DE69216297T2

DE69216297T2 - Verfahren zur Herstellung von gereinigte Milchsäure enthaltenden wässrigen Lösungen aus Fermentationsbrühen

Info

Publication number: DE69216297T2
Application number: DE69216297T
Authority: DE
Inventors: Anna Lisa Campi; Giorgio Mantovani; Giuseppe Vaccari
Original assignee: Montell North America Inc
Current assignee: Basell North America Inc
Priority date: 1991-06-06
Filing date: 1992-06-05
Publication date: 1997-06-05
Anticipated expiration: 2012-06-06
Also published as: DE69216297D1; EP0517242B1; EP0517242A3; US5210294A; ES2095983T3; DK0517242T3; ITMI911555A1; IT1247995B; ITMI911555A0; JPH0622771A; CA2070558A1; EP0517242A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfähren zur Herstellung von geremigten wäßrigen Milchsäurelösungen, ausgehend von Fermentationsbrühen.
Milchsäure ist ein Produkt, das in vielfältigen Gebieten Anwendung findet, beispielsweise kann es zu Nahrungsmittelprodukten zugesetzt werden oder im chemischen und pharmazeutischen Sektor eingesetzt werden. Insbesondere besteht eine Anwendung von zunehmendem Interesse in der Verwendung von Milchsäure als Monomerem flir die Synthese von bioabbaubaren Homopolymeren und Copolymeren.
Tatsächlich besteht ein zunehmendes Bedürfnis nach bioabbaubaren Polymeren sowohl als Ersatz flir allgemein verwendete herkömmliche Kunststoffmaterialien als auch für neue und spezielle Anwendungen, wie die Medikation mit allmählicher Freisetzung im menschlichen oder tierischen Organismus, die Herstellung von bioabsorbierbaren Prothesen oder die kontrollierte Freisetzung von Substanzen für die Schädlingsbekämpfung in der Landwirtschaft. Einer der Wege, durch die Milchsäure industriell hergestellt werden kann, besteht in der Fermentation von Kohlenhydraten in wäßriger Umgebung unter Verwendung geeigneter Bakterienbasen (Lactobacilli).
In Abhängigkeit von der verwendeten Bakterienbasiskann man L(+)- oder D(-)Milchsäure oder racemische Säure erhalten.
Das aus der vorstehenden Fermentation hervorgegangene Produkt besteht aus einer Brühe, die außer der Milchsäure verschiedene Substanzen in Lösung und gegebenenfalls in Suspension, insbesondere nichtfermentierte Kohlenhydrate, Fermentationsnebenprodukte und für die Bakterienkultur verwendete Nährstoffe, enthält. Darüber hinaus enthält die vorstehende Brühe unterschiedliche Mengen an Zellen, die der Kultur der flir die Fermentation verwendeten Bakterien entstammen. Daher ist es zur Erzielung einer möglichst reinen wäßrigen Milchsäurelösung, gegebenenfalls in konzentrierter Form, erforderlich, die in der Fermentationsbrühe vorliegende Milchsäure in Abhängigkeit von der Verwendung, flir die diese Lösung vorgesehen ist, zu reinigen.
Verschiedene Methoden zur Reinigung von Milchsäure sind aus dem Stand der Technik bekannt. Entsprechend Chemical Abstracts, Band 93, Nr.13, September 1990, Abstract Nr.130609 (& SU-A-735 590), wird eine vorbehandelte und filtrierte Fermentationsbrühe, die Lactat enthält, gereinigt, indem man die Lösung zuerst durch einen Kationenaustauscher und anschließend durch einen Anionenaustauscher passieren läßt. Die Milchsäure wird mit H&sub2;SO&sub4; eluiert. Patent Abstracts of Japan, Band 12, Nr.467 (C-550) (3314), 7. Dezember 1988 (& JP-A-63 188632), lehrt die Reinigung organischer Säuren (Milchsäure) durch Perkolieren der Reaktionsflüssigkeit sowohl durch einen Kationenaustauscher als auch durch einen Anionenaustauscher. Die Desorption erfolgt mit einer starken Säure. Patent Abstracts of Japan, Band 13, Nr.302(0-616) (3650), 11. April 1989 (& JP-A-01 91 788), betrifft die Reinigung von Milchsäure unter Verwendung lediglich von Kationenaustauscherharzkolonnen.
Beispielsweise ist es flir die Herstellung von Milchsäurepolymeren von Vorteil, wäßrige Milchsäurelösungen von etwa 90 Gew.% einzusetzen.
Offensichtlich ist auch der Reinheitsgrad der wäßrigen Milchsäurelösung ein Faktor, der ihre mögliche Verwendung und demzufolge ihre Vorteile bestimmt.
Darüber hinaus ist es flir die industrielle Verwendung auch notwendig, daß das Reinigungs und gegebenenfälls Konzentrierungsvahren der wäßrigen Milchsäurelösung möglichst einfach und wirtschaftlich ist.
Es ist auch bevorzugt, daß das vorstehend genannte Verfahren es erlaubt, kontinuierlich zu arbeiten und die Zellen und die Fermentationsbrühe nach der Gewinnung der Milchsäure zu rezyklisieren, um so Umweltprobleme möglichst gering zu halten.
Demzufolge betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfähren zur Herstellung gereinigter wäßriger Milchsäurelösungen, ausgehend von Milchsäure enthaltenden Fermentationsbrühen, wobei dieses Verfahren die folgenden Stufen umfaßt:
A) Perkolieren der von Zellen freien Fermentationsbrühe durch eine oder mehrere Säulen eines stark anionischen Ionenaustauscherharzes in der Carbonatform;
B) Elution der Milchsäure aus der Säule oder den Säulen, wie unter (A) genannt, mit Hilfe einer wäßrigen Ammoniumcarbonatlösung;
C) Entfernen des Ammoniumcarbonats aus der Lösung, die durch die unter (B) genannte Elution erhalten wurde, durch Erhitzen;
D) Perkolieren der in Stufe (C) erhaltenen Lösung durch eine oder mehrere Säulen eines stark kationischen Ionenaustauscherharzes in der Wasserstofform.
Um für Stufe (A) eine von Zellen freie Fermentationsbrühe zu erhalten, kann man bekannte Techniken für die Abtrennung von Feststoffen in Suspension, wie die Filtration oder die Zentrifügation, anwenden. Die gewonnenen Zellen können teilweise dem Fermentationsgefäß zurückgeführt und teilweise als Biomasse verwendet werden.
Vorzugsweise wird die Fermentationsbrühe hergestellt, indem man die geringstmögliche Menge an Nährstoffen flir die Bakterienkultur einsetzt, um so eine maximale Produktion der Milchsäure erzielen zu können.
Das in Stufe (A) verwendete, stark anionische Ionenaustauscherharz wird aus den aus dem Stand der Technik bekannten Harzen gewählt, die imstande sind, das Lactation zu fixieren.
Im allgemeinen werden derartige Harze erhalten, indem man von teilweise vernetzten Polymermatrizes ausgeht, die durch Polymerisation von Styrolmonomeren, wie Styrol, Ethylvinylbenzol, Vinyltoluol und Methylstyrol, oder aus Ethylenmonomeren, wie Acryl- und Methacrylsäureestern, Acryl- und Methacrylamiden, und aus vernetzbaren Monomeren, wie Divinylbenzol und Divinyltoluol, hergestellt werden. Die vorstehend genannten Polymermatrizes werden hiernach im allgemeinen durch Reaktionen funktionalisiert, die imstande sind, Amin- oder Cycloamingruppen auf die Polymerenkette zu pfropfen.
Beispielsweise umfaßt einer der übhcherweise befolgten Wege für die Funktionalisierung der Polymermatrizes die Chloralkylierung von Styrol-Divinylbenzol- Harzen, gefolgt durch Aminierung des chloralkylierten Polymeren. Die Amingruppen werden hiernach einer Salzbildung unterzogen, um die Ionenaustauscherwirkung zu erzielen.
Methoden für die Herstellung der vorstehend genannten anionischen Harze werden zum Beispiel in der US-PS 4224415 beschrieben.
Daher sind sämtliche stark anionischen Harze für die Verwendung bei dem erfindungsgemaßen Verfähren, und insbesondere die vorstehend erwähnten, geeignet, solange sie in Form des Carbonats vorliegen, das heißt übergeführt in ein Salz mit einem carbonatierten Anion, und sie imstande sind, das Lactation zu binden und es fäst vollständig bei der mit Ammoniumcarbonat in Stufe (B) durchgeführten Elution freizusetzen.
Bevorzugt sind die Harze, die quaternäre Ammoniumgruppen enthalten, welche einer Salzbildung mit Carbonatanion unterzogen worden sind.
Offensichtlich werden für die Verwendung bei dieser Erfindung die vorstehenden Harze in einer oder mehreren Säulen mit geeigneten Strukturen und Dimensionen in Abhängigkeit von der Anlage, innerhalb derer sie integriert sind, untergebracht.
Die Fermentationsbrühe (liegt die Milchsäure teilweise in Form von Lactaten vor, besteht die Notwendigkeit, die Bakterienkultur bei einem pH zu halten, der nicht zu sauer ist) läßt man durch die vorstehend genannten Säulen perkolieren.
Die die Säulen verlassende Lösung kann dem Fermentationsgefllß nach einer möglichen Zugabe von Kohlenhydraten und Nährstoffen zurückgeführt werden.
Wenn die Fähigkeit des anionischen Harzes, das Lactation zu binden, akzeptable Grenzen unterschreitet, zum Beispiel bei unterhalb 30 Gew.%, werden die Säule bzw. Säulen des lactatangereicherten Harzes der Elutionsstufe (B), der gegebenenfälls eine oder mehrere Waschvorgänge mit Wasser vorangehen, unterzogen.
Daher muß man, um das erfindungsgemäße Verfahren kontinuierlich durchzuführen, die Stufen (A) und (B) in zumindest zwei austauschbaren Säulen durchführen, indem man die Säule (Säulen), worin die Perkolationsstufe (A) bzw. die Elutionsstufe (B) durchgeführt werden, tauscht.
Ähnlich muß man, um das erfindungsgemäße Verfähren kontinuierlich durchzuführen, die Stufe (D) und die Regenerierungsstufe [die auf Stufe (D) folgt und nachstehend beschrieben wird] in zumindest zwei austauschbaren Säulen durchführen, indem man die Säule (Säulen), worin die Perkolationsstufe (D) bzw. die Regenerierungsstufe durchgeführt werden, tauscht.
Der vorstehende Tausch ist jedoch in keiner Weise mühsam, und, wie bereits erwähnt, weist er den erheblichen Vorteil auf, daß er eine kontinuierliche Arbeitsweise erlaubt.
Für die Elutionsstufe (B) wird eine wäßrige Ammoniumcarbonatlösung durch eine Säule oder Säulen des Lactation enthaltenden anionischen Harzes perkoliert.
Außer der Elution des Lactations in Form von Ammoniumlactat stellt die Ammoniumcarbonatlösung die Carbonatform des anionischen Harzes wieder her, wobei auf diese Weise ein Arbeiten in zwei verschiedenen Stufen für die Elution und die Wiederherstellung der Carbonatform mit dem zusätzlichen Vorteil einer Vereinfachung des Verfahrens vermieden wird.
Die Konzentration und die optimale Menge der Ammoniumcarbonatlösung werden entsprechend dem Typ des verwendeten anionischen Harzes und den speziellen Arbeitsbedingungen ausgewählt. Beispielsweise beträgt die Ammoniumcarbonatkonzentration in der Lösung 3 bis 10 Gew.%, und bevorzugt wird die Lösung in Mengen von 1 bis 5 Volumina je Volumen anionisches Harz je Stunde verwendet. Das Verfähren wird mit einem Überschuß an Ammoniumcarbonat, verglichen mit dem auf dem Harz befindlichen Lactat, durchgeführt.
Nach der vorstehenden Elutionsstufe und gegebenenfalls nach einem oder mehreren Waschvorgängen mit Wasser sind die Säule oder Säulen des anionischen Harzes so weit, daß sie erneut in Stufe (A) verwendet werden können.
Nach einer bestimmten Anzahl von Zyklen kann es das beste sein, das anionische Harz mit einer starken Base (zum Beispiel NaOH) zu regenerieren, um mögliche Spuren starker, der Fermentationsbrühe entstatnmender Anionen zu eliminieren, welche sich auf dem Harz befinden und durch das Ammoniumcarbonat nicht eluiert werden.
Nach der Regenerierung wird das anionische Harz in die Carbonatform zurückgeführt, zum Beispiel indem man in ihm einen Überschuß an Ammoniumcarbonat in wäßriger Lösung perkoliert.
Die aus der Elutionsstufe (B) erhaltene Lösung enthält Ammoniumlactat und Ammoniumcarbonat (im Überschuß verwendet, wie zuvor festgestellt) und wird dann einer Behandlung unterzogen, die die Entfernung des Ammoniumcarbonats erlaubt [Stufe (C)].
Hierzu - und dies stellt einen der Vorteile der vorliegenden Erfindung dar - kann man einfäch die Lösung erhitzen, wobei man so eine Zersetzung des Ammoniumcarbonats in CO&sub2; und NH&sub3; erhält, welche einfäch in Gasform entfernt werden und als Ammoniumcarbonat zurückgewonnen werden können.
Es ist möglich, bei der Siedetemperatur der Lösung mit dem zusätzlichen Vorteil zu arbeiten, daß man in der Lage ist, die Lösung vor Stufe (D) durch Destillation eines Teils des Wassers vorab zu konzentrieren.
Das nach der vorstehend beschriebenen Stufe (C) erhaltene Produkt besteht daher aus einer hochreinen Ammoniumlactatlösung.
Für die Umwandlung des Ammoniumlactats in Milchsäure läßt man diese Lösung durch eine oder mehrere Säulen eines stark kationischen Ionenaustauscherharzes in der Wasserstofform perkolieren [Stufe (D)].
Das in Stufe (D) verwendete, stark kationische Harz wird unter den aus dem Stand der Technik bekannten Harzen ausgewählt, welche imstande sind, das Ammoniumion zu fixieren.
Im allgemeinen werden diese Harze auf die gleiche Weise hergestellt, wie für die stark anionischen Harze, welche in Stufe (A) verwendet werden, beschrieben wurde, mit dem Unterschied, daß andere fünktionelle Gruppen auf die polymeren Gruppen gepfropft werden.
Wie zuvor festgestellt, müssen für die vorliegende Erfindung diese fünktionellen Gruppen in der Wasserstofform vorliegen, das heißt, sie müssen imstande sein, H+-Kationen auszutauschen.
Bevorzugte, stark kationische Harze, die zweckmäßig bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden, sind beispielsweise Sulfogguppen enthaltende kationische Harze, insbesondere der vorstehend beschriebenen Typen.
Methoden für die Herstellung dieser Harztypen werden in der vorstehend genannten US-PS 4224415 beschrieben.
Die in Stufe (D) erhaltene Lösung ist daher eine hochreine wäßrige Milchsäurelösung, die konzentriert werden kann, indem man einfach einen Teil des Wassers verdampt, bis die gewünschte Konzentration erreicht ist.
Offensichtlich wird das in Stufe (D) verwendete kationische Harz zunehmend mit Ammoniumionen angereichert und muß daher, wie zuvor festgestellt, periodisch regeneriert werden.
Zu diesem Zweck kann man wäßrige Lösungen einer starken Säure, wie HCl in einer 5%igen wäßrigen Lösung, mit einer Strömungsgeschwindigkeit mit 1,5-2 Volumina je Volumen Harz je Stunde verwenden.
Indem man, wie zuvor erwähnt, zwei oder mehrere austauschbare Säulen verwendet, ist es möglich, das erfindungsgemäße Verfahren kontinuierlich durchzuführen, das heißt ohne Unterbrechung der Umwandlungsstufe des Ammoniumlactats in die Milchsäure.
Das folgende Beispiel dient der Erläuterung der Erfindung und stellt keine Beschränkung dar.

Beispiel

Eine durch Fermentation von Glucose in wäßriger Lösung erhaltene Brühe wurde mit Lactobacillus casei DSM 20011 behandelt, wobei die Milchsäurekonzentration von 8 bis 10 Gew.% variierte.
Die Fermentationsbedingungen waren wie folgt:
- pH: 6,4-6,6 (Neutralisation mit NaOH 8 N)
- Temperatur:37ºC
- anaerobe Bedingungen
- mäßiges Rühren
- maximale Glucosekonzentration: 10 Gew.%
- Konzentration der Nährstoffe in der Brühe (auf Gewicht bezogen):
Hefeextrakt 3%
Magnesiumsulfat 0,06%
Ferrosulfat 0,003%
Mangansulfat 0,003%
Natriumacetat 0,1%
bisaures Kaliumphosphat 0,05%
monosaures Kaliumphosphat 0,05%.
Die vorstehend genannte Fermentationsbrühe wurde nach Abtrennen der Zeuen durch Mikroflitration durch eine Säule mit 1RA420 anionischem Harz, in den Handel gebracht von Rohm und Haas Italia S.r.l., in Form des Carbonats, welches ein Styrol-Divinylbenzol-Harz mit quaternären Ammoniumgruppen enthält, perkoliert.
Das Volumen der Brühe wurde mit 1 Volumen/Volumen Harz behandelt, wobei man eine Strömung von 3 Volumina je Volumen Harz je Stunde beibehielt.
Zu Beginn der Behandlung war die Milchsäure zu 100% fixiert, während am Ende der Behandlung die fixierte Milchsäuremenge etwa 30 Gew.% entsprach.
Nach dem Waschen der Säule mit Wasser durch umgekehrte Strömung (3 Voluminalvolumen Harz) wurde die Milchsäure unter Verwendung einer Ammoniumcarbonaflösung mit 5 Gew.% des Carbonats in einer Menge, entsprechend 3 Voluminalvolumen Harz, eluiert, wobei eine Strömung von 3 Volumina je Volumen Harz aufrechterhalten wurde.
Die eluierte Lösung wurde auf etwa 90 ºC erhitzt und bei dieser Temperatur gehalten, bis sämtliches Ammoniumcarbonat eliminiert war, und sie wurde dann durch eine Säule mit einem IR-120 kationischen Harz, in den Handel gebracht von Rohm und Haas Italia S.r.l., in der Wasserstofform, welches ein Styrol-Divinylbenzol-Harz mit Sulfogruppen enthält, perkoliert (das Volumen der behandelten Lösung entsprach etwa dem Dreifachen des Volumens des kationischen Harzes).
Die eluierte Milchsäurelösung, welche von Verunreinigungen praktisch frei war, wurde hiernach, indem man einen Teil des Wassers abdestillierte, auf etwa 90 Gew.% Milchsäure eingeengt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von gereinigten, wäßrigen Milchsäurelösungen, ausgehend von Milchsäure enthaltenden Fermentationsbrtilien, umfassend die folgenden Stufen:

A) Perkolieren der von Zellen freien Fermentationsbrühe durch eine oder mehrere Säulen eines stark anionischen Ionenaustauscherharzes in der Carbonatform;

B) Elution der Milchsäure aus der Säule oder den Säulen, wie unter(A) genannt, mit Hilfe einer wäßrigen Ammoniumcarbonatlösung;

C) Entfernen des Ammoniumcarbonats aus der Lösung, die durch die unter (B) genannte Elution erhalten wurde, durch Erhitzen;

D) Perkolieren der in Stufe (C) erhaltenen Lösung durch eine oder mehrere Säulen eines stark kationischen Ionenaustauscherharzes in der Wasserstofform.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin die Stufe (A) und die Stufe (B) in zumindest zwei untereinander austauschbaren Säulen durchgefuhrt werden, indem man die Säule (Säulen), in denen die Stufe (A) bzw. die Stufe (B) durchgefuhrt werden, wechselt.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin die in Stufe (D) verwendete(n) Säule oder Säulen anschließend einer Regenerierungsstufe unter Verwendung einer sauren, wäßrigen Lösung unterzogen werden.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, worin die Stufe (D) und die Regenerierungsstufe in zumindest zwei untereinander austauschbaren Säulen durchgeführt werden, indem man die Säule (Säulen), worin die Stufe (D) bzw. die Regenerierungsstufe durchgeführt werden, wechselt.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin das stark anionische Harz ein quaternäre Ammoniumgruppen enthaltendes Harz ist.

6. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin das stark kationische Harz unter Sulfogruppen enthaltenden Harzen ausgewählt wird.

7. Verfahren gemäß den Ansprdchen 1 bis 6, worin die in Stufe (B) verwendete Ammoniumcarbonatlösung etwa 3 bis 10 Gew.% Ainmoniumcarbonat enthält.

8. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin die gereinigte, wäßrige Milchsäurelösung nach Stufe (D) durch teilweises Verdampfen des Wassers konzentriert wird.