SK282923B6 - Spôsob výroby kyseliny L-asparágovej - Google Patents

Abstract

Spôsob výroby kyseliny L-asparágovej pomocou enzýmovej katalytickej reakcie kyseliny fumarovej s amoniakom, pri ktorom sa amoniak ostávajúci po prebehnutej reakcii odstraňuje z reakčnej zmesi, kyselina L-asparágová sa vyzráža prídavkom kyseliny octovej alebo kyseliny mravčej, pričom sa z materského lúhu prídavkom kyseliny fumarovej uvoľní kyselina mravčia a kyselina octová a potom sa odštiepený amoniak, uvoľnená kyselina mravčia alebo octová a fumaran amónny používajú v nasledujúcich cykloch.ŕ

Description

Oblasť techniky

Kyselina L-asparágová je esenciálna východisková látka pre najrôznejšie aditiva vo farmaceutickom priemysle a v potravinárskom sektore. Kyselina L-asparágová sa napríklad používa na výrobu umelého sladidla, napríklad aspartámu.

Doterajší stav techniky

O výrobe kyseliny L-asparágovej je preto už napísaných veľa chemických a enzýmových postupov. Podľa enzýmových variantov sa kyselina L-asparágová spravidla získa enzýmovou adíciou amoniaku na kyseline fumarovej s nasledujúcim vyzrážaním z takto získaného roztoku L-aspartátu amónneho.

Vyzrážanie kyseliny L-asparágovej sa môže vykonať napríklad prídavkom anorganickej kyseliny, ako je kyselina sírová, kyselina chlorovodíková alebo iné kyseliny, ako napríklad kyselina p-toluénsulfónová.

Pritom je však nevýhodné, že dochádza k veľkej strate amoniaku a odstraňuje sa veľké množstvo odpadových vôd s vysokou koncentráciou amónnych solí z použitých kyselín. Z týchto dôvodov sa hľadala možnosť zmenšiť alebo úplne zabrániť vzniku problematiky odpadovej vody.

Podľa US 4 560 653 sa vykonáva vyzrážanie kyseliny L-asparágovej napríklad prídavkom kyseliny maleínovej. Po oddelení kyseliny L-asparágovej sa zostávajúci materský lúh podrobí izomerizácii, pri ktorej sa kyselina maleínová izomeruje pomocou katalyzátora obsahujúceho ióny brómu na kyselinu fumarovú, následne sa čistí a obnovuje sa enzýmovou reakciou.

Aby sa obišla izomerizácia, hľadali sa ďalšie vhodné prídavky na vyzrážanie kyseliny L-asparágovej.

V japonskom zverejnenom patentovom spise JP 08-33493 (Chem. Abstracts 1223: 315 167) sa opisuje použitie kyseliny fumarovej, pripadne soli kyseliny fumarovej ako zrážacieho činidla. Nevýhoda tohto postupového variantu spočíva v zhoršenej rozpustnosti kyseliny fumarovej vo vode, pričom sa pri spracovaní materského lúhu buď musí oddestilovať veľké množstvo vody, alebo je potrebný veľmi zriedený roztok s veľkým reakčným objemom.

Podstata vynálezu

Úlohou vynálezu je preto nájsť spôsob, ktorý zabraňuje terajším problémom pri vyzrážaní kyseliny L-asparágovej a vedie ku kyseline L-asparágovej s vysokými výťažkami a vysokou čistotou.

Nečakane bola táto úloha vyriešená použitím kyseliny mravčej alebo kyseliny octovej ako zrážacieho činidla a pri cirkulácii všetkých reakčných pochodov.

Predmetom vynálezu je preto zlepšený spôsob výroby kyseliny L-asparágovej pomocou enzýmovej katalytickej reakcie kyseliny fumarovej s amoniakom, charakterizovaný tým, že

a) kyselina fumarová v inertnom rozpúšťadle v prítomnosti aspartázy alebo mikroorganizmov produkujúcich aspartázu reaguje s amoniakom na L-aspartát amónny, následne

b) sa z reakčnej zmesi oddelí amoniak a

c) z ostávajúcej reakčnej zmesi sa pridaním kyseliny mravčej alebo kyseliny octovej vyzráža kyselina L-asparágová, potom sa oddelí, perie a suší,

d) z materského lúhu obsahujúceho mravčan, prípadne acetát amónny a zmiešaného s pracou vodou sa prídavkom kyseliny fumarovej uvoľňuje kyselina mravčia, prípadne kyselina octová,

e) po filtrácii takto získaného roztoku obsahujúceho fumaran amónny sa filtrát, prípadne spolu s čerstvou kyselinou mravčou, prípadne kyselinou octovou, pridáva znovu do kroku c) na vyzrážanie kyseliny L-asparágovej a

f) ostávajúci fumaran amónny sa zmieša s amoniakom z kroku b) a ako adukt sa pridáva do kroku a).

Pri spôsobe podľa vynálezu sa kyselina L-asparágová vyzráža pomocou kyseliny mravčej alebo kyseliny octovej. Reakčné produkty sa podľa vynálezu všetky vedú v cykle.

Prvý krok spôsobu podľa vynálezu zahŕňa enzýmovú reakciu kyseliny fumarovej s amoniakom. Reakcia pritom nastáva v inertnom rozpúšťadle. Ako inertné rozpúšťadlo je vhodná voda, zmes voda/etanol alebo zmes voda/acetón a podobne. Prednostne sa používa voda. Kyselina fumarová sa pritom môže použiť v koncentráciách až k hranici rozpustnosti, preto získame buď roztok, alebo suspenziu. V tomto roztoku, prípadne suspenzii, je amoniak plynný, tekutý alebo v podobe 10 až 35 hmotn. percentného roztoku, čím sa zvýši teplota až na 60 °C a pH nastaví medzi 7 a 9.

Prednostne sa používa vodný roztok s 20 až 30 hmotn. % amoniaku. Do takto získaného systému, prednostne roztoku, sa potom pri teplote 20 až 60 °C, prednostne pri 30 až 50 °C, zamieša enzým aspartáza alebo mikroorganizmus produkujúci aspartázu. Tento prípravok enzýmu, resp. mikroorganizmu produkujúceho aspartázu je výhodný, keď sa prídavkom amoniaku získa roztok, pretože v prípade suspenzie je potrebné viacej enzýmu vplyvom adsorpcie enzýmu a tým podmienenej straty aktivity. Na takmer kvantitatívnu reakciu po 24 až 30 hodinách je potrebná enzýmová aktivita 30 až 50 1U na mol kyseliny fumarovej. Mikroorganizmy produkujúce aspartázu sú napríklad Pseudomonas fluorescens, Protens vulgeris, Pseudomonas aeruginosa, Serratia marcescens, Bacterium succimum, Bacillus subtilis, Aerobacter aerogenes, Micrococcus sp., Escherichia coli a podobne.

Ďalšie vhodné mikroorganizmy produkujúce aspartázu sú napríklad opísané v US 3 791 926 a US 3 198 712.

Pri spôsobe podľa vynálezu sa ďalej môžu použiť čistené syntetické aspartázy. Enzým, prípadne mikroorganizmus produkujúci aspartázu, sa môže pridať v tekutej alebo imobilizovanej podobe, ako je napríklad opísané v EP 0 127 940.

Po úplnej reakcii, pričom koniec reakcie sa môže napríklad zistiť fotometrický, nastáva podľa kroku b) oddelením amoniaku destiláciou alebo stripovaním.

Krok b) môže nastať pri bežnom tlaku alebo pri redukovanom tlaku a pri teplotách 30 až 110 °C, prednostne pri teplotách 40 až 90 °C. Prebytočný amoniak sa pritom z reakčnej zmesi oddelí pomocou rýchlych destilačných metód. Podľa destilačnej metódy sa pritom pracuje pri bežnom tlaku alebo pri redukovanom tlaku medzi 80 až 200 mbar. Takto získaný amoniakový destilát sa znovu používa pri nasledujúcom postupovom kroku, kroku f), prípadne ako adukt v nasledujúcej ďalšej enzýmovej reakcii.

Po oddelení amoniaku sa v kroku c) vyzráža kyselina L-asparágová.

Potom sa k roztoku L-aspartátu monoamónneho, získaného odstránením amoniaku, pridá kyselina mravčia alebo kyselina octová v molámom pomere L-aspartátu monoamónneho ku kyseline mravčej, prípadne kyseline octovej 1 : 0,8 až 2, prednostne 1 : 1 až 1,2. Prednostne sa používa ako zrážacie činidlo kyselina mravčia. Hodnota pH je pri zrážaní medzi 4 a 6.

Od druhého reakčného cyklu sa k roztoku L-aspartátu monoamónneho pridáva ako zrážacie činidlo filtrát fumara nu amónneho, ktorý obsahuje uvoľnenú kyselinu mravčiu, prípadne kyselinu octovú, obsiahnuté z nasledujúceho kroku e). Na dosiahnutie požadovaného molového pomeru medzi aspartátom a zrážacím činidlom sa filtrát môže doplniť kyselinou mravčou, prípadne kyselinou octovou.

Reakčná teplota je medzi 0 a 95 °C, prednostne 20 a 90 °C, najmä prednostne medzi 40 a 70 °C. Kryštalizovaná kyselina L-asparágová sa potom z reakčnej zmesi odfiltruje, napríklad absorpčnou filtráciou alebo odstredením. Prednostne sa kyselina L-asparágová oddelí odstredením. Filtračná teplota j c medzi 10 a 70 °C, prednostne medzi 15 a 50 °C. Odfiltrované kryštály kyseliny L-asparágovej sa potom perú, prednostne vodou a sušia sa. Na základe veľmi dobrej rozpustnosti mravčanu, prípadne acetátu amónneho je na pranie čerstvo kryštalizovanej kyseliny L-asparágovcj potrebné iba málo pracej vody. Kyselina L-asparágová sa týmto môže prať aj pri nízkych teplotách. Ak obsahuje kyselina L-asparágová vplyvom použitia kyseliny filmárovej ako zrážacieho činidla mravčan amónny, sú potrebné vyššie teploty prania a vyššie množstvo pracej vody.

Ak sa zmieša ostávajúci filtrát, obsiahnutý po oddelení kyseliny L-asparágovej, a pracia voda ostávajúca po praní, pripadne sa až polovica odparí, premiešajú sa s kyselinou íúmarovou a zohrejú sa na opätovné uvoľnenie kyseliny mravčej, prípadne kyseliny octovej v závislosti od zvolenej destilačnej metódy pri redukovanom tlaku alebo bežnom tlaku až na teplotu varu.

Prednostne sa kyselina fumarová pridáva pri teplote maximálne 100 °C, prednostne pri teplote maximálne 70 °C. Destilačná voda sa pritom oddestiluje s malým podielom, 1 až 5 mol. % kyseliny mravčej, prípadne kyseliny octovej.

Ostávajúci roztok sa filtruje, prípadne odstred’uje a filtrát fumaranu amónneho, obsahujúci veľký podiel kyseliny mravčej, prípadne kyseliny octovej sa znovu použije od druhého cyklu v kroku c) na vyzrážanie kyseliny L-asparágovej.

Popritom sa prípadne doplní množstvo oddestilované pri uvoľnení kyseliny prídavkom čerstvej kyseliny mravčej, prípadne kyseliny octovej.

Ostávajúci pevný fumaran amónny sa oproti tomu zmieša s amoniakom oddestilovaným v kroku b) a pridáva sa od druhého cyklu k enzýmkatalytickej reakcii ako adukt v kroku a). Súčasne sa doplní chýbajúce množstvo amoniaku prídavkom amoniaku, prednostne vo forme 10 až 35 hmotn. percentného roztoku, takže sa znovu hodnota pH nastaví medzi 7 až 9.

Eventuálne prítomný mravčan amónny enzýmovú reakciu neruší. Spôsobom podľa vynálezu sa získa kyselina L-asparágová s výťažkom cez 80 %, až k 95 % a obsahom cez 99,5 %.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Spôsob podľa vynálezu, jednotlivé jeho kroky, sú zrejmé z obrázka, na ktorom je schematicky znázornené vedenie reakčných produktov.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Príklad 1

900 ml (955 g) reakčného roztoku kyseliny L-asparágovej (DSM-Chemie Linz), obsahujúceho 240,6 g (1,80 mol) kyseliny L-asparágovej, vyrobenej reakciou 210 g (1,8 mol) kyseliny fumarovej a 406 ml 25 hmotn. percentného roztoku amoniaku (366 g) v 420 ml H₂O v prítomnosti 0,15 ml roztoku aspartázy (1000 lU/ml) bolo oddestilované pri 75 °C a tlaku 150 mbar pomocou 526 g NH₄OH. Kal bol zriedený na 955 g destilovanou vodou. Odsal sa zvyšok enzýmov a pri 85 °C bolo pridaných 82,8 g (1,8 mol) kyseliny mravčej. Získalo sa 251,9 g pevnej látky (Fl) a 744 g materského lúhu 1 (Mula 1). Materský lúh (Mula 1) sa ochladil na teplotu okolia a oddelila sa pritom vyzrážaná pevná látka.

Pritom sa získalo 51,7 g pevnej látky (Fl .1) a 678,5 g materského lúhu (Mula 1.1).

Obe množstvá pevnej látky sa zriedili 250 ml H₂O, zahriali sa na reflux a ochladili na teplotu okolia a vyzrážaná pevná látka sa oddelila od materského lúhu.

Mula 2: 191 g

F2: 288,0 g (s 30,1 % H₂O)

F2 sa znovu zriedilo 250 ml H₂O, znovu sa zahrialo na teplotu refluxu a následne sa ochladilo na teplotu okolia. Mula 3: 244 g

F3: 286,3 (s 33,5 % H₂O)

F3 bolo sušené pri 70 °C a vo vákuu, čim sa získalo

195,2 g kyseliny L-asparágovej (s 0,1 % H₂O).

Na spracovanie materského lúhu boli všetky šarže (Mula 1, 1.1, 2 a 3) spojené a pri 70 °C a 150 mbar bolo oddestilovaných 525 ml H₂O. Ku kalu (565 g) sa pridalo 210 g (1,8 mol) kyseliny fumarovej a zahrialo sa na teplotu varu (102 °C), čím sa rozpustila všetka pevná látka.

Následne sa vykonala vákuová destilácia pri 100 mbar a pomere refluxu 5:1.

Destilát 1: 100 g

48,5 °C

46.8 °C

48,5 °C

48.8 °C

Destilát 2: 102 g teplota kalu teplota na hlave teplota kalu teplota na hlave

Pri totálnom poklese bola destilácia dlhšia. Celkom sa získalo 1823 g destilátu. Ostávajúci kal bol ochladený na teplotu okolia a bola odsatá vyzrážaná pevná látka. Mula 4: 543,8 g

F4: 360g(18%H₂O)

F4 (zodpovedá 2,1 mol kyseliny fumarovej) potom bolo rozpustených v 441 g destilovanej vody, zmiešané s 353,5 g (2,1 mol) 25 percentného amoniaku (pH 9,3) a reagovalo v prítomnosti 0,15 g aspartázy 24 hodín pri 50 °C v skriňovej sušiarni.

Pritom bol dosiahnutý obrat 99,1 %.

Príklad 2

Reakčný cyklus 1

Prvý cyklus bol vykonaný analogicky s príkladom 1. Bolo znovu získaných 195 g kyseliny L-asparágovej (0,1 % H₂O).

Obsah kyseliny mravčej bol 0,1 %, obsah kyseliny fumarovej bol 0,3 %, na spracovanie materských lúhov boli znovu všetky šarže spojené a destilované pri teplote 70 °C a tlaku 150 mbar, 525 g.

K 565 g kalu bolo znovu pridané 210 g (1,8 mol) kyseliny fumarovej, zmes sa zahriala na teplotu varu (102 °C), ochladila sa na 10 °C a oddelila sa vyzrážaná usadenina.

Získalo sa 369 g Mula 4. Pevná látka (F4) bola vypraná 100 ml destilovanej vody na nuču.

F4: 367,8 g (32,6 % H₂O) pracia voda (W4): 115 g

Reakčný cyklus 2

K 367 g F4 sa pridalo 450 g destilovanej vody a

238,2 g (3,4 mol) 25 percentnej čpavkovej vody a v prítomnosti 0,13 g aspartázy pri pH 8,7 a 50 °C sa ponechalo 72 hodín reagovať v skriňovej sušiarni.

Následne bol takto získaný reakčný roztok (1050 g, 945 ml) koncentrovaný pri 70 °C a tlaku 150 mbar na polovicu.

587,5 g destilátu

450 g kalu (enzýmový zvyšok bol odfiltrovaný, pH 5,4).

Kal sa zahrial na 80 °C a čo možno najrýchlejšie bol pridaný ku zmesi z Mula 4 a W4 z reakčného cyklu 1 a 14 g (17 %) čerstvej kyseliny mravčej. Pritom sa zmes ochladila na 10 °C. Následne bola odstredená vyzrážaná pevná látka (F5) a vykonané pranie 200 ml vody (W5). Mula 5: 606 g

W5: 203 g

F5: 262,4 g (40,4 % H₂O)

F5 bolo sušené pri 75 °C vo vákuu. Bolo získaných

154,2 g kyseliny L-asparágovej (obsah 0,1 % kyseliny mravčej, 0,3 % kyseliny fumarovej).

Mula 5 a W5 (791 g) boli spojené a pri teplote 70 °C a tlaku 150 mbar boli skoncentrované.

Ostávajúci kal (500 g) sa ohrial na 80 °C a pomaly sa pridávalo 210 g (1,8 mol) kyseliny fumarovej, vykonával sa ohrev na reflux (105 °C), zriedenie 300 ml destilovanej vody a vznikol roztok a následne sa ochladil na teplotu okolia. Vyzrážaná pevná látka (F6) bola odstredená a vypraná.

Mula 6: 634g

W6: 104g

F6: 296 g (12,3 %H

Reakčný cyklus 3

K F6 z reakčného cyklu 2 bolo pridaných 587 g čpavkového destilátu z reakčného cyklu 2 a 177 g (2,52 mol) čerstvého čpavku a bolo ponechané reagovať v prítomnosti 0,2 ml enzýmu pri 50 °C 24 hodín v skriňovej sušiarni. Obrat bol 98,4 %. Takto získaný reakčný roztok (1015 g) bol koncentrovaný pri teplote 70 °C a tlaku 150 mbar na polovicu. Destilát bol 481 g.

Ostávajúci kal sa po odfiltrovaní zvyšku enzýmov zahrial na teplotu 65 °C a pomaly sa k nemu pridávalo 638 g zmesi z Muly 6 a W6.

Zmes bola následne 2 hodiny miešaná pri teplote 65 °C, ochladená na teplotu 10 °C, bola odstredená pevná látka (F7) a bolo vykonané pranie 200 ml vody (W7).

Mula 7: 1019 g

W7: 200 g

F7: 168 g (7,7 % H₂O)

F7 bolo sušené pri teplote 75 °C vo vákuu. Bolo získaných 154,2 g kyseliny L-asparágovej.

Mula 7 a W7 boli spojené a koncentrované pri teplote 70 °C a tlaku 150 mbar. 504,6 g kalu potom bolo zahriatych na 70 °C, bolo k nemu pridaných 210 g (1,8 mol) kyseliny fumarovej a 100 ml vody a 2 hodiny miešané, ochladené na teplotu okolia a vyzrážaná pevná látka (F8) odstredená a praná (W8).

Mula 8: 337 g

W8: 196,4 g

F8: 404 g (18,5% H₂O)

Reakčný cyklus 4

K 404 g F8 bolo pridaných 481 g čpavkového destilátu z cyklu 3 a 177 g čerstvého amoniaku a bolo ponechané 24 hodín reagovať s 0,2 ml enzýmu pri pH 8,7 a teplote 50 °C. Obrat predstavoval 98,7 %.

Postup pri spracovaní nastáva analogicky s cyklami 1 až 3. Bolo získaných 315 g kyseliny L-asparágovej.

Následne bol analogicky s reakčnými cyklami 1 až 4 vykonaný cyklus 5. Bilancia piatich cyklov je zrejmá z tabuľky 1.

Tabuľka 1

1. cyklus	FS (mol) 1,80	NH<FS (mol) 1,80	NHj (mol) 4,32	AS (mol) 1,80	L-asp. (mol) 1,46	L-asp. výťažok (%) 81,50	pH u L-asp. zrazenina 5,5
2. cyklus	1,80	1,85	3,40	0,30	1.15	64,40	5.3
3. cyklus	1,60	1,95	2,50	0,00	1,10	62,60	5,0
4. cyklw	1,60	2.47	3,00	1.80	2,36	131,80	4.4
5. cyklus	1,80	1.64	3,00	0,00	1.81	100,80	4,4
súčet	9,00	9,91	16,22	3,90	7,89	68,56

V tabuľke 1 znamená FS kyselina fumarová, NH₄FS mravčan amónny, AS kyselina mravčia, L-asp. kyselina asparágová.

Claims (9)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Spôsob výroby kyseliny L-asparágovej pomocou enzýmovej katalytickej reakcie kyseliny fumarovej s amoniakom, vyznačujúci sa tým, že

   a) kyselina fumarová v inertnom rozpúšťadle za prítomnosti aspartázy alebo mikroorganizmov produkujúcich aspartázu reaguje s amoniakom na L-aspartát amónny, následne

   b) sa z reakčnej zmesi oddelí amoniak a

   c) zo zostávajúcej reakčnej zmesi sa prídavkom kyseliny mravčej alebo kyseliny octovej vyzráža kyselina L-asparágová, potom sa oddelí, perie a suší,

   d) z materského lúhu obsahujúceho mravčan, prípadne acetát amónny a zmiešaného s pracou vodou sa prídavkom kyseliny fumarovej uvoľňuje kyselina mravčia, prípadne kyselina octová,

   e) po filtrácii takto získaného roztoku obsahujúceho fumaran amónny sa filtrát, prípadne spoločne s čerstvou kyselinou mravčou, prípadne kyselinou octovou pridáva znovu do kroku c) na vyzrážame kyseliny L-asparágovej a

   f) ostávajúci fumaran amónny sa zmieša s amoniakom z kroku b) a jeho adukt sa pridáva do kroku a).
2. 2. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa t ý m , že sa ako rozpúšťadlo v kroku a) používa voda, zmes voda/etanol alebo zmes voda/acetón.
3. 3. Spôsob podľa nároku Lvyznačujúci sa t ý m , že sa krok a) vykonáva pri hodnote pH medzi 7 a 9.
4. 4. Spôsob podľa nároku Lvyznačujúci sa t ý m , že sa amoniak v kroku b) oddestiluje pri teplote 30 a 110 °C a vonkajšom tlaku alebo pri redukovanom tlaku.
5. 5. Spôsob podľa nároku 1,vyznačujúci sa t ý m , že sa oddestilovanie amoniaku v kroku b) vykonáva stripovaním alebo tenkovrstvovým odparovaním.
6. 6. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa t ý m , že sa krok c) vykonáva pri hodnote pH medzí 4 a 6.
7. 7. Spôsob podľa nároku Lvyznačujúci sa t ý m , že sa krok c) vykonáva pri teplote medzi 0 a 95 °C.
8. 8. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa t ý m , že sa prídavok kyseliny fumarovej v kroku d) vykonáva pri teplote maximálne 100 °C, prednostne pri teplote maximálne 70 °C.
9. 9. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa t ý m , že sa zmes získaná v kroku f) z fumaranu amónneho a amoniaku z kroku b) doplní amoniakom až na dosiahnutie hodnoty pH medzi 7 a 9 a použije sa ako adukt v kroku a).