CN105017003B - 纯化有机酸的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种纯化有机酸的方法，包括：(a)将无机絮凝剂加入含有有机酸的发酵液中以形成混合物；(b)将该混合物进行离心程序以获得上清液与沉淀物，其中该有机酸位于该上清液中；(c)将该上清液进行薄膜萃取程序以获得萃取液，其中该薄膜萃取程序包括：(i)将该上清液以油相进行油相萃取以形成油相萃取产物；以及(ii)将该油相萃取产物以反萃取相进行反萃取以形成该萃取液，其中于该反萃取期间，调整该反萃取相的pH值，以使于所形成的该萃取液中的该有机酸的至少一个羧基部分成为羧基盐状态；以及(d)将该萃取液进行结晶程序以获得该有机酸的结晶。

Description

纯化有机酸的方法

技术领域

本发明涉及一种有机酸的纯化方法，且特别涉及一种纯化由发酵过程所产生的有机酸的方法。

背景技术

有机酸的合成方式主要有两种，分别为化学法及生物技术。而生物技术合成法主要是利用微生物藉由发酵将碳源转化成有机酸。然而，发酵所生产的有机酸，浓度低，杂质多且复杂，且包含各式各样有机酸等副产物，因此建立一个简单又低成本的纯化程序相当不易。

又，有机酸发酵液内含有微生物、未使用完的碳源、悬浮物、各式各样的蛋白质、醇类及其他各种有机酸等，所以通常会先经由一系列的过滤程序进行固液分离，以移除大部分的固体悬浮物，接着经由蒸发器进行浓缩，然后再进行两次的结晶程序，以获得粗衣康酸。将粗衣康酸利用活性碳脱色后，再经由再结晶程序精制有机酸。

由于结晶程序的选择性低，因此，若要获得高纯度的有机酸，则需要进行一双结晶程序。但，在双结晶程序中的浓缩过程相当耗能，使得分离纯化成本占有机酸生产成本的一大部分。

因此，目前极需一可有效节能的纯化发酵过程所产生的有机酸的方法。

发明内容

本发明的纯化有机酸的方法可以解决习知所用结晶程序的选择性低，可得到高纯度的有机酸。

本发明提供一种纯化有机酸的方法，包括：(a)将无机絮凝剂加入含有有机酸的发酵液中以形成混合物；(b)将该混合物进行离心程序以获得上清液与沉淀物，其中该有机酸位于该上清液中；(c)将该上清液进行薄膜萃取程序以获得萃取液，其中该薄膜萃取程序包括：(i)将该上清液以油相进行油相萃取以形成油相萃取产物；以及(ii)将该油相萃取产物以反萃取相进行反萃取以形成该萃取液，其中于该反萃取期间，调整该反萃取相的pH值，以使于所形成的该萃取液中的该有机酸的至少一个羧基部分成为羧基盐状态；以及(d)将该萃取液进行结晶程序以获得该有机酸的结晶。

附图说明

图1显示了于本发明一实施例中所使用的薄膜萃取装置。

图2显示了本发明一实施例的衣康酸纯化流程图。

图3A显示了本发明一实施例的无机盐絮凝剂放大测试的流程。

图3B显示了本发明一实施例的超过滤流程。

图3C显示了本发明一实施例的薄膜萃取流程。

图3D显示了本发明一实施例的脱色程序流程。

图3E显示了本发明一实施例的第一次结晶流程。

图3F显示了本发明一实施例的蒸发、过滤除盐与第二次结晶流程。

图3G显示了本发明一实施例的结晶精制化的流程。

图4显示了本发明一实施例的衣康酸与琥珀酸在薄膜萃取的回收效益。

图5A显示了一传统双结晶程序的仿真流程图。

图5B显示了本发明的方法的模拟流程图。

具体实施方式

本发明提供一种纯化有机酸的方法。相较于习知的纯化由发酵过程所产生的有机酸的方法，除了可以得到高纯度的有机酸外，本发明的纯化有机酸的方法亦具有优异的节能功效。

在一实施例中，本发明的纯化有机酸的方法，可包括，但不限于下列所述步骤。

首先，将无机絮凝剂加入由发酵过程所产生的含有有机酸的发酵液中，以形成混合物。此步骤可视为前处理步骤，其中，藉由将无机絮凝剂添加于发酵液中，可使发酵液中的固体悬浮杂质沉淀，以使发酵液中的有机酸与固体悬浮杂质初步分离。

上述有机酸的例子，可包括，但不限于，衣康酸(itaconic acid)、琥珀酸(succinic acid)、苹果酸(maleic acid)、柠檬酸(citric acid)、富马酸(fumaric acid)、己二酸(adipic acid)与上述的组合等。在一实施例中，上述有机酸可为衣康酸。

而，上述无机絮凝剂可为无机盐类，但不限于此。上述无机盐类的例子，可包括，但不限于氯化钙(CaCl₂)、氯化铝(AlCl₃)、氯化铁(FeCl₃)、硫酸铝(Al₂(SO₄)₃·18H₂O)与上述的组合。在一实施例中，于本发明的纯化由发酵过程所产生的有机酸的方法中所使用的无机絮凝剂为氯化铁。

接着，将上述混合物进行离心程序，以获得上清液与沉淀物，其中有机酸位于上清液中。上述离心程序的离心速度为约4000-6000rpm，但不限于此。在一实施例中，离心速度为约4000-6000rpm。在一实施例中，离心速度为约6000rpm。

然后，将上述上清液进行薄膜萃取程序，以获得萃取液，其中所获得的萃取液含有经浓缩所得的有机酸。

于上述薄膜萃取程序中所使用的过滤材质的孔径可为约0.08-0.45μm，但不限于此。在一实施例中上述薄膜萃取程序中所使用的过滤材质的孔径为约0.2μm。

而，上述薄膜萃取程序中所使用的过滤材质可包括，但不限于疏水性过滤材质或中空过滤材质等，而上述疏水性过滤材质的例子，可包括聚丙烯(polypropylene,PP)、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethene,PTFE)与聚氟化二乙烯(polyvinylidene difluoride,PVDF)等，但不限于此。

再者，上述薄膜萃取程序可包括下述两步骤，但不限于此。

步骤1：先将上述上清液以油相来进行油相萃取以形成油相萃取产物。上述上清液与上述油相的重量比可为约1-10:1，但不限于此。

又，上述于油相萃取中所使用的油相可包括稀释剂、修饰剂与萃取剂。上述稀释剂、修饰剂与萃取剂的重量比可为约70-90:5-15:5-15，但不限于此。在一实施例中，稀释剂、修饰剂与萃取剂的重量比可为约70:15:15。在另一实施例中，稀释剂、修饰剂与萃取剂的重量比可为约80:10:10。又，在另一实施例中，稀释剂、修饰剂与萃取剂的重量比可为约85:5:10。在另一实施例中，稀释剂、修饰剂与萃取剂的重量比可为约85:7.5:7.5。在又另一实施例中，稀释剂、修饰剂与萃取剂的重量比可为约85:10:5。

上述油相中的稀释剂可为与水不互溶的有机溶剂，但不限于此。而上述与水不互溶的有机溶剂的例子，可包括，但不限于煤油、柴油、生质柴油、葵花油、大豆油、甲基异丁酮(methyl isobutyl ketone)、二氯甲烷(dichloromethane)与1-辛醇(1-octanol)等。

另，上述油相中的修饰剂可为含有磷的有机溶剂，但不限于此。而上述含有磷的有机溶剂的例子，可包括二(2-乙基己基)磷酸(di-2-ethylhexyl phosphoric acid,D2EHPA)、磷酸三丁酯(tri-n-butylphosphate,TBP)与三正辛基氧化膦(Tri-n-octylphosphine oxide,TOPO)等，但不限于此。

上述油相中的萃取剂可为脂肪族胺类，但不限于此。上述脂肪族胺类可包括，但不限于，甲基三辛基氯化铵(trioctylmethylammonium chloride,Aliquat336)、月桂基-三烷基甲基胺(lauryl-trialkylmethylamine,Amberlite LA-2)、三辛癸胺(tri-n-(octyl-decyl)-amine,TOA)或甲基三辛基胺(methyltrioctylamine,MTOA)等。

在上述薄膜萃取程序的步骤1完成后，可接着进行步骤2。步骤2：将步骤1中所获得的油相萃取产物以反萃取相来进行反萃取以形成萃取液，其中于反萃取期间，调整上述反萃取相的pH值，以使于所形成的萃取液中的有机酸的至少一个羧基部分成为羧基盐状态。即，在薄膜萃取程序之前，所欲纯化的有机酸的羧基部分皆为羧酸状态，而经过薄膜萃取程序之后，所欲纯化的有机酸的至少一个羧基部分成为羧基盐状态。

在上述薄膜萃取程序的步骤2中，油相萃取产物与反萃取相的重量比可为约1-4:4-1。在一实施例中，油相萃取产物与反萃取相的重量比可为约2:1。

于上述反萃取程序中所使用的反萃取相可包括水或碱性溶液，但不限于此。而，上述碱性溶液的例子可包括NaOH水溶液、NaCl水溶液、Na₂CO₃水溶液、NH₃水溶液与上述的组合等，但不限于此。

又，在上述薄膜萃取程序的步骤2中，可将反萃取相的pH值调整至约pH3.5-11。在一实施例中，所欲纯化的有机酸为衣康酸，且于上述薄膜萃取程序的步骤2中调整该油相萃取产物的pH值至约pH4-7。

在本发明的纯化由发酵过程所产生的有机酸的方法中，藉由薄膜萃取程序，可以同时纯化与浓缩有机酸，并减少后续的蒸发步骤中的处理量，进而降低蒸发的能耗。此外，于薄膜萃取程序中，不须大量使用萃取剂，且萃取剂也可重复使用，以连续地回收产品(有机酸)。

最后，本发明的纯化有机酸的方法中，在前述薄膜萃取程序完成之后，将在薄膜萃取程序中所获得的萃取液进行结晶程序，以获得所欲纯化的有机酸的结晶。上述结晶程序可于约5-15℃进行。在一实施例中，上述结晶程序可于约10℃进行。

视需要而定，上述本发明的纯化有机酸的方法，在前述将无机絮凝剂加入含有有机酸的发酵液中的步骤前，还可更包括调整发酵液至特定pH值，而此特定pH值可为约pH3-7。在一实施例中，所欲纯化的有机酸为衣康酸，且上述特定pH值为约pH3-6。

又，本发明的纯化有机酸的方法的另一实施例中，视需要而定，在上述离心程序与上述薄膜萃取程序之间，还可更包括，将上述离心程序所获得的沉淀物以清洗溶剂清洗并混合以形成第二混合物，接着，将所述第二混合物过滤以形成滤液与滤渣，然后，将此滤液加至上述离心程序所获得的上清液中。藉由此将沉淀物清洗并回收洗提物的步骤，可提高所欲纯化的有机酸的回收率。

于此实施例中，上述沉淀物与清洗溶剂的重量比可为约1-10:1。而，清洗溶剂的例子可包括水、醇类、乙晴、丙酮与上述的组合等，但不限于此。

另，本发明的纯化由发酵过程所产生的有机酸的方法的另一实施例中，视需要而定，在上述离心程序与上述薄膜萃取程序之间，还可更包括，将上述离心程序所获得的上清液进行超过滤程序。

上述超过滤程序中所使用的过滤材质的标称分子量限制(nominal molecularweight limit,NMWL)可为约3-30kDa，但不限于此。在一实施例中，上述超过滤程序中所使用的过滤材质的标称分子量限制可为约10kDa。

再者，上述超过滤程序中所使用的过滤材质可包括，但不限于，聚苯乙烯(polystyrene,PS)、聚砜(polysulfone)、聚丙烯(polypropylene,PP)、聚醚砜(polyethersulfone,PES)、聚氟化二乙烯(polyvinylidene difluoride,PVDF)或中空过滤材质等。

此外，在本发明的纯化有机酸的方法中，在前述薄膜萃取程序与结晶程序之间，视需要而定，更包括，将于上述薄膜萃取程序中所获得的萃取液进行微过滤程序。于微过滤程序中所使用的过滤材质的孔径可为约0.2-1μm，但不限于此。

在本发明的纯化有机酸的方法中，在前述薄膜萃取程序与结晶程序之间，视需要而定，还可更包括，调整上述薄膜萃取程序所获得的萃取液至特定pH值，而此特定pH值可为约pH2.5-4。在一实施例中，所欲纯化的有机酸为衣康酸，且上述特定pH值为约pH2.5-3。

在本发明的纯化由发酵过程所产生的有机酸的方法的又另一实施例中，在前述薄膜萃取程序与结晶程序之间，视需要而定，还可更包括，将上述薄膜萃取程序所获得的萃取液进行脱色程序。于脱色程序中，可去除可溶解的杂质。

上述脱色程序可藉由添加活性碳于上述萃取物中且之后加热至约60-90℃来进行，但不限于此。在一实施例中，脱色程序的加热的温度可为约70-80℃。

在本发明方法的含有脱色程序的实施例中，上述结晶程序，可藉由将经脱色的萃取液两段式降温至约5-15℃来进行。

又，在本发明的纯化有机酸的方法中，视需要而定，在上述结晶程序之后，还可更包括，将上述结晶程序完成后所剩余的萃取液进行蒸发程序以获得浓缩萃取液，接着将浓缩萃取液于尚未降温状态(即，高温状态)下进行过滤程序以获得经去盐的溶液，并且之后将经去盐的溶液进行第二结晶程序以获得有机酸的结晶。上述蒸发程序可提升有机酸的浓度，进而增加后续结晶的回收效率。此外，利用盐类在高温下的溶解度远低于有机酸的特性，以上述尚未降温状态下执行过滤的程序，可达成有效去盐的功效。

上述尚未降温的状态，即为高温状态，其可为约60-90℃。在一实施例中，上述尚未降温的状态可为约70-80℃。

而上述第二结晶程序，可藉由将经去盐的溶液两段式降温至约5-15℃来进行，但不限于此。在一实施例中。可藉由将经去盐的溶液两段式降温至约10℃来进行。

此外，同样视需要而定，在上述第二结晶程序之后，还可更包括，将上述第二结晶程序完成后所剩余的经去盐的溶液进行蒸发程序以获得浓缩去盐溶液、接着，将浓缩去盐溶液进行第三结晶程序以获得含有该有机酸的固体，然后将固体以清洗溶剂清洗以洗出有机酸，与最后，将该有机酸进行蒸发程序以脱除该清洗溶剂并获得该有机酸结晶。

上述第三结晶程序可于约5-15℃来进行，但不限于此。在一实施例中，第三结晶程序可于约15℃来进行。

又，上述固体与用以清洗此固体的清洗溶剂的重量比可为约1-1:1-4，但不限于此。在一实施例中，上述固体与用以清洗此固体的清洗溶剂的重量比可为约1:3。而，用以清洗此固体的清洗溶剂的例子可包括，但不限于水、醇类、乙晴、丙酮与上述的组合等。

相较于习知的方法，藉由本发明的方法来纯化由发酵过程所产生的有机酸，可节省至少60％的能量消耗。又藉由本发明的方法来纯化由发酵过程所产生的有机酸，可以达成至少85％的回收效率。

实施例

实施例1

条件测试

A.无机盐絮凝剂的沉淀测试

于此测试中，将衣康酸发酵液以各种不同的无机絮凝剂进行沉淀测试。

由于衣康酸发酵液成分相当复杂，不仅仅有多种小分子的盐类与有机酸，还有很多会造成薄膜堵塞的固体杂质，所以如果仅以微过滤程序进行初步分离，微过滤膜容易严重结垢，而造成滤速严重衰减，并会使得薄膜使用寿命下降。因此，在从发酵液纯化衣康酸的时，需要进行前处理以减少固体杂质。于此测试中，以四种常见的无机盐类CaCl₂、AlCl₃与FeCl₃做为絮凝剂。

将发酵液调整到适当的pH值后，取适当浓度1毫升的絮凝剂溶液于20ml的发酵液中，在室温下，搅拌1小时以形成混合物(于玻璃容器中)。接着，取上述混合物8或10g于离心管内静置1小时，之后以6000rpm离心5分钟，以藉由沉降离心的方式来去除复杂的固体杂质。然后，取上层澄清液体，来进行粒径与浓度分析。pH6的发酵液与pH3的发酵液的结果分别如表1与表2所示。

表1：各种絮凝剂浓度对pH值为6的发酵液的影响

表2：各种絮凝剂浓度对pH值为3的发酵液的影响

于此测试中，以沉降离心后下层液的重量、上层液的粒径分析以及衣康酸损失的情形，来判断絮凝剂对不同pH值发酵液的前处理的效果。

根据表1可知，在发酵液pH值为6的情况下，以A3、A7与A8的条件进行前处理，絮凝剂都可有效发挥作用并增加分子的粒径，使许多杂质可以离心沉降出来，但其所造成的IA损失分别为24.4％、40.0％与27.7％。

而根据表2可知，在发酵液pH值为3的情况下，以B5与B9的条件进行前处理，可以获得较好的分离效能与较低的衣康酸损失。

B.薄膜萃取

1.薄膜萃取的装置与操作条件

利用Liqui-cel的聚丙烯(polypropylene,PP)中空纤维模块做为具分散反萃取相支撑式液膜回收衣康酸。图1显示于本发明实验中所使用的薄膜萃取装置。

参见图1，聚丙烯(polypropylene,PP)中空纤维模块101的左侧为壳侧(shellside)103，而聚丙烯中空纤维模块101的右侧为管侧(tube side)107。于薄膜萃取期间，经由管线将含有有机酸的油相与反萃取相的混合液105由上往下引入壳侧103，且经由管线将进料上清液109由下往上引入管柱侧107。相对地，于清洗聚丙烯中空纤维模块101期间，经由管线将清洗液由下往上引入壳侧103以清洗壳侧103，并经由管线将清洗液由上往下引入管侧107以清洗管侧107。

根据图1，来连接管线。确认管线流程无误后，开启进料的磁石搅拌器与连接进料上清液的蠕动泵，并调整蠕动泵转速，以将进料上清液以0.5～1L/分钟的流速输送进入中空纤维模块101的管侧104。中空纤维模块101在操作中为直立式，进料上清液的流向为下进上出。由于中空纤维管为疏水的聚丙烯材质，故待进料溶液填满管侧而流出后，调整流量计阀门，于管侧施加约4psi的压力，以防止油相与反萃取相渗透至进料溶液中。将适量萃取剂(油相)和反萃取剂(反萃取相)混合置入同一容器，调整搅拌器的搅拌叶片展开时在两相液面之间，开启搅拌器，转速设定于300rpm，使两相均匀分散。

开启连接油相的蠕动泵电源，调整蠕动泵上的转速，将油相与反萃取相的分散液以0.5L/分钟的流速输送至模块101的壳侧103，流向为上进下出而与进料溶液相反(counter-current flow)。待进料上清液与油相/反萃取相混合溶液于薄膜的界面接触时，从油相开始流进模块的时间，开始计时在一定的时间点(每30分钟)，吸取定量的进料上清液及油液，以便后续量测步骤。

实验结束后，分开收集油相跟反萃取相的液体，分别使用2wt％NaOH水溶液、异丙醇与纯水清洗膜组后，同时从管层及壳层的管线进料端输入高压空气，使其干燥4小时。

2.薄膜萃取的测试

(a)油相萃取的测试

薄膜萃取的油相包含稀释剂、修饰剂与萃取剂。修饰剂的选择重点在于其可帮助萃取剂与有机酸所形成的化合物溶解在稀释剂里，其次则是考虑其价格与水溶性；而，萃取剂的选择重点在于其可有效捉取所欲纯化的有机酸，并可容易地再反萃取到水相，其次则是考虑其生物毒性与价格。

于本测试中，使用二(2-乙基己基)磷酸(di-2-ethylhexyl phosphoric acid,D2EHPA)或磷酸三丁酯(tri-n-butylphosphate,TBP)做为修饰剂，及使用甲基三辛基氯化铵(trioctylmethylammonium chloride,Aliquat336)或三辛癸胺(tri-n-(octyl-decyl)-amine,TOA)为萃取剂，并探讨其在多成分萃取时的使用性及选择性。所使用的修饰剂与萃取剂的特性如表3所示。

表3：修饰剂及萃取剂的基本性质

而修饰剂，二(2-乙基己基)磷酸(di-2-ethylhexyl phosphoric acid,D2EHPA)与磷酸三丁酯(tri-n-butylphosphate TBP)的结构分别如下所示：

二(2-乙基己基)磷酸(D2EHPA)

磷酸三丁酯(TBP)

另，萃取剂，甲基三辛基氯化铵(trioctylmethylammonium chloride,Aliquat336)或三辛癸胺(tri-n-(octyl-decyl)-amine,TOA)的结构分别如下所示：

甲基三辛基氯化铵(Aliquat336)

三辛癸胺(TOA)

于本测试中，以摇瓶实验进行萃取。进料为20g的混合有机酸水溶液，进料组成为20mg/ml的衣康酸、3.7mg/ml的柠檬酸(citric acid,CA)、2.9mg/ml的苹果酸(malic acid,MA)、0.87mg/ml的琥珀酸(succinic acid,SA)及4.7mg/ml的(甘油glycerol,Gly)。进料的衣康酸纯度为61.7％。油相则是20g的稀释剂、修饰剂及萃取剂的混合溶液。

在30℃及100rpm的条件下摇瓶2小时，反萃取液则是20g的0.34M的NaCl水溶液。在实验前须先调整进料上清液的pH值，因为在此所选用的萃取剂，需衣康酸在非解离的条件下才可以与萃取剂形成化合物，衣康酸的pka分别是3.65及5.13，所以在此将pH值固定调整在pH3的情况下进行萃取。实验结果如表4所示。

表4：修饰剂及萃取剂对萃取效率的影响

根据表4可知，由实验A、B及C可知，若以TBP为修饰剂，衣康酸与萃取剂所形成的化合物不溶解于油相跟水相，因此有第三相的产生，可能不利于薄膜萃取的系统，因此选用D2EHPA做为修饰剂较佳。

由实验A、D、E及F可发现，衣康酸回收率并不会随着修饰剂及萃取剂的浓度增加而上升，反而是在稀释剂与修饰剂加萃取剂的组合在85比15最佳，其中修饰剂与萃取剂的比例对回收率无太大影响，仅对溶液黏度有所差别，且以实验F所回收的衣康酸纯度最高，因此再以实验F的比例探讨不同的萃取剂和稀释剂的影响。

由实验F、G、H及I的结果得知，不同组合对于最后回收到的衣康酸纯度没有太大差异，但是使用生质柴油可以得到较高的回收率，惟生质柴油在萃取时的黏度较高，使用时需留意溶液变化，避免黏度增加导致结垢的问题。

(b)反萃取的测试

在反萃取方面，于本测试中，以摇瓶实验进行萃取。进料为20g的混合有机酸水溶液，进料组成为23.4mg/ml的衣康酸、2.2mg/ml的柠檬酸、2.65mg/ml的苹果酸、0.85mg/ml的琥珀酸、4.2mg/ml的甘油及13.9mg/ml的MeOH。进料的IA纯度为49.5％。20g油相内含的85wt％的煤油、10wt％的D2EHPA及5wt％的Aliquat336的混合溶液，在30℃及100rpm的条件下摇瓶2小时，反萃取剂则是20g的NaCl、NaOH或Na₂CO₃水溶液。

表5：反萃取剂对萃取效率的影响

根据表5可知，无论使用何种盐类或不同的盐类浓度下，其回收后的衣康酸纯度皆在70％以上，其中使用Na₂CO₃或高浓度的NaCl的效果最好，然而使用NaOH或是Na₂CO₃做为反萃取剂的回收效率最高，但在反萃取时会有第三相的形成且溶液黏度增加。因此为了避免结垢的产生造成薄膜寿命下降，结垢是否产生变成最重要的选择考虑。

实施例2

自衣康酸发酵液纯化衣康酸

A.流程概述

衣康酸纯化流程图如图2所示。参见图2。将原本pH值约为6-7的发酵液1公升，利用6M的H₂SO₄调整其pH值至3(步骤201)。接着加入2M的FeCl₃溶液以进行前处理(步骤203)并在室温下搅拌均匀后，静置数小时后，离心得上层清液(步骤205)，下层含水沉淀再以抽气过滤(步骤207)及适量水洗，溶出衣康酸水溶液，减少衣康酸的损失。然后，衣康酸溶液继续再以超过滤去除小分子的固体杂质(步骤209)。将滤液的pH值调整至小于5.2(步骤211)后以薄膜萃取法进行纯化与浓缩(步骤213)。之后，浓缩提纯的衣康酸溶液(非必要)，再调整溶液的pH值(步骤215)的后，进行活性碳脱色(步骤217)。降温至10度进行结晶(步骤219)，收取适量高纯度的衣康酸晶体，剩下的液体再利用蒸发方式浓缩至一定程度(步骤221)后，马上在高温下进行过滤除盐(步骤223)，之后降温进行结晶(步骤225)，得到衣康酸晶体。

B.各步骤的测试与结果

1.Fe系列絮凝剂前处理的放大测试

无机盐絮凝剂放大测试的流程如图3A所示。参见图3A。利用6M的H₂SO₄调整将进料的发酵液pH值至3(步骤201)后，加入适量的2M的FeCl₃溶液(步骤203)并在室温下搅拌均匀后，静置数小时以进行前处理。之后，将前处理后的发酵液离心得上层清液(步骤205)，并将下层以适量的清水冲洗后过滤(步骤207)。清洗液体与发酵液的重量百分比约为0:1至1:1。处理结果如表6所示。

需注意的是，下方各表中所示样本名称数字部分相同的样本，为与连贯前一步骤的样本。

表6：Fe系列絮凝剂前处理

根据表6可知，藉由此处理步骤使衣康酸的回收率增加至90-100％。

2.超过滤

图3B显示利用超过滤的流程，絮凝处理后的上层清液则与下层清水冲洗的过滤液混合进入超过滤的流程。用10kDa的聚砜(polysulfon)中空纤维膜进行超过滤(步骤209)，将超过滤的压力控制在5-10psi，扫流速度控制在5L/分钟，处理结果如表7所示。

表7：超过滤的效率

根据表7可知，在超过滤步骤中，衣康酸回收率约为96.7-100％，而回收滤速约为2.33-15ml/m²·分钟。

3.薄膜萃取

图3C显示利薄膜萃取的流程。利用Liqui-cel的PP中空纤维模块做为具分散反萃取相支撑式液膜来进行薄膜萃取(步骤213)，以在超过滤之后回收衣康酸。

在萃取剂组成为煤油/D2EHPA/Aliquat336并重复使用的情况下，在超过滤后回收衣康酸，结果如表8所示。

根据表8可知，在薄膜萃取程序中，在操作时间2-4小时内，利用0.5-5.5M的NaOH，可浓缩衣康酸2-4倍，回收率为63.8-112.5％，衣康酸回收滤速为1.6-9.3gIA/m²hr。

3.脱色

图3D显示脱色程序的流程。参见图3C。将经由薄膜萃取提纯浓缩后的衣康酸溶液，在pH3-5.66之间加入1wt％的活性碳(步骤217A)以在70-80℃的情况下进行脱色(步骤217B)。结果如表9所示。

表9：脱色处理

根据表9可以得知，经脱色处理后，衣康酸的回收率在70.7-100％之间，其中以pH3或pH3以下脱色可得较好的回收率。

4.第一次结晶

图3E图显示第一次结晶的流程。参见图3E。将溶液调整在pH为3的情况下，两段式降温至10度进行结晶(步骤219)。衣康酸回收结果如表10所示。

表10：第一次结晶

根据表10可知，第一次结晶所得晶体纯度为94.5-99.4％，而晶体回收率为14.6-50.3％。

后续衣康酸溶液(D_out)则可再继续蒸发除水进行第二次结晶。

5.蒸发、过滤除盐、第二次结晶

图3F显示蒸发、过滤除盐与第二次结晶的流程。参见图3F。首先将衣康酸溶液利用蒸发浓缩(步骤221)至一定程度。接着，由于溶液中亦含有高浓度的NaCl，因此利用盐类在高温下的溶解度远低于有机酸的特性，以过滤的方式脱除盐(步骤223)。然后以两段式降温至10℃，进行结晶(步骤225)。第二次结晶的回收结果如表11所示。

表11：蒸发、过滤与第二次结晶

根据表11可知，在蒸发、过滤除盐与第二次结晶的流程后所得晶体纯度为71.7-99.5％，而第二次结晶的晶体回收率为16.8-47.5％。

后续衣康酸溶液(C_out2)则可回到图2中的步骤219与步骤221之间，或是以下述方式继续结晶。

6.结晶精制化

图3G显示结晶精制化的流程。参见图3G。将来自图3F中的C_out2的衣康酸溶液，继续蒸发脱除大部分的水后(步骤227)，在低温下结晶(步骤229)，使固体晶体产生。然后再以重量比为1:3-4的甲醇清洗(步骤231)固体结晶。洗出含有衣康酸的溶液后，再利用蒸发脱除甲醇(步骤233)。结晶精制化的流程的衣康酸回收结果如表12所示。

表12：结晶与溶剂清洗

根据表12可知，在结晶精制化的过程中，衣康酸回收率可达97.1-100％，未干燥前的纯度为55-87％(含甲醇)，真空烘箱干燥后的纯度可达98％以上。

7.整体回收率

参见图2。图2中的所标示的各流程的产出，产出(OP)1-9的衣康酸回收率，以及本发明纯化方法的整体回收率分别显示于下方的表13中。

表13：衣康酸回收率

表13显示，经过前处理、超过滤与薄膜萃取的流程约会损失0至9.6％的衣康酸，而在产出7、产出8与产出9共可回收到91.1至92.3％的衣康酸藉由本发明的纯化方法，可使衣康酸具有85％以上的回收率。

实施例3

琥珀酸于薄膜系统中的回收

以煤油/D2EHPA/Aliquat336的组合为萃取剂，以2M的NaOH与5M的NaCl的混合溶液为反萃取相，来对含58.7g/L的琥珀酸发酵液的进料进行薄膜萃取。结果显示于表14中。

表14：琥珀酸的薄膜萃取

结果显示，薄膜萃取可回收90.4％的琥珀酸。又，衣康酸与琥珀酸在薄膜萃取的回收效益比较如图4所示。由图4可知，在薄膜萃取流程中，若搭配适当的条件，则可在四小时的操作时间内回收90％以上的目标有机酸。

又，以与实施例2中所示的相同纯化流程来纯化琥珀酸发酵液。依据图2中的所标示的各流程的产出，产出(OP)1-9的琥珀酸回收率，以及本发明纯化方法的整体回收率分别显示于下方的表15中。

表15：琥珀酸的回收率

结果显示，纯化流程中，琥珀酸的总流程回收率约为70.3％，低于衣康酸，单纯化过程中不需经过脱色，且仅需一次浓缩与结晶程序。

实施例4

本发明与先前技术的能耗评估与回收率比较

1.传统双结晶方式的能耗分析

商业化的衣康酸制程是以连续式蒸发浓缩及双结晶(2-stage crystallization)方式纯化衣康酸。于此实验中模拟商业化双结晶的分离纯化程序流程图。商业化双结晶的分离纯化程序流程图如图5A所示。

将过滤后的发酵液由储槽进入第一段蒸发系统(EVAP-1)，以使发酵液由10wt％衣康酸浓缩至37wt％。第一段蒸发系统采用双效蒸发(Double-effect evaporation)系统(EVAP-1)(EVAP-1是双效蒸发罐，故计算上需计算2个蒸发的能耗，能耗为E-201&E-202)。浓缩的发酵液再进入第一结晶罐(CRYST-1)，结晶温度操作于15℃，90％左右的衣康酸可于此结晶出来。剩余液体再进入第一离心机(CFG-1)将固液分离。离心液体进入第二蒸发器(EVAP-2)(能耗E-203)继续浓缩脱水，再进入第二结晶罐(CRYST-2)，结晶温度操作于15℃，再进入第二离心机(CFG-2)将固液分离，可再回收约5％的衣康酸，离心的剩余液体当作废弃物。离心机CFG-1及CFG-2分离出的结晶衣康酸需再进入活性碳槽(A-CARBON)，内含衣康酸的1wt％的活性碳，并以80℃热水溶解衣康酸以进行衣康酸脱色，接着再以过滤器(FILTER)滤除活性碳及固体杂质。脱色后的滤液再进入第三结晶罐(CRYST-3)，结晶温度操作于15℃，再进入第三离心机(CFG-3)将固液分离，结晶衣康酸于此分离出来，再进入旋转干燥机(DRYER)继续脱水干燥，最终衣康酸纯度可达99.5wt％。离心机CFG-3离心出的液体仍含有少量衣康酸，可再循环进入第一段蒸发系统(EVAP-1)，继续回收衣康酸，以提高回收率。

根据图5A显示传统双结晶程序的仿真流程图，来分析大肠杆菌发酵(Titer＝8％)+传统双结晶制程的模拟能耗。

上述模拟的设计基础如下：

发酵液衣康酸浓度＝8wt％，衣康酸回收率＝95％。

衣康酸产出＝20,000ton/年。

操作小时＝8,000hr/年。

而，结果如表16所示。

表16：仿真传统双结晶程序的能耗的结果

注：K-101与K-102为发酵过程中压缩机的能耗，因此未显示于图5A所示的分离纯化程序流程图中，但在能耗计算上需将其列出。

2.本发明的方法的能耗分析

图5B显示本发明的方法的模拟流程图。由图5B可知，本发明方法需经过、无机盐前处理、离心(CFG-1)、过滤(FILT-1)、过滤(UF)、薄膜萃取(ME)、第一次结晶与离心(CRYST-1、CFG-1)、脱色(A-CARBON)、过滤(FILT-2)、能缩的双效蒸发器(EVAP)(EVAP是双效蒸发罐，故计算上需计算2个蒸发的能耗，能耗为E-201&E-202)、第二次结晶与离心(CRYST-2、CFG-2)、干燥机(DRYER)与泵(Pumps)等程序与装置，其中图5B图所示MIX-1与MIX-2为两个混合2股进料的装置。

根据图5B显示本发明方法的仿真流程图，来分析大肠杆菌发酵(Titer＝8％)+本发明方法的模拟能耗。

上述模拟的设计基础如下：

发酵液衣康酸浓度＝8wt％，衣康酸回收率＝95％。

衣康酸产出＝20,000ton/年。

操作小时＝8,000hr/年。

而，结果如表17所示。

表17：模拟本发明方法的能耗的结果

注：K-101与K-102为发酵过程中压缩机的能耗，因此未显示于图5B所示的分离纯化程序流程图中，但在能耗计算上需将其列出。

3.传统双结晶与本发明方法回收衣康酸的比较

根据表16与表17所示的结果，于表18中整合出传统双结晶程序与本发明方法回收衣康酸的特性。

表18、传统双结晶程序与本发明方法回收衣康酸的特性

符号说明

P～压力计；

F～流速计；

101～聚丙烯(polypropylene,PP)中空纤维模块；

102～泵；

103～壳侧(shell side)；

104～搅拌器；

105～油相；

107～管侧(tube side)；

109～反萃取相；

201～调整pH值至pH<7；

203～前处理；

205～离心；

207～过滤；

209～超过滤；

211～调整pH值至pH<5.2；

213～薄膜萃取；

215～调整pH值至pH<6.5；

217～脱色与过滤；

219～结晶；

221～蒸发；

223～过滤；

225～结晶；

225’～蒸发与甲醇清洗；

227～蒸发；

OP1-OP9～产出1-产出9；

229～结晶于15℃；

231～清洗；

233～蒸发；

STEAM～蒸气；

EVAP-1、EVAP～双效蒸发罐；

CRYST-1～第一结晶罐；

CFG-1～第一离心机；

EVAP-2～第二蒸发器；

CRYST-2～第二结晶罐；

CFG-2～第二离心机；

A-CARBON～活性碳槽；

FILTER、FILT-1、FILT-2～过滤器；

CRYST-3～第三结晶罐；

CFG-3～第三离心机；

DRYER～干燥机；

UF～过滤；

ME～薄膜萃取；

MIX-1、MIX-2～混合装置；

P-101、P-102、P-103～泵。

Claims (33)

1.一种双结晶纯化有机酸的方法，包括：

(a)将无机絮凝剂加入含有有机酸的发酵液中以形成混合物；

(b)将该混合物进行离心程序以获得上清液与沉淀物，其中该有机酸位于该上清液中；

(c)将该上清液进行薄膜萃取程序以获得萃取液，其中该萃取液含有经浓缩的有机酸，

其中该薄膜萃取程序包括：

(i)将该上清液以油相进行油相萃取以形成油相萃取产物；以及

(ii)将该油相萃取产物以反萃取相进行反萃取以形成萃取液，其中于该反萃取期间，调整该反萃取相的pH值，以使于所形成的萃取液中的有机酸的至少一个羧基部分成为羧基盐状态；

(d)将该萃取液进行结晶程序以获得该有机酸的结晶；

(e)将该结晶程序完成后所剩余的该萃取液进行蒸发程序以获得浓缩萃取液；

(f)将该浓缩萃取液于尚未降温状态下进行过滤程序以获得经去盐的溶液；以及

(g)将该经去盐的溶液进行第二结晶程序以获得该有机酸的结晶,

其中该有机酸为衣康酸、苹果酸、柠檬酸、富马酸、己二酸或上述的组合。

2.如权利要求1所述的纯化有机酸的方法，其中该絮凝剂包括无机盐类。

3.如权利要求2所述的纯化有机酸的方法，其中该无机盐类包括氯化钙(CaCl₂)、氯化铝(AlCl₃)、氯化铁(FeCl₃)、硫酸铝或上述的组合。

4.如权利要求3所述的纯化有机酸的方法，其中该硫酸铝为Al₂(SO₄)₃·18H₂O。

5.如权利要求1所述的纯化有机酸的方法，其中于该薄膜萃取程序中所使用的过滤材质包括疏水性过滤材质或中空过滤材质。

6.如权利要求5所述的纯化有机酸的方法，其中该疏水性过滤材质包括聚丙烯、聚四氟乙烯或聚氟化二乙烯。

7.如权利要求1所述的纯化有机酸的方法，其中该上清液与该油相的重量比为1-10:1。

8.如权利要求1所述的纯化有机酸的方法，其中该油相包括稀释剂、修饰剂与萃取剂。

9.如权利要求8所述的纯化有机酸的方法，其中该稀释剂、该修饰剂与该萃取剂的重量比为70-90:5-15:5-15。

10.如权利要求8所述的纯化有机酸的方法，其中该稀释剂为与水不互溶的有机溶剂，其中该与水不互溶的有机溶剂包括煤油、柴油、生质柴油、葵花油、大豆油、甲基异丁酮、二氯甲烷或1-辛醇。

11.如权利要求8所述的纯化有机酸的方法，其中该修饰剂为含有磷的有机溶剂，其中该含有磷的有机溶剂包括二(2-乙基己基)磷酸、磷酸三丁酯或三正辛基氧化膦。

12.如权利要求8所述的纯化有机酸的方法，其中该萃取剂为脂肪族胺类，其中该脂肪族胺类包括甲基三辛基氯化铵、月桂基-三烷基甲基胺、三辛癸胺或甲基三辛基胺。

13.如权利要求1所述的纯化有机酸的方法，其中该油相萃取产物与该反萃取相的重量比为1-4:4-1。

14.如权利要求1所述的纯化有机酸的方法，其中于步骤(ii)中调整该油相萃取产物的pH值至pH 3.5-11。

15.如权利要求1所述的纯化有机酸的方法，其中该有机酸为衣康酸，且于步骤(ii)中调整该油相萃取产物的pH值至pH 4-7。

16.如权利要求1所述的纯化有机酸的方法，其中该反萃取相包括水或碱性溶液，其中该碱性溶液包括NaOH水溶液、Na₂CO₃水溶液、NH₃水溶液或上述的组合。

17.如权利要求1所述的纯化有机酸的方法，其中该反萃取相包括NaCl水溶液。

18.如权利要求1所述的纯化有机酸的方法，其中该结晶程序于5-15℃来进行。

19.如权利要求1所述的纯化有机酸的方法，于该步骤(a)之前，更包括调整该发酵液至特定pH值，其中该特定pH值为pH 3-7。

20.如权利要求1所述的纯化有机酸的方法，于该步骤(b)与该步骤(c)之间，更包括：

将该沉淀物以清洗溶剂清洗并混合以形成第二混合物；

将该第二混合物过滤以形成滤液与滤渣；以及

将该滤液加至该上清液中。

21.如权利要求20所述的纯化有机酸的方法，其中该沉淀物与该清洗溶剂的重量比为1-10:1。

22.如权利要求1所述的纯化有机酸的方法，于该步骤(b)与该步骤(c)之间，更包括将该上清液进行超过滤程序。

23.如权利要求22所述的纯化有机酸的方法，其中于该超过滤程序中所使用的过滤材质包括聚苯乙烯、聚砜、聚丙烯、聚醚砜、聚氟化二乙烯或中空过滤材质。

24.如权利要求1所述的纯化有机酸的方法，于该步骤(c)与(d)之间，更包括将该萃取液进行微过滤程序。

25.如权利要求1所述的纯化有机酸的方法，于该步骤(c)与(d)之间，更包括调整该萃取液至特定pH值，其中该特定pH值为pH 2.5-4。

26.如权利要求25所述的纯化有机酸的方法，其中该有机酸为衣康酸，且该特定pH值为pH 2.5-3。

27.如权利要求1所述的纯化有机酸的方法，于该步骤(c)与(d)之间，更包括将该萃取液进行脱色程序。

28.如权利要求27所述的纯化有机酸的方法，其中该脱色程序藉由添加活性碳于该萃取物中且之后加热至60-90℃来进行。

29.如权利要求28所述的纯化有机酸的方法，其中该结晶程序藉由将该萃取液两段式降温至5-15℃来进行。

30.如权利要求1所述的纯化有机酸的方法，其中该第二结晶程序藉由将该经去盐的溶液两段式降温至5-15℃来进行。

31.一种纯化有机酸的方法，其中在如权利要求1所述的双结晶纯化有机酸的方法的步骤(g)之后，包括：

(h)将该第二结晶程序完成后所剩余的该经去盐的溶液进行蒸发程序以获得浓缩去盐溶液；

(i)将该浓缩去盐溶液进行第三结晶程序以获得含有该有机酸的固体；

(j)将该固体以清洗溶剂清洗以洗出该有机酸；

(k)将该有机酸进行蒸发程序以脱除该清洗溶剂并获得该有机酸结晶。

32.如权利要求31所述的纯化有机酸的方法，其中该第三结晶程序于5-15℃来进行。

33.如权利要求31所述的纯化有机酸的方法，其中该固体与该清洗溶剂的重量比为1-1:1-4。