通過發(fā)酵制備c4二酸的銨鹽的方法及制備其c4衍生物的綜合方法
【專利摘要】披露了在一種發(fā)酵過程中通過移除二價金屬碳酸鹽形成C4二酸的銨鹽的方法。通過添加堿性含氧鈣化合物或鎂化合物來控制用于產(chǎn)生C4二酸的發(fā)酵液的pH，該鈣化合物或鎂化合物形成了該二酸的二價金屬鹽。在高溫和高壓下通過引入銨鹽用銨來取代該二酸的二價金屬鹽，從而形成其可溶的銨鹽。在該高溫和高壓下同時將CO2或碳酸氫鹽加入該發(fā)酵介質(zhì)中。降低該溫度和壓力形成了從該溶解的銨二酸鹽中分離出來的不可溶的二價金屬碳酸鹽。
【專利說明】通過發(fā)酵制備C4 二酸的銨鹽的方法及制備其C4衍生物的綜合方法
發(fā)明人:
馬馳騁 托迪沃彼
馬克W.羅伯特( 申請人:(律師或代理人))
注冊編號46，160 阿徹丹尼爾斯米德蘭公司 法利斯公園路4666 伊利諾伊州，迪凱特市62526 217-451-3170
通過發(fā)酵制備C4 二酸的銨鹽的方法及制備其C4衍生物的綜合方法 相關(guān)申請的交叉引用
[0001]本申請要求各自于2011年7月21日提交的美國臨時申請?zhí)?1/510，209和61/510, 204的優(yōu)先權(quán)。
發(fā)明背景
[0002]通常，通過用微生物發(fā)酵糖來生產(chǎn)二酸(例如琥珀酸、蘋果酸、馬來酸以及富馬酸)涉及從該發(fā)酵液中通過形成該二酸的鈣鹽(在該水性發(fā)酵液中是不可溶的)來回收該二酸。在通過真菌例如米根霉或米曲霉(它們分別優(yōu)先地生成富馬酸和蘋果酸)發(fā)酵的情況下，典型地將鈣以CaC03(在溶液中形·成Ca(HCO3)2)的形式引入該發(fā)酵液中。該碳酸氫鹽對于保持該發(fā)酵液的PH是有效的，因?yàn)檎诋a(chǎn)生的二酸傾向于降低該pH。以該鈣鹽的形式回收該二酸。此類C4 二酸的鈣鹽在水溶液中具有非常低的溶解度(典型地在室溫下小于3g/升)，并且不適用于其中需要游離酸的很多應(yīng)用，例如化學(xué)轉(zhuǎn)化成衍生產(chǎn)物像丁二醇以及類似物。因此，將該鈣鹽典型地溶解在硫酸中，形成不可溶的硫酸鈣，可以容易地將硫酸鈣從該游離的二酸中分離出來。硫酸鈣是一種具有很少的商業(yè)應(yīng)用的產(chǎn)品并且因此典型地作為一種固體廢物廢棄于填埋場或其他的固體廢物處理場中。
[0003]例如在W02010/147920中所描述的一種替代方法中，代替使用碳酸鈣，使用一種鎂含氧化合物，例如MgO、Mg (OH) 2、MgCO3、或Mg (HCO3) 2保持該用于真菌生長的介質(zhì)的pH，這些鎂含氧化合物在水溶液中都形成碳酸氫鹽。發(fā)現(xiàn)使用鎂而不是鈣提高了通過發(fā)酵生產(chǎn)酸的產(chǎn)量。該發(fā)酵是在5-8并且更優(yōu)選地6.0-7.0的pH下進(jìn)行。通過添加該鎂氧化合物來保持該P(yáng)H，并且將CO2引入該介質(zhì)中與該鎂氧化合物組合在一起來保持至少0.1并且最優(yōu)選地至少0.3的碳酸氫鹽(HCO3-)摩爾分?jǐn)?shù)(基于該介質(zhì)中的HC03-、C03_2、和CO2的總摩爾數(shù))。在發(fā)酵結(jié)束時，該介質(zhì)的液體部分以一種可溶的鎂鹽形式含有大部分二酸，將該鎂鹽從該介質(zhì)的一個含有沉淀的鹽和其他不可溶物質(zhì)的固體部分中分離出來。通過使用一種無機(jī)酸例如硫酸將該P(yáng)H降低至低于該二酸的等電點(diǎn)，并且將該介質(zhì)的溫度降低至(最優(yōu)選地)不大于5°C (這使該游離酸從該溶液中沉淀出來)來使溶解的酸鹽轉(zhuǎn)化成游離酸的形式。
[0004]雖然對于生產(chǎn)一種游離酸是有用的，但是對于使用那些鎂鹽產(chǎn)品所描述的技術(shù)是昂貴的，首先因?yàn)檫@些鎂氧化合物的成本大大高于那些相似鈣化合物的成本并且該發(fā)酵介質(zhì)中的大量的鎂殘余處于該無機(jī)酸的鎂鹽形式，這對于進(jìn)一步發(fā)酵或其他目的不是經(jīng)濟(jì)實(shí)用的。其次，降低該回收的可溶鹽的溫度以便沉淀該游離酸的需求增加了附加的能量成本。
[0005]因此，本領(lǐng)域中對于設(shè)計其他的、用于從一種產(chǎn)生適用于在后續(xù)化學(xué)反應(yīng)中使用的二酸產(chǎn)物的發(fā)酵介質(zhì)中回收二酸同時還避免生成鈣和/或鎂廢物(對該二酸的生產(chǎn)提供額外的成本)的方法存在一種需求。
發(fā)明概述
[0006]在一方面中，本披露提供多種方法，這些方法用于從一種發(fā)酵過程中以一種商業(yè)有用的形式回收有機(jī)二酸同時降低無用的廢物(例如硫酸鈣)或鎂的無用形式的累積。該回收方法涉及一種二價金屬陽離子例如鈣或鎂的碳酸鹽的形成和分離，使這些碳酸鹽沉淀并且從一種發(fā)酵液中過濾出來而同時形成仍然可溶的該二酸的銨鹽?？梢栽谠摪l(fā)酵過程中再使用該回收的金屬碳酸鹽沉淀而不是作為無用廢物廢棄?？梢詫⒒厥盏摹⒑腥芙獾脑摱岬匿@鹽的濾液后續(xù)處理成游離二酸或直接用于在單鍋反應(yīng)中和具有中間移除銨的單鍋反應(yīng)中制備衍生廣品。
[0007]在另一個方面中，本披露提供了綜合的、單鍋化學(xué)氫化法用于合成有商業(yè)價值的溶劑N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)以及試劑Y-丁內(nèi)酯(GBL)和1，4-丁二醇(BD0)，這些方法基于氫化存在于一種發(fā)酵液中的C4 二酸、回收其可溶的銨鹽并且將由此獲得銨鹽或游離二酸還原成所希望的化合物。因此，本披露提供了一種基于生物的用于從可再生資源合成NMP、GBL和BDO的替代方法，該方法不依賴從石油化學(xué)來源產(chǎn)生的試劑。
附圖簡要說明
[0008]圖1展示了根據(jù)本發(fā)明的一個方面的發(fā)酵過程中用二酸的可溶銨鹽來取代部分可溶的鈣二酸鹽從而形成不可溶的碳酸鈣及其再循環(huán)的方法的實(shí)施例。
[0009]圖2展示了根據(jù)本發(fā)明的另一`個方面的用于從琥珀酸銨生產(chǎn)NMP的一個反應(yīng)序列。
[0010]圖3展示了用于將混合的C4 二銨二酸鹽還原成琥珀酸銨的一個反應(yīng)序列。
[0011]圖4展示了用于將蘋果酸鹽堿催化脫水成富馬酸鹽的一個反應(yīng)序列。
[0012]圖5a展示了用于從混合的C4 二酸生成1，4 丁二醇的一個反應(yīng)序列。圖5b展示了根據(jù)一個用于從富馬酸鹽或蘋果酸鹽生成BDO的反應(yīng)生成C4 二酸的二甲酯。圖5c展示了琥珀酸直接還原成丁二醇。
[0013]圖6展示了用于從富馬酸鹽和琥珀酸鹽生成Y-丁內(nèi)酯的一個反應(yīng)序列。
[0014]圖7匯總了通過分離出碳酸鹽從C4 二酸的鈣或鎂鹽形成銨取代鹽、以及其氫化以形成衍生物1，4 丁二醇、N-甲基-2-吡咯烷酮以及Y - 丁內(nèi)酯的組合的不同實(shí)施例。
發(fā)明的詳細(xì)說明
[0015]從發(fā)酵介質(zhì)生成并且回收銨二酸鹽。在一方面中，本披露提供多種方法，這些方法用于以銨鹽的商業(yè)有用的形式生產(chǎn)并且回收通過一種發(fā)酵過程制備的有機(jī)二酸，同時降低無用的廢物(例如硫酸鈣)或鎂的無用形式的累積。最適用于在本披露的這些方法中使用的有機(jī)二酸是C4 二酸，琥珀酸、蘋果酸、馬來酸以及富馬酸。(因?yàn)轳R來酸是富馬酸的順式異構(gòu)體，因此在此關(guān)于富馬酸的任何陳述同樣適用于馬來酸)。
[0016]多種微生物可以用于通過發(fā)酵生產(chǎn)二酸。對于該C4 二酸的生產(chǎn)，已知多種種類的真菌曲霉(Asperigillus)、尤其是黃曲霉、米曲霉、以及醬油曲霉生產(chǎn)相對高滴定度的C4二酸(富含蘋果酸)。還已知多種種類的真菌根霉、特別是米根霉(R.0ryzae)生產(chǎn)相對高滴定度的C4 二酸(富含富馬酸)。在這些之中，出于說明的目的而不是限制的目的，已經(jīng)采用在此所描述的這些方法，其中發(fā)酵介質(zhì)是由米曲霉和米根霉制備的。
[0017]還已知多種細(xì)菌種類用于生產(chǎn)C4 二酸，尤其是給予一個物種名稱“產(chǎn)琥珀酸的(succinogenes)”的不同屬的細(xì)菌，它們是如此命名的因?yàn)樗鼈円陨a(chǎn)富含琥珀酸的二酸而聞名。這些包括，例如，產(chǎn)琥拍酸的沃廉菌(Wolinella succinogenes)、產(chǎn)琥拍酸的絲狀桿菌(Fibrobacter succinogenes)、以及產(chǎn)玻拍酸的放線桿菌(Actinobacillussuccinogenes)。在這些之中，已經(jīng)用產(chǎn)琥拍酸的放線桿菌發(fā)酵介質(zhì)(產(chǎn)生富含琥拍酸的C4二酸的一種混合物)示例在此所描述的這些方法。
[0018]因?yàn)樗械陌l(fā)酵介質(zhì)，不論是真菌發(fā)酵或細(xì)菌發(fā)酵，都在水溶液中含有相似的營養(yǎng)組成(例如一個糖碳源、痕量鹽和維生素以及二價陽離子)并且產(chǎn)生相似的C4 二酸的組合物，在此提供的這些方法適用于通過任何微生物發(fā)酵(通過)產(chǎn)生C4 二酸的任何過程，即使產(chǎn)生的C4 二酸的確切混合物可能不同。一些發(fā)酵，例如，通過根霉或曲菌的發(fā)酵產(chǎn)生少量的不想要的副產(chǎn)物例如乙酸、丙三醇、戊二酸、乙醇和檸檬酸，然而，這些副產(chǎn)物物質(zhì)不妨礙回收該銨C4 二酸產(chǎn)物或不妨礙直接使用完整的回收的澄清介質(zhì)作為一種原料試劑用于后續(xù)的反應(yīng)。
[0019]有利地，可以實(shí)施在此所描述的這些技術(shù)用于從完整的發(fā)酵介質(zhì)、澄清的發(fā)酵介質(zhì)、以及純化的發(fā)酵介質(zhì)中回收二酸?！巴暾陌l(fā)酵介質(zhì)”指的是包括細(xì)胞生物質(zhì)和組分營養(yǎng)素、添加物以及發(fā)酵副產(chǎn)物在內(nèi)的整個發(fā)酵液。實(shí)例4示出可以在一系列單鍋步驟中對這樣一種完整的發(fā)酵液進(jìn)行處理以便將蘋果酸鹽、富馬酸鹽和琥珀酸鹽的一種混合物轉(zhuǎn)化成已經(jīng)將至少96%的蘋果酸鹽和富馬酸鹽轉(zhuǎn)化成琥珀酸二銨的一種混合物。出于成本和產(chǎn)率的理由，優(yōu)選的是使用完整的發(fā)酵介質(zhì)，因?yàn)樵摮恋淼亩r金屬碳酸鹽是難以從該發(fā)酵介質(zhì)中的微粒狀生物質(zhì)中分離出的固體物質(zhì)?！俺吻宓陌l(fā)酵介質(zhì)”是在已經(jīng)通過過濾、離心或其他適合的技術(shù)將細(xì)胞生物質(zhì)和其他的懸浮固體移除后剩余的粗發(fā)酵介質(zhì)的液體部分。實(shí)例3示出了從一種澄清的發(fā)酵介質(zhì)中回收銨二酸?！凹兓摹卑l(fā)酵介質(zhì)是一種澄清的發(fā)酵介質(zhì)，該發(fā)酵介質(zhì)已經(jīng)經(jīng)受了至少一個步驟以便分離出一種不想要的組分，含有來自一個富含二酸的部分的部分。可以用于獲得一種純化的發(fā)酵介質(zhì)的典型技術(shù)包括，例如，蒸餾、離子交換層析法、電滲析、電去離子以及超濾。
[0020]在第一部分中，這些方法依賴在高溫和高壓的第一組條件下將足夠的碳酸鹽引入該發(fā)酵中以便形成一種二價金屬陽離子的部分不可溶的碳酸鹽，從而使該二價金屬從該二酸中釋放出來。在第二部分中，該方法依賴于同時形成該二酸的一種銨鹽，該銨鹽比該二酸的二價金屬鹽更可溶并且比該二價金屬碳酸鹽更可溶的多。該銨鹽將溶解該二酸的沉淀的二價金屬鹽。然后將溫度和壓力降低至一種第二條件(典型地標(biāo)準(zhǔn)溫度壓力(STP)，即，250C >14.7psi，條件是足夠的)，由此該金屬碳酸鹽定量地從該介質(zhì)中沉淀出來而留下一個含有該二酸的銨鹽的溶解的部分。將該溶解的部分通過過濾或其他手段從該沉淀的部分分離出來，并且可以直接作為一種試劑原料用于形成該C4 二酸的衍生產(chǎn)物。
[0021]雖然這些 方法是最適用于這些C4 二酸的，其中該可溶鹽是一種銨鹽，但是這些方法還適用于使用一種替代鹽來分離通過發(fā)酵產(chǎn)生的任何有機(jī)酸或二酸，其中可以施用一種第一物理?xiàng)l件例如溫度和壓力，這樣使得α)該二價金屬離子的碳酸鹽在一種水性介質(zhì)中比同一金屬陽離子的相應(yīng)的二酸鹽更不可溶；(ii)在該第一條件下，該酸或二酸的取代鹽是比該二酸的二價金屬鹽更可溶至少10倍；并且(iii)在第二組條件下(其中該二價金屬陽離子的碳酸鹽是不可溶的)，該二酸的替代鹽仍然是可溶的。
[0022]適用于該方法的二價金屬陽離子包括其中它的碳酸鹽在水中在25°C以及2至4的一個pH下具有小于0.5g/L的溶解度的任一種。在優(yōu)選的慣例中，最適合的二價金屬陽離子是或者鈣或者鎂，它們的碳酸鹽分別具有約0.02g/l和0.4g/l的溶解度。其他起作用的二價金屬陽離子可以包括錳、鐵、鈷、鎳、銅和鋅。其他起作用的但是較不適合的二價金屬陽離子可以包括鑰、銀和鎘。由于其豐度及其在一種發(fā)酵介質(zhì)(用于產(chǎn)生該二酸)中以堿形式作為PH控制添加物使用的特別的適合性，鈣和鎂是首先優(yōu)選的。此外，鈣和鎂的碳酸鹽是堿性的和/或可以容易地轉(zhuǎn)化成其他的堿形式用于在該發(fā)酵的PH控制方面再使用。
[0023]在典型的慣例中，從該發(fā)酵介質(zhì)中回收的二價金屬陽離子的量值是否則會形成該二酸的一種鹽的二價金屬陽離子的至少90%，而回收的該二酸的銨鹽的量值是存在于該發(fā)酵介質(zhì)中的二酸的量值的至少90%?？梢院罄m(xù)將回收的金屬碳酸鹽轉(zhuǎn)化成該金屬的一種可溶堿性化合物，該堿性化合物可以通過引入一種新的發(fā)酵介質(zhì)來平衡在產(chǎn)生該二酸的過程中發(fā)生的PH的降低再循環(huán)用于在該二酸生產(chǎn)過程中繼續(xù)使用。
[0024]在此處所提供的這些方法中，將二酸從一種發(fā)酵介質(zhì)中分離出來，部分地，依賴以下事實(shí)，即，在一種第一條件下(其中將一種碳酸鹽來源在高溫和高壓下注入一種水性介質(zhì)中)，一種否則會形成該二酸的部分或完全不可溶的鹽的二價金屬陽離子優(yōu)先地與該碳酸鹽絡(luò)合以便形成該二價金屬碳酸鹽，而該二酸形成一種替代陽離子的鹽(在該第一條件下在該水性介質(zhì)中仍然是可溶的)。這種第一條件發(fā)生在至少100°c的溫度并且至少200磅/平方英寸的壓力下。在一個示例性慣例中，該溫度是120°C并且該壓力是200-230磅/平方英寸。然而，更高的溫度改善該二酸的替代鹽以及CO2的溶解度而基本上不增加形成的該二價金屬碳酸鹽的溶解度·。在某些示例性慣例中，使用120°C-230°C的溫度范圍并且通過在200-500磅/平方英寸的壓力下引入CO2注入該碳酸鹽。
[0025]在一個步驟中，將碳酸鹽引入一種含有該二酸的發(fā)酵介質(zhì)中。引入該碳酸鹽的最有效的方式是通過在至少的200磅/平方英寸的壓力下在至少120°C的溫度下注入C02。還可以通過使用一種在稀釋進(jìn)該介質(zhì)中時將進(jìn)一步溶解的部分溶解的碳酸鹽漿料懸浮液或通過在會形成該碳酸鹽的一個PH下使用一種溶解的碳酸氫鹽來引入碳酸鹽。例如，當(dāng)該介質(zhì)處于大于6的一個pH時，還可以使用鎂或鈣碳酸氫鹽溶液或NH4HC03、Na2CO3、或NaHC03。要引入的碳酸鹽的量值應(yīng)該至少是在希望回收產(chǎn)生的這些二酸的那個時候存在于該介質(zhì)中的二價金屬陽離子的量值的一摩爾當(dāng)量。更典型地，碳酸鹽的量值應(yīng)該是該二價金屬陽離子的量值的一與二摩爾當(dāng)量之間。
[0026]該二價金屬陽離子的量值轉(zhuǎn)而將根據(jù)通過該發(fā)酵過程所產(chǎn)生的或預(yù)期要產(chǎn)生的二酸的量值斷定。典型地，該二價金屬陽離子的量值應(yīng)該是所產(chǎn)生的或預(yù)期要產(chǎn)生的二酸的量值的約二分之一至二摩爾當(dāng)量。在示例性慣例中，所使用的二價金屬陽離子的量值是所產(chǎn)生的二酸的量值的1.2至1.6摩爾當(dāng)量。優(yōu)選地是以一種可溶鹽的形式引入該二價金屬陽離子，例如以碳酸氫鈣、或硫酸鎂的形式。然而，鈣和鎂的一些二價金屬陽離子鹽，例如碳酸鈣、碳酸鎂、以及氫氧化鎂在中性PH下僅部分可溶?？梢詫⑦@些物質(zhì)在適當(dāng)?shù)膒H下以水中部分溶解的漿料的形式或以一種當(dāng)稀釋進(jìn)該發(fā)酵介質(zhì)的更大的體積時將溶解的干燥物質(zhì)的形式引入該介質(zhì)中。
[0027]例如，在一個示例性慣例中，當(dāng)Mg(OH)2用于控制發(fā)酵的pH以便由產(chǎn)琥珀酸的放線桿菌產(chǎn)生琥珀酸時，當(dāng)該發(fā)酵介質(zhì)開始下降至低于PH6.9時，加入一種Mg(OH)2漿料以便調(diào)節(jié)該P(yáng)H，其中在發(fā)酵結(jié)束時所加入的鎂的總量是所產(chǎn)生的琥珀酸鹽的量值的約1.6摩爾當(dāng)量。在其他的示例性慣例中(在約5.8的最佳pH下使用米根霉來主要產(chǎn)生富馬酸鹽、或在6與7之間的最佳pH下使用米曲霉來主要產(chǎn)生蘋果酸鹽)，當(dāng)pH開始降低至低于這些最佳范圍時，將一種CaCO3漿料加入該發(fā)酵介質(zhì)中，其中在發(fā)酵結(jié)束時所加入的鈣的總量是所產(chǎn)生的總二酸的量值的約1.2至1.3摩爾當(dāng)量。
[0028]依據(jù)產(chǎn)生有機(jī)體的二酸對低pH的耐受性，可以將二價金屬陽離子在產(chǎn)生該二酸的發(fā)酵過程之前、之中或之后引入該介質(zhì)中。如果該產(chǎn)生有機(jī)體的二酸具有對低pH的高的耐受性這樣使得該二酸的產(chǎn)生不抑制通過微生物的發(fā)酵，那么可以在該發(fā)酵完成后引入該二價金屬陽離子。在這種情況下，能夠以任何適合的鹽形式或以一種氧化物的形式引入該二價金屬陽離子。適合的鹽形式包括該二價金屬陽離子的碳酸鹽、碳酸氫鹽、氫氧化物或鹵化物的鹽。如果該產(chǎn)生微生物的二酸在該發(fā)酵過程中被低的PH抑制，那么優(yōu)選地以一種堿性化合物形式(例如以氧化物形式)或以碳酸氫鹽或碳酸鹽的形式連續(xù)地或間斷地在該發(fā)酵過程中引入該二價金屬陽離子以便抵消如上所述的PH的降低。如果pH控制對于發(fā)酵產(chǎn)率是不重要的，那么可以在該發(fā)酵過程之前、之中或之后的任何時間并且以任何鹽形式或堿形式引入該二價金屬陽離子。
[0029]除了將碳酸鹽注入該介質(zhì)之外，還將銨作為用于形成該二酸鹽的替代陽離子引入該介質(zhì)中并且保持這些條件持續(xù)足夠久以便平衡該二酸的可溶銨鹽以及該碳酸的二價鹽的形成。如在此所使用的，“該二酸的銨鹽”或簡單地“銨二酸”指的是該二酸的一種一銨鹽(具有一個游離的酸基 團(tuán)和一個銨基團(tuán))、或兩個酸基團(tuán)的一種二銨鹽中的至少一種。重要的是要注意到用于平衡的時間包括再溶解這些先前已經(jīng)形成的并且開始從該介質(zhì)中沉淀的二酸的二價陽離子鹽以及用該銨離子取代該二酸(這將保持其溶解度)所需要的時間。在示例性慣例中，用于形成二價金屬陽離子以及替代以便制備該二酸的二銨鹽的條件是至少100°C的溫度、至少200磅/平方英寸的壓力以及8至11的pH。在具體的示例性慣例中，該溫度是120°C至230°C，該壓力是200磅/平方英寸至500磅/平方英寸，該pH是8_9，并且在這些條件下用于平衡的時間是約2小時。
[0030]氨、或任何提供銨的鹽可以用于該方法中，包括有機(jī)或無機(jī)銨鹽。出于該二酸的后續(xù)處理和衍生的理由，優(yōu)選的是使用一種無機(jī)銨鹽，例如氫氧化銨、硫酸銨或一種鹵化銨。如果所希望的是進(jìn)一步進(jìn)行單鍋反應(yīng)(如在下文中所描述的)，最優(yōu)選的是使用氫氧化銨以便不引入除了 H+和_0H之外的任何其他的離子，或引入其他的化學(xué)反應(yīng)性官能團(tuán)例如硫酸根。銨鹽的量值將取決于該回收的介質(zhì)中的二酸的量值和所希望的銨鹽的類型。如果一銨鹽是所希望的，銨的量值應(yīng)該是該二酸的量值的約一摩爾當(dāng)量。如果二銨鹽是所希望的，銨的量值應(yīng)該是存在的二酸的量值的至少兩摩爾當(dāng)量。在用于形成這些二酸的二銨鹽的示例性慣例中，使用了 3-4摩爾當(dāng)量的氫氧化銨。
[0031]在該第一條件下達(dá)到平衡后，卸壓并且將溫度降低至環(huán)境溫度，從而提供一種第二條件，由此該二價金屬碳酸鹽將定量地從該發(fā)酵介質(zhì)中沉淀出來同時該銨鹽仍然是溶解的。然而，在鈣或鎂的情況下，該第二條件可以是至少與室溫(25°C)—樣高的溫度，取決于這些鹽的濃度；更高的溫度還可以引起延長的培育。假如溫度不是如此低以至于導(dǎo)致該二酸的銨鹽沉淀并且假如不存在二價金屬陽離子相對于銨的如此的過量以至于還發(fā)生了大于10%的二酸的金屬鹽的形成(其中溫度是使得該二酸的金屬鹽也沉淀)，比室溫低的溫度還將引起降低該二酸以可溶銨鹽的形式的回收率。
[0032]將沉淀的二價金屬碳酸鹽通過本領(lǐng)域中已知的任何適合的手段如過濾或離心從該發(fā)酵介質(zhì)中分離出來。在該方法的某些實(shí)施例中，回收分離出來的金屬碳酸鹽并且或者原樣再使用、或者轉(zhuǎn)化成另外的堿形式用于在該發(fā)酵過程中再循環(huán)使用。例如，在一種替代方案中，可以將回收的碳酸鈣的一種漿料直接加入一種新的酸性發(fā)酵介質(zhì)中，從而部分地溶解成碳酸氫鈣以便提高pH。在另一種替代方案中，可以將回收的碳酸鈣首先溶解在一種無機(jī)酸中，從而直接形成碳酸氫鈣，碳酸氫鈣同樣能夠以溶液的形式用于調(diào)節(jié)pH。在又另一個慣例中，可以通過在825°C或更高的溫度下加熱將碳酸鈣分解成化合物氧化鈣，這將釋放可以通過壓縮再捕獲的C02。類似的反應(yīng)同樣發(fā)生在碳酸鎂(MgCO3)的情況下，碳酸鎂在甚至更低的在250°C _800°C范圍內(nèi)的溫度下分解成MgO，其中對于100%轉(zhuǎn)化率來說，典型的溫度是約500°C -662°C。當(dāng)溶解在水性介質(zhì)中時，氧化鈣和氧化鎂都轉(zhuǎn)化成它們各自的氫氧化物化合物，從而提供一種可以再循環(huán)進(jìn)該發(fā)酵介質(zhì)中用于PH控制的可替代的堿性化合物。作為又另一個可替代慣例，還可以通過用酸處理將碳酸鎂轉(zhuǎn)化成它的水溶性碳酸氫鹽Mg(HCO3)2,并且該堿性碳酸氫鹽用于調(diào)節(jié)該發(fā)酵介質(zhì)的pH。
[0033]雖然最希望的是通過在后續(xù)的發(fā)酵周期中使用來再循環(huán)該回收的二價堿性化合物，但是作為另一種選擇，可以出售該金屬碳酸鹽或它的堿性衍生物用于在其他的方法中使用，例如用于制備建筑材料。
[0034]還回收了耗盡了金屬碳酸鹽并且含有溶解的二酸的銨鹽的濾液或上清液。這種含銨二酸的部分可以直接用于例如通過下文中所描述的技術(shù)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成其他的化合物，或游離的二酸或銨二酸鹽可以進(jìn)一步純化。例如，該游離酸可以通過酸化該介質(zhì)形成該游離的二酸來產(chǎn)生。然后可以容易地通過離子交換層析法或其他的常規(guī)離子移除方法例如電去離子或電滲析將該游離二酸從該銨離子中`分離出來。在一個慣例中，通過蒸發(fā)將回收的濾液濃縮成一種直接作為試劑原料用于進(jìn)一步處理的濃縮的液體或固體產(chǎn)物。
[0035]參見圖1，圖1描繪了用于生產(chǎn)這些C4 二酸中的一種或多種的一種發(fā)酵過程的示例性實(shí)施例，其中形成了一種可溶的二酸的銨鹽伴隨著同時形成了一種不可溶的碳酸鈣或其他的堿性衍生物氧化鈣和/或碳酸氫鈣(可以再循環(huán)來控制進(jìn)行的發(fā)酵的pH)。依據(jù)該微生物，該pH應(yīng)該典型地保持在5.5與7.5之間。在發(fā)酵的早期階段5,在一種營養(yǎng)發(fā)酵液中，產(chǎn)生了細(xì)胞群以及游離的C4 二酸，富馬酸的、蘋果酸的和/或琥珀酸的。這些游離的C4 二酸降低了該發(fā)酵介質(zhì)的pH，這在步驟10中通過引入含氧鈣化合物的堿性形式中的一種或多種一氫氧化鈣、碳酸鈣、氧化鈣和/或碳酸氫鈣來抵消。引入的含氧鈣化合物形成這些C4 二酸的部分不可溶的鈣鹽。在該發(fā)酵結(jié)束時，在步驟15中，在至少100°C的溫度和至少200磅/平方英寸的壓力下將氫氧化銨加入該發(fā)酵介質(zhì)中同時注入二氧化碳，從而初始形成可溶的碳酸氫鈣以及這些二酸的銨鹽。代替二氧化碳，還可以將另一種碳酸氫鹽例如碳酸氫鈉或更優(yōu)選地碳酸氫銨注入該介質(zhì)中。允許該混合物在升高的溫度和壓力條件下培育足夠久以便定量地用銨替代這些二酸的鈣鹽(包括部分沉淀的部分)，并且以便形成碳酸鈣。在步驟20中，使該混合物回到環(huán)境溫度和壓力條件(例如，STP)，這導(dǎo)致不可溶碳酸鈣的定量形成。在步驟25中，通過過濾或離心將沉淀的碳酸鈣以及細(xì)胞群分離出來并且這些二酸的可溶銨鹽在濾液或上清液中回收40。在步驟30a或30b中，將該回收的碳酸鈣(處于滲余物或小粒的形式)以及細(xì)胞群加熱至一個溫度并且持續(xù)足夠?qū)⒓?xì)胞群轉(zhuǎn)化成灰的一段時間。該細(xì)胞灰含有痕量的礦物質(zhì)，這些礦物質(zhì)對于促進(jìn)該發(fā)酵介質(zhì)中的新的細(xì)胞生長是有用的添加物。
[0036]在替代步驟30a中，使用約300°C的溫度持續(xù)約2小時將該細(xì)胞群轉(zhuǎn)化成一種不可溶灰并且該鈣化合物是處于干燥的碳酸鈣形式作為固體物質(zhì)。在替代步驟30b中，使用至少825°C的溫度持續(xù)約I小時使該碳酸鈣分解成干燥的氧化鈣固體物質(zhì)同時釋放二氧化碳。作為一種選擇，在步驟35中，可以將該碳酸鈣或氧化鈣溶解在一種無機(jī)酸例如HCl中形成一種碳酸氫鈣溶液和不可溶的灰，如果希望的話，可以通過過濾將灰分離出來。在步驟45中，可以再循環(huán)帶有或不帶有灰的回收的含氧鈣物質(zhì)中的任一種以便在步驟10中調(diào)節(jié)發(fā)酵的pH。在用于通過采用米根霉發(fā)酵來生產(chǎn)混合的C4 二酸(富馬酸鹽、蘋果酸鹽、琥珀酸鹽)的一個示例性慣例中，一種碳酸鈣漿料用作步驟10中的pH調(diào)節(jié)化合物。
[0037]雖然圖1中用含氧鈣化合物進(jìn)行了說明，但是當(dāng)使用類似的含氧鎂化合物碳酸鎂、氧化鎂、氫氧化鎂或氧化鎂(在水溶液中形成氫氧化鎂)時，過程基本上是完全相同的。在用于通過采用產(chǎn)琥珀酸的放線桿菌的發(fā)酵來生產(chǎn)主要地琥珀酸鹽的一個示例性慣例中，一種氫氧化鎂漿料用作步驟10中的PH調(diào)節(jié)化合物。
[0038]來自發(fā)酵介質(zhì)的銨二酸的單鍋還原。在本披露的一個另外的方面中，在一種發(fā)酵介質(zhì)中產(chǎn)生的該回收的C4 二酸的銨鹽用作一個替代的來源用于制備該廣泛使用的溶劑和試劑N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于制備C4酸衍生化合物的方法，該方法包括， 從微生物的生長獲得一種澄清的發(fā)酵液以便產(chǎn)生至少一種C4 二酸的二銨鹽，該二酸選自由以下各項(xiàng)組成的組:琥珀酸、蘋果酸、馬來酸以及富馬酸；并且 在一種反應(yīng)混合物中在足夠?qū)⒃揅4 二酸的二銨鹽氫化的溫度、壓力和時間的條件下使含有該C4 二酸的二銨鹽的該澄清的發(fā)酵液與一種氫化催化劑和H2相接觸，以便形成一種衍生化合物，該衍生化合物選自由以下各項(xiàng)組成的組:_甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、Y-丁內(nèi)酯(GBL)和 1,4-丁烷-二醇(BDO)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該衍生化合物是NMP，并且在與該氫化催化劑接觸的過程中，該澄清的發(fā)酵液包括甲醇。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該衍生化合物是GBL;該發(fā)酵液中的C4 二酸主要包括琥珀酸鹽或在該氫化過程中被還原成琥珀酸；在該氫化反應(yīng)混合物中包括一種二噁烷溶劑；并且用于形成該GBL的該氫化催化劑包括鈀和Al2O315
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該澄清的發(fā)酵中的該C4二酸的銨鹽主要地是蘋果酸銨，并且在該反應(yīng)混合物中在足夠使該蘋果酸鹽脫水成富馬酸鹽的一個溫度下使該澄清的發(fā)酵液與一種酸催化劑相接觸。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該C4二酸主要是富馬酸銨和蘋果酸銨中的至少一種并且該方法包括多個步驟，其中: 使該澄清的發(fā)酵液與一種酸催化劑和甲醇相接觸，從而形成一種選自下組的中間體，該組由以下各項(xiàng)組成:富馬酸二甲酯和/或蘋果酸二甲酯；并且 在與該氫化催化劑接觸前將銨從該富馬酸二甲酯和/或蘋果酸二甲酯中分離出來；并且 該C4衍生化合物是BDO。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中該酸催化劑是一種均相酸。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其中該酸催化劑是一種不均勻的酸性樹脂。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該澄清的發(fā)酵中的該C4二酸的銨鹽主要是琥珀酸銨，在與該氫化催化劑接觸之前將該銨從該澄清的發(fā)酵液中移除從而形成游離琥珀酸并且該衍生化合物是BDO。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該氫化催化劑是一種化合物，該化合物由以下各項(xiàng)中的至少一種構(gòu)成:亞鉻酸鎳、亞鉻酸釕、亞鉻酸銠、亞鉻酸鈀、亞鉻酸鉬以及亞鉻酸銅。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中該澄清的發(fā)酵中的該C4二酸的二銨鹽主要是富馬酸銨和蘋果酸銨中的至少一種，并且與該氫化催化劑的接觸包括與一種包括鎳的第一催化劑和一種包括釕、銠以及鈀中至少一種的第二催化劑接觸。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中與該第一催化劑接觸是在與該第二催化劑接觸之前完成的。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該澄清的發(fā)酵中的該C4二酸的二銨鹽主要是富馬酸銨和蘋果酸銨中的至少一種并且與該氫化催化劑和氫氣的該接觸包括:(i) 一個第一氫化步驟，其中該接觸是持續(xù)足夠?qū)⒃摳获R酸鹽和/或蘋果酸鹽氫化以便形成琥珀酸鹽的一段時間；(ii) 一個中間步驟，其中該銨被氫替代從而形成游離琥珀酸；以及(iii) 一個第二氫化步驟，其中該接觸是持續(xù)足夠從該琥珀酸形成BDO的一段時間。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中該中間步驟選自由以下各項(xiàng)組成的組:離子交換層析法、電滲析以及電去離子。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該C4二酸主要是富馬酸銨和蘋果酸銨中的至少一種；使該澄清的發(fā)酵液與一種酸催化劑和甲醇接觸，從而形成富馬酸二甲酯和蘋果酸二甲酯中的至少一種并且在與該氫化催化劑接觸之前，包括一個中間步驟，其中將銨從該反應(yīng)混合物中移除；并且其中與該氫化催化劑的接觸是持續(xù)足夠由該富馬酸二甲酯和蘋果酸二甲酯中的至少一種形成BDO的一段時間。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中該中間步驟選自由以下各項(xiàng)組成的組:離子交換層析法、電滲析以及電去離子。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該含有C4二酸的銨鹽的澄清的發(fā)酵液是通過以下項(xiàng)獲得的: 使一種微生物在一種發(fā)酵介質(zhì)中生長以便產(chǎn)生一種含有該C4 二酸的發(fā)酵液； 使含有該C4 二酸的該發(fā)酵液與一種鈣化合物或鎂化合物中的至少一種相接觸以便形成該二酸的鈣鹽或鎂鹽中的至少一種； 在一種第一條件下使該發(fā)酵液與一個銨源并且與一個碳酸鹽源相接觸，該第一條件包括至少100°C的溫度和至少200磅/平方英寸的壓力持續(xù)足夠在該發(fā)酵液中形成至少90%的該鈣或鎂的一種碳酸鹽并且形成至少90%的該C4 二酸的一種銨鹽的一段時間； 將該接觸過的發(fā)酵液的溫度和壓力降低至一種第二條件，該第二條件對于形成該鈣或鎂的碳酸鹽的一種沉淀同時保持該二酸的銨鹽在溶液中是有效的；并且 將該發(fā)酵液中的該鈣或鎂的沉淀的碳酸鹽以及細(xì)胞群從該二酸的銨鹽的該溶液中分離出來以便形成該含有C4 二酸的銨鹽的澄清的發(fā)酵液。
17.如權(quán)利要求13所述的方`法，其中該銨來源包括ΝΗ40Η。
18.如權(quán)利要求13所述的方法，其中該鎂或鈣化合物是處于選自下組的一種形式，該組由以下各項(xiàng)組成:該鎂或鈣的氧化物、氫氧化物、碳酸鹽和碳酸氫鹽。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中將該鎂或鈣化合物引入該發(fā)酵介質(zhì)中以便在通過該微生物生產(chǎn)該C4 二酸的一個周期內(nèi)維持該發(fā)酵介質(zhì)的pH在5.5至7.5之間的一個pH。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中該鎂或鈣化合物是通過將鎂或鈣的一種沉淀的碳酸鹽從一種用于產(chǎn)生該C4 二酸的第二發(fā)酵介質(zhì)中分離出來獲得的。
【文檔編號】C07D307/02GK103797003SQ201280044534
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2012年7月9日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月21日
【發(fā)明者】馬赤誠, 托德·韋爾派 申請人:阿徹丹尼爾斯米德蘭德公司