WO2000026398A1 - Verfahren zur herstellung von asparaginsäurederivaten - Google Patents

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WO2000026398A1
WO2000026398A1 PCT/EP1999/007948 EP9907948W WO0026398A1 WO 2000026398 A1 WO2000026398 A1 WO 2000026398A1 EP 9907948 W EP9907948 W EP 9907948W WO 0026398 A1 WO0026398 A1 WO 0026398A1
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acid
aspartic acid
solution
crude
salts
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PCT/EP1999/007948
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French (fr)
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Torsten Groth
Winfried Joentgen
Michael Schwamborn
Hartwig Wendt
Nikolaus Müller
Original Assignee
Bayer Aktiengesellschaft
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P13/00—Preparation of nitrogen-containing organic compounds
    • C12P13/04—Alpha- or beta- amino acids
    • C12P13/20—Aspartic acid; Asparagine

Definitions

  • the present invention relates to a process for the preparation of aspartic acid derivatives of the general formula (I)
  • R represents a radical of the series H, Na, K, NH 4 , Ca, Mg, Li or Fe,
  • R 3 for a residue of the series H, -CH 2 -COOR "-CH 2 -CH 2 -COOR" -CH 2 -CH 2 -OH ;
  • -CH, -CHOH-CH, or -CH, -CHOH-CH, OH characterized in that carbohydrates are fermented in the presence of fumaric acid-producing microorganisms, the resulting fumaric acid-containing fermentation solution is purified, the resulting fumaric acid ammonium salt solution is converted by enzyme catalysis to a crude aspartic acid solution and the crude aspartic acid solution thus obtained after addition of
  • Aspartic acid derivatives of the formula (I) according to the present invention are, for example, iminodisuccinic acid and hydroxyiminodisuccinic acid and their salts.
  • JP 5 320 109 produces iminodisuccinic acid from maleic acid and aspartic acid in the presence of alkali and alkaline earth compounds.
  • Aspartic acid can be used both in the S or R form or as a racemate.
  • JP 8 012 631 maleic acid monomethyl ester is reacted with aspartic acid under alkaline conditions.
  • S-aspartic acid is used to avoid R, R-iminodisuccinic acid.
  • hydroxyiminodisuccinic acid is prepared from epoxysuccinic acid and aspartic acid in the presence of calcium hydroxide.
  • Crude solution after addition of alkali metal hydroxide and concentration with distillation of ammonia water to the aspartic acid derivatives of formula (I) can be converted in high yield and quality, because it was surprisingly found that when concentrating the crude aspartic acid mixed with alkali metal hydroxide almost all of the ammonia can be removed and consequently no undesired side reactions can occur in the subsequent reaction.
  • the concentration is carried out in order to bring the aspartic acid alkali salts formed after the addition of alkali metal hydroxide to the crude aspartic acid solution to a concentration suitable for the subsequent reaction, because the subsequent Reactants used in the reaction can also react with water to form undesirable secondary components.
  • carbohydrates from cereal starch, wheat starch or molasses, in particular dextrose in the presence of organic and inorganic nitrogen sources and minerals, such as urea, ammonium sulfate, zinc sulfate, iron chloride, magnesium sulfate and ammonium hydrogen phosphate, fumaric acid-producing microorganisms, such as, for example, Rhizopus arrhizus , Rhizopus oryzac and Rhizopus nigricans, and vitamins fermented at temperatures of 25 - 35 ° C.
  • organic and inorganic nitrogen sources and minerals such as urea, ammonium sulfate, zinc sulfate, iron chloride, magnesium sulfate and ammonium hydrogen phosphate, fumaric acid-producing microorganisms, such as, for example, Rhizopus arrhizus , Rhizopus oryzac and Rhizopus nigricans, and vitamins fermented at temperatures of 25 - 35 ° C.
  • the fumaric acid formed is neutralized either by adding ammonium, alkali or alkaline earth hydroxides, ammonium, alkali or alkaline earth carbonates or ammonium, alkali or alkaline earth hydrogen carbonates, preferably by adding calcium carbonate, or by suitable extraction processes from the Fermentation mixture removed.
  • the fumaric acid is released again by adding the bases mentioned above, preferably by adding ammonia or aqueous ammonia solution from the extractant, for example as the fumaric acid ammonium salt.
  • the sparingly soluble fumaric acid calcium salt is filtered off and converted into fumaric acid ammonium salt by means of ammonia, ammonium carbonate or ammonium hydrogen carbonate.
  • the fumaric acid ammonium salt solution thus obtained which can consist of fumaric acid monoammonium salt or fumaric acid diammonium salt or a mixture of both, is purified before the enzymatic conversion to crude aspartic acid solution.
  • the cleaning can be carried out by recrystallization, membrane filtration, solvent extraction, absorbents such as activated carbon or processes supported by ion exchangers.
  • the fumaric acid ammonium salt solution obtained from the fermentation process is converted with an ion exchanger into the fumaric acid monoammonium salt, which is further purified by crystallization. This salt is used in the next process step before
  • the 0.5 - 2 molar fumaric acid diammonium salt solution produced in the cleaning step is now in the presence of a suitable enzyme and trace elements such as calcium, magnesium, manganese, strontium or iron at temperatures of 20 to 60 ° C and a pH of 7-9 converted into a raw aspartic acid solution delt, which mainly consists of aspartic acid monoammonium salt, but can also be present in a mixture with aspartic acid diammonium salt.
  • the aspartic acid contained is predominantly in the S form, preferably in> 90% of theory. Th. In the S-form, particularly preferably in> 99% of theory. Th. In the S-shape.
  • the conversion which is carried out with a yield of 90-100% of theory.
  • Th. Based on the fumaric acid salt used, is carried out using aspartase, which can be used in the form of bacterial cultures, permeabilized cells, cell extracts or in purified form. In a preferred embodiment, aspartase is used in immobilized form.
  • the aspartic acid alkali metal salt solution will be adjusted to a suitable concentration for use in the subsequent reaction.
  • concentrations can be between 20 and 75% by weight, preferably between 30 and 70% by weight, particularly preferably between 40 and 65% by weight, based on the aspartic acid alkali metal salt contained in the solution.
  • ammonia water is distilled off, which can be used again, for example, in the work-up process of the fermentation solution containing fumaric acid.
  • the aspartic acid-alkali metal salt solution comes from a crude aspartic acid solution in which trace elements and, if appropriate, impurities can be contained.
  • the trace elements such as calcium, magnesium, manganese, iron and strontium, depending on the aspartic acid alkali metal salt concentration and the pH of the solution, can cause cloudiness.
  • These turbidities are filtered off at temperatures of 5-60 ° C., preferably 10-50 ° C., particularly preferably 15-40 ° C.
  • the aspartic acid alkali metal salt solution thus prepared becomes
  • Aspartic acid derivatives of the formula (I) are u. a. Iminodisuccinic acid, hydroxyiminodisuccinic acid, ethylenediaminedisuccinic acid, aspartic acid-N, N-diacetic acid, aspartic acid-N, N-dipropionic acid, N, N-dihydroxyethylaspartic acid, N, N-di- (2-hydroxypropyl) aspartic acid and N, N-
  • Di- (2,3-dihydroxypropyl) aspartic acid and its Na, K, NH 4 , Ca, Mg, Li and Fe salts Di- (2,3-dihydroxypropyl) aspartic acid and its Na, K, NH 4 , Ca, Mg, Li and Fe salts.
  • Iminodisuccinic acid, hydroxyiminodisuccinic acid, ethylenediaminedisuccinic acid, and aspartic acid-N, N-diacetic acid and their Na, K, NH 4 , Ca, Mg, Li and Fe salts are preferably prepared according to the process of the invention.
  • the aspartic acid / alkali metal salt solution prepared by the process according to the invention is reacted with unsaturated mono- or dicarboxylic acids, such as, for example, acrylic acid, methacrylic acid, maleic acid or fumaric acid and their alkali metal salts, preferably sodium salts.
  • unsaturated mono- or dicarboxylic acids such as, for example, acrylic acid, methacrylic acid, maleic acid or fumaric acid and their alkali metal salts, preferably sodium salts.
  • Ethylene oxide and propylene oxide are used as epoxides
  • 2,3-epoxypropanol is used as epoxy alcohol
  • epoxy succinic acid and its alkali metal salts are used as epoxy acid.
  • 1,2-dibromoethane is used as the alkyl halide and chloroacetic acid, for example, as the haloalkanoic acid.
  • chloroacetic acid for example, as the haloalkanoic acid.
  • formaldehyde and alkali metal cyanides or alkali metal hydroxides and HCN used for the cyanomethylation.
  • Maleic acid, epoxysuccinic acid, chloroacetic acid and bromoacetic acid and their salts, and 1,2-dichloroethane, 1,2-dibromoethane, formaldehyde and NaCN are preferably used.
  • the reactants mentioned can be in the form of gas or in liquid, solid or dissolved
  • the concentration of the resulting reaction mixtures is 20 to 75% by weight, preferably 30 to 70% by weight, particularly preferably 40-65% by weight, based on the solid contained.
  • the pH values are 3-13, preferably 5-12, particularly preferably 6-11.5.
  • the reaction temperatures are 20-200 ° C., preferably 30-175 ° C., particularly preferably 40-150 ° C.
  • the molar ratios between the aspartic acid alkali metal salt and the reactant can be 1: 0.5-5, preferably 1: 0.9-4, particularly preferably 1: 1.4-3.
  • the reaction times can be between 0.1 and 100 h, preferably between 0.5 and 50 h, particularly preferably between 1 and 25 h.
  • the reactants can be used individually, in succession or as mixtures.
  • the compounds of the formula (I) obtained by the process according to the invention can be used as complexing agents for alkaline earth metal ions and heavy metal ions in detergents and cleaning agents, in the pharmaceutical, cosmetic, textile and paper sectors, in the building materials and electroplating industry and in agriculture.
  • the use as a water softener, bleach stabilizer, micro-nutrient fertilizer and retarder is particularly noteworthy.
  • EDTA ethylenediaminetetraacetic acid
  • DTPA diethylenetriaminepentaacetic acid
  • NTA nitrilotriacetic acid
  • Phosphates are complexing agents that are used for eutrophication of water contribute. In summary, these are ecotoxicological properties that are perceived as disadvantageous today.
  • the aspartic acid derivatives of the formula (I) and their mixtures are now biodegradable complexing agents. They are quickly and largely degraded in sewage treatment plants and surface waters and therefore have almost no accumulation potential in the environment. As a result, heavy metals in the vicinity can no longer be remobilized. You can also no longer get into the drinking water treatment.
  • the aspartic acid derivatives of the formula (I) and their mixtures are prepared by the process according to the invention from crude aspartic acid solutions which were previously obtained from carbohydrates by fermentation, isolation and purification of the intermediate fumaric acid and the enzyme catalysis to form aspartic acid.
  • the route from dextrose to aspartic acid ammonium salt solution described in WO 98/16652 is followed in a corresponding manner.
  • the aspartic acid ammonium salt solution of WO 98/16652 corresponds to the crude aspartic acid solution of the process according to the invention.
  • the following examples therefore begin with the use of the raw aspartic acid solution or with the use of an aspartic ammonium salt solution.
  • a 2 molar S-aspartic acid monoammonium salt solution is used as an example.
  • the reaction mixture is concentrated in vacuo at 102 ° C. and the residue is completely dried at 100 mbar and 100 ° C. 353 g of solid with 5.2% by weight tartaric acid Na 2 salt and 3.6% by weight aspartic acid Na 2 salt are obtained.
  • the yield of hydroxyiminodisuccinic acid Na 4 salt is approx. 90% of theory

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Asparaginsäurederivaten der allgemeinen Formel (I), und ihren Mischungen, in welcher R1, R2, R3 die in der Beschreibung genannten Bedeutungen haben, ausgehend von Kohlehydraten durch Fermentation in Gegenwart von Mikroorganismen.

Description

Verfahren zur Herstellung von Asparaginsäurederivaten
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Asparagin- säurederivaten der allgemeinen Formel (I)
Figure imgf000003_0001
und ihren Mischungen, in welcher
R, für einen Rest der Reihe H, Na, K, NH4, Ca, Mg, Li, oder Fe steht,
R, für einen Rest der Reihe
Figure imgf000003_0002
-CH2-COOR„ -CH2-CH2-COOR„ -CH2-CH2-OH, -CH2-CHOH-CH3 oder -CH2-CHOH-CH2OH steht und
R3 für einen Rest der Reihe H, -CH2-COOR„ -CH2-CH2-COOR„ -CH2-CH2-OH;
-CH,-CHOH-CH, oder -CH,-CHOH-CH,OH steht, dadurch gekennzeichnet, daß Kohlenhydrate in Gegenwart von Fumarsäure produzierenden Mikroorganismen fermentiert werden, die daraus resultierende Fumarsäure- haltige Fermentationslösung gereinigt wird, die dabei entstehende Fumarsäure- Ammoniumsalzlösung durch Enzymkatalyse zu einer Asparaginsäure-Rohlösung umgewandelt wird und die so erhaltene Asparaginsäure-Rohlösung nach Zugabe von
Alkalimetallhydroxid und nach Aufkonzentrierung unter Abdestillation von Ammoniakwasser mit ungesättigten Mono- oder Dicarbonsäuren oder deren Salzen, mit Epoxiden, Epoxyalkoholen, Epoxysäuren oder deren Salzen, mit Alkylhalogeniden und Halogenalkansäuren oder deren Salzen oder durch Cyanomethylierung und an- schließende Verseifüng umgesetzt wird.
Asparaginsäurederivate der Formel (I) gemäß der vorliegenden Erfindung sind beispielsweise Iminodibernsteinsäure und Hydroxyiminodibernsteinsäure und deren Salze.
In JP 5 320 109 wird Iminodibernsteinsäure aus Maleinsäure und Asparaginsäure in Gegenwart von Alkali- und Erdalkaliverbindungen hergestellt. Asparaginsäure kann dabei sowohl in der S- oder R-Form oder als Racemat eingesetzt werden.
In JP 8 012 631 wird Maleinsäuremonomethylester mit Asparaginsäure unter alkalischen Bedingungen umgesetzt. Dabei wird insbesonders S-Asparaginsäure zur Vermeidung der R,R-Iminodibernsteinsäure eingesetzt.
In JP 5 170 714 wird Hydroxyiminodibernsteinsäure aus Epoxybernsteinsäure und Asparaginsäure in Gegenwart von Calciumhydroxyd hergestellt.
In DE 4 024 552 wird S-Asparaginsäure in Wasser mit Natronlauge und anschließend mit cis-Epoxybernsteinsäure Dinatriumsalz zu 3 -Hydroxy-2,2' -iminodibernsteinsäure Tetranatriumsalz umgesetzt. In den aufgeführten Beispielen handelt es sich bei der eingesetzten Asparaginsäure um eine reine, unter Zwischenisolierung hergestellte Asparaginsäure. Diese wird aus einem Reaktionsgemisch durch Ansäuerung, Kristallisation, Filtration, Waschen und Trocknung gewonnen. Diese Aufarbeitung verursacht Kosten, verteuert das Produkt und belastet die Umwelt.
Es bestand daher die Aufgabe, für die Herstellung von monomeren Asparaginsäure- derivaten der Formel (I) und ihren Mischungen ein neues, kostengünstiges und umweltgerechtes Verfahren zu entwickeln, mit dem die angestrebten Produkte in hoher Qualität und Ausbeute erhalten werden können. Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren gelöst.
Eine durch Fermentation erhaltene Asparaginsäure-Rohlösung wurde bei der Herstellung der Asparaginsäure-Derivate der Formel (I) bisher noch nicht eingesetzt, da der in ihr enthaltene Ammoniak Nebenreaktionen verursachen würde. Die entstehenden
Nebenkomponenten könnten nur durch aufwendige Reinigungeschritte abgetrennt werden. Dabei ginge aber der Vorteil verloren, der zunächst durch die Einsparung der Aufarbeitung der Asparaginsäure-Rohlösung erhalten wird.
Es wurde nun herausgefunden, daß die durch Fermentation erhaltene Asparaginsäure-
Rohlösung nach Zugabe von Alkalimetallhydroxyd und Aufkonzentrierung unter Ab- destillation von Ammoniakwasser zu den Asparaginsäure-Derivaten der Formel (I) in hoher Ausbeute und Qualität umgesetzt werden kann, denn es wurde überraschenderweise festgestellt, daß bei der Aufkonzentrierung der mit Alkalimetallhydroxyd versetzten Asparaginsäure-Rohlösung nahezu der gesamte Ammoniak entfernt werden kann und somit in der Folgereaktion keine unerwünschten Nebenreaktionen mehr eintreten können.
Die Aufkonzentrierung wird durchgeführt, um die nach Zugabe von Alkalimetallhy- droxyd zu der Asparaginsäure-Rohlösung gebildeten Asparaginsäure- Alkalisalze auf eine für die Folgereaktion geeignete Konzentration zu bringen, denn die in der Folge- reaktion eingesetzten Reaktanden können auch mit Wasser zu unerwünschten Nebenkomponenten abreagieren.
Durch den Einsatz von Asparaginsäure-Rohlösung und durch die anschließende Auf- konzentrierung nach Alkalimetallhydroxydzugabe können nun überraschenderweise mehrere Vorteile gleichzeitig erhalten werden:
1. Vermeidung der aufwendigen Zwischenisolierung der Asparaginsäure im Sinne eines Ressourcen-schonenden und umweltgerechten Verfahrens.
2. Verringerung der durch Wasser bedingten Nebenreaktionen.
3. Verringerung der durch Ammoniak bedingten Nebenreaktionen.
4. Herstellung der vielseitig einsetzbaren Wertstoffe Ammoniak und Ammoniakwasser, die zum Beispiel in dem Aufarbeitungsprozeß der Fumarsäure- haltigen Fermentationslösung wieder eingesetzt werden kann.
5. Herstellung von Asparaginsäure-Derivaten der Formel (I) in einer Qualität und Ausbeute, so daß die Abtrennung von unerwünschten Nebenkomponenten mittels eines aufwendigen Reinigungsverfahrens vermieden werden kann.
Im erfindungsgemäßen Verfahren werden Kohlenhydrate aus Getreidestärke, Weizenstärke oder Melasse, insbesondere Dextrose, in Gegenwart von organischen und anorganischen Stickstoffquellen und Mineralien, wie z.B. Harnstoff, Ammoniumsulfat, Zinksulfat, Eisenchlorid, Magnesiumsulfat und Ammoniumhydrogen- phosphat, Fumarsäure-produzierenden Mikroorganismen, wie z.B. Rhizopus arrhizus, Rhizopus oryzac und Rhizopus nigricans, und Vitaminen bei Temperaturen von 25 - 35°C fermentiert. Während der Fermentation wird die entstehende Fumarsäure entweder durch Zugabe von Ammonium-, Alkali- oder Erdalkalihydroxyden, Ammonium-, Alkali- oder Erd- alkalicarbonaten oder Ammonium-, Alkali- oder Erdalkalihydrogencarbonaten, bevorzugt durch Zugabe von Calciumcarbonat, neutralisiert oder durch geeignete Extraktionsverfahren aus dem Fermentationsgemisch entfernt.
Im Falle der Extraktion wird die Fumarsäure durch Zugabe der obengenannten Basen, bevorzugt durch Zugabe von Ammoniak oder wässriger Ammoniaklösung aus dem Extraktionsmittel beispielsweise als Fumarsäureammoniumsalz wieder frei- gesetzt. Im Falle der beschriebenen Neutralisation des Fermentationsmediums, mit z.B. Calciumcarbonat, wird das schwerlösliche Fumarsäurecalciumsalz ab filtriert und mittels Ammoniak, Ammoniumcarbonat oder Ammoniumhydrogencarbonat in Fumarsäureammoniumsalz umgewandelt.
Die so erhaltene Fumarsäureammoniumsalzlösung, die aus Fumarsäuremonoammo- niumsalz oder Fumarsäurediammoniumsalz oder einem Gemisch aus beiden bestehen kann, wird vor der enzymatischen Umwandlung zu Asparaginsäure-Rohlösung gereinigt. Die Reinigung kann durch Umkristallisation, Membranfiltration, Lösungsmittelextraktion, Absorptionsmittel wie beispielsweise Aktivkohle oder Ionenaus- tauscher-gestützte Verfahren erfolgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die aus dem Fermentationsprozeß erhaltene Fumarsäureammoniumsalzlösung mit einem Ionenaustauscher in das Fumar- säuremonoammoniumsalz umgewandelt, das durch Kristallisation weiter gereinigt wird. Aus diesem Salz wird vor dem Einsatz im nächsten Verfahrensschritt das
Fumarsäurediammoniumsalz hergestellt.
Die im Reinigungsschritt hergestellte 0,5 - 2 molare Fumarsäurediammoniumsalz- lösung wird nun in Gegenwart eines geeigneten Enzymes und Spurenelementen wie z.B. Calcium, Magnesium, Mangan, Strontium oder Eisen bei Temperaturen von 20 bis 60°C und einem pH- Wert von 7 - 9 in eine Asparaginsäure-Rohlösung umgewan- delt, die überwiegend aus Asparaginsäuremonoammoniumsalz besteht, aber auch in einer Mischung mit Asparaginsäurediammoniumsalz vorliegen kann. Die enthaltene Asparaginsäure liegt überwiegend in der S-Form vor, bevorzugt in >90 % d. Th. in der S-Form, besonders bevorzugt in >99 % d. Th. in der S-Form.
Die Umwandlung, die mit einer Ausbeute von 90 - 100 % d. Th. bezogen auf das eingesetzte Fumarsäuresalz erfolgt, wird mittels Aspartase vorgenommen, die in Form von Bakterienkulturen, permeabilisierten Zellen, Zellextrakten oder in gereinigter Form eingesetzt werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform wird Aspartase in immobilisierter Form verwendet.
Zusammenfassend sei gesagt, daß die bisher beschriebenen Verfahrensschritte ausgehend von Kohlenhydraten bis zur Asparaginsäure-Rohlösung in Anlehnung an die WO 98/16652 und darin beschriebene Zitate durchgeführt werden. Darin ist aller- dings die Herstellung von monomeren Asparaginsäure-Derivaten der Formel (I) nicht beschrieben. Die so hergestellte 0,2 - 2 molare Asparaginsäure-Rohlösung wird im folgenden Reaktionsschritt mit 0,5 - 3,5 Molequivalenten am Alkalimetallhydroxid, bevorzugt mit 0,9 - 3,1 Molequivalenten an Alkalimetallhydroxid, versetzt. Dazu können Lithium-, Natrium- und Kaliumhydroxid, bevorzugt Natriumhydroxid, in fester aber auch in gelöster Form, bevorzugt in konzentrierten Lösungen, eingesetzt werden.
Die Asparaginsäure-Alkalimetallsalzlösung wird zum Einsatz in der Folgereaktion auf eine geeignete Konzentration eingestellt werden. Die Konzentrationen können zwischen 20 und 75 Gew.-%, bevorzugt zwischen 30 und 70 Gew.-%, besonders bevorzugt zwischen 40 und 65 Gew.-% bezogen auf das in der Lösung enthaltene Asparaginsäure-Alkalimetallsalz liegen. Bei der Aufkonzentrierung wird Ammoniakwasser abdestilliert, das beispielsweise in dem Aufarbeitungsprozeß der Fumarsäure- haltigen Fermentationslösung wieder eingesetzt werden kann. Die Asparaginsäure-Alkalimetallsalzlösung entstammt einer Asparaginsäure-Rohlösung, in der Spurenelemente und gegebenenfalls Verunreinigungen enthalten sein können. Durch die Herstellung der Asparaginsäure Alkalimetallsalzlösung können die Spurenelemente wie beispielsweise Calcium, Magnesium, Mangan, Eisen und Strontium in Abhängigkeit von der Asparaginsäure-Alkalimetallsalz-Konzentration und dem pH- Wert der Lösung Trübungen verursachen. Diese Trübungen werden bei Temperaturen von 5 - 60°C, bevorzugt 10 - 50°C, besonders bevorzugt bei 15 - 40°C abfiltriert.
Die auf diese Weise hergestellte Asparaginsäure- Alkalimetallsalzlösung wird zur
Herstellung der Asparaginsäure-Derivate der Formel (I) und ihren Mischungen mit geeigneten Reaktanden umgesetzt. Asparaginsäure-Derivate der Formel (I) sind u. a. Iminodibernsteinsäure, Hydroxyiminodibernsteinsäure, Ethylendiamindibernstein- säure, Asparaginsäure-N,N-diessigsäure , Asparaginsäure-N,N-dipropionsäure, N,N- Dihydroxyethylasparaginsäure, N,N-Di-(2-hydroxypropyl)asparaginsäure und N,N-
Di-(2,3-dihydroxypropyl)asparaginsäure sowie ihre Na-, K-, NH4-, Ca-, Mg-, Li- und Fe-Salze. Bevorzugt werden gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren Iminodibernsteinsäure, Hydroxyiminodibernsteinsäure, Ethylendiamindibernsteinsäure, und Asparaginsäure-N,N-diessigsäure und ihre Na-, K-, NH4-, Ca-, Mg-, Li- und Fe-Salze hergestellt.
Zur Herstellung der Asparaginsäurederivate der Formel (I) und ihrer Mischungen wird die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Asparaginsäure- Alkalimetallsalzlösung mit ungesättigten Mono- oder Dicarbonsäuren, wie beispiels- weise Acrylsäure, Methacrylsäure, Maleinsäure oder Fumarsäure und ihren Alkalisalzen, bevorzugt Natriumsalzen umgesetzt. Als Epoxide werden beispielsweise Ethylenoxid und Propylenoxid, als Epoxyalkohol wird beispielsweise 2,3-Epoxy- propanol und als Epoxysäure wird beispielsweise Epoxybernsteinsäure und ihre Alkalisalze eingesetzt. Als Alkylhalogenid wird beispielsweise 1 ,2-Dibromethan und als Halogenalkansäure beispielsweise Chloressigsäure verwendet. Für die Cyano- methylierung werden Formaldehyd und Alkalicyanide oder Alkalihydroxide und HCN eingesetzt. Bevorzugt werden Maleinsäure, Epoxybernsteinsäure, Chloressigsäure und Bromessigsäure und ihre Salze sowie 1 ,2-Dichlorethan, 1 ,2-Dibrom- ethan, Formaldehyd und NaCN eingesetzt.
Die genannten Reaktanden können als Gas oder in flüssiger, fester oder gelöster
Form, als freie Säure oder als Alkalisalz eingesetzt werden. Die Konzentration der resultierenden Reaktionsgemische liegt bei 20 bis 75 Gew.-%, bevorzugt bei 30 bis 70 Gew.-%, besonders bevorzugt bei 40 - 65 Gew.-% bezogen auf den enthaltenen Feststoff. Die pH- Werte liegen bei 3 - 13, bevorzugt bei 5 - 12, besonders bevorzugt bei 6 - 11,5. Die Reaktionstemperaturen betragen in Abhängigkeit von den verwendeten Reaktanden 20 - 200°C, bevorzugt 30 - 175°C, besonders bevorzugt 40 bis 150°C. Die Molverhältnisse zwischen dem Asparaginsäure-Alkalimetallsalz und dem Reaktand können 1 : 0,5 - 5, bevorzugt 1 : 0,9 - 4, besonders bevorzugt 1 : 1,4 - 3 betragen. Die Reaktionszeiten können zwischen 0,1 und 100 h, bevorzugt zwischen 0,5 und 50 h, besonders bevorzugt zwischen 1 und 25 h liegen. Die Reaktanden können einzeln, nacheinander oder als Mischungen eingesetzt werden.
Die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Verbindungen der Formel (I) können als Komplexiermittel für Erdalkaliionen und Schwermetallionen in Wasch- und Reinigungsmitteln, im Pharma-, Kosmetik-, Textil- und Papierbereich, in der Baustoff- und Galvanikindustrie sowie in der Landwirtschaft eingesetzt werden. Die Verwendung als Wasserenthärter, Bleichmittelstabilisator, Spurennähr- stoffdünger und Abbindeverzögerer ist dabei besonders hervorzuheben.
Komplexiermittel werden seit Jahren in großen Mengen eingesetzt. Viele bisher gebräuchliche Komplexiermittel, wie Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA), Di- ethylentriaminpentaessigsäure (DTPA), Nitrilotriessigsäure (NTA) und andere Aminopolycarbonsäuren sind nicht oder nur bedingt biologisch abbaubar, remobilisieren Schwermetalle in Oberflächengewässern und können sogar bis in die Trink- Wasseraufbereitung gelangen, da sie weder in Klärschlämmen noch in Böden adsorbiert werden. Phosphate sind Komplexiermittel, die zur Eutrophierung von Ge- wässern beitragen. Zusammengefaßt handelt es sich um ökotoxikologische Eigenschaften, die in der heutigen Zeit als nachteilig empfunden werden.
Daher ist es eine wichtige Aufgabe, Komplexiermittel zu entwickeln, die die bisheri- gen ökotoxikologischen Nachteile nicht aufweisen. Bei den Asparaginsäurederivaten der Formel (I) und ihren Mischungen handelt es sich nun um biologisch abbaubare Komplexiermittel. Sie werden in Kläranlagen und Oberflächengewässern schnell und weitestgehend abgebaut und besitzen somit in der Umwelt nahezu kein Akkumulationspotential. Dadurch kann eine Remobilisierung von Schwermetallen in der Um- weit nicht mehr erfolgen. Sie können außerdem nicht mehr bis in die Trinkwasseraufbereitung gelangen.
Zukünftig werden aber nicht nur die Produkteigenschaften von Chemikalien, die nach dem Gebrauch überwiegend in die Umwelt gelangen, unter den geschilderten Aspekten kritisch geprüft, sondern auch die Herstellungsverfahren. Somit war es überraschend, daß für die umweltfreundlichen Asparaginsäurederivate der Formel (I) ein neues, umweltfreundlicheres Verfahren gefunden werden konnte.
Beispiele
Die Asparaginsäure-Derivate der Formel (I) und ihre Mischungen werden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aus Asparaginsäure-Rohlösungen hergestellt, die zu- vor aus Kohlenhydraten durch Fermentation, Isolierung und Reinigung des Zwischenproduktes Fumarsäure sowie der Enzymkatalyse zu Asparaginsäure erhalten wurden. Der in WO 98/16652 beschriebene Weg von Dextrose zu Asparaginsäure- ammoniumsalzlösung wird in entsprechender Weise nachvollzogen. Die Asparagin- säureammoniumsalzlösung der WO 98/16652 entspricht dabei der Asparaginsäure- Rohlösung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die folgenden Beispiele beginnen daher mit dem Einsatz der Asparaginsäure-Rohlösung, beziehungsweise mit dem Einsatz einer Asparaginsäureammoniumsalzlösung. Beispielhaft wird eine 2 molare S - Asparaginsäuremonoammoniumsalzlösung eingesetzt.
Beispiel 1
Herstellung von Iminodibernsteinsäure Na4-Salz
555 g = 500 ml S-Asparaginsäuremonoammoniumsalzlösung aus der Fermentation (= 1 Mol ASP Mono-NH4-Salz) werden mit 160 g 50 %iger wässriger Natronlauge
(2 Mol NaOH) versetzt. Nach der Abdestillation von 415 g Ammoniakwasser werden 258 g 62 %ige Maleinsäuredinatriumsalzlösung (= 1 Mol MS Na2-Salz), hergestellt aus Maleinsäureanhydrid und 50 %iger Natronlauge, hinzugegeben. Nach der weiteren Destillation von 58 g Wasser wird das resultierende Reaktionsgemisch 12 h bei 1 10°C gerührt. Zur Aufarbeitung wird das Reaktionsgemisch mit 250 ml Wasser versetzt und 50 ml Ammoniakwasser werden erneut abdestilliert. Nach der Zugabe von 50 ml Wasser werden 750 g Produktlösung (44,9 Gew.-% Feststoff enthaltend) auf Raumtemperatur gekühlt und gegebenenfalls filtriert. Die Analyse zeigt folgende Gehalte und Ausbeuten: S,S+S,R-Iminodibernsteinsäure Na4-Salz mit 38,7 Gew.-% = 86,2 % d.Th., S-Asparaginsäure Na2-Salz mit 3,0 Gew.-% = 6,3 % d.Th., Fumarsäure Na2-Salz mit 1,6 Gew.-% = 3,8 % d.Th., Maleinsäure Na2-Salz mit 1,1 Gew.-% = 2,6 % d.Th. und Äpfelsäure Na2-Salz mit 0,5 Gew.-% = 1,1 % d.Th. Die biologische Abbaubarkeit (DOC-Abnahme) betrug im OECD 301 E nach 7d 97 %. Die Calciumbindefähigkeit betrug im Trübungstitrationstest bei 23°C und pH 11 190 mg CaCO, pro g Summe Na-Salze (= Feststoff).
Beispiel 2
Herstellung von Hydroxyiminodibernsteinsäure Na4-Salz
555 g = 500 ml S-Asparaginsäuremonoammoniumsalzlösung aus der Fermentation
(= 1 Mol ASP Mono-NH4-Salz werden mit 160 g 50 %iger wässriger Natronlauge (2 Mol NaOH) versetzt. Nach der Abdestillation von 252 g Ammoniakwasser werden 781 g einer 22,5 %igen Epoxybernsteinsäure Dinatriumsalzlösung (= 1 Mol Epoxy- bernsteinsäure Na2-Salz), hergestellt in Gegenwart von Natriumwolframat aus Maleinsäure, Wasserstoffperoxid und Natronlauge, hinzugegeben. Nach 8 h bei ca.
102°C wird das Reaktionsgemisch im Vakuum eingeengt und der Rückstand bei 100 mbar und 100°C vollständig getrocknet. 353 g Feststoff mit 5,2 Gew.-% Weinsäure Na2-Salz und 3,6 Gew.-% Asparaginsäure Na2-Salz werden erhalten. Die Calciumbindefähigkeit betrug im Trübungstitrationstest bei 23 °C und pH 11 310 mg CaCO3 pro g Summe Na-Salze (= Feststoff). Die Ausbeute an Hydroxyiminodibernsteinsäure Na4-Salz beträgt ca. 90 % d.Th.
Beispiel 3
Herstellung von Ethylendiamindibernsteinsäure Na4-Salz
555 g = 500 ml S-Asparaginsäuremonoammoniumsalzlösung aus der Fermentation (= 1 Mol ASP Mono-NH4-Salz) werden mit 160 g 50 %iger wässriger Natronlauge (2 Mol NaOH) versetzt. Nach der Abdestillation von 215 g Ammoniakwasser werden 94 g Dibromethan (= 0,5 Mol) unter intensivem Rühren bei 60 - 70°C hinzugetropft.
Um den pH- Wert auf pH 10 zu halten, wird 50 %ige wässrige Natronlauge zusätzlich eindosiert. Insgesamt werden 80 g 50 %ige Natronlauge (= 1 Mol NaOH) hinzugegeben. Nach 3 h bei 60 - 70°C wird das Reaktionsgemisch mit 126 g Wasser verdünnt und auf Raumtemperatur gekühlt. Es werden 800 g einer ca. 24 gew.-%igen Ethylendiamindibernsteinsäure Na4-Salzlösung erhalten. Die Calciumbindefähigkeit betrug im Trübungstitrationstest bei 23 °C und pH 11 170 mg CaCO3 pro g Summe der organischen Na-Salze (= Feststoff). Die Ausbeute an Ehylendiamindibern- steinsäure Na4-Salz liegt > 95 % d.Th.
Beispiel 4
Herstellung von Asparaginsäure-N,N-diessigsäure Na4-Salz
555 g = 500 ml S-Asparaginsäuremonoammoniumsalzlösung aus der Fermentation (= 1 Mol ASP Mono-NH4-Salz) werden mit 160 g 50 %iger wässriger Natronlauge (2 Mol NaOH) versetzt. Nach der Abdestillation von 412 g Ammoniakwasser werden
396 g einer 50 %igen wässrigen Chloressigsäurelösung (= 2,1 Mol Chloressigsäure) innerhalb von 0,5 h hinzugegeben. Nach der Zugabe von ca. 40 g dieser Lösung wird der pH- Wert während der restlichen Dosierung durch die Zugabe von 222 g einer 50 %igen wässrigen Natronlauge (= 2,78 Mol NaOH) bei einer Temperatur von 51°C auf pH 10 gehalten. Danach werden zu der weiterhin exothermen Reaktion zur
Einhaltung des pH-Wertes auf pH 10 bei 51 °C innerhalb von 1 h weitere 100 g der
50 %igen Natronlauge (= 1,25 Mol NaOH) gegeben. Nach einer weiteren Stunde bei
51 °C ist die Reaktion beendet. Insgesamt werden inclusive geringer Mengen an Spülwasser 1040 g einer farblosen 32,4 gew.-%igen Produktlösung (bezogen auf die theoretische Menge an Asparaginsäurediessigäure Na4-Salz = Feststoff) erhalten. Die
Calciumbindefähigkeit betrug im Trübungstitrationstest bei 23 °C und pH 11 320 mg CaCO3 pro g Summe der organischen Na-Salze (= Feststoff). Die Ausbeute an Asparaginsäurediessigäure Na4-Salz liegt > 95 % d.Th. Beispiel 5
Herstellung einer Mischung von Iminodibernsteinsäure Na4-Salz und Asparagin- säure-N,N-diessigsäure Na4-Salz
750 g Produktlösung aus Beispiel 1 (0,13 Mol Asparaginsäure Na2-Salz enthaltend) werden bei 50°C mit 51 g einer 50 %igen wässrigen Chloressigsäurelösung (= 0,27 Mol Chloressigsäure) versetzt. Innerhalb von einer Stunde werden 43,2 g einer 50 %igen wässrigen Natronlauge (- 0,54 Mol NaOH) hinzugegeben. Nach einer weiteren Stunde bei 60°C ist die Reaktion beendet und das Reaktionsgemisch wird mit 56 g Wasser auf 900 g aufgefüllt. Die Calciumbindefähigkeit der ca. 40 gew.-%igen Produktlösung (bezogen auf die Summe der organischen Na-Salze = Feststoff) betrug im Trübungstitrationstest bei 23°C und pH 11 230 mg CaCO3 pro g Feststoff. Es wurde ein vollständiger Umsatz des Asparaginsäure Na2-Salzes zu Asparaginsäure-N,N-diessigsäure Na4-Salz erreicht.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Asparaginsäurederivaten der allgemeinen
Formel (I)
Figure imgf000016_0001
und ihren Mischungen, in welcher
R, für einen Rest der Reihe H, Na, K, NH4, Ca, Mg, Li, oder Fe steht,
R2 für einen Rest der Reihe
Figure imgf000016_0002
-CH2-COOR„ -CH2-CH2-COOR„ -CH2-CH2-OH, -CH2-CHOH-CH3 oder -CH2-CHOH-CH2OH steht und
R3 für einen Rest der Reihe H, -CH2-COOR„ -CH2-CH2-COOR„ -CH2-CH2-OH, -CH2-CHOH-CH3 oder -CH2-CHOH-CH2OH steht,
dadurch gekennzeichnet, daß Kohlenhydrate in Gegenwart von Fumarsäure produzierenden Mikroorganismen fermentiert werden, die daraus resultie- rende Fumarsäure-haltige Fermentationslösung gereinigt wird, die dabei entstehende Fumarsäure-Ammoniumsalzlösung durch Enzymkatalyse zu einer Asparaginsäure-Rohlösung umgewandelt wird und die so erhaltene Asparaginsäure-Rohlösung nach Zugabe von Alkalimetallhydroxid und nach Aufkonzentrierung unter Abdestillation von Ammoniakwasser mit ungesättigten Mono- oder Dicarbonsäuren oder deren Salzen, mit Epoxiden, Epoxyalkoholen, Epoxysäuren oder deren Salzen, mit Alkylhalogeniden und Halo- genalkansäuren oder deren Salzen oder durch Cyanomethylierung und anschließende Versei ung umgesetzt wird.
2. Verfahren zur Herstellung von Asparaginsäurederivaten der Formel (I) und ihren Mischungen gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß aus Kohlenhydraten durch Fermentation hergestellte Asparaginsäure-Rohlösung eingesetzt wird.
3. Verfahren zur Herstellung von Asparaginsäurederivaten der Formel (I) und ihren Mischungen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Asparaginsäure in der Rohlösung in der Form ihres Ammoniumsalzes vorliegt.
4. Verfahren zur Herstellung von Asparaginsäurederivaten der Formel (I) und ihren Mischungen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Asparaginsäure-Rohlösung mit Natriumhydroxyd versetzt und anschließend einer Aufkonzentrierung unter Abdestillation von Ammoniakwasser unter- zogen wird.
5. Verfahren zur Herstellung von Asparaginsäurederivaten der Formel (I) und ihren Mischungen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Natriumhydroxyd versetzte und aufkonzentrierte Asparaginsäure-Rohlösung mit Maleinsäure, Epoxybernsteinsäure, Chloressigsäure und Bromessigsäure und ihren Salzen sowie 1 ,2-Dichlorethan und 1 ,2-Dibromethan sowie mit Formaldehyd und Natriumcyanid umgesetzt wird.
6. Verfahren zur Herstellung von Asparaginsäurederivaten der Formel (I) und ihren Mischungen gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß Iminodibernsteinsäure, Hydroxyiminodibernsteinsäure, Ethylendiamindibernstein- säure, Asparaginsäure-N,N-diessigsäure, Asparaginsäure-N,N-dipropion- säure, N,N-Dihydroxyethylasparaginsäure, N,N-Di-(2-hydroxypropyl)aspara- ginsäure und N,N-Di-(2,3-dihydroxypropyl)asparaginsäure und ihre Na-, K-, NH4-, Ca-, Mg-, Li- und Fe-Salze hergestellt werden.
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