從發(fā)酵液分離有機(jī)酸及氨基酸的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及通過固體床吸附分離從含有有機(jī)酸和/或氨基酸的發(fā)酵液分離有機(jī)酸和/或氨基酸。
【專利說明】從發(fā)酵液分離有機(jī)酸及氨基酸的方法
[0001]本申請是申請日為2010年12月28日，申請?zhí)枮?01010623645.2，名稱為“從發(fā)
酵液分離有機(jī)酸及氨基酸的方法”的發(fā)明專利申請的分案申請。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及通過固體床吸附分離從含有有機(jī)酸和/或氨基酸的發(fā)酵液分離有機(jī)
酸和/或氨基酸。
【背景技術(shù)】
[0003]有機(jī)酸被用作食品酸化劑和增香劑并被用在藥物、塑料、紡織品以及其他工業(yè)制劑中。按配方用有機(jī)酸制造的食品和藥品的日益增加的應(yīng)用是全球有機(jī)酸年產(chǎn)量超過3億磅的主要緣由，預(yù)計這個產(chǎn)量未來會持續(xù)。[0004]傳統(tǒng)上，有機(jī)酸用深層培養(yǎng)發(fā)酵法生產(chǎn)，采用糖蜜、土豆或淀粉作為進(jìn)料以及一種微生物，例如德氏乳桿菌(Lactobacillus del brueckii)、德氏乳桿菌保加利亞亞種、德氏乳桿菌萊庫南亞種(L.1eichnanii)。發(fā)酵產(chǎn)物含有碳水化合物、氨基酸、蛋白質(zhì)和鹽以及有機(jī)酸，這些物質(zhì)必須從發(fā)酵液分離出來。
[0005]在有機(jī)酸的分離過程中，通常沉淀鈣鹽。所得羧酸鈣進(jìn)行過濾以除去重金屬和某些有機(jī)雜質(zhì)。再生的有機(jī)酸例如通過過濾與沉淀的硫酸鈣分離，而所得的粗制有機(jī)酸隨后通過碳處理及亞鐵氰化鈉進(jìn)行純化以分別除去其它的有機(jī)雜質(zhì)及重金屬。在過濾之后，使有機(jī)酸與離子交換樹脂接觸以除去微量離子。提純過程復(fù)雜而且往往難以獲得高純度。
[0006]美國專利5068418揭示了一種采用選擇性地吸附乳酸的非沸石型高分子吸附劑從發(fā)酵液分離乳酸的方法。非沸石型高分子吸附劑包括一種擁有叔胺或吡啶官能團(tuán)的弱堿性的陰離子交換樹脂，或者一種擁有季胺官能團(tuán)的強(qiáng)堿性的陰離子交換樹脂，或者是二者的混合物。US5068418的分離工藝的問題在于其使用了無機(jī)酸。無機(jī)酸構(gòu)成對乳酸的污染。因而純度受到洗脫液的影響。US5，068，418所披露的無機(jī)酸硫酸影響到樹脂的操作容量，這進(jìn)而直接影響運(yùn)營成本。一旦被無機(jī)酸所飽和，則樹脂必須進(jìn)行再生處理。對于高濃度的溶液，樹脂必須經(jīng)常性地進(jìn)行再生處理，因此直接提高了工藝成本。因而所需要的是一種會提升效率由此降低成本的方法。
[0007]本發(fā)明通過提供一種用于在無需無機(jī)酸溶液的情況下從發(fā)酵液分離有機(jī)酸及氨基酸的方法來解決這個問題。
[0008]附圖簡述
[0009]圖1示出使用強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂對乳酸及其鹽進(jìn)行層析分離。
[0010]圖2示出使用弱堿性陰離子交換樹脂對乳酸及其鹽進(jìn)行層析分離。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明涉及一種從發(fā)酵液分離有機(jī)酸的方法，包括:
[0012]i)提供一種包含發(fā)酵產(chǎn)物并且還包含有機(jī)酸的進(jìn)料；[0013]ii)提供一種離子交換吸附劑介質(zhì)；以及
[0014]iii)通過用流動相經(jīng)過離子交換吸附劑介質(zhì)洗脫該進(jìn)料，從進(jìn)料分離有機(jī)酸；其中
[0015]流動相選自稀有機(jī)酸或水。
[0016]此外，本發(fā)明涉及一種從發(fā)酵液分離氨基酸的方法，包括:
[0017]i)提供包含發(fā)酵產(chǎn)物的進(jìn)料；
[0018]ii)提供一種離子交換吸附劑介質(zhì)；以及
[0019]iii)通過用流動相經(jīng)過離子交換吸附劑介質(zhì)洗脫該進(jìn)料，從進(jìn)料分離氨基酸；其中
[0020]流動相選自稀氨基酸或水。
【具體實施方式】
[0021]在本發(fā)明中，“有機(jī)酸”是指在其分子式中含有碳、氫和氧的酸，且其中的碳和氧構(gòu)成羧基。有機(jī)酸的非限制性示例包括乳酸、乙酸、甲酸、草酸和檸檬酸。依本發(fā)明的定義，有機(jī)酸還包括氨基酸類。在本發(fā)明中，“有機(jī)酸”可以呈酸的形式或者呈相應(yīng)的鹽的形式。
[0022]在本發(fā)明中，“氨基酸”是指在其分子式中含有氨基的有機(jī)酸。氨基酸的非限制性示例包括谷氨酸和天冬氨酸?！鞍被帷笨梢猿仕岬男问交蛘叱氏鄳?yīng)鹽的形式。
[0023]本發(fā)明所設(shè)想的進(jìn)料是發(fā)酵產(chǎn)物。
[0024]可用于本發(fā)明的普通非限制性發(fā)酵產(chǎn)物從糖類(例如葡萄糖)、糖蜜、土豆、尤其是淀粉用以下微生物中的一種進(jìn)行的深層培養(yǎng)發(fā)酵獲得:德氏乳桿菌(Lactobacillus delbrueckii)、德氏乳桿菌保加利亞亞種、德氏乳桿菌萊庫南亞種(L.1eichnanii)。非離子化的有機(jī)酸使用在此描述的樹脂吸附劑與發(fā)酵液中的其它離子種類(包括有機(jī)陰離子)分離開來。
[0025]有機(jī)酸的分離通過將進(jìn)料的pH值調(diào)節(jié)到低于有機(jī)酸的電離常數(shù)而顯著增強(qiáng)。有機(jī)酸的電離常數(shù)(pKa)是 3.86 (參見 Handbook of Chemistry & Physics,第 53版，1972-3，CRC Press出版)，因此，有機(jī)酸進(jìn)料以及吸附區(qū)的pH值應(yīng)當(dāng)?shù)陀?.86。
[0026]通過固體床吸附分離將有機(jī)酸和/或氨基酸從發(fā)酵液分離的過程采用吸附劑樹脂來實現(xiàn)。本發(fā)明的樹脂可以是凝膠型(即“凝膠類”)或“大網(wǎng)格型”，此術(shù)語用在某些最新文獻(xiàn)中，即Kunin和Hetherington的“通過大網(wǎng)格型離子交換樹脂從水中除去膠體的發(fā)展報告(A Progress Report on the Removal of Colloids From Water by Macroreticular1n Exchange Resins) ”,該論文是1969年10月在美國賓夕法尼亞州匹茲堡召開的國際水會議(the International Water Conference)上發(fā)表的，由羅門哈斯公司(Rohm & HaasC0.)重印。在最近的吸附技術(shù)中，“術(shù)語微網(wǎng)狀是指凝膠結(jié)構(gòu)，本質(zhì)上是屬于原子尺寸規(guī)格并取決于凝膠的溶脹性質(zhì)的孔隙的大小，而“大網(wǎng)格孔隙以及真孔隙率是指結(jié)構(gòu)中孔隙大于原子距離而且并非凝膠結(jié)構(gòu)的組成部分的結(jié)構(gòu)。其大小和形狀不因環(huán)境條件的改變而受到大的影響，包括導(dǎo)致滲透壓改變的那些條件”，而凝膠結(jié)構(gòu)的尺寸“顯著地依賴于環(huán)境條件”。在“經(jīng)典吸附”中，“術(shù)語微孔性的和大孔性的通常分別是指小于20埃和大于200埃的孔隙。直徑在20埃和200埃之間的孔隙被稱作過渡性孔隙?！毕喾矗髡哌x擇了術(shù)語“大網(wǎng)格”用于本發(fā)明所用的新型離子交換樹脂，這種樹脂“既具有微網(wǎng)狀孔結(jié)構(gòu)又具有大網(wǎng)格孔結(jié)構(gòu)。前者是指溶脹的凝膠結(jié)構(gòu)中鏈和交聯(lián)之間的距離，而后者是指并非實際化學(xué)結(jié)構(gòu)的組成部分的孔隙。結(jié)構(gòu)中的大網(wǎng)格部分實際上可能是由微孔、大孔及過渡孔組成的一取決于孔徑分布?！?引文來自于Kunin等人論文的第一頁)。大網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的吸附劑還耐磨耗(在常規(guī)大網(wǎng)狀樹脂中并不常見)。因此，在本申請中，所有提及“大網(wǎng)格”均指屬于以上描述的具有Kunin和Hetherington定義的二重孔隙率的吸附劑類型?！澳z”和“凝膠類”用其常規(guī)之義。
[0027]本發(fā)明的吸附劑樹脂可以選自以下類型的離子交換樹脂:強(qiáng)酸陽離子型、強(qiáng)堿陰離子型、弱堿陰離子型和弱酸陽離子型。具體地，在交聯(lián)聚合物基質(zhì)(例如丙烯酸類或苯乙烯)中呈酸形式的擁有叔胺或吡啶官能度的離子交換樹脂可以用于本發(fā)明。若制成珠狀，則它們尤為適合，均勻的聚合物孔隙率程度很高，顯示出化學(xué)和物理穩(wěn)定性以及良好的耐磨耗性能。本發(fā)明的吸附劑通常以鹽酸鹽形式獲得，但是可以轉(zhuǎn)化成酸形式。Amberlite?吸附劑樹脂是羅門哈斯公司制造的，適 合使用。具體地，本發(fā)明可用的樹脂的非限制性示例是 Amberlite? FPC23 H、CR 1310、FPA53、FPA55、FPA53 和 FPA54 吸附劑樹脂。
[0028]適合的高分子吸附劑就結(jié)構(gòu)和本發(fā)明的離子形式而言在物理性能上可能有些許差異，比如孔隙率(容積百分?jǐn)?shù))、主鏈密度、標(biāo)稱篩目大小，尤其在表面積、平均孔徑和偶極矩方面更是如此。通常，本發(fā)明的吸附劑體表面積是10-2000m2/g，優(yōu)選100-1000m2/g ;均勻粒子系數(shù)在I到1.6之間；粒度范圍200到800微米，或者在300到600微米的范圍內(nèi)。
[0029]在本發(fā)明的方法中，吸附劑與流動相中的進(jìn)料混合物接觸。進(jìn)料混合物由發(fā)酵液組成。
[0030]流動相包括待純化的有機(jī)酸稀溶液或者單純的水作為洗脫液。在本發(fā)明中不使用無機(jī)酸。依據(jù)本發(fā)明，根據(jù)進(jìn)料物流中有機(jī)酸或氨基酸中的官能團(tuán)與離子交換吸附劑介質(zhì)之間的相互作用挑選洗脫液。通常，當(dāng)介質(zhì)與對象酸或鹽之間不存在離子相互作用時，將水用作洗脫液或流動相。相反，當(dāng)有機(jī)酸或氨基酸中的官能團(tuán)與介質(zhì)之間存在離子相互作用時，應(yīng)分別使用對象有機(jī)酸或氨基酸的稀溶液。
[0031]進(jìn)料混合物可以在密壓固定床中接觸吸附劑和流動相。在本發(fā)明最簡要的實施方式中，吸附劑采用單一靜止床的形式，在此情況下該工藝僅僅是半連續(xù)性的。在另一個實施方式中，固定床中采用兩個或更多個靜止床一組的形式，與適當(dāng)?shù)拈y門組接觸，從而使進(jìn)料混合物通過組中的一個或多個其它床。進(jìn)料混合物的流動可以是向上或者向下?？梢允褂萌我庖环N在靜止床流體-固體接觸中所采用的常規(guī)設(shè)備。
[0032]然而，逆流移動床或模擬移動床逆流系統(tǒng)具有比固定式吸附劑床系統(tǒng)更高的分離效率，因此是另一種選擇。在移動床或模擬移動床工藝中，吸附操作在連續(xù)進(jìn)行，這樣可以連續(xù)生產(chǎn)提取物和提余液流，同時不斷地使用進(jìn)料和解吸物流。該方法的一個優(yōu)選實施方式利用本領(lǐng)域眾所周知的系統(tǒng)作為模擬移動床逆流流動系統(tǒng)。此類流動系統(tǒng)的操作原理和操作程序參見上述美國專利US2985589。雖然在許多吸附分離工藝中既可以采用液相操作也可以采用氣相操作，但由于液相操作溫度要求較低，也由于用液相操作獲得的提取產(chǎn)物產(chǎn)率比用氣相操作所獲得的更高，本工藝優(yōu)選液相操作。吸附條件包括溫度、壓力和PH值，溫度范圍在20 V到200 V，或者在20 V到25°C，或者在50 V到90 V，為確保液態(tài)，壓力范圍例如在大氣壓到約500psig(3450kPa表壓)，優(yōu)選50psi到IOOpsi，而pH值低于有機(jī)酸的電離常數(shù)(PKa)。[0033]附圖詳述
[0034]圖1示出用處于適當(dāng)離子形式的強(qiáng)酸陽離子分離含有約130g/L的乳酸和70g/L的鹽的溶液。一部分的溶液(Iml)被注射進(jìn)柱中。用水作為洗脫液。
[0035]洗脫流量是8毫升/分，得到的線速度是約3米/小時。柱的出口連接在特定檢測器上。分辨率是3.39，而重疊是0.00。
[0036]圖2示出用處于適當(dāng)離子形式的弱堿陰離子分離含有約130g/L的乳酸和70g/L的鹽的溶液。注射一部分的溶液。用濃度為0.02N的稀乳酸作為洗脫液。洗脫流量是8毫升/分，得到的線速度是約3 米/小時。柱的出口連接在特定檢測器上。分辨率是1.69，而重疊是0.00。
【權(quán)利要求】
1.一種從發(fā)酵液分離氨基酸的方法，包括: i)提供包括發(fā)酵產(chǎn)物的進(jìn)料； ii)提供離子交換吸附劑介質(zhì)；以及 iii)通過用流動相經(jīng)過離子交換吸附劑介質(zhì)洗脫所述進(jìn)料，從所述進(jìn)料分離氨基酸；其中 所述流動相選自稀氨基酸或水。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述氨基酸是谷氨酸鈉。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述通過用流動相經(jīng)過離子交換吸附劑介質(zhì)洗脫所述進(jìn)料，從所述進(jìn)料分離氨基酸的步驟是在模擬移動床中進(jìn)行的。
【文檔編號】C07C229/24GK103951573SQ201410047907
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2010年12月28日 優(yōu)先權(quán)日:2009年12月29日
【發(fā)明者】A·瑞卡蘭 申請人:羅門哈斯公司