專利名稱：二羧酸的分離、回收及純化方法
二羧酸的分離、回收及純化方法琥珀酸及其化合物廣泛用于食品工業(yè)、藥物、化妝品及紡織工業(yè)中的各種應(yīng)用。琥珀酸還被逐漸用作生產(chǎn)聚合物的原料。利用不同微生物通過使含碳水化合物的基質(zhì)發(fā)酵而生產(chǎn)的琥珀酸在工業(yè)使用中重要的事情是從這些稀發(fā)酵液中分離并純化琥珀酸的經(jīng)濟可行性及效率，其中所述稀發(fā)酵液不僅包含琥珀酸或琥珀酸鹽，還包含其它有機酸、發(fā)酵的附加副產(chǎn)物、微生物及其組份，還有基質(zhì)殘余物。所生產(chǎn)的琥珀酸的品質(zhì)可分為具有至少97wt. %琥珀酸含量的工業(yè)級品質(zhì)以及具有至少99. 5wt. %含量的聚合級琥珀酸。大量專利描述了從發(fā)酵液中回收琥珀酸，包括 利用提取劑如三丁胺、三烷基胺、烯烴、各種醇及芳香烴的提取法，
利用氫氧化鈣和硫酸的方法，其中硫酸鈣作為副產(chǎn)物累積，
利用電滲析的方法，
熱處理法，如分餾或熱級色譜法，
利用CO2的高壓萃取，
隔膜法，如反滲透及其它過濾法，
這些方法及補充的組合也通過其他的對應(yīng)于現(xiàn)有技術(shù)的步驟進(jìn)行了討論。尤其在專利說明書 DE 69821951T2,DE 69015233T2、DE 69015019T2、DE 69006555T2、DE 69015019、DE19939630C2,DE 60028958T2 和 DE 102004026152A1 中描述了這些方法。多數(shù)方法的缺點為更多的工藝流體的添加，這些流體無法再在最終產(chǎn)物中獲得或者其在最終產(chǎn)物中的痕量存在可能導(dǎo)致限制了產(chǎn)物的品質(zhì)和可用性。所述方法的實際實施有時還是技術(shù)及能量高度密集的。本發(fā)明的目的在于提供一種從發(fā)酵液中分離、回收及純化二羧酸如琥珀酸的方法，該方法確保高產(chǎn)品純度并避免了其它方法的常見缺陷。根據(jù)本發(fā)明，該目的藉由利用一種從發(fā)酵液中分離、回收及純化二羧酸的方法通過多個處理階段的應(yīng)用來實現(xiàn)，所述方法包含下述步驟，
a)以兩個連續(xù)階段從該發(fā)酵液中分離存在的生物質(zhì)及任何固體，
b)通過模擬移動床色譜(SMB)，從該不含生物質(zhì)的發(fā)酵液中分離二羧酸溶液，
c)精制該二羧酸溶液，
d)多級蒸發(fā)及結(jié)晶，
e)分離及干燥晶體。該發(fā)酵液包含琥珀酸銨形式的二羧酸(如果所述二羧酸為琥珀酸)、生物質(zhì)及基質(zhì)的組分，將該發(fā)酵液連續(xù)供給至一個預(yù)涂層過濾單元或一個微濾單元。這樣做，溫度和PH值對應(yīng)發(fā)酵值，盡管已知通過提高溫度使生物質(zhì)失活并通過添加酸以便降低PH值加速該生物質(zhì)的自溶并且使更多的溶解產(chǎn)物釋放至該發(fā)酵液中。而且，完成發(fā)酵與分離生物質(zhì)之間的時間須保持盡可能短且不大于2h，優(yōu)選小于lh-2h。濾液中生物質(zhì)濃度應(yīng)不超過lg/1。這些工藝參數(shù)對終產(chǎn)物的質(zhì)量有積極影響。
在第二步驟中，將來自預(yù)涂層或微濾單元的濾液加至一個單或雙級超濾單元，在其中生物質(zhì)殘基、不溶固體及高分子化合物被分離出來。確定了具有小于等于IOkDa截留的隔膜用以實現(xiàn)產(chǎn)物質(zhì)量與膜通量率之間的最佳效果。由于琥珀酸銨在水中的溶解系數(shù)，所述液體流體的溫度應(yīng)大于等于30°C。將該鹽溶液再循環(huán)至該預(yù)涂層或微濾單元，或者替代性地收集并將其用作工業(yè)級二羧酸產(chǎn)品的原料，接著將滲透液進(jìn)行進(jìn)一步處理。在該超濾滲透液中，二羧酸以其鹽的形式存在，在琥珀酸的情況下以琥珀酸銨形式存在。為了將其轉(zhuǎn)化為二羧酸，添加并混合濃硫酸，從而將該溶液的PH值降至值2. 2至
2.4之間，并按化學(xué)計量比產(chǎn)生硫酸銨。為了避免不需要的沉淀，在30°C至60°C之間的溫度下且優(yōu)選保持在30°C至40°C的范圍內(nèi)進(jìn)行 該工藝步驟。該預(yù)純化液可用于二羧酸的分離及純化。在模擬移動床色譜單元內(nèi)進(jìn)行該酸性超濾滲透液的分離。這代表一種高效液相色譜的特別有效的變體，其中經(jīng)由多個閥以封閉循環(huán)連接的多個分離柱系列形成大量理論塔板，從而大大提高了色譜的分離效率。陽離子交換劑和陰離子交換劑用作固定相。在注入溶液之后，該二羧酸結(jié)合至固定相，并且當(dāng)溶液的非期望組分已被反復(fù)沖洗出該體系時，將其洗脫并作為提取液單獨排出。去礦質(zhì)水和/或蒸汽冷凝液用作洗脫液。已證實利用以封閉循環(huán)連接的八個陰離子交換柱，超濾滲透液內(nèi)含有的大于95%的二羧酸可被回收于該提取液中，超濾滲透液與洗脫液之間的比率在1:1至1:2. 5之間變化。提取液僅包含少量硫酸銨，乙酸及來自發(fā)酵液的染料。被洗出的提余液包含最大lg/Ι的二羧酸以及硫酸銨及來自發(fā)酵的伴鹽，如磷酸鹽、硝酸鹽及氯化鹽。對于聚合物級二羧酸的生產(chǎn)，利用具有IOODa至400Da截留的膜可選地進(jìn)行來自模擬移動床色譜單元的提取液的精制。已證實具有近似200Da截留的納濾產(chǎn)生優(yōu)良質(zhì)量結(jié)果。以確保納米過濾鹽溶液占據(jù)不超過總生產(chǎn)量的10%的方式實施該方法。除了二羧酸之夕卜，該鹽溶液還包含乙酸及染料，并且該鹽溶液可添加至工業(yè)級二羧酸產(chǎn)品的原料中。該滲透液用于聚合物級二羧酸的下游加工。根據(jù)用于發(fā)酵的原料品質(zhì)及發(fā)酵工藝參數(shù)，由于染料及伴殘基仍然存在，可進(jìn)行來自上游納米過濾的滲透液或來自SMB色譜的提取液的額外精制。在這種情況下，下游設(shè)置通過活性炭過濾和/或離子交換劑的精制。根據(jù)污染物的化學(xué)分析，陽離子和/或陰離子交換劑可用作離子交換樹脂。藉由蒸發(fā)該二羧酸溶液并接著結(jié)晶，制備了工業(yè)級和聚合物級的二羧酸產(chǎn)物兩者。在這種情況下，已證實所述工藝參數(shù)對產(chǎn)品質(zhì)量有主要影響。為了得到具有大于等于97wt. % 二羧酸含量的工業(yè)級質(zhì)量，即便單次通過這些多級處理步驟進(jìn)行蒸發(fā)及結(jié)晶也是足夠的。蒸發(fā)該溶液至濃度30wt. %至50wt. %。在結(jié)晶期間，發(fā)現(xiàn)用以冷卻溶液的溫度梯度為影響產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)。因此，應(yīng)以3°C /min - 8°C /min的步進(jìn)且優(yōu)選以3°C /min - 5°C /min的步進(jìn)進(jìn)行冷卻。然后，通過分離從母液中移出所產(chǎn)生的晶體并用40°C的溫水沖洗，將該母液循環(huán)至蒸發(fā)的上游。分離后干燥這些晶體。為了得到具有大于等于99. 5wt. %含量的聚合物級二羧酸，發(fā)現(xiàn)溫度應(yīng)在70°C至800C的范圍內(nèi)，并且溶液應(yīng)調(diào)節(jié)至50wt. %±5wt. %的濃度。在溶液冷卻期間，發(fā)現(xiàn)溫度梯度為影響晶體質(zhì)量的關(guān)鍵。因此，以1°C至5°C/h的步進(jìn)進(jìn)行冷卻。通過分離移出所述晶體并干燥這些晶體，該步驟產(chǎn)生聚合物級晶體。該母液可被循環(huán)使用。如果需要，在分離之后可將晶體溶于去礦質(zhì)水和/或蒸發(fā)冷凝液中，重復(fù)結(jié)晶及分離的步驟。在結(jié)晶之后，通過分離優(yōu)選移出所述二羧酸晶體，該積累的母液被循環(huán)至蒸發(fā)的上游，然后干燥晶體?？蛇x地結(jié)合該超濾及納米過濾的鹽溶液并將其用作工業(yè)級二羧酸產(chǎn)物的原料液。干燥的晶體用于進(jìn)一步使用。使用依據(jù)本發(fā)明的方法用于二羧酸的純化是有優(yōu)勢的，其中所述二羧酸選自富馬酸、馬來酸、己二酸、衣康酸、苯甲酸及其它的組，特別是琥珀酸。
實例I
通過依據(jù)說明書的過濾來預(yù)純化含有琥珀酸銨的發(fā)酵液。在將銨鹽轉(zhuǎn)化為琥珀酸的酸形式之后，在模擬移動床色譜單元中，該溶液被分離出5.71的提取液以及6. 61的提余液，其中該模擬移動床色譜單元具有總共八個分離柱且每個分離柱具有封閉循環(huán)的強酸性陽離子交換劑。利用2. 4的滲透/洗脫比，該琥珀酸回收率為99. 9%。提取液中硫酸鹽濃度為238mg/l，并且提余液中硫酸鹽濃度為35，709mg/l，從而實現(xiàn)99. 4%的硫酸鹽去除率。實例2
通過依據(jù)說明書的過濾來預(yù)純化含有琥珀酸銨的發(fā)酵液。在將銨鹽轉(zhuǎn)化為琥珀酸的酸形式之后，在模擬移動床色譜單元中，該溶液被分離出5.31的提取液以及6. 11的提余液，其中該模擬移動床色譜單元具有總共八個分離柱且每個分離柱具有封閉循環(huán)中的強酸性陽離子交換劑。利用2. 2的滲透/洗脫比，該琥珀酸回收率為99.8%。實現(xiàn)97. 9%的硫酸鹽去除率。實例3
通過具有200Da截留的納米過濾，對模擬移動床色譜單元中的含琥珀酸的提取液進(jìn)行精制。在該提取液中分析得到44.8g/l琥珀酸以及698mg/l硫酸鹽。使該過濾的提取液結(jié)晶并分析。晶體具有I. 031g/l的琥珀酸含量，21. 9mg/l殘余硫酸鹽含量以及13. 8mg/l的氯化物含量。晶體顏色為“白色”。實例4
通過具有200Da截留的納米過濾及隨后的活性炭過濾，對模擬移動床色譜單元中的含琥珀酸的提取液進(jìn)行精制，其中該提取液含有44. 77g/l琥珀酸及669mg/l硫酸鹽。精制后得到的晶體含有1，065g/l的琥珀酸和35. 3mg/l的殘余硫酸鹽以及9. 5mg/l的氯化物。晶體顏色為“純白色”。實例5
通過離子交換，對模擬移動床色譜單元中的含琥珀酸的提取液進(jìn)行精制。該提取液含有44. 8g/l的琥珀酸，699mg/l硫酸鹽以及I. 88mg/l的氯化物。從精制液生產(chǎn)的晶體含有967g/l的琥珀酸，37. 6mg/l硫酸鹽以及O. 92mg/l的氯化物。晶體顏色為“白色”。
權(quán)利要求
1.一種從發(fā)酵液中分離、回收及純化二羧酸的方法，所述方法包含下述步驟 a)以兩個連續(xù)階段從該發(fā)酵液中分離存在的生物質(zhì)及任何固體 b)通過模擬移動床色譜(SMB)，從該不含生物質(zhì)的發(fā)酵液中分離二羧酸溶液 c)精制該二羧酸溶液 d)多級蒸發(fā)及結(jié)晶 e)分離及干燥晶體。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在方法步驟a)的第一階段中，從該發(fā)酵液中分離出該生物質(zhì)，無需通過添加酸來降低PH值并且無需通過預(yù)涂層和/或微濾單元來熱失活，從發(fā)酵罐中移出與過濾之間的時間不超過2h且優(yōu)選小于lh-2h，并且該濾液中的生物質(zhì)濃度不超過lg/1。
3.如權(quán)利要求I或2任一所述的方法，其特征在于，在方法步驟a)中，通過單或雙級超濾單元采用具有小于等于IOkDa截留的隔膜，執(zhí)行分離生物質(zhì)及固體的第二階段，所產(chǎn)生的鹽溶液被循環(huán)至方法步驟a)的第一階段的預(yù)涂層或微濾單元，并且將所產(chǎn)生的滲透液進(jìn)行進(jìn)一步處理。
4.如權(quán)利要求I至3中任一項所述的方法，其特征在于，利用濃硫酸，將方法步驟a)的第二階段中的超濾滲透液酸化至pH值2. 2至2. 4，從而將該純化的發(fā)酵液內(nèi)所含的二羧酸鹽轉(zhuǎn)化為二羧酸并按化學(xué)計量比產(chǎn)生鹽，該酸化的超濾滲透液的溫度保持在30°C至60°C的范圍內(nèi)，且優(yōu)選在30°C至40°C的范圍內(nèi)。
5.如權(quán)利要求I至4中任一項所述的方法，其特征在于，在方法步驟b)中，在模擬移動床色譜(SMB)單元中,將該超濾滲透液分離為含有大量二羧酸的提取液和含有大量硫酸銨以及少量伴鹽如磷酸鹽、硝酸鹽及氯化物的提余液， 以1:1. 5至1:2. 5的滲透液洗脫液比率，連續(xù)添加該超濾滲透液及洗脫液， 該二羧酸結(jié)合至該SMB的固定相，其中該固定相包含陽離子交換劑和/或陰離子交換劑， 彼此分離地收集具有小于等于lg/Ι 二羧酸含量的含二羧酸的提取液以及提余液， 從該超濾滲透液中回收二羧酸，具有大于等于95%的效率。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，在步驟c)中，對來自SMB色譜單元的提取液進(jìn)行納濾，所述隔膜具有IOODa至400Da且優(yōu)選200Da的截留。
7.如權(quán)利要求I至6中任一項所述的方法，其特征在于，步驟c)提出通過活性炭過濾和/或陽離子交換劑和/或陰離子交換劑精制，產(chǎn)生純化的二羧酸。
8.如權(quán)利要求I至7中任一項所述的方法，其特征在于，在步驟d)中，在經(jīng)由結(jié)晶以晶體形式回收之前，該二羧酸經(jīng)由所純化的二羧酸溶液的多級蒸發(fā)而被濃縮，其中 單次通過多級蒸發(fā)及結(jié)晶，并且在結(jié)晶器中以:TC /min-8 °C /min且優(yōu)選3°C /min-5°C /min的步進(jìn)冷卻該濃縮的二羧酸,從而得到具有大于等于97wt. %二羧酸含量的工業(yè)級二羧酸 將該溶液調(diào)至溫度70°C - 80°C及濃度50wt. %±5wt. %，隨后經(jīng)由以1°C /h_5°C /h的步進(jìn)冷卻該濃縮液而結(jié)晶，并且如果需要，在晶體分離及溶于去礦質(zhì)水和/或蒸汽冷凝液之后重復(fù)該步驟，從而得到具有小于等于99. 5wt. %含量的聚合物級二羧酸。
9.如權(quán)利要求I至8中任一項所述的方法，其特征在于，在方法步驟e)中，結(jié)晶之后通過分離移出所述二羧酸晶體，將所積累的母液循環(huán)至方法步驟d)中的蒸發(fā)的上游，并且隨后干燥這些晶體。
10.如權(quán)利要求I至9中任一項所述的方法，其特征在于，結(jié)合方法步驟a)的第二階段中的超濾鹽溶液及方法步驟c)中的納濾鹽溶液并將其用作工業(yè)級二羧酸產(chǎn)品的原料液，繼續(xù)進(jìn)行這些處理階段。
11.如權(quán)利要求I至10中任一項所述的方法，其特征在于，該方法用于二羧酸的純化，其中所述二羧酸選自富馬酸、馬來酸、己二酸、衣康酸、苯甲酸及其它的組，尤其為琥珀酸。
全文摘要
一種從發(fā)酵液中分離、回收及純化二羧酸的方法，所述方法包含下述步驟，f)以兩個連續(xù)階段從該發(fā)酵液中分離存在的生物質(zhì)及任何固體，g)通過模擬移動床色譜(SMB)，從該不含生物質(zhì)的發(fā)酵液中分離二羧酸溶液，h)精制該二羧酸溶液，i)多級蒸發(fā)及結(jié)晶，j)分離及干燥晶體。
文檔編號C07C55/10GK102958893SQ201180029694
公開日2013年3月6日 申請日期2011年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月25日
發(fā)明者沃爾夫?qū)さ俨? 約阿希姆·舒爾策 申請人:蒂森克虜伯伍德公司