從發(fā)酵培養(yǎng)基回收并使用羧酸的制作方法
【專利說明】
[0001] 優(yōu)先權(quán)要求
[0002] 本申請(qǐng)要求2012年12月20日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/739, 769的優(yōu)先權(quán)的權(quán) 益，該申請(qǐng)的內(nèi)容結(jié)合在此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明涉及一種用于生產(chǎn)羧酸的方法。具體地，本發(fā)明涉及一種用于從發(fā)酵培養(yǎng) 基中回收羧酸的方法。
【背景技術(shù)】
[0004] 羧酸，例如四碳琥珀酸、蘋果酸、馬來酸和富馬酸，以及它們的衍生物作為各種其 他化學(xué)品的前體分子發(fā)揮了重要作用，這些化學(xué)品包括可生物降解的聚酯樹脂、染料、以及 藥物和作為食品工業(yè)中的添加劑。目前，例如，琥珀酸是從原油通過馬來酐催化氫化為琥珀 酸酐并隨后水合或通過馬來酸的直接催化加氫而大量商業(yè)生產(chǎn)的。這種從石油化學(xué)品生產(chǎn) 琥珀酸的傳統(tǒng)方法是昂貴的并產(chǎn)生污染問題。近年來，許多人已經(jīng)尋求開發(fā)一種借助于生 物基發(fā)酵方法來生產(chǎn)琥珀酸的更加成本競(jìng)爭(zhēng)力且環(huán)境友好的方法。一種重要二元羧酸的發(fā) 酵生產(chǎn)是有利的，這不僅是因?yàn)槭褂昧丝稍偕孜铮疫€因?yàn)樵诎l(fā)酵過程中將溫室氣體 co2結(jié)合到琥珀酸中。
[0005] 例如，這些生物衍生的琥珀酸（BDSA)方法試圖通過從生物質(zhì)發(fā)酵葡萄糖來生產(chǎn) 琥珀酸、分離并純化該酸，并且然后催化處理它作為平臺(tái)化學(xué)品來生產(chǎn)，例如，1，4-丁二醇 (BDO)和相關(guān)產(chǎn)品、四氫呋喃和Y_ 丁內(nèi)酯；N-甲基吡咯烷酮（NMP)、2_吡咯烷酮或用于制 造廣泛分類產(chǎn)品的其他化學(xué)品。每年，現(xiàn)有國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的此類化學(xué)品總額近10億英鎊，或超 過13億美元。該BDSA方法還希望減少對(duì)進(jìn)口石油的依賴并希望擴(kuò)大國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)市場(chǎng)至更多 食物來源。
[0006] 然而，通常，從發(fā)酵培養(yǎng)基中回收二元羧酸涉及形成二酸的不溶性鹽類，典型地， 不溶性媽鹽。在通過真菌如米根霉（Rhizopusoryzae)或米曲霉（Asperigillusoryzae) 發(fā)酵的情況下，其分別優(yōu)選制備富馬酸和蘋果酸，典型地將鈣以CaC03的形式引入培養(yǎng)基 中，其在溶液中形成Ca(HC03)2。碳酸氫鹽有效維持培養(yǎng)基的pH，因?yàn)楫a(chǎn)生的二酸傾向于降 低pH。二酸以鈣鹽的形式回收。此種(；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3克/升），并且不適合于需要游離酸的許多應(yīng)用，如化學(xué)轉(zhuǎn)化為衍生產(chǎn) 品像丁二醇和類似物。因此，鈣鹽典型地溶解在硫酸中，形成不溶性的硫酸鈣，其可以容易 地從游離二酸分離。硫酸鈣是一種具有很少商業(yè)應(yīng)用的產(chǎn)品，并且因此典型地作為固體廢 物被丟棄在垃圾填埋場(chǎng)或者其他固體廢物處置場(chǎng)所。
[0007] 在例如W02010/147920中所述的一種替代方法，而不是使用碳酸鈣，使用一種含 有鎂氧的化合物來維持用于真菌生長(zhǎng)的介質(zhì)的pH，這些化合物例如MgO、Mg(0H) 2、MgC03、或 Mg(HC03)2，所有這些在水溶液中形成碳酸氫鹽。發(fā)現(xiàn)使用鎂而不是鈣提高了通過發(fā)酵生產(chǎn) 酸。發(fā)酵是在5-8并且更優(yōu)選6. 0-7. 0的pH下進(jìn)行。通過添加鎂氧化合物來維持pH，并且 將C02引入到介質(zhì)中與鎂氧化合物組合以維持碳酸氫根（HC03〇的摩爾分?jǐn)?shù)為至少0.1并 且最優(yōu)選約0. 3,基于在該介質(zhì)中HC<V、C<V2、以及C02的總摩爾數(shù)。在發(fā)酵結(jié)束時(shí)，該介質(zhì) 的液體部分含有大多數(shù)二酸作為可溶性鎂鹽，將其從含有沉淀鹽和其他不溶性物質(zhì)的介質(zhì) 的固體部分中分離。溶解的酸式鹽是通過使用無機(jī)酸如硫酸將pH降低至低于該二酸的等 電點(diǎn)，并將該介質(zhì)的溫度降低至（最優(yōu)選）不大于5°C轉(zhuǎn)化成游離酸形式，這從溶液中沉淀 出游離酸。
[0008] 雖然可用于生產(chǎn)游離酸，所描述的對(duì)于使用鎂鹽的技術(shù)結(jié)果是昂貴的，首先是因 為鎂氧化合物比類似的鈣化合物的成本相當(dāng)更多，而且還因?yàn)榇罅康逆V以無機(jī)酸的鎂鹽的 形式保留在發(fā)酵介質(zhì)中，并且對(duì)于進(jìn)一步發(fā)酵或其他目的不是有用的。此外，需要降低回收 的可溶性鹽的溫度以沉淀出游離酸增加了附加的能源成本。
[0009] 雖然羧酸（如蘋果酸或琥珀酸）的發(fā)酵生產(chǎn)具有超過基于石油化學(xué)品的方法的若 干優(yōu)勢(shì)，但是如剛剛討論的羧酸鹽的產(chǎn)生因?yàn)榕c下游處理以及分離酸和它們的鹽有關(guān)的困 難具有顯著的加工成本。當(dāng)在常規(guī)的發(fā)酵方法中產(chǎn)生鹽時(shí)，對(duì)于每當(dāng)量的酸要求當(dāng)量的堿 來中和。所使用的試劑的量可能增加成本。此外，人們需要除去鹽的抗衡離子以便產(chǎn)生游 離酸，并且人們需要除去并處置任何所得到的廢物和副產(chǎn)物。所有這些單獨(dú)的操作單元對(duì) 該方法的總成本有影響。
[0010] 以鹽回收羧酸具有許多相關(guān)的問題并且要求在發(fā)酵后，下游處理中的若干不同的 步驟以分離游離酸并制備用于化學(xué)轉(zhuǎn)化的羧酸以及將原料酸轉(zhuǎn)化為有用的化合物。當(dāng)在常 規(guī)的發(fā)酵方法中產(chǎn)生鹽時(shí)，對(duì)于每當(dāng)量的酸要求當(dāng)量的堿來中和。所使用的試劑的量可能 增加成本。此外，人們需要除去鹽的抗衡離子以便產(chǎn)生游離酸，并且人們需要除去并處置任 何所得到的廢物和副產(chǎn)物。例如，c4二酸的鈣鹽在水性培養(yǎng)基溶液中具有非常低的溶解度 (典型地在室溫下小于3克/升），并且不適合于需要游離酸物種的許多應(yīng)用，如化學(xué)轉(zhuǎn)化 為衍生產(chǎn)品。因此，鈣鹽典型地溶解在硫酸中，形成不溶性的硫酸鈣，其可以容易地從游離 二酸分離。硫酸鈣是一種具有很少商業(yè)應(yīng)用的產(chǎn)品，并且因此典型地作為固體廢物被丟棄 在垃圾填埋場(chǎng)或者其他固體廢物處置場(chǎng)所。所有這些單獨(dú)的操作單元對(duì)該方法的總成本有 影響。
[0011] 其結(jié)果是生物基羧酸的生產(chǎn)成本對(duì)于生物基生產(chǎn)已經(jīng)太高以至于對(duì)于石化生 產(chǎn)制度不具有成本競(jìng)爭(zhēng)力。（參見例如，JamesMcKinlay等人，"生物基琥珀酸鹽工業(yè)前 景，"應(yīng)用微生物生物技術(shù)，（2007) 76:727-740 ("ProspectsforaBio-basedSuccinate Industry, "Appl.Microbiol.Biotechnol.，（2007)76:727 - 740);通過引用結(jié)合在此。）例 如，使用在文獻(xiàn)中描述的產(chǎn)生微生物的大多數(shù)商業(yè)上可行的琥珀酸鹽，人們需要中和發(fā)酵 培養(yǎng)基以維持對(duì)于最大生長(zhǎng)、轉(zhuǎn)化率和生產(chǎn)率的適當(dāng)?shù)膒H。典型地，通過將氫氧化銨或其他 堿引入培養(yǎng)基中使發(fā)酵培養(yǎng)基的pH維持在7或接近7的pH，從而將二酸轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的二酸 鹽。通過下游處理，例如，發(fā)酵培養(yǎng)基中的產(chǎn)物的分離和純化產(chǎn)生了約60%的總生產(chǎn)成本。
[0012] 近幾年，已經(jīng)提出各種其他方法來分離二酸。這些技術(shù)已經(jīng)涉及使用超過濾、用氫 氧化鈣或氨沉淀、電滲析、液-液萃取、吸附以及離子交換層析法。（參見，TanjaKurzrock 等人，"從發(fā)酵培養(yǎng)基回收琥珀酸，"生物技術(shù)通訊評(píng)論，（2010)32 :331-339("Recovery ofSuccinicAcidfromFermentationBroth,Review,Biotechnology Letter, (2010)32:331-339);通過引用結(jié)合在此。）一些已經(jīng)提出的替代方法包括在 低pH下操作發(fā)酵反應(yīng)器，這在功能上將類似于以最低水平的鹽操作發(fā)酵。（參見，例如，CarolA.RoaEngel等人，"通過米根霉用于富馬酸生產(chǎn)的低pH發(fā)酵策略的發(fā)展，"酶和微 生物技術(shù)，第 48 卷，第 1期，第 39-47 頁，2011年 1月 5 日（"DevelopmentofaLow-pH FermentationStrategyforFumaricAcidProductionbyRhizopusoryzae,''Enzyme andMicrobialTechnology，Vol. 48,Issuel，pp. 39-47, 5January2011)，通過引用結(jié)合 在此。）
[0013] 例如，圖1示