WO2003033448A1 - Verfahren zur isolierung von salzen von organischen säuren aus einer fermentationsbrühe und zur freisetzung der organischen säure - Google Patents

Verfahren zur isolierung von salzen von organischen säuren aus einer fermentationsbrühe und zur freisetzung der organischen säure Download PDF

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WO2003033448A1
WO2003033448A1 PCT/EP2002/011306 EP0211306W WO03033448A1 WO 2003033448 A1 WO2003033448 A1 WO 2003033448A1 EP 0211306 W EP0211306 W EP 0211306W WO 03033448 A1 WO03033448 A1 WO 03033448A1
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WO
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acid
salt
solution
organic acid
organic
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PCT/EP2002/011306
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Matthias Rauls
Hartwig Voss
Tillmann Faust
Thomas Domschke
Martin Merger
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Basf Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07D—HETEROCYCLIC COMPOUNDS
    • C07D307/00—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom
    • C07D307/02—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings
    • C07D307/34—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings having two or three double bonds between ring members or between ring members and non-ring members
    • C07D307/56—Heterocyclic compounds containing five-membered rings having one oxygen atom as the only ring hetero atom not condensed with other rings having two or three double bonds between ring members or between ring members and non-ring members with hetero atoms or with carbon atoms having three bonds to hetero atoms with at the most one bond to halogen, e.g. ester or nitrile radicals, directly attached to ring carbon atoms
    • C07D307/62—Three oxygen atoms, e.g. ascorbic acid
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C51/00—Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides
    • C07C51/42—Separation; Purification; Stabilisation; Use of additives

Definitions

  • the present invention relates to a process for isolating salts of organic acids from an aqueous solution, in particular from a fermentation discharge, by partial evaporation crystallization and subsequent or simultaneous displacement precipitation of their salt, and to release the organic acid from the crystals, preferably by means of an electromembrane process.
  • Organic acids are economically important chemicals that are widely used, among other things. find in nutrition, cosmetics or medicine; either as active substances or as intermediates in the manufacture of these substances. Lactic acid is used as a preservative in food and added to pharmaceutical preparations. Lactic acid monomers form the basis for the production of degradable plastics.
  • the polyhydroxyketocarboxylic acid 2-keto-L-gulonic acid (KGS) is a central intermediate in the production of vitamin C.
  • the production of such organic acids and their secondary products is characterized by special requirements in terms of purity and yield in all process stages: for one to enable the end product to be used in human nutrition and the other to reduce manufacturing costs as much as possible.
  • KGS is obtained in a one- or multi-stage fermentative process, for example through the two-stage fermentation of sorbitol via sorbose with suitable, sometimes specially modified microorganisms.
  • KGS is isolated from the fermentation solutions according to different variants using classic procedural basic operations such as ion exchange, crystallization, extraction etc. and converted to ascorbic acid.
  • the product solutions contain a considerable amount of impurities, some of which are strongly colored.
  • impurities some of which are strongly colored.
  • fermentation solutions after only 80% separation of the valuable substance in the resulting mother liquors, there are generally more secondary components than the valuable product. With increasing yield, the co-insulation of impurities is therefore becoming more and more likely.
  • organic acids show a pH- and temperature-dependent tendency to decompose and form disruptive, also colored secondary components under the usual process-technical production and purification conditions.
  • salts of these acids e.g. of sodium 2-keto-L-gulonate (Na-KGS)
  • Na-KGS sodium 2-keto-L-gulonate
  • the salts not only have a lower sensitivity to thermal stress, but can also be isolated at neutral pH values at which the tendency to decompose is lower than in an acidic environment.
  • the purified acid can be obtained from the salts in a further process step, e.g. Release by ion exchange or electrodialysis.
  • EP 0805210 describes the possibilities and limits of isolating Na KGA from a purified fermentation solution by means of evaporation, cooling or displacement crystallization.
  • example 1 it is shown that, in the case of a discontinuous procedure, at least four crystallization stages with subsequent processing of the mother liquors and washing
  • the present invention is therefore based on the problem that when isolating or purifying organic acids from fermentation broths, in particular carboxylic acids, such as e.g. Ketogulonic acids, lactic acid, citric acid, vanillic acid, idonic acid, gulonic acid, especially ascorbic acid, 2, 4-diketo-D-gulonic acid, 2, 5-diketo-D-gulonic acid or 2-keto-L-gulonic acid, thus either strong product impurities in Purchase must be made, which are then separated with a loss in later process stages, or only low yields are achieved with high purities. Due to the high number of process steps, the processes made available in the prior art are e.g. For the preparation of the fermentation broth or to achieve good yields, it is very time-consuming and also ecologically questionable due to the high consumption of energy and organic, largely toxic solvents.
  • carboxylic acids such as e.g. Ketogulonic acids, lactic acid, citric acid, vanillic acid, idonic acid, gulonic
  • the object of the present invention is therefore to provide an advantageous method for isolating free organic acids or their salts economically, ecologically and efficiently from fermentation broths.
  • the present invention relates to a method for isolating an organic acid salt from a fermentation broth, comprising the steps
  • organic acid means a substituted or unsubstituted, branched or unbranched carbon chain of 3 to 20 carbon atoms, preferably 4 to 10 carbon atoms, more preferably 5 to 7 carbon atoms with one or more carboxyl group (s) ( -COOH).
  • An “organic acid” is thus preferably understood to mean a carboxylic acid.
  • the organic acid can, for example, by fermentative conversion of saccharides, for example Starch, sucrose or glucose can be produced.
  • organic acids are, for example, ketogulonic acids, lactic acid, citric acid, vanillic acid, idonic acid, gulonic acid, in particular ascorbic acid, 2, 4-ketogulonic acid, 2, 5-deceto-D-gulonic acid or 5 2-keto-L-gulonic acid (KGS).
  • the term organic acids also includes, for example, acetic acid, maleic acid, malonic acid, salicylic acid, glycolic acid, glutaric acid, benzoic acid, propionic acid, oxalic acid, stearic acid, ascorbic acid, glutamic acid, etc. or mixtures thereof.
  • the organic acid is preferably 2-keto-L-gulonic acid 10 (KGS).
  • partial evaporation crystallization (or equivalent here “partial evaporation crystallization”) is understood to mean that the fermentation broth is used for
  • Part of an evaporative crystallization can be replaced by a "cooling crystallization".
  • the partial evaporative crystallization can also be carried out
  • partial cooling crystallization means that the fermentation broth, in particular the fermentation solution already depleted in organic salt in the evaporation crystallization, is cooled in this way
  • the salts of the acid to be isolated in particular of lactic acid, citric acid, ascorbic acid, gulonic acid or 2-keto-L-gulonic acid, are partially precipitated.
  • Partial precipitation is understood to mean that 10 to 95% of the organic salt remains dissolved in the broth after the precipitation.
  • the term “displacement cases” means that the salts mentioned, in particular of lactic acid, citric acid,
  • ascorbic acid, gulonic acid or 2-keto-L-gulonic acid are precipitated from the aqueous fermentation solution by adding an organic liquid, the organic liquid being miscible with water, the salts mentioned, in particular the salts of lactic acid, citric acid, ascorbic acid, gulonic acid
  • Organic solvents that are miscible with water are polar solvents, for example alkyl alcohols such as methanol, Ethanol, n-butanol, iso-butanol, 1-propanol, 2-propanol, etc. or alkyl ketones such as acetone, 2-butanone, propanone etc.
  • Fermentation broths which is used here synonymously with “fermentation solutions” or “fermentation discharges”, means liquid nutrient media in which organisms, as a rule microorganisms, such as e.g. Protists, e.g. Fungi, yeasts or bacteria, algae or plant or animal cells have been cultivated and which consequently can include these organisms.
  • the term encompasses both media with biomass and media in which the biomass has been reduced or removed, e.g. by filtration, e.g. by cross-flow membrane processes, decanting or centrifuging.
  • Fermentation broths, fermentation solutions or fermentation discharges can contain different amounts of biomass, especially dissolved substances, e.g.
  • Proteins, sugars, peptides, or undissolved components such as e.g. Contain microorganisms or cell components.
  • One or more substances may be dissolved or mixed in the fermentation broth, which preferably improve the extraction, stability or solubility of the ingredients, or preferred properties, e.g. pH, conductivity, salt concentration, etc., such as Salt or buffer solutions.
  • the fermentation broth can also contain a certain portion of an organic, water-miscible solvent, as long as this portion does not lead to precipitation of the salt mentioned.
  • Substances that cause cells to break open can also be present.
  • the term also includes fermentation broths that have been prepared as described herein.
  • the salt of an organic acid is obtained in the literature, from which the acid is then released and crystallized. Especially in the release and crystallization of ketogulonic acid, this leads to a high proportion of by-products, in particular due to undesired ring closures.
  • the processes described in the prior art which are based on isolation of the organic acid or its salts from the fermentation broth by evaporation crystallization, describe yields of only 80 to 90%. Higher yields of 95% can only be achieved by combining several crystallization steps (see above, EP 0805210, EP 0359645).
  • the present invention provides a method which enables the economically and ecologically advantageous isolation of salts of organic acids in yields of more than 90%, preferably more than 95%, in one or two stages.
  • the salt of the organic acid is advantageously first crystallized and only then is the acid released from the redissolved salt.
  • this has the advantage that the high proportion of by-products, e.g. by ring closure.
  • the method according to the invention thus has the advantage over the prior art that it cannot be carried out in just one or two process-economic steps.
  • the process according to the invention since the displacement precipitation takes place from a concentrated fermentation liquor and thus takes place in a smaller volume than in the prior art, the process according to the invention also leads to a substantially lower consumption of organic solvent.
  • the dilution of the originally highly viscous mother liquor with the organic solvent also has the procedural advantage that the solid-liquid separation is facilitated, which in turn leads to higher purity and color depletion.
  • part of the purification process can be carried out under adiabatic conditions, so that there is no need for heating or cooling.
  • the method according to the invention requires little or no preparatory steps for the preparation of the fermentation solution.
  • the method according to the invention makes highly purified substances available at a very early stage, so that in subsequent stages, which are based on the purified substances, the yield and purity of the products are improved.
  • the fermentation solution is only partially, i.e. evaporated to 10 to 95%, preferably to 30 to 90%, more preferably to 50 to 85% or higher depending on the concentration of the starting solution.
  • the maximum degree or range of evaporation of the water contained in the feed depends on the salt concentration in the starting solution.
  • the evaporation range is preferably 95%, more preferably 90%, of the water contained in the feed.
  • the maximum evaporation range or degree is preferably 80 to 95% of the water contained in the solution, preferably a maximum evaporation degree of 85 to 90% of that in the starting solution, e.g. the fermentation solution, water contained.
  • the suspensions contained have a solids content of 20 to 60% by weight, more preferably 30 to 50% by weight, e.g. 40% by weight, and a water content of 30 to 60%, preferably 40 to 50%, in particular for NaKGS, in the suspension.
  • the evaporative crystallization is carried out at low temperatures and under reduced pressure. Gentle reaction conditions prevent the product from decomposing.
  • the temperature in the crystallizer is between 20 ° C and 100 ° C, more preferably between 30 ° C and 80 ° C, most preferably between 40 ° C and 70 ° C.
  • a pressure of 0.01 bar to 1 bar is preferred, more preferred are 0.05 bar to 0.5 bar, most preferred are 0.1 bar to 0.3 bar.
  • the solids content in the crystallizer is preferably 5 to 60% by weight, more preferably 25 to 50% by weight.
  • Solids content in the crystallizer is understood to mean the weight fraction of crystallized salt of an organic acid, in particular Na KGA, based on the total amount of suspension.
  • Evaporation crystallization can be carried out in any crystallizer, e.g. in a stirred tank, forced circulation, guide tube or fluidized bed crystallizer (e.g. Oslo type).
  • the crystallizer is preferably also suitable for carrying out the process under lower pressure.
  • the method according to the invention also comprises vaporization crystallization, which is combined with cooling crystallization.
  • cooling crystallization the fermentation broth is cooled after evaporation with crystallization of the salt of the organic acid. Cooling to 0 ° C. to 50 ° C. is preferred, more preferably 30 ° C. to 40 ° C.
  • the cooling crystallization can be carried out in the same apparatus as the evaporative crystallization. Cooling can be done by vacuum evaporation, direct cooling with a coolant or indirectly via heat exchangers. To avoid incrustation, all types of construction with continuously or recurrently cleaned heat exchanger surfaces can be used, e.g. Cooling disc crystallizers.
  • Crystal yields should also be above 50 to 60% from a product quality point of view lie. Crystal yields of approximately 60 to 90% and an evaporation rate of 75 to 95% are particularly preferred.
  • the concentration of the salt of the organic acid in the starting solution is preferably at least 5%, more preferably 7%, even more preferably 10%, even more preferably 12% or more.
  • the amount of solvent evaporated and the 10 crystallization shares reached depend on the salt concentration in the starting solution.
  • an aqueous 2% Na KGA solution approx. 90% of the solvent (eg water) must be evaporated in order to achieve crystallization, with an aqueous 15% Na KGA solution less than 30% to 50% % of the solvent 15 evaporated.
  • the present invention therefore relates to a method in which the partial evaporative crystallization is carried out under the following conditions:
  • the process is particularly preferably carried out under conditions (i) to (iv). Even more preferably, method 30 is carried out under the following conditions:
  • the crystallization yields are from 60 to 40 90% (w / w) and degrees of evaporation of more than 75% are achieved. It is therefore particularly preferred if the process according to (i) to (iv) is carried out and (v) the initial concentration of Na-KGA is at least 5%.
  • displacement precipitation is achieved by adding an organic solvent which is miscible with water, but in which the salt to be isolated is not or only poorly dissolved to the mother liquor during or after the evaporation crystallization or by adding the mother liquor to the organic solvent.
  • Precipitation is preferably accomplished by the addition of a water-soluble polar solvent, preferably by the addition of a water-soluble alkyl alcohol, e.g. Methanol, ethanol, n-butanol, iso-butanol, 1-propanol, 2-propanol, hexanols, heptanols, octanols etc. or a water-soluble alkyl ketone, e.g. Acetone, 2-butanone, pentanone, etc. achieved, methanol or ethanol is preferred. Most preferred is methanol.
  • a water-soluble polar solvent preferably by the addition of a water-soluble alkyl alcohol, e.g. Methanol, ethanol, n-butanol, iso-butanol, 1-propanol, 2-propanol, hexanols, heptanols, octanols etc. or a water-soluble alkyl
  • the salt is sparingly soluble in the solvent used, preferably almost insoluble.
  • the solubility of the salt is preferably 7%, more preferably 5%, even more preferably less than 3%.
  • the precipitation is preferably carried out with 10 to 80%, more preferably with 15 to 70%, even more preferably with 15 to 60%, most preferably with 20 to 40%, displacement agents with respect to the aqueous solution or the fermentation broth (feed stream) in the reaction vessel, in particular in the case of alkyl alcohols, in particular in the case of ethanol, methanol or propanol.
  • the amount of the displacer depends on the degree of restriction in step (a).
  • the method according to the invention preferably achieves a purity of more than 90% after steps (a) and (b), more preferably more than 95%, even more preferred are 96%, 97%, 98%, 99% or more.
  • the displacement precipitation is carried out at a temperature in the precipitation apparatus from 0 to 100 ° C., preferably at 10 to 80 ° C., particularly preferably at 20 to 70 ° C.
  • the choice of the reaction temperature and the amount of displacement agent depends on the solubility of the salt to be precipitated and of the displacement agent in water.
  • the solubility product of the salt can be selected by the choice of the reaction temperature be influenced in the solution, which affects the amount of displacement agent that is necessary, the desired
  • the precipitation can be carried out in a crystallizer or in arrangements specific to the precipitation with devices for targeted mixing, e.g. with mixing nozzles.
  • the present invention relates to a method in which, according to the invention, the displacement crystallization is carried out under the following parameters:
  • the process is particularly preferably carried out under conditions (i) to (iii).
  • the method is more preferably carried out under the following parameters:
  • Displacement agents ii) Precipitation with 20% to 40% of the fermentation broth; and iii) temperature in the precipitation apparatus from 20 ° C to 60 ° C.
  • Evaporation crystallization and precipitation can be carried out in two separate or in a single apparatus, depending on the temperature and pressure conditions and the choice of the precipitant. Steps (a) and (b) of the method according to the invention can thus be carried out in succession or simultaneously.
  • a high yield is advantageous in only one or possibly in two steps, advantageously of more than 90%, preferably of more than 95%, particularly preferably of more than 97 or 98%, most preferably 99% or more based on the KGA content of the starting fermentation solution (feed solution).
  • the crystals obtained can be washed in order to remove impurities contained therein.
  • the crystals are preferably washed with a solvent in which the salt of the organic acid has a low, preferably no, solubility.
  • the displacement precipitation solvent is preferably used.
  • the yield of the process according to the invention can be increased by recycling washing water. When recycling washing water, the yield depends on the amount of solvent used, e.g. adjustable between 95 to 99%.
  • the amount of solvent used can be between 0.2 to 1 kg per kg of salt.
  • the solvent is methanol or ethanol and the salt to be purified is a KGS salt, preferably Na-KGS.
  • the crystals obtained by the process according to the invention have only slight discolorations. Depending on the procedure and the yield achieved, the crystals are slightly yellow to colorless. The crystals are preferably colorless.
  • a product from the process according to the invention is also advantageously obtained, in particular salts of lactic acid, gulonic acid, KGA or citric acid, which have a very high purity.
  • the organic acid is a carboxylic acid
  • polyhydroxycarboxylic acids are particularly preferred
  • 2-keto-polyhydroxy-Cs-carboxylic acids are more preferred.
  • Organic acids such as ketogulonic acids or lactic acid, citric acid, vanillic acid, idonic acid or gulonic acid are more preferred.
  • ketogulonic acids are 2,4-diketo-D-gulonic acid, 2, 5-diketo-D-gulonic acid, 2-keto-L-gulonic acid, ascorbic acid. Most preferred is 2-keto-L-gulic acid.
  • the process according to the invention can be carried out continuously or batchwise.
  • the organic acid as the sodium, potassium, magnesium, ammonium or calcium salt.
  • the salt of the acid can usually be prepared by adjusting the appropriate pH, for example by adding the bases NH 4 OH / NH 3 , MgO, Mg (OH) 2 , NaOH, NaHC0 3 , Na 2 CO 3 , KOH, KHC0 3 , KC0 3 , CaOH, CaC0 3 , Ca (OH), CaO, or salts of weak organic acids, for example formic acid, acetic acid, etc.
  • Sodium salts are preferred.
  • Calcium can be precipitated and filtered off, for example, by adding sodium carbonate as calcium carbonate or introducing C0 as CaC0 3 .
  • the isolation of the sodium salt of 2-keto-L-gulonic acid is most preferred.
  • the biomass and / or the organic and / or inorganic constituents, apart from the organic acid to be isolated, of the fermentation broth are reduced.
  • the fermentation broth generally consists of insoluble biomass and organic and inorganic contaminants, the inorganic contaminants consisting essentially of metallic cations.
  • insoluble constituents e.g. Biomass such as microorganisms or cell components separated.
  • Solid components can be removed by common solid / liquid separation processes, e.g. by filtration, especially ultrafiltration or microfiltration, or separation, e.g. Skimming, centrifuging or decanting, e.g. in the presence of precipitants or filtration additives, e.g. Polyacrylamides.
  • the fermentation broth can also be demineralized to remove unwanted inorganic ions.
  • Inorganic cations can be separated off, for example, by acidifying the broth or, for example, using a chelator or cation exchanger, preferably a polymeric cation exchanger. Consequently, the method according to the invention comprises one or more filtration steps, in particular a micro- or ultrafiltration of the fermentation broth, the boundary between micro or ultrafiltration is fluent. Generally, the pore size of about 100 ⁇ m is seen to transition from micro to ultrafiltration.
  • the contaminated solution / suspension can be brought into contact with a membrane under pressure and permeate (filtrate) on the back of the membrane at a lower pressure than on the feed side subtracted from.
  • a concentrate (retentate) which contains cells and / or proteins and a purified filtrate (permeate) which contains Na ketogulonate.
  • a relative velocity between the membrane is advantageous by pumping around, mechanical movement of the membrane or stirring units between the membranes
  • a diafiltration step can then be carried out to increase the yield.
  • the concentration of the non-permeable components is kept constant and the product of value is converted into the permeate.
  • the membrane process can be carried out in batch mode by repeated passage of the suspension through the membrane modules or continuously by a single passage through one or more feed and bleed stages connected in series.
  • the ultrafiltration or microfiltration is preferably a filtration 30 1 with a pore size of 200 to 20 ⁇ m, preferably from 100 to 50 ⁇ m or a filtration 2 or 3 with a pore size of 100 ⁇ m to 5 ⁇ m, preferably from 50 to 20 ⁇ m or one Combination of ultrafiltration 1, 2 and / or 3.
  • a pore size of 20 nm corresponds approximately to a separation limit of 35 20 kD, 5 nm corresponds to approximately 10 kD, the separation limit being very dependent on the respective macromolecule and thus a direct assignment of the separation limit and Pore width cannot take place.
  • filtration 1 is carried out after the fermentation
  • filtration 2 is carried out according to the invention after filtration 1 or after the fermentation, but filtration 2 is advantageously carried out after the filtrate from filtration 1 has been concentrated, as described under.
  • a filtration 3 can also be carried out, as described below. It is preferred to carry out as few filtration steps. Consequently, it is particularly preferred to combine a filtration 1 after fermentation with a filtration 2 after concentration of the filtrate from filtration 1. It is more preferred to carry out only filtration 1 or 2, and most preferably to carry out only filtration 1.
  • the separating layers can consist of organic polymers, ceramics, metal or carbon and are stable in the reaction medium and at the process temperature. For mechanical reasons, the separating layers are generally applied to a single-layer or multilayer porous substructure made of the same or also several different materials as the separating layer. Examples are:
  • the membranes can be used in flat, tubular, multi-channel element, capillary or winding geometry, for which the corresponding pressure-resistant modules are available, which allow a separation between retentate and the permeate.
  • the optimal transmembrane pressures between retentate and permeate are essentially dependent on the diameter of the membrane pores or the separation limit (specified in molecular weight units) and the mechanical stability of the membrane, depending on the membrane type, between 1 and 40 bar, for microfiltration e.g. between 1 and 10 bar and with ultrafiltration e.g. between 8 and 40 bar. Higher transmembrane pressures generally lead to higher permeate flows. In the case where the
  • the transmembrane pressure can be adjusted by raising the permeate pressure.
  • the operating temperature depends on the product and membrane stability. It is between 20 and 90 ° C, preferably between 40 and 80 ° C for Na ketogulonate cleaning. Higher temperatures lead to higher permeate flows.
  • a pore diameter of 50 nm is particularly preferred.
  • D-sorbitol can be fermented to L-sorbose in 2-keto-L-gulonic acid via the fermentation.
  • the fermentation process can be aerobic or anaerobic.
  • the microorganisms or cells can be separated before the organic acid is isolated and optionally returned to the fermentation process.
  • Fermentation broth protists e.g. Yeasts, fungi, algae, or other eukaryotic microorganisms, or bacteria or plant or animal cells are used.
  • gluconobacter Pseudomonas, Corynebacterium, Proteus, Citrobacter, Enterobacter, Erwinia, Xanthomonas, Flavobacterium, Acetobacter, Gluconobacter, Aspergillus, or Brevibacterium or mixtures thereof.
  • Homogenates from plant material, animal cells or algae can also be used as
  • the salt concentration of the organic acid is between 1 and 30% in the starting solution of the process described herein.
  • the salts of the organic acids can e.g. Na KGS a lower
  • the fermentation broth or the starting solution preferably has a content
  • the concentration of the salt depends on the nature of the organic acid, the cation and other processes. conditions depend, such as temperature, and selected so that the fermentation broth does not crystallize at RT, ie at 15 ° C to 25 ° C and normal pressure, ie at 980 to 1100 mbar.
  • the fermentation broth can optionally be concentrated before or after the removal of the biomass and other impurities, for example by evaporation or by osmosis, in particular by reverse osmosis, and thus the concentration of the broth can be adapted to the crystallization.
  • this low temperatures preferably 10 C to 90 C ° C.
  • the fermentation broth is preferably carried out before crystallization and after one or more filtration steps. Concentration after filtration 1 is particularly preferred.
  • the method according to the invention comprises one or more further step (s) for separating and / or processing the crystals or the product.
  • Solid-liquid separation processes e.g. Filtering, decanting, suctioning, skimming, and / or centrifuging, i.e. e.g. Separation with the aid of suction filters, rotary filters, belt filters, pusher centrifuges, peeling centrifuges etc.
  • the crystals can be dried and / or ground and then stored or processed.
  • the crystals of the organic acid salt obtained contain water of crystallization which can be removed by further drying steps.
  • 2-keto-L-gulonate can be isolated as a monohydrate.
  • the crystal water can e.g. be removed by further drying under reduced pressure and, if necessary, by heating.
  • the crystals can then be dissolved in water or another polar solvent, e.g. branched or linear aliphatic alcohols with 3 to 7 carbon atoms, in particular methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, butanol, hexanol or heptanol, are added.
  • polar solvent e.g. branched or linear aliphatic alcohols with 3 to 7 carbon atoms, in particular methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, butanol, hexanol or heptanol
  • the crystals can optionally be extracted by methods known to those skilled in the art.
  • the process according to the invention also comprises steps in order to release the purified acid from the isolated salts in one or more further process step (s), this can be achieved in particular by protonating the acid, for example by an ion exchange process step or by an electromembrane process step, for example by membrane electrolysis or electrodialysis.
  • the cation of the salt is exchanged for a proton on the exchange resin and the acid is released in this way.
  • the cations of the salt are e.g. Sodium, potassium, or calcium ions and the ions of the acid are broken down and ion-selective
  • the acid anions react with released or provided protons (H + ) to the free acid, eg KGA or ascorbic acid, while the counter ion reacts with hydroxide ions (0H-) released or made available in parallel to the corresponding base, eg NaOH.
  • electro-membrane process Depending on the ion-selective membrane used and the electrodes used, different embodiments of the electro-membrane process are distinguished.
  • membrane electrolysis charged particles are separated by an ion exchange membrane in an electric field and protons and hydroxide ions are generated on electrodes by water electrolysis.
  • an arrangement of electrodes is also possible, as in the case of electrodialysis with bipolar membranes, in which case the (then bipolar) electrodes replace the bipolar membrane.
  • the protons and the hydroxide ions are generated by an electrically forced water dissociation on a bipolar membrane.
  • a low energy requirement and avoidance of oxidation or reduction of other components of the solution are advantageous if the electrodes are separated from the acid, base or middle chamber by a separate circuit.
  • an organic acid isolated according to the invention which is taken up in water or an aqueous solution, preferably under the influence of an electric field, can be broken down into anion and metallic countercation via one or more ion-selective membrane (s) and spatially separated and by simultaneous generation or provision of Protons and hydroxide ions then the acid released and the corresponding hydroxide getting produced.
  • Electromembrane process steps are described, inter alia, in EP-A-0230 021, WO96 / 41021, US 50747,306, US 4,990,441, and in European Membrane Guide, edited by Mulder, Netherlands, 1997, pages 35 to 38.
  • the multivalent cations are removed from the solution to a content of up to 15 ppm, preferably up to 5 ppm, more preferably up to 3 ppm, most preferably up to 1 ppm.
  • the multivalent ions can advantageously be removed by treating the solution with a chelating ion exchange resin.
  • Multivalent ions are taken to mean divalent or higher, for example three or tetravalent ions, ie cations or anions, for example Ca 2+ , Mg 2+ , C0 3 2_ etc.
  • chelating ion exchange resins for example, those are suitable which carry iminodiacetic acid groups or aminophosphonic acid groups , These are, for example, Amberlite 718 or 748 from Rohm and Haas.
  • the present invention relates to a process for producing a free organic acid from its salt and a corresponding hydroxide of the salt, comprising the isolation of the organic acid according to the invention and further the following steps:
  • the crystallizate solution after step (c) has a concentration of the salt of the organic acid of 10 to 50% by weight, preferably a concentration of 15 to 25% by weight.
  • the method according to the invention can have the following further step
  • the filtration is preferably a filtration 3 which takes place after the crystals have been dissolved after step (c) and / or before the acid release after step (e).
  • Filtration of the crystallizate solution can remove any contaminants that have precipitated, in particular, for example, proteins that would be harmful if the acid were released.
  • the advantage of a filtration 3 is that a lower volume of feed stream compared to the filtration 2 described above has to be cleaned, since the crystallizate solution generally has a higher concentration of the salt of the organic acid. It is also advantageous that some of the impurities are not co-precipitated, so that the feed stream is already pre-cleaned. It is also advantageous that some of the proteins denature and coagulate during crystallization and precipitation in water with alcohol, in particular ethanol or methanol, and the membrane can thus be used better.
  • the membranes described above for example with a pore size of 100 to 5 nm, preferably from 50 to 20 nm, can be used for protein separation. Filtration can be used instead of filtration 2, for example.
  • the acid mentioned is preferably released by means of an electromembrane process, particularly preferably by means of membrane electrolysis or electrodialysis.
  • the protons or hydroxide ions can be generated by electrolysis or on bipolar membranes. It is also advantageous that no additional chemicals have to be used in such a process step.
  • the alkalis can also be obtained as a valuable substance depending on the embodiment.
  • the cation of the dissolved salt (countercation) and / or the anion of the dissolved salt of an organic acid is separated from the crystallizate solution (feed stream for the electromembrane process) by means of one or more ion-selective ion exchange membrane (s) in an electric field.
  • the salt can, for example, be dissolved in water or an aqueous solution.
  • the separation of the anion from other impurities in the feed stream is particularly advantageous. Both ions can also be separated from the feed stream, for example the crystallized solution.
  • the cations and anions of the salt mentioned react with protons and hydroxide ions generated or provided at the same time, so that the free organic acid and the corresponding hydroxide of the countercation are produced.
  • Protons can e.g. by adding acid
  • hydroxide ions can be provided, for example, by adding bases.
  • an anion or cation exchange membrane is consequently placed between a terminal anode and a terminal cathode, so that an anode and a cathode chamber form, the free organic acid in the anode chamber (acid circuit) and in the cathode chamber ( Base circle) the corresponding hydroxide of the counter cation is produced.
  • the cations for example the sodium ions
  • the cations are removed from a chamber through which the crystalline solution flows, under the influence of the electric field. Electroneutrality is maintained in that each sodium ion is replaced by a proton (acid circuit) produced at the anode of the monopolar electrode.
  • the cations migrate across the cation exchange membrane in the direction of the cathode into the cathode or base chamber, which is flushed, for example, by the base to be produced, in order to reduce the conductivity. deliver where they react with the hydroxide ions produced on the cathode of the monoplar electrode to form the corresponding alkali, eg NaOH (base cycle).
  • the cation exchange membrane is exchanged for an anion exchange membrane, the anions of the acid, for example the ketogulonate or, migrate
  • the membrane through the membrane into the anode chamber (acid chamber), which is preferably of a dilute acid, e.g. of the acid to be cleaned is rinsed to produce the conductivity and reacts there with the protons produced on the monopolar electrodes.
  • the cations remain in the feed solution and react with the hydroxide ions produced on the cathode to form the alkali.
  • a disadvantage of the two-chamber system with monopolar electrodes is that only the solution in the base chamber (in the case of a cation exchange membrane) or the solution in the acid chamber (in the case of an anion exchange membrane) is separated from the feed stream and thus cleaned.
  • both the acids to be cleaned and the bases can be separated from the feed stream.
  • Two selective ion exchange membranes are placed between a terminal anode and a terminal cathode, so that an anode, a middle and a cathode chamber are formed, the middle chamber being separated from the cathode chamber by an ion exchange membrane and from the anode chamber by an ion exchange membrane.
  • the ion exchange membranes can be identical or different, i.e. e.g. two anion, two cation or one anion and one cation exchange member (s) can be used.
  • the middle chamber forms the entry chamber and will advantageously be separated from the cathode chamber by a cation exchange membrane and from the anode chamber by an anion exchange membrane.
  • the middle chamber e.g. the crystals solution from step (c) or (d) introduced (feed stream).
  • the ions migrate according to the principle described above.
  • the free acid then forms in the anode chamber and the corresponding base of the counter ion in the cathode chamber.
  • a terminal electrode can be replaced by a bipolar electrode, which then has the same arrangement of the chambers as described above and one follow terminal electrode. The electrolysis takes place in this package on the bipolar electrode.
  • the electrolysis at the terminal electrodes can thus be supplemented by an electrodialysis on a bipolar membrane, which is then followed by the same arrangement of the chambers as in one of the method steps described above and a terminal electrode.
  • the electrodes are preferably flushed through their own circuits. This can be done, for example, by surrounding the electrodes with monopolar membranes, which separate the acid or base circuit from the electrodes, as is shown, for example, in Figures 1 and 2.
  • electrode solutions come acids or bases such as H 2 S0 4 , HN0 3 , NaOH, KOH etc. or solutions of alkali metal salts such as Na 2 SÜ 4 , K 2 SO 4 , NaN0 3 , KN0 3 etc. into consideration.
  • the acid can also be released via a two-chamber gas diffusion anode cell, such as is used e.g. in US 6,004,445.
  • Anion exchange membranes which are strong, mild or weakly basic, selective and permeable to monovalent anions but not to cations can be used in the process according to the invention.
  • the cation exchange membranes can be mild or strongly acidic membranes, which contain, for example, phosphoric acid or sulfonic acid groups, and allow monovalent cations, but no monovalent anions.
  • the bipolar membranes have a cation and an anion exchange layer, the first permeable to cations and the latter permeable to anions. The cation layer does not let anions through and the anion layer does not allow cations. Examples Games of such membrane are listed, for example, in EP-A-779 286, S8, lines 8 to 24.
  • the membrane electrolysis is carried out according to the principle of the electrodialysis shown in Figure 1 or 2, a two-chamber system according to the principle of the electrodialysis shown in Figure 1 is particularly preferred.
  • a solution containing the salt of an organic acid, e.g. Na-KGS, the anion, e.g. Na-KGS by applying an electric field from a diluate or middle chamber through an anion exchange membrane to the acid circuit chamber.
  • the transferred anion, e.g. Na-KGS is converted to the free acid, e.g. by the protons formed on the bipolar membrane.
  • KGS implemented.
  • the counterions of the anion, e.g. Na-KGS sodium ions are transferred through a cation exchange membrane into the base circle chamber and form the corresponding base with the hydroxide ions released there on the bipolar membrane. Uncharged particles remain in the diluate chamber, so that KGS is cleaned up at the same time.
  • a dilute solution of the free acid, e.g. KGS which e.g. can come from the previous batch.
  • Figure 2 illustrates the principle of the process.
  • an electrodialysis step is used, which is characterized in that from the feed solution which contains the salt of the organic acid, e.g. Na ketogulonate (Na-KGS) or other ketocarboxylic acid in an anionic form, and cations, e.g. Na ions, by applying an electric field from the acid circuit chamber through the cation exchange membrane to a base circuit chamber. From the transferred counterions, e.g. Na ions, the corresponding base, e.g. Sodium hydroxide solution, formed and separated or returned in dilute solution. The anion remains in the so-called acid circuit chamber and, together with the protons released there on the bipolar membrane, forms the free acid, in particular KGA.
  • Figure 1 illustrates the principle of the process and is particularly advantageous in combination with the previous crystallization steps according to the invention.
  • the base circuit used for the counterion in the case of sodium salts, for example sodium hydroxide solution
  • the base circuit used for the counterion is used as a base circuit in high dilution; it is only necessary to ensure sufficient ionic conductivity of the solution at the beginning of the electrodialysis become.
  • the base formed can, if necessary after concentration, be used again in the fermentation.
  • the electrodes are rinsed with an electrolyte solution in a separate circuit.
  • packets as described above are e.g. with monopolar electrodes, or with bipolar electrodes or bipolar membranes and the described arrangements of the chambers arranged several times in succession.
  • the 2-chamber packages from the acid and base chamber or the 3-chamber packages from the acid, base and medium or feed chamber can be arranged several times in a row.
  • acid anions and counterions can be separated from one another in several parallel circuits under only one electric field.
  • terminal anode / anode chamber / 1st membrane / cathode chamber / 1st cathode / cathode chamber / 2nd membrane / anode chamber / 2nd anode / anode chamber / ... etc. ... last membrane / last cathode chamber / terminal Cathode exist.
  • Further examples of multiple chambers are described in detail in the literature on electrolysis and electrodialysis cited above, are known to the person skilled in the art and are expressly incorporated herein.
  • the feed solution may contain organic or inorganic salts in order to improve the conductivity of the solution if necessary; for example alkali metal sulfates, bisulfates, chlorides or phosphates, organic acids, e.g. Ammonium tetrabutyl, ammonium salts, e.g. ammonium chloride etc. may be included. It is preferred that the proportion of other salts is low, most preferably that no other salts are added to the feed solution.
  • Homogeneous or heterogeneous, cross-linked or non-cross-linked polymers can be used as bipolar membranes, which have suitable functional groups, such as -S0 3 ⁇ , -C0 2 ⁇ . -NR 4 + etc. are occupied, e.g. Neosepta BP-1 from Tokuyama Corp. or FBI from FuMaTech.
  • Possible cation exchange membranes are, for example, Neosepta CMX and CMB membranes from Tokuyama Corp., Selemion CMV from Asahi Glass or Nafion 350 and 450 from DuPont.
  • Anion exchange membranes can, for example, Neosepta AMX or ACS from Tokuyama Corp. or Selemion AMV or ASV from Asahi Glass.
  • the current density or electrical voltage used in the process according to the invention depends on the process parameters and is in the specialist knowledge of the person skilled in the art or can be real effort.
  • the decisive factors can be the concentration of ions, the type and number of membranes, the arrangement and dimensions of the chamber and the temperature.
  • the membrane electrolysis is preferably carried out in a temperature range from 0 ° C. to 90 ° C. and at current densities of 1 to 1000 mA / cm.2. Since the organic acids, especially KGA and ascorbic acid are sensitive to heat, the lowest possible temperature is chosen, preferably between 10 ° C and 40 ° C. In the case of electrodialysis, the process is carried out at 0 ° C to 60 ° C, preferably between 20 ° C and 40 ° C and at current densities of 1 to 500 mA / cm2, particularly preferably at 50 to 150 mA / cm2. Most preferred are 20 ° C and 40 ° C and 50 to 150 mA / cm2.
  • the release step of the process according to the invention only 60% to 99% degree of release, preferably 80% to 95%, of the free organic acid relative to the total content of the salt of the organic acid in the crystallizate solution or the feed solution of the electromembrane process is released.
  • the acid release by electrodialysis is advantageously not carried out completely, but only up to a degree of release of max. 99%.
  • the remaining counterions generally Na, K
  • the remaining counterions are removed by a conventional cation exchanger or another suitable method for releasing residual acid, e.g. Move with HC1, removed.
  • the use of cation exchangers is preferred.
  • Numerous acidic ion exchange resins known to those skilled in the art e.g. are macroporous or gel-like resins made of cross-linked or non-cross-linked polymers with functional
  • Groups such as -S0 ⁇ or -C0 2 ⁇ , for example Lewatit S2528 or S100 from Bayer AG or Nekrolith RP or RPS from Mitsubishi Chemical Corporation.
  • the acid released can then be crystallized, dried or further processed directly in solution.
  • aqueous KGS can be esterified directly.
  • the dried KGS can then be esterified with an alcohol as described below, advantageously with a -C ⁇ to C 4 alcohol. If the purity of the product is not sufficient, crystallization can be carried out as described above.
  • KGS released by the process according to the invention is advantageously used as an important intermediate for the production of ascorbic acid and can thus contribute significantly to an overall optimum of ascorbic acid production.
  • KGS esters are intermediates in the production of ascorbin acid.
  • free KGA is esterified in industrial processes with a branched or unbranched C ⁇ to Cs alkyl alcohol, for example with methanol, ethanol, n-butanol, isobutanol, 1-propanol, 2-propanol, pentanol, etc.
  • the present invention thus also relates in one embodiment to a process for the preparation of an ester of an organic acid, preferably an ester of 2-keto-L-gulonic acid, in particular the methyl, ethyl or butyl ester of these acids, the process comprising the steps of the method described above and further comprising releasing the acid and esterifying the free acid.
  • the release and esterification can take place according to methods as described above or are described, for example, in the cited EP 0 805 210.
  • the present invention also relates to a process for the production of ascorbic acid, comprising the steps of the process described above and further, one or more of the following steps: lactonizing the KGS and the KGS ester to ascorbic acid, isolating the crude ascorbic acid.
  • the method may also include one of the following further steps:
  • the organic acid is advantageously isolated in the process according to the invention under neutral to alkaline conditions. So side reactions, such as the lactonization of KGS to ascorbic acid, reduced, preferably excluded.
  • the isolation of high-purity 2-keto-L-gulonate for the production of ascorbic acid is advantageously carried out in an early process step before the isolation of the end product ascorbic acid, which leads to lower by-products in the subsequent steps of the process and thus to an improved quality and yield and purity of the end product.
  • the purified acid can be esterified and lactonized as described in the literature.
  • the process product in particular Na-KGS, KGS, ascorbate or ascorbic acid, has a purity of more than 80%, more preferably more than 90%, even more preferably more than 95%, most preferably more than 98% ,
  • the invention is illustrated by the following figures:
  • Figure 1 shows the principle of the release of KGS in bipolar electrodialysis with 2 circuits / 2 chambers. 5
  • Figure 2 shows the principle of the release of KGS in bipolar electrodialysis with 3 circuits / 3 chambers.
  • Example 3 The same experimental setup is carried out under identical conditions as in Example 1, but without the subsequent methanol precipitation. Under these test conditions, Na-KGS monohydrate is obtained as a yellowish-brownish-colored solid with a purity of 98.5% in a yield of only 73%.
  • Example 3
  • a chelating ion-exchange resin for this purpose, 3 kg of the solution described above were passed over a column with a diameter of 3 cm filled with 160 g of Amberlite 718 ion exchange resin. Mg ions were removed from the solution except for a content below 5 ppm.
  • Example 1 The solution obtained in Example 1 was divided into three 1 kg portions. The individual portions were then used to release the acid in the acid circuit of an electrodialysis with bipolar membranes.
  • the electrodialysis module was equipped with 5 Neosepta BP-1 membranes as bipolar membranes, 5 Neosepta CMX membranes as cation exchange membranes and 2 Neosepta C66F membranes as end membranes. Platinum was used as the electrode material.
  • the effective membrane area of a membrane was 37 cm.
  • the spacers between the membranes were 1 mm thick.
  • sulfuric acid was used as the electrolyte.
  • the base circle insert was a 0.5% by weight sodium hydroxide solution (500 g).
  • the three electrodialysis experiments were carried out with a current density limitation of 80 mA / cm2 and a cell voltage limitation of 20 V.
  • the test duration was 1 Vz, 2 and 3 hours in order to achieve different degrees of depletion.
  • the results are documented in the following table.
  • a 14% by weight KGS solution was contained as the acid circuit discharge and an approx. 4% by weight sodium hydroxide solution as the base circuit discharge.
  • the losses to KGS in the base circle were less than 1%.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Isolierung von Salzen von organischen Säuren aus einer wässrigen Lösung, insbesondere aus einem Fermentationsaustrag, durch partielle Verdampfungskristallisation und anschliessender oder gleichzeitiger Verdrängungsfällung ihres Salzes, sowie zur Freisetzung der organischen Säure aus dem Kristallisat, vorzugsweise mittels eines Elektromembranverfahrens.

Description

Verfahren zur Isolierung von Salzen von organischen Säuren aus einer Fermentationsbrühe und zur Freisetzung der organischen Säure
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Isolierung von Salzen von organischen Säuren aus einer wässrigen Lösung, insbesondere aus einem Fermentationsaustrag, durch partielle Verdampfungskristallisation und anschließender oder gleichzeitiger Verdrängungsfällung ihres Salzes, sowie zur Freisetzung der organischen Säure aus dem Kristallisat , vorzugsweise mittels eines Elektromembranverfahrens .
Organische Säuren, insbesondere Carbonsäuren, sind wirtschaftlich bedeutende Chemikalien, die eine breite Anwendung u.a. in der Ernährung, Kosmetik oder Medizin finden; entweder als aktive Substanzen oder als Zwischenprodukte bei der Herstellung dieser Substanzen. So wird Milchsäure als Konservierungsstoff in Nahrungsmitteln eingesetzt und bei Arzneimittelzubereitungen zugesetzt. Milchsäuremono ere bilden die Grundlage für die Herstellung von abbaubaren Kunststoffen. Die Polyhydroxyketo- carbonsäure 2-Keto-L-gulonsäure (KGS) ist ein zentrales Zwischen- produkt bei der Herstellung von Vitamin C. Die Herstellung solcher organischer Säuren und ihrer Folgeprodukte zeichnet sich durch besondere Anforderungen an Reinheit und Ausbeute in allen Verfahrensstufen aus: zum einen, um den Einsatz des Endprodukts bei der Anwendung zur menschlichen Ernährung zu ermöglichen und andererseits, um die Kosten bei der Herstellung möglichst zu verringern.
Organische Säuren werden vorwiegend über konventionelle chemische Synthesen hergestellt. Bei dem sogenannten Reichsteinverfahren zur Herstellung von KGS handelt es sich um einen vielstufigen und sehr aufwendigen Prozess . In den letzten Jahrzehnten wurden daher biotechnologische Verfahren entwickelt, die weniger Reaktionsschritte aufweisen und einer geringeren Schutzgruppenchemie bedürfen.
In neueren Verfahren wird KGS in einem ein- oder mehrstufigen fermentativen Prozess gewonnen, beispielsweise durch die zweistufige Fermentation von Sorbitol über Sorbose mit hierzu geeigneten, teils speziell modifizierten Mikroorganismen. Aus den Fermentationslösungen wird KGS nach unterschiedlichen Varianten durch Nutzung klassischer verfahrenstechnischer Grundoperationen wie Ionenaustausch, Kristallisation, Extraktion etc. isoliert und zu Ascorbinsäure umgesetzt.
Während jedoch insbesondere die fermentative Herstellung von organischen Säuren, wie z.B. der Carbonsäuren Milchsäure, Zitronensäure oder Gulonsäure, häufig sehr einfach ist, ist die Isolierung und Aufreinigung des Produktes der Synthesen oder der Fermentationen gewöhnlich schwierig und wenig effizient. Hierbei wirken zwei Umstände besonders erschwerend:
Zum einen enthalten die Produktlösungen in erheblicher Menge Verunreinigungen, die teils stark gefärbt sind. So sind bei Fermentationslösungen schon nach nur 80%iger Abtrennung des Wertstoffs in den resultierenden Mutterlaugen im allgemeinen mehr Nebenkomponenten enthalten als Wertprodukt. Mit zunehmender Ausbeute wird daher die Mitisolierung von Verunreinigungen immer wahrscheinlicher. Zum anderen zeigen organische Säuren unter den üblichen verfahrenstechnischen Herstellung- und Aufreinigungs- bedingungen eine pH- und temperaturabhängige Neigung zu Zersetzung und Bildung störender, ebenfalls gefärbter Nebenkomponenten .
So wird anstelle der direkten Gewinnung von organischen Säuren, wie z.B. KGS, in der Literatur die Isolierung von Salzen dieser Säuren, so z.B. des Natrium-2-keto-L-gulonats (Na-KGS) , als vorteilhaft beschrieben. Die Salze weisen nicht nur eine geringere Empfindlichkeit gegenüber thermischer Belastung auf, sondern können auch bei neutralen pH-Werten isoliert werden, bei denen die Zersetzungsneigung geringer als im sauren Milieu ist. Aus den Salzen lässt sich die aufgereinigte Säure in einer weiteren Verfahrensstufe, z.B. durch Ionenaustausch oder Elektrodialyse freisetzen.
In der Schrift WO 01/09074 wird eine Trocknung der noch mit Zellmasse befrachteten, Ketogulonat-haltigen Fermentations- lösung vorgeschlagen. Die getrocknete Fermentationsbrühe wird dann in Alkohol suspendiert, die unlöslichen Bestandteile der alkoholischen Lösung werden entfernt. KGS kann mit einer wasserarmen Mineralsäure freigesetzt werden. Während sich KGS dabei in dem Alkohol löst, fällt das Salz der Mineralsäure aus. Bezüglich des verfahrenstechnischen Aufwandes bei der weiteren Umsetzung der KGS bzw. der Aufarbeitung der zu bildenden Ascorbinsäure sind keine Vorteile zu erwarten, da während der Trocknung keine Verunreinigungen abgetrennt werden. Die Verunreinigungen werden zumindest teilweise in der alkoholischen Lösung gelöst und müssen später verlustreich abgetrennt werden.
EP 0805210 beschreibt die Möglichkeiten und Grenzen einer 5 Isolierung von Na-KGS aus einer aufgereinigten Fermentationslösung mittels Verdampfungs-, Kühlungs- oder Verdrängungskristallisation. In Beispiel 1 wird dort gezeigt, dass bei diskontinuierlicher Fahrweise mindestens vier Kristallisationsstufen mit nachfolgender Aufarbeitung der Mutterlaugen und Wasch-
10 wässer benötigt werden, um eine Ausbeute von 95,5 % zu erzielen. Weiter werden im Beispiel 2 Daten zu einer kontinuierlichen Verdampfungskristallisation unter Laborbedingungen genannt aus denen sich nur eine Gesamtausbeute von 83,6 % ergibt. Für einen großtechnischen Prozess liegt dieser Wert ungünstig niedrig.
15
Wang beschreibt in "Lizi Jiaohuan Yu Xifu" (1998, 14(2), 175-179) die Reinigung von Mutterlaugen einer Kristallisation von Na-KGS durch Behandlung mit Adsorberharzen. Durch teilweise Abtrennung färbender und sonstiger störender Komponenten durch Adsorption
20 von Na-KGS auf dem Harz und Auswaschen der Verunreinigungen kann eine anschließende Kristallisation die Gesamtausbeute eines Verfahrens von 75 % einer reinen Verdampfungskristallisation bis auf 94 % steigern. Dieser verfahrenstechnische Weg birgt jedoch einen nicht unerhebliche Aufwand für zusätzliche Verfahrensstufen,
25 Anfall großer Mengen verdünnter Spüllösungen und Regenerierung des Harzes.
In JP 52066684 wird Na-KGS aus Ca-KGS freigesetzt, eingeengt und anschließend durch Hinzufügen eines Lösungsmittels, bei-
30 spielsweise eines niederen Ketons oder Alkohols zur Ausfällung gebracht. In GB 800 634 wird eine 2 % KGS enthaltende Fermentationsbrühe auf ein Viertel konzentriert und dann zum Ausfällen von 2-KGS Methylalkokol zugesetzt. Die Probleme dieser Vorgehensweise bestehen darin, dass einerseits sehr große Lösungsmittel-
35 mengen hinzugefügt werden müssen, um hohe Ausbeuten zu erzielen. Im Fall von Na-KGS und Methanol muss beispielsweise eine wirtschaftlich unvorteilhaft hohe Menge von 10 kg Methanol/kg Wertprodukt eingesetzt werden, um ausgehend von einer bei Raumtemperatur gesättigten, ca. 18%igen Lösung eine Ausbeute von
40 95 % zu erzielen. Andererseits wird durch Zugabe des 'Begleitstoffes nicht nur die Löslichkeit des Wertprodukts, sondern sehr unselektiv auch die Löslichkeit vieler Begleitstoffe herabgesetzt. Bei Erreichung von Ausbeuten jenseits der 90 % wird daher stets auch die Fällung der Nebenkomponenten und damit
45 eine Verunreinigung des Na-KGS bewirkt . Bei den bekannten Verfahren zur Isolierung oder Aufreinigung von Salzen von organischen Säuren, insbesondere von 2-Keto-L-Gulonat , wird somit die Ausbeute durch physikalische Eigenschaften der Lösungen wie z.B. Viskosität, Farbe oder begrenzte Löslichkeit der Nebenkomponenten begrenzt .
Der vorliegenden Erfindung liegt somit das Problem zugrunde, dass bei der Isolierung oder Aufreinigung von organischen Säuren aus Fermentationsbrühen, insbesondere von Carbonsäuren, wie z.B. Ketogulonsäuren, Milchsäure, Zitronensäure, Vanillinsäure, Idon- säure, Gulonsäure, insbesondere Ascorbinsäure, 2 , 4-Diketo-D- gulonsäure, 2 , 5-Diketo-D-gulonsäure oder 2-Keto-L-gulonsäure, somit entweder starke Produktverunreinigungen in Kauf genommen werden müssen, die dann in späteren Verfahrensstufen verlust- reich abgetrennt werden oder es werden bei hohen Reinheiten nur geringe Ausbeuten erzielt. Die im Stand der Technik zur Verfügung gestellten Verfahren sind somit aufgrund der hohen Zahl an Verfahrensschritten z.B. für die Aufbereitung der Fermentationsbrühe oder um gute Ausbeuten zu erreichen sehr zeitaufwendig, zudem aufgrund eines hohen Verbrauchs an Energie und organischen, größtenteils toxischen Lösungsmittel ökologisch bedenklich.
Die Aufgabe der vorliegend Erfindung ist es somit, ein vorteilhaftes Verfahren zur Verfügung zu stellen, um freie organische Säuren bzw. ihre Salze wirtschaftlich, ökologisch und effizient aus Fermentationsbrühen isolieren zu können.
Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problem wird durch die in den Ansprüchen der vorliegenden Erfindung charakterisierten Ausführungsformen gelöst.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Isolierung eines Salzes einer organischen Säure aus einer Fermentationsbrühe, umfassend die Schritte
a) partielles Verdampfungskristallisieren; und b) Verdrängungsfällen des Salzes.
Unter dem Begriff "organische Säure" wird eine substituierte oder nicht substituierte, verzweigte oder unverzweigte Kohlenstoff- kette verstanden aus 3 bis 20 Kohlenstoffatomen, bevorzugt aus 4 bis 10 Kohlenstoffatomen, mehr bevorzugt aus 5 bis 7 Kohlenstoffatomen mit einer oder mehr Carboxylgruppe (n) (-COOH) . Vorzugsweise wird somit unter einer "organischen Säure" eine Carbonsäure verstanden. Die Carbonsäure kann auch eine oder mehrere Ketogruppe (n) (-C=0) tragen. Die organische Säure kann z.B. durch die fermentative Umwandlung von Sacchariden, z.B. Stärke, Sucrose oder Glucose hergestellt werden. Beispiele für organische Säuren sind z.B. Ketogulonsäuren, Milchsäure, Zitronensäure, Vanillinsäure, Idonsäure, Gulonsäure, insbesondere Ascorbinsäure, 2 , 4-Ketogulonsäure, 2 , 5-Deketo-D-gulonsäure oder 5 2-Keto-L-gulonsäure (KGS) . Der Begriff organische Säuren umfasst ebenfalls z.B. Essigsäure, Maleinsäure, Malonsäure, Salizylsäure, Glycolsäure, Glutarsäure, Benzoesäure, Propionsäure, Oxalsäure, Stearinsäure, Ascorbinsäure, Glutaminsäure, etc. oder Gemische davon. Vorzugsweise ist die organische Säure 2-Keto-L-Gulonsäure 10 (KGS) .
Unter dem Begriff "partielles Verdampfungskristallisieren" (oder hierin gleichwertig "partielle Verdampfungskristallisation" ) wird erfindungsgemäß verstanden, dass die Fermentationsbrühe zum
15 Teil eingedampft wird, so dass die darin gelösten Salze der zu isolierenden Säure, insbesondere von Milchsäure, Zitronensäure, Ascorbinsäure, Gulonsäure oder 2-Keto-L-gulonsäure, partiell ausfallen, d.h. vorzugsweise bleiben 10 bis 95 % des organischen Salzes in der Brühe gelöst. Die Verdampfungskristallisation kann
20 unter normalem oder unter verringertem Druck durchgeführt werden.
Ein Teil einer Verdampfungskristallisation kann durch eine "Kühlungskristallisation" ersetzt werden. Im erfindungsgemäßen Verfahren kann die partielle Verdampfungskristallisation mit
25 einer "partiellen Kühlungskristallisation" kombiniert werden. Unter dem Begriff "partielle Kühlungskristallisation" wird erfindungsgemäß verstanden, dass die Fermentationsbrühe, insbesondere die in der Verdampfungskristallisation bereits an organischem Salz abgereicherte Fermentationslösung, so abgekühlt
30 wird, dass die darin gelösten Salze der zu isolierenden Säure, insbesondere von Milchsäure, Zitronensäure, Ascorbinsäure, Gulonsäure oder 2-Keto-L-gulonsäure, partiell ausfallen.
Unter "partielle Fällung" wird verstanden, dass nach der Fällung 35 10 bis 95 % des organischen Salzes in der Brühe gelöst bleiben.
Unter dem Begriff "Verdrängungsfällen" (oder gleichwertig "Verdrängungsfällung") wird erfindungsgemäß verstanden, dass die genannten Salze, insbesondere von Milchsäure, Zitronensäure,
40 Ascorbinsäure, Gulonsäure oder 2-Keto-L-gulonsäure, aus der wässrigen Fermentationslösung ausgefällt werden durch Zugabe einer organischen Flüssigkeit, wobei die organische Flüssigkeit mit Wasser mischbar ist, die genannten Salze, insbesondere die Salze von Milchsäure, Zitronensäure, Ascorbinsäure, Gulonsäure
45 oder 2-Keto-L-gulonsäure aber nicht oder nur schlecht löslich sind. Organische Lösungsmittel, die mit Wasser mischbar sind, sind polare Lösungsmittel, z.B. Alkylalkohole wie z.B. Methanol, Ethanol, n-Butanol, iso-Butanol, 1-Propanol, 2-Propanol, etc. oder Alkylketone wie z.B. Aceton, 2-Butanon, Propanon etc.
Unter dem Begriff "Fermentationsbrühen", der hierin gleich- bedeutend mit "Fermentationslösungen" oder "Fermentationsausträgen" verwendet wird, werden flüssige Nährmedien verstanden, in denen Organismen, in der Regel Mikroorganismen, wie z.B. Protisten, z.B. Pilze, Hefen oder Bakterien, Algen oder pflanzliche oder tierische Zellen kultiviert wurden und die folglich diese Organismen umfassen können. Der Begriff umfasst sowohl Medien mit Biomasse als auch solche bei denen die Biomasse reduziert oder entfernt wurde, z.B. durch Filtrieren, z.B. durch Querstrom-Membranverfahren, Dekantieren oder Zentrifugieren. Fermentationsbrühen, Fermentationslösungen oder Fermentations- austräge können unterschiedliche Mengen an Biomasse, insbesondere gelöste Substanzen, wie z.B. Proteine, Zucker, Peptide, oder ungelöste Bestandteile, wie z.B. Mikroorganismen oder Zellbestandteile enthalten. Es können eine oder mehrere Substanzen in der Fermentationsbrühe gelöst oder damit vermischt sein, die vorzugsweise die Extraktion, Stabilität oder Löslichkeit der Inhaltsstoffe verbessern, oder bevorzugte Eigenschaften, z.B. pH-Wert, Leitfähigkeit, Salzkonzentration usw. bewirken, wie z.B. Salz- oder Pufferlösungen. Die Fermentationsbrühe kann auch einen gewissen Teil eines organischen, mit Wasser mischbaren Lösungs- mittels enthalten, solange dieser Anteil nicht zu einer Fällung des genannten Salzes führt. Es können auch Substanzen, die ein Aufbrechen von Zellen bewirken, enthalten sein. Der Begriff umfasst auch Fermentationsbrühen, die, wie hierin beschrieben, aufbereitet wurden.
In der Regel wird in der Literatur zunächst das Salz einer organischen Säure gewonnen, daraus dann die Säure freigesetzt und kristallisiert. Dies führt speziell bei der Freisetzung und Kristallisation von Ketogulonsäure zu einem hohen Anteil an Nebenprodukten, insbesondere durch unerwünschte Ringschlüsse. Die im Stand der Technik beschriebenen Verfahren, die auf einer Isolierung der organischen Säure oder ihrer Salze aus der Fermentationsbrühe durch eine Verdampfungskristallisation beruhen, beschreiben Ausbeuten von nur 80 bis 90 %. Höhere Ausbeuten von 95 % sind erst durch die Kombination mehrerer Kristallisationsschritte erreichbar (s.o., EP 0805210, EP 0359645). Mittels einer modifizierten Verdrängungskristallisation wird in JP 52066684 und GB 800634 unter unvorteilhaft hohem Methanolverbrauch eine Ausbeute von reinem Na-KGS von bis zu 90 % erreicht, bei mit Verunreinigungen belastetem Na-KGS beträgt die Ausbeute bis zu 95 %. Eine Kombi- nation von Verdampfungskristallisation und Verdrängungsfällen wird nicht beschrieben.
Durch die vorliegende Erfindung wird ein Verfahren zur Ver- fügung gestellt, das das ökonomisch und ökologisch vorteilhafte Isolieren von Salze organischer Säuren in Ausbeuten von mehr als 90 %, vorzugsweise mehr als 95 %, in ein oder zwei Stufen ermöglicht. Vorteilhaft wird zunächst das Salz der organischen Säure kristallisiert und dann erst aus dem wieder gelösten Salz die Säure freigesetzt. Insbesondere für KGS hat dies den Vorteil, dass der hohe Anteil an Nebenprodukten, z.B. durch Ringschluss, vermieden wird.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass es gelingt, den größten Teil noch gelösten Salzes einer organischer Säure aus einer Fermentationsbrühe mit einem hohen Anteil an Verunreinigungen durch Zugabe eines organischen Lösungsmittels, in dem die organische Säure sich nicht löst, als ein Kristallisat hoher Ausbeute und Reinheit auszufällen, ohne dass es zu einer wesent- liehen Mitfällung von Nebenkomponenten kommt. Dies wird erreicht, obwohl die in ihrem Volumen eingeengte Fermentationsbrühe (Mutterlauge) ein in ihrer Zusammensetzung äußerst ungünstiges Verhältnis aus Wertprodukt zu Nebenkomponenten annimmt. So konnte z.B. KGS in nur zwei Schritten in Ausbeuten von 97 bis 99 % mit nur geringen Verfärbungen sowie sehr guter Reinheit erhalten werden .
Das erfindungsgemäße Verfahren hat somit den Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, nicht nur in nur ein oder zwei prozess- ökonomischen Schritten durchführbar zu sein. Vorteilhafterweise führt das erfindungsgemäße Verfahren, da die Verdrängungsfällung aus einer konzentrierten Fermentationslauge erfolgt und somit in einem kleineren Volumen stattfindet als im Stand der Technik, auch zu einem wesentlich geringeren Verbrauch an organischem Lösungsmittel. Die Verdünnung der ursprünglich hoch-viskosen Mutterlauge mit dem organischen Lösungsmittel hat zudem den prozessualen Vorteil, dass die Fest-Flüssig-Trennung erleichtert wird, was wiederum zu einer höheren Reinheit und Farbabreicherung führt. Energetisch ist zudem vorteilhaft, dass ein Teil des Aufreinigungsverfahrens unter adiabatischen Bedingungen durchgeführt werden kann, so dass keine Notwendigkeit eines Heizens oder Kühlens besteht. Schließlich erfordert das erfindungsgemäße Verfahren nur wenige oder gar keine vorbereitende Schritte zur Aufbereitung der Fermentationslösung. Vorteilhaft ist schließlich auch, dass das erfindungsgemäße Verfahren schon auf einer sehr frühen Stufe hoch aufgereinigte Substanzen zur Verfügung stellt, so dass in Folgestufen, die auf den aufgereinigten Substanzen basieren, Ausbeute und Reinheit der Produkte verbessert wird.
Erfindungsgemäß wird in dem hierin beschriebenen Verfahren die Fermentationslösung nur partiell, d.h. zu 10 bis 95 %, bevorzugt zu 30 bis 90 %, mehr bevorzugt zu 50 bis 85 % oder höher eingedampft je nach Konzentration der Ausgangslösung. Bevorzugt wird mehr als 75 %, noch mehr bevorzugt mehr als 80 %, am meisten bevorzugt mehr als 85 %, des eingesetzten Wassers verdampft und vorzugsweise mehr als 30 % der Säure, insbesondere KGS, kristallisiert. Je höher der Abdampfungsgrad ist, desto weniger Verdrängungsmittel muss eingesetzt werden.
Der maximale Abdampfgrad oder -bereich des im Feed enthaltenen Wassers hängt von der Salzkonzentration in der Ausgangslösung ab. Vorzugsweise liegt der Abdampfbereich bei 95 %, mehr bevorzugt bei 90 % des im Feed enthaltenen Wassers. Bei einer wässrigen 5 bis 15 Gew.-% NaKGA-Lösung ist der maximale Abdampfungsbereich oder -grad vorzugsweise 80 bis 95 % des in der Lösung enthaltenen Wassers, bevorzugt ist ein maximaler Abdampfungsgrad von 85 bis 90 % des in der Ausgangslösung, z.B. der Fermentationslösung, enthaltenen Wassers.
Vorzugsweise haben die enthaltenen Suspensionen einen Feststoff- gehalt von 20 bis 60 Gew.-%, mehr bevorzugt von 30 bis 50 Gew.-%, z.B. 40 Gew.-%, und einen Wassergehalt von 30 bis 60 %, vorzugsweise 40 bis 50 %, insbesondere für NaKGS, in der Suspension. Dies entspricht 20 bis 70 Gew.-% gelöstes und festes NaKGA, vorzugsweise werden 40 bis 60 Gew.-% gelöstes und festes NaKGA enthalten.
Während der Teileindampfung werden relativ hohe Ausbeuten an sehr reinem Salz einer organischen Säure erhalten. Der Grad der Eindampfung richtet sich nach der gewünschten Reinheit des Produktes und der gewünschten Ausbeute. Je höher der Grad der Eindampfung ist, desto höher ist die Ausfällung an gewünschtem Produkt sowie von Verunreinigungen aus der Fermentationsbrühe .
So können z.B. bei einer von Zellmasse befreiten Fermentations- lösung, die zu 90 % eingedampft wurde, Ausbeuten im Bereich von 75 % KGS erreicht werden. Überraschenderweise kann dann aus dem Überstand durch Zugabe an Verdrängungsmittel, z.B. Methanol, weiteres Wertprodukt in hoher Reinheit ausgefällt werden. Vorteilhafterweise brauchen nur geringe Mengen des Verdrängungs- mittels eingesetzt zu werden, um das Salz der organischen Säure aus dem Überstand in hoher Reinheit auszufällen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verdampfungs- kristallisieren bei niedrigen Temperaturen und unter vermindertem Druck durchgeführt . Schonende Reaktionsbedingungen vermeiden die Zersetzung des Produktes. Vorzugsweise liegt die Temperatur im Kristallisator zwischen 20°C und 100°C, mehr bevorzugt zwischen 30°C und 80°C, am meisten bevorzugt zwischen 40°C und 70°C.
Bevorzugt ist ein Druck von 0,01 bar bis 1 bar, mehr bevorzugt sind 0,05 bar bis 0,5 bar, am meisten bevorzugt sind 0,1 bar bis 0,3 bar.
In einer weiteren Ausführungsform beträgt der Feststoffgehalt im Kristallisator vorzugsweise 5 bis 60 Gew.-%, mehr bevorzugt 25 bis 50 Gew.-%. Unter "Feststoffgehalt" im Kristallisator wird der Gewichtsanteil kristallisierten Salz einer organischen Säure, insbesondere Na-KGS, bezogen auf die gesamte Suspensionsmenge verstanden.
Die Verdampfungskristallisation kann in einem beliebigen Kristallisator durchgeführt werden, z.B. in einem Rührkessel-, Zwangsumlauf-, Leitrohr- oder Fließbett-Kristallisator (z.B. Oslo-Typ) . Vorzugsweise ist der Kristallisator auch für eine Verfahrensdurchführung unter geringerem Druck geeignet .
In einer Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren auch eine Verdampfungskristallisation, die mit einer Kühlungskristallisation kombiniert ist. Bei der Kühlungskristallisation wird die Fermentationsbrühe nach der Verdampfung unter Kristallisieren des Salzes der organischen Säure abgekühlt. Bevorzugt ist eine Abkühlung auf 0°C bis 50°C, mehr bevorzugt sind 30°C bis 40°C. Die Kühlungskristallisation kann in den gleichen Apparaten wie die Verdampfungskristallisation durchgeführt werden. Die Kühlung kann durch Vakuumverdampfung, direkte Kühlung mit einem Kälteträgermedium oder indirekt über Wärme- tauscher erfolgen. Zur Vermeidung von Verkrustungen können hier insbesondere auch alle Bauformen mit kontinuierlich oder wiederkehrend abgereinigten Wärmetauscheroberflächen verwendet werden, z.B. Kühlscheibenkristallisatoren .
Bevorzugt wird in der Verdampfungskristallisation oder in der Verdampfungskristallisation und der Kühlungskristallisation zwischen 10 und 95 % des Salzes der organischen Säure ausgefällt. Bevorzugt sind zwischen 30 und 95 %, mehr bevorzugt sind zwischen 40 und 90 %. Kristallausbeuten sollten auch unter dem Gesichtspunkt der Produktqualität oberhalb von 50 bis 60 % liegen. Besonders bevorzugt sind Kristallausbeuten von ca. 60 bis 90 % und eine Abdampfrate von 75 bis 95 %.
Vorzugsweise ist die Konzentration des Salzes der organischen 5 Säure in der Ausgangslösung, insbesondere wenn es sich um Na-KGS handelt, mindestens 5 %, mehr bevorzugt sind 7 %, noch mehr bevorzugt sind 10 %, noch mehr bevorzugt sind 12 % oder mehr.
Die Menge des abgedampften Lösungsmittels und die erreichten 10 Kristallisationsanteile hängen von der Salzkonzentraion in der Ausgangslösung ab. So müssen bei einer wässrigen 2 %igen Na- KGS-Lösung ca. 90 % des Lösungsmittels (z.B. Wasser) abgedampft werden, um eine Kristallisation zu erreichen, bei einer wässrigen 15 % Na-KGS-Lösung werden weniger als 30 %, bis 50 % des Lösungs- 15 mittels abgedampft.
In einer bevorzugten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung folglich ein Verfahren, wobei das partielle Ver- dampfungskristallisieren unter den folgenden Bedingungen durch- 20 geführt wird:
i) Temperatur im Kristallisator zwischen 20°C und 100°C; ii) Druck zwischen 0,01 und 1,0 bar; iii) Feststoffgehalt im Kristallisator von 5 bis 60 Gew.-%; 25 und/oder iv) Abkühlen der eingeengten Fermentationsbrühe auf 0°C bis 50°C.
Besonders bevorzugt wird das Verfahren unter den Bedingungen (i) bis (iv) durchgeführt. Noch mehr bevorzugt wird das Verfahren 30 unter den folgenden Bedingungen durchgeführt:
i) Temperatur im Kristallisator zwischen 40°C und 70°C; ii) Druck zwischen 0,1 und 0,3 bar; iii) Feststoffgehalt im Kristallisator von 25 bis 50 Gew.-%; und 35 iv) Abkühlen der eingeengten Fermentationsbrühe auf 30°C bis 40°C.
Am meisten bevorzugt ist es, die Kristallisation so durchzuführen, dass die Kristallisationsausbeuten bei 60 bis 40 90 % (w/w) liegen und Abdampfgrade von mehr als 75 % -erreicht werden. Daher ist es besonders bevorzugt, wenn das Verfahren gemäß (i) bis (iv) durchgeführt wird und (v) die Ausgangskonzentration von Na-KGS bei mindestens 5 % liegt.
45 Erfindungsgemäß wird die Verdrängungsfällung durch die Zugabe eines organischen Lösungsmittels, das mit Wasser mischbar ist, in dem sich jedoch das zu isolierende Salz nicht oder nur schlecht löst, zu der Mutterlauge während oder nach der Verdampfungskristallisation oder durch Zugabe der Mutterlauge zu dem organischen Lösungsmittel erreicht .
Durch die Vermischung der wässrigen Fermentationsbrühe mit dem organischen Lösungsmittel findet eine Verdrängung des Salzes statt, das ausfällt. Das Fällen wird vorzugsweise durch die Zugabe eines wasserlöslichen polaren Lösungsmittels, vorzugsweise durch Zugabe eines wasserlöslichen Alkylalkohols, z.B. Methanol, Ethanol, n- Butanol, iso-Butanol, 1-Propanol, 2-Propanol, Hexanole, Heptanole, Octanole etc. oder eines wasserlöslichen Alkylketons, z.B. Aceton, 2-Butanon, Pentanon, etc. erreicht, bevorzugt ist Methanol oder Ethanol. Am meisten bevorzugt ist Methanol.
Das Salz ist schwer löslich in dem verwendeten Lösungsmittel, vorzugsweise nahezu unlöslich. Die Löslichkeit des Salzes beträgt bevorzugt 7 %, mehr bevorzugt 5 %, noch mehr bevorzugt unter 3 %.
Vorzugsweise wird die Fällung mit 10 bis 80 %, mehr bevorzugt mit 15 bis 70 %, noch mehr bevorzugt mit 15 bis 60 %, am meisten bevorzugt mit 20 bis 40 %, Verdrängungsmittel bezüglich der wässrigen Lösung oder der Fermentationsbrühe (Feedstrom) im Reaktionsgefäß, insbesondere bei Alkylalkoholen, besonders bei Ethanol, Methanol oder Propanol, durchgeführt. Die Menge des Verdrängungsmittels hängt von dem Grad der Einengung in Schritt (a) ab.
Bevorzugt ist ein Fällmitteleinsatz von Methanol bezogen auf die Kristallmenge von 0,2 kg MetOH/kg Produkt bis 3 kg MetOH/kg Produkt, mehr bevorzugt sind weniger als 2 kg/kg, am meisten bevorzugt sind 0,5 bis 1,0 kg MetOH/kg Produkt, insbesondere, wenn das Produkt NaKGS ist.
Vorzugsweise wird durch das erfindungsgemäße Verfahren nach den Schritten (a) und (b) eine Reinheit von mehr als 90 % erreicht, mehr bevorzugt sind mehr als 95 %, nochmehr bevorzugt sind 96 %, 97 %, 98 %, 99 % oder darüber.
Die Verdrängungsfällung wird in einer bevorzugten Ausführungs- form bei einer Temperatur im Fällapparat von 0 bis 100°C, bevorzugt bei 10 bis 80°C, besonders bevorzugt bei 20 bis 70°C durchgeführt .
Die Wahl der Reaktionstemperatur und des Verdrängungsmitte- lanteils hängt von der Löslichkeit des zu fällenden Salzes und des Verdrängungsmittels in Wasser ab. Durch die Wahl der Reaktionstemperatur kann das Löslichkeitsprodukt des Salzes in der Lösung beeinflusst werden, was sich auf den Anteil an Verdrängungsmittel auswirkt, der nötig ist, das gewünschte
Salz auszufällen (und umgekehrt) .
Die Fällung kann in einem Kristallisator oder in für die Fällung spezifischen Anordnungen mit Einrichtungen zur gezielten Vermischung durchgeführt werden, z.B. mit Mischdüsen.
Folglich betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren, in welchem erfindungsgemäß das Verdrängungskristallisieren unter den folgenden Parametern durchgeführt wird:
i) Zugabe von Methanol, Ethanol, 1- Propanol, 2-Propanol, Aceton, und/oder 2-Butanon als Verdrängungsmittel; ii) Fällung mit 10 % bis 80 % Verdrängungsmittel bezüglich der Fermentationsbrühe; und/oder iii) Temperatur im Fällapparat von 0°C bis 100°C.
Besonders bevorzugt wird das Verfahren unter den Bedingungen (i) bis (iii) durchgeführt. Noch mehr bevorzugt wird das Verfahren unter den folgenden Parametern durchgeführt:
i) Zugabe von Methanol, Ethanol oder 2-Propanol als
Verdrängungsmittel ; ii) Fällung mit 20 % bis 40 % Verdrängungsmittel bezüglich der Fermentationsbrühe; und iii) Temperatur im Fällapparat von 20°C bis 60°C.
Verdampfungskristallisation und Fällung können je nach Temperatur- und Druckverhältnissen und Wahl des Fällmittels in zwei getrennten oder auch in einem einzigen Apparat durchgeführt werden. Schritt (a) und (b) des erfindungsgemäßen Verfahrens können somit hintereinander oder gleichzeitig durchgeführt werden.
Bei besonders stark verschmutzten oder verfärbten Mutterlösungen, insbesondere Fermenterlösungen, kann optional erst nur eine Verdampfungskristallisation durchgeführt werden, da auf dieser Stufe selbst unter diesen Bedingungen stets weiße Kristallisat abgetrennt werden, nur die Mutterlauge mit Fällmittel (z.B. Methanol) beaufschlagt werden und das hierbei gebildete, vorgereinigte, aber nicht mehr spezifikationsgerechte Kristallisat in die Verdampfungskristallisation zurückgeführt werden. Vorteilhaft wird in nur einem oder ggf. in zwei Schritten eine hohe Ausbeute, vorteilhafterweise von mehr als 90 %, bevorzugt von mehr als 95 %, besonders bevorzugt von mehr als 97 oder 98 %, am meisten bevorzugt 99 % oder mehr bezogen auf den KGS-Gehalt der Ausgangs-Fermentationslösung (Feedlösung) erreicht .
Erfindungsgemäß kann das erhaltene Kristallisat gewaschen werden, um enthaltene Verunreinigungen zu entfernen. Vorzugsweise wird das Kristallisat mit einem Lösungsmittel gewaschen, in dem das Salz der organischen Säure eine geringe, vorzugsweise gar keine Löslichkeit hat . Vorzugsweise wird das Lösungsmittel der Verdrängungsfällung verwendet. Die Ausbeute des erfindungsgemäßen Verfahrens kann durch die Rückführung von Waschwässern erhöht werden. Die Ausbeute ist bei einer Rückführung von Waschwässern abhängig von der eingesetzten Lösungsmittelmenge und so z.B. zwischen 95 bis 99 % einstellbar. So kann die eingesetzte Lösungsmittelmenge zwischen 0,2 bis 1 kg pro kg Salz betragen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Lösungsmittel Methanol oder Ethanol und das zu reinigende Salz ein Salz der KGS, vorzugsweise Na-KGS.
Das durch das erfindungsgemäße Verfahren erhaltene Kristallisat weist nur geringe Verfärbungen auf. Je nach Verfahrensdurchführung und erreichter Ausbeute ist das Kristallisat leicht gelb bis farblos. Vorzugsweise ist das Kristallisat farblos.
Vorteilhaft wird zudem ein Produkt aus dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten, insbesondere Salze der Milchsäure, der Gulonsäure, der KGS oder der Zitronensäure, die eine sehr hohe Reinheit haben.
Das Produkt weist demzufolge eine Reinheit von vorzugsweise mehr als 95 %, mehr bevorzugt mehr als 97 %, noch mehr bevorzugt mehr als 98 %, noch mehr bevorzugt 99 % oder mehr auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die organische Säure eine Carbonsäure, besonders bevorzugt sind Polyhydroxycarbon- säuren, mehr bevorzugt sind 2-Keto-polyhydroxy-Cs-carbonsäuren. Mehr bevorzugt sind organische Säuren wie Ketogulonsäuren oder Milchsäure, Zitronensäure, Vanillinsäure, Idonsäure oder Gulonsäure. Insbesondere sind bevorzugte Ketogulonsäuren 2,4-Diketo- D-gulonsäure, 2 , 5-Diketo-D-gulonsäure, 2-Keto-L-gulonsäure, Ascorbinsäure. Am meisten bevorzugt ist 2-Keto-L-gulόnsäure.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt werden.
ιn einer Ausführungsform liegt die organische Säure als Natrium-, Kalium-, Magnesium-, Ammonium- oder Calcium-Salz vor. Wird zunächst die freie Säure hergestellt, z.B. in einem Fermentations- prozess als Stoffwechselprodukt, kann das Salz der Säure gewöhnlich durch das Einstellen des geeigneten pH-Wertes hergestellt werden, beispielsweise durch Zugabe der Basen NH4OH/NH3 , MgO, Mg(OH)2, NaOH, NaHC03 , Na2C03 , KOH, KHC03 , KC03, CaOH, CaC03 , Ca(OH) , CaO, oder Salze schwacher organischer Säuren, z.B. Ameisensäure, Essigsäure, etc.. Bevorzugt sind Natriumsalze. Calcium kann z.B. durch Zugabe von Natriumcarbonat als Calcium- carbonat oder das Einleiten von C0 als CaC03 gefällt und abfiltriert werden. Am meisten bevorzugt ist die Isolierung des Natriumsalzes der 2-Keto-L-gulonsäure.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Biomasse und/oder die organischen und/oder anorganischen Bestandteile außer der zu isolierenden organischen Säure der Fermentationsbrühe reduziert. Die Fermentationsbrühe besteht allgemein aus unlöslicher Biomasse und organischen und anorganischen Verunreinigungen, wobei die anorganischen Verunreinigungen im wesentlichen aus metallischen Kationen bestehen. So werden vorzugsweise vor der Verdampfungskristallisation nicht lösliche Bestandteile, z.B. Biomasse wie Mikroorganismen oder Zellbestandteile abgetrennt . Feste Bestandteile können durch geläufige Fest/Flüssig-Trennverfahren entfernt werden, z.B. durch Filtration, insbesondere Ultrafiltration oder Mikro- filtration, oder Abtrennung, z.B. Abschöpfen, Zentrifugieren oder Dekantieren, z.B. in Gegenwart von Fällmitteln oder Filtrationsadditiven, z.B. Polyacrylamide .
Ebenfalls vorteilhaft kann es sein, bestimmte lösliche Bestandteile der wässrigen Ausgangslösung vor der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens abzutrennen. So kann es vorteilhaft sein, bestimmte Metalle oder Proteine zumindest teilweise abzutrennen, eine vollständige Abtrennung ist jedoch nicht immer nötig. Durch weitere Aufreinigungsschritte, wie z.B. Mikro- oder Ultrafiltration, können Proteine und andere makromolekulare Substanzen entfernt werden.
Die Fermentationsbrühe kann auch demineralisiert werden, um unerwünschte anorganische Ionen zu entfernen. Insbesondere ist es vorteilhaft, zweiwertige Ionen abzutrennen.
Anorganische Kationen können z.B. durch Ansäuern der Brühe oder z.B. mit Hilfe eines Chelators oder Kationenaustauschers, vorzugsweise eines polymeren Kationenaustauschers abgetrennt werden . Folglich umfasst das erfindungsgemäße Verfahren einen oder mehr Filtrationsschritte, insbesondere eine Mikro- oder Ultrafiltration der Fermentationsbrühe, wobei die Grenze zwischen einer Mikro- oder Ultrafiltration fließend ist. Im allgemeinen wird bei einer Porengröße von etwa 100 um der Übergang von der Mikro- zur Ultrafiltration gesehen.
5 Zur Abtrennung der Zellen und/oder Proteine und Gewinnung einer gereinigten Na-Ketogulonat-Lösung kann die verunreinigte Lösung/ Suspension unter Druck mit einer Membran in Kontakt gebracht und Permeat (Filtrat) auf der Rückseite der Membran bei einem geringeren Druck als auf der Feedseite abgezogen werden. Es
10 wird ein Konzentrat (Retentat) erhalten, das Zellen und/oder Proteine enthält und ein gereinigtes Filtrat (Permeat) , das Na-Ketogulonat enthält. Vorteilhaft wird durch Umpumpen, mechanische Bewegung der Membran oder Rühraggregate zwischen den Membranen eine Relativgeschwindigkeit zwischen Membran
15 und Feedlösung zwischen 0,1 bis 10 m/s erzeugt. Die Abtrennung erfolgt durch Aufkonzentration der nichtpermeablen Komponenten.
Zur Erhöhung der Ausbeute kann anschließend zur Aufkonzentration ein Diafiltrationsschritt durchgeführt werden. Dabei wird durch 20 Wasserzufuhr ins Retentat die Konzentration der nichtpermeablen Komponenten konstant gehalten und das Wertprodukt ins Permeat überführt .
Der Membranprozess kann in Batchfahrweise durch mehrmaligen 25 Durchgang der Suspension durch die Membranmodule oder kontinuierlich durch einmaligen Durchgang durch eine oder mehrere nacheinandergeschaltete Feed- und Bleedstufen erfolgen.
Vorzugsweise ist die Ultra- oder Mikrofiltration eine Filtration 30 1 mit einer Porengröße von 200 bis 20 um, vorzugsweise von 100 bis 50 um oder eine Filtration 2 oder 3 mit einer Porengröße von 100 πm bis 5 im, vorzugsweise von 50 bis 20 um oder eine Kombination aus der Ultrafiltration 1, 2 und/oder 3. Eine Porengröße von 20 nm entspricht ungefähr einer Abtrennungsgrenze von 35 20 kD, 5 nm entsprechen ungefähr 10 kD, wobei die Abtrennungsgrenze sehr von dem jeweiligen Makromolekül abhängig ist und somit eine direkte Zuordnung Abtrennungsgrenze und Porenbreite nicht erfolgen kann.
40 Filtration 1 wird erfindungsgemäß nach der Fermentation durchgeführt, Filtration 2 wird erfindungsgemäß nach der Filtration 1 oder nach der Fermentation durchgeführt, vorteilhaft wird Filtration 2 jedoch nach der Aufkonzentrierung des Filtrats aus Filtration 1, wie unter beschrieben durchgeführt.
45 Es kann nach dem Lösen des Kristallisats auch eine Filtration 3 durchgeführt werden, wie sie weiter unten beschrieben ist. Bevorzugt ist die Durchführung möglichst weniger Filtrations- schritte. Folglich ist besonders bevorzugt, eine Kombination einer Filtration 1 nach der Fermentation mit einer Filtration 2 nach Aufkonzentrierung des Filtrats aus Filtration 1. Mehr bevorzugt ist die Durchführung nur der Filtration 1 oder 2, am meisten bevorzugt ist die Durchführung nur der Filtration 1.
Die Trennschichten können aus organischen Polymeren, Keramik, Metall oder Kohlenstoff bestehen und sind in dem Reaktionsmedium und bei der Prozesstemperatur stabil. Aus mechanischen Gründen sind die Trennschichten in der Regel auf einer ein- oder mehrschichtigen porösen Unterstruktur aus dem gleichen oder auch mehreren unterschiedlichen Materialien wie die Trennschicht aufgebracht. Beispiele sind:
Figure imgf000017_0001
Tabelle 1: Trennschichten
Die Membranen können in Flach-, Rohr-, Multikanalelement-, Kapillar- oder Wickelgeometrie eingesetzt werden, für die entsprechende druckfeste Module, die eine Trennung zwischen Retentat und dem Permeat erlauben, verfügbar sind.
Die optimalen transmembranen Drücke zwischen Retentat und Permeat liegen im Wesentlichen abhängig von Durchmesser der Membranporen bzw. der Trenngrenze (angegeben in Molekulargewichtseinheiten) und der mechanischen Stabilität der Membran je nach Membranart zwischen 1 und 40 bar, bei Mikrofiltrationen z.B. zwischen 1 und 10 bar und bei Ultrafiltrationen z.B. zwischen 8 und 40 bar. Höhere transmembrane Drücke führen in der Regel zu höheren Permeatflüssen. Dabei kann in dem Fall, in dem der
Feed mit einem zu hohen Druck zugeführt wird, der transmembrane Druck durch Anheben des Permeatdruckes angepasst werden. Die Betriebstemperatur ist abhängig von der Produkt- und der Membranstabilität. Sie liegt bei der Na-Ketogulonatreinigung zwischen 20 und 90°C, bevorzugt zwischen 40 und 80°C. Höhere Temperaturen führen zu höheren Permeatflüssen.
Folgende Membranen sind z.B. einsetzbar:
Figure imgf000018_0001
Tabelle 2 : Membranen
Besonders bevorzugt ist ein Porendurch esser von 50 nm.
Die Abtrennung von Proteinen und Biomasse vor der Kristallisation und der Freisetzung der organischen Säure mittels Elektromembran- verfahren hat den Vorteil, dass es dort nicht zu Verfärbungen bzw. zu Proteinablagerungen kommen kann. Wie oben ausgeführt sind neben der synthetischen Herstellung von organischen Säuren eine Reihe von Verfahren entwickelt worden, bei denen organische Säuren durch Mirkoorganismen hergestellt werden. So wird z.B. fermentativ D-Glukose zu 5-Keto-D-gulonsäure 5 umgewandelt und diese dann fermentativ oder chemisch zu
L-Idonsäure umgewandelt und zu 2-Keto-L-gulonsäure oxidiert. D-Sorbitol kann über die Fermentation zu L-Sorbose in 2-Keto-L- gulonsäure fermentiert werden.
10 Das Fermentationsverfahren kann aerob oder anaerob sein. Die Mikroorganismen oder Zellen können vor der Isolierung der organischen Säure abgetrennt werden und optional dem Fermentationsverfahren wieder zugeführt werden.
15 In einer Ausführungsform werden für die Herstellung der
Fermentationsbrühe Protisten, z.B. Hefen, Pilze, Algen, oder andere eukaryotische Mikroorganismen, oder Bakterien oder pflanzliche oder tierische Zellen verwendet . Bevorzugt werden Mikroorganismen der Gattungen Bacillus, Lactobacillus, Pseudo-
20 gluconobacter, Pseudomonas, Corynebacterium, Proteus, Citro- bacter, Enterobacter, Erwinia, Xanthomonas, Flavobacterium, Acetobacter, Gluconobacter, Aspergillus, oder Brevibacterium oder Mischungen davon eingesetzt. Ebenfalls können Homogenate aus Pflanzenmaterial, tierische Zellen oder Algen als Ausgangs-
25 material verwendet werden und werden ebenfalls unter dem Begriff "Fermentationsbrühe" verstanden, ggf. muss ein bestimmtes Ausgangsmaterial vorher aufgereinigt oder verdünnt werden.
Es kann vorteilhaft sein, die Fermentationsbrühe vor der hierin 30 beschriebenen Isolierung der organischen Säure und ihrer Freisetzung zu sterilisieren.
Bei der fermentativen Herstellung fallen im allgemeinen die organischen Säuren in den Fermentationsbrühen zwischen 1 und
35 30 Gew.-% an, in der Regel zwischen 7 und 18 Gew.- bei Raumtemperatur oder ungefähr 20°C. Entsprechend ist die Salzkonzentration der organischen Säure zwischen 1 und 30 % in der Ausgangslösung des hierin beschriebenen Verfahren. Die Salze der organischen Säuren können wie z.B. Na-KGS eine geringere
40 Löslichkeit haben als die freien Säuren. So hat Na-KGS eine Löslichkeit von 18 % bei ungefähr 20°C, höhere Temperaturen in der Fermentationsbrühe führen zu höheren Löslichkeiten der Salze. Die Löslichkeit von Na-KGS ist z.B. 24 % bei 50°C. Bevorzugt hat die Fermentationsbrühe bzw. die Ausgangslösung einen Gehalt
45 an Na-KGS, zwischen 5 Gew.-% und 15 Gew.-% bei 20°C wie oben beschrieben. Jedoch wird die Konzentration des Salzes von der Art der organischen Säure, des Kations und weiteren Verfahrens- bedingungen abhängen, wie z.B. Temperatur, und so ausgewählt, dass die Fermentationsbrühe bei RT, d.h. bei 15°C bis 25°C und Normaldruck, d.h. bei 980 bis 1100 mbar, nicht auskristallisiert.
Die Fermentationsbrühe kann vor oder nach der Entfernung der Biomasse und anderer Verunreinigungen optional eingeengt werden, beispielsweise durch Verdampfung oder durch Osmose, insbesondere durch reverse Osmose, und somit die Konzentration der Brühe an die Kristallisation angepasst werden. Vorteilhaft sind hierbei geringe Temperaturen, möglichst 10CC bis 90°C.
Vorzugsweise wird die Fermentationsbrühe vor der Kristallisation und nach einem oder mehreren Filtrationsschritten durchgeführt. Besonders bevorzugt ist die Konzentrierung nach der Filtration 1.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren einen oder mehrere weitere (n) Schritt (e) zur Abtrennung und/oder Aufbereitung des Kristallisats oder des Produktes.
Zur Abtrennung eignen sich erfindungsgemäß Fest-Flüssig-Trenn- Verfahren, z.B. Filtrieren, Dekantieren, Absaugen, Abschöpfen, und/oder Zentrifugieren, d.h. z.B. Abtrennung mit Hilfe von Nutschen, Drehfiltern, Bandfiltern, Schubzentrifugen, Schälzentrifugen etc. Das Kristallisat kann nach dem Abtrennen getrocknet und/oder gemahlen werden und dann gelagert oder weiterverarbeitet werden.
Die erhaltenen Kristalle des Salzes der organischen Säure enthalten je nach Trocknungsverfahren Kristallwasser, das durch weitere Trocknungsschritte entfernt werden kann. So kann 2-Keto- L-gulonat als Monohydrat isoliert werden. Das Kristallwasser kann z.B. durch weitere Trocknung unter reduziertem Druck und ggf. durch Erhitzen entfernt werden.
Danach kann das Kristallisat in Wasser oder einem anderen polaren Lösungsmittel, z.B. verzweigten oder linearen ali- phatischen Alkoholen mit 3 bis 7 Kohlenstoffato en, insbesondere Methanol, Ethanol, n-Propanol, Isopropanol, Butanol, Hexanol oder Heptanol, aufgenommen werden.
Um unerwünschte färbende Verunreinigungen der Kristalle zu entfernen, kann ggf. eine Extraktion der Kristalle nach dem Fachmann bekannten Verfahren durchgeführt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst auch Schritte, um aus den isolierten Salzen die aufgereinigte Säure in einer oder mehreren weiteren Verfahrensstufe (n) freizusetzen, dies kann insbesondere durch eine Protonierung der Säure erreicht werden, z.B. durch einen Ionenaustausch-Verfahrensschritt oder durch einen Elektromembranverfahrensschritt , z.B. durch eine Membranelektrolyse oder eine Elektrodialyse.
Bei den Ionenaustauschverfahrensschritten wird das Kation des Salzes gegen ein auf dem Austauscherharz befindliches Proton ausgetauscht und auf diese Weise die Säure freigesetzt.
Bei Elektromembranverfahrensschritten werden die Kationen des Salzes ("Gegenionen") z.B. Natrium-, Kalium-, oder Calciumionen und die Ionen der Säure aufgespalten und durch ionenselektive
Membranen räumlich getrennt gesammelt. Vorteilhafterweise erfolgt die Trennung durch den Einfluss eines elektrischen Feldes. Die Säureanionen reagieren mit freigesetzten oder zur Verfügung gestellten Protonen (H+) zur freien Säure, z.B. KGS oder Ascorbin- säure, während das Gegenion mit parallel freigesetzten oder zur Verfügung gestellten Hydroxidionen (0H-) zu der entsprechenden Base reagieren, z.B. NaOH.
Je nach eingesetzter ionenselektiver Membran sowie eingesetzten Elektroden werden verschiedene Ausführungsformen der Elektro- membranverfahren unterschieden. Bei der Membranelektrolyse werden geladene Teilchen durch eine Ionenaustauschermembran im elektrischen Feld abgetrennt und Protonen und Hydroxidionen durch Wasserelektrolyse an Elektroden generiert. Eine Anordnung von Elektroden ist neben der einfachsten Schaltung mit nur endständigen Elektroden auch wie bei der Elektrodialyse mit bipolaren Membranen möglich, dann ersetzen die (dann bipolaren) Elektroden die bipolare Membran. Bei der Elektrodialyse werden die Protonen und die Hydroxidionen durch eine elektrisch er- zwungene Wasserdissoziation an einer bipolaren Membran erzeugt. Vorteilhaft ist ein geringer Einergiebedarf und eine Vermeidung der Oxidation oder Reduktion anderer Bestandteile der Lösung, wenn die Elektroden durch einen eigenen Kreislauf von der Säure-, Base- oder Mittelkammer getrennt sind.
Somit kann eine erfindungsgemäß isolierte organische Säure, die in Wasser oder einer wässrigen Lösung aufgenommen ist, vorzugsweise unter Einfluss eines elektrischen Feldes in Anion und metallisches Gegenkation über eine oder mehrere ionenselektive Membran (e) zerlegt und räumlich getrennt werden und durch gleichzeitige Erzeugung oder Bereitstellung von Protonen und Hydroxidionen dann die freigesetzte Säure und das entsprechende Hydroxid hergestellt werden. Elektromembranverfahrensschritte werden u.a. beschrieben in EP-A-0230 021, WO96/41021, US 50747,306, US 4,990,441, und in European Membrane Guide, Herausgeber Mulder, Niederlande, 1997, Seiten 35 bis 38. Solche Elektrodialysen zur Freisetzung organischer Säuren aus ihren Salzen sind in allgemeiner Form z.B. beschrieben in Mani, Desalination 68 (1988) 149-166 und Nagasubramanian, J. Membrane Sei. 2 (1977) 109-124. WO 96/41021 beansprucht ein Verfahren zur Freisetzung organischer Säuren aus Fermentationslösungen, welche durch Filtrations- schritte von Verunreinigungen befreit wurden. US 6,004,445 und EP 779286 beanspruchen die Freisetzung von Ascorbinsäure aus ihrem Alkalimetallsalz durch Elektrodialyse mit bipolaren Membranen. WO 99/61647 beschreibt ein Verfahren zur Abtrennung von Ketogulonat (KGat) aus einer Fermentationslösung bei gleich- zeitiger Freisetzung der freien KGS durch bipolare Elektrodialyse. In Yu, Chemical Engineering Journal, 78 (2000) 153-157 ist die Freisetzung von Ascorbinsäure bzw. KGS durch Elektrodialyse aus Fermentationslösungen beschrieben. Der Inhalt dieser Dokumente und der darin zitierten Referenzen gilt als mit auf- genommen.
In einer weiteren, bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform werden die multivalenten Kationen auf einen Gehalt bis auf 15 ppm, vorzugsweise bis auf 5 ppm, mehr bevorzugt bis auf 3 ppm, am meisten bevorzugt bis auf 1 ppm aus der Lösung entfernt. Vorteilhaft können die multivalenten Ionen durch Behandlung der Lösung mit einem chelatbildenden Ionentauscherharz entfernt werden. Unter multivalenten Ionen werden zweiwertige oder höherwertige, z.B. drei oder vierwertige Ionen, d.h. Kationen oder Anionen verstanden, z.B. Ca2+, Mg2+, C03 2_ etc. Als chelatbildende Ionentauscherharze kommen z.B. solche in Frage, die Iminodiessig- säuregruppen oder Aminophosphonsäuregruppen tragen. Dieses sind z.B. Amberlite 718 oder 748 von Rohm und Haas.
Wird ein Calciumsalz kristallisiert, wird in der folgenden Membranelektrolyse der Basekreis mindestens neutral gestellt werden, um ein Ausfällen von Hydroxiden zu verhindern. Dies ist prinzipiell auch für einwertige Ionen möglich, wenn ein Ausfällen der Hydroxide des Gegenions ein Problem darstellt. Folglich betrifft die vorliegende Erfindung in einer Ausführungsform ein Verfahren zur Herstellung einer freien organischen Säure aus ihrem Salz und eines entsprechenden Hydroxids des Salzes, umfassend die erfindungsgemäße Isolierung der organischen Säure und weiterhin die folgenden Schritte:
c) Lösen des Kristallisats eines Salzes einer organischen
Säure in Wasser oder einer wässrigen Lösung, so dass eine Kristallisatlösung entsteht; d) Entfernen der multivalenten Kationen aus der Kristallisatlösung; und e) Freisetzen der organischen Säure aus der Kristallisatlösung, insbesondere durch ein Ionenaustauscher- oder Elektromembran- verfahren.
In einer Ausführungsform des erfindungemäßen Verfahren hat die Kristallisat-Lösung nach Schritt (c) eine Konzentration an dem Salz der organischen Säure von 10 bis 50 Gew.-%, bevorzugt eine Konzentration von 15 bis 25 Gew.-%.
Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren folgenden weiteren Schritt
c) Filtration der Kristallisat-Lösung,
umfassen. Vorzugsweise ist die Filtration eine Filtration 3, die nach Lösen des Kristallisats nach Schritt (c) und/oder vor der Säurefreisetzung nach Schritt (e) erfolgt.
Durch eine Filtration der Kristallisat-Lösung können mitausgefällte Verunreinigungen, insbesondere z.B. Proteine, die bei der Freisetzung der Säure schädlich wären, entfernt werden. Der Vorteil einer Filtration 3 ist, dass ein geringeres Feedstrom- Volumen im Vergleich zu den oben beschriebenen Filtrationen 2 gereinigt werden muss, da die Kristallisatlösung in der Regel eine höhere Konzentration des Salzes der organischen Säure besitzt. Vorteilhaft ist zudem, dass ein Teil der Verunreinigungen nicht mit ausgefällt wird, so dass der Feedstrom bereits vorgereinigt ist. Vorteilhaft ist weiterhin, dass ein Teil der Proteine bei der Kristallisation und Fällung in Wasser mit Alkohol, insbesondere Ethanol oder Methanol, denaturieren und koagulieren und somit die Membran besser genutzt werden kann. Für eine Proteinabtrennung können z.B. die oben beschriebenen Membranen, z.B. mit einer Porengröße von 100 bis 5 nm, vorzugsweise von 50 bis 20 nm eingesetzt werden. Die Filtration kann z.B. statt der Filtration 2 eingesetzt werden.
Bevorzugt erfolgt die Freisetzung der genannten Säure mittels eines Elektromembranverfahren, besonders bevorzugt mittels einer Membranelektrolyse oder einer Elektrodialyse. Wie oben beschrieben können die Protonen oder Hydroxidionen durch Elektro- lyse oder an bipolaren Membranen erzeugt werden. Vorteilhaft ist zudem, dass man bei einem solchen Verfahrensschritt keine zusätzlichen Chemikalien verwenden muss. Zudem können je nach Ausführungsform neben der freien Säure auch die Laugen als Wertstoff gewonnen werden. Bei einem Elektromembranverfahren wird das Kation des gelösten Salzes (Gegenkation) und/oder das Anion des gelösten Salzes einer organischen Säure mittels einer oder mehr ionenselektiven Ionenaustauschermembran(en) in einem elektrischen Feld von der Kristallisat-Lösung (Feedstrom für das Elektromembranverfahren) abgetrennt. Das Salz kann beispielsweise in Wasser oder einer wässrigen Lösung gelöst sein. Besonders vorteilhaft ist die Abtrennung des Anions von anderen Verunreinigungen des Feedstroms . Es können auch beide Ionen vom Feedstrom, beispielsweise der Kristallisat-Lösung, abgetrennt werden. Die genannten Kationen und Anionen des Salzes reagieren mit gleichzeitig generierten oder bereitgestellten Protonen und Hydroxidionen, so dass die freie organische Säure und das entsprechende Hydroxid des Gegenkations hergestellt wird. Protonen können z.B. durch Zugabe von Säure, Hydroxidionen beispielsweise durch Zugabe von Basen bereitgestellt werden.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist folglich eine Anionen- oder Kationenaustauschermembran zwischen einer endständigen Anode und einer endständigen Kathode plaziert, so dass sich eine Anoden- und eine Kathodenkammer bilden, wobei in der Anodenkammer (Säurekreis) die freie organische Säure und in der Kathodenkammer (Basekreis) das entsprechende Hydroxid des Gegenkations hergestellt wird.
Wird eine Kationenaustauschermembran verwendet, werden die Kationen, z.B. die Natriumionen, unter Einfluss des elektrischen Feldes aus einer mit der Kristallisat-Lösung durchströmten Kammer entfernt. Die Elektroneutralität wird dadurch aufrecht erhalten, dass jedes Natriumion von einem an der Anode der monopolaren Elektrode produzierten Proton ersetzt wird (Säurekreis) . Die Kationen wandern über die Kationenaustauschermembran in Richtung Kathode in die Kathoden- oder Basenkammer, die z.B. von der zu produzierenden Base durchspült wird, um die Leitfähigkeit her- zustellen, wo sie mit den an der Kathode der monoplaren Elektrode produzierten Hydroxidionen zu der entsprechenden Lauge, z.B. NaOH, reagieren (Basenkreislauf) . Wird die Kationenaustauschermembran gegen eine Anionaustauschermembran ausgetauscht, so wandern die Anionen der Säure, z.B. das Ketogulonat oder
Ascorbat, durch die Membran hindurch in die Anodenkammer (Säurekammer) , die vorzugsweise von einer verdünnten Säure, z.B. der zu reinigenden Säure, durchspült wird, um die Leitfähigkeit herzustellen und reagiert dort mit den an der monopolaren Elektroden hergestellten Protonen. Die Kationen verbleiben in der Feedlösung und reagieren mit den an der Kathode produzierten Hydroxidionen zur Lauge .
Nachteilig beim 2-Kammersystem mit monopolaren Elektroden ist, dass nur entweder die Lösung der Basenkammer (bei einer Kationenaustauschermembran) oder die Lösung der Säurekammer (bei einer Anionenaustauschermembran) vom Feedstrom abgetrennt und somit gereinigt wird.
Bei einem 3-Kammersystem mit monopolaren Elektroden können sowohl die zu reinigen Säuren als auch die Basen von dem Feedstrom getrennt werden.
Dabei werden zwei selektive Ionenaustauschermembranen zwischen eine endständige Anode und eine endständige Kathode plaziert, so dass sich eine Anoden-, eine Mittel- und eine Kathodenkammer bilden, wobei die Mittelkammer von der Kathodenkammer durch eine Ionenaustauschermembran und von der Anodenkammer durch eine Ionenaustauschermembran getrennt ist . Die Ionenaustauscher- membranen können identisch oder unterschiedlich sein, d.h. es können z.B. zwei Anionen-, zwei Kationen- oder eine Anionen- und eine Kationen-Austauschermemberan(en) verwendet werden.
Werden vorteilhaft eine Kationen- und eine Anionenaustauscher- membran verwendet, bildet die Mittelkammer die Eintragskammer und wird vorteilhaft von der Kathodenkammer durch eine Kationenaustauschermembran und von der Anodenkammer durch eine Anionenaustauschermembran getrennt sein. In die Mittelkammer (oder Diluatkammer) wird z.B. die Kristallisatlösung aus Schritt (c) oder (d) eingebracht (Feedstrom) . Die Ionen wandern nach dem oben beschriebenen Prinzip. In der Anodenkammer bildet sich dann die freie Säure, in der Kathodenkammer die ensprechende Base des Gegenions .
In einer weiteren Ausführungsform kann eine endständige Elektrode durch eine bipolare Elektrode ersetzt werden, der dann die gleiche Anordnung der Kammern wie oben beschrieben und eine endständige Elektrode folgen. Die Elektrolyse erfolgt somit in diesem Paket an der bipolaren Elektrode.
Vorteilhaft ist die Freisetzung der genannten Säure auch mittels einer bipolaren Membranelektrodialyse mit 2 oder mit 3 Kreisläufen wie in Abb. 1 und Abb. 2 dargestellt.
In einer weiteren Ausführungsform kann somit die Elektrolyse an den endständigen Elektroden durch eine Elektrodialyse an einer bipolaren Membran ergänzt werden, der dann die gleiche Anordnung der Kammern wie in einem oben beschriebenen Verfahrensschritten und eine endständige Elektrode folgen.
Durch diese Anordnungen können in einem durch die Elektroden erzeugten elektrischen Feld mehrere Kammerpakete parallel zur Erzeugung von freier Säure und entsprechender Base genutzt werden. Eine Anordnung einer beliebigen Zahl an 2-Kammer- oder 3-Kammer-Pakten, wie sie oben beschreiben wurden, kann somit hintereinander, jeweils durch eine bipolare Elektrode getrennt, erfolgen.
Vorzugsweise werden die Elektroden durch eigene Kreisläufe umspült. Dies kann z.B. dadurch erfolgen, dass die Elektroden durch monopolare Membranen, die den Säure- bzw. Basenkreis von den Elektroden trennen, umgeben, wie dies z.B. in Abbildung 1 und 2 dargestellt ist. Als Elektrodenlösungen kommen Säuren oder Basen wie z.B. H2S04, HN03 , NaOH, KOH etc. oder Lösungen von Alkalimetallsalzen wie beispielsweise Na2SÜ4, K2SO4, NaN03 , KN03 etc . in Betracht .
Ebenfalls kann die Freisetzung der Säure über eine Zweikammer- Gasdiffusionsanoden-Zelle erfolgen, wie sie z.B. in US 6,004,445 beschrieben ist.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren können Anionaustauscher- membranen verwendet werden, die stark, mild oder schwach basisch sind, selektiv und für einwertige Anionen, nicht jedoch für Kationen, durchlässig sind. Die Kationenaustauchermembranen können mild oder stark saure Membranen sein, die beispiels- weise Phosphorsäure- oder Sulfonsäuregruppen enthalten, und einwertige Kationen, aber keine einwertigen Anionen durchlassen. Die bipolaren Membranen weisen eine Kation- und eine Anion- Austauscherschicht auf, wobei die erste für Kationen und die letztere für Anionen durchlässig ist. Die Kationenschicht lässt keine Anionen durch und die Anionenschicht keine Kationen. Bei- spiele solcher Membrane sind z.B. in EP-A-779 286, S8, Zeilen 8 bis 24, aufgeführt.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Membranelektro- lyse nach dem Prinzip der in Abbildung 1 oder 2 gezeigten Elektrodialysen durchgeführt, besonders bevorzugt ist ein 2-Kammersystem nach dem Prinzip der in Abbildung 1 dargestellten Elektrodialyse.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird aus einer Lösung, welche das Salz einer organische Säure enthält, z.B. Na-KGS, das Anion, z.B. Na-KGS, durch Anlegen eines elektrischen Feldes aus einer Diluat- oder Mittelkammer durch eine Anionentauschermembran in die Säurekreiskammer überführt . Das überführte Anion, z.B. Na-KGS, wird durch die an der bipolaren Membran gebildeten Protonen zu der freien Säure, z.B. KGS, umgesetzt. Die Gegenionen des Anions, z.B. bei Na-KGS Natriumionen, werden durch eine Kationentauschermembran in die Basekreiskammer überführt und bilden mit den dort an der bipolaren Membran freigesetzten Hydroxidionen die entsprechende Base. In der Diluatkammer bleiben ungeladene Teilchen zurück, so dass es gleichzeitig zu einer Aufreinigung von KGS kommt. Für den Säurekreiseinsatz bietet sich eine verdünnte Lösung der freien Säure, z.B. KGS, an, welche z.B. aus dem vorhergehenden Batch stammen kann. Abbildung 2 verdeutlicht das Verfahrensprinzip.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Elektrodialyse- schritt eingesetzt, der dadurch gekennzeichnet ist, dass aus der Feedlösung, welche das Salz der organischen Säure, z.B. Na- Ketogulonat (Na-KGS) oder eine andere Ketocarbonsäure in einer anionischen Form, enthält, und Kationen, z.B. Na-Ionen, durch Anlegen eines elektrischen Feldes aus der Säurekreiskammer durch die Kationentauschermembran in eine Basekreiskammer überführt werden. Aus dem überführten Gegenionen, z.B. Na-Ionen, wird durch die an der bipolaren Membran gebildeten Hydroxidionen die entsprechende Base, z.B. Natronlauge, gebildet und abgetrennt bzw. in verdünnter Lösung wieder zurückgeführt . Das Anion bleibt in der sogenannten Säurekreiskammer zurück und bildet mit den dort an der bipolaren Membran freigesetzten Protonen die freie Säure, insbesondere KGS. Abbildung 1 verdeutlicht das Verfahrensprinzip und ist in Kombination mit den erfindungsgemäßen vorhergehenden Kristallisationsschritten besonders vorteilhaft.
Im Allgemeinen dient als Basekreiseinsatz die dem Gegenion entsprechende Base (bei Na-Salzen z.B. Natronlauge) in hoher Verdünnung, es muss lediglich eine ausreichende ionische Leitfähigkeit der Lösung zu Beginn der Elektrodialyse sichergestellt werden. Die gebildete Base kann, ggf. nach Aufkonzentration, wieder in der Fermentation eingesetzt werden. Die Elektroden werden, um unerwünschte Reaktionen der Lösungskomponenten zu vermeiden, mit einer Elektrolytlösung in einem gesonderten Kreislauf gespült.
In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform sind Pakete wie sie oben beschrieben wurden, z.B. mit monopolaren Elektroden, oder mit bipolaren Elektroden oder bipolaren Membranen und den beschriebenen Anordnungen der Kammern mehrmals hintereinander angeordnet. Es können die 2-Kammerpakete aus Säure- und Basekammer oder die 3-Kammerpakete aus Säure-, Base- und Mittel- oder Feedkammer mehrfach hintereinander gereiht werden. Somit können in mehreren parallelen Kreisläufen unter nur einem elektrischen Feld Säureanionen und Gegenionen voneinander getrennt werden.
Beispielsweise kann eine solche Anordnung aus endständige Anode/ Anodenkammer/ 1. Membran/ Kathodenkammer/ 1. Kathode/ Kathodenkammer/ 2. Membran/ Anodenkammer/ 2. Anode/ Anodenkammer/... etc. ... letzte Membran/ letzte Kathodenkammer/ endständige Kathode bestehen. Weitere Beispiele für Mehrfachkammern sind in der oben zitierten Literatur zur Elektrolyse und Elektrodialyse ausführlich beschrieben, dem Fachmann bekannt und ausdrücklich hierin mit aufgenommen.
Die Feedlösung kann organische oder anorganische Salze enthalten, um die Leitfähigkeit der Lösung ggf. zu verbessern; beispielsweise können Alkalimetaisulfate, -bisulfate, -Chloride oder -phosphate, organische Säuren, z.B. Ammoniumtetrabutyl, Ammonium- salze, z .B.Ammoniumchlorid etc. enthalten sein. Bevorzugt ist, dass der Anteil an anderen Salzen gering ist, am meisten bevorzugt ist, dass keine anderen Salze zu der Feedlösung hinzu gesetzt werden.
Als bipolare Membranen können homogene oder heterogene, vernetzte oder nichtvernetzte Polymere verwendet werden, welche mit geeigneten funktioneilen Gruppen, wie z.B. -S03 ~, -C02 ~. -NR4 + etc. besetzt sind, z.B. Neosepta BP-1 von Tokuyama Corp. oder FBI von FuMaTech. Als Kationentauschermembranen kommen z.B. Neosepta CMX und CMB-Membranen von Tokuyama Corp., Selemion CMV von Asahi Glass oder Nafion 350 und 450 von DuPont in Frage. Anionentauschermembranen können z.B. Neosepta AMX oder ACS von Tokuyama Corp. oder Selemion AMV oder ASV von Asahi Glass sein.
Die in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Stromdichte oder elektrische Spannung hängt von den Verfahrensparametern ab und liegt im Fachwissen des Fachmanns oder kann ohne unzumut- baren Aufwand festgestellt werden. Entscheidend können die Konzentration an Ionen, die Art und Anzahl der Membranen, die Anordnungen und Abmessungen der Kammer sowie die Temperatur sein.
Vorzugsweise wird die Membranelektrolyse in einem Temperaturbereich von 0°C bis 90°C und bei Stromdichten von 1 bis 1000 mA/cm.2 durchgeführt. Da die organischen Säuren, insbesondere KGS und Ascorbinsäure hitzeempfindlich sind, wird eine möglichst geringe Temperatur gewählt, vorzugsweise zwischen 10°C und 40°C. Im Fall der Elektrodialyse wird das Verfahren bei 0°C bis 60°C, bevorzugt zwischen 20°C und 40°C und bei Stromdichten von 1 bis 500 mA/cm2, besonders bevorzugt bei 50 bis 150 mA/cm2 durchgeführt. Am meisten bevorzugt sind 20°C und 40°C und 50 bis 150 mA/cm2.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird in dem Freisetzungsschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens die freie organische Säure nur zu 60 % bis 99 % Freisetzungsgrad, vorzugsweise zu 80 % bis 95 % relativ zum Gesamtgehalt des Salzes der organischen Säure in der Kristallisat-Lösung oder der Feed-Lösung des Elektromembranverfahrens freigesetzt. Vorteilhaft erfolgt die Säurefreisetzung durch die Elektrodialyse nicht vollständig, sondern nur bis zu einem Freisetzungsgrad von max. 99 %. Die restlichen Gegenionen (i.a. Na, K) werden durch einen konventionellen Kationentauscher oder ein anderes geeignetes Verfahren zur Restsäurefreisetzung, z.B. Versetzen mit HC1, entfernt. Die Verwendung von Kationentauscher ist bevorzugt. Es eigenen sich zahlreiche dem Fachmann bekannte saure lonen- tauscherharze, z.B. sind makroporöse oder gelförmige Harze aus vernetzten oder nichtvernetzten Polymeren mit funktionellen
Gruppen, wie z.B. -S0 ~ oder -C02 ~, beispielsweise Lewatit S2528 oder S100 der Bayer AG oder Nekrolith RP oder RPS von Mitsubishi Chemical Corporation.
Die freigesetzte Säure kann dann kristallisiert, getrocknet oder direkt in Lösung weiterverarbeitet werden. So kann beispielsweise wässrige KGS direkt verestert werden. Die getrocknete KGS kann dann mit einem Alkohol wie unten beschrieben verestert werden, vorteilhaft mit einem Cι~ bis C4-Alkohol . Sollte die Reinheit des Produktes nicht ausreichen, kann eine Kristallisation wie oben beschrieben durchgeführt werden.
Vorteilhaft wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren freigesetzte KGS als wichtiges Zwischenprodukt für die Ascorbin- säureherstellung eingesetzt und kann somit wesentlich zu einem Gesamtoptimum einer Ascorbinsäureherstellung beitragen. KGS- Ester sind Zwischenprodukte bei der Herstellung von Ascorbin- säure. Insbesondere für die Herstellung von Ascorbinsäure wird in industriellen Verfahren freie KGS mit einem verzweigten oder unverzweigten Cι~ bis Cs-Alkylalkohol verestert, z.B. mit Methanol, Ethanol, n-Butanol, iso-Butanol, 1- Propanol, 2-Propanol, Pentanol, etc. Die vorliegende Erfindung betrifft somit in einer Ausführungsform auch ein Verfahren zur Herstellung eines Esters einer organischen Säure, vorzugsweise eines Esters der 2-Keto-L-gulonsäure, insbesondere den Methyl-, Ethyl-, oder Butylester dieser Säuren, wobei das Verfahren die Schritte des oben beschriebenen Verfahrens und weiterhin die Freisetzung der Säure und die Veresterung der freien Säure umfasst. Die Freisetzung und Veresterung kann gemäß Verfahren erfolgen, wie sie oben beschrieben wurden oder z.B. in der zitierten EP 0 805 210 beschrieben sind.
Folglich betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung von Ascorbinsäure, umfassend die Schritte des oben beschriebenen Verfahrens und weiterhin, einen oder mehr der folgenden Schritte: Lactonisieren der KGS und des KGS-Esters zu Ascorbinsäure, Isolieren der Rohascorbinsäure . Gegebenenfalls enthält das Verfahren noch einen der folgenden weiteren Schritte:
Freisetzung der Ascorbinsäure aus ihrem Salz, Entfärbung der Ascorbinsäure und/oder des Ascorbinsäuresalzes, Isolierung und Hochreinigung der Ascorbinsäure.
Vorteilhaft wird die organische Säure in dem erfindungsgemäßen Verfahren unter neutralen bis alkalischen Bedingungen isoliert. So werden Nebenreaktionen, wie z.B. die Lactonisierung von KGS zu Ascorbinsäure, reduziert, vorzugsweise ausgeschlossen. Vorteilhaft erfolgt in dem erfindungsgemäßen Verfahren die Isolierung von hochreinem 2-Keto-L-gulonat für die Herstellung von Ascorbinsäure in einem frühen Verfahrensschritt vor der Isolierung des Endproduktes Ascorbinsäure, was zu geringeren Nebenprodukten in den Folgeschritten des Verfahrens und somit zu einer verbesserten Qualität, Ausbeute und Reinheit des Endproduktes führt. Die auf- gereinigte Säure kann verestert und lactonisiert werden, wie in der Literatur beschrieben.
In einer weiteren Ausführungsform hat das Verfahrensprodukt, insbesondere Na-KGS, KGS, Ascorbat oder Ascorbinsäure, eine Reinheit von mehr als 80 %, mehr bevorzugt mehr als 90 %, noch mehr bevorzugt mehr als 95 %, am meisten bevorzugt von mehr als 98 %. Die Erfindung wird anhand der folgenden Abbildungen verdeutlicht :
Abbildung 1 zeigt das Prinzip der Freisetzung von KGS in der bipolaren Elektrodialyse mit 2 Kreisläufen/2 Kammern. 5
Abbildung 2 zeigt Prinzip der Freisetzung von KGS in der bipolaren Elektrodialyse mit 3 Kreisläufen/3 Kammern.
Die vorliegende Erfindung wird durch die folgenden Beispiele ver- 10 deutlicht, ohne dass diese in irgendeiner Weise als einschränkend gelten sollen.
Beispiel 1
15 In einem 3-1-Doppelwand-Laborkristallisator wird eine mittels Filtration von Zellmasse befreite, ansonsten aber unbehandelte Fermentationslösung vorgelegt und durch Mantelbeheizung im Vakuum nach dem Fachmann gekannten Bedingungen bei 60°C zum Sieden gebracht. Über eine Waagendosiersteuerung werden kontinuierlich
20 3000g/h einer Fermentationslösung mit einem Na-KGS-Gehalt von 10 % in den Kristallisator eingebracht, während 2450 g verdampftes Wasser über einen Kondensator dem System entzogen wird. Es stellt sich hierbei ein Feststoffgehalt von ca. 40 % in der Suspension ein. Füllstandsgeregelt wird über ein Bodenablass-
25 ventil semikontinuierlich ein Suspensionsstrom von 550 g/h in ein auf gleiches Vakuum evakuiertes Gefäß abgelassen. Aus diesem Vorrat wird ein zweiter Fällkessel beschickt, in dem der Suspension bei Normaldruck unter Rückflusskühlung 140 g/h des Fällmittels Methanol hinzugefügt werden. Die Suspension mit einem Fest-
30 stoffgehalt von 42 % wird semikontinuierlich entnommen. Nach
Abschleudern auf einer Laborzentrifuge, Waschen mit kaltem Wasser und Trocknung im Vakuumtrockenschrank bei 30°C wird Na-KGS als weißer bis leicht gelbstichiger, kristallwasserhaltiger Feststoff erhalten. Im stationären Zustand werden so unter Rückführung der
35 salzhaltigen Waschlösungen 294 g/h Na-KGS-Monohydrat mit einer Reinheit von 99,8 % erhalten. Die Ausbeute beträgt 98 % bezogen auf den KGS-Gehalt der Feed-Lösung.
Beispiel 2 (Vergleichsbeispiel]
40
Der gleiche Versuchsaufbau wird unter identischen Bedingungen wie unter Beispiel 1 betrieben, allerdings ohne die anschließende Methanolfällung. Unter diesen Versuchsbedingungen wird Na-KGS- Monohydrat als gelblich-bräunlich verfärbter Feststoff der Rein- 45 heit 98,5 % in einer Ausbeute von nur 73 % erhalten. Beispiel 3
Eine Lösung, welche neben 16 Gew.-% fermentativ hergestelltem Na-KGS noch 40 ppm Mg enthielt, wurde mit einem chelatbildenden lonentauscherharz zur Entfernung des Mg behandelt . Hierzu wurden 3 kg der oben beschriebenen Lösung über eine mit 160 g Amber- lite 718 lonentauscherharz gefüllte Säule mit 3 cm Durchmesser geleitet. Dabei wurden Mg-Ionen bis auf einen Gehalt unter 5 ppm aus der Lösung entfernt .
Beispiel 4
Die in Beispiel 1 erhaltene Lösung wurde in drei Portionen zu je 1 kg aufgeteilt . Anschließend wurden die einzelnen Portionen zur Säurefreisetzung im Säurekreis einer Elektrodialyse mit bipolaren Membranen eingesetzt.
Das Elektrodialysemodul war mit jeweils 5 Neosepta BP-1 Membranen als bipolaren Membranen, 5 Neosepta CMX-Membranen als Kationen- tauschermembranen und 2 Neosepta C66F-Membranen als Endmeinbranen bestückt. Als Elektrodenmaterial wurde Platin verwendet. Die effektive Membranfläche einer Membran betrug 37 cm . Die Spacer zwischen den Membranen hatten eine Dicke von 1 mm. Als Elektrolyt kam 5 gew.-%ige Schwefelsäure zum Einsatz. Der Basekreiseinsatz war eine 0,5 gew.-%ige Natronlauge (500 g) .
Die drei Elektrodialyseversuche wurden mit einer Stromdichtebegrenzung auf 80 mA/cm2 und einer Zellspannungsbegrenzung von 20 V durchgeführt. Die Versuchsdauer betrug 1 Vz, 2 und 3 Stunden, um verschiedene Abreicherungsgrade zu erreichen. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle dokumentiert.
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Als Säurekreisaustrag enthielt man eine 14 gew.-%ige KGS Lösung, als Basekreisaustrag eine ca. 4 gew.-%ige Natronlauge. Die Verluste an KGS in den Basekreis lagen unter 1 %.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Isolierung eines Salzes einer organischen Säure aus einer Fermentationsbrühe, umfassend die Schritte
a) partielles Verdampf ngskristallisieren; und b) Verdrängungsfällen des Salzes.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei 10 bis 95 % des in der Fermentationsbrühe enthaltenen Wassers abgedampft wird und KGS kristallisiert.
3. Verfahren Anspruch 1 oder 2 , wobei die Fermentationsbrühe mindestens 5 % des Salzes einer organischen Säure enthält.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , wobei das partielle Verdampfungskristallisieren unter den folgenden Parametern durchgeführt wird:
i) Temperatur im Kristallisator zwischen 20°C und 100°C; ii) Druck zwischen 0,01 und 1,0 bar; iii) Feststoffgehalt im Kristallisator von 5 bis 60 Gew.-%; und/oder iV) Abkühlen der eingeengten Fermentationsbrühe auf 0°C bis 50°C.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das partielle Verdampfungskristallisieren unter den folgenden Parametern durchgeführt wird:
i) Temperatur im Kristallisator zwischen 40°C und 70°C; ii) Druck zwischen 0,1 und 0,3 bar; iii) Feststoffgehalt im Kristallisator von 25 bis 50 Gew.-%; und iV) Abkühlen der eingeengten Fermentationsbrühe auf 30°C bis 40°C.
Zeichn.
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6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , wobei das Ver- drängungskristallisieren unter den folgenden Parametern durchgeführt wird:
i) Zugabe von Methanol, Ethanol, 1- Propanol, 2-Propanol, Aceton, und/oder 2-Butanon als Verdrängungsmittel; ii) Fällung mit 10 % bis 80 % Verdrängungsmittel bezüglich der Fermentationsbrühe; und/oder iii) Temperatur im Fällapparat von 0°C bis 100°C.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Ver- drängungskristallisieren unter den folgenden Parametern durchgeführt wird:
i) Zugabe von Methanol, Ethanol oder 2-Propanόl als Verdrängungsmittel ; ii) Fällung mit 20 % bis 40 % Verdrängungsmittel; und iii) Temperatur im Fällapparat von 20°C bis 60°C.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die organische Säure Milchsäure, eine Ketogulonsäure, Zitronensäure, Vanillinsäure, Idonsäure, Ascorbinsäure oder Gulonsäure ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die organische Säure 2 , 4-Diketo-D-gulonsäure, 2 , 5-Diketo-D-gulon- säure oder 2-Keto-L-gulonsäure ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Salz ein Natrium-, Magnesium-, Kalium- und/oder Calciumsalz ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Biomasse und/oder anorganische oder organische Verunreinigungen der Fermentationsbrühe reduziert sind.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Verfahren zusätzlich den folgenden Schritt umfasst:
i) Abtrennung von organischen und anorganischen Ver- unreinigungen aus der Fermentationsbrühe mittels
Filtration.
13. Verfahren zur Herstellung einer freien organischen Säure aus ihrem Salz und eines entsprechenden Hydroxids des Salzes, umfassend das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und weiterhin die folgenden Schritte
a) Lösen des Kristallisats eines Salzes einer organischen Säure in Wasser oder einer wässrigen Lösung, so dass eine Kristallisat-Lösung entsteht; b) Entfernen der multivalenten Kationen aus der Kristalli- sat-Lösung; und c) Freisetzen der organischen Säure aus der Kristallisat- Lösung.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die multivalenten Kationen auf einen Gehalt von weniger als 15 ppm aus der Lösung entfernt werden.
15. Verfahren nach nach Anspruch 13 oder 14, umfassend den Schritt:
Freisetzen der Säure mittels eines Elektromembranverfahrens- schritts .
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei in dem Elektromembran- erfahrensschritt das Kation (Gegenkation) und/oder das Anion des gelösten Salzes einer organischen Säure mittels einer oder mehrerer ionenselektiven Ionenaustauschermembran (en) in einem elektrischen Feld von der Kristallisatlösung abgetrennt wird/werden und mit den gleichzeitig generierten oder mit bereitgestellten Protonen und Hydroxidionen reagieren können, so dass die freie organische Säure und das entsprechende Hydroxid des Gegenkations hergestellt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei das Frei- setzen der Säure mittels eines Elektromembranverfahrens zu einem Freisetzungsgrad von 60 % bis 99 % relativ zum Gesamtgehalt des Salzes der organischen Säure in der Kristallisat- Lösung oder der Feedlösung des Elektromembranverfahrens erfolgt.
18. Verfahren nach Anspruch 17, umfassend den weiteren Schritt:
Entfernen der in dem Elektronenmembranverfahren nicht entfernten Kationen mittels eines Kationenaustauscherschrittes .
19. Verfahren zur Herstellung eines Esters einer organischen Säure, wobei das Verfahren die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 18 und weiterhin den Schritt umfasst:
i) Verestern der isolierten organischen Säure mit einem Ci- bis C6-Alkylalkohol .
20. Verfahren zur Herstellung von Ascorbinsäure, wobei das Ver- fahren die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 19 umfasst, wobei die organische Säure 2-Keto-L-gulon- säure ist und das weiterhin die Schritte umfasst:
i) Lactonisieren des KGS-Esters; und ii) Isolieren der Rohascorbinsäure.
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