專利名稱：從含有己二酸二銨或己二酸一銨的發酵液制備己內酰胺及其衍生物的方法
技術領域：
本申請涉及由含有己二酸二銨(DAA)或己二酸一銨(MAA)的發酵液制備己內酰胺(CL)的方法。
背景技術：
糖發酵的某些碳質產物被視為石油衍生材料的替代物，以用作制造含碳化學物質的原料。一種這類產物為己二酸(AA)。考慮到這樣的一種用于從含有DAA的發酵液或含有MAA的發酵液直接制備基本上純的AA的方法并且這種純AA可作為制備CL的原料，則提供用于以經濟且環保的方式制備CL及其衍生物的方法將是有益的。
發明內容
本發明提供了一種用于從含有DAA的澄清的發酵液或含有MAA的澄清的發酵液制備CL的方法，該方法包括在>100°C至約300°C的溫度下且在超大氣壓下，蒸餾發酵液以形成包含水和氨的頂部餾出物以及包含AA和至少約20wt% (重量百分比)的水的液態底部殘留物；冷卻和/或蒸發所述底部殘留物，以得到足以使所述底部殘留物分離成液態部分和為基本上純的AA的固態部分的溫度和組成；從所述液態部分中分離出所述固態部分；可選地在溶劑存在下，在氫化催化劑和氨源存在下，在約25°C至約50(TC的溫度下和約0. 5MPa至約40MPa的壓力下，使所述固態部分的至少一部分與氫氣接觸，以制備CL。本發明還提供了一種用于從含有DAA的澄清的發酵液或含有MAA的澄清的發酵液制備CL的方法，該方法包括將氨分離溶劑和/或水共沸溶劑添加至發酵液中；在足以形成包括水和氨的頂部餾出物以及包括AA和至少約20wt%水的液態底部殘留物的溫度和壓力下蒸餾所述發酵液；冷卻和/或蒸發所述底部殘留物，以得到足以使所述底部殘留物分離成液態部分和為基本上純的AA的固態部分的溫度和組成；從所述液態部分中分離出所述固態部分；可選地在溶劑存在下，在氫化催化劑和氨源存在下，在約25°C至約500°C的溫度下和約0. 5MPa至約40MPa的壓力下,使所述固態部分的至少一部分與氫氣接觸，以制備CL。
圖I為從含有DAA的發酵液或含有MAA的發酵液制備AA的方法的框圖；圖2為示出AA在水中的溶解度隨溫度變化的曲線圖；圖3為用于從AA制備CL和至少一種CL衍生物的流程圖。
具體實施例方式應當理解，與所附的權利要求書不同的是，下文說明書的至少一部分旨在涉及針對附圖中的圖示而選擇的方法的代表性示例并且不旨在限定或限制本發明。通過參考圖I可以理解本發明的方法，圖I以框圖形式示出本發明的方法的一個代表性實施例10。生長容器12通常為原位蒸汽滅菌發酵器,可以用來培養微生物培養物(未不出)，該微生物培養物隨后用于制備含有DAA、MAA和/或AA的發酵液。這樣的生長容器在現有技術中是已知的并且不作進一步討論。該微生物培養物可包括能夠從可發酵碳源(例如碳水化合物糖類)制備AA的微生物。微生物的代表性示例包括大腸桿菌(Escherichia coli或E. coli)、黑曲霉 (Aspergillus niger)、谷氨酸棒桿菌(Corynebacterium glutamicum)(也稱為黃色短桿菌(Brevibacterium f Iavum))、糞腸球菌(Enterococcus faecal is)、小韋榮球菌(Veillonella parvula)、產玻拍酸放線桿菌(Actinobacillus succinogenes)、擬青霉(Paecilomyces Varioti)、釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)、熱帶念珠菌(Candidatropicalis)、脆弱擬桿菌(Bacteroides fragilis)、棲瘤胃擬桿菌(Bacteroidesruminicola)、嗜淀粉擬桿菌(Bacteroides amylophiIus)、肺炎克雷伯氏菌(Lebsiellapneumon i ae )、它們的混合物等。優選的微生物包括ATCC入藏號為24887的熱帶念珠菌(Candida tropicalis(Castellani) Berkhout)無性型菌株 0H23 ；ATCC 入藏號為 69875 的大腸桿菌(E. coli)菌株AB2834/pKD136/pKD8. 243A/pKD8. 292 ;包含表達環己酮單加氧酶的載體且被命名為5B12、5F5、8F6和14D7的大腸桿菌粘粒克隆體，該環己酮單加氧酶具有由來自不動桿菌屬(Acinetobacter)菌株SE19的SEQ ID NO: I編碼且由SEQ ID NO: 2示出的氨基酸序列；以及可從Verdezyne有限公司(Carslbad, CA,美國)購買到的從燒烴和其他碳源制備AA的酵母菌株(在下文中為“Verdezyne酵母”)。通過32°C下在液體培養基中培養ATCC入藏號為24887的熱帶念珠菌(Candidatropicalis (Castellani)Berkhout)無性型菌株0H23,可制備含有AA的發酵液,該液體培養基包含在 IOOml 的蒸餾水中的 300mg 的 NH4H2PO4、200mg 的 KH2P04、IOOmg 的 K2HP04、50mg 的MgSO4 *7H20、I u g生物素、0. l%(w/v,重量/體積)的酵母提取物和大約1% (v/v,體積/體積)的正十六烷。也可使用其他培養基，例如含有正十六烷的YM發酵液。在文獻=Okuhura等，35 Agr. Biol. Chem. 1376(1971)中也描述了通過培養ATCC入藏號為24887的熱帶念珠菌(Candida tropicalis (Castellani) Berkhout)無性型菌株0H23從含有正十六燒的培養基制備含有AA的發酵液的步驟，該文獻的主題通過引用并入本文。也可由ATCC入藏號為69875的大腸桿菌菌株AB2834/pKD136/pKD8. 243A/pKD8. 292制備含有AA的發酵液。這可按照下文實現。向I升含有IPTG (0. 2mM)、氨芐西林(0. 05g)、氯霉素(0. 02g)和奇霉素(0. 05g)的LB培養基(在4L的愛倫美式燒瓶中)接種IOml的在37°C以及250rpm下生長10小時的大腸桿菌菌株AB2834/pKD136/pKD8. 243A/PKD8. 292的細胞的過夜培養物。可收獲細胞，將其再懸浮于IL含有56mM的D-葡萄糖、莽草酸(0. 04g)、IPTG (0. 2mM)、氨芐西林(0. 05g)、氯霉素(0. 02g)和奇霉素(0. 05g)的 M9基本培養基中。然后可將該培養物返回到37°C培養。在基本培養基中進行再懸浮后，可密切監控培養物的pH值，尤其在初始的12小時期間。當培養物的pH值達到6. 5時，可添加5N的NaOH或適量的其他堿(例如氫氧化銨)，以調整pH值回至大約6. 8。在48小時的累積期間，培養物的PH值不應當低于6. 3。在培養基中24小時后，在培養物上層清液中可檢測到12mM的順，順-粘康酸鹽和ImM的原兒茶酸以及23mM的D-葡萄糖。在培養基中48小時后，大腸桿菌菌株AB2834/pKD136/pKD8. 243A/pKD8. 292的細胞可基本上用17mM的順，順-粘康酸鹽替換培養基中的56mM的D-葡萄糖。然后可按照下文還原微生物合成的順，順-粘康酸鹽AA，以制備含有AA的發酵液。可將50毫克鉬碳(10%)添加到6ml的來自發酵的包含約17. 2mM的順，順-粘康酸鹽的無細胞培養物上層清液中。然后可將該樣品在室溫下且在50psi的氫氣壓力下氫化3小時，以制備含有AA的發酵液。例如，以這種方式所制備的發酵液可包含約15. ImM 的AA。借助在含有D-葡萄糖的培養基中進行培養，通過培養大腸桿菌菌株AB2834/pKD136/pKD8. 243A/pKD8. 292的細胞以制備含有AA的發酵液的步驟也在以下文獻中進行了描述Draths&Frost, 116J. Am. Chem. Soc. 399(1994) ；Draths 和 Frost, 18 Biotechnol.Prog. 201 (2002)；以及專利US5, 487，987和專利US 5，616，496，這些文獻的主題通過引用并入本文。也可通過在補充有0. 4%的葡萄糖作為碳源的M9基本培養基中培養被命名為5B12、5F5、8F6和14D7且包含表達由不動桿菌屬菌株SE19的SEQ ID NO: I編碼的環己酮單加氧酶SEQ ID NO: 2的載體的大腸桿菌粘粒克隆體，來制備含有AA的發酵液。在30°C下搖晃培養細胞2小時，且將330ppm的環己醇添加到培養基中。隨后，在另外的時間段例如2h、4h、或20h或其它時間段，在30°C下進行進一步培養。專利US 6，794，165也描述了通過在包含D-葡萄糖和環己醇的培養基中培養命名為5B12、5F5、8F6和14D7且包含表達由不動桿菌屬菌株SE19的SEQ ID NO: I編碼的環己酮單加氧酶的載體的大腸桿菌粘粒克隆體來制備含有AA的發酵液的步驟，其主題通過引用并入本文。也可利用從Verdezyne有限公司(Carslbad, CA,美國)可購買到的Verdezyne酵母菌株制備含有AA的發酵液，據2010年2月8日報道，當在包含烷烴或其他碳源(例如糖和基于植物的油)的培養基(例如，SD培養基)中培養該Verdezyne酵母菌株時,可制備AA。也可由編碼以下物質的核酸轉化的大腸桿菌或其他微生物制備含有AA的發酵液琥珀酰-輔酶A:乙酰-輔酶A酰基轉移酶；3_羥酰-輔酶A脫氫酶；3_羥基己二酰基-輔酶A脫水酶；5_羧基-2-戊烯酰-輔酶A還原酶；己二酰-輔酶A合成酶；磷酸己二酰轉移酶(phosphotransadipylase) /己二酸酯激酶；己二酰_輔酶A轉移酶；或己二酰_輔酶A水解酶。含有AA的發酵液也可由編碼以下物質的核酸轉化的大腸桿菌或其他微生物制備琥珀酰-輔酶A:乙酰-輔酶A酰基轉移酶；3-氧代己二酰-輔酶A轉移酶；3-氧代己二酸酯還原酶；3_羥基己二酸酯脫水酶；和2-烯酸酯還原酶。含有AA的發酵液也可由編碼以下物質的核酸轉化的大腸桿菌或其他微生物制備a -酮己二酰-輔酶A合成酶；磷酸酮己二酰轉移酶(phosphotransketoadipylase) / a-酮己二酸酯激酶或者a-酮己二酰-輔酶A:乙酰-輔酶A轉移酶；2_羥基己二酰-輔酶A脫氫酶；2_羥基己二酰-輔酶A脫水酶；5-羧基-2-戊烯酰-輔酶A還原酶；和己二酰-輔酶A合成酶；磷酸轉移己二酰酶/己二酸酯激酶；己二酰-輔酶A:乙酰-輔酶A轉移酶或己二酰-輔酶A水解酶。含有AA的發酵液也可由編碼以下物質的核酸轉化的大腸桿菌或其他微生物制備2_羥基己二酸酯脫氫酶；2-輕基己二酰-輔酶A合成酶；磷酸輕基己二酰轉移酶(phosphotranshydroxyadipyIase)/2-羥基己二酸酯激酶或2-羥基己二酰-輔酶A:乙酰-輔酶A轉移酶；2_羥基己二酰-輔酶A脫水酶；5_羧基-2-戊烯酰-輔酶A還原酶；和己二酰-輔酶A合成酶；磷酸己二酰轉移酶/己二酸酯激酶；己二酰-輔酶A:乙酰-輔酶A轉移酶；或己二酰-輔酶A水解酶。在標準培養基(例如M9基本培養基)中，在標準條件下，在維持轉化的表型所必需的合適的抗菌素或營養補充物下，可使用各種不同的碳源執行利用編碼這些酶的核酸所轉化的大腸桿菌或其他微生物進行發酵。通過培養編碼這些酶的核酸所轉化的大腸桿菌或其他微生物來制備含有AA的發酵液的步驟、合適的培養基和碳源也在專利US2009/0305364中進行了描述，其主題通過弓I用并入本文。
通過培養釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)菌株或其他菌株來制備含有二羧酸(例如AA)的發酵液的步驟、微生物菌株、合適的培養基和碳源也在專利W02010/003728中進行了描述，該專利的主題通過弓I用并入本文。可以將可發酵的碳源(例如碳水化合物和糖)，可選地氮源和復合營養素(例如，玉米漿)、附加的培養基組分(例如維生素、鹽和其他可增進細胞生長和/或產物形成的物質)、以及水加入到生長容器12中以用于微生物培養基的生長和維持。通常，微生物培養基在好氧條件下生長，該好氧條件通過鼓吹富氧氣體(例如，空氣等)提供。通常，提供酸(例如，硫酸等)和氫氧化銨以在微生物培養的生長期間進行PH值控制。在一個示例(未示出)中，通過將富氧氣體變為缺氧氣體(例如，CO2等)，而將生長容器12中的好氧條件(通過鼓吹富氧氣體提供)轉換為厭氧條件。厭氧環境可引起可發酵的碳源在生長容器12中原位生物轉化為AA。提供氫氧化銨以在可發酵的碳源生物轉化為AA期間進行pH值控制。由于存在氫氧化銨，所制備的AA至少部分地(如果非全部)被中和為DAA，使得制備成包括DAA的發酵液。添加CO2可提供用于制備AA的另外的碳源。在另一示例中，生長容器12的內容物可以借助流14被轉移到獨立的生物轉化容器16，以使碳水化合物源生物轉化為AA。將缺氧氣體(例如，CO2等)鼓吹到生物轉化容器16中以提供引發制備AA的厭氧條件。提供氫氧化銨以在碳水化合物源生物轉化為AA期間進行PH值控制。由于存在氫氧化銨，所制備的AA至少部分地被中和為DAA，使得制備成包括DAA的發酵液。添加CO2提供了用于制備AA的另外的碳源。在另一示例中，生物轉化可以在相對低的pH值(例如，3-6)下進行。可以提供堿(氫氧化銨或氨水)以在碳水化合物源生物轉化為AA期間進行pH值控制。根據所需的pH值，由于存在氫氧化銨或不存在氫氧化銨，制備AA，或者所制備的AA至少部分地被中和為MAA,DAA或包括AA、MAA和/或DAA的混合物。因此，可選地，在附加的步驟中，通過提供氨水或氫氧化銨，生物轉化期間所制備的AA可以隨后被中和，產生包括DAA的發酵液。因此，“含有DAA的發酵液”通常是指發酵液包括通過生物轉化或其他方法添加的和/或產生的DAA和可能的任一數量的其他組分(諸如MAA和/或AA)。類似地，“含有MAA的發酵液”通常是指發酵液包括通過生物轉化或其他方法添加的和/或產生的MAA和可能的任一數量的其他組分(諸如DAA和/或AA)。從可發酵的碳源的生物轉化(在生長容器12或生物轉化容器16中，取決于生物轉化發生的位置)產生的發酵液通常含有不溶的固體，諸如細胞生物質和其他懸浮物質，在蒸餾之前，將所述不溶的固體借助流18轉移到澄清裝置20。去除不溶的固體使發酵液澄清。這減輕或防止堵塞隨后的蒸餾設備。可以通過多種固液分離技術中的單獨的任一種技術或技術組合來去除不溶的固體，所述固液分離技術包括但不限于離心分離和過濾(包括但不限于超過濾、微過濾或深度過濾)。可以使用本領域中已知的技術選擇過濾。可以通過任一數量的已知方法去除可溶的無機化合物，這些已知方法例如但不限于離子交換和物理吸附
坐寸o離心分離的示例為連續的碟式離心機。在離心分離之后，增加一精過濾(polishing filtration)步驟可以是有用的，該精過濾諸如為可包括使用諸如娃藻土等的過濾輔助工具的死端過濾或錯流過濾，或者更優選地為超過濾或微過濾。超過濾膜或微過濾膜例如可以為陶瓷或高分子材料。高分子膜的一個例子是科氏濾膜系統公司(KochMembrane Systems) (850大街,威明頓市,馬薩諸塞州,美國)制造的SelRO MPS-U20P (pH值穩定的超過濾膜)。其是在市場上可購買到的聚醚砜膜，截留分子量為25，000道爾頓，通常在0. 35MPa到I. 38MPa的壓力(最大壓力為I. 55MPa)并且在高達50° C的溫度下工作。可替選地，可單獨采用超過濾或微過濾的過濾步驟。將產生的基本上沒有微生物培養物和其他固體的含有DAA的澄清的發酵液或含有MAA的澄清的發酵液通過流22轉移到蒸餾裝置24。澄清的蒸餾發酵液應該含有一定量的DAA，該量占發酵液中的所有二羧酸二銨鹽的至少大部分、優選地至少約70wt%、更優選地80wt%以及最優選地至少約90wt%。通過高壓液相色譜法(HPLC)或其他已知的方法，可以確定DAA和/或MAA占發酵液中的全部二羧酸鹽的重量百分比(wt%)。水和氨作為頂部餾出物自蒸餾裝置24去除，并且至少一部分水和氨可選地借助流26再循環至生物轉化容器16 (或在厭氧模式下工作的生長容器12)。只要蒸餾是以確保蒸餾的頂部餾出物含有水和氨并且蒸餾的底部殘留物至少包括一些AA和至少約20wt%的水的方式進行，則具體的蒸餾溫度和壓力不是關鍵。水的更優選的量為至少約30wt%以及進一步更優選的量為至少約40wt%。自蒸餾步驟去除氨的速率隨著溫度升高而增大，并且通過在蒸餾期間注入蒸汽(未示出)也可增大該速率。通過在真空下進行蒸餾或者通過用諸如空氣、氮氣等的非反應性氣體鼓吹所述蒸餾裝置，也可增大蒸餾期間去除氨的速率。 在蒸餾步驟期間對水的去除可通過使用有機共沸劑而加強，條件是底部殘留物含有至少約20被％的水，所述有機共沸劑諸如甲苯、二甲苯、甲基環己烷、甲基異丁基酮、環己烷、庚烷等。如果在能夠形成共沸混合物的有機試劑的存在下進行蒸餾(該共沸混合物由水和該有機試劑組成)，則蒸餾產生包括水相和有機相的雙相底部殘留物，在這種情況下，水相可以與有機相分離，并且水相被用作蒸餾的底部殘留物。只要底部殘留物中的水含量被維持在至少約30wt%的水平，則基本上避免諸如己二酰亞胺和己二酰胺的副產物。用于蒸餾步驟的優選溫度的范圍是約50°C到約300°C，該溫度取決于壓力。更優選的溫度范圍是約150°C到約240°C，該溫度取決于壓力。約170°C到約230°C的蒸餾溫度是優選的。“蒸餾溫度”是指底部殘留物的溫度(對于分批蒸餾，該溫度可以為當取出最后期望的量的頂部餾出物時的溫度)。加入可與水混溶的有機溶劑或者氨分離溶劑有助于在如上文所討論的各種蒸餾溫度和壓力下去除氨。這樣的溶劑包括能夠形成惰性的氫鍵的疏質子溶劑、雙極性溶劑、含氧溶劑。示例包括但不限于二甘醇二甲醚、三甘醇二甲醚、四乙二醇二甲醚、亞砜(諸如二甲亞砜(DMSO))、酰胺(諸如二甲基甲酰胺(DMF)和二甲基乙酰胺)、砜(諸如二甲基砜)、a-丁內酯(GBL)、環丁砜、聚乙二醇(PEG)、丁氧基三乙二醇、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、醚(諸如二氧雜環己烷)和甲基乙基酮(MEK)等。這樣的溶劑有助于從澄清的發酵液的DAA或MAA中去除氨。無論哪種蒸餾技術，重要的是，蒸餾以確保至少一些MAA和至少約20wt%的水且甚至更優選地至少約30wt%的水留在底部殘留物中的方式進行。可在大氣壓下、亞大氣壓下或超大氣壓下進行蒸餾。在其他條件下，諸如當在不存在共沸劑或氨分離溶劑下進行蒸餾時，在超大氣壓下且在大于100°C至約300°C的溫度下進行蒸餾以形成包括水和氨的頂部餾出物和包括AA和至少約20wt%的水的液態底部殘留物。超大氣壓通常落在大于環境大氣壓到約25個大氣壓中的范圍內。有利地,水的量為至少約30wt%。該蒸餾可以為單級閃蒸、多級蒸餾(S卩，多級塔式蒸餾)等。單級閃蒸可以在任一類型的閃蒸器(例如，刮膜蒸發器、薄膜蒸發器、熱虹吸管閃蒸器和強制循環閃蒸器等)中進 行。多級蒸餾塔可以通過使用塔板和填料等來實現。所述填料可以為松散填料(例如，拉西環、鮑爾環和貝爾鞍形填料等)或規整填料(例如,Koch-Sulzer填料、英特洛克斯(Intalox)填料和麥勒派克(Mellapak)等)。所述塔板可以為任一設計(例如，篩孔塔板、浮閥塔板、泡罩塔板等)。可以在任一數量的理論級下進行所述蒸餾。如果所述蒸餾裝置為塔，則構造不是特別的關鍵，并且可以使用熟知的規則來設計該塔。可以在氣提模式、精餾模式或分餾模式下操作該塔。可以以分批模式、半連續式或連續模式進行蒸餾。在連續模式中，將發酵液連續送入所述蒸餾裝置，且頂部餾出物和底部殘留物隨著它們的形成而從所述裝置連續地去除。來自蒸餾的餾出物為氨/水溶液，并且蒸餾的底部殘留物為MAA和AA的液態水溶液，所述蒸餾的底部殘留物也可以含有其他發酵副產物鹽類(即，乙酸銨、甲酸銨、乳酸銨等)和有色體。所述蒸餾的底部殘留物可通過流28轉移到冷卻裝置30并且通過常規的方法冷卻。冷卻技術不是關鍵性的。可以使用熱交換器(利用熱回收)。可以使用閃蒸冷卻器將所述底部殘留物冷卻低至約15°C。通常利用冷藏冷卻劑冷卻至15°C，諸如，乙二醇溶液，或者，較不優選地鹽水。在冷卻之前可以包括濃縮步驟以幫助增大產物產量。此外，可以采用已知方法將濃縮和冷卻組合，諸如真空蒸發和采用使用一體式冷卻套管和/或外部熱交換器的除熱法。研究發現，液態底部殘留物中的一些MAA的存在有助于通過降低含MAA的液態水性底部殘留物中的AA的溶解度來以冷卻方式引起將底部殘留物分離成為與固態部分接觸的液態部分，所述固態部分至少“基本由” AA組成(意思是所述固態部分為至少基本上純的結晶AA)。圖2示出AA在水中的溶解度。因此，研究發現，如果一些MAA也存在于水溶液中，則AA可更完全地從該水溶液中結晶而出。在這樣的溶液中MAA的優選濃度為約20wt%。在這樣的溶液中的MAA的更優選濃度為ppm (百萬分之一)至約3wt%的范圍。這種現象使得AA在比不存在MAA時所需的溫度高的溫度下結晶(S卩，蒸餾的底部殘留物的固態部分的形成)。將蒸餾的底部殘留物通過流32送入分離器34中以從液態部分中分離出固態部分。可通過壓濾(例如，使用Nutsche型壓濾器或Rosenmond型壓濾器)、離心等實現分離。可將產生的固態產物作為產物36回收，并且如果需要的話，通過標準方法進行干燥。在分離之后，可能期望處理固態部分以確保沒有液態部分殘留在固態部分的表面上。使殘留在該固態部分的表面上的液態部分的量最小化的一種方式是，用水洗滌所分離的固態部分并且將得到的所洗滌的固態部分干燥(未示出)。用以洗滌所述固態部分的方便的方式是使用所謂的“籃式離心機”(未示出)。從TheWestern States Machine Company(哈密爾頓，俄亥俄州，美國))可購買到合適的籃式離心機。蒸餾的底部殘留物34的液態部分(即，母液)可含有剩余的溶解的AA、任何未轉化的MAA、任何發酵副產物(諸如乙酸銨、乳酸銨或甲酸銨)和其他少量雜質。該液態部分可借助流38被送到下游裝置40。在一個例子中，該下游裝置40可以為用于形成除冰劑的裝置，例如，通過用適量的氫氧化鉀處理混合物，以將銨鹽轉化成鉀鹽。在該反應中產生的氨可以 被回收，以在生物轉化容器16 (或者在厭氧模式下工作的生長容器12)中再利用。得到的鉀鹽混合物作為除冰劑和防冰劑是有價值的。來自固體分離步驟34的母液可以借助流42再循環(或部分再循環)至蒸餾裝置24以進一步增強AA的回收以及進一步將MAA轉化為AA。以冷卻方式引起的結晶的固態部分為基本上純的AA并且因此可用于AA的已知用途。HPLC可以用來檢測含氮雜質(諸如己二酰胺和己二酰亞胺)的存在。可以通過元素碳和氮分析測定AA的純度。氨電極可以用來測定AA純度的粗近似值。根據環境和各種運營投入，存在發酵液可以為含有MAA的澄清的發酵液或者含有AA的澄清的發酵液的情況。在這些情況下，可以有利地是，將MAA、DAA、和/或AA、和可選的氨水和/或氫氧化銨加入到這些發酵液中以便于制備基本純的AA。例如，可以設定發酵液的工作PH值使得該發酵液為含有MAA的發酵液或者含有AA的發酵液。可以將MAA、DAA、AA、氨水和/或氫氧化銨加入到這些發酵液中以獲得優選地小于6的發酵液pH值以便于制備上述基本上純的AA。在一個具體的形式中，特別有利地是使來自從蒸餾步驟24產生的液態底部殘留物的AA、MAA和水再循環進入所述發酵液和/或澄清的發酵液。關于含有MAA的發酵液，這樣的發酵液通常是指，該發酵液包括通過生物轉化或其他方法添加的和/或產生的MAA和可能的任一數量的其他成分(諸如DAA和/或AA)。如圖3所示，包括AA的流在選定的溫度和壓力下可與各種反應物和催化劑接觸以制備CL。可使AA溶解或懸浮在水中或溶劑(例如二氧雜環己烷)中以用在下游的反應(例如轉化成CL)中。通過添加氨源(例如NH3或NH4OH),可轉化AA (和MAA到DAA)的這類溶液或懸浮液。因此，可使AA的溶液或AA的懸浮液脫水以形成AA的酰胺，隨后對該酰胺氫化以形成CL。可通過各種方法制備CL，例如在專利GB778，253中所公開的方法。專利GB778，253公開了可在單一階段中使AA、己二酸二酰胺或AA的形成二酰胺的衍生物轉化成CL。在高溫下，優選地不超過220°C，以及在氨和氫化催化劑存在下且在壓力下，可利用氫氣處理液體形式的AA、己二酸二酰胺或AA的形成二酰胺的衍生物。如所期望的那樣，該過程并不產生己二胺(HMD)，而是產生移除了氨的CL。己二酸二酰胺或其二銨鹽可被作為起始物質，或者，AA或AA的形成二酰胺的衍生物(如二酸氯化物或二酯)通過添加氨而轉化成己二酸二酰胺，然后轉化成CL。上文提到的專利GB778，253的主題和內容通過引用并入本文。盡管可以按照上文所述僅僅制備CL，但是也可以制備CL和其他有用的材料，例如HMD。在專利JP49/019250中可找到一個實施例，該專利的主題通過引用并入本文。在釕(Ru)金屬催化劑存在下，通過用氨氣(NH3)和氫氣(H2)處理AA、己二酰胺、DAA、或己二酸烷基酯，可同時制備CL和HMD。一個實施例公開了 240°C下,在60kg/cm2規格的氫氣(H2)下，將AA (36.5g)、H20 (4. 5g)、液氨(255g)和含有5%Ru的活性炭(20g)處理4小時。這產生了 9.2g CL和7.7g HMD。回收含有AA及其衍生物(例如氨基己酸)的蒸餾殘留物，以提供額外的 4. 4g CL 和 3. 7g HMD。此外，還如專利GB 778，253中所公開的，可以由己二酰胺(例如AA的二酰胺或AA的單酰胺)制備CL。例如，專利GB778，253指出，在250atm的氫氣壓力下，在220°C下，在5升的攪拌式高壓釜中，用45g的雷尼鎳處理180g的己二酰二胺在約3升的技術性的二氧雜環己烷中的懸浮液。將壓力增加至約380atm。在15小時后停止加熱。冷卻高壓釜，且從催化劑中分離產物。在蒸餾出二惡英后，在真空中分餾出輕油。幾滴初餾分之后，在120°C/6mm 至130°C /6mm的沸程內蒸餾出CL并結晶，其熔點為69°C。然后可通過已知的方法將CL聚合成熔點約220°C的聚酰胺。可使用于使AA轉化成CL的氫化催化劑更活潑以增強催化劑的活性或選擇性。可在催化劑成分的化學處理的任何階段期間將促進劑并入催化劑中。化學促進劑通常增強催化劑的物理功能或化學功能，但是也可添加化學促進劑以阻止不期望的副反應。例如，合適的促進劑包括選自錫、鋅、銅、錸、金、銀及其組合的金屬。可用的其他促進劑為選自元素周期表的I族和II族的元素。催化劑可以有載體或無載體。負載型催化劑為這樣一種催化劑，其中活性的催化劑通過許多方法沉積在載體材料上，例如噴灑、浸洗或物理混合，隨后干燥、煅燒以及如果必要的話通過例如還原或氧化的方法進行活化。經常用作載體的材料可以為具有大的總表面積(外部和內部)的多孔固體，該多孔固體可提供每單位重量的催化劑有高濃度的活性位點。催化劑載體可增強催化劑的功能。負載型金屬催化劑為催化劑是金屬的負載型催化劑。未承載在催化劑載體材料上的催化劑為非負載型催化劑。例如，非負載型催化劑可為鉬黑或Raney (ff. R. Grace&Co.，哥倫比亞，MD)催化劑。由于選擇性地濾取含有活性金屬和可濾取的金屬(通常為鋁)的合金，因此Raney 催化劑具有高的表面積。Raney 催化劑因較高的比表面積而具有高的活性且允許在氫化反應中使用較低的溫度。Raney 催化劑的活性金屬包括鎳、銅、鈷、鐵、銠、釕、錸、鋨、銥、鉬、鈀、其混合物及其組合。還可將促進劑金屬添加到基礎的Raney 金屬中以影響Raney 催化劑的選擇性和/或活性。用于Raney 催化劑的促進劑金屬可選自從元素周期表的IiiA族到VIIIA族、IB族和IIB族的過渡金屬。促進劑金屬的示例包括鉻、鑰、鉬、銠、釕、鋨和鈀，通常占金屬總重量的約2%。催化劑載體可以為任意固態惰性物質，包括但不限于氧化物，例如二氧化硅、氧化鋁和二氧化鈦；硫酸鋇；碳酸鈣和碳。催化劑載體可以是粉末、顆粒、丸狀等的形式。優選的載體物質可選自碳、氧化鋁、二氧化硅、二氧化硅-氧化鋁、二氧化硅-二氧化鈦、二氧化鈦、二氧化鈦-氧化鋁、硫酸鋇、碳酸鈣、碳酸鍶及其混合物。負載型金屬催化劑還可具有由一種或多種化合物制成的載體物質。更優選的載體為碳、二氧化鈦和氧化鋁。更優選的載體為表面積大于約100m2/g的碳。進一步優選的載體為表面積大于約200m2/g的碳。優選地，按催化劑載體重量計，碳具有小于約5%的灰含量。灰含量為碳焚燒后殘留的無機殘渣(表示為碳的原始重量的百分數)。基于金屬催化劑重量外加載體重量，負載型催化劑中金屬催化劑的優選含量可為該負載型催化劑的約0. 1%至約20%。更優選的金屬催化劑含量范圍為負載型催化劑的約1%至約10% O金屬催化劑和載體系統的組合可包括本文中提到的任何一種金屬和本文中提到的任何一種載體。金屬催化劑和載體的優選組合包括負載于碳上的鈀、負載于氧化鋁上的鈀、負載于二氧化鈦上的鈀、負載于碳上的鉬、負載于氧化鋁上的鉬、負載于二氧化硅上的鉬、負載于二氧化硅上的銥、負載于碳上的銥、負載于氧化鋁上的銥、負載于碳上的銠、負載于二氧化硅上的銠、負載于氧化鋁上的銠、負載于碳上的鎳、負載于氧化鋁上的鎳、負載于二氧化硅上的鎳、負載于碳上的錸、負載于二氧化硅上的錸、負載于氧化鋁上的錸、負載于碳上的釕、負載于氧化鋁上的釕和負載于二氧化硅上的釕。·金屬催化劑和載體的進一步優選的組合包括負載于碳上的釕、負載于氧化鋁上的釕、負載于碳上的鈀、負載于氧化鋁上的鈀、負載于二氧化鈦上的鈀、負載于碳上的鉬、負載于氧化鋁上的鉬、負載于碳上的銠、和負載于氧化鋁上的銠。通常，可以在大約100 °C至大約500 °C的溫度下，在維持在大約6MPa至大約20MPa壓力的反應器中，進行氫化反應。利用催化劑使含有AA或MAA的進料氫化的方法可通過現有技術中已知的各種操作模式進行。因此，可利用固定床反應器、各種類型的漿態攪拌反應器(不論是氣體攪拌型還是機械攪拌型)等進行整個氫化過程。可以在分批模式或連續模式下進行氫化過程，其中，含有氫化前體的水相與在高壓下的含有氫氣的氣相以及顆粒狀的固體催化劑接觸。溫度、溶劑、催化劑、反應器配置、壓力和混合比率為可影響轉化和選擇性的參數。可調整這些參數之間的關系以實現該方法的反應中所期望的轉化、反應速率和選擇性。優選的溫度為約25°C至500°C，更優選地從約100°C至約400°C，最優選地從約150°C至400°C。壓力優選地為約0. 5MPa至約40MPa。可以以分批模式、順序分批模式(即一系列的分批反應器)或在通常用于連續過程的任何設備中以連續模式執行該方法和/或轉化。通過通常用于這類分離的分離方法，來去除作為反應產物而形成的冷凝水。如圖4所示，可以將CL轉化成聚酰胺(例如尼龍6)。專利JP2008/144075中公開了這樣轉化的一個方法，其主題通過引用并入本文。該方法包括使至少含有CL和水的原料組合物聚合。該原料組合物還包括選自以下三種組合的任一種組合作為封端劑Ca)至少一種單羧酸化合物和至少一種伯一元胺化合物或仲一元胺化合物，(b)至少一種單羧酸化合物和至少一種伯二胺化合物或仲二胺化合物，以及(C)至少一種二羧酸化合物和至少一種伯一元胺化合物或仲二元胺化合物。可在至少約240°C的溫度下，對該原料組合物進行加熱以引發聚合反應。實施例通過下面的非限制性的代表性實施例來說明本發明的方法。因本發明的方法中的實際發酵液中的典型發酵副產物的溶解度，合成的DAA溶液的使用被認為是用于該實際發酵液的特性的良好模型。發酵期間所產生的主要副產物為乙酸銨、乳酸銨和甲酸銨。乙酸銨、乳酸銨和甲酸銨在水中的溶解度明顯比AA大，并且這三種物質均通常以小于DAA濃度的10%的濃度存在于發酵液中。此外，即使當在蒸餾步驟期間形成酸(乙酸、甲酸和乳酸)時，這些酸與水混溶并且將不從水中結晶。這意味著AA達到飽和并且從溶液中結晶(即，形成固態部分)，留下酸雜質溶解在母液(即，液態部分)中。 實施例I 該實施例示出了 DAA到MAA的轉化。使IL的圓底燒瓶裝有800g的合成的4. 5%的DAA溶液。該燒瓶配備有五塔板奧爾德肖段(a five tray Oldershaw section),該奧爾德肖段的頂部具有蒸懼頭。將懼出物收集在冰冷的接收器中。利用加熱套加熱燒瓶的內容物，且利用磁力攪拌器攪拌。開始蒸餾且收集到719. 7克的餾出物。用滴定法測量餾出物，表明其為0. 29%的氨溶液(即，約61%的DAA轉化成MAA)。從燒瓶中移走熱的殘留物(76g)且將其放置在愛倫美氏燒瓶中， 放置一周末，期間邊攪拌邊緩慢冷卻至室溫。然后，伴隨著攪拌，將內容物冷卻至15°C且保持60分鐘，接著冷卻至10°C且保持60分鐘，最后冷卻至5°C且保持60分鐘。過濾固體且在75°C下在真空爐中干燥2小時，得到16. 2克固體。通過氨電極對固體的氨含量進行的分析表明，氨和AA的摩爾比例大約為1:1。實施例2該實施例示出了 MAA到AA的轉化。使300ml的Parr高壓釜裝有80g合成的MAA和124g水。密封高壓釜，且攪拌內容物并將其加熱至約200°C(自生壓力為約203psig)。一旦內容物達到該溫度，以約2g/分鐘的速率將水送入高壓釜且利用背壓調節器以約2g/分鐘的速率將蒸汽從高壓釜移出。使離開高壓釜的蒸汽冷凝且收集在接收器中。高壓釜在這些條件下運作，直到送入總計1210g的水和總計收集到1185g的餾出物為止。將高壓釜的內容物(209g)部分冷卻，且將其從反應器移走。將漿液在愛倫美式燒瓶中、在室溫下進行攪拌過夜。然后將漿液過濾，且用25g水沖洗固體。在真空爐中在75°C下干燥潮濕的固體I小時，得到59g AA產物。通過銨離子電極的分析表明每克固體含有0. 015mmol的銨離子。所回收的固體的熔點為15TC至154。。。實施例3該實施例示出了在溶劑存在下DAA至MAA的轉化。將36. 8g的蒸餾水和19. 7g的濃縮的氫氧化銨裝入燒杯。然后，緩慢加入23. 5g的己二酸。攪拌混合物形成清液，然后將該清液放置在含有攪拌棒的500mL的圓底燒瓶中。然后將三甘醇二甲醚(80g)加入到該燒瓶中。然后，將該燒瓶配備有五塔板I”奧爾德肖段，該奧爾德肖段的頂部具有蒸餾頭。蒸餾頭配有冰浴冷卻式接收器。該蒸餾燒瓶還配備有含有150g蒸餾水的加料漏斗。然后攪拌內容物，且利用加熱套加熱內容物。當餾出物開始出現時，將加料漏斗中的水以與餾出物移走相同的速率逐滴加入到燒瓶中。當已加入加料漏斗中的所有的水時，蒸餾停止。已經收集到總計158g的餾出物。滴定法測量餾出物表明I. 6%的氨含量。這相當于裝入的氨的46%。換句話說，殘留物為比例為91/9的己二酸一銨/己二酸二銨的混合物。將殘留物冷卻至室溫后，將其放置在250mL的愛倫美氏燒瓶中，邊攪拌邊緩慢冷卻至5°C。過濾漿液，然后在真空爐中干燥濕晶體2小時，得到5. 5g固體。固體分析表明，銨離子與己二酸根離子的比例基本上為1:1 (即，己二酸一銨)。實施例4該實施例示出了在溶劑存在下MAA到AA的轉化。使燒杯裝有46. 7g的蒸餾水和9. 9g的濃縮的氫氧化銨。然后，緩慢加入23. 5g的己二酸。攪拌混合物形成清液，然后將該清液放置在含有攪拌棒的500mL圓底燒瓶中。然后將三甘醇二甲醚(80g)加入該燒瓶中。然后，將該燒瓶配備有五塔板I”奧爾德肖段，該奧爾德肖段的頂部具有蒸餾頭。蒸餾頭配有冰浴冷卻式接收器。該蒸餾瓶還配有含有1800g蒸餾水的加料漏斗。然后攪拌內容物，且利用加熱套加熱內容物。當餾出物開始出現時，將加料漏斗中的水以與餾出物移走相同的速率逐滴加入到燒瓶中。當已加入加料漏斗中所有的水時，蒸餾停止。已經到收集總計1806. 2g的餾出物。滴定法測量餾出物表明0. 11%的氨含量。這相當于裝入的氨的72%。換句話說，殘留物為比例為72/28的己二酸/己二酸一銨的混合物。將殘留物放置在愛倫美氏燒瓶中，攪拌冷卻至(TC，且靜置I小時。過濾漿液， 得到18. 8g的濕濾餅和114. 3g的母液。然后，在80°C下真空干燥固體2小時，得到13. 5g固體。然后將該固體溶解在114g熱水中，然后冷卻至5°C，持續攪拌45分鐘。過濾漿液，得到13. 5g的濕固體和109. 2g的母液。在80°C下真空干燥固體2小時，得到11. Ig的干燥固體。固體分析表明，銨離子的含量為0. 0117mmol/g (即，基本上純的己二酸)。盡管已經結合具體步驟和其形式描述了本發明的方法，然而，應當理解，大量的等同物可以替代本文描述的指定的元件和步驟，而不脫離所附權利要求書中描述的本發明的精神和范圍。
權利要求
1.一種用于從含有己二酸二銨DAA的澄清的發酵液或含有己二酸一銨MAA的澄清的發酵液制備己內酰胺CL的方法，所述方法包括 Ca)在>100°C至約300°C的溫度下且在超大氣壓下，蒸餾所述發酵液以形成包含水和氨的頂部餾出物以及包含己二酸AA和重量百分比為至少約20%的水的液態底部殘留物； (b)冷卻和/或蒸發所述底部殘留物，以得到足以使所述底部殘留物分離成液態部分和為基本上純的AA的固態部分的溫度和組成； (C)從所述液態部分中分尚出所述固態部分；和 Cd)可選地在溶劑存在下，在氫化催化劑和氨源存在下，在約25°C至約50(TC的溫度下，且在約0. 5MPa至約40MPa的壓力下,使所述固態部分的至少一部分與氫氣接觸，以制備所述CL。
2.一種用于從含有DAA的澄清的發酵液或含有MAA的澄清的發酵液制備CL的方法，所述方法包括 Ca)將氨分離溶劑和/或水共沸溶劑添加至所述發酵液中； (b)在足以形成包括水和氨的頂部餾出物以及包括AA和重量百分比為至少約20%的水的液態底部殘留物的溫度和壓力下，蒸餾所述發酵液； (c)冷卻和/或蒸發所述底部殘留物，以得到足以使所述底部殘留物分離成液態部分和為基本上純的AA的固態部分的溫度和組成； (d)從所述液態部分中分尚出所述固態部分；和 Ce)可選地在溶劑存在下，在氫化催化劑和氨源存在下，在約25°C至約50(TC的溫度下，且在約0. 5MPa至約40MPa的壓力下,使所述固態部分的至少一部分與氫氣接觸，以制備所述CL。
3.根據權利要求I或2所述的方法，其中，制備所述CL包括在氨源存在下，使所述固態部分的至少一部分脫水以制備AA的酰胺，隨后對所述酰胺進行氫化以形成所述CL。
4.根據權利要求I至3中的任一項所述的方法，還包括使所述CL轉化成尼龍6。
5.根據權利要求I或2所述的方法，其中，所述發酵液是通過在微生物存在下使碳源發酵而獲得的，所述微生物選自=ATCC入藏號為24887的熱帶念珠菌(Castellani)無性型菌株 OH23 ;ATCC 入藏號為 69875 的大腸桿菌菌株 AB2834/pKD136/pKD8. 243A/pKD8. 292 ;包含表達由SEQ ID NO: I編碼的環己酮單加氧酶的載體的大腸桿菌粘粒克隆體5B12 ;包含表達由SEQ ID NO: I編碼的環己酮單加氧酶的載體的大腸桿菌粘粒克隆體5F5 ;包含表達由SEQ ID NO: I編碼的環己酮單加氧酶的載體的大腸桿菌粘粒克隆體8F6 ;包含表達由SEQIDNO: I編碼的環己酮單加氧酶的載體的大腸桿菌粘粒克隆14D7 ;和Verdezyne酵母。
6.根據權利要求2所述的方法，其中，在氨分離溶劑存在下或在水共沸溶劑存在下蒸餾所述發酵液，所述氨分離溶劑為選自二甘醇二甲醚、三甘醇二甲醚、四乙二醇二甲醚、亞砜、酰胺、砜、聚乙二醇PEG、丁氧基三乙二醇、N-甲基吡咯烷酮NMP、醚和甲基乙基酮MEK的至少一種，所述水共沸溶劑為選自甲苯、二甲苯、甲基環己烷、甲基異丁基酮、己烷、環己烷和庚烷的至少一種。
全文摘要
一種用于從己二酸(AA)制備己內酰胺(CL)及其衍生物的方法，所述AA從含有己二酸二銨(DAA)的發酵液或含有己二酸一銨(MAA)的發酵液中獲得。
文檔編號C07D223/10GK102971298SQ201180029174
公開日2013年3月13日 申請日期2011年6月10日 優先權日2010年6月16日
發明者奧蘭·S·弗呂謝, 利奧·E·曼策, 迪盧姆·杜努維拉, 布萊恩·T·科恩, 布魯克·A·阿爾賓, 奈·A·克林頓, 伯納德·D·東貝克 申請人:生物琥珀酸有限公司