JP2014529404A - 発酵液から1,4−ジアミノブタンを分離及び精製する方法 - Google Patents

発酵液から1,4−ジアミノブタンを分離及び精製する方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、発効過程により生産される1,4−ジアミノブタン発効液から菌体分離、塩除去、濃縮、不純物除去及び回収ステップを経て高純度、高収率の1,4−ジアミノブタンを分離及び精製する方法に関する。また、本発明は、発効過程により生産される1,4−ジアミノブタン発効液から菌体分離、塩除去、低温濃縮、結晶化、濾過、高温濃縮及び蒸留ステップを経て高純度、高収率の1,4−ジアミノブタンを分離及び精製する方法に関する。

Description

本発明は、発酵液から高純度及び高収率の1,4−ジアミノブタンを分離及び精製する方法に関する。
1,4−ジアミノブタン(1,4-diaminobutane)(別名、プトレシン)は、動物の死体やオスの精液に多量に存在する物質であり、化学産業においてポリアミド−4,6の単量体として用いられている。現在商用化されている工程は化学工程を用いており、化学工程においては、毒性の強いシアン化水素(別名、青酸カリ)とアクリロニトリルを用いてスクシノニトリルを製造し、脱水素化工程を経て合成された1,4−ジアミノブタンを精製過程で純粋な1,4−ジアミノブタンにして生産する。前記化学工程は、原料物質自体の毒性が強く、脱水素化工程のために高温、高圧の工程を必要とし、高価な触媒を用いなければならないという問題がある。
よって、前記化学工程の代案として、再生可能なバイオマス由来の炭素源から1,4−ジアミノブタンを生産する方法が求められている現状である。
近年、変異微生物を用いた発酵による1,4−ジアミノブタンの生産方法が開発されているが(特許文献1)、発酵液から1,4−ジアミノブタンを高純度、高収率で分離及び精製する方法に関する研究は不足している現状である。
よって、本発明者は、1,4−ジアミノブタンを高純度、高収率で分離及び精製する方法に関する研究を重ね、菌体を分離した発酵液に塩基性物質を添加して生成された塩を除去するステップと、濃縮した発酵液の結晶化により不純物を除去するステップとを経て、1,4−ジアミノブタンを回収及び濃縮するステップを繰り返すことにより高純度、高収率で1,4−ジアミノブタンが得られることを確認し、本発明を完成するに至った。
韓国公開特許第10−2009−0107920号公報
本発明は、発酵過程により生産される1,4−ジアミノブタン発酵液から菌体分離、塩除去、濃縮、不純物除去及び回収ステップを経て高純度、高収率の1,4−ジアミノブタンを分離及び精製する方法を提供する。
上記課題を解決するために、本発明の一実施態様は、発酵過程により生産される1,4−ジアミノブタン発酵液から菌体を除去するステップ(ステップ1)と、前記ステップ1で菌体を分離した発酵液に塩基性物質を添加して生成された塩を除去するステップ(ステップ2)と、前記ステップ2で塩を除去した発酵液を濃縮するステップ(ステップ3)と、前記ステップ3で濃縮した発酵液から不純物を除去するステップ(ステップ4)と、前記ステップ4で不純物を除去した発酵液から1,4−ジアミノブタンを回収するステップ(ステップ5)とを含む、1,4−ジアミノブタン発酵液から1,4−ジアミノブタンを分離及び精製する方法を提供する。
前記ステップ1は、発酵過程により生産される1,4−ジアミノブタン発酵液から菌体を除去するステップであり、本発明においては1,4−ジアミノブタンを生産できるように変形された微生物を用いて培養した発酵液であれば微生物の種類に関係なく全て用いることができる。用いることができる微生物としては、エシェリキア属、エンテロバクター属、エルウィニア属、クレブシエラ属、パントエア属、セラチア属、コリネバクテリウム属などに属する微生物が挙げられる。
本発明において使用される発酵液としては、例えば変異型コリネバクテリウム、変異型大腸菌などを用いて1,4−ジアミノブタンを生産することができる。
前記発酵液から菌体を分離するために用いられる方法としては、遠心分離機、フィルタープレス、圧搾濾過器、珪藻土濾過器、回転式真空濾過器、膜分離器、凝集及び浮遊方法などを用いることができるが、これらに限定されるものではない。
分離した菌体は、乾燥させて動物用飼料や肥料などとして用いることができる。菌体を分離した液は、pH調整貯蔵タンクに送られる。
前記ステップ2は、前記ステップ1で菌体を分離した発酵液に塩基性物質を添加して生成された塩を除去するステップであり、塩の除去により1,4−ジアミノブタンの精製を容易にするステップである。
1,4−ジアミノブタンが培地中にフリー状態で存在する場合、発酵液のpHは11.2以上となる。pHが高い場合、菌株が1,4−ジアミノブタンを生成できず、細胞膜が破壊される溶解現象が発生する。それを防止するために培養中の発酵液に中和剤が投入されるが、それはほとんど硫酸である。塩酸を用いない理由は、腐食性の問題があるからである。
また、1,4−ジアミノブタンのN供給源として培地内に硫酸アンモニウム((NHSO)が含まれるが、前記硫酸アンモニウムの2NH がN供給源として用いられ、残りのSO 2−は培地中にフリー状態で存在するか、一部は中性条件で1,4−ジアミノブタンと反応して1,4−ジアミノブタン塩((CH(NH −SO 2−)を形成する。ここで、用いられるN供給源の種類によっては、1,4−ジアミノブタンにSO 2−以外にClなどの陰イオンが結合した状態で存在する。
前述したように、培養中の発酵液に中和剤を投入することにより、菌体を分離した発酵液のpHも中性となり、1,4−ジアミノブタンが中性条件でSO 2−などの陰イオンに結合して塩の状態で存在するので、容易に精製できない。
よって、本発明においては、前記ステップ2を設け、1,4−ジアミノブタンを容易に精製するために、塩基性物質を添加して1,4−ジアミノブタンに結合された塩を除去する。
これを反応式で表すと次の通りである。
Figure 2014529404
1,4−ジアミノブタンに結合された塩を除去するために、アルカリ成分(塩基性物質)を投入してpH値を11.2〜14.0に調整しなければならない。前記反応式におけるアルカリ成分(塩基性物質)はCa(OH)である。
1,4−ジアミノブタンの特性上、pH値が11.2以下では1,4−ジアミノブタンの電子が+1価となり、9.7以下では+2価となる。よって、pHが低いと1,4−ジアミノブタンの電子が+2価となり、他の陰イオン(又は塩)に結合して1,4−ジアミノブタンを精製することが困難になる。よって、pH値が11.2以上となるように維持することが好ましく、11.2〜14.0に調整することがより好ましい。
投入される塩基性物質としては、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム、水酸化アンモニウムなどが用いられる。
生成された塩(前記反応式においては、生成された塩は硫酸カルシウムである)を除去する方法としては、遠心分離機、フィルタープレス、圧搾濾過器、珪藻土濾過器、回転式真空濾過器、膜分離器、凝集及び浮遊方法などを用いることができるが、これらに限定されるものではない。
回収された塩(硫酸カルシウム)は、さらに精製過程を経て食品添加剤、セメントの混合材、肥料、鋳物の模型、医療用ギプスなどに用いられる。前記反応式による塩除去工程においては、概ね硫酸カルシウムのみ除去される。硫酸カルシウムを除く他の物質は、水に対する溶解度が高いため、結晶として析出しないからである。
前記ステップ3は、前記ステップ2で塩を除去した発酵液を濃縮するステップであり、これにより1,4−ジアミノブタンの精製収率を向上させることができる。
塩除去ステップ後に得た母液はほとんどが水分であるため、優先的に水分を除去する工程を伴うことになる。前記濃縮機は、遠心濃縮機、蒸発濃縮機、対流循環式濃縮機、低温減圧濃縮機、回転式減圧濃縮機、減圧蒸発濃縮機、薄膜濃縮機及び板型濃縮機からなる群から選択されて用いられるが、これらに限定されるものではない。低温減圧濃縮機を用いた低温濃縮法で発酵液を濃縮することが好ましい。前記低温減圧濃縮機の使用条件は次の通りである。
圧力条件は10〜760mmHgの真空状態、好ましくは70〜200mmHgである。温度条件は10〜100℃、好ましくは45〜67℃を維持することが好ましい。ここで、水分は全量の5〜30wt%、好ましくは10〜25wt%を残して除去する。
濃縮度が高いと粘度が増加するので濾過の問題があり、濃縮度が低いと不純物が結晶として形成されないので精製の意味がなくなる。また、前記濃縮された水分%によって1,4−ジアミノブタンの精製収率が変化し、水分を全て除去すると、不純物の溶解度が低くなり、微細な結晶が析出するので、濾過時間が長くなるという問題が生じる。除去された凝縮水には発酵後に残ったアンモニアが共に回収されるが、硫酸を用いて硫酸アンモニウムを生成して副産物として活用することができる。
前記ステップ4は、前記ステップ3で濃縮した発酵液から不純物を除去するステップであり、これにより1,4−ジアミノブタンの精製収率を向上させることができる。
前記濃縮した発酵液に存在する不純物は、遠心分離機、フィルタープレス、圧搾濾過器、珪藻土濾過器、回転式真空濾過器、膜分離器、凝集及び浮遊方法、フィルターペーパーを用いた濾過などによって除去することができるが、これらに限定されるものではない。濾過後の母液は1,4−ジアミノブタン回収ステップで用いられ、固体成分は廃棄される。
前記ステップ3と前記ステップ4の間に結晶化ステップをさらに含んでもよい。塩を除去した発酵液を濃縮するステップ後に、濃縮した発酵液を結晶化するステップをさらに含むことで、発酵液が結晶化し、結晶成長することにより不純物を除去することができる。また、発酵液が結晶化し、結晶成長することにより精製収率を向上させることができる。
前記結晶化の方法には、冷却結晶化、 Salting−out結晶化、Drowning−out結晶化、溶液結晶化、溶融結晶化、seed結晶化などが用いられるが、これらに限定されるものではない。さらなる精製ステップを経ることなく効率を向上させるために、追加の物質が投入されない方法を用いることが好ましいが、具体的には、冷却結晶化方法を用いることが好ましい。前記冷却結晶化は、0.01℃/分〜10℃/分の冷却速度で、好ましくは0.05℃/分〜1.0℃/分の冷却速度で20℃まで冷却することにより行うことができる。
前記ステップ5は、前記ステップ4で不純物を除去した発酵液から1,4−ジアミノブタンを回収するステップであり、前記不純物を除去した発酵液から1,4−ジアミノブタンを分離することができる。
分離過程は、高温濃縮法と分別蒸留法が連続して行われる。具体的には、高温濃縮段階で濃縮された蒸気が分別蒸留段階のために蒸留塔の中間の高さの位置に投入される。
前記高温濃縮法と分別蒸留法の圧力条件は10〜760mmHgの真空状態、好ましくは70〜200mmHgである。温度条件は30〜158℃、好ましくは80〜120℃を維持することが好ましい。本発明の具体的な実施例において、上記圧力条件及び温度条件下で蒸留することにより、蒸留塔の上部には水とアンモニウムが分離し、蒸留塔の下部には1,4−ジアミノブタンが分離精製された。
高温濃縮の下部液は、初期投入量の2〜10wt%、好ましくは4〜8wt%まで濃縮する。高温濃縮段階で残った液は、低温濃縮段階に投入して循環させることができる。前記段階に循環させて本発明を繰り返すことにより、精製収率を向上させることができる。よって、本発明は、前記高温濃縮法で残った発酵液をステップ3の濃縮ステップに循環させることができる。
本発明の他の実施態様は、発酵過程により生産される1,4−ジアミノブタン発酵液から菌体を除去するステップ(ステップ1)と、前記ステップ1で菌体を分離した発酵液に塩基性物質を添加して生成された塩を除去するステップ(ステップ2)と、前記ステップ2で塩を除去した発酵液を濃縮するステップ(ステップ3)と、前記ステップ3で濃縮した発酵液を結晶化するステップ(ステップ4)と、前記ステップ4で結晶化した発酵液から不純物を除去するステップ(ステップ5)と、前記ステップ5で不純物を除去した発酵液から1,4−ジアミノブタンを回収するステップ(ステップ6)とを含む、1,4−ジアミノブタン発酵液から1,4−ジアミノブタンを分離及び精製する方法を提供する。
前記ステップ1〜3は、本発明の一態様における前記ステップ1〜3の内容と同一である。また、前記ステップ5は本発明の一態様における前記ステップ4の内容と同一であり、前記ステップ6は本発明の一態様における前記ステップ5の内容と同一である。
前記ステップ4は、濃縮した発酵液を結晶化するステップであり、発酵液が結晶化し、結晶成長することによって不純物を除去することができる。このような結晶化による結晶成長によって精製収率を向上させることができる。
前記結晶化方法には、冷却結晶化、、Salting−out結晶化、Drowning−out結晶化、溶液結晶化、溶融結晶化、seed結晶化などが用いられるが、これらに限定されるものではない。さらなる精製ステップを経ることなく効率を向上させるために、追加の物質が投入されない方法を用いることが好ましいが、具体的には、冷却結晶化方法を用いることが好ましい。前記冷却結晶化は、0.01℃/分〜10℃/分の冷却速度で、好ましくは0.05℃/分〜1.0℃/分の冷却速度で20℃まで冷却することにより行うことができる。
本発明の1,4−ジアミノブタン発酵液から1,4−ジアミノブタンを分離及び精製する方法によれば、発酵液から菌体分離により分離した菌体は動物飼料用に用いることができ、塩除去により析出する塩は副産物として活用することができる。また、残った母液を濃縮及び蒸留する過程により高純度、高収率の1,4−ジアミノブタンを製造することができる。
発酵過程により生産される1,4−ジアミノブタン発酵液から菌体分離、塩除去、濃縮、不純物除去及び回収ステップを経て高純度、高収率の1,4−ジアミノブタンを分離及び精製する方法を示す図である。 発酵過程により生産される1,4−ジアミノブタン発酵液から菌体分離、塩除去、低温濃縮、結晶化、濾過、高温濃縮及び蒸留ステップを経て高純度、高収率の1,4−ジアミノブタンを分離及び精製する方法を示す図である。
以下、本発明の理解を容易にするために好ましい実施例を示す。しかし、下記実施例は本発明をより容易に理解するために示すものであり、本発明を限定するものではない。
未精製の1,4−ジアミノブタン、アミノ酸、有機酸、イオンは高圧液体クロマトグラフィー(High Pressure Liquid Chromatography:以下、HPLCという)で分析し、精製した1,4−ジアミノブタンはガスクロマトグラフィー(Gas Chromatography:以下、GCという)で分析した。水分分析はカールフィッシャー水分測定法で分析した。
1,4−ジアミノブタン発酵液の準備及び菌体分離ステップ
本発明に用いられる1,4−ジアミノブタンは、韓国出願番号第10−2010−124867号に基づいて製造された発酵液を用いた。具体的には、オルニチンカルバモイルトランスフェラーゼをコードする遺伝子(argF)及びグルタメートエクスポーター(exporter)をコードする遺伝子(Ncgl1221)の発現又はその発現から得られる生成物の活性を低減又は不活性化し、オルニチンデカルボキシラーゼ(speC)をコードする遺伝子を外部から導入した、プトレシン生産能を有するコリネバクテリウム属微生物を培養する。
10Lビーカーに発酵液5,050gを入れ、膜分離器で菌体を分離した。前記膜分離器は、カートリッジ形態のMillipore社製Pellicon 2を用い、その製品規格は細孔径(pore size)が0.1μm、面積が0.5mであった。用いられたメンブレンフィルター本体はMillipore社製のものであり、菌体投入口、循環口、菌体分離した液の出口に分かれている。菌体分離した液は4794.9g、菌体と共に除去された液は255.1gであった。組成は表1の通りである。
Figure 2014529404
塩除去ステップ
実施例1で菌体分離した液4794.9gを10Lビーカーに入れて常温で攪拌した。これに水酸化カルシウム528.9gを17.6g/分で投入を完了し、その後2時間攪拌し、次いで遠心分離器で濾過して塩を除去した。ここで、生成された塩は硫酸カルシウムであり、水分を含む重量1123.3gを回収した。
低温減圧濃縮ステップ
実施例2の母液4200.5gをEyela社製の5L濃縮機に投入し、真空80mmHg、蒸気温度47℃を維持して70%濃縮、75%濃縮及び80%濃縮を行った。70%濃縮の場合、除去された凝縮水は2899.9gであり、そのうち1,4−ジアミノブタンは1.0g検出された。
上記各水分%の成分組成を分析した結果、表2及び表3に示すように、70%濃縮時の収率が39.2%、75%濃縮時の収率が45.8%であった。また、80%濃縮の場合、75%、70%に比べて収率が11.3%、17.9%高かった。
Figure 2014529404
Figure 2014529404
不純物除去ステップ
4−1)高温で濾過段階のみ行う場合
実施例3の濃縮ステップで残った発酵液1300.6gを二重ジャケット結晶化機にて高温で濾過して不純物を除去した。
4−2)結晶化段階及び濾過段階を行う場合
実施例3の濃縮ステップで残った発酵液1300.6gを2Lの二重ジャケット結晶化機に移送し、その後50℃から20℃まで冷却した。ここで、0.01℃/分の冷却速度で冷却し、20℃を1時間維持してから濾過した。濾過した結晶は水分を含んでおり、65.4gであった。
4−1)又は4−2)段階を経た発酵液の成分を比較した結果、表4に示すように、4−2)の結晶化+濾過の方法は4−1)の高温濾過の方法より不純物除去率が高かった。
Figure 2014529404
回収ステップ
実施例4の濃縮液から1,4−ジアミノブタンを回収するために、高温濃縮法及び分別蒸留法を行った。
不純物を除去した母液1235.2gを2Lの二重ジャケット反応器に投入した。前記二重ジャケット反応器の上部と蒸留塔の中間が連結されている。蒸留塔は、Aceglass社製のtray形態のものであり、全30段になっており、下から10段上の部分で反応器に連結されている。反応器は、真空80mmHg、蒸気温度50〜90℃で実験を行った。初期は水分蒸発により47℃を維持していたが、1,4−ジアミノブタンが蒸発すると温度が90℃まで上昇した。蒸発した気体は蒸留塔に投入され、上部では水とアンモニウムが728.3g回収され、下部では1,4−ジアミノブタンが285.8g(GC純度99.9wt%)回収された。二重ジャケット反応器に残った221.1gは濃縮機に循環させた。
表5は実施例4の不純物除去方法による回収ステップ後の成分分析表である。結晶化段階を経た発酵液の収率が18.9%高かった。
Figure 2014529404
連続循環工程
実施例5の高温濃縮段階で残った母液は低温濃縮機に循環させた。表6は10回循環させた最終結果物の成分分析表である。連続循環工程で94.6%回収した。
Figure 2014529404

Claims (19)

  1. 発酵過程により生産される1,4−ジアミノブタン発酵液から菌体を除去するステップ(ステップ1)と、
    前記ステップ1で菌体を分離した発酵液に塩基性物質を添加して生成された塩を除去するステップ(ステップ2)と、
    前記ステップ2で塩を除去した発酵液を濃縮するステップ(ステップ3)と、
    前記ステップ3で濃縮した発酵液から不純物を除去するステップ(ステップ4)と、
    前記ステップ4で不純物を除去した発酵液から1,4−ジアミノブタンを回収するステップ(ステップ5)とを含む、1,4−ジアミノブタン発酵液から1,4−ジアミノブタンを分離及び精製する方法。
  2. 前記ステップ2の塩基性物質が、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム及び水酸化アンモニウムからなる群から選択されるいずれかである、請求項1に記載の分離及び精製する方法。
  3. 前記ステップ3の発酵液の濃縮が低温濃縮法である、請求項1に記載の分離及び精製する方法。
  4. 前記低温濃縮法が、真空条件10mmHg〜760mmHg及び蒸気温度10℃〜100℃の範囲内で、生成される凝縮水を除去することにより行われる、請求項3に記載の分離及び精製する方法。
  5. 前記ステップ3の発酵液の濃縮が、水分が全量の5wt%〜30wt%になるように行う、請求項1に記載の分離及び精製する方法。
  6. 前記ステップ3と前記ステップ4の間に結晶化ステップをさらに含む、請求項1に記載の分離及び精製する方法。
  7. 前記ステップ5の回収が、高温濃縮法と分別蒸留法が連続して行われる、請求項1に記載の分離及び精製する方法。
  8. 前記高温濃縮法が、真空条件10mmHg〜760mmHg及び蒸気温度30℃〜158℃の範囲で、不純物を除去した発酵液から生成される凝縮水が蒸留塔に投入されて行われる、請求項7に記載の分離及び精製する方法。
  9. 前記蒸留塔において、水とアンモニウムは蒸留塔の上部で回収され、1,4−ジアミノブタンは蒸留塔の下部で回収される、請求項8に記載の分離及び精製する方法。
  10. 前記ステップ5の回収が、高温濃縮法で残った発酵液をステップ3の濃縮ステップに循環させる、請求項1に記載の分離及び精製する方法。
  11. 発酵過程により生産される1,4−ジアミノブタン発酵液から菌体を除去するステップ(ステップ1)と、
    前記ステップ1で菌体を分離した発酵液に塩基性物質を添加して生成された塩を除去するステップ(ステップ2)と、
    前記ステップ2で塩を除去した発酵液を濃縮するステップ(ステップ3)と、
    前記ステップ3で濃縮された発効液を結晶化するステップ(ステップ4)と、
    前記ステップ4で結晶化した発効液から不純物を除去するステップ(ステップ5)と、
    前記ステップ5で不純物を除去した発効液から1,4−ジアミノブタンを回収するステップ(ステップ6)とを含む、1,4−ジアミノブタン発効液から1,4−ジアミノブタンを分離及び精製する方法。
  12. 前記ステップ2の塩基性物質が、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム及び水酸化アンモニウムからなる群から選択されるいずれかである、請求項11に記載の分離及び精製する方法。
  13. 前記ステップ3の発効液の濃縮が低温濃縮法である、請求項11に記載の分離及び精製する方法。
  14. 前記低温濃縮法が、真空条件10mmHg〜760mmHg及び蒸気温度10℃〜100℃の範囲内で、生成される凝縮水を除去することにより行われる、請求項13に記載の分離及び精製する方法。
  15. 前記ステップ4の結晶化ステップが、0.05℃/分〜1.0℃/分の冷却速度で発効液を冷却する、請求項11に記載の分離及び精製する方法。
  16. 前記ステップ6の回収が、高温濃縮法と分別蒸留法が連続して行われる、請求項11に記載の分離及び精製する方法。
  17. 前記高温濃縮法が、真空条件10mmHg〜760mmHg及び蒸気温度30℃〜158℃の範囲で、不純物を除去した発効液から生成される凝縮水が蒸留塔に投入されて行われる、請求項16に記載の分離及び精製する方法。
  18. 前記蒸留塔において、水とアンモニウムが蒸留塔の上部で回収され、1,4−ジアミノブタンは蒸留塔の下部で回収される、請求項17に記載の分離及び精製する方法。
  19. 前記高温濃縮法で残った発効液をステップ3の濃縮ステップに循環させる、請求項11に記載の分離及び精製する方法。
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