DE1202795B

DE1202795B - Verfahren zur Isolierung von Glutaminsaeure aus Fermentationsmedien

Info

Publication number: DE1202795B
Application number: DEA40827A
Authority: DE
Inventors: Shinichi Motozaki; Mei Ohno; Isamu Komori
Original assignee: Ajinomoto Co Inc
Current assignee: Ajinomoto Co Inc
Priority date: 1961-07-28
Filing date: 1962-07-27
Publication date: 1965-10-14

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

C 07c

C12d

Deutsche KI.: 12 q-6/01

Nummer: 1202795

Aktenzeichen: A 40827IV b/12 q

Anmeldetag: 27. Juli 1962

Auslegetag: 14. Oktober 1965

Die Erfindung betrifft ein einfaches Verfahren zur Isolierung von Glutaminsäure in gutem kristallinem Zustand und hoher Ausbeute in industriellem Maßstab aus Glutaminsäure enthaltenden Fermentationsmedien, die bei der Fermentation von Kohlenhydraten erhalten worden sind, und außer der Säure noch die Zellen der Bakterien enthalten.

Es sind bereits einige Methoden zur Isolierung von Glutaminsäure aus Fermentationsmedien vorgeschlagen worden. Diese Methoden basieren auf dem Prinzip, entweder den pH-Wert des Fermentationsmediums mit Säure auf den isoelektrischen Punkt von Glutaminsäure einzustellen, um die Glutaminsäure zur Kristallisation zu bringen, oder zunächst das Glutaminsäure-Hydrochlorid auszukristallisieren und dann die Neutralisation durchzuführen, um Glutaminsäure in kristalliner Form zu erhalten. Da jedoch die Löslichkeit der Glutaminsäure in Wasser verhältnismäßig groß ist, sind viele Konzentrationsund Kristallisationsstufen notwendig, um kristalline Glutaminsäure in guter Ausbeute zu isolieren, und es ist schwierig, die Glutaminsäure in gutem Kristall-Habitus zu erhalten. Um die Glutaminsäure in einem besseren Kristall-Habitus zu erhalten und weiterhin die Abtrennung der Kristalle aus der Mutterlauge zu erleichtern, mußte man die Glutaminsäure entweder in Form ihres Hydrochlorids auskristallisieren und/ oder zersetzen und die in dem Glutaminsäure enthaltenden Fermentationsmedium vorhandenen Verunreinigungen entfernen. Diese Forderungen konnten, ohne Nachteile, wie große Säuremengen, vielfältige Manipulationen und großer apparativer Aufwand, in Kauf zu nehmen, nicht erfüllt werden.

Im Laufe weiterer Untersuchungen ist es gelungen, ein Verfahren zu entwickeln, das es ermöglicht, Glutaminsäure hohen Reinheitsgrades in hoher Ausbeute ohne komplizierte Isolierungsmanipulationen aus einem Fermentationsmedium zu isolieren, das außer Glutaminsäure Zellen von Bakterien enthält, die ein typisch schlecht filtrierbares Material darstellen.

Gemäß Erfindung ist es möglich, große Zinkglutamatkristalle in guten Kristall-Habitus zu erhalten, indem man Zinkionen in Lösung oder als Salz einem Fermentationsmedium im pH-Bereich von 5,0 bis 10,5 zusetzt, wobei kein Zinkhydroxyd ausfällt, und den pH-Wert der Lösung nach der Bildung von Zinkglutamatkernen auf 5,5 bis 7,5 einstellt, um die Zinkglutamatkristallisation zu vervollständigen. Die auf diese Weise entwickelten reinen Zinkglutamatkristalle können von der Bakterienzellen enthaltenden Mutterlauge auf Grund der unterschiedlichen Sedimentationsgeschwindigkeit der Zinkglutamatkristalle

Verfahren zur Isolierung von Glutaminsäure aus Fermentationsmedien

Anmelder:

Ajinomoto Kabushiki Kaisha, Tokio

Vertreter:

Dr. G. W. Lotterhos

und Dr.-Ing. H. W. Lotterhos, Patentanwälte,

Frankfurt/M., Annastr. 19

Als Erfinder benannt:

Shinichi Motozaki,

Mei Ohno, Tokio;

Isamu Komori, Yoshihisa Sugita, Kanagawa-ken (Japan)

Beanspruchte Priorität:

Japan vom 28. Juli 1961 (26 748)

und der Bakterienzellen voneinander getrennt werden. Da die Umsetzung in flüssiger Phase in einem pH-Bereich durchgeführt wird, in dem kein Zinkhydroxyd ausgefällt wird, verläuft die Reaktion zwischen Glutaminsäure und Zinkionen sehr schnell, selbst bei Raumtemperatur, und zwar bis zu einem Ausmaß von 100 °/o) wobei das auf diese Weise gebildete Zinkglutamat aus dem Reaktionssystem ausfällt. Da sich Zinkglutamat in Wasser in einem pH-Bereich von 5,5 bis 7,5 nur sehr schwer löst, kann eine große Glutaminsäuremenge in einer Kristallisationsoperation gewonnen werden, wenn dafür Sorge getragen wird, daß der pH-Wert des Fermentationsmediums entweder durch vorherige Zusätze von beispielsweise Alkali, wie Ammoniak, in den besagten Bereich fällt oder in Alkali, beispielsweise Natriumhydroxyd, in dem pH-Bereich zugegeben wird, in dem Zinkhydroxyd nicht ausfällt.

Die Beziehung zwischen pH-Wert und der Zinkglutamatmenge, die in dem Fermentationsmedium löslich ist, ist folgender Tabelle zu entnehmen:

pH 4,5 5,0 5,5 6,5 7,5 8,0

Zinkglutamat
in Gewichtsprozent 3,3 1,3 0,5 0,3 0,6 5,0

509 717/424

Ein weiteres Merkmal des Verfahrens gemäß der Erfindung stellt die Entfernung des Zinks aus dem Zinkglutamat dar, wobei kristalline Glutaminsäure in reiner Form erhalten wird (diese Stufe wird weiter unten als »zweite Stufe« bezeichnet). Nach älteren Veröffentlichungen wird vorgeschlagen, das Zink in Form schwer löslicher Salze aus einer Glutaminsäurelösung abzuscheiden. Die vollständige Zersetzung von Zinkglutamat ist jedoch wegen dessen geringer Löslichkeit sehr schwierig. In dem Verfahren gemäß Erfindung wird die Verbindung von Glutaminsäure und Zink mit Säure zersetzt, wobei man die Glutaminsäure in Form außerordentlich reiner Kristalle aus der Zinkionen enthaltenden Mutterlauge isoliert. Zinkglutamat kann selbst bei gewöhnlicher Temperatur mit einer verdünnten Säure, wie verdünnter Schwefel-, Salz-, Salpetersäure, zersetzt und damit in Lösung gebracht werden. Wenn man daher die Säuremenge, die dem Zinkglutamat zugefügt werden soll, von vornherein so bemißt, daß der pH-Wert der Lösung, nachdem das Glutamat in Lösung gegangen ist, in den Bereich des isoelektrischen Punktes der Glutaminsäure fällt (pH-Bereich etwa 2,5 bis 4,0), kristallisiert die Glutaminsäure aus der Lösung aus.

Die auf diese Weise erhaltenen Glutaminsäurekristalle haben einen sehr hohen Reinheitsgrad, sind nicht durch Zink verunreinigt und zeigen einen günstigen Kristall-Habitus. Die Zinkionen enthaltende Mutterlauge kann nach Abtrennung der Kristalle in die erste Verfahrensstufe zur Kristallisation des Zinkglutamats zurückgeführt werden.

Die Lösung, aus der das Zinkglutamat auskristallisiert und abgetrennt ist, kann verworfen werden (diese Lösung wird als »Zinkglutamat-Mutterlauge« bezeichnet). Es hat sich jedoch als zweckmäßig erwiesen, aus dieser Zinksalz-Mutterlauge die gelösten Zinkionen vollständig zu entfernen. Es wurde versucht, das Zink in Form eines kristallinen Salzes wiederzugewinnen (z. B. als Zinksulfat oder -chlorid, in Form eines Doppelsalzes oder einer Mischung eines solchen Zinksalzes mit Ammoniumsulfat, Ammoniumchlorid, Natriumsulfat oder Natriumchlorid) entweder einfach durch Konzentrierung der entsprechenden Mutterlauge oder in Form eines schwer löslichen Salzes. Es stellte sich dabei als vorteilhaftestes Verfahren die Anwendung der Ionenaustauscherharze heraus, mit welchen Zink in Ionenform in hoher Ausbeute wiedergewonnen wird. Die Untersuchungen führten zu einem Verfahren, das die Verwendung einer Säure zur Elution oder eines Hilfsmittels für die Zinkwiedergewinnung entbehrlich machte.

Die Zinkglutamat-Mutterlauge hat einen pH-Wert von 5,5 bis 7,5 und enthält verschiedene Salze in einem molekularen Verhältnis von mehr als 1 zu der in dem Fermentationsmedium vorhandenen Glutaminsäure, so daß das Kationenaustauscherharz eine sehr geringe Kapazität für die Zinkionenabsorption aufweist, wenn es mit der Mutterlauge in Berührung gebracht wird, und in großer Menge angewandt werden muß, wenn das Zink vollständig entfernt werden soll. Es wurde nun festgestellt, daß mit einem Kationenaustauscherharz, wie Amberlite IR-120 und Doulite C-25 (Handelsnamen), das Zink vollständig aus einer Zinkglutamat-Mutterlauge entfernt werden kann, wenn diese zur Herabsetzung der vorhandenen Salzkonzentration verdünnt worden ist, und daß anschließend das an dem Harz adsorbierte Zink mit unverdünnter Zinkglutamat-Mutterlauge eluiert werden kann.

Hierzu wird eine Zinkglutamat-Mutterlauge in zwei Teile geteilt; einer von beiden wird mit Wasser verdünnt, mit einem Kationenaustauscherharz in Berührung gebracht, um das Zink zu entfernen, und danach verworfen. Mit dem anderen, unverdünnten Teil wird das Kationenaustauscherharz — nach Absorption der Zinkionen aus dem ersten Teil der verdünnten Mutterlauge — zur Elution der Zinkionen in Berührung gebracht. Die Zinkionen enthaltende abfließende Lösung wird in die erste Stufe der Zinkglutamatkristallisation zurückgeführt. Auf diese Weise wird sowohl eine Säure zur Elution der Zinkionen aus dem Kationenaustauscherharz als auch Alkali, um es zu neutralisieren, entbehrlich.

Die Beziehung zwischen dem Verdünnungsverhältnis einer Zinkglutamat-Mutterlauge und dem kritischen Volumen der abfließenden Flüssigkeit, d. h. die Durchsatzkapazität des Kationenaustauscherharzes in Abhängigkeit von dem Volumen der abfließenden Flüssigkeit, beispielsweise gerade bevor sie Zinkionen aufzuweisen beginnt, ist in der folgenden Tabelle angegeben:

Verdünnungsverhältnis (VfV₀) · ·	1,0	5	10
Durchsatzkapazität (V/R)	1,0	6	26
Dutchsatzkapazität, korrigiert
bezüglich der Konzentration
(V_o/R)	1,0	1,2	2,6

In dieser Tabelle sind mit V₀ und V die Volumina der Mutterlauge vor bzw. nach der Verdünnung, mit R das Volumen des verwendeten Kationenaustauscherharzes und mit V das Volumen der abfließenden Flüssigkeit, gerade bevor sie — wie weiter oben erwähnt — Zinkionen aufzuweisen beginnt, bezeichnet.

Die Zinkglutamat-Mutterlauge kann entweder nach Abtrennung der Bakterienzellen durch eine Kolonne mit Kationenaustauscherharz hindurchgeleitet werden oder mit den Bakterienzellen durch diese von unten nach oben hindurchgeführt werden.

Das Verfahren gemäß der Erfindung weist folgende praktische Vorteile auf:

1. Es erfordert nur einfache Manipulationen und wenige Verfahrensstufen und ermöglicht damit die Verwendung von Vorrichtungen kleiner Kapazität und/oder Einsparungen an personellem Aufwand.

2. Es umfaßt keine Hitzebehandlung, wodurch nicht nur Denaturierung oder Verluste an Glutaminsäure durch Erhitzen vermieden werden, sondern darüber hinaus der für das Erhitzen notwendige Energieaufwand überflüssig wird und die Glutaminsäure in hoher Ausbeute und sehr wirtschaftlicher Weise erhalten wird.

3. Da die gemäß Erfindung erhaltenen Glutaminsäurekristalle nur wenig gefärbt sind und einen sehr hohen Reinheitsgrad aufweisen, können die Folgeverfahren, um sie in Würzstoffe, wie Mononatriumglutamat u. dgl., überzuführen, auch einfacher und wirtschaftlicher als bisher durchgeführt werden.

Beispiel 1

7,04 kg 25%iges wäßriges Ammoniak und 20 kg kristallines ZnSO₁ · (NHi)₂SO₄, das 4,46 kg Zink enthielt, wurden in 51 kg einer Glutaminsäure-Mutterlauge gelöst, die in der zweiten Stufe eines vorangegangenen Verfahrens erhalten worden war und 4,65 kg Zink sowie 1,0 kg Glutaminsäure enthielt. Die erhaltene Lösung wurde unter Rühren zu 148 kg eines

Fermentationsmediums, das einen pH-Wert von 8,1 aufwies und 10,5 kg Glutaminsäure enthielt, gegeben, um den pH-Wert auf 6,5 einzustellen. Auf diese Weise wurde das Zinkglutamat zui Kristallisation gebracht. Das kristalline Zinkglutamat wurde von der Mutterlauge, die noch die Bakterienzellen enthielt, mittels einer Zentrifuge abgetrennt. Es wurden dabei 20,7 kg Zinkglutamatkristalle erhalten, an denen 13,2% Wasser, aber keine Bakterienzellen hafteten.

8,03 kg konzentrierte Schwefelsäure wurden mit 301 Waschwässern von Glutaminsäurekristallen der zweiten Verfahrensstufe eines früheren Verfahrens verdünnt und die in der vorangehenden ersten Verfahrensstufe abgetrennten Zinkglutamatkristalle unter Rühren der Lösung zugefügt. Diese Kristalle gingen sofort in Lösung, und bald darauf kristallisierte Glutaminsäure in guten Kristallen aus. Auf diese Weise wurden 10,1 kg reine Glutaminsäure erhalten.

B e i s ρ i e 1 2

1000 g eines Fermentationsmediums mit einem pH-Wert von 8,1, das 68 g Glutaminsäure enthielt, wurde mit 53 g 25 %ig^em wäßrigem Ammoniak, 345 g Glutamin-Mutterlauge — aus der zweiten Verfahrensstufe des letzten Verfahrens, die 31,4 g Zink und 6,9 g Glutaminsäure enthielt — und mit 600 g einer aus dem Kationenaustauscherharz abfließenden Lösung, die aus der dritten Verfahrensstufe des letzten Verfahrens stammte und 13,9 g Zink enthielt, vermischt, um den pH-Wert auf 6,6 einzustellen, um das Zinkglutamat auszukristallisieren, wobei darauf geachtet wurde, daß kein Zinkhydroxyd ausfiel. Die Zinkglutamatkristalle wurden mittels einer Zentrifuge von der Bakterienzellen enthaltenden Mutterlauge abgetrennt. Es wurden auf diese Weise 140 g gut ausgebildeter Kristalle erhalten, die nicht durch Bakterienzellen verunreinigt waren. Der anhaftende Wassergehalt betrug 15,7%·

51,4 g konzentrierte Schwefelsäure wurden mit 206 ecm der in der zweiten Stufe eines früheren Verfahrens erhaltenen Glutaminsäurewaschwässer verdünnt und danach unter Rühren das in der ersten Verfahrensstufe erhaltene Zinkglutamat zugesetzt. Die Kristalle lösten sich bald auf, und es stellte sich ein pH-Wert von 3,2 in der Lösung ein. Es bildeten sich gute Glutaminsäurekristalle aus. Es wuiden durch Abtrennung 63,9 g reine und wenig gefärbte Kristalle erhalten.

1122 g von der Zinkglutamat-Mutterlauge wurden auf das Zehnfache ihres ursprünglichen Volumens verdünnt, mit 304 ecm eines feuchten Kationenaustauscherharzes in Berührung gebracht, um die Zinkionen zu adsorbieren, und danach verworfen. Mit den restlichen 600 g dieser Mutterlauge wurde das an dem Harz adsorbierte Zink eluiert und die abfließende Flüssigkeit in die erste Verfahrensstufe eines folgenden Verfahrens eingeführt.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Isolierung von Glutaminsäure aus Bakterienzellen enthaltenden Glutaminsäure-Fermentationsmedien, dadurch gekennzeichnet, daß man dem Fermentationsmedium Lieferanten für Zinkionen im pH-Bereich von 5,0 bis 10,5 zusetzt, den pH-Wert des Mediums nach der Bildung von Zinkglutamat-Kristallisationskernen auf einen pH-Wert im Beieich von 5,5 bis 7,5 einstellt, das Zinkglutamat nach Beendigung der Kristallisation von dem Fermentationsmedium abtrennt, im wäßrigen System mit Säure im pH-Bereich von 2,5 bis 4 zersetzt und die gebildete kristalline Glutaminsäure abtrennt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Teil der nach der Abtrennung der kristallinen Glutaminsäure erhaltenen Mutterlauge verdünnt, zur Adsorption der in der Mutterlauge enthaltenen Zinkionen mit einem Kationenaustauscherharz behandelt, und danach die Zinkionen aus dem Kationenaustauscherharz mit dem restlichen Teil der Mutterlauge eluiert, die man dann als Lieferant für Zinkionen in die Zinkglutamat-Kristallisationsstufe eines späteren Ansatzes einführt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 025 885.