使用弱鹼性或強鹼性陰離子交換樹脂吸附劑從發酵液中的葡萄糖酸中分離檸檬酸的製作方法

2023-07-04 00:26:41

專利名稱：：使用弱鹼性或強鹼性陰離子交換樹脂吸附劑從發酵液中的葡萄糖酸中分離檸檬酸的製作方法
技術領域：
：本發明涉及一種方法，用於從含有選自由葡萄糖酸和烏頭酸或網絡或凝膠類型的、水不溶性的、帶有叔銨官能團的陰離子交換樹脂上或帶有弱鹼性的、大網絡或凝膠類型的、水不溶性的、帶有^L銨官能團或吡啶官能團的陰離子交換樹脂基質上。樹脂基質是丙烯酸類或苯乙烯類、用二乙烯基苯交聯。通過在解吸條件下用水或稀的無機酸、特別是硫酸解吸劑解吸回收檸檬酸。在本發明中可以使用的無機酸的濃度為大約0,01N到大約1.0N，優選為0.1到0.2N。這些樹脂導致與早前>^開的中性樹脂相比改進的分離。它們在增加針對原料中雜質的鈍化的穩定性而吸附分離檸檬酸中是出色的。本發明的一個方面在於從鹽和糖類中完全分離檸檬酸僅通過調整和保持原料溶液的pH值低於檸檬酸的第一電離常數(pKa,)(3.13)獲得的。但是，在0.5到2.5範圍內的pH值是優選的且更優選為1.5到2.2。令人驚奇的是葡萄糖酸和烏頭酸分離極好，因為葡萄糖酸和烏頭酸的電離常數如此接近檸檬酸的。0007本發明還涉及一種用於從包含含有葡萄糖酸或烏頭酸或二者的發酵液的原料混合物中分離檸檬酸的方法，所述方法使用了水不溶性的、6大網絡或凝膠狀的具有季銨官能團的強鹼性陰離子交換樹脂，或帶有叔胺或吡咬官能團的弱鹼性陰離子交換樹脂，所述陰離子交換樹脂具有交聯的丙烯酸類或苯乙烯類樹脂基質，其包括以下步驟(a)保持在單一的方向上流動穿過所述吸附劑塔的淨流體，該塔包括至少三個具有在其中發生分開的操作功能的區域且通過所述連接的塔的末端區域相互串聯連接以提供所述區域的連續連接；(b)在所述塔中保持吸附區域，所述區域由位於所述區域上遊邊緣處的原料輸入物流和所述區域下遊邊緣處的提餘物輸出物流之間的吸附劑限定；(c)保持在上遊緊鄰所述吸附區域的純化區域，所述區域下遊邊緣處的原料輸入物流之間的吸附劑限定；(d)保持在上遊緊鄰所述純化區域的解吸區域，所述解吸區域通過位於所述區域上遊邊緣處的解吸劑輸入物流和所述區域下遊邊緣處的所述提取物輸出物流之間的吸附劑限定；(e)在吸附條件下使所述原料混合物進入所述吸附區域以便通過在述吸附區域中取出包含有機酸例如葡萄糖酸、烏頭酸或它們的混合物以及發酵液的其他不吸附組分的提餘物輸出物流；(f)在解吸條件下j吏解吸劑材物流；(h)j吏至少一部分所述提取物輸出物流i^提取物分離設備並且在其中在分離條件下分離至少一部分所述解吸劑材料；以及(i)在相對於所述吸附區域中流體流動的下遊方向上定期使原料輸入物流、提餘物輸出物流、解吸劑輸入物流以及提取物輸出物流前進穿過所述吸附劑塔以實現區域切換穿過所述吸附劑和製備提取物輸出物流和提餘物輸出物流。圖1為不同檸檬酸物種濃度相對檸檬酸離解的pH值的曲線圖，其顯示出通過改變檸檬酸、檸檬酸根和氫離子的濃度的檸檬酸離解的平衡點的移動。吸附劑的"選擇性孔體積，，限定為從原料混合物中選擇性吸附提取物組分的吸附劑的體積。吸附劑的"非選擇性空間體積"是的吸附劑不選擇性保留來自原料混合物的提取物組分的體積。這種體積包括包含非吸附性位點的吸附劑的空洞以及吸附劑顆粒之間的填隙空位空間。選擇性孔體積和非選擇性空間體積通常以體積量表示並且對於給定量的吸附劑在確定需要傳遞到操作區域中用於發生有效操作的流體合適的流速中是很重要的。當吸附劑"ii^，，用於本發明方法的一個實施方案的操作區域(在下文中進行限定和描述)時，它的非選擇性空間體積以及它的選擇性孑L體積將流體載入那個區域中。非選擇性空間體積用於確定在逆流方向上傳遞到相同區域中到吸附劑上置換存在於非選擇性空間體積中的流體的流體的量。如擇性空間體積速率更小，液體通過吸附劑淨夾帶到該區域中。由於這種淨夾帶是存在於吸附劑的非選擇性空間體積中的流體，在大多數的實例中它包括更不選擇性保留的原料組分。在某些實例中吸附劑的選擇性孔體積可以從包圍在吸附劑周圍的流體中吸附一部分提餘物材料，因為在某些實例中提取物材料和提餘物材料之間對於選擇性孔體積中的吸附位點存在竟爭。如果相對於提取物材料來說大量的提餘物材料包圍在吸附劑周圍，提餘物材料可以具有足以被吸附劑吸附的竟爭性。在本發明中預期的原材料是由糖蜜通過微生物黑麴黴的浸漬培養發酵獲得的包含檸檬酸和葡萄糖《酵產物將具有通過以下示例的組分:以及可能的烏頭酸的發酵產物。發檸檬酸葡萄糖酸鹽糖類(蔗糖)其它(蛋白質和U酸)或者檸檬酸葡萄糖酸烏頭酸鹽糖類(蔗糖)其它(蛋白質和M酸)10質量％7質量％6000ppm1質量％2質量％20質量％1質量％低於分析儀器的檢測極限6000ppm1質去％2質量％該鹽是K，Na，Ca，Mg和Fe。糖類是包括葡萄糖、木糖、甘露糖的糖，DP2和DP3以及高至12或更多的未確認的糖的低聚糖。物料的組成可以按照以上有所變化並且仍然用於本發明中。但是，果汁例如柑桔類水果果汁是不可接受的或者不是預期的，因為包含於其中的其它材料將同時吸附而不是單獨吸附檸檬酸。Johnson,J.Sci.FoodAgric.，Vol33(3)pp287-93。此外，查看本發明的含叔胺和吡啶官能團的弱鹼性離子交換樹脂，來自氮原子的孤對電子可以，例如，與叔胺或R1P-N:H+-CA-1R1R1(4)P-N:H+-S04=H""-CA-1R1(5)以及與含吡啶官能團的樹脂P-orIS(6)h+SO/1=H+~CA(7)其中P-樹脂部分R-低級烷基Cl-3CA-檸檬酸根離子，直接或通過硫酸根離子與檸檬酸形成氫鍵，D其中C和D是以體積百分數表示的原料中的兩種組分且下標A和U分別表示吸附和未吸附狀態。當傳遞到吸附床的原料在與吸附劑床接觸後沒有改變組成時定為平衡條件。換句話說，在未吸附的和吸附相之間沒有發生材料的淨傳遞。其中兩種組分的選擇性接近1.0時，吸附劑對於一種組分的吸附相對於另一種來說沒有優選性；它們相互之間都以大約相同的程度吸附(或不吸附)。隨著p變得低於或高於i.o，相對於另一種組分，吸附劑對於一種組分具有優選的吸附性。當比較吸附劑對於組分C相對於組分D的選擇性時，p大於i.o表明在吸附劑中對組分c的優選吸附。p小於i.o14表明對組分D優選吸附而留下富含組分C的未吸附的相和富含組分D的吸附的相。理想的解吸劑材料應當具有對於所有提取物組分等於大約1或略小於1的選擇性以至於所有的提取物組分可以作為使用合理的流動速率的解吸劑材料進行解吸的一類並且提取物組分可以在後續的吸附步驟中置換解吸劑材料。當吸附劑吸附劑對提取物組分的選擇性相對於提餘物組分來說大於l時，從提餘物組分中分離提取物組分在理論上是可能的，優選這種選擇性接近2。類似相對揮發度，選擇性越高，越容易進行分離。較高的選擇性允許使用較少量的吸附劑。第三個重要的特徵是原料混合物材料的提取物組分的交換速率，或者換句話說，是提取物組分的相對解吸速率。這一特徵直接涉及不可用於過程中從吸附劑中回收提取物組分的解吸劑材料的量；較快的交換速率減少了需要除去提取物組分的解吸劑材料的量並且因此允許過程的操作成本的降低。交換的速率越高，在過程中越少的解吸劑材料需要泵送穿過過程並從提取物流中分離以用於再利用。這些可獲得的不同類型的聚合物吸附劑在物理性質上略有不同，例如孔體積百分數、骨架密度和標稱粒度，以及可能在表面積、平均孔直徑和偶極矩方面更是如此。優選的吸附劑將具有每克10-2000平方米的表面積，且優選為100-1000mVg。以上列出的材料的具體性質可以在7>司文獻和技術手冊中找到，例如以下表l中的那些。還可以獲得其他種類的那些。表ltableseeoriginaldocumentpage18tableseeoriginaldocumentpage19[0032RohmandHaasCompany的文獻中建議的Amberlite聚合物吸附劑的應用包括漿料研磨漂白流出物的脫色，染料廢物的脫色以及從廢物流出物中除去殺蟲劑。當然在文獻中沒有暗示我們的令人驚奇的關於Amberlite聚合物吸附劑在從黑麴黴發酵液中分離檸檬酸的有效性的發現。但是逆流移動床或模擬移動床逆流流動體系具有比固定吸附劑床體系高很多的分離效率且因此是優選的。在移動床或模擬移動床方法中，吸附和解吸操作連續進行，這允許提取物和提餘物物流的連續製備和原料和解吸物流的連續使用。本發明方法的一個優選的實施方案使用了現有技術中稱為模擬移動床逆流流動體系的設備。US2，985，589中描述了操作原則和這種流動體系的順序，這裡通過引用將其併入本文。在這種體系中，多重液體進出點的漸進運動通過吸附劑容器模擬了包含在容器中的吸附劑的向上運動。進出管線僅有四個在任何時間都是活動的；原料輸入物流、解吸入口物流，提餘物出口物流和提取物入口物流進出管線。與這種固體吸附劑的模擬向上運動相一致的是佔據吸附劑填充床空間體積的液體的運動。因此保持逆流接觸、液體向下流過吸附劑容器可以通過泵來提供。隨著活動液體進出點運動通過循環，即從容器的頂部到底部，容器循環泵運動通過不同的需要不同流通速率的區域。可以提供程序流動控制器以控制這些流動速率。相對於區域1中流體流動在上遊緊鄰是純化區域，區域2。純化區域限定為提取物出口物流和原料進口物流之間的吸附劑。在區域2中發生的基^^作是進行的通過吸附劑切換進入這一區域帶入區域2中的任何體積中或吸附在吸附劑顆粒表面上的任何吸附的提餘物材料的解吸。純化通過在區域2的上遊邊緣將一部分離開區域3的提取物流材料送入區域2實現，提取物出口物流，以實現提餘物材料的置換。材料在區域2中的流動在從提取物流到原料進口物流的下遊方向上。在一些情況中可以使用任選的緩衝區域，區域4。這一區域限定為提餘物出口物流和解吸劑入口物流之間的吸附劑，如果使用，其相對於到區域3的流體流動在上遊緊鄰。區域4用於保存用於解吸步驟中的解吸劑的量，因為一部分從區域l中除去的提餘物物流可以傳遞到區域4中以置換存在於該區域的解吸劑材料到該區域外至解吸區域中。區域4將包含足夠的吸附劑以至於可以阻止排出區域1並且進入區域4的提餘物物流中存在的提餘物材料傳遞進入區域3，由此汙染從區域3中除去的提取物流。在其中並不使用第四個任選的區域的情況中，從區域1傳遞到區域4的提餘物物流必須小心監測以便當合適量的提餘物材料存在於從區域1到區域3的提餘物物流中時，從區域1到區域3的直接流動可以停止，以至於不汙染提取物出口物流。輸入和輸出物流通過吸附劑的固定床的循環前進可以通過使用歧管體系實現，其中在歧管中的閥門以順序的方式操作以實現輸入和輸出物流的切換，由此允許關於固體吸附劑的流體的以逆流的方式的流動。另一種操作模式為其可以實現關於流體的固體吸附劑的逆流流動，其包括使用旋轉片狀閥門，其中輸入和輸出物流與閥門和管線接觸，通過該閥門和管線原料輸入、提取物輸出、解吸劑輸入和提餘物輸出物流在相同的方向上前進穿過吸附劑床。歧管排列和片狀閥門都是現有技術中已知的，特別是可以用於這種操作中的旋轉片狀閥門可以在US3，040，777和US3，422，848中找到。前述專利均公開了旋轉型連接閥門，其中來自固定來源的不同輸入和輸出物流的前進可以毫不費力的實現。同時使用所有的輸入或輸出物流不是必須的，且事實上，在許多種情況中，物流中的一個可以切斷，而其他的實現材料的輸入或輸出。可以用於實現本發明方法的設備還可以包括一系列的通過管道相連的單獨的床，其上放置有輸入或輸出接頭，可以向其附加不同的輸入或輸出物流並且交替和定期地切換到有效連續的^Mt。在一些情況中，連接的管道可以與在通常的操作期間並不用作材料通過其進入或排出的管道的傳遞接頭連接。參考文獻可以是US2，985，589，這裡通過引用併入本發明，用於進一步解釋模擬運動床逆流方法的流程方案。使用脈衝測試設備和先前描述的過程獲得了保留體積和分離因子。特別地，在70cc的直形柱中使用以下順序的用於脈衝測試的操作測試吸附劑。解吸劑材料以大約l.O的標稱液時空速(LHSV)連續向上運動通過包含吸附劑的柱。通過觀察充滿填充的乾燥的柱需要的解吸劑的體積確定空間體積。在方l更的時間停止解吸劑材料的流動，且將5ec的原料混合物的樣品通過進樣環路注入到柱中且恢復解吸劑材料的流動。流出物的樣品自動收集在自動樣品收集器中並且以後通過色譜分析用於鹽和檸檬酸的分析。提取物和提佘物組分並不分開用於其他原料組分的分析，例如包含在其中的糖類，蛋白質等。從這些樣品的分析中研究原料混合物組分的峰濃度。檸檬酸的保留體積通過測量從作為參考點的鹽的峰的淨保留體積的中間點到杆檬酸的峰的中間點的距離計算。分離因子P由兩種化合物的保留體積的比計算。脈沖測試的結果如下所示tableseeoriginaldocumentpage25原料的分析並沒有導致烏頭酸的量的定量，這是因為該量低於分析儀器的檢測極限。使用先前描迷的脈衝測試設備和流程獲得保留體積和分離因子。特別地，在70cc的直形柱中j吏用以下用於脈衝測試的順序操作測試吸附劑。解吸劑材料以大約1.0的標稱液時空速(LHSV)連續向上運動通過包含吸附劑的柱。通過觀察充滿填充的乾燥的柱需要的解吸劑的體積確定空間體積。在方便的時間停止解吸劑材料的流動，且將10cc的原料混合物的樣品通過進樣環路注入到柱中且恢復解吸劑材料的流動。流出物的樣品自動收集在自動樣品收集器中並且以後通過色語分析用於鹽和檸檬酸的分析。提取物和提餘物組分並不分開用於其他原料組分的分析，例如包含在其中的糖類，蛋白質等。從這些樣品的分析中研究原料混合物組分的峰濃度。檸檬酸的保留體積通過測量從作為參考點的鹽的峰的淨保留體積的中間點到檸檬酸的峰的中間點的距離計算。分離因子p由兩種化合物的保留體積的比計算。脈衝測試的結果如下所示。圖號樹脂原料組分NRVP鹽00糖類4.98.873IRA-958檸檬酸33.81烏頭酸20.41.70未知物11.51.00053該結果液顯示在圖3中，其中清楚的是，在該方法中，檸檬酸令人滿意的從葡萄糖酸、烏頭酸和其他發酵液組分中分離出來。2權利要求1.一種吸附分離的方法，其包括使至少包含檸檬酸和葡萄糖酸的發酵液與水不溶性鹼性陰離子交換樹脂接觸，所述樹脂選自由具有季銨官能團並且具有交聯的共聚性苯乙烯或丙烯酸樹脂基質的強鹼性陰離子交換樹脂和具有叔胺或吡啶官能團並且具有交聯的丙烯酸或苯乙烯樹脂基質的弱鹼性陰離子交換樹脂組成的組，其中在選擇以選擇性吸附所述檸檬酸的吸附條件下，水不容性鹼性陰離子交換樹脂的形式選自由硫酸鹽形式和氨基形式組成的組，所述吸附條件包括低於檸檬酸的第一電離常數(pKa1)的pH值，並且在解吸條件下，用包含水或稀無機酸的解吸劑解吸檸檬酸。2.權利要求l的方法，其進一步包括回收檸檬酸。3.權利要求1的方法，其進一步的特徵在於所述吸附和解吸條件包括在20到200。C範圍內的溫度和在大氣壓力與500psig(3450kPa表壓)範圍內的壓力。4.權利要求1的方法，其進一步的特徵在於所述解吸在液相中用稀石克酸實現。5.權利要求1的方法，其進一步的特徵在於所述強鹼性陰離子交換樹脂具有季銨官能團且所述基質是交聯的丙烯酸樹脂。6.權利要求1的方法，其進一步的特徵在於所述弱鹼性陰離子交換樹脂具有吡啶官能團並且所述基質是交聯的聚苯乙烯樹脂。7.權利要求1的方法，其進一步的特徵在於所述弱鹼性陰離子交換樹脂具有叔胺官能團並且所U質是丙烯酸樹脂。8.權利要求1的方法，其進一步的特徵在於所述陰離子交換樹脂具有至少10m2/g的表面積。9.權利要求1的方法，其中所述發酵液包含檸檬酸、葡萄糖酸、糖類和鹽。10.權利要求1的方法，其中所述陰離子交換樹脂是大網絡狀的。11.權利要求1的方法，其中所述陰離子交換樹脂是皿狀的。12.權利要求l的方法，其中接觸和解吸進一步包括(a)保持在單一的方向上流動穿過所述吸樹脂的塔的淨流體，該塔包括至少三個具有在其中發生分開的操作功能的區域且通過所述連接的塔的末端區域相互串聯連接以提供所述區域的連續連接；(b)在所述塔中保持吸附區域，所述區域由位於所述區域上遊邊緣處的原料輸入物流和所述區域下遊邊緣處的提餘物輸出物流之間的樹脂限定；(c)保持在上遊緊鄰所述吸附區域的純化區域，所述純化區域由位於所述純化區域上遊邊緣處的提取物輸出物流和所述純化區域下遊邊緣處的原料輸入物流之間的樹脂限定；(d)保持在上遊緊鄰所述純化區域的解吸區域，所述解吸區域通過位於所述區域上遊邊緣處的解吸劑輸入物流和所述區域下遊邊緣處的所述提取物輸出物流之間的樹脂限定；域中的所述樹脂實現對所述檸檬酸的選擇性吸附並且從所述吸附區域中取出至少包含葡萄糖酸的提餘物輸出物流；域以便J所述解吸區域中實現所述檸檬酸從樹脂:置換；"流；(h)使至少一部分所述提取物輸出物流進入提取物分離設備並且在其中在分離條件下分離至少一部分所述解吸劑材料；以及(i)在相對於所述吸附區域中流體流動的下遊方向上定期佳^^料輸入物流、提餘物輸出物流、解吸劑輸入物流以及提取物輸出物流前進穿過所述樹脂的塔以實現區域切換穿過所述樹脂和製備提取物輸出物流和提餘物輸出物流。13.權利要求12的方法，其進一步包括使至少一部分所述提餘物輸出物流進入提餘物分離設備並且在分離條件下分離至少一部分所述解吸14.權利要求12的方法，其進一步包括使緩沖區域保持在上遊緊鄰所述解吸區域的步驟，所述緩衝區域限定為位於所述緩衝區域下遊邊緣處的解吸劑輸入物流和位於所述緩沖區域上遊邊緣處的提餘物輸出物流之間的樹脂。15.權利要求12的方法，其中所述解吸劑材料是在0.01N到1.0N濃度範圍內的硫酸。全文摘要通過使用包含具有季銨或叔胺官能團的水不溶性的、大網絡或凝膠狀、強鹼性或弱鹼性陰離子交換樹脂，所述陰離子交換樹脂具有交聯的丙烯酸或苯乙烯樹脂基質，和包含水或稀硫酸的解吸劑，從含有葡萄糖酸的發酵液中分離檸檬酸。使原料的pH值保持低於檸檬酸的第一電離常數(pKa1)以便保持選擇性。文檔編號C07C59/265GK101679190SQ200780053275公開日2010年3月24日申請日期2007年6月8日優先權日2007年6月8日發明者S·庫爾普拉蒂帕尼加申請人:環球油品公司