DE1197467B

DE1197467B - Verfahren zur optischen Zerlegung racemischer Glutaminsaeure

Info

Publication number: DE1197467B
Application number: DEA37863A
Authority: DE
Inventors: Minoru Hara; Naomasa Mizoguchi; Ko Ohno; Tadao Takenishi
Original assignee: Ajinomoto Co Inc
Current assignee: Ajinomoto Co Inc
Priority date: 1960-05-25
Filing date: 1961-07-12
Publication date: 1965-07-29
Also published as: GB944306A; CH373054A; US3266871A; DE1418567A1

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

C07c

Deutschem.: 12 q-6/01

1 197 467
A37863IVb/12q
12. Juli 1961
29. Juli 1965

Die Erfindung betrifft die Verwendung der als Impfkristalle günstigsten Form für die optische Zerlegung racemischer Glutaminsäure.

Es sind verschiedene physikalisch-chemische Verfahren für die Zerlegung racemischer Glutaminsäure mittels der Impfmethode übersättigter racemischer Glutaminsäurelösungen bisher beschrieben, bei denen wohl Angaben über die Größe der Impfkristalle gemacht sind, aber keinerlei Angaben über die Kristallform der Impfkristalle sich finden.

Optisch aktive Glutaminsäure tritt in zwei Kristallformen auf: eine körnige oder prismenartige orthorhombische α-Form, deren Gitterkonstanten sind: a = 7,06 Ä, b = 10,3 A, c = 8,75 A (beschrieben von J. D. Bemal, Z. Kryst, 78, 363 [1931]); die zweite Form ist eine nadeiförmige schuppige orthorhombische ,S-Form, deren Gitterkonstanten sind: a = 5,17 A, b = 17,34 A, c = 6,95 A (beschrieben von S. Hirokawa, Acta Cryst, 8, 637 [1955]). Abkürzend werden diese Formen nachstehend als α-Form und ß-Fona bezeichnet.

D- oder L-Glutaminsäure wird gewöhnlich durch Kühlen einer übersättigten Lösung gewonnen, indem die wäßrige Lösung der Glutaminsäure unter vermindertem Druck oder unter Neutralisation mit Alkalien gewonnen wird, wobei entweder die wäßrige Lösung von Na-Glutamat oder von Glutaminsäurehydrochlorid auf den isoelektrischen Punkt der Glutaminsäure gebracht wird. Die auf diese Weise gewonnenen D- bzw. L-Glutaminsäurekristalle zeigen fast immer die ß-Form. Selbst wenn während der Kristallisation teilweise die α-Form ausgeschieden wird, geht diese über in die /S-Form. Für die Gewinnung der α-Form ist erfindungsgemäß eine besondere Vorrichtung notwendig.

Die nachstehend wiedergegebene Erkenntnis wurde hinsichtlich der beiden optisch aktiven Formen der Glutaminsäure gewonnen, wobei auf die Abbildungen Bezug genommen wird:

In der Abb. 1 sind die Röntgenspektren der α- und /?-Form optisch aktiver Glutaminsäure wiedergegeben. Da diese offenbar verschieden sind, kann man die Debeye-Scherrer-Methode für die quantitative Analyse von α- und /?-Form mit den Standardlinien hinsichtlich der Kristallmenge mittels der Brechungsintensität entweder der Ebene (111) für die α-Form oder der Ebene (101) für die /J-Form ermitteln.

In den A b b. 2 sind die Infrarotabsorptionsspektren von α- und /J-Form wiedergegeben. Während die /Ö-Form deutliche Absorptionsbande bei 1663 und 1640 cm^-1 als Folge der Streckschwingung von

Verfahren zur optischen Zerlegung racemischer
Glutaminsäure

Anmelder:

Ajinomoto Co., Inc., Tokio

Vertreter:

Dr. phil. O. Faust, Patentanwalt,

Göttingen, Am Goldgraben 26

Als Erfinder benannt:
Minoru Hara, Kawasaki;
Naomasa Mizoguchi, Musashino;
Tadao Takenishi,
Ko Ohno, Tokio (Japan)

Beanspruchte Priorität:

Japan vom 13. Juli 1960 (30 952)

COO- bzw. Beugungsschwingung von NH₃ ⁺ zeigt, ist die durch die COO-Vibration erzeugte Absorptionsbande der α-Form nach 1683 cm^-1 verschoben. Die α-Form besitzt eine intensive Absorptionsbande bei 1585 cm-¹, aber die ^-Form zeigt nur eine sehr schwache Absorption in diesem Gebiet. Die durch die NH₃ ⁺-Schwingung erzeugte Absorptionsbande bei 1513 cm"¹ ist für die /J-Form intensiv, wird aber bei der α-Form nicht beobachtet. Auch die durch die CH₂-Schwingung erzeugte Absorptionsbande bei 1353 cmr¹ findet sich nur bei der α-Form. Ferner sind die bei 1100 bis 1200 cm"¹ liegenden Bande infolge des die Schwingungen blockierenden NH₃ ⁺ sehr verschieden voneinander, und im Hinblick auf die durch die aus der Ebene herausschwingende OH-Def ormation verursachte Absorption wird sie bei der /?-Form bei 807 cm"¹ beobachtet, bei der α-Form jedoch bei 820 cm-¹.

Wie vorstehend erläutert, finden sich erhebliche Unterschiede zwischen den Infrarotspektren der α- und der /?-Form und ebenso bei den Röntgenbeugungsspektren. Diese Umstände erhärten die Feststellung, daß die Strukturen der α- und der yS-Formkristalle ganz verschieden sind. Es wurde weiter gefunden, daß die α-Form eine größere Kristallwachstumsgeschwindigkeit besitzt als die /J-Form und daß die α-Form als Impfkristalle für die optische Zerlegung racemischer Glutaminsäure hinsichtlich der

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Ausbeute an l- und D-Glutaminsäure und deren Reinheitsgrad günstiger liegt. Wie unten bemerkt, erwies sich auch die Verwendung der α-Form als Impfkristalle wirkungsvoller für die Stabilität des Zerlegungsverfahrens und für die Reinheit der Produkte wegen der leichteren Abtrennbarkeit von der Mutterlauge dank ihrer günstigeren Form.

Hierauf wurde die vorliegende Erfindung abgestellt. Die Eigenschaften und Wirkungen der Erfindung sollen in den nachstehenden Beispielen erläutert werden.

Tabelle I gibt die Untersuchungsergebnisse wieder, unter welchen Bedingungen die Zerlegung von Glutaminsäurerazemat die gleiche ist wie in Beispiel 1 mit Ausnahme der Kristallgröße und der Impfkristallgröße.

Tabelle I

Nr. der Unter suchung	Kristallform der Impfkristalle	Maschengröße der Impfkristalle	Angewandte Impfkristall menge g	Versuchs dauer Minuten	Zuwachs an optischer aktiver Glutaminsäure g	Optische Reinheit des Zuwachses Vo	Wachstums geschwindigkeit der optischen aktiven Glutaminsäure
1 2 3 4 5 6	Λ ß α ß (X β	80 bis 100 80 bis 100 100 bis 150 100 bis 150 150 bis 200 150 bis 200	2,99 2,94 3,00 2,99 3,00 3,05	15 15 10 10 10 10	2,56 1,97 1,50 1,07 1,20 0,97	99,1 85,6 95,1 85,8 96,3 88,3	5,70 5,46 5,00 3,59 4,00 3,18

In Tabelle I ist der Ausdruck »Wachstumsgeschwindigkeit der optisch aktiven Glutaminsäurekristalle« definiert als der Wert

Zuwachs an optisch aktiver Glutaminsäure

Menge der verwendeten Impfkristalle mal Versuchsdauer '

der das Verhältnis der Wachstumsgeschwindigkeit unter den jeweiligen Bedingungen angibt. Der Vergleich dieser Werte zeigt, daß die α-Form offenbar eine höhere Wachstumsgeschwindigkeit hat als die /3-Form unter denselben Bedingungen. Es ist eine Besonderheit der vorliegenden Erfindung, daß in einer so kurzen Versuchsdauer, wie aus den Tabellen ersichtlich, ein so erheblicher Unterschied hinsichtlich der Ausbeute und der optischen Reinheit der erhaltenen Erzeugnisse festgestellt werden konnte.

Es wurde früher von den Erfindern ein Verfahren für die kontinuierliche Trennung racemischer Aminosäuregemische vorgeschlagen (deutsche Auslegeschrift 1117595), für das die folgenden Vorschläge gemacht wurden: Die Impfkristalle für die zu gewinnende enantiomorphe Kristallart wurden am Boden einer Kolonne in einer übersättigten Lösung suspendiert eingeführt Die Impfkristalle wuchsen zu groben Kristallen an, die im unteren Teil der Kolonne suspendiert waren und am Boden derselben entfernt worden, während neue Impfkristalle am Kolonnenkopfende nachgeliefert wurden. Irgendwelche etwa auskristallisierende Kristalle der Antipodenoder racemischen Form verblieben in der oben abfließenden Lösung, so daß die optische Reinheit der zu gewinnenden gewachsenen Kristalle ohne Verunreinigung durch feine Kristalle aufrechterhalten werden kann. Zu der oben abfließenden Lösung wird so viel racemische Substanz wieder zugefügt, wie der Menge der an den Impfkristallen gewachsenen und entfernten Substanzmenge entspricht, und dann diese Lösung wieder im Kreislauf zur racemischen Trennung nach erfolgter Lösung eingeführt.

Bei diesem Verfahren spielt die Fluidität der Impfkristalle und der suspendierten gewachsenen Kristalle in der Kolonne eine wichtige Rolle für die Stabilität des Vorganges. Wenn in diesem Verfahren Kristalle reich an α-Form als Impfkristalle verwendet werden, wachsen die Kristalle zu beinahe sphärischen polyedrischen großen Kristallen. Die Kristallgröße geht kontinuierlich von größeren Kristallen im Kolonnenunterteil zu kleineren Kristallen im Kolonnenoberteil über, während feine Kristalle der optischen Antipode oder von racemischer Glutaminsäure, die aus der Lösung auskristallisieren, von am Kolonnenkopf abfließender Lösung mitgerissen werden. Demgemäß arbeitet dieses Verfahren kontinuierlich und mit hohem Reinheitsgrad der erzielten Produkte.
Andererseits entstehen bei Benutzung von an der /?-Form reichen Impfkristallen entweder nadeiförmige Kristalle an der Oberfläche der Impfkristalle, oder die Oberflächen derselben werden während ihres Wachstums uneben. Bisweilen wachsen solche Impfkristalle auch unter Bildung von Platten.

In jedem Fall wächst der Widerstand der Kristalle gegenüber der nach oben steigenden, vom Kolonnenboden aus eingeführten Glutaminsäurelösung, so daß bei einer eintretenden Störung in der Verteilung der Kristallgröße in der Kolonne die erstrebten gewachsenen Kristalle am Kolonnenkopf mit abfließender Lösung feiner racemischer oder optischer Antipoden von Glutaminsäurekristallen verunreinigt werden und schließlich das kontinuierliche Arbeitsverfahren nicht aufrechterhalten werden kann.

Selbst wenn das kontinuierliche Verfahren durchgeführt werden könnte, würde der optische Reinheitsgrad der erhaltenen Produkte verringert werden, weil die Wachsgeschwindigkeit der yS-Form gering ist und größere Mengen von Mutterlauge das Produkt im Augenblick der Abtrennung von der Lösung infolge der ungleichmäßigen Kristalloberfläche verunreinigen würden.

In Tabelle II sind die Versuchsergebnisse bei der Trennung racemischer Glutaminsäure unter gleichen Bedingungen wie im Beispiel 2 wiedergegeben, jedoch mit Ausnahme des a-Formgehaltes der Impfkristalle. Was den Gehalt an α-Form betrifft, soll das nicht heißen, daß ein gewisser Prozentsatz von reinen

α-Formkristallen mit den verbleibenden ^-Formkristallen gemischt ist, aber es ist so zu verstehen, daß in einzelnen Kristallen ein gewisser Prozentsatz an α-Form mit einem restlichen Prozentsatz /5-Form enthalten ist.

	Tabelle II	Optische Reinheit der gewachsenen Kristalle Vo	Stabilität des Arbeits vorganges
α-Form der Impf kristalle Vo	Gewicht der gewachsenen Kristalle Gewicht der Impfkristalle	97,4 93,6	geeignet für konti nuierliches Verfahren ungeeignet für eine längere Arbeitsdauer als 1 Tag
75 30	10 10

Tabelle III gibt die Versuchsergebnisse für die optische Trennung racemischer Glutaminsäure mittels verschiedene Mengen α-Form enthaltenden Impfkristallen, wie im Beispiel 3, wieder.

Tabellen!

α-Form	Gewicht der gewachsenen	Optische Reinheit
der Impfkristalle	Kristalle	der gewachsenen Kristalle
	Gewicht
Vo	der Impfkristalle	Vo
85	4	97,3
45	4	96,9
35	4	96,9
12	4	82,0
10	4	74,5

Der Ausdruck »Kristall« oder »Kristalle« in Tabellen II und III bezieht sich auf L-Glutaminsäure, aber die Ergebnisse für D-Glutaminsäure sind nahezu die gleichen wie in diesen Tabellen angegeben.

Unter Berücksichtigung der angeführten Beispiele ist es offenbar vorteilhaft, als Impfkristalle die an α-Form reiche optisch aktive Glutaminsäure zur Trennung racemischer Glutaminsäurelösungen bei der Impfmethode für übersättigte racemische Lösungen zu verwenden.

Insbesondere für die industrielle Herstellung optisch aktiver Glutaminsäure mit einem optischen Reinheitsgrad von etwa über 90% ist die Verwendung optisch aktiver Impfkristalle mit einem Gehalt von etwa 30 oder über 30 %> α-Form außerordentlich wirkungsvoll.

Beispiel 1

Eine heiße wäßrige Lösung mit 7% racemischer Glutaminsäure, 15% racemischem Mononatriumglutamat und 1 % L-Glutaminsäure wurde hergestellt. Ein Gefäß mit 100 ecm dieser Lösung wurde in ein Thermostatenbad von 55° C eingebracht. Es wurden 2,99 g der a-Formkristalle von L-Glutaminsäure mit einer Maschengröße von 1000 bis 1500 Maschen je Quadratzentimeter als Impfkristalle in die 55° C warme Lösung gegeben und das Gemisch 15 Minuten bei dieser Temperatur gerührt. Die gewachsenen Kristalle wurden abflltriert, gewaschen und getrocknet und ergaben 5,58 g gewachsene L-Kristalle mit einer optischen Reinheit von 99,6 %.

In gleicher Weise wurde ein weiterer Versuch durchgeführt, jedoch wurden als Impfkristalle 2,94 g der ß-Foua der L-Glutaminsäure benutzt, wobei

ίο 5,25 g gewachsene Kristalle mit einer optischen Reinheit von 93,7% erzielt wurden.

Daher ergaben sich nach Abzug der Impfkristallmenge 2,58 g mit einem optischen Reinheitsgrad von 99,1% bei Verwendung der «-Form-Impfkristalle und 2,30 g vom Reinheitsgrad von 85,6% bei Verwendung von jÖ-Form-Impfkristallen. Demgemäß war die erhöhte Menge, 0,9% im Fall der α-Form und 14,4 % im Fall der /?-Form, offenbar eine Folge der Kernbildung von racemischer Glutaminsäure, wäh-

ao rend die Nettomenge gewachsener L-Glutaminsäure 2,56 g im Fall der α-Form und 1,97 g im Fall der Impfung mit der /J-Form ergab. Also betrug die erhöhte Ertragsmenge an L-Glutaminsäure pro Zeiteinheit (in Minuten) und pro Gewichtseinheit (in

Gramm) der Impfkristalle 0,05 g für die α-Form und 0,04 g für die /9-Form.

Derartige bemerkenswerte Unterschiede in der Geschwindigkeit des Kristallwachstums bestehen also zwischen der Verwendung der α-Form und der ß-Fona und daher hinsichtlich der optischen Reinheit der erzielten Kristallausbeuten, so daß es höchst wirksam ist, als Impfkristalle für die optische Trennung racemischer Glutaminsäure a-Formkristalle zu benutzen.

Beispiel 2

In einem weiteren Versuch wurde eine bei"65° C und einem pH von 4,5 gesättigte wäßrige Lösung von racemischer Glutaminsäure unter Zusatz von Natriumhydroxyd hergestellt und in einem Gefäß bei· 70° C gehalten. Nach Abkühlung auf 55° C durch einen Kühler zwecks Herstellung einer übersättigten Lösung von Glutaminsäure wurde diese am Boden eines Kolonnenpaares von je 50 mm Durchmesser und 600 mm Höhe zwecks optischer Trennung mit einer Fließgeschwindigkeit von 3 l/min eingeleitet.

200 g Impfkristalle von d- bzw. (in einer anderen Kolonne) von L-Glutaminsäure von einer Maschengröße von 40 bis 90 Maschen je Quadratzentimeter und einem Gehalt an α-Form von 83 bzw. 88% wurden in getrennten Kolonnen in der darin aufwärts strömenden übersättigten Lösung suspendiert.

Die gewachsenen Kristalle von d- bzw. von L-Glutaminsäure wurden an den Kolonnenboden in einer Menge von 70 g/Stunde entfernt, während am Kolonnenkopf frische Impfkristalle von je 6 g d- bzw. in der anderen Kolonne von L-Glutaminsäure je Stunde hereingegeben wurden.

Zu der an den Kolonnenköpfen abfließenden, feine Kristalle racemischer Glutaminsäure enthaltenden Lösung wurde zur Erhaltung des Sättigungsgrades der racemischen Glutaminsäurelösung bei 65° C und einem pH von 4,5 entsprechend den Mengen der durch das Impfkristallwachstum entzogenen Mengen racemische Glutaminsäure nachgefügt und die Lösung wiederholt im Kreisverfahren verarbeitet. Nach 60stündigem Lauf wurden 4382 g L-Glutaminsäure

bzw. 4399 g D-Glutaminsäure gewonnen. Der mittlere optische Reinheitsgrad betrug für beide 96,8%. Während der ganzen Zeit arbeitete das Verfahren stabil und ohne irgendwelche Störungen.

Unter den gleichen experimentellen Bedingungen wurde ein weiterer Versuch unter Verwendung von 27% α-Form enthaltenden Impfkristallen durchgeführt.

Einige der in der Kolonne suspendierten Kristalle wuchsen im Verlauf hierbei in den erwähnten nadeiförmigen Kristallen an ihrer Oberfläche, und diese ungewöhnlichen Kristalle blieben im Kolonnenkopf zurück und sanken nicht während ihres Wachstums zum Kolonnenboden herunter. Nach 22 Stunden Dauer konnte der Versuch nicht weiter fortgesetzt werden, weil diese ungewöhnlichen Kristalle sich unter Verschlingen miteinander verbanden und schließlich in der Zerlegungskolonne erstarrten. Es wurden 1697 g L-Glutaminsäure bzw. 1654 g D-Glutaminsäure gewonnen.

Die optische Reinheit der gewachsenen Kristalle verringerte sich fortschreitend im Lauf der Zerlegungsreaktion, die mittlere optische Reinheit der gesamten gewachsenen Kristalle betrug 88,6% für L-Glutaminsäure bzw. 9O,2*/o für D-Glutaminsäure.

Beispiel 3

Eine wäßrige, bei 60° C gesättigte Lösung racemischer Glutaminsäure mit einem pH — 4,3 wurde durch Einbringen racemischer Glutaminsäure und Natriumhydroxyd in Wasser hergestellt und bei 70° C in einem Gefäß untergebracht. Nach Kühlung der Lösung in einem Kühlrohr zwecks Erhalt einer übersättigten Lösung wurde diese bei 55° C mit einer Fließgeschwindigkeit von 2 l/Min, in ein Paar parallel nebeneinander aber getrennt geschalteter Zerlegungsgefäße eingeleitet, die ein Fassungsvermögen von je 61 hatten und beide mit einer mechanischen Rührung ausgestattet waren. In jedem der Gefäße wurden je 500 g Impfkristalle mit einer Maschengröße von 140 bis 200 Maschen je Quadratzentimeter D- und L-Glutaminsäure mit einem a-Formgehalt von 45% suspendiert. Die aus jedem der beiden Gefäße

ίο am Kofpende ausfließenden Lösungen wurden miteinander vereinigt und diese Mischung wiederholt unter erneutem Zusatz von racemischer Glutaminsäure, wie im Beispiel 2 beschrieben, verarbeitet. Nach 7stündiger Versuchsdauer wurden die gewachsenen d- bzw. L-Glutaminsäurekristalle durch Zentrifugieren abgetrennt und ergaben 1,85 kg D-Glutaminsäure bzw. 1,82 kg L-Glutaminsäure, erstere mit einem optischen Reinheitsgrad von 97,1 bzw. letztere von 96,9%.

ao Im Gegensatz hierzu war der optische Reinheitsgrad für L-Glutaminsäure (1,83 kg) bzw. für D-Glutaminsäure (1,99 kg) nur 74,5 bzw. 82,0% bei unter gleichen Bedingungen ausgeführtem Versuch, bei welchen als Impfkristalle für die d- bzw. die L-Glut-

a5 aminsäure solche benutzt wurden, die nur 10 bzw. 12% a-Formkristalle enthielten.

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur optischen Zerlegung racemischer Glutaminsäure mittels Impfung einer übersättigten racemischen Glutaminsäurelösung, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Impfung optisch aktive Glutaminsäurekristalle, die etwa 30% oder mehr an der orthorhombischen α-Form enthalten, verwendet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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