, vorzugsweise bis zur Sättigung;
2. (2) optional Aufkonzentrieren, vorzugsweise Eindampfen, der in Schritt (1) erhaltenen Lösung bei einer Temperatur von bis zu 60°C, vorzugsweise bis 50°C, und/oder reduziertem Druck;
3. (3) Kühlungskristallisation von L-Tryptophan durch Abkühlen der Lösung aus Schritt (1) oder falls vorhanden Schritt (2) auf eine Temperatur <30°C, vorzugsweise ≤20°C; und
4. (4) Abtrennen des in Schritt (3) erhaltenen festen L-Tryptophans, insbesondere in kristalliner Form, von der flüssigen Phase.
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Aspekt, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren kontinuierlich oder als Batch-Verfahren durchgeführt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass das Roh-Tryptophan durch Fermentation von Mikroorganismen, vorzugsweise rekombinanten Mikroorganismen, aus dem Kulturüberstand und/oder dem Zellaufschluss erhalten wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass das in Schritt (1) eingesetzte Lösungsmittelsystem einen Gewichtsanteil von 5 bis 95 Gew.-%, bevorzugt 5 bis 60 Gew.-%, stärker bevorzugt 5 bis 30 Gew.-% oder 20 bis 60 Gew.-%, insbesondere 30-50 Gew.-%, des mindestens einen Alkohols bezogen auf das Gesamtgewicht des Lösungsmittelsystems enthält.
5. Verfahren nach Aspekt 4, dadurch gekennzeichnet, dass
1. (i) das Verfahren den Schritt (2) beinhaltet und das in Schritt (1) eingesetzte Lösungsmittelsystem einen Gewichtsanteil von 20 bis 60 Gew.-%, bevorzugt 30 bis 50 Gew.-%, des mindestens einen Alkohols, bezogen auf das Gesamtgewicht des Lösungsmittelsystems enthält; oder
2. (ii) das Verfahren den Schritt (2) nicht beinhaltet und das in Schritt (1) eingesetzte Lösungsmittelsystem einen Gewichtsanteil von 5 bis 30 Gew.-% des mindestens einen Alkohols bezogen auf das Gesamtgewicht des Lösungsmittelsystems enthält; oder
3. (iii) das in Schritt (1) eingesetzte Lösungsmittelsystem einen Gewichtsanteil von 0 Gew.-% des mindestens einen Alkohols bezogen auf das Gesamtgewicht des Lösungsmittelsystems enthält, um das L-Tryptophan in Form von Einzelkristallen zu erhalten.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt (4) erhaltene Partikelform durch die in Schritt (1) eingesetzte Menge des mindestens einen Alkohols eingestellt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass der Alkohol in dem Lösungsmittelsystem ausgewählt wird aus Monoalkoholen, vorzugsweise Methanol, Ethanol, 1-Propanol, Isopropanol oder Gemischen davon, besonders bevorzugt 1-Propanol, Isopropanol oder Gemische davon, am meisten bevorzugt Isopropanol.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (1) bei einer Temperatur von 10 bis 50°C durchgeführt wird, vorzugsweise bei bis zu 50°C, wenn Schritt (2) nicht durchgeführt wird, und vorzugsweise bis 30°C wenn Schritt (2) durchgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (2) bei einer Temperatur von 30 bis 60°C, vorzugsweise 40 bis 50°C und stärker bevorzugt zusätzlich unter reduziertem Druck entsprechend des Dampfdruckverhaltens des Systems bei gewählter Temperatur durchgeführt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (2) bei einer Temperatur und einem Druck und für eine Dauer durchgeführt wird, die sicherstellen, dass die Löslichkeit von L-Tryptophan bei den Eindampfungsbedingungen nicht überschritten wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (2) durch die Wahl der Bedingungen und der Dauer von Schritt (2) der Anteil des Alkohols an dem Lösungsmittelsystem reduziert wird, vorzugsweise um mindestens 10 Gew.-%, weiter bevorzugt um mindestens 20 Gew.-%, insbesondere auf einen Gesamtanteil des Alkohols an dem Lösungsmittel von 0 bis 40 Gew.-%, vorzugsweise etwa 20 Gew.-%, bezogen auf das Lösungsmittelsystem.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ein kontinuierliches Verfahren ist und Schritt (2) vorzugsweise in einem Rotations-Dünnschichtverdampfer durchgeführt wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (3) das Abkühlen mit einer Rate von bis 5 K/min, vorzugsweise 0,05 bis 1,5 K/min, erfolgt.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass im Batch-Betrieb Schritt (3) in einem temperierbaren Rührbehälter und im kontinuierlichen Betrieb Schritt (3) in einem Rohrkristallisator mit oder ohne

Einbauten, geraden oder gekrümmten Rohrabschnitten und pulsierender oder nicht-pulsierender Strömung, vorzugsweise in einem Wendelrohr-Kühlungskristallisator, durchgeführt wird.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtrennen der L-Tryptophan Kristalle in Schritt (4) mittels Sedimentation, Filtration, Fliehkraftabscheidung oder Zentrifugation erfolgt.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ein kontinuierliches Verfahren ist und in Schritt (3) ein kontinuierliches Animpfen mit L-Tryptophan Kristallen erfolgt.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass das in Schritt (2) abgezogene Lösungsmittel und/oder die in Schritt (4) als flüssige Phase erhaltene Mutterlauge in das Verfahren, insbesondere in Schritt (1), zurückgeführt wird.

Das in der vorliegenden Erfindung verwendete Roh-Tryptophan kann durch Fermentation, insbesondere von Mikroorganismen, biokatalytische oder chemische Verfahren erhalten werden. Insbesondere bevorzugt ist es, dass es durch Fermentation erhalten wird.
Im Schritt (1) wird das Roh-Tryptophan in einem Lösungsmittelsystem, das Wasser und vorzugsweise mindestens einen Alkohol enthält aufgenommen. In einem Aspekt der Erfindung besteht das Lösungsmittelsystem lediglich aus Wasser. Wird lediglich Wasser als Lösungsmittel verwendet, so wird in Schritt (3) aufgereinigtes, festes L-Tryptophan als Einzelkristalle, die insbesondere plättchenförmig sind, erhalten.
Das Aufnehmen des Roh-Tryptophans in einem Lösungsmittelsystem in Schritt (1) findet bei einer Temperatur im Bereich von bis zu 60°C; bevorzugt 10 bis 50°C, stärker bevorzugt 30 bis 50 °C statt, insbesondere bis zum Erhalt einer gesättigten Lösung. Beträgt die Temperatur 50°C oder weniger, so können Verfärbungen und thermische Zersetzung von L-Trp verringert oder vermieden werden.
In einem bevorzugten Aspekt umfasst das Lösungsmittelsystem in Schritt (1) Wasser und mindestens einen Alkohol. Dabei ist der Alkohol bevorzugt ausgewählt aus Monoalkoholen, vorzugsweise Monoalkoholen mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, stärker bevorzugt Methanol, Ethanol, 1-Propanol, Isopropanol oder Gemischen davon, besonders bevorzugt 1-Propanol, Isopropanol oder Gemische davon, am meisten bevorzugt Isopropanol. Durch Verwendung der vorstehend genannten Gemische kann die Kristall-Ausbeute im Vergleich zur Kühlungskristallisation aus reinem Wasser als Lösungsmittel signifikant gesteigert werden.
Ebenfalls kann die effektive Kristallwachstumsrate mit einem, mindestens einen Alkohol enthaltenden, Lösungsmittelsystem im Vergleich zur Verwendung von lediglich Wasser erhöht werden was kürzere Prozesszeiten und eine Effizienzsteigerung erlaubt. Dies gilt insbesondere für Gemische mit 1-Propanol und/oder Isopropanol. Von Lösungsmittelsystemen die 1-Propanol oder Isopropanol enthalten weist das System mit Isopropanol eine höhere Kristallwachstumsrate auf.
In einem Aspekt findet die Aufnahme des Roh-Tryptophans bevorzugt in einem Lösungsmittelsystem bei einer Temperatur von 30 bis 50°C statt wobei das Lösungsmittelsystem Isopropanol und Wasser oder 1-Propanol und Wasser enthält und 0,2 bis 0,5, besonders bevorzugt 0,2, g_iPrOH/gi_PrOH+Wasser bzw. g_1PrOH/g_1PrOH+Wasser vorliegen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform davon ist Schritt (2) nicht enthalten.
In einem alternativen Aspekt findet die Aufnahme des Roh-Tryptophans bevorzugt in einem Lösungsmittelsystem bei einer Temperatur von 10 bis 29°C statt wobei das Lösungsmittelsystem Isopropanol und Wasser enthält und 0,2 bis 0,5, besonders bevorzugt 0,4, g_iPrOH/g_iPrOH+Wasser vorliegen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform davon ist Schritt (2) enthalten.
In einem besonders bevorzugten Aspekt ist das Lösungsmittelsystem ein Gemisch aus Wasser und Isopropanol und die Aufnahme des Roh-Tryptophans findet bei Temperaturen von kleiner als 30°C statt. Dabei können sehr hohe Ausbeuten erreicht werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform davon ist Schritt (2) enthalten.
In einem bevorzugten Aspekt, wenn der Aufkonzentrierungsschritt (2) im Verfahren enthalten ist, beträgt der Anteil des mindestens einen Alkohols 5 bis 95 Gew.-%, bevorzugt 20 bis 60 Gew.-%, stärker bevorzugt 30 bis 50 Gew.-%, in Bezug auf das Lösungsmittelsystem.
In einem alternativen bevorzugten Aspekt, wenn der Aufkonzentrierungsschritt (2) im Verfahren nicht enthalten ist, beträgt der Anteil des mindestens einen Alkohols 5 bis 95 Gew.-%, bevorzugt 5 bis 30 Gew.-%, in Bezug auf das Lösungsmittelsystem.
Wird ein Lösungsmittelsystem aus Wasser und mindestens einem Alkohol verwendet, so kann Einfluss auf die Form des erhaltenen L-Tryptophans genommen werden. Insbesondere können, je höher der Alkoholanteil am Lösungsmittelsystem ist, größere Partikel, insbesondere in Form von Agglomerate von Einzelkristallen, erhalten werden. Die plättchenförmigen Einzelkristalle agglomerieren dabei während des Kristallisationsprozesses zu Stapeln von Plättchen.
In einem weiteren Aspekt weisen die, insbesondere stapelartig agglomerierten, Partikel bevorzugt einen mittleren projektionsflächengewichteten Durchmesser von 100 bis 1000 µm, bevorzugt 250 bis 500 µm auf. Dieser Durchmesser wird dabei bestimmt mittels optischer Bildanalyse. Solche gröberen Partikel können Vorteile in Bezug auf Fest/Flüssig-Trennung, Kristallwäsche und Reinheit und Qualität des Endproduktes aufweisen, da sie einen offenporigen Filterkuchen bilden, durch den die Mutterlauge abfließen kann, während nicht-agglomerierte Einzelkristalle in der Fest/Flüssigtrennung eine wenig-durchlässige Schicht ausbilden.
In einem weiteren Aspekt enthält das Verfahren einen Aufkonzentrierungsschritt (2) bei der die erhaltene Lösung aus Schritt (1) bei einer Temperatur von bis zu 60°C, bevorzugt von 20 bis 55 °C aufkonzentriert wird.
Das Aufkonzentrieren kann dabei durch dem Fachmann bekannten Verfahren erfolgen, geeignete Verfahren sind zum Beispiel Eindampfen, Membranverfahren, Gefrierkonzentration, Insbesondere ist in der vorliegenden Erfindung bevorzugt, dass das Aufkonzentrieren durch Eindampfen stattfindet, insbesondere in einem Rotations-Dünnschichtverdampfer.
In einem weiteren Aspekt kann der Aufkonzentrierungsschritt (2) unter reduziertem Druck stattfinden. Im Sinne der vorliegenden Erfindung handelt es sich um reduzierten Druck, sobald dieser 50 mbar geringer ist als der Umgebungsdruck, der an dem Ort vorherrscht in dem das Verfahren stattfindet. Es ist insbesondere bevorzugt, dass die Löslichkeit von L-Tryptophan im Schritt (2) nicht überschritten wird und somit im Wesentlichen kein L-Tryptophan ausfällt.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung enthält einen Kühlungskristallisationsschritt (3), wobei das L-Tryptophan durch Abkühlen der Lösung aus Schritt (1) oder Schritt (2) auf eine Temperatur von < 30°C, vorzugsweise ≤ 20°C gekühlt wird.
Da es sich um einen Kühlungsschritt handelt ist es für den Fachmann offensichtlich, dass die Lösung in Schritt (1) oder, wenn vorhanden, Schritt (2) eine höhere Temperatur haben muss als die Temperatur auf welche in Schritt (3) gekühlt wird.
Durch Abkühlen kann das L-Trp aus der Lösung auskristallisieren und durch anschließende Abtrennung, insbesondere Fest/Flüssigtrennung und Kristallwäsche aus als Feststoff gewonnen werden. Aufgrund des geringen Anteils oder der Abwesenheit von Säuren, Basen und Salzen ist eine Aufarbeitung und Rückführung der Mutterlauge in den Prozess, insbesondere in Schritt (1), möglich. Gleiches gilt für das in im Aufkonzentrierungsschritt (2) entfernte Lösungsmittel.
In einem Aspekt beträgt die Temperaturdifferenz zwischen Schritt (3) und Schritt (1) bzw. Schritt (2) 5 bis 40 °C, stärker bevorzugt 20 bis 30 °C. In einem weiteren bevorzugten Aspekt findet das Abkühlen mit einer Rate von bis 5 K/min, vorzugsweise 0,05 bis 1,5 K/min, statt.
Das Abkühlen kann dabei aktiv oder passiv erfolgen, beispielsweise durch Mantelkühlung eines Behälters oder Rohrapparates oder durch Vakuumkühlung (Abdampfen eines geringen Teils des Lösungsmittels ohne Wärmezufuhr) bei reduziertem Druck entsprechend des Dampfdruckes des Systems auf die gewünschte Zieltemperatur.
In einem weiteren Aspekt wird im Kühlungskristallisationsschritt (3) zusätzlich die Lösung mit L-Tryptophan Kristallen angeimpft. Besonders bevorzugt werden dabei 0,01 bis 1 g an kristallinem L-Tryptophan pro g zu kristallisierendem L-Tryptophan zu der Lösung gegeben. Durch das Animpfen kann ein stabilerer Prozess, insbesondere im kontinuierlichen Verfahren erhalten werden.
Das Abtrennen des in Schritt (3) erhaltenen festen L-Tryptophans, insbesondere in kristalliner Form, von der flüssigen Phase kann durch Verfahren die dem Fachmann bekannt sind erfolgen. Insbesondere geeignet sind dabei Sedimentation, Filtration, Fliehkraftabscheidung oder Zentrifugation. Das so erhaltene feste L-Tryptophan kann gegebenenfalls einer Kristallwäsche unterzogen werden, bevorzugt mit einem der vorstehend genannten Monoalkohole.
In einem weiteren Aspekt erhält man in Schritt (3) bevorzugt eine Ausbeute von 30 bis 98 Gew.-% an festem L-Tryptophan basieren auf dem Gesamtgewicht des eingesetzten Roh-Tryptophans. Die Bestimmung der Ausbeute erfolgt dabei mittels einer Konzentrationsanalytik, die dem Fachmann bekannt ist, z.B. thermogravimetrische Analytik, UV/VIS-Spektroskopie, IR-Spektroskopie, bevorzugt durch thermo-gravimetrische Konzentrationsanalytik der flüssigen Mutterlauge nach Erreichen der Zieltemperatur in Schritt (3).
In einem weiteren Aspekt wird das System bezüglich Temperatur, Zusammensetzung des Lösungsmittelsystems und Konzentration an L-Tryptophan entsprechend der gewählten Temperatur und Zusammensetzung des Lösungsmittelsystems vor dem Schritt (2), sowie die Temperatur in Schritt (2) festgelegt. Somit kann durch die Wahl des Eindampfdruckes in Schritt (2) entsprechend des Dampfdruckverhaltens des Systems die Lösungszusammensetzung nach der Eindampfung (2) eingestellt werden und die Ausbeute variiert werden.
In einem weiteren Aspekt sind die Temperatur und der Druck in Schritt (2) festgelegt. Somit kann durch die Wahl der Lösungsmittelzusammensetzung, Temperatur und Konzentration an L-Tryptophan entsprechend der gewählten Temperatur und Zusammensetzung des Lösungsmittelsystems vor Schritt (2) die Ausbeute der Kühlungskristallisation variiert werden.
In einem weiteren Aspekt wird bei Rückführung der Mutterlauge in den Prozess ein Purge-Strom im Verfahren verwendet. Dieser begrenzt den Anteil der aus dem Roh-Trp und der Mutterlauge eingetragenen Verunreinigungen insbesondere in Schritt (2), (3) und (4), um die gewünschte Produktqualität sicherzustellen. Dabei wir vorzugsweise ein prozentualer Anteil der erhaltenen Mutterlauge, bevorzugt 1 bis 95 %, besonders bevorzugt 3 bis 25 % nicht in den Prozess zurückgeführt, sodass die die Konzentration an Verunreinigungen limitiert wird. Der Purge-Strom wird insbesondere dann entnommen, wenn Nebenkomponenten aus dem Rohtryptophan in erhöhter Konzentration die Reinheit und/oder die Kristallform und/oder die Kristallstruktur nachteilig beeinflussen.
zeigt ein Flussdiagramm für ein erfindungsgemäßes Verfahren, das den Aufkonzentrierungsschritt (2) enthält.
zeigt ein Flussdiagramm für ein erfindungsgemäßes Verfahren, das keinen Aufkonzentrierungsschritt (2) enthält.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann als kontinuierliches oder diskontinuierliches Verfahren oder als Kombination aus kontinuierlichen und diskontinuierlichen Verfahren durchgeführt werden.
Kontinuierliches Verfahren
Kontinuierliche Verfahren sind dem Fachmann bekannt. Ein kontinuierliches Verfahren liegt insbesondere dann vor, wenn einer oder mehrere der beschriebenen Prozessschritte so durchgeführt werden, dass sowohl Ausgangsmaterialien als auch Produktmaterialien zeitlich kontinuierlich oder regelmäßig periodisch zum Prozessschritt zugeführt, bzw. aus dem Prozessschritt entnommen werden, währenddessen der Prozessschritt nicht unterbrochen wird. Besonders geeignete Verfahren verwenden zum Beispiel in Schritt (3) einen Rohrkristallisator mit oder ohne Einbauten, geraden oder gekrümmten Rohrabschnitten und pulsierender oder nicht-pulsierender Strömung, einen Wendelrohr-Kühlungskristallisator, insbesondere einen Wendelrohr-Kühlungskristallisator, wie in L. Hohmann et al. „Design of a Continuous Tubular Cooling Crystallizer for Process Development on Lab-Scale" Chem. Eng. Technol. 39 (7), 2016, 1268-1280 beschrieben. Insbesondere eine Kombination aus diesem mit einem Rotations-Dünnschichtverdampfer in Schritt (2).
Diskontinuierliches Verfahren
Diskontinuierliche Verfahren sind dem Fachmann bekannt. Ein diskontinuierliches Verfahren liegt insbesondere dann vor, wenn einer oder mehrere der beschrieben Prozessschritte so durchgeführt werden, dass die Zuführung von Ausgangsmaterialen, die Durchführung des Prozesschrittes und die Entnahme der Produktmaterialien zeitlich versetzt vorgenommen werden. Ein besonders geeignetes diskontinuierliches Verfahren ist ein Batch-Verfahren, insbesondere in einem temperierbaren Rührbehälter.
Figurenliste

: L-Tryptophan-Prozess mit Aufkonzentrierungsschritt, die gestrichelten Linien zeigen an das der jeweilige Schritt optional ist.
: Alternativer L-Tryptophan-Prozess ohne Aufkonzentrierungsschritt, die gestrichelten Linien zeigen an das der jeweilige Schritt optional ist.
: Mikroskop-Aufnahmen der gebildeten L-Trp-Kristalle bei unterschiedlichen 1PrOH-Anteilen im Lösungsmittel. Kristallisation aus der gesättigten Lösung bei 40 °C im Eisbad (~ 1 °C).
: Mikroskop-Aufnahmen der gebildeten L-Trp-Kristalle bei unterschiedlichen iPrOH-Anteilen im Lösungsmittel. Kristallisation aus der gesättigten Lösung bei 40 °C im Eisbad (~ 1 °C).
: Produktkristalle aus der Batchkühlungskristallisation bei einer Abkühlrate von 0,5 K/min aus verschiedenen Lösungsmittelsystemen.
: Produktkristalle aus der Batchkühlungskristallisation bei einer Abkühlrate von 1,0 K/min aus verschiedenen Lösungsmittelsystemen.
: Axiales Temperaturprofil von Produkt und Kühlmedium während der kontinuierlichen Kühlungskristallisation von L-Tryptophan im Wendelrohr-Kühlungskristallisator.

Beispiele:
Beispiel 1: Kühlungskristallisation in diskontinuierlicher Betriebsweise - A
Es wurden Lösungsmittelsysteme Wasser, 1-Propanol/Wasser (20, 40 bzw. 60 Gew.-% 1PrOH) und Isopropanol/Wasser (20, 40 bzw. 60 Gew.-% iPrOH) in Glasgefäßen angesetzt. Im zweiten Schritt wurde reines L-Tryptophan im Überschuss zugesetzt, das Gefäß verschlossen und die Suspensionen unter Rühren auf gewünschte Temperaturen zwischen 10 und 60 °C gebracht. Die Suspensionen wurden für 48 h bei konstanter Temperatur gerührt (equilibriert) wobei eine optisch trübe Suspension (gesättigte Lösung mit überschüssigen Partikeln) erhalte wurde. Mittels einer Spritze wurde eine Suspensionsprobe entnommen und mittels Steril-Spritzenvorsatzfilter (Porenweite 0.2 µm) klare Lösung (ca. 5 g) in Reagenzgläser überführt und dann im Eisbad heruntergekühlt. Die entstandenen Kristalle wurden im Mikroskop analysiert.
Ergebnisse, siehe und . Überraschend wurde gefunden, dass in reinem Wasser plättchenförmige Einzelkristalle erhalten wurden, während mit steigendem Alkoholanteil im Lösungsmittelgemisch zunehmend stapelartige Agglomeration der Einzelkristalle beobachtet wurde.
Beispiel 2: Kühlungskristallisation in diskontinuierlicher Betriebsweise - B

Versuche zur Batchkristallisation wurden in Wasser, bei 20 % Isopropanol im Lösungsmittelgemisch und bei 26 % 1-Propanol im Lösungsmittelgemisch durchgeführt. Dafür wurden in einem temperierten Doppelmantelgefäß Mischungen (70 g Lösungsmittel) entsprechend der Löslichkeit bei 50 °C (1,4 g in H₂O, 1,7 g in iPrOH, 2,5 g in 1PrOH) angesetzt und bei 60 °C für 2 h gerührt, sodass eine klare Lösung erhalten wurde. Die Lösungen wurden mittels kontrollierter linearer Abkühlrate (Regelung auf die Gefäßinnentemperatur) von 0,5 K/min und 1,0 K/min auf 20 °C abkühlt und die erhaltene Kristallsuspension für weitere 20 min bei 20 °C konstant unter Rühren temperiert. Mittels Spritze/Spritzenvorsatzfilter wurde klare Lösung entnommen und mittels thermogravimetrischer Methode hinsichtlich der gelösten Restmenge untersucht. Dabei wurden die Proben im Anschluss unter Vakuum (300 mbar_abs) bei 60 °C für mindestens 48 h getrocknet und so die in der filtrierten gesättigten Lösungs-Probe gelöste Trockenmasse bestimmt. Die relative Ausbeute ist in nachstehender Tabelle 1 aufgezeigt. Tabelle 1: Relative Ausbeuten in der Batch-Kühlungskristallisation bei Abkühlung von 50 °C (Temperatur von Schritt (1)) auf 20 °C aus Wasser und propanolisch/wässrigen Lösungsmittelgemischen bei verschiedenen linearen Abkühlraten. Die relative Ausbeute beschreibt den Anteil der max. Ausbeute (Gleichgewichtszustand bei 20 °C), der im Prozess erreicht wurde. Messung der Ausbeute mittels gravimetrischer Konzentrationsanalytik der flüssigen Mutterlauge 20 min nach Ende der Temperaturrampe und anschließender konstanter Temperierung bei 20 °C

Lösungsmittelsystem	Zusammensetzung des Lösungsmittelgemischs	Abkühlrate	Max. Ausbeute Y_max	Rel. Ausbeute Φ
j	w_j-	r
	[g_j-Wasser g_j ^-1]	[K min^-1]	[%]	[%]
Wasser	0,00	0,5	37,2	75,5 ± 3,8
Wasser	0,00	1,0	37,2	73,5 ± 7,0
1 PrOH + Wasser	0,26	0,5	50,7	91,4 ± 1,4
1 PrOH + Wasser	0,26	1,0	50,7	92,1 ± 1,9
iPrOH + Wasser	0,20	0,5	59,4	97,8 ± 1,1
iPrOH + Wasser	0,20	1,0	59,4	99,5 ± 2,1

Überraschend wurde gefunden, dass insbesondere im Isopropanol/Wasser-Gemisch eine Ausbeute nahe der theoretischen Ausbeute erzielt wurde, obwohl die theoretische Ausbeute bei diesem System höher sein sollte als in Wasser oder im 1-Propanol/Wasser-Gemisch ist. Dies lässt auf eine überraschend hohe Kristallwachstumsrate bei diesem System schließen.
Bei der Kristallisation aus den Alkohol/Wasser-Gemischen wurde eine stapelartige Agglomeration der Einzelkristalle beobachtet während bei der Kristallisation aus Wasser nicht-agglomerierte Einzelkristalle beobachtet wurden, siehe und .
Beispiel 3: Kühlungskristallisation in kontinuierlicher Betriebsweise
Für die Kühlungskristallisation im kontinuierlichen Betrieb wurde ein Wendelrohr-Kühlungskristallisator im Labormaßstab mit einem Fluoretyhlenpropylen-Schlauch (Innendurchmesser 4 mm, Länge 6,54 m) verwendet. Das Design entspricht der Beschreibung in Hohmann et al., „Design of a Continuous Tubular Cooling Crystallizer for Process Development on Lab-Scale" Chem. Eng. Technol. 39 (7), 2016, 1268-1280 beschrieben wird. In einem gerührten und temperierten Vorlagebehälter mit Doppelmantel (Glas) wurden 2.5 kg eines 20 Gew.-% Isopropanol/Wasser-Gemischs angesetzt und eine Menge L-Tryptophan entsprechend der Löslichkeit (40,6 g) bei 34 °C zugesetzt. Die Lösung wurde um 5 K überhitzt und für 2 h dieser Temperatur gerührt um eine klare Lösung zu erhalten. Im Anschluss wurde analog zu Beispiel 2 die Temperatur in der Vorlage mit einer linearen Kühlrate von 0.5 K/min auf 32 °C abgekühlt und bei dieser Temperatur für mindesten 14 h gehalten um eine Kristallsuspension als Impfkristallsuspension zu erhalten.
Zum Vorheizen wurde der Wendelrohr-Kühlungskristallisator zunächst mit auf 33,1 °C vortemperiertem vollentsalztes Wasser mit einem Massenstrom von 17,4 g/min beschickt wobei auf 20 °C vortemperierte Luft mit einem Volumenstrom von 20 L/h als Kühlmedium im Gegenstrom geführt wurde. Dabei wurde ein näherungsweise lineares axiales Temperaturprofil ausgebildet, wobei eine Abkühlung der Lösung von 33,1 °C auf 29,1 °C erreicht wurde, siehe . Es ergab sich eine mittlere Abkühlrate von 1.13 K/min. Nach dem Einlaufen des Temperaturprofils wurde die Ansaugleitung der Schlauchpumpe mittels eines Dreiwegeventils auf die Impfkristallsuspension umgestellt, sodass der Wendelrohr-Kühlungskristallisator mit der vorbereiteten Impfkristallsuspension beschickt wurde und durch die Abkühlung der Kristallsuspension entlang der Rohrachse Kristallwachstum erreicht wurde. Der Betrieb konnte 2,5 h aufrechterhalten werden, bis die vorgelegte Impfkristallsuspension aufgebraucht war, ohne dass Wandanhaftungen oder Verblockungen beobachtet wurden. Durch thermogravimetrische Analyse der Impfkristalllösung und der Produktlösung (Mutterlauge) wurde die relative Ausbeute des kontinuierlichen Kristallisationsprozesses bezogen auf die Löslichkeit bei einer Austrittstemperatur von 29,1 °C mit 36,3 % bestimmt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0274728 A1 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

T.E. Needham et al. „Solubility of Amino Acids in Pure Solvent Systems“, J. Pharm. Sci., 60 (4), 1971, 565-567 [0003]
J. Yang et al. „Spherulitic Crystallization of L-Tryptophan: Characterization, Growth Kinetics, and Mechanism“ Cryst. Growth Des., 15 (10), 2015, 5124-5132 [0004]
C.H. Görbitz et al., Single-crystal investigation of L-tryptophan with Z' = 16', Acta Cryst., 2012, B68, 549-557 [0013]
L. Hohmann et al. „Design of a Continuous Tubular Cooling Crystallizer for Process Development on Lab-Scale“ Chem. Eng. Technol. 39 (7), 2016, 1268-1280 [0047]
Hohmann et al., „Design of a Continuous Tubular Cooling Crystallizer for Process Development on Lab-Scale“ Chem. Eng. Technol. 39 (7), 2016, 1268-1280 [0054]

Claims

Verfahren zur Aufarbeitung von L-Tryptophan aus Roh-Tryptophan, umfassend (1) Aufnehmen des Roh-Tryptophans in einem Lösungsmittelsystem umfassend Wasser und vorzugsweise mindestens einen Alkohol bei einer Temperatur im Bereich von bis zu 60°C, vorzugsweise 10 bis 50°C, vorzugsweise bis zur Sättigung; (2) optional Aufkonzentrieren, vorzugsweise Eindampfen, der in Schritt (1) erhaltenen Lösung bei einer Temperatur von bis zu 60°C, vorzugsweise bis 50°C, und/oder reduziertem Druck; (3) Kühlungskristallisation von L-Tryptophan durch Abkühlen der Lösung aus Schritt (1) oder falls vorhanden Schritt (2) auf eine Temperatur <30°C, vorzugsweise ≤20°C; und (4) Abtrennen des in Schritt (3) erhaltenen festen L-Tryptophans, insbesondere in kristalliner Form, von der flüssigen Phase.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren kontinuierlich oder als Batch-Verfahren durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in Schritt (1) eingesetzte Lösungsmittelsystem einen Gewichtsanteil von 5 bis 95 Gew.-%, bevorzugt 5 bis 60 Gew.-%, stärker bevorzugt 5 bis 30 Gew.-% oder 20 bis 60 Gew.-%, insbesondere 30-50 Gew.-%, des mindestens einen Alkohols bezogen auf das Gesamtgewicht des Lösungsmittelsystems enthält.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass (i) das Verfahren den Schritt (2) beinhaltet und das in Schritt (1) eingesetzte Lösungsmittelsystem einen Gewichtsanteil von 20 bis 60 Gew.-%, bevorzugt 30 bis 50 Gew.-%, des mindestens einen Alkohols, bezogen auf das Gesamtgewicht des Lösungsmittelsystems enthält; oder (ii) das Verfahren den Schritt (2) nicht beinhaltet und das in Schritt (1) eingesetzte Lösungsmittelsystem einen Gewichtsanteil von 5 bis 30 Gew.-% des mindestens einen Alkohols bezogen auf das Gesamtgewicht des Lösungsmittelsystems enthält; oder (iii) das in Schritt (1) eingesetzte Lösungsmittelsystem einen Gewichtsanteil von 0 Gew.-% des mindestens einen Alkohols bezogen auf das Gesamtgewicht des Lösungsmittelsystems enthält, um das L-Tryptophan in Form von Einzelkristallen zu erhalten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt (4) erhaltene Partikelform durch die in Schritt (1) eingesetzte Menge des mindestens einen Alkohols eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Alkohol in dem Lösungsmittelsystem ausgewählt wird aus Monoalkoholen, vorzugsweise Methanol, Ethanol, 1-Propanol, Isopropanol oder Gemischen davon, besonders bevorzugt 1-Propanol, Isopropanol oder Gemische davon, am meisten bevorzugt Isopropanol.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (1) bei einer Temperatur von 10 bis 50°C durchgeführt wird, vorzugsweise bei bis zu 50°C, wenn Schritt (2) nicht durchgeführt wird, und bis 30°C wenn Schritt (2) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (2) bei einer Temperatur von 30 bis 60°C, vorzugsweise 40 bis 50°C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (2) bei einer Temperatur und einem Druck und für eine Dauer durchgeführt wird, die sicherstellen, dass die Löslichkeit von L-Tryptophan bei den Eindampfungsbedingungen nicht überschritten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (2) durch die Wahl der Bedingungen und der Dauer von Schritt (2) der Anteil des Alkohols an dem Lösungsmittelsystem reduziert wird, vorzugsweise um mindestens 10 Gew.-%, weiter bevorzugt um mindestens 20 Gew.-%, insbesondere auf einen Gesamtanteil des Alkohols an dem Lösungsmittel von 0 bis 40 Gew.-%, vorzugsweise etwa 20 Gew.-%, bezogen auf das Lösungsmittelsystem.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ein kontinuierliches Verfahren ist und Schritt (2) vorzugsweise in einem Rotations-Dünnschichtverdampfer durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (3) das Abkühlen mit einer Rate von bis 5 K/min, vorzugsweise 0,05 bis 1,5 K/min, erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Batch-Betrieb Schritt (3) in einem temperierbaren Rührbehälter und im kontinuierlichen Betrieb Schritt (3) in einem Rohrkristallisator mit oder ohne Einbauten, geraden oder gekrümmten Rohrabschnitten und pulsierender oder nicht-pulsierender Strömung, vorzugsweise in einem Wendelrohr-Kühlungskristallisator, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ein kontinuierliches Verfahren ist und in Schritt (3) ein kontinuierliches Animpfen mit L-Tryptophan Kristallen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in Schritt (2) abgezogene Lösungsmittel und/oder die in Schritt (4) als flüssige Phase erhaltene Mutterlauge in das Verfahren, insbesondere in Schritt (1), zurückgeführt wird.