DE19952961A1

DE19952961A1 - Verfahren zur Aufreinigung von aminosäurehaltigen Lösungen durch Elektrodialyse

Info

Publication number: DE19952961A1
Application number: DE19952961A
Authority: DE
Inventors: Andreas Fischer; Christoph Martin; Juergen Mueller
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 1999-11-03
Filing date: 1999-11-03
Publication date: 2001-05-10
Also published as: AU1517901A; KR20020059673A; BR0015202A; WO2001032298A1; JP2003512853A; CN1387458A; EP1235636A1; US6551803B1; RU2002114827A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufreinigung einer Aminosäure-haltigen Lösung mittels Elektrodialyse, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus der Fermentation zur Herstellung von mindestens einer Aminosäure erhaltene Aminosäure-haltige Lösung eingesetzt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufreinigung von Aminosäure-haltigen Lösungen durch Elektrodialyse, wobei eine aus einer Fermentation erhaltene Aminosäure-enthaltende Lösung eingesetzt wird.

Aminosäuren können mittels Fermentation aus einer Kohlenstoffquelle, wie z. B. Melasse und Rohzucker hergestellt werden. Die in der Fermentation im allgemeinen anfallenden Lösungen enthalten neben circa 10 Gew.-% Aminosäure große Mengen Verunreinigungen, wie z. B. auch Zellmasse.

Zur Aufreinigung dieser aus einer Fermentation erhaltenen Lösung zur Gewinnung der Aminosäure in der üblicherweise vermarkteten Form, z. B. als Lysinhydrochlorid sind nach den bislang gemäß des Standes der Technik angewendeten Verfahren zahlreiche Verfahrensschritte notwendig. Dabei fallen in der Regel große Mengen an Salzen, wie z. B. Ammoniumsulfat an, wobei circa 1 kg Ammoniumsulfat pro kg Aminosäure als Wertprodukt generiert wird. Außerdem fallen große Mengen an Abwasser an, die aufgearbeitet und entsorgt werden müssen. Ein bevorzugt kommerziell verwendetes Verfahren zur Aufarbeitung von Aminosäure-Fermentationsausträgen basiert im wesentlichen auf einer Ionentauscherbehandlung. Die Fermentationsausträge werden mit Säure versetzt und dann über eine Kationenaustauschersäule oder eine Anionenaustauschersäule gegeben. Dabei verdrängt die Aminosäure in ihrer ionischen Form die entsprechenden Ionen der Kationen- oder Anionenaustauschersäule und wird so durch diese zurückgehalten. Die Zellmasse kann vor oder nach der Ionenaustauscherbehandlung abfiltriert werden. Die dabei nach Durchlauf erhaltene Mutterlauge enthält noch circa 0,1 Gew.-% Aminosäure sowie eine Fracht von etwa 1 Tonne Salz, z. B. Ammoniumsulfat pro Tonne Aminosäure. Diese Lösung kann durch Verklappung entsorgt werden, was aufgrund der hohen Salzfracht der zu verklappenden Lösung insbesondere auch ökologisch bedenklich ist.

Alternativ dazu kann die im wesentlichen Ammoniumsulfat und Zellmasse enthaltende Mutterlauge durch zahlreiche Eindampf und Filtrationsstufen aufgearbeitet werden, wobei das Ammoniumsulfat zurückgewonnen werden kann. Die dabei anfallende Mutterlauge muß jedoch weiterhin entsorgt werden. Darüber hinaus ist dieses Prozedere sehr arbeitsintensiv und weist einen hohen Energieverbrauch auf.

Die auf dem Ionenaustauscherharz zurückgehaltene Aminosäure wird z. B. mit Ammoniakwasser eluiert. Das anfallende Eluat wird durch Strippung vom Ammoniak befreit, wobei große Mengen Ammoniakwasser verdampft werden müssen. Die eluierte Aminosäure wird dann mit Säure, z. B. Salzsäure versetzt, kristallisiert und getrocknet. Die so erhaltene Aminosäure mit einer Reinheit < 98,5% wird als "Feed-grade"-Aminosäure bezeichnet. Um noch weniger verunreinigte, sogenannte "Food- bzw. Pharma-grade-Aminosäure" zu erhalten, muß die Feed-grade-Ware einem weiteren Reinigungsprozedere unterworfen werden, z. B. einer Aktivkohle-Behandlung und/oder abermaliger Kristallisation. Weitere Details bezüglich der oben beschriebenen Reinigungsverfahren gemäß des Standes der Technik sind dem PERP-Report 5357 zu entnehmen. Die hierin verwendeten Spezifikationen "food-grade" und "pharma-grade" beziehen sich auf die entsprechenden Reinheitsanforderungen gemäß der US-FDA, wobei hier der entsprechende Standard für Lysin-HCL entsprechend oder analog verstanden werden soll. Demgemäß bezieht sich auch der hierin verwendete Begriff "mit hoher Reinheit" auf den "food-grade"- oder "pharma-grade"-Standard gemäß US- FDA für Lysin, der diesbezüglich ebenfalls entweder entsprechend oder analog angewendet wird.

Bei der Elektrodialyse handelt es sich um ein sehr elegantes Reinigungs- bzw. Trennverfahren mit dem u. a. Gemische von Aminosäuren aufgetrennt werden können. Ein derartiges Verfahren wird beispielsweise im J. Chem. Technol. Biotechnol. 71 (1998), S. 267 ff von Sandeaux et al. beschrieben. Gemäß dieser wissenschaftlichen Publikation werden durch saure Hydrolyse von Tierresten oder menschlichen Resten, wie z. B. Federn oder Haaren erhaltene Proteinhydrolysate zunächst neutralisiert und mit Aktivkohle entfärbt und anschließend einer mehrstufigen Elektrodialyse unterworfen, wobei verschiedene Fraktionen der einzelnen Aminosäuren erhalten wurden.

Ein Verfahren zur Abtrennung amphoterer Verbindungen aus wäßrigen Lösungen mittels einer 3-Kreis-Elektrodialyse mit bipolaren Membranen wird in der WO 91/02584 beschrieben.

Ein Fermentationsverfahren zur Herstellung von Milchsäure durch eine Kombination von Mikrofiltration, Umkehrosmose und Elektrodialyse wird in der US 5,002,881 beschrieben. Ein weiteres Verfahren zur Abtrennung von organischen Säuren aus Fermentationsbrühen mittels Anionentauschermembranen und Gewinnung der freien Säure durch bipolare Membranen ist in der US 4,882,277 offenbart.

Wie sich aus obiger Zusammenfassung des Standes der Technik ergibt, wurde die Aufreinigung von Aminosäuren aus Fermentationsausträgen bislang lediglich mittels ökologisch nachteiliger und/oder kostspieliger Verfahren durchgeführt.

Demgemäß lag der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Aufreinigung von Aminosäure aus Fermentationsausträgen zur Verfügung zu stellen. Dies wurde mit der Anwendung der Elektrodialyse auf dieses Problem erreicht.

Demgemäß betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Aufreinigung von Aminosäure-haltigen Lösungen durch Elektrodialyse (d), wobei eine aus einer Fermentation zur Herstellung mindestens einer Aminosäure erhaltene Aminosäure-haltige Lösung eingesetzt wird.

Mit diesem Verfahren ist es möglich, zahlreiche, gemäß den Verfahren des Standes der Technik unabdingbare, Verfahrensschritte zu vermeiden. Es werden dabei nicht zwangsläufig große Mengen an Ammoniumsulfat oder anderen Fremdsalzen generiert. Bei geeigneter Durchführung der Elektrodialyse ist es ferner möglich, Aminosäure in Form der freien Base oder freien Säure zu gewinnen. Ferner ist es möglich hohe Aminosäureausbeuten von vorzugsweise < 90%, weiter bevorzugt < 95% bezogen auf die eingesetzte Aminosäuremenge bei hohen Stromdichten und damit entsprechend hohen Kapazitäten der Elektrodialyse, zu erhalten.

Wie oben ausgeführt, bezieht sich das erfindungsgemäße Verfahren auf die Aufreinigung von Aminosäure-haltigen Lösungen, die aus der Fermentation erhalten werden. Dabei können im allgemeinen alle durch die verschiedenen Fermentationsverfahren erhältlichen Aminosäure-haltigen Lösungen eingesetzt werden. Dabei können zwischen dem eigentlichen Fermentationsverfahren und der Elektrolyse weitere Stufen, wie z. B. die Behandlung mit einem Ionentauscher und/oder eine Kristallisation durchgeführt werden, wobei dann lediglich die resultierende Mutterlauge mittels Elektrodialyse behandelt wird.

Somit betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren, das die folgenden zusätzlichen Stufen (a) bis (c) umfaßt:

a) Behandeln einer aus der Fermentation zur Herstellung von mindestens einer Aminosäure erhaltenen Aminosäure-haltigen Lösung mittels eines Ionenaustauschers,
b) Kristallisation einer in (a) erhaltenen Aminosäure-haltigen Lösung, wobei einer Aminosäure-haltige Mutterlauge erhalten wird, und
c) Einbringen der in (b) erhaltenen Aminosäure-haltigen Mutterlauge in eine Elektrodialyse-Einrichtung.

Dabei können neben den erwähnten Verfahrensstufen auch weitere Stufen, wie z. B. eine Filtration von der Stufe (a), durchgeführt werden.

Als Aminosäuren lassen sich im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens im Prinzip alle Aminosäuren einsetzen. Dies umfaßt z. B. Aminosäuren mit positiv geladenen (basischen) Seitengruppen, wie z. B. Lysin, Arginin, Histidin; Aminosäuren mit negativ geladenen (sauren) Seitengruppen, wie z. B. Asparaginsäure oder Glutaminsäure; und Aminosäuren mit ungeladenen, polaren oder unpolaren Seitengruppen, wie z. B. Alanin, Valin, Leucin, Isoleucin, Prolin, Phenylalanin, Tryptophan, Methionin, Glycin, Serin, Threonin, Cystein, Tyrosin, Asparagin und Glutamin.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden zur Aufreinigung der Aminosäure-haltigen Lösungen entweder die 3-Kreis-Elektrodialyse mit bipolaren Membranen angewendet, wobei es damit möglich ist, Aminosäure als freie Base oder Säure zu gewinnen oder eine konventionelle Zwei-Kreis-Elektrodialyse, in der die Aminosäure als Salz, z. B. in Form von Lysinhydrochlorid, anfällt.

Der nachfolgende Abschnitt gibt einen kurzen Überblick über diese beiden Elektrodialysemethoden.

Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendete konventionelle Zwei-Kreis- Elektrodialyse ist an sich bekannt und wird u. a. in der EP-B-0 381 134 beschrieben, deren Inhalt bezüglich der konventionellen Zwei-Kreis-Elektrodialyse voll umfäng lich in die vorliegende Anmeldung miteinbezogen wird.

Eine Prinzipskizze dieser Elektrodialyseanordnung zeigt Fig. 3.

Bei dieser Elektrodialyse-Variante wird eine Apparatur eingesetzt, die eine positive (Anode (+)) und eine negative (Kathode (-)) großflächige Elektrode aufweist. Der Raum zwischen diesen Elektroden wird durch eine Vielzahl von abwechselnd angeordneten Kationen(C)- und Anionen(A)-Austauschermembranen in eine Vielzahl schmaler, durch die Membranen voneinander getrennter Kammern, die man auch als Diluatkreis (II) und Konzentratkreis (IV) bezeichnet, aufgeteilt. Dabei stellen Kammern, die kathodenseitig eine Anionenaustauschermembran und anoden seitig eine Kationenaustauschermembran haben, die sog. Konzentratkammern oder Konzentratkreise dar, während Kammern, die anodenseitig die Anionen austauschermembran und kathodenseitig die Kationenaustauschermembran haben, die Diluatkammern bzw. den Diluatkreis bilden.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Diluatkreise mit der aufzureinigenden Aminosäure-haltigen Lösung, die Konzentratkreise hingegen mit einem wässrigen Elektrolyt befüllt, und die Kammern, in denen sich die Elektroden befinden und ggf. noch die unmittelbar an diese angrenzenden Nachbarkammern werden mit einer Elektrodenspüllösung, in der Regel einer Natriumsulfatlösung, beaufschlagt.

Unter dem Einfluß der an die Elektroden angelegten Spannung wandern Ionen durch die für sie durchlässige Membran aus dem Diluatkreis hinaus in den Konzen trationskreis. Durch die folgende, für die entsprechende Ionensorte undurchlässige Membran, ist eine Weiterwanderung nicht möglich und das Ion verbleibt damit im Konzentratkreis. Die Flüssigkeiten in dem Diluat, Konzentrat und Elektrodenkreisen werden in getrennten Kreisläufen umgepumpt, ggf. unter Einschaltung von Reservoiren.

Es können prinzipiell beliebige, üblicherweise im Rahmen von Elektrodialyseverfahren benutzten Membranen zur Durchführung des erfin dungsgemäßen Verfahrens eingesetzt werden. Bei der im Rahmen des vorliegenden Verfahrens durchgeführten Elektrodialyse werden vorzugsweise handelsübliche Ionenaustauschermembranen eingesetzt. Diese Membranen bestehen vorzugsweise aus organischen Polymeren, die ionenaktive Seitenketten aufweisen. Kationenaustauschermembranen enthalten Sulfo- oder Carboxylgruppen in der Polymermatrix, Anionenaustauschermembranen weisen tertiäre oder quartäre Aminogruppen als Substituenten am polymeren Grundmaterials auf. Besonders geeignet als polymeres Grundmaterial für die Ionenaustauschermembranen sind Copolymerisate von Styrol und Divinylbenzol. Vorzugsweise werden Ionenaustauschermembranen mit einer Kapazität von 0,8 bis 5, vorzugsweise 1,2 bis 3,2 Milliäquivalenten pro g (meq/g) eingesetzt. Als verwendbare Anionenaustauschermembranen sind beispielsweise zu nennen: Tokuyama AM1, AM2, AM3, AMX, AMH, AFN, Asahi Glass AMV. Als Kationenaustauscher membranen sind Tokuyama CM1, CM2, CMX, CMH und Asahi Glass CMV bei spielhaft zu nennen.

In Abänderung zur aus der EP-B 0 381 134 bekannten konventionellen 2-Kreis- Elektrodialyse kann auch eine Membrananordnung unter Verwendung von bipolaren Membranen eingesetzt werden. Bipolare Membran stellen Laminate aus Anionen- und Kationenaustauschermembranen dar. Sie zeichnen sich gegenüber monopolaren Anionen- bzw. Kationenaustauschermembranen dadurch aus, im elektrischen Feld der Elektrodialyse eine effiziente Wasserspaltung zu katalysieren und dienen somit zur gleichzeitigen Bereitstellung von H⁺- und OH^--Äquivalenten.

Verwendung findet dabei eine 3-Kreis(Kammer)-Anordnung (3-Kreis bipolare Elektrodialyse), bestehend aus Diluat(II)-, Säure(III)- und Base(I)-Kreis. Die 3- Kreis-Anordnung wird durch alternierende Aufeinanderfolge der jeweiligen Ionenaustauschermembran erzielt (vgl. hierzu Fig. 1):

. . . . . . CA I C II A III . . . . . .

K = Kationenaustauschermembran; CA = bipolare Membran;
A = Anionenaustauschermembran
I = Basekreis; II = Diluatkreis; III = Säurekreis

Die Elektrodialyse wird vorzugsweise bei etwa 10 bis etwa 80°C, insbesondere zwischen etwa 20 und etwa 60°C durchgeführt. Die Stromdichte bei der konventionellen 2-Kreis-Elektrodialyse variiert dabei zwischen etwa 1 und etwa 1000 A/m², vorzugsweise zwischen etwa 100 und etwa 800 A/m². Bei der 3-Kreis bipolaren Elektrodialyse variiert die Stromdichte zwischen etwa 1 und etwa 1500 A/m², vorzugsweise zwischen etwa 200 und etwa 1000 A/m².

Die Elektrodialyse wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens bis zu einer Endleitfähigkeit des Diluats von etwa 2 mS/cm, insbesondere etwa 1 mS/cm und darunter, beispielsweise etwa 0,8 oder 0,5 mS/cm, betrieben. Prinzipiell lassen sich auf diese Weise alle Aminosäuren abtrennen, wenn man durch Zugabe von Säure den isoelektrischen Punkt in Richtung niedriger pH-Werte überschreitet und der Aminosäure so eine positive Überschußladung aufprägt oder durch Zugabe von Base den isoelektrischen Punkt der Aminosäure in Richtung höhere pH-Werte überschreitet und der Aminosäure auf diese Art eine negative Gesamtladung aufprägt. Im ersten Fall tritt die Aminosäure durch die Kationenaustauschermembrane in Richtung Kathode in den Basekreis ein und fällt als freie Base dort an. Im letzten Fall wandert die Aminosäure in anioscher Form durch die Anionenaustauschermembrane in Richtung Anode in den Säurekreis, wo sie ebenfalls als freie Säure anfällt.

Bei Verwendung der konventionellen Elektrodialyse wird stets das entsprechende Salz der Aminosäure in der Konzentratkammer erhalten.

Nachfolgend wird die Aufreinigung mittels Elektrodialyse am Beispiel von Lysin, einer Aminosäure mit positiv geladener (basischer) Seitengruppe ausführlich unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren erläutert. Die dort beschriebene Verfahrensweise läßt sich jedoch analog auf alle übrigen, oben erwähnten Aminosäuren übertragen.

Bei der Verwendung einer 3-Kreis-Elektrodialyse mit bipolaren Membranen wird eine Lösung, die Lysin in kationischer Form (H Lysin⁺), z. B. als Lysin.HCl enthält, in die Diluatkammer der Elektrolyse eingebracht und anschließend durch eine Kationenaustauschermembran in den sogenannten Basekreis überführt. Aus dem sich dann im Basekreis befindlichen, protonierten Lysin wird durch die an der bipolaren Membran gebildeten Hydroxidionen Lysin-Base freigesetzt. Die Anionen, z. B. Chlorid- oder Sulfationen, werden durch eine Anionenaustauscher membran in die sogenannte Säurekreiskammer überführt und bilden mit den dort an der bipolaren Membran freigesetzten Protonen die entsprechende Säure. In der Diluatkammer bleiben ungeladene Teilchen, wie z. B. Zelimasse, zurück, so daß es gleichzeitig zu einer Aufreinigung von Lysin kommt. Die Elektroden werden, um erwünschte Reaktionen der Lösungskomponenten zu vermeiden, mit einer Elektrolytlösung in einem gesonderten Kreislauf gespült.

Fig. 1 verdeutlicht dieses Verfahrensprinzip. Dabei ist zu beachten, daß die dort dargestellte Anordnung lediglich eine Einheit der verwendeten Elektrodialyse vorrichtung darstellt und erfindungsgemäß zur Elektrodialyse Vorrichtungen mit 1 bis 1000 Einheiten eingesetzt werden. Dabei bezeichnet AC eine bipolare Membran, C eine Kationenaustauschermembran und A eine Anionenaustauscher membran. Als Säurekreiseinsatz wird im allgemeinen die der anfallenden Lysin haltigen Lösung entsprechende Säure, z. B. Salz- oder Schwefelsäure (3) in den Säurekreis (III) eingeführt. Dabei wird die Verdünnung möglichst hoch gewählt, es muß lediglich eine ausreichende ionische Leitfähigkeit der Lösung zu Beginn der Elektrolyse sichergestellt werden. Im allgemeinen werden Konzentrationen von 0,5 Gew.-% eingesetzt. Für den Einsatz im Basekreis (I) wird vorzugsweise eine verdünnte Lösung von freiem Lysin (1) eingesetzt, die beispielsweise aus einem bereits aufgereinigtem Batch stammen kann. Sowohl die in den Säure- als auch Basekreis eingeführten Lösungen können im Rahmen der Elektrodialyse aufgereinigt werden. So ist es beispielsweise möglich, den Säurekreis (III) mit einer 0,5%-igen H₂SO₄ zu befüllen, wobei die Konzentration des H₂SO₄ während der Elektrodialyse bis auf etwa 10% ansteigen kann. Im Basekreis (I) wird die in einer Konzentration von z. B. 0,5% eingesetzte Lysin als freie Base enthaltende Lösung im allgemeinen bis zu einer Konzentration an Lysin als freier Base von 10 bis 30% aufkonzentriert. Die in der Säurekreiskammer gebildete Säure kann dabei wiederum zur Herstellung des Lysinsalzes der Säure aus dem in der Elektrodialyse freigesetzten Lysinmonohydrat oder zum Ansäuern des Fermentationsaustrags für den Einsatz in der Elektrodialyse dienen. Ein derartiger angesäuerter Fermentationsaustrag, z. B. Lysin.H₂SO₄, (2) wird bei Verwendung der genannten 3-Kreis-Elektrodialyse über den Diluatkreis (II) eingebracht, wobei im Diluatkreis (II) eine Lysin-freie Fermentationsmutterlauge erhalten wird. Wie oben bereits angedeutet, wandert während der Elektrodialyse kationisches Lysin durch eine Kationenaustauschermembran hindurch in den Basekreis (I), während die Gegenionen über einen Anionenaustauschermembran in den Säurekreis (III) gelangen. Die ebenfalls vorhandene bipolare Membran versorgt den Säurekreis mit H⁺-Ionen und den Basekreis mit OH^--Ionen.

Um aus dem im Basekreis als freie Base anfallenden Lysin z. B. festes Lysinmonohydrat zu erhalten, muß der Basekreisaustrag lediglich eingedampft werden, wobei hier das Verfahren der Sprühtrocknung bevorzugt ist. Um die entsprechenden Salze, wie z. B. Aminosäurehydrochlorid oder -sulfat zu erhalten, muß die Aminosäurehydrat-haltige Lösung mit den entsprechenden Säuren oder Laugen vernetzt werden. Das so erhaltenen Lysin weist eine Reinheit von < 98,5% entsprechend der Feed-grade-Spezifikation auf und kann z. B. durch einfache Aktivkohlebehandlung oder Umkristallisation weiter gereinigt werden, so daß auch Food- oder Pharma-grade-Lysin zugänglich ist. Alternativ dazu kann man auch auf eine weitgehend vollständige Abtrennung des Lysins aus dem Diluatkreislauf verzichten oder eine fraktionierende Elektrodialyse durchführen und so ohne weitere Maßnahmen Food- bzw. Pharma-grade-Lysin erhalten. Dabei wird die Aminosäure bis zu einem gewissen Abreicherungsgrad aus dem Diluat abgetrennt und dabei mit hoher Stromausbeute überführt; Verunreinigungen werden dabei weitgehend zurückgehalten.

Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 2 gezeigt. Dabei wird die Lysin-haltige Lösung aus der Fermentation in nicht angesäuerter Form (3'), in der Lysin in Form des Monohydrats vorliegt, in den Säurekreis (III) eingeführt. Dadurch erhält man Lysin in einer kationischen Form, z. B. als Lysin.H₂SO₄, also einen angesäuerten Fermentationsaustrag. Dieser kann dann im nächsten Batch als Diluat (2') in den Diluatkreis (II) eingebracht und wie oben beschrieben aufgereinigt werden. Diese Variante hat den Vorteil, daß lediglich im ersten Batch der Diluateinsatz, d. h. der Fermentationsaustrag einmalig angesäuert werden muß und im weiteren Verlauf der Elektrodialyse auf weitere Zugabe von Säure verzichtet werden kann.

Demgemäß betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren wie oben definiert, das umfaßt:

1. Einbringen der aus der Fermentation erhaltenen aminosäurehaltigen Lösung in den Säurekreis oder Basekreis einer 3-Kreis-Elektrodialyse mit bipolaren Membranen (A), wobei die Aminosäure in kationischer Form im Säurekreis oder in basischer Form im Basekreis erhalten wird; und
2. Einbringen der in (d1) erhaltenen Aminosäure in kationischer oder anionischer Form in den Diluatkreis einer weiteren 3-Kreis-Elektrodialyse mit bipolaren Membranen (B) unter Erhalt von Aminosäure als freie Base im Basekreis oder Säurekreis.

Wie ausgeführt, wird bei der Verwendung der 3-Kreis-Elektrodialyse mit bipolarer Membran zunächst freie Lysin-Base gewonnen, die entweder in Form von festem Lysinmonohydrat durch Trocknung direkt gewonnen werden und verkauft werden kann oder aber zunächst mit Salzsäure versetzt und anschließend getrocknet wird, wobei dann Lysinhydrochlorid erhalten wird.

Sofern Lysin in kationischer Form, z. B. Lysinhydrochlorid, als Wertprodukt erhalten werden soll, kann auch eine sogenannte konventionelle Elektrodialyse ohne bipolare Membranen zum Einsatz kommen. Diese Verfahrensweise ist in Fig. 3 schematisch dargestellt. Eine konventionelle Elektrodialyse besteht aus einer alternierenden Anordnung von Kationenaustauschermembranen (C) und Anionenaustauschermembranen (A). In einer derartigen Anordnung kann die Lysin-haltige Lösung, die Lysin in Form eines Salzes, z. B. Lysinhydrochlorid, enthält (2) in die sogenannte Diluatkammer (II) eingebracht werden. Während der Elektrodialyse gelangt Lysin in kationischer Form über die Kationenaustauschermembran (C) in den Konzentratkreis (IV). Die entsprechenden Gegenionen, z. B. Chloridionen, wandern aus dem Diluatkreis (II) über die Anionenaustauschermembran (A) in den Konzentratkreis. Dabei erhält man in der Konzentratkammer gereinigtes Lysinsalz, z. B. Lysinhydrochlorid, während in der Diluatkammer ungeladene Verunreinigungen zurückbleiben.

Demgemäß betrifft die vorliegende Erfindung ein integriertes Verfahren zur Herstellung von einer freien Aminosäure umfassend:

A) Herstellung einer Aminosäure-haltigen Lösung durch Fermentation ausgehend von einer geeigneten Kohlenstoffquelle, vorzugsweise Melasse, Rohzucker oder einem Gemisch von beiden, sowie
B) Behandlung der in (I) erhaltenen Aminosäure-haltigen Lösung mittels eines Verfahrens wie oben definiert.

Das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung der Elektrodialyse zur Aufreinigung von Lysinhaltigen Lösungen bietet gegenüber den Verfahren des Standes der Technik insbesondere Vorteile:

1. Der apparative Aufwand ist deutlich geringer.
2. Es fallen keine Fremdsalze an, die aufwendig entsorgt werden müssen.
3. Aminosäuren können direkt in Form ihrer freien Basen oder Säuren gewonnen werden.
4. Es fallen vergleichsweise geringe Mengen an Abwasser an.
5. Es muß kein Ammoniak und gemäß Fig. 2 auch keine Säure zur Aufarbeitung der Fermentationsausträge eingesetzt werden.

Im folgenden soll nunmehr die vorliegende Erfindung anhand von Beispielen erläutert werden.

BEISPIELE Beispiel 1 (Abtrennung von Lysin aus verunreinigter Lösung mittels 3-Kreis- Elektrodialyse mit bipolaren Membranen zur Gewinnung der freien Lysin-Base)

In einer Elektrodialysezelle, bestehend aus einer alternierenden Anordnung von Kationentauscher (Tokuyama CMX)-, Anionentauscher (Tokuyama AM3)- und bipolaren Membranen (Aqualytics polysulfone) entsprechend Fig. 1 mit 10 Kammern, wurde als Diluatkreiseinsatz 2 kg einer 40gew.-%igen Lysinhydrochloridlösung (feedgrade Qualität) eingesetzt.

Die Elektrodialyse wurde bei einer maximalen Stromdichte von 80 mA/cm² bei einer angelegten Zellspannung von 35 V und einer Temperatur von 50°C durchgeführt. Nach einem Stromeinsatz von 25 Ah erhielt man einen Basekreisaustrag enthaltend 32 Gew.-% Lysin-Base mit einem Restchloridgehalt unter 0,2 Gew.-% bei einer Lysinausbeute von 96% des Einsatzes. Die Iodfarbzahl einer auf 10 Gew.-% eingestellten Lysinhydrochloridlösung entsprechend dem Diluateinsatz betrug 14, die eines entsprechend eingestellten, Lysin-Base enthaltenden Basekreisaustrages betrug 1,85. Es kam folglich zu einer deutlichen Aufreinigung bei gleichzeitiger Freisetzung der Lysin-Base.

Beispiel 2 (Abtrennung von Lysinhydrochlorid aus verunreinigten Lösungen mittels konventioneller Elektrodialyse)

In einer Elektrodialysezelle, bestehend aus einer alternierenden Anordnung von Kationentauscher (Tokuyama CMX)- und Anionentauschermembranen (Tokuyama AM3) entsprechend Fig. 3 mit 5 Kammern, wurde als Diluatkreiseinsatz 1 kg einer 40gew.-%igen Lysinhydrochloridlösung (feed- grade Qualität) eingesetzt. Als Konzentratkreiseinsatz wurden 0,5 kg einer 0,5gew.-%igen Lysinhydrochloridlösung eingesetzt.

Die Elektrodialyse wurde bei einer maximalen Stromdichte von 80 mA/cm² bei einer angelegten Zellspannung von 20 V und einer Temperatur von 50°C durchgeführt. Nach 8 Stunden Elektrodialysedauer erhielt man einen Basekreisaustrag enthaltend 29 Gew.-% Lysinhydrochlorid mit einer Ausbeute des Einsatzes von < 98%. Die Iodfarbzahl einer auf 10 Gew.-% eingestellten Lysinhydrochloridlösung aus dem Konzentratkreisaustrag der Elektrodialyse betrug 1,1. Es kam ebenfalls zu einer deutlichen Aufreinigung des Lysinhydrochlorids.

Claims

1. Verfahren zur Aufreinigung einer Aminosäure-haltigen Lösung mittels Elektrodialyse (d), dadurch gekennzeichnet, daß eine aus einer Fermentation zur Herstellung von mindestens einer Aminosäure erhaltene Aminosäure-haltige Lösung eingesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aminosäure-haltige Lösung mittels einer 3-Kreis-Elektrodialyse mit bipolaren Membranen aufgereinigt und als freie Aminosäure erhalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aminosäure-haltige Lösung mittels einer konventionellen Elektrodialyse behandelt wird und die Aminosäure als Aminosäuresalz, vorzugsweise Aminosäurehydrochlorid, erhalten wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aminosäure-haltige Lösung mindestens eine Aminosäure aufweist, die ausgewählt werden unter: Lysin, Arginin, Histidin, Asparaginsäure, Glutaminsäure, Alanin, Valin, Leucin, Isoleucin, Prolin, Phenylalanin, Tryptophan, Methionin, Glycin, Serin, Threonin, Cystein, Tyrosin, Asparagin und Glutamin.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aminosäure-haltige Lösung als Aminosäure Lysin in kationischer Form enthält.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das umfaßt:

1. Einbringen der aus der Fermentation erhaltenen Aminosäure- haltigen Lösung in den Säurekreis oder Basekreis einer 3-Kreis- Elektrodialyse mit bipolaren Membranen (A), wobei die Aminosäure in kationischer Form im Säurekreis oder in basischer Form im Basekreis erhalten wird; und
2. Einbringen der in (d1) erhaltenen Aminosäure in kationischer oder anionischer Form in den Diluatkreis einer weiteren 3-Kreis- Elektrodialyse mit bipolaren Membranen (B) unter Erhalt von Aminosäure als freie Base im Basekreis oder Säurekreis.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das zusätzlich folgende weitere Schritte umfaßt, die zwischen Fermentation und der Aufreinigung mittels Elektrodialyse durchgeführt werden:

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Aminosäure in einer Reinheit < 98,5% (Gew.-%) erhalten wird.

9. Integriertes Verfahren zur Herstellung von einer freien Aminosäure umfassend:

A) Herstellung einer Aminosäure-haltigen Lösung durch Fermentation ausgehend von einer geeigneten Kohlenstoffquelle, vorzugsweise Melasse, Rohzucker oder einem Gemisch von beiden, sowie
B) Behandlung der in (I) erhaltenen Aminosäure-haltigen Lösung mittels eines Verfahrens nach Anspruch 1 bis 8.

10. Verwendung der Elektrodialyse zur Aufreinigung von aus der Fermentation erhaltenen Aminosäure-haltigen Lösungen bis zu einem Aminosäure-Gehalt von < 98,5% (Gew.-%).