使用陰離子交換層析法提純有機酸的製作方法

2023-10-04 19:33:44

專利名稱：使用陰離子交換層析法提純有機酸的製作方法
背景技術：
工業發酵肉湯、水解產物和廢棄液是羧酸包括有機酸如琥珀酸和胺基酸的大量來源。這些羧酸可用於許多重要的商業應用。
例如，琥珀酸是一種四碳二羧酸，很可能成為重要的化學日用品。琥珀酸在合成許多重要的中間體時可作為中間體，並可用作消費品工業的特殊化學品。作為日用化學品，琥珀酸可代替許多苯類日用品和石油化學中間製品，可導致大幅度減少生產和消耗250多種苯衍生化學品時造成的汙染。琥珀酸可用作食品添加劑、植物生長刺激劑、作為藥品生產的中間體、以及生產清漆、染料和香料的聚合物和樹脂。
目前，石油化學中通過處理丁烷經馬來酸酐製備琥珀酸。幾乎美國消耗的所有琥珀酸都從海外進口。目前，世界琥珀酸市場為100百萬磅／年。
溼磨法乙醇生產中，在玉米發酵期間聯產少量的琥珀酸。也可以從各種農業和林業原材料如澱粉作物和纖維素糖製得。對提純這一重要化合物的成本-效益方法的發展，僅對玉米而言可提供100百萬蒲式耳以上增加了附加值的日用品銷路。
有許多方法可用於從發酵肉湯獲得高純度羧酸。然而，這些方法涉及很多操作，加工成本高，妨礙了其商品化。
從其它化合物如糖中分離羧酸的一種方法是通過陰離子交換層析。未質子化時，羧基具有負電荷，從而使其離子與離子交換樹脂上的正電荷部分結合，並用水洗滌樹脂除去其它物質。通常，用鹼溶液如氫氧化鈉液洗滌柱，可從陰離子交換樹脂上釋放出需要的陰離子。然而，這種方法會使需要的分子以其鹽的形式釋放，而不是酸的形式釋放。所以，如果要求酸形式的分子，所用方法必須包括酸化步驟和另外的提純步驟，這些步驟會明顯增加提純酸的成本。使用工業發酵物、水解物和廢棄液作為羧酸來源的商業生存力取決於從這些來源回收提純的羧酸的成本-效益方法。
本領域需要提純羧酸的有效的成本-效益的方法。
發明概述本發明是一種從含羧酸的溶液中提純羧酸的方法，所述方法包括下列步驟(a)將此溶液加到陰離子交換樹脂上；(b)在可除去中性分子、陽離子、大分子量化合物和細胞碎片的條件下洗滌樹脂，使羧酸根陰離子保留在樹脂上；(c)用一定量能有效置換幾乎所有羧酸的更強的陰離子(溶液)洗滌，從樹脂上置換出羧酸；和(d)收集洗脫液中的羧酸。在一個較好的實施方案中，本發明的方法包括在羧酸置換步驟之後，用強鹼處理樹脂來再生樹脂的步驟，強鹼用量應足以使結合在樹脂上的無機陰離子與氫氧離子進行大量交換。
根據採用本發明方法回收的羧酸的特定性質，可以採用任何合適的方法，包括但不限於結晶或蒸發蒸餾，進一步提純或濃縮這些化合物。
在另一個實施方案中，本發明的方法是用於從相應羧酸生產純化酯的方法，系採用包含有合適強酸的醇從陰離子交換樹脂上洗脫羧酸根陰離子來製得酯。
本發明的一個目的是提供從溶液中回收和提純羧酸的具有成本-效益的方法。
本發明方法的一個優點是通用性，可用於諸多不同的羧酸，包括胺基酸。
由下面的說明書部分能更好地理解本發明的其它目的、特徵和優點。
附圖簡述

圖1是用陰離子交換層析提純羧酸所涉及步驟的示意圖。
本發明的詳細描述本發明是一種從含羧酸的溶液中提純羧酸的方法，所述方法包括下列步驟(a)將此溶液加到陰離子交換樹脂上；(b)在可除去溶液中除羧酸根陰離子以外的其它物質的條件下洗滌樹脂，(c)用一定量能有效置換羧酸的更強的陰離子(溶液)洗滌樹脂，從樹脂上置換出羧酸；和(d)收集洗脫液中的羧酸。
本發明的方法基於膨脹床離子交換技術，代表了對標準方法的改進，所述方法由於採用的主要單元操作較少，能在顯著節約成本下，從發酵肉湯回收純的琥珀酸結晶。
在一個較好的實施方案中，建議的操作法使陰離子交換樹脂可以再循環使用。首先，通過在羧酸分子與樹脂上的交換位點之間形成離子鍵，將羧酸根陰離子吸附到強陰離子交換樹脂上。此階段，大多數中性或陽離子物質、或大分子或細胞碎片通過樹脂。隨後，用液體如水洗滌樹脂，除去被離子交換樹脂捕獲的未結合汙染物。洗滌步驟後，以更強的無機離子交換吸附的羧酸離子，從樹脂上置換下羧酸，從而釋放羧酸。通過再生樹脂的陰離子交換位點，準備好陰離子交換樹脂，用於羧酸陰離子吸附的下一次(使用)。這可通過用強鹼如氫氧化鈉處理樹脂來完成，使無機陰離子交換成氫氧離子。最終結果是酸化的、純化羧酸產品。
陰離子交換樹脂以鹽或鹼形式存在。為了從有機鹽混合物中吸附有機陰離子，在用氫氧化鈉再生時，該樹脂必須由鹽形式轉換為鹼形式。純化過程的步驟如下1)樹脂交換位點的再生
(RZ=樹脂)2)羧酸根陰離子吸附至樹脂
(RC=羧酸離子；X-=無機)3)置換和釋放為羧酸的羧酸離子
(HRI=無機酸；HRC=羧酸)4)釋放無機陰離子和再生樹脂下面的實施例中，發現Rohm and Haas Amberlite IRA 900，400，458或440陰離子交換樹脂或Dow Chemical陰離子交換樹脂對採用本發明方法提純羧酸有效。本領域技術人員將能理解，任何強鹼性陰離子交換樹脂都可用於本發明的方法。選擇強鹼性陰離子交換樹脂是因為這種類型的樹脂能優先吸附陰離子(如琥珀酸根或乙酸根)，同時使大部分糖通過。選擇時考慮的樹脂性能包括樹脂對目標有機酸離子或胺基酸離子與其它雜質的相對親和力，吸附羧酸離子的能力，置換時的釋放能力。
下面的實施例中，在洗滌步驟中使用水從樹脂上除去未結合的物質。然而證明適合於洗滌件的任何液體都可用於該洗滌步驟合適的洗滌條件為能除去中性或陽離子分子、大分子、細胞碎片和細胞，同時使大部分結合的羧酸根陰離子保留在樹脂上。其它合適的洗滌液例子包括一些緩衝溶液和溶劑。用作本發明洗滌液的溶液應具備類似於水的特性，應能除去幾乎所有不需要的物質，同時使大部分陰離子保持與樹脂結合。
任選地，當稀釋的發酵肉湯用作羧酸來源時，流穿通過樹脂的任何細胞或培養液可以返回發酵罐或廢物處理罐中。
使用強無機酸進行釋放步驟，酸的濃度應使其加到樹脂上的當量數等於或更好是大於結合於樹脂上的羧酸根陰離子的當量數。為了說明，在實施例中，用2M的H2SO4(4當量／升)可洗脫2．55當量結合於陰離子交換樹脂上的琥珀酸根。其它實施例中，用HCl釋放作為羧酸的羧酸陰離子。預期其它強酸也可用於釋放作為羧酸的羧酸陰離子，包括但不限於硝酸、磷酸和某些極性胺。
從樹脂除去羧酸後。產品物流可進一步提純。下面的實施例中，採用蒸髮結晶，製得純的琥珀酸結晶。然而，用於純化羧酸的任何合適的提純法均可用於本發明。例如，可採用蒸餾、萃取、電解和其它純化方法，以獲得純化的有機酸或胺基酸。
除了純化羧酸外，本發明的方法可用於生產純的相應的酯。通過適當選擇離子交換樹脂，可以先吸附有機陰離子，然後用醇類洗脫，可製得純的相應酯。選擇樹脂時考慮的因素包括其在所用溶劑中的穩定性，升高溫度時的穩定性、以及用所選溶劑處理時釋放陰離子的能力。選出的離子交換樹脂和無機酸也可用作酯化催化劑。
下面的實施例證明採用本發明的方法可以提純琥珀酸和乙酸。本領域的技術人員可以理解，採用這種方法可以提純任何羧酸，包括有機酸和胺基酸。下面的實施例中，證明這種方法能有效地從發酵肉湯、生物量(biomass)水解液和稀釋的廢液中提純羧酸。
下面的非限制性實施例目的是僅用於說明。
實施例從發酵肉湯中取得琥珀酸鹽離子交換前發酵肉湯中琥珀酸總量=4千克離子交換前琥珀酸肉湯的體積=4升由HPLC測定的琥珀酸根濃度 =58．14克／升由HPLC測定的乳酸根濃度=5．05克／升由HPLC測定的乙酸根濃度=3．89克／升發酵肉湯pH=離子交換後琥珀酸根(留存液)量 =19．2千克離子交換後琥珀酸根溶液(留存液)體積=19．2升由HPLC測定的琥珀酸根濃度 =4．28克／升乳酸根濃度=0．23克／升乙酸根濃度=0．34克／升留存液pH =9．3離子交換柱床體積 =7升離子交換柱直徑=4″流速 =21．6升／小時=3BV／hr吸附在離子交換柱上的琥珀酸根總量 =58．14×4-4．28×19．2=150．38克吸附在離子交換柱上的總當量數 =150．38／59=2．55當量該次操作中離子交換柱吸附容量 =0．36當量／升吸附在柱上的乳酸根量 =5．05×4-0．23×19．2吸附在柱上的乙酸根量 =3．89×4-0．34×19．4=8．96克從陰離子交換樹脂上置換下琥珀酸用約4升H2SO4(2M)洗脫吸附了琥珀酸根的離子交換樹脂，再用約20升水洗滌。收集兩組分洗脫液作為琥珀酸產物。分析這些產物的酸濃度。
組分1洗脫液量 =5．2千克組分1的體積=5．2升琥珀酸濃度 =8．47克／升乳酸濃度 =0．14克／升乙酸濃度 =0．12克／升溶液pH =3．2從離子交換樹脂置換下的第一組分中琥珀酸量 =5．2×8．47=44．04克組分2洗脫液量 =12．4千克組分2洗脫液體積=12．4升琥珀酸濃度 =3．49克／升乳酸濃度 =0克／升乙酸濃度 =0．02克／升從離子交換樹脂置換下的第二組分中琥珀酸量 =12．4×3．49=42．16克從離子交換樹脂置換的琥珀酸總量 =44．04+42．16=86．2克由離子置換法洗脫的琥珀酸百分數 =86．2／150．38×100=57．3％該方法洗脫的乙酸百分數 =5．2×0．12／8．96×100=7．2％該方法洗脫的乳酸百分數 =5．2×0．14／15．78×100=4．6％上面的試驗表明用另一種具有較低pKm值的酸選擇性置換，琥珀酸可作為酸被洗脫，或以強鹼陰離子交換弱鹼陰離子。這種方法對琥珀酸的選擇回收超過乙酸和乳酸。通過結晶製得純的琥珀酸。通過蒸髮結晶可達到進一步提純琥珀酸，製得的琥珀酸晶體純度大於99％。結晶過程中，乙酸可以用蒸氣回收，乳酸則留在母液中。
從含乙酸根和糖的生物量水解液中取得乙酸根離子離子交換前乙酸鹽糖溶液量 =81．6千克離子交換前乙酸鹽糖溶液的體積 =81．6升由HPLC測定的乙酸根濃度 =4．53克／升離子交換後乙酸鹽(留存液)量 =96．2千克離子交換後乙酸鹽(留存液)體積 =96．2升離子交換柱床體積 =8．13升離子交換柱直徑 =4＂流速 =21升／小時=2．58BV／hrHPLC測定的乙酸鹽濃度 =1．73克／升吸附在離子交換柱上的乙酸根總量=4．53×81．6-1．7×96．2=203．22克吸附在離子交換柱上的總當量數 =203．22／60=3．38當量離子交換樹脂的交換容量=3．38當量／8．13升=0．42當量／升從陰離子交換樹脂上置換下乙酸用4升4當量的硫酸洗脫吸附了乙酸根的離子交換樹脂，再用水洗滌。收集兩組分洗脫液作為乙酸產物。由HPLC分析這兩組分產物的酸濃度。
組分1產物量=4．0千克組分1產物體積 =4．0升HPLC測定的乙酸濃度 =9．65克／升組分1中置換下的乙酸量 =38．4克組分2產物量=3．8千克組分2產物體積 =3．8升乙酸濃度 =39．8克／升組分2中置換下的乙酸量 =151．2克從離子交換樹脂洗脫下的乙酸總量 =38．4+151．2=189．64克該方法洗脫的乙酸百分數 =189．64／203．22=93．3％上面實施例表明用較強的陰離子選擇性置換乙酸根離子，可以從鹽溶液回收乙酸。此實施例中，弱鹼性陰離子乙酸根被強鹼性陰離子硫酸根取代。通過蒸發蒸餾，進一步濃縮和提純了乙酸。
在含乙酸鹽、糖和硫酸鹽的離子交換過程中，從高pH值廢液中取得乙酸鹽離子交換前乙酸鹽溶液量 =49．0千克比重 =1．012離子交換前溶液的體積 =49．0×1．012=49．59升由HPLC測定的乙酸根濃度 =1．99克／升由HPLC測定的硫酸根濃度 =5．19克／升由HPLC測定的葡萄糖濃度 =2．75克／升溶液最初的pH =9．33離子交換柱床體積 =7升離子交換柱直徑 =4＂流速 =21．6升／小時=3BV／hr離子交換法後乙酸鹽(留存液)量 =60．6千克比重 =1．005留存液體積 =60．90升溶液最終pH =11．5離子交換後乙酸鹽濃度 =0．38克／升離子交換後硫酸鹽濃度 =1．44克／升離子交換後糖濃度 =2．19克／升吸附在離子交換柱上的乙酸根總量 =49．59×1．99-60．9×0．38=75．54克吸附在離子交換柱上的硫酸根總量 =49．59×5．19-60．9×1．44=169．68克吸附在離子交換柱上的當量數 =75．54／60+169．68／49=4．72當量從陰離子交換樹脂上置換下乙酸用4升2當量硫酸洗脫吸附了乙酸根的離子交換樹脂，再用水洗滌。收集兩組分洗脫液作為乙酸產物。由HPLC分析這兩組分產物的乙酸濃度。
組分1洗脫液量 =20千克酸置換體積 =20升乙酸濃度 =2．11克／升溶液pH =3．2-5．0取得的乙酸量 =2．11×20=42．4克該方法洗脫的乙酸鹽百分數 =42．4／75．54×100=55．86％該方法不洗脫硫酸，洗脫出很少量的糖。通過蒸發蒸餾或蒸汽提取，乙酸很容易濃縮和提純。可以從天然來源或生物量中生產食用級乙酸，不必從石油合成。
用於提純乳酸、琥珀酸和檸檬酸的樹脂的再生如實施例中所述，為提純乳酸、琥珀酸和檸檬酸，使用兩個直徑為1英寸，高4英尺，約500毫升床體積的柱進行離子交換。
起初，用4％NaOH溶液，以2個床體積／小時的流速，用2-3個床體積的氫氧化鈉溶液再生此柱。
再生後的柱用4個床體積的去離子水，以2BV／hr的流速清洗，再用2個床體積的去離子水，以更高流速清洗。這些水從柱上基本上洗出所有未吸附的氫氧化鈉溶液。此時，柱已準備好用於吸附循環。
乳酸根離子的吸附和置換用10％(大約)乳酸鹽溶液進行首次提純，溶液以1個床體積／小時的流速通過柱2小時。收集缺失了乳酸鹽的溶液，分析該溶液的乳酸濃度。然後用2個床體積的水清洗柱。用4％HCl溶液，以1個床體積／小時的流速置換乳酸根離子。收集置換下來的乳酸溶液，並由HPLC分析其乳酸濃度。洗脫的溶液是從乳酸鹽製得的乳酸溶液。採用蒸髮結晶，可以從這種稀溶液生產純的乳酸。
下面的計算顯示通過陰離子交換層析從鹽生產的稀酸量。吸附循環 操作Ⅰ 操作Ⅱ通過柱的乳酸鹽總量= 721克 865克最初乳酸濃度 = 82克／升82克／升柱底收集的缺失乳酸的溶液的量 = 784克 827克缺失後的溶液中乳酸濃度 = 0克／升 0克／升被柱吸附的乳酸離子量(假設1毫升溶液=1克)= = 59克 70克置換循環 操作Ⅰ 操作Ⅱ置換循環結束時收集的稀酸溶液量 = 1383克 1498克置換後溶液的乳酸濃度 = 29克／升 29克／升置換下來的乳酸總量 = = 40克 43克陰離子交換法置換下來的乳酸百分數 = = 59％ 61％這些結果證明陰離子交換層析，可以提純乳酸。
琥珀酸根離子的吸附和置換計算採用上述提純乳酸的方法，從其稀鹽溶液提純琥珀酸。
下面的計算顯示用陰離子交換層析從鹽生產稀酸的量。吸附循環 操作Ⅰ 操作Ⅱ通過柱的琥珀酸鹽總量= 1093克 1334克最初琥珀酸濃度 = 100克／升100克／升柱底收集的缺失琥珀酸的溶液的量 = 1040克 1242克缺失後的溶液中琥珀酸濃度= 0克／升 0克／升被離子交換樹脂吸附的琥珀酸離子量= (假設1毫升溶液=1克)= 109．3克 133．4克置換循環 操作Ⅰ操作Ⅱ置換循環結束時收集的稀酸溶液量 = 1357克998克置換後溶液的琥珀酸濃度 = 54．5克／升 53．5克／升置換的琥珀酸總量 == 67．7％ 40％上面的實施例表明通過陰離子交換層析，可以從琥珀酸鹽溶液生產琥珀酸。通過蒸髮結晶，可以從該溶液製得純的琥珀酸晶體。
檸檬酸根離子的吸附和置換採用上面所述提純乳酸的方法，從其稀鹽溶液提純檸檬酸。
下面的計算顯示用陰離子交換層析從鹽生產稀酸的量。吸附循環 操作Ⅰ操作Ⅱ通過柱的檸檬酸鹽總量 = 869克954克最初檸檬酸濃度= 64克／升 66克／升柱底收集的缺失檸檬酸的溶液的量= 829克920克缺失後的溶液中檸檬酸濃度 = 0克／升 0克／升被離子交換樹脂吸附的檸檬酸離子量(假設1毫升溶液=1克) = 55．6克 61克置換循環 操作Ⅰ 操作Ⅱ置換循環結束時收集的稀酸溶液量= 2077克 1869克置換後溶液的檸檬酸濃度= 23克／升 29克／升置換下來的檸檬酸總量 = 47．7克 54克陰離子交換法置換的檸檬酸百分數= = 86％ 88．5％上面的實施例表明通過陰離子交換層析，可以從檸檬酸鹽溶液生產檸檬酸。通過蒸髮結晶或其它方法，可以從該置換後溶液製得純的檸檬酸結晶。
上面的實施例證明可以通過陰離子交換層析，從稀的有機鹽混合物生產有機酸。
同樣，通過陰離子交換層析，可以從稀的發酵肉湯、水解溶液或稀的廢液中，吸附、提純和置換有機酸的未質子化陰離子。
可採用這種層析法，通過選擇離子交換樹脂和置換溶液，可以吸附、提純和置換胺基酸和其它帶電荷化合物。
通過選擇合適的離子交換樹脂置換溶液和置換溶液的濃度，可以優化這種方法。
上面的實施例表明通過離子交換層析，可以從發酵肉湯、生物量水解液或從稀的廢液提純有機酸(乙酸、琥珀酸、乳酸、檸檬酸等)，並通過強酸或強鹼陰離子酸化和置換。產品以純酸形式回收，而不是其鹽的形式回收。通過這種方法，可以從產物中除去非離子性雜質。
本發明可用於從發酵反應物中回收羧酸，發酵反應中，羧酸作為次要副產物生成(如通過玉米發酵生產乙醇時，產生琥珀酸)或作為發酵反應的主要產物(一些微生物產生相當大量的特定羧酸如琥珀酸、乙酸或丙酮酸)生成。
本領域眾所周知，眾多的細菌分離物和黴菌在一定的生長條件下，能產生大量特定的羧酸。採用本發明的方法，選擇在一定生長條件下能產生所需羧酸的微生物，在這些條件下培養該微生物，並採用本文中公開的方法，從培養物中回收羧酸，大量提純特定羧酸的原望可以方便地實現。
通過實施例，可知通過在含葡萄糖的培養液(pH5．9-6．4)和過量CO2中培養微生物如產琥珀酸的厭氧螺菌(ANS)ATCC 29305，分離琥珀酸鹽的願望可以實現。要通過降低乙酸生產的碳損耗來提高琥珀酸鹽產率，可使用乙酸鹽-負突變株，如ANS53488。本發明不限於的列舉的實施方案，然而所有的修改和變化都被為包括在本發明權利要求書範圍內。
權利要求
1．一種從含羧酸的溶液中回收羧酸的方法，該方法包括下列步驟(a)使含羧酸溶液與陰離子交換樹脂接觸；(b)在合適的條件下洗滌樹脂，除去羧酸根陰離子以外的物質；(c)用無機陰離子、或比羧酸根陰離子更強的陰離子的酸形式，以能有效置換羧酸根陰離子為相應羧酸的量，洗滌樹脂，從樹脂上置換下羧酸根陰離子成為羧酸；和(d)收集含羧酸的組分。
2．如權利要求1所述的方法，其特徵還在於所述含羧酸溶液選自發酵肉湯、生物量水解液、相應羧酸根陰離子鹽形式的稀溶液或廢液。
3．如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述方法還包括從步驟(d)的含羧酸組分提純羧酸的步驟。
4．如權利要求3所述的方法，其特徵還在於所述的提純步驟選自結晶或蒸餾。
5．如權利要求1所述的方法，其特徵還在於所述接觸步驟通過將含羧酸溶液加到固定床陰離子交換樹脂上進行。
6．如權利要求1所述的方法，其特徵還在於所述接觸步驟通過使流化樹脂床流過含羧酸溶液來進行。
7．如權利要求1所述的方法，其特徵還在於所述置換洗滌步驟(c)中的陰離子酸形式是比步驟(c)的羧酸根陰離子更強的陰離子。
8．如權利要求1所述的方法，其特徵還在於所述置換洗滌步驟(c)包含無機陰離子的酸形式。
9．如權利要求7所述的方法，其特徵還在於置換洗滌步驟(c)包含極性胺。
10．如權利要求2所述的方法，其特徵還在於含羧酸溶液是發酵肉湯。
11．如權利要求2所述的方法，其特徵還在於含羧酸溶液是生物量水解液。
12．如權利要求2所述的方法，其特徵還在於含羧酸溶液是廢液。
13．如權利要求2所述的方法，其特徵還在於含羧酸溶液是相應羧酸根陰離子鹽形式的稀溶液。
14．一種從含羧酸溶液製備酯的方法，該方法包括下列步驟(a)使含羧酸溶液與陰離子交換樹脂接觸；(b)在合適的條件下洗滌樹脂，除去羧酸根陰離子以外的物質；(c)用含有無機陰離子、或比羧酸根陰離子更強的陰離子的酸形式的醇類，以能有效置換羧酸的量，洗滌樹脂，從樹脂上置換下羧酸根陰離子成為羧酸；和(d)收集酯組分。
15．如權利要求14所述的方法，所述方法還包括提純步驟(d)的酯的步驟。
全文摘要
本發明公開了一種具有成本—效益的方法,用於提純和酸化羧酸,包括有機酸和胺基酸。所述方法涉及使羧酸的陰離子形式結合於陰離子交換柱並洗滌該柱來除去雜質。通過用強的無機陰離子溶液洗滌樹脂,使羧酸陰離子被置換為羧酸。這種方法能有效地從各種工業來源包括發酵肉湯、水解液和廢液中取得有機羧酸和胺基酸。
文檔編號C07C53/08GK1292023SQ99803590
公開日2001年4月18日 申請日期1999年3月1日 優先權日1998年3月2日
發明者E·龐南帕拉馬 申請人:密執安生物技術所