專利名稱：回收有機酸的方法
背景技術：
有機酸能通過化學合成或微生物發酵生產。在歷史上，有機酸是用動物脂肪或植物油來源生產，或在基本上非水的系統中用石油來源生產。然而，由于周知大量微生物可產生有價值的有機酸，因此發展了用于回收微生物發酵產生的有機酸的方法。參見，例如，美國專利號5,681,728；5,034,105；5,002,881；和4,882,277。
在生產有機酸的方法中，發酵步驟相對簡單。但是，產物(即有機酸)的回收和純化步驟通常較復雜且效率較低。例如，代表性有機酸2-酮-L-古洛糖酸的回收如下進行。
2-酮-L-古洛糖酸是生產L-抗壞血酸(維生素C)(一種必需的養分)的一種重要中間物。過去，2-酮-L-古洛糖酸曾利用Reichstein法(Helvetica Chimica Acta 17311(1934))以工業規模合成。然而，該方法在商業應用中有許多缺點，包括使用大量溶劑，和涉及大量復雜反應步驟。
因此，作為Reichstein法的備選方法，發展了多種使用一種或多種微生物的方法，用于通過發酵商業生產2-酮-L-古洛糖酸。例如，美國專利號2,421,611公開了一種方法，包括D-葡萄糖微生物氧化為5-酮-D-葡糖酸，隨后化學或微生物還原為L-艾杜糖酸，再后微生物氧化為2-酮-L-古洛糖酸。例如，也已經利用氧化葡糖桿菌(Gluconobacteroxydans)(美國專利號4,935,359；4,960,695和5,312,741)、Pseudogluconobacter saccharoketogenes(美國專利號4,877,735)、Pseudomonas sorbosoxidans(美國專利號4,892,823和4,933,289)和微生物混合物(美國專利號3,234,105；3,907,639和3,912,592)發展了包括L-山梨糖經山梨糖酮中間物氧化為2-酮-L-古洛糖酸的發酵途徑。
與用于生產其它有機酸的發酵法類似，作為代謝產物產生的2-酮-L-古洛糖酸通常通過加入一種堿(例如氫氧化鈉或氫氧化鈣)來中和，以控制pH值并保持有利的發酵條件。發酵產物是一種水性的、含生物量的發酵溶液，其中2-酮-L-古洛糖酸鹽，例如鈉、鉀、銨或鈣鹽以溶解形式存在。然而，游離有機酸及其衍生物是有商業價值的物質。
例如，在L-抗壞血酸的工業生產中，發酵產生的2-酮-L-古洛糖酸必須轉移到有機溶劑(如低級醇)中。但是，2-酮-L-古洛糖酸的鹽形式實際上在有機溶劑中不可溶。因此，為了生產具有工業優點的L-抗壞血酸，最優選的是使用合成的中間物2-酮-L-古洛糖酸作為游離酸。
然而，在轉化為抗壞血酸之前，2-酮-L-古洛糖酸必須首先從發酵液中分離。例如，如美國專利號4,990,441所述，能通過一種方法從發酵液中回收2-酮-L-古洛糖酸，該方法包括下列步驟(a)在絮凝劑存在下通過離心從發酵液中除去不溶性物質，在絮凝劑和過濾添加劑存在下過濾，或超濾；(b)通過酸化除去無機陽離子；和(c)通過結晶和干燥分離2-酮-L-古洛糖酸。然而，由于需要的步驟數和2-酮-L-古洛糖酸在結晶母液中的高溶解度，通過該方法難以獲得高產率的2-酮-L-古洛糖酸。
美國專利號5,852,211描述了一種將發酵水溶液中存在的2-酮-L-古洛糖酸鈉鹽轉化為游離酸的醇溶液的方法。這一公開的方法包括下列步驟(a)從水性發酵溶液中結晶一水合2-酮-L-古洛糖酸鈉；(b)從水性發酵溶液中分離一水合2-酮-L-古洛糖酸鈉結晶；(c)在含有pH約1.5-3.5的酸的低級醇中懸浮一水合2-酮-L-古洛糖酸鈉，從而使該酸轉化為該酸的不溶性鈉鹽，一水合2-酮-L-古洛糖酸鈉轉化為游離的2-酮-L-古洛糖酸；和(d)除去該酸的鈉鹽，獲得2-酮-L-古洛糖酸的醇溶液。然而，由于步驟數和結晶母液中保留的2-酮-L-古洛糖酸鈉的高溶解度，同樣難以獲得高產率的2-酮-L-古洛糖酸。
回收和純化發酵產生的其它有機酸(如乳酸或琥珀酸)的已知方法也包括許多步驟和/或具有低于最佳的產率。參見，例如，美國專利號5,681,728；5,522,995；5,503,750和5,034,105。因此，仍然需要一種從水性溶液(如發酵液)中高產率地濃縮、回收和純化有機酸的簡化方法。
這些和其它目的可通過本發明的方法實現，在第一個實施方案中，廣泛涉及從發酵液中回收有機酸的方法，包括干燥發酵液，獲得干燥的產物，在一種酸存在下將干燥的發酵產物加到低級醇中，然后除去不溶性物質，獲得有機酸。本發明的其它優選實施方案將在下面更詳細地描述。
應當理解，以上的概述和下面的詳述只是代表性的和說明性的，旨在進一步說明要求保護的本發明。
在此使用時，術語“有機酸”或語法相當的詞語是指含有一個或多個羧基-COOH的取代或非取代的烷基，即羧酸。有機酸可通過糖類(如淀粉、蔗糖或葡萄糖)的發酵轉化或由正石蠟獲得。
能用本發明的方法回收的有機酸的非排除性例子包括乳酸、2-酮-L-古洛糖酸、酒石酸、檸檬酸、乙酸、馬來酸、蘋果酸、丙二酸、琥珀酸、水楊酸、乙醇酸、戊二酸、葡糖酸、苯甲酸、蟻酸、丙酸、新戊酸、草酸、甲苯甲酸、硬脂酸、抗壞血酸、pamoic acid、谷氨酸、富馬酸或其混合物。在一個優選實施方案中，回收的有機酸是乳酸、2-酮-L-古洛糖酸、檸檬酸或葡糖酸。
令人吃驚但可喜地發現，用完全干燥的發酵液作為原材料能高產率地回收高純度的有機酸。利用根據本發明的方法，有機酸(如乳酸和2-酮-L-古洛糖酸，通常作為溶解于水性發酵溶液中的鹽存在)能用相對簡單且經濟的方法回收到游離酸的醇溶液中。
按照本發明回收有機酸后，如必要，可進一步處理該有機酸，以使其適于預期的用途。例如，隨后能用任何已知的方法將這樣獲得的2-酮-L-古洛糖酸溶液轉化為抗壞血酸。參見，例如，美國專利號5,391,770。
含有希望的有機酸、其前體或其水溶性鹽的任何發酵液都能在本發明中使用。這種發酵液(其在根據本發明實際處理之前產生)能通過任何常規方法(如微生物發酵)獲得。參見，例如，美國專利號5,834,231和5,705,373。此外，該發酵方法中使用的微生物可以是原生生物(酵母或真菌)或細菌，發酵本身可以是需氧的或厭氧的。
本發明中使用的發酵液一般是(但不總是)培養可產生特定有機酸和/或其前體的一種或多種微生物產生的發酵液。產生希望的有機酸的任何微生物都能用來生產發酵液。能使用的產有機酸微生物包括，例如，屬于乳酸桿菌屬(Lactobacillus)、Pseudogluconobacter、假單胞菌屬(Pseudomonas)、棒狀桿菌屬(Corynebacterium)、醋桿菌屬(Acetobacter)、葡糖桿菌屬(Gluconobacter)、曲霉屬(Aspergillus)、短桿菌屬(Brevibacterium)的細菌和屬于歐文氏菌屬(Erwinia)的細菌。參見，例如，Atkinson和Mavituna，Biological Engineering andBiotechnology Handbook 421(1983)。
用適于所使用的每一微生物種的溫度作為發酵溫度。通常為約25-60℃。另外，大多數產有機酸微生物具有酸敏感性，這需要培養基的pH約為3-9。
用上述微生物生產有機酸的發酵培養基的組成可以是適于所使用的產有機酸微生物的任何一種。除了水和不溶性生物量外，這些發酵液一般還含有用來生產有機酸的微生物所需的養分。這些養分包括但不限于氨基酸、無機和/或有機鹽、碳水化合物、多種維生素和生長因子。
在本發明的一個優選實施方案中，在本發明的方法的干燥步驟之前，首先從發酵液中去除至少部分不溶物。這些不溶物，例如產生生物量和鹽的微生物，優選地在發酵結束時去除，并且能通過任何已知的機械分離技術去除。這些技術包括但不限于過濾，例如超濾和微濾，和分離，例如離心和傾析，總的來說，通過這些方法只能去除未溶解的和/或相對高分子量的物質。在一個優選實施方案中，在干燥步驟之前通過過濾從發酵液中去除至少部分不溶物。最優選地，通過超濾去除至少部分不溶物。
在另一個優選實施方案中，在干燥步驟之前首先從發酵液中去除至少約99％的不溶物。然后可在干燥前濃縮已經去除了一些或全部不溶物的發酵液。在一個實施方案中，濃縮發酵液的方法是蒸發。
因此，在本發明的一個實施方案中，能用全部發酵液作為原材料回收有機酸。在另一個實施方案中，在本發明的方法的干燥步驟之前能從發酵液中除去一些或全部不溶性物質。應當理解，為了施行本發明的方法，在干燥之前完全或部分地去除不溶物不是必需的。
在本發明的方法中，干燥發酵液以獲得干燥的產物。發酵液能通過任何已知的方法干燥，例如利用噴霧干燥器、旋轉急驟干燥器或流化床干燥器。在一個優選實施方案中，發酵液利用噴霧干燥器干燥。在另一個優選實施方案中，干燥產物的濕度約為0.1％-20％，更優選地約為0.1％-10％。獲得的干燥產物尤其含有希望的有機酸和全部或部分生物量或不含生物量。令人吃驚的和特別有利的是，發酵液能夠干燥(例如噴霧干燥)，以獲得易于處理的自由流動粉末。
根據本發明的方法，在一種酸的存在下將尤其是含有希望的有機酸、其前體或其鹽的干燥發酵液加入到低級醇中。在一個優選實施方案中，加至低級醇中的有機酸的濃度約為50-100g/L。在本發明的方法中使用的低級醇可以是允許選擇性回收希望的有機酸的任何低級醇。合適的低級醇可以由本領域技術人員根據經驗確定，包括如甲醇、乙醇、丙醇、丁醇和二元醇(glycol)。在一個優選實施方案中，低級醇是甲醇或乙醇，更優選地是無水甲醇或乙醇。
通常，在本發明的方法中使用的低級醇和酸的量可以是允許選擇性回收希望的有機酸的任何量。另外，添加的酸的量與干燥產物的量成正比。在一個優選實施方案中，按化學計算的比例或過量地加入酸，優選地加入約1.2當量的酸。
該酸可以是允許選擇性回收希望的有機酸的任何酸。例如，在本發明的方法中能使用低含水量的強酸。對于該方法，酸的含水量并非關鍵。但是，產生的有機酸/醇溶液中的水濃度決定了隨后酯化作用的平衡轉化。因此，從工業經濟的觀點來看，優選使用低含水量的酸，即更恰當地應稱作“濃縮”的酸。在一個優選實施方案中，酸的含水量約為15％或更低。這些酸的例子包括硫酸、硝酸、鹽酸、氫溴酸和磷酸，甚至是氣態氯化氫。在一個優選實施方案中使用濃硫酸或鹽酸。更優選地使用濃硫酸。
在本發明的一個實施方案中，在加入酸之前首先可將干燥的發酵產物在低級醇中懸浮。在本發明的另一個實施方案中也能獲得希望的有機酸，從而將干燥產物與酸一起加入低級醇中。因此應當理解，在本發明方法的范圍中包括同時及隨后加入酸，盡管隨后加入酸是優選的。
優選地，進行脫水和酸反應的溫度約為25-60℃。另外，產生的有機酸在反應混合液中應當是可溶的。
在本發明的另一個實施方案中，提供了一種從發酵液中回收有機酸酯的方法。羧酸在強酸的存在下與醇反應，產生酯。在特定條件下，獲得的本發明的游離有機酸與低級醇在酸(如硫酸)的存在下能轉化為相應的有機酸低烷酯。因此，應當理解，在本發明方法的范圍中包括回收的游離有機酸以及相應的有機酸酯。
根據本發明的方法，隨后從溶液中除去不溶物，獲得希望的有機酸。在一種酸的存在下向低級醇中加入干燥產物后，能從反應混合液中容易地除去不溶性鹽，例如Na2SO4、CaSO4、K2SO4、(NH4)2SO4。不溶性鹽以及其它不溶性物質(例如生物量或蛋白質的殘余物)的去除能通過任何已知方法進行，如過濾和/或離心。在一個優選實施方案中，通過過濾除去不溶物。得到的含有希望的有機酸的醇濾液具有極高的純度。
因此，按照本發明的回收方法，能用比常規方法更少的步驟，從含有多種雜質的全部發酵液中高產率(即，大于約90％，優選地95％-99％)地回收高純度(即大于約80％)的有機酸。從而避免了現有技術的缺點，如生物量和蛋白質的完全去除，使用陽離子交換劑從發酵水溶液中去除金屬離子，以及有機酸的結晶。
在本公開內容中引用的所有專利和公開文本代表了與本發明相關的本領域技術人員的技術水平，全部在此完整引用作為參考。
已經概述了本發明，參照下列實施例將更便于理解本發明，這些實施例只是為了說明，除非指明，并非意在限制本發明。
實施例1如美國專利號5,834,231所述制備一種發酵液，其含有84g/L 2-酮-L-古洛糖酸、4g/L山梨糖和136g/L總干燥固體，并用高壓噴嘴噴霧器(APV Americas；Tonawanda，紐約)噴霧干燥。將進料預熱至170°F，并以495°F的入口溫度和198°F的出口溫度干燥。干燥總共8加侖的進料，得到10.2磅濕度為8％的干燥產物。
將25g噴霧干燥的產物懸漿到250ml無水甲醇中。向該溶液中加入3.2ml硫酸，攪拌20分鐘。再攪拌該漿液60分鐘，過濾，固體用另外150ml甲醇洗滌。320ml產物濾液含有35g/L 2-酮-L-古洛糖酸和1.7g/L 2-酮-L-古洛糖酸甲酯。12克濾餅含有3.8％2-酮-L-古洛糖酸和0.4％2-酮-L-古洛糖酸甲酯，產率為96％。
實施例2類似于實施例1制備的發酵液首先用100000分子量截止值的膜超濾，以除去細胞固體，然后在噴霧干燥之前蒸發為1.2g/ml的密度。將進料預熱至165°F，并以495°F的入口溫度和200°F的出口溫度干燥。進料干固體為39.2wt％。干燥總共10加侖的進料，得到42磅濕度為15％的干燥產物。
將36g噴霧干燥的產物懸漿到250ml無水甲醇中。加入4.2ml濃硫酸，保持20分鐘。再攪拌該漿液60分鐘，過濾，用150ml甲醇洗滌。335ml產物濾液含有67g/L 2-酮-L-古洛糖酸和1g/L 2-酮-L-古洛糖酸甲酯。31克濾餅含有3.0％2-酮-L-古洛糖酸而不含甲酯，產率為96％。
實施例3將通過實施例2的方法獲得的、但是含有71.9g/L 2-酮-L-古洛糖酸的10ml產物濾液置于試管中。向該溶液中加入0.14ml濃硫酸。將試管置于60℃的烤箱中1小時，得到1.5g/L 2-酮-L-古洛糖酸和77.1g/L甲酯。
實施例4用實施例1和2的方法超濾并噴霧干燥干酪乳酸桿菌(Lactobacilluscasei)在葡萄糖中發酵產生的乳酸鈣發酵液，獲得含有70.3wt％乳酸的干燥產物。將25g噴霧干燥的乳酸鈣懸漿到500ml無水乙醇中。加入6.4ml濃硫酸，保持30分鐘。再攪拌該漿液60分鐘，過濾，用100ml乙醇洗滌兩次。490ml濾液含有59.1g/L乳酸，195ml洗液含有20.1g/L乳酸。25g濾餅中含有1.8g/kg乳酸，產率為99％。
實施例5將17.5g噴霧干燥的乳酸鈣懸漿到125ml無水乙醇中。加入4.9ml濃硫酸，保持30分鐘。在攪拌下使該漿液加熱到75℃1小時。過濾該漿液并用100ml乙醇洗滌兩次。200ml濾液含有67.9g/L乳酸乙酯和1.6g/L乳酸，總產率為86.6％。
根據以上描述以及實施例，本領域技術人員能以多種可能性和實施方案實施本發明，而不背離如附加權利要求書限定的本發明的精神和范圍。
權利要求
1.一種從發酵液中回收有機酸的方法，包括(a)干燥該發酵液，獲得干燥的產物；(b)在一種酸的存在下將干燥產物(a)加到低級醇中；和(c)除去不溶物，獲得有機酸。
2.權利要求1的方法，還包括在步驟(a)的干燥之前除去發酵液中的不溶物。
3.權利要求2的方法，其中所述不溶物通過過濾去除。
4.權利要求3的方法，其中所述不溶物通過超濾去除。
5.權利要求1的方法，其中在步驟(b)中，添加到低級醇中的有機酸的濃度約為50g/L至約100g/L。
6.權利要求1的方法，其中在步驟(a)中，干燥方法包括噴霧干燥所述發酵液。
7.權利要求1的方法，其中步驟(b)的反應溫度約為25℃至約60℃。
8.權利要求1的方法，其中在步驟(b)中，在加入該酸之前向低級醇中添加所述干燥產物。
9.權利要求1的方法，其中在步驟(b)中加入約1.2當量的酸。
10.權利要求1的方法，其中在步驟(b)中，所述低級醇選自甲醇、乙醇、丙醇、丁醇和二元醇。
11.權利要求1的方法，其中在步驟(b)中，所述酸選自硫酸、硝酸、氫溴酸、鹽酸和磷酸。
12.權利要求11的方法，其中在步驟(b)中所述酸是硫酸。
13.權利要求1的方法，其中在步驟(c)中去除不溶物的方法包括過濾。
14.權利要求1的方法，其中所述有機酸包括乳酸、2-酮-L-古洛糖酸、檸檬酸或葡糖酸。
15.權利要求14的方法，其中所述有機酸是2-酮-L-古洛糖酸。
16.權利要求1的方法，還包括將有機酸(c)酯化為相應的酯。
17.一種從發酵液中回收有機酸的方法，包括(a)干燥該發酵液，獲得干燥的產物；(b)將干燥產物(a)加至低級醇中，獲得一種醇懸液；(c)向醇懸液(b)中加入一種酸；和(d)除去不溶性物質，獲得有機酸。
18.權利要求17的方法，其還包括在步驟(a)的干燥之前除去發酵液中的不溶物。
19.權利要求18的方法，其中所述不溶物通過過濾去除。
20.權利要求19的方法，其中所述不溶物通過超濾去除。
21.權利要求17的方法，其中在步驟(b)中，添加到低級醇中的有機酸的濃度約為50g/L至約100g/L。
22.權利要求17的方法，其中在步驟(a)中，干燥方法包括噴霧干燥所述發酵液。
23.權利要求17的方法，其中步驟(b)和(c)的反應溫度約為25℃至約60℃。
24.權利要求17的方法，其中在步驟(b)中，所述低級醇選自甲醇、乙醇、丙醇、丁醇和二元醇。
25.權利要求17的方法，其中在步驟(c)中加入約1.2當量的酸。
26.權利要求17的方法，其中在步驟(c)中，所述酸選自硫酸、硝酸、氫溴酸、鹽酸和磷酸。
27.權利要求26的方法，其中在步驟(c)中所述酸是硫酸。
28.權利要求17的方法，其中在步驟(d)中去除不溶物的方法包括過濾。
29.權利要求17的方法，其中所述有機酸包括乳酸、2-酮-L-古洛糖酸、檸檬酸或葡糖酸。
30.權利要求29的方法，其中所述有機酸是2-酮-L-古洛糖酸。
31.權利要求17的方法，其還包括將有機酸(d)酯化為相應的酯。
32.一種從發酵液中回收有機酸酯的方法，包括(a)干燥該發酵液，獲得干燥的產物；(b)在一種酸的存在下將干燥產物(a)加至低級醇中；(c)將游離有機酸酯化為相應的酯；和(d)除去不溶物，獲得有機酸酯。
33.權利要求32的方法，其還包括在步驟(a)的干燥之前除去發酵液中的不溶物。
34.權利要求33的方法，其中所述不溶物通過過濾去除。
35.權利要求34的方法，其中所述不溶物通過超濾去除。
36.權利要求32的方法，其中在步驟(b)中，添加到低級醇中的有機酸的濃度約為50g/L至約100g/L。
37.權利要求32的方法，其中在步驟(a)中，干燥方法包括噴霧干燥所述發酵液。
38.權利要求32的方法，其中步驟(b)和(c)的反應溫度為約25℃至約60℃。
39.權利要求32的方法，其中在步驟(b)中，所述低級醇選自甲醇、乙醇、丙醇、丁醇和二元醇。
40.權利要求32的方法，其中在步驟(b)中加入約1.2當量的酸。
41.權利要求32的方法，其中在步驟(b)中，所述酸選自硫酸、硝酸、氫溴酸、鹽酸和磷酸。
42.權利要求41的方法，其中在步驟(b)中所述酸是硫酸。
43.權利要求32的方法，其中在步驟(d)中去除不溶物的方法包括過濾。
44.權利要求32的方法，其中所述有機酸包括乳酸、2-酮-L-古洛糖酸、檸檬酸或葡糖酸。
45.權利要求44的方法，其中所述有機酸是2-酮-L-古洛糖酸。
全文摘要
本發明涉及一種從發酵液中回收有機酸的方法,包括干燥發酵液,獲得干燥的產物,在一種酸存在下將干燥產物加到低級醇中,然后除去不溶性物質,獲得有機酸。按照本發明的回收方法,能用比常規方法更少的步驟,從含有多種雜質的全部發酵液中高產率地回收高純度的有機酸。
文檔編號C07C51/42GK1372537SQ00811128
公開日2002年10月2日 申請日期2000年8月2日 優先權日1999年8月3日
發明者K·M·穆爾, A·J·桑伯恩 申請人:阿徹-丹尼爾斯-米德蘭公司