DE60015984T2

DE60015984T2 - Verfahren zum gewinnen von organischen säuren

Info

Publication number: DE60015984T2
Application number: DE60015984T
Authority: DE
Inventors: M. Kevin MOORE; J. Alexandra Sanborn
Original assignee: Archer Daniels Midland Co
Current assignee: Archer Daniels Midland Co
Priority date: 1999-08-03
Filing date: 2000-08-02
Publication date: 2005-03-31
Anticipated expiration: 2020-08-03
Also published as: ES2231259T3; CN1372537A; KR20020019598A; EP1206435A1; WO2001009074A1; AU7390400A; AU780298B2; CA2380168A1; DE60015984D1; MXPA02001172A; EP1206435B1; BR0012953A; ATE282588T1; JP2003518366A; CA2380168C

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung und Reinigung von organischen Säuren aus einer wässrigen Lösung, wie einer Fermentationsbrühe.
Stand der Technik
Organische Säuren sind wichtige kommerzielle Chemikalien mit vielen Anwendungen in der Lebensmittel- und pharmazeutischen Industrie. Beispielsweise kann Milchsäure zu einer Vielzahl von Nahrungsmitteln als Konservierungsmittel zugesetzt werden und wird in medizinischen Zubereitungen und als Monomer für die Herstellung von biologisch abbaubaren Kunststoffen, die in Nahtmaterialien, Prothesen und wirkstoffabgebenden Systemen mit kontrollierter Freisetzung verwendet werden, eingesetzt.
Organische Säuren können entweder durch chemische Synthese oder durch mikrobielle Fermentation hergestellt werden. Historisch wurden organische Säuren aus tierischen Fetten oder aus Pflanzenölquellen oder aus Petroleumquellen in im wesentlichen nicht wässrigen Systemen gewonnen. Seit jedoch bekannt ist, dass eine Vielzahl von Mikroorganismen wertvolle organische Säuren produzieren können, wurden Verfahren zur Gewinnung von organischen Säuren, die durch mikrobielle Fermentation hergestellt wurden, entwickelt. Siehe US-Patente Nr. 5,681,728; 5,034,105; 5,002,881; und 4,882,277.
Im Verfahren zur Herstellung von organischen Säuren ist der Fermentationsschritt relativ einfach. Die Schritte zur Gewinnung und Reinigung des Produkts, d. h. einer organischen Säure, sind jedoch üblicherweise kompliziert und von geringer Effizienz. Beispielsweise wird die Gewinnung einer repräsentativen organischen Säure, 2-Keto-L-gulonsäure, wie folgt durchgeführt.
2-Keto-L-gulonsäure ist ein wichtiges Zwischenprodukt bei der Herstellung von L-Ascorbinsäure (Vitamin C), einem essentiellen Nährstoff. In der Vergangenheit wurde 2-Keto-L-gulonsäure in industriellem Maßstab synthetisiert unter Anwendung des Reichstein-Verfahrens (Helvetica Chimica Acta 17, 311 (1934)). Dieses Verfahren hat jedoch eine Vielzahl von Nachteilen für die kommerzielle Anwendung, einschließlich der Verwendung von großen Mengen an Lösungsmitteln und der Verwendung einer Vielzahl von komplexen Reaktionsschritten.
Folglich wurden eine Vielzahl von Verfahren, die einen oder mehrere Mikroorganismen verwenden, als Alternativen für das Reichstein-Verfahren zur kommerziellen Produktion von 2-Keto-L-gulonsäure durch Fermentation entwickelt. Beispielsweise beschreibt das US-Patent Nr. 2,421,611 ein Verfahren, umfassend die mikrobielle Oxidation von D-Glucose zu 5-Keto-D-gluconsäure, gefolgt von der chemischen oder mikrobiellen Reduktion zu L-Idonsäure und der anschließenden mikrobiellen Oxidation zu 2-Keto-L-gulonsäure. Fermentative Wege, umfassend die Oxidation von L-Sorbose zu 2-Keto-L-gulonsäure über ein Sorboson-Zwischenprodukt wurden ebenfalls entwickelt und verwenden, beispielsweise Gluconobacter oxydans (US-Patente Nr. 4,935,359; 4,960,695; und 5,312,741), Pseudogluconobacter saccharoketogenes (US-Patent Nr. 4,877,735), Pseudomonas sorbosoxidans (US-Patente Nr. 4,892,823 und 4,933,289), und Mischungen von Mikroorganismen (US-Patente Nr. 3,234,105; 3,907,639; und 3,912,592).
Ähnlich wie in den für die Herstellung von anderen organischen Säuren angewendeten Fermentationsverfahren wird die 2-Keto-L-gulonsäure, die als Stoffwechselprodukt erhalten wird, üblicherweise durch Zugabe einer Base, z. B. Natriumhydroxid oder Calciumhydroxid, neutralisiert, um den pH-Wert einzustellen und vorteilhafte Fermentationsbedingungen aufrechtzuerhalten. Das Produkt der Fermentation ist eine wässrige, Biomasse enthaltende Fermentationslösung, in der das 2-Keto-L-gulonsäuresalz, z. B. das Natrium-, Kalium-, Ammonium- oder Calciumsalz, in gelöster Form vorliegt. Von kommerziellem Interesse sind jedoch die freien organischen Säuren und ihre Derivate.
Beispielsweise muss bei der industriellen Herstellung von L-Ascorbinsäure die fermentativ hergestellte 2-Keto-L-gulonsäure in ein organisches Lösungsmittel, wie einen Alkohol, gebracht werden. Die Salzform von 2-Keto-L-gulonsäure ist jedoch praktisch unlöslich in organischen Lösungsmitteln. Für die Herstellung von L-Ascorbinsäure in einer industriell vorteilhaften Weise ist es deshalb stark bevorzugt, das Synthesezwischenprodukt 2-Keto-L-gulonsäure als freie Säure einzusetzen.
Vor der Umwandlung in Ascorbinsäure muss 2-Keto-L-gulonsäure jedoch zuerst aus der Fermentationsbrühe isoliert werden. Wie beispielsweise in US-Patent Nr. 4,990,441 beschrieben, kann 2-Keto-L-gulonsäure aus einer Fermentationsbrühe mit einem Verfahren gewonnen werden, dass die folgenden Schritte umfasst: (a) Abtrennen von unlöslichem Material aus der Brühe durch Zentrifugation in Anwesenheit eines Flockungsmittels, Filtration in Anwesenheit eines Flockungsmittels und eines Filtrationsadditivs, oder Ultrafiltration; (b) Entfernen von anorganischen Kationen durch Ansäuern; und (c) Isolieren von 2-Keto-L-gulonsäure durch Kristallisation und Trocknen. Bedingt durch die Vielzahl von erforderlichen Schritten und die hohe Löslichkeit von 2-Keto-L-gulonsäure in der Kristallisationsmutterlösung, ist es jedoch schwierig, mit diesem Verfahren hohe Ausbeuten an 2-Keto-L-gulonsäure zu erhalten.
US-Patent Nr. 5,852,211 beschreibt ein Verfahren zur Umwandlung des Natriumsalzes von 2-Keto-L-gulonsäure, das in einer wässrigen Fermentationslösung vorliegt, in eine alkoholische Lösung der freien Säuere. Das beschriebene Verfahren umfasst die folgenden Schritte: (a) Kristallisieren von Natrium-2-Keto-L-gulonat-monohydrat aus einer wässrigen Fermentationslösung; (b) Abtrennen der Natrium-2-Keto-L-gulonatmonohydrat-Kristalle aus der wässrigen Fermentationslösung; (c) Suspendieren des Natrium-2-Keto-L-gulonat-monohydrats in einem niedrigen Alkohol mit einer Säure bei einem pH-Wert im Bereich von etwa 1,5 bis etwa 3,5, wodurch die Säure in das unlösliche Natriumsalz der Säure und das Natrium-2-Keto-L-gulonat-monohydrat in die freie 2-Keto-L-gulonsäure übergeführt wird; und (d) Abtrennen des Natriumsalzes der Säure. um eine alkoholische Lösung von 2-Keto-L-gulonsäure zu erhalten. Bedingt durch die Vielzahl von Schritten und die hohe Löslichkeit des Natrium-2-Keto-L-gulonsäuresalzes, das in der Kristallisationsmutterlösung verbleibt, ist es jedoch ähnlich schwierig hohe Ausbeuten an 2-Keto-L-gulonsäure zu erzielen.
EP-A-01 740 624 betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Milchsäureester und beschreibt die Fermentation einer Calciumacetatlösung enthaltend Milchsäure, Filtration und Sprühtrocknung der Lösung, Mischen der rohen Calciumacetat enthaltenden Milchsäure mit Isobutanol, Toluol und konzentrierter Chlorwasserstoffsäure, neutralisieren der organischen Phase mit Natriumhydroxid und einen abschließenden Destillationsschritt. In EP-A-01 740 624 wird die Fermentationsbrühe filtriert, während sie noch heiß ist und vor der Reaktion mit Alkohol. Es wurde eine Ausbeute von 89 % Milchsäurebutylester in EP-A-01 740 624 erhalten (siehe Beispiel 1).
EP-A-0 805 210 betrifft ein Verfahren zur Umwandlung des Natriumsalzes von 2-Keto-L-gulonsäure, das in einer wässrigen Fermentationslösung vorliegt, in eine alkoholische Lösung der freien Säure und, falls gewünscht, in einen Alkylester der Säure.
Bekannte Verfahren für die Gewinnung und Reinigung von anderen organischen Säuren, die durch Fermentation hergestellt wurden, wie Milchsäure oder Bernsteinsäure, umfassen ebenfalls eine Vielzahl von Schritten und/oder führen zu weniger als optimalen Ausbeuten. Siehe z. B. US-Patente Nr. 5,681,728; 5,522,995; 5,503,750; und 5,034,105. Es bleibt daher die Forderung nach einem vereinfachten Verfahren zur Konzentrierung, Gewinnung und Reinigung von organischen Säuren aus wässrigen Lösungen, wie Fermentationsbrühen, in hohen Ausbeuten.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vereinfachtes Verfahren zur Gewinnung und Reinigung von organischen Säuren in hohen Ausbeuten aus einer Fermentationsbrühe zur Verfügung zu stellen. Andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen dargelegt und werden teilweise aus der Beschreibung deut lich können durch Durchführen der Erfindung erfahren werden. Diese Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden durch die in der Beschreibung und den beiliegenden An sprüchen dargelegten Verfahren realisiert und erhalten.
Diese und andere Aufgaben werden durch die Verfahren der vorliegenden Erfindung erzielt, die in einer ersten Ausführungsform allgemein gerichtet ist auf ein Verfahren zur Gewinnung einer organischen Säure aus einer Fermentationsbrühe, umfassend das Trocknen der Fermentationsbrühe um ein getrocknetes Produkt zu erhalten, das Zugeben des getrockneten Fermentationsprodukts zu einem niedrigen Alkohol in Anwesenheit einer Säure und das anschließende Abtrennen des unlöslichen Materials durch Filtration, um die organische Säure zu erhalten. Andere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend detaillierter beschrieben.
Sowohl die vorhergegangene allgemeine Beschreibung als auch die nachfolgende detaillierte Beschreibung sollen lediglich als beispielhaft und erläuternd verstanden werden und sollen der weiteren Erläuterung der beanspruchten Erfindung dienen.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
Die oben beschriebenen Aufgaben werden durch die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gelöst. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Gewinnung einer organischen Säure aus einer Fermentationsbrühe bereit gestellt, umfassend: (a) Trocknen der Fermentationsbrühe, um ein getrocknetes Produkt zu erhalten; (b) Zugeben des getrockneten Produkts (a) zu einem niedrigen Alkohol, gewählt aus der Gruppe bestehend aus Methanol, Ethanol, Propanol, Butanol oder Glykol, in Gegenwart einer Säure; und (c) Abtrennen von Unlöslichem um eine organische Säure zu erhalten, wobei das Verfahren zum Abtrennen von Unlöslichem Filtration umfasst.
Eine ebenfalls bevorzugte Ausführungsform betrifft ein Verfahren zur Gewinnung einer organischen Säure aus einer Fermentationsbrühe, umfassend: (a) Trocknen der Fermentationsbrühe, um ein getrocknetes Produkt zu erhalten; (b) Zugeben des getrockneten Produkts (a) zu einem niedrigen Alkohol; gewählt aus der Gruppe bestehend aus Methanol, Ethanol, Propanol; Butanol oder Glykol, um eine alkoholische Suspension zu erhalten; (c) Zugeben einer Säure zu der alkoholischen Suspension (b); und (d) Abtrennen von Unlöslichem, um eine organische Säure zu erhalten, wobei das Verfahren zum Abtrennen von Unlöslichem Filtration umfasst.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung eines organischen Säureesters aus einer Fermentationsbrühe, umfassend: (a) Trocknen der Fermentationsbrühe, um ein getrocknetes Produkt zu erhalten; (b) Zugeben des getrockneten Produkts (a) zu einem niedrigen Alkohol, gewählt aus der Gruppe bestehend aus Methanol, Ethanol, Propanol, Butanol oder Glykol, in Gegenwart einer Säure; (c) Verestern der freien organischen Säure zu dem korrespondierenden Ester; und (d) Abtrennen von Unlöslichem, um einen organischen Säureester zu erhalten, wobei das Verfahren zum Abtrennen von Unlöslichem Filtration umfasst.
Des weiteren betrifft eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ein Verfahren zur Gewinnung einer organischen Säure aus einer Fermentationsbrühe, umfassend: (a) Trocknen der Fermentationsbrühe, um ein getrocknetes Produkt zu erhalten, wobei das Trocknen ohne vorherige Entfernung von Unlöslichem aus der eine organische Säure enthaltenden Fermentationsbrühe erfolgt; (b) Zugeben des getrockneten Produkts (a) zu einem niedrigen Alkohol, gewählt aus der Gruppe bestehend aus Methanol, Ethanol, Propanol, Butanol oder Glykol, in Anwesenheit einer Säure; und (c) Entfernen von Unlöslichem um eine organische Säure zu erhalten.
Der hierin verwendete Begriff „organische Säure" (oder grammatikalische Äquivalente davon) bedeutet eine substituierte oder unsubstituierte Alkylgruppe enthaltend eine oder mehrere Carboxylgruppen, -COOH, d. h. eine Carbonsäure. Die organischen Säuren können aus einer fermentativen Umwandlung von Sacchariden, wie Stärke, Sucrose oder Glukose, oder aus n-Paraffinen erhalten werden.
Eine nicht abschließende Liste von Beispielen von organischen Säuren, die unter Anwendung der erfindungsgemäßen Verfahren gewonnen werden können, umfassen Milchsäure, 2-Keto-L-gulonsäure, Weinsäure, Zitronensäure, Essigsäure, Maleinsäure, Äpfelsäure, Malonsäure, Bernsteinsäure, Salicylsäure, Glykolsäure, Glutarsäure, Glukonsäure, Benzoesäure, Ameisensäure, Propionsäure, Pivalinsäure, Oxalsäure, Phenylessigsäure, Stearinsäure, Ascorbinsäure, Pamoasäure, Glutaminsäure; Fumarsäure oder Mischungen davon. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die gewonnene organische Säure Milchsäure, 2-Keto-L-gulonsäure, Zitronensäure oder Glukonsäure.
Es wurde überraschend und in vorteilhafter Weise herausgefunden, dass organische Säuren mit hoher Reinheit in hohen Ausbeuten gewonnen werden können, wenn die gesamte getrocknete Fermentationsbrühe als Ausgangsmaterial verwendet wird. Durch die Hilfe des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung können organische Säuren, wie Milchsäure und 2-Keto-L-gulonsäure, die üblicherweise als gelöste Salze in der wässrigen Fermentationslösung auftreten, in relativ einfacher und ökonomischer Weise in Form einer alkoholischen Lösung der freien Säure gewonnen werden.
Anschließend an die Gewinnung der organischen Säure gemäß der vorliegenden Erfindung können die organischen Säuren, wenn nötig, weiterbehandelt werden um sie für ihre vorgesehenen Verfahren geeignet zu machen. Beispielsweise kann die so gewonnene Lösung von 2-Keto-L-gulonsäure anschließend in einer beliebigen bekannten Art und Weise in Ascorbinsäure umgewandelt werden. Siehe z. B. US-Patent Nr. 5,391,770.
Jede Fermentationsbrühe enthaltend die gewünschte(n) organische(n) Säure(n), eine Vorstufe davon oder ihr wasserlösliches Salz kann in der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Eine solche Fermentationsbrühe, die vor dem eigentlichen erfindungsgemäßen Verfahren erhalten wird, kann durch ein beliebiges übliches Verfahren erhalten werden, wie eine mikrobielle Fermentation. Siehe z. B. US-Patente Nr. 5,834,231 und 5,705,373. Außerdem können die in dem Fermentationsverfahren verwendeten Mikroben Protisten (Hefen oder Pilze) oder Bakterien sein, und die Fermentation selbst kann entweder aerob oder anaerob verlaufen.
Die in der vorliegenden Erfindung verwendete Fermentationsbrühe ist typischerweise, aber nicht immer, eine durch Kultivierung von einem oder mehreren Mikroorganismen gewonnene Fermentationsbrühe, die (eine) spezifische, organische Säure(n) und/oder eine Vorstufe davon herstellen. Beliebige Mikroorganismen, die die gewünschte organische Säure produzieren, können zur Herstellung der Fermentationsbrühe verwendet werden. Die die organischen Säuren produzierenden Mikroorganismen, die verwendet werden können, umfassen beispielsweise Bakterien der Gattungen Lactobacillus, Pseudogluconobacter, Pseudomonas, Corynebacterium Acetobacter, Gluconobacter, Aspergillus, Brevibacterium und Bakterien, die zu der Gattung Erwinia gehören. Siehe z. B. Atkinson und Mavituna, Biological Engineering and Biotechnology Handbook 421 (1983).
Eine für jede Art der verwendeten. Mikroorganismen geeignete Temperatur, wird als Fermentationstemperatur angewendet. Diese liegt üblicherweise im Bereich von etwa 25 °C bis etwa 60 °C. Außerdem weisen die meisten organische Säuren produzierenden Mikroorganismen eine Säureempfindlichkeit auf und erfordern ein Medium mit einen pH-Wert von etwa 3 bis etwa 9.
Die Zusammensetzung des Fermentationsmediums, in dem eine organische Säure unter Verwendung der oben genannten Mikroorganismen produziert wird, kann eine beliebige sein, die geeignet ist für den zu verwendenden organische Säure produzierenden Mikroorganismus. Zusätzlich zu Wasser und einer unlöslichen Biomasse enthalten diese Fermentationsbrühen im allgemeinen die von dem (den) Mikroorganismen benötigten Nährstoffen, die eingesetzt werden, um die organische Säure zu produzieren. Diese Nährstoffe umfassen Aminosäuren, anorganische und/oder organische Salze, Kohlenhydrate und verschiedene Vitamine und Wachstumsfaktoren, sind aber nicht darauf beschränkt.
Das Unlösliche, z. B. Mikroorganismen, das die Biomasse bildet und Salze werden am Ende der Fermentation entfernt und können durch jede bekannte mechanische Trenntechnik abgetrennt werden. Solche Techniken umfassen Filtration, z. B. Ultrafiltration und Mikrofiltration, und Trennung, z. B. Zentrifugieren und Dekantieren, durch die insgesamt nur ungelöste und/oder relativ hoch molekulargewichtige Substanzen abgetrennt wer den, sind aber nicht darauf beschränkt. Am meisten bevorzugt wird zumindest ein Teil des Unlöslichen durch Ultrafiltration abgetrennt.
Die Fermentationsbrühe kann vor dem Trocknen konzentriert werden. In einer Ausführungsform ist das Verfahren zum Konzentrieren der Fermentationsbrühe das Verdampfen im Vakuum.
Daher kann in einer Ausführungsform der Erfindung die gesamte Fermentationsbrühe als Ausgangsmaterial für die Gewinnung der organischen Säure verwendet werden.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Fermentationsbrühe getrocknet, um ein getrocknetes Produkt zu erhalten. Die Fermentationsbrühe kann durch ein beliebiges bekanntes Verfahren getrocknet werden, z. B. mit einem Sprühtrockner, einem Schleudertrockner (Spin Flash Dryer) oder Fließbetttrockner. In einer bevorzugten Ausführungs form wird die Fermentationsbrühe unter Verwendung eines; Sprühtrockners getrocknet. Der Feuchtigkeitsgehalt des getrockneten Produkts beträgt etwa 0,1 % bis etwa 20 % Feuchtigkeit; weiter bevorzugt etwa 0,1 % bis etwa 10 %. Das „erhaltene getrocknete Produkt enthält neben anderen Substanzen die gewünschte organische Säure und die gesamte oder einen Teil oder nichts von der Biomasse. Es war überraschend und insbesondere vorteilhaft, dass die Fermentationsbrühe getrocknet, z. B. sprühgetrocknet werden konnte, um ein leicht handhabbares frei fließendes Pulver zu erhalten.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die getrocknete Fermentationsbrühe, die unter anderem die gewünschte organische Säure, eine Vorstufe davon oder ihr Salz enthält, in einen niedrigen Alkohol in Anwesenheit einer Säure gegeben. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Konzentration der organischen Säure, die zu dem niedrigen Alkohol gegeben wird, im Bereich von 50 g/l bis 100 g/l. Der in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete niedrige Alkohol umfasst Methanol, Ethanol, Propanol, Butanol und Glykol. Der niedrige Alkohol kann wasserfreies Methanol oder Ethanol sein.
Im allgemeinen kann die Menge an niedrigem Alkohol und Säure, die in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden, eine beliebige Menge sein, die die selektive Gewinnung der gewünschten organischen Säure ermöglicht. Außerdem ist die Menge der zugegebenen Säure proportional zur Menge des getrockneten Produkts. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Säure in stöchiometrischen Anteilen oder im Überschuss zugeben, vorzugsweise werden 1,2 Äquivalente Säure zugegeben.
Die Säure kann eine beliebige Säure sein, die die selektive Gewinnung der gewünschten organischen Säure ermöglicht. Beispielsweise kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren eine starke Säure mit niedrigem Wassergehalt verwendet werden. Der Wassergehalt der Säure ist nicht kritisch für das Verfahren. Die Konzentration an Wasser in der erhaltenen organischen Säure/Alkohol-Lösung bestimmt jedoch das Gleichgewicht einer anschließenden Veresterung. Daher werden unter einem industriell ökonomischen Gesichtspunkt Säuren mit geringem Wassergehalt, d. h. Säuren, die als „konzentriert" bezeichnet werden, vorzugsweise verwendet. Der Wassergehalt der Säure kann etwa 15 oder weniger betragen. Beispiele für solche Säuren sind Schwefelsäure, Salpetersäure, Chlorwasserstoffsäure, Bromwasserstoffsäure und Phosphorsäure und sogar gasförmiger Chlorwasserstoff. In einer bevorzugten Ausführungsform werden konzentrierte Schwefelsäure oder Chlorwasserstoffsäure verwendet. Weiter bevorzugt wird konzentrierte Schwefelsäure verwendet.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann das getrocknete Fermentationsprodukt zuerst in dem niedrigen Alkohol suspendiert werden, bevor die Säure zugegeben wird. Die gewünschte organische Säure kann auch gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung erhalten werden, in der das getrocknete Produkt zusammen mit der Säure zu dem niedrigen Alkohol gegeben wird. Es ist daher klar, dass sowohl die gleichzeitige als auch die anschließende Zugabe von Säure im Schutzbereich des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt, obwohl die anschließende Zugabe der Säure bevorzugt ist.
Vorzugsweise liegt die Temperatur bei der die Dehydratation und die Säurereaktionen durchgeführt werden im Bereich von 25 °C bis 60 °C. Außerdem sollte die erhaltene organische Säure in der Reaktionsmischung löslich sein.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren für die Gewinnung eines organischen Säureesters aus einer Fermentationsbrühe bereit gestellt. Carbonsäuren reagieren mit Alkoholen in Anwesenheit einer starken Säure, wie Schwefelsäure, um Ester zu bilden. Unter bestimmten Bedingungen kann die erhaltene freie organische Säure gemäß der vorliegenden Erfndung zusammen mit einem niedrigen Alkohol in Anwesenheit einer Säure in den entsprechenden niedrigen Alkylester der organischen Säure übergeführt werden. Demzufolge ist klar, dass sowohl die Gewinnung der freien organischen Säure als auch die des entsprechenden organischen Säureesters innerhalb des Schutzbereichs des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Unlösliche anschließend aus der Lösung entfernt, um die gewünschte organische Säure zu erhalten. Nachdem das getrocknete Produkt zu einem niedrigen Alkohol in Anwesenheit einer Säure gegeben wurde, können unlösliche Salze, z. B. Na₂SO₄, CaSO₄, K₂SO₄, (NH₄)₂SO₄, leicht von der Reaktionsmischung abgetrennt werden. Das Entfernen der unlöslichen Salze sowie von anderen unlöslichen Substanzen, z. B. Rückständen von Biomasse oder Proteinen, kann durch ein beliebiges bekanntes Verfahren durchgeführt werden, wie Filtration und/oder Zentrifugation. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die unlöslichen Bestandteile durch Filtration abgetrennt. Das erhaltene alkoholische Filtrat enthaltend die organische Säure weist eine sehr hohe Reinheit auf.
Daher können gemäß dem Gewinnungsverfahren der vorliegenden Erfindung organische Säure mit hoher Reinheit, d. h. größer als etwa 80 %, in hohen Ausbeuten, d. h. mehr als etwa 90 %, vorzugsweise etwa 95 bis 99 %, aus der gesamten. Fermentationslösung, enthaltend verschiedene Verunreinigungen, mit weniger Schritten als in üblichen Verfahren, gewonnen werden. Die Nachteile von Verfahren des Standes der Technik, wie die gesamte Entfernung von Biomasse und Proteinen; die Verwendung von Kationenaustauschern um Metallionen aus der wässrigen Fermentationslösung zu entfernen, sowie die Kristallisation der organischen Säure, werden so vermieden.
Alle in dieser Beschreibung zitierten Patente und Veröffentlichungen sind ein Zeichen für das Niveau der Kenntnisse der Fachleute, an die sich diese Erfindung richtet.
Nachdem die Erfindung nun allgemein beschrieben worden ist, wird sie durch Bezug auf die folgenden Beispiele noch leichter verstanden, die als Erläuterung angegeben werden und die vorliegende Erfindung nicht beschränken sollen, es sein denn, es wird anders angegeben.
Beispiel 1
Eine Fermentationsbrühe enthaltend 84 g/l 2-Keto-L-gulonsäure, 4 g/l Sorbose und 136 g/l Gesamtmenge an trockenen Feststoffen wurde wie in US-Patent Nr. 5,834,231 beschrieben hergestellt und mit einem Hochdruckdüsensprühgerät (APV-Americas; Tonawanda, New York) sprühgetrocknet. Die Speisung wurde auf 170 °F (76,67 °C) vorgewärmt und mit einer Einlasstemperatur von 495 °F (257,22 °C) und einer Auslasstempe ratur von 198 °F (92,22 °C) getrocknet. Insgesamt wurden 8 Galonen (30,28 Liter) Speisung getrocknet und es wurden 10,2 Ibs (4,63 kg) getrocknetes Produkt mit 8 % Feuchtigkeit erhalten.
25 g des sprühgetrockneten Produkts wurden in 250 ml wasserfreiem Methanol aufgeschlämmt. 3,2 ml Schwefelsäure wurden zu der Lösung über einen Zeitraum von 20 Min. unter Rühren gegeben. Die Aufschlämmung wurde weitere 60 Min. gerührt, filtriert und die Feststoffe mit weiteren 150 ml Methanol gewaschen. Die erhaltenen 320 ml Filtrat enthielten 35 g/l 2-Keto-L-gulonsäure und 1,7 g/l 2-Keto-L-gulonsäuremethylester. Der 12 g wiegende Filterkuchen enthielt 3,8 % 2-Keto-L-gulonsäure und 0,4 % 2-Keto-L-gulonsäuremethylester. Die Ausbeute betrug 96 %.
Beispiel 2
Eine in ähnlicher Weise wie in Beispiel 1 hergestellte Fermentationsbrühe wurde zuerst unter Verwendung einer Membran mit einem Grenzmolekulargewicht von 100.000 ultrafiltriert um Zellfeststoffe zu entfernen, und anschließend auf eine Dichte von 1,2 g/ml im Vakuum eingeengt, bevor sie sprühgetrocknet wurde. Die Speisung wurde auf 165 °F (73,89 °C) vorgewärmt und bei einer Einlasstemperatur von 495 °F (257,22 °C) und einer Auslasstemperatur von 200 °F (93,33 °C) getrocknet. Die trockenen Feststoffe der Speisung betrugen 39,2 Gew.-%. Es wurden insgesamt 10 Gallonen (37,85 Liter) Speisung getrocknet, wodurch 42 Ibs (19,05 kg) trockenes Produkt mit einer Feuchtigkeit von 15 % erhalten wurden.
36 g des sprühgetrockneten Produkts wurden in 250 ml wasserfreiem Methanol aufgeschlämmt. 4,2 ml konzentrierte Schwefelsäure wurden zu der Lösung über einen Zeitraum von 20 Min. unter Rühren gegeben. Die Aufschlämmung wurde weitere 60 Min. gerührt, filtriert und die Feststoffe mit weiteren 150 ml Methanol gewaschen. Die erhaltenen 335 ml Filtrat enthielten 67 g/l 2-Keto-L-gulonsäure und 1 g/l 2-Keto-L-gulonsäuremethylester. Der 31 g wiegende Filterkuchen enthielt 3,0 % 2-Keto-L-gulonsäure und keinen Methylester. Die Ausbeute betrug 96 %.
Beispiel 3
10 ml des nach dem Verfahren des Beispiels 2 erhaltenen Produktfiltrats, das jedoch 71,9 g/l 2-Keto-L-gulonsäure enthielt, wurden in ein Reagenzglas gegeben. Zu dieser Lösung wurden 0,14 ml konzentrierte Schwefelsäure gegeben. Das Reagenzglas wurde über einen Zeitraum von 1 Std. in einen Ofen bei 60 °C gegeben, wonach man 1,5 g/l 2-Keto-L-gulonsäure und 77,1 g/l Methylester erhielt.
Beispiel 4
Eine Fermentationsbrühe von Calciumlactat, hergestellt durch die Fermentation von Dextrose durch Lactobacillus casei wurde ultrafiltriert und sprühgetrocknet unter Verwendung der in den Beispielen 1 und 2 angegebenen Verfahren, wodurch ein trockenes Produkt enthaltend 70,3 % Milchsäure erhalten wurde. 25 g des sprühgetrockneten Calciumlactats wurden in 500 ml wasserfreiem Ethanol aufgeschlämmt. Über einen Zeitraum von 30 Min. wurden 6,4 ml konzentrierte Schwefelsäure zugegeben. Die Aufschlämmung wurde weitere 60 Min. gerührt, filtriert, und zweimal mit 100 ml Ethanol gewaschen. Die 490 ml Filtrat enthielten 59,1 g/l Milchsäure und die 195 ml Waschflüssigkeit enthielten 20,1 g/l Milchsäure. Der 25 g wiegende Filterkuchen enthielt 1,8 g/kg Milchsäure. Die Ausbeute betrug 99 %.
Beispiel 5
17,5 g des sprühgetrockneten Calciumlactats wurden in 125 ml wasserfreiem Ethanol aufgeschlämmt. Über einen Zeitraum von 30 Min. wurden 4,9 ml konzentrierte Schwefelsäure zugegeben. Die Aufschlämmung wurde unter Rühren über einen Zeitraum von 1 Std. auf 75 °C erwärmt. Die Aufschlämmung wurde filtriert und zweimal mit 100 ml Ethanol gewaschen. Die 200 ml Filtrat enthielten 67,9 g/l Ethyllactat und 1,6 g/l Milchsäure. Dies bedeutet eine Gesamtausbeute von 86,6 %.

Claims

Verfahren zur Gewinnung einer organischen Säure aus einer Fermentationsbrühe, umfassend: (a) Trocknen der Fermentationsbrühe, um ein getrocknetes Produkt zu erhalten; (b) Zugeben des getrockneten Produkts (a) zu einem niedrigen Alkohol, gewählt aus der Gruppe bestehend aus Methanol, Ethanol, Propanol, Butanol oder Glykol, in Gegenwart einer Säure; und (c) Abtrennen von Unlöslichem um eine organische Säure zu erhalten, wobei das Verfahren zum Abtrennen von Unlöslichem Filtration umfasst.
Verfahren zur Gewinnung einer organischen Säure aus einer Fermentationsbrühe, umfassend: (a) Trocknen der Fermentationsbrühe, um ein getrocknetes Produkt zu erhalten; (b) Zugeben des getrockneten Produkts (a) zu einem niedrigen Alkohol, gewählt aus der Gruppe bestehend aus Methanol, Ethanol, Propanol, Butanol oder Glykol, um eine alkoholische Suspension zu erhalten; (c) Zugeben einer Säure zu der alkoholischen Suspension (b); und (d) Abtrennen von Unlöslichem, um eine organische Säure zu erhalten, wobei das Verfahren zum Abtrennen von Unlöslichem Filtration umfasst.
Verfahren zur Gewinnung eines organischen Säureesters aus einer Fermentationsbrühe, umfassend: (a) Trocknen der Fermentationsbrühe, um ein getrocknetes Produkt zu erhalten; (b) Zugeben des getrockneten Produkts (a) zu einem niedrigen Alkohol, gewählt aus der Gruppe bestehend aus Methanol, Ethanol, Propanol, Butanol oder Glykol, in Gegenwart einer Säure; (c) Verestern der freien organischen Säure zu dem korrespondierenden Ester; und (d) Abtrennen von Unlöslichem, um einen organischen Säureester zu erhalten, wobei das Verfahren zum Abtrennen von Unlöslichem Filtration umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, welches außerdem das Abtrennen von Unlöslichem aus der Fermentationsbrühe vor dem Trocknungsschritt (a) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, worin das Unlösliche durch Filtration abgetrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, worin das Unlösliche durch Ultrafiltration abgetrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, worin in Schritt (b) die Konzentration der zu dem niedrigem Alkohol gegebenen organischen Säure im Bereich von 50 g/l bis 100 g/l liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, worin in Schritt (a) das Verfahren zum Trocknen Sprühtrocknen der Fermentationsbrühe umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Reaktionstemperatur in Schritt (b) 25° bis 60° C beträgt.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, worin die Reaktionstemperatur in den Schritten (b) und (c) 25° bis 60° C beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, worin in Schritt (b) 1,2 Äquivalente Säure zugegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 2, worin in Schritt (c) 1,2 Äquivalente Säure zugegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, worin in Schritt (b) die Säure gewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Schwefelsäure, Salpetersäure, Bromwasserstoffsäure, Chlorwasserstoffsäure und Phosphorsäure.
Verfahren nach Anspruch 2, worin in Schritt (c) die Säure gewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Schwefelsäure, Salpetersäure, Bromwasserstoffsäure, Chlorwasserstoffsäure und Phosphorsäure.
Verfahren nach Anspruch 13, worin die Säure in Schritt (b) Schwefelsäure ist.
Verfahren nach Anspruch 14, worin die Säure in Schritt (c) Schwefelsäure ist.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, worin die organische Säure Milchsäure, 2-Keto-L-gulonsäure, Zitronensäure oder Glukonsäure umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, worin die organische Säure 2-Keto-L-gulonsäure ist.
Verfahren nach Anspruch 1, welches außerdem das Verestern der organischen Säure (c) zu dem korrespondierenden Ester umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, welches außerdem das Verestern der organischen Säure (d) zu dem korrespondierenden Ester umfasst.
Verfahren zur Gewinnung einer organischen Säure aus einer Fermentationsbrühe, umfassend: (a) Trocknen der Fermentationsbrühe, um ein getrocknetes Produkt zu erhalten, wobei das Trocknen ohne vorherige Entfernung von Unlöslichem aus der eine organische Säure enthaltenden Fermentationsbrühe erfolgt; (b) Zugeben des getrockneten Produkts (a) zu einem niedrigen Alkohol, gewählt aus der Gruppe bestehend aus Methanol, Ethanol, Propanol, Butanol oder Glykol, in Anwesenheit einer Säure; und (c) Entfernen von Unlöslichem um eine organische Säure zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 21, worin in Schritt (b) die Konzentration der organischen Säure, die zu dem niedrigen Alkohol gegeben wird, 50 g/l bis 100 g/l beträgt.
Verfahren nach Anspruch 21, worin in Schritt (a) das Verfahren zum Trocknen das Sprühtrocknen der Fermentationsbrühe umfasst.
Verfahren nach Anspruch 21, worin die Reaktionstemperatur in Schritt (b) 25° bis 60° C beträgt.
Verfahren nach Anspruch 21, worin in Schritt (b) 1,2 Äquivalente Säure zugegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 21, worin in Schritt (b) die Säure gewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Schwefelsäure, Salpetersäure, Bromwasserstoffsäure, Chlorwasserstoffsäure und Phosphorsäure.
Verfahren nach Anspruch 26, worin die Säure in Schritt (b) Schwefelsäure ist.
Verfahren nach Anspruch 21, worin die organische Säure Milchsäure, 2-Keto-L-gulonsäure, Zitronensäure oder Glukonsäure umfasst.
Verfahren nach Anspruch 28, worin die organische Säure 2-Keto-L-gulonsäure ist.
Verfahren nach Anspruch 21, worin in Schritt (c) das Verfahren zum Abtrennen von Unlöslichem Filtration umfasst.
Verfahren nach Anspruch 21, welches außerdem das Verestern der organischen Säure (c) zu dem korrespondiereden Ester umfasst.