從發(fā)酵液中純化羧酸的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及從發(fā)酵液中純化羧酸的方法，并且還涉及用于進行根據(jù)本發(fā)明的所述方法的裝置。羧酸(其不能或難以通過蒸餾分離)的分離被證明是非常復雜的。
【背景技術】
[0002]通過各種微生物發(fā)酵含碳水化合物的基質而產(chǎn)生的羧酸的工業(yè)用途的決定性因素是從水發(fā)酵溶液中分離及純化乳酸的經(jīng)濟可行性和效率，所述水發(fā)酵溶液除了包含羧酸或羧酸鹽外，還進一步包含有機酸、其他發(fā)酵副產(chǎn)物、微生物和其組分以及基質的殘余物例如糖。這些雜質損害產(chǎn)生的羧酸的后續(xù)處理。例如，乳酸被聚合成聚乳酸以生產(chǎn)在生物學上可降解的塑料。在這種情況下，為了獲得乳酸的高聚合度必須使用非常純的單體。這早已公知并在例如 J.Dahlmann 等人的 British Polymer Journal，第 23 卷(1990)，第 235-240頁中出現(xiàn)。
[0003]已知例如對于琥珀酸也是同樣的。生產(chǎn)的琥珀酸品質可以通過細分為以下的琥珀酸加以區(qū)分，即具有以質量計至少97%琥珀酸含量的工業(yè)級和具有以質量計至少99.5%含量的特別適合用于聚合(聚合級)的琥珀酸。
[0004]—些專利描述了從發(fā)酵溶液中生產(chǎn)琥I自酸，包括
[0005]-使用提取劑例如三丁胺、三烷基胺、烯烴、各種醇和芳香烴的提取過程，
[0006]-使用氫氧化鈣和硫酸的過程，其中石膏作為副產(chǎn)物出現(xiàn)，
[0007]-使用電滲析的過程，
[0008]-熱方法例如分餾或熱分級色譜，
[0009]-使用CO2的高壓提取，
[0010]-膜方法例如反滲透和其他過濾過程，
[0011]其中還討論了連接這些過程并且通過對應于在先技術的附加步驟進行增補。尤其是在 DE 69821951 T2，DE 69015233 T2，DE 69015019 T2，DE 69006555 T2，DE 69015019，DE 19939630 C2，DE 60028958T2，DE 102004026152A1 的專利說明書中描述了這樣的方法。
[0012]還已知許多涉及乳酸純化的方法。
[0013]例如，在一些專利中教導使用蒸餾從水溶液中純化乳酸。在EP 0986532 B2中利用了這樣的方法。DE 102007045701 B3公開了使用線性正三辛胺(TOA)和蒸餾的結合提取。從該文獻中已知的其他可能是電滲析或使用醇的酯化作用，之后同樣地進行蒸餾然后水解形成的酯。這些方法極其高成本。蒸餾也有缺點，即一部分碳水化合物也總是被共同提取，這導致整個過程的生產(chǎn)量變差且使得難以分離產(chǎn)品。
[0014]還已知使用氫氧化鈣和硫酸的過程，在上述過程中石膏作為副產(chǎn)物大量地出現(xiàn)。在這種背景下，還發(fā)現(xiàn)能夠通過色譜方法從例如用硫酸酸化的發(fā)酵液中分離乳酸，所述發(fā)酵液除了游離的乳酸外還包含銨和硫酸根離子。舉例來說，DE 69815369 T2描述了，尤其是從水混合液中通過在固體吸附劑上吸附進行乳酸的去除，這里優(yōu)選使用固體吸附劑吸附乳酸而不是乳酸鹽。特別地，根據(jù)上述文件有可能使用弱陰離子交換劑用于乳酸的分離。DE102009019248 Al進一步描述了通過進行模擬移動床色譜純化有機酸特別是乳酸的色譜方法。
[0015]WO 2006/124633 Al描述了通過發(fā)酵制備乳酸銨的過程。在發(fā)酵中形成乳酸的銨鹽，例如通過提取可將其從發(fā)酵溶液中分離。在隨后的步驟中使用弱酸或二氧化碳能夠很容易地分解出銨鹽。從而獲取游離的乳酸，然后其例如通過蒸餾被純化。
[0016]W099/19290描述了乳酸發(fā)酵以及隨后的過濾和提取，在這里提取可以是吸附。在該情況下，沒有公開在固相吸附中相互作用的類型。在W093/06226中公開了相似的方法，其中吸附固相具有叔氨基且由此增加了游離酸的產(chǎn)率。EP0135728也教導了通過具有叔氨基的吸附劑分離酶促產(chǎn)生的羧酸。在該情況下通過固定在柱子上的小室進行發(fā)酵。
[0017]DE102010025167A1公開了用于分離、回收和純化琥珀酸的方法。在該情況下，在兩個連續(xù)的步驟中完成生物質從發(fā)酵液中的分離。然后通過模擬移動床色譜從不含生物質的發(fā)酵液中分離二羧酸溶液，接著是超純化和多級蒸發(fā)及結晶。該方法的缺點是由二羧酸溶液的多級蒸發(fā)引起的高能耗。
[0018]W02011082378A2教導了從包含琥珀酸銨的發(fā)酵液中純化琥珀酸。使用離子交換柱從發(fā)酵液中分離琥珀酸銨并產(chǎn)生琥珀酸。在該情況下，在提余液中獲取硫酸銨并在提取液中獲取琥珀酸。使提余液經(jīng)受結晶，其目的是濃縮提余液。通過反滲透和/或蒸發(fā)進行提余液的濃縮即硫酸銨的濃縮。該步驟是公知的。硫酸銨的處理對于通過發(fā)酵制備琥珀酸的經(jīng)濟可行性是必不可少的，因為在從發(fā)酵液中琥珀酸銨至琥珀酸的轉化中，獲取大約1.5倍的硫酸錢量。
[0019]因此，很多過程的缺點是方法的實際實施與相當大的技術支出和能耗相關聯(lián)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0020]本發(fā)明的目的是提供在能量方面有利的用于從發(fā)酵液中分離和純化羧酸的整個過程，其中能夠避免其他方法的已知缺點。
[0021]根據(jù)本發(fā)明通過使用從發(fā)酵液中分離和純化羧酸的方法達到所述目的，其中所述方法包括以下的步驟:
[0022]a.從發(fā)酵液中去除生物質和任何存在的固體，
[0023]b.通過用濃硫酸酸化不含生物質的發(fā)酵液并且使其經(jīng)受模擬移動床色譜(SMB)制備包含期望的羧酸的溶液和包含銨鹽的附加溶液，
[0024]c.超純化來自方法步驟b)的所述包含期望的羧酸的溶液，
[0025]d.濃縮來自方法步驟c)的經(jīng)純化的羧酸溶液，
[0026]e.結晶來自方法步驟d)的經(jīng)濃縮的羧酸溶液，
[0027]f.濃縮來自方法步驟b)的所述包含銨鹽的附加溶液，
[0028]其特征在于，
[0029]在方法步驟d)和f)的濃縮中，進行反滲透和蒸發(fā)的結合并且將來自方法步驟f)的蒸發(fā)的蒸汽傳遞至方法步驟d)的蒸發(fā)。
[0030]銨鹽的轉化和回收對于通過發(fā)酵制備琥珀酸的經(jīng)濟可行性是必不可少的。
[0031]在所述方法的有益構造中，設計方法步驟f)使得在方法步驟d)中在正常操作下不供應新蒸汽或每噸羧酸產(chǎn)品供應1-10噸新蒸汽，特別優(yōu)選每噸羧酸產(chǎn)品供應1.5-4噸新蒸汽。此處正常操作指設備加電之后的操作且暗含操作過程沒有中斷。
[0032]在進一步的實施方案中，在方法步驟a)中通過預涂層過濾和/或微量過濾和/或超濾從發(fā)酵液中去除生物質，而且在方法步驟a)中去除的生物質被再次回輸至發(fā)酵器。在這種情況下，溫度和PH對應于發(fā)酵值，因為已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過增高溫度以及添加酸降低pH使生物質失活加速了生物質的自溶，而且更多的溶解產(chǎn)品釋放到發(fā)酵液中。發(fā)酵的完成和生物質的去除之間的時間必須保持盡可能的短且不超過2h且優(yōu)選小于l-2h。濾液中的生物質濃度不應該超過lg/Ι。最終的產(chǎn)品品質確實受到該過程的影響。
[0033]許多微生物本身能夠用于發(fā)酵，其包括細菌、酵母和真菌。發(fā)酵液也可包含來自整個過程的各種再循環(huán)液流。
[0034]來自預涂層過濾或微量過濾的濾液也被任選地進料至單級或二級超濾。此處，去除了殘余的生物質成分、不溶固體和更高分子量的化合物。具有< 1kDa截留的膜被確定為產(chǎn)品品質和通量率之間最佳的膜。由于琥珀酸銨在水中的溶解度系數(shù)，液體介質的溫度應當多30°C。滲余物被回輸?shù)筋A涂層過濾或微量過濾，或者被收集并且用作產(chǎn)生工業(yè)級二羧酸的原始材料，而透過物被供應至進一步的處理。
[0035]二羧酸以其鹽的形式存在于方法步驟a)的透過物中一例如在琥珀酸的情況下，以琥珀酸銨的形式。為了轉化為羧酸，加入濃硫酸并使其混合進去，這導致溶液的PH降低到2.2和2.4之間的值。在這種情況下，硫酸銨按化學計量比形成。為了避免不希望的沉淀，該過程步驟在30°C和60°C之間，優(yōu)選在30°C和40°C之間的范圍內(nèi)的溫度下進行。該經(jīng)預純化的溶液可用于分離和純化二羧酸。也可任選地通過在方法步驟a)之前進行第一次酸化以及在方法步驟a)之后進行第二次酸化從而在兩個階段中進行酸化。
[0036]通過模擬移動床色譜進行超濾的酸性透過物的分離。模擬移動床色譜是高效液相色譜的特別有效的變型，其中通過由閥門以無限循環(huán)方式互相連接的幾個分離柱的序列實現(xiàn)大量的理論塔板，并且色譜的選擇性得到顯著的改善。陽離子交換劑和陰離子交換劑用作固定相。在施用溶液后，二羧酸結合至固定相并在反復清洗溶液中不希望的組分后從系統(tǒng)中洗脫出來，而且作為分離提取液被排出。去礦質水和/或蒸汽冷凝物用作洗脫劑。也可能使用來自反滲透的透過物作為洗脫劑?？梢酝ㄟ^再循環(huán)水進一步提高整個過程的經(jīng)濟可行性。
[0037]可以表明的是可以在提取液中獲取來自超濾的透過物中存在的超過95%的二羧酸，其中超濾的透過物和洗脫劑之間的比率在1:1.5和1:2.5之間的范圍內(nèi)變化，而且使用八個以無限循環(huán)方式連接的陰離子交換柱。提取液僅包含少量的硫酸銨、來自發(fā)酵液的醋酸和色素。經(jīng)洗脫的提余液包含至多l(xiāng)g/Ι 二羧酸以及硫酸銨和伴生的來自發(fā)酵的鹽例如磷酸鹽、硝酸鹽和氯化物。
[0038]在進行方法步驟b)的SMB時，維持以下的條件:
[0039]-以1:1.5到1:2.5的透過物:洗脫劑比率連續(xù)加入來自方法步驟a)的過濾的透過物和洗脫劑，
[0040]-羧酸結合至SMB的固定相，其中所述固定相由陽離子交換劑和/或陰離子交換劑組成，
[0041 ]-相互分離地收集包含羧酸的提取液和具有(lg/Ι的二羧酸含量的提余液，
[0042]-從來自方法步驟a)的過濾的透過物中回收羧酸的效率彡95 %。
[0043]為了制備高純度二羧酸(聚合級)，對來自模擬移動床色譜的提取液進行超純化，其中膜具有100-400Da的分離粒度?？梢员砻鞯氖鞘褂?00Da截留的納濾取得良好的結果。操作該過程使得納濾的滲余物不超過總吞吐量的10%。滲余物除了羧酸之外還包含醋酸和色素并能將其加入原始材料用于產(chǎn)生工業(yè)級羧酸。
[0044]由于仍然存在色素的殘余物和伴生物質，根據(jù)用于發(fā)酵的原材料品質和發(fā)酵中的過程控制，對來自上游納濾的透過物或來自SMB色譜的提取液進行附加的超純化。在這種情況下，在下游進行通過活性炭過濾和/或離子交換的超純化。根據(jù)雜質的化學分析，陽離子和/或陰離子交換劑可用作離子交換樹脂。
[0045]在根據(jù)本發(fā)明的方法的進一步構造中，在方法步驟d)中至少一個或更多個用于反滲透的階段與至少一個或更多個用于蒸發(fā)的方法步驟相結合。
[0046]通過結晶進行羧酸產(chǎn)品(工業(yè)級品質和聚合級品質)的制備。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)過程控制的參數(shù)對產(chǎn)品品質有顯著的影響。
[0047]為了實現(xiàn)具有以質量計多97 %的羧酸含量的工業(yè)級，貫穿這些方法步驟單程進行方法步驟d)和e)是足夠的。進行反滲透和蒸發(fā)直到以質量計30-50%的濃度。發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品品質的重要參數(shù)是在結晶過程中用于溶液冷卻的溫度梯度。因此，應該以3 - 8°C /min且優(yōu)選以3 - 5°C /min逐步進行冷卻。然后通過分離從母液中分離形成的晶體，使用40°C的熱水清洗并在蒸發(fā)前返回母液。分離之后干燥晶體。
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