從發酵培養基回收并使用羧酸的制作方法
【專利說明】
[0001] 優先權要求
[0002] 本申請要求2012年12月20日提交的美國臨時申請號61/739, 769的優先權的權 益，該申請的內容結合在此。
技術領域
[0003] 本發明涉及一種用于生產羧酸的方法。具體地，本發明涉及一種用于從發酵培養 基中回收羧酸的方法。
【背景技術】
[0004] 羧酸，例如四碳琥珀酸、蘋果酸、馬來酸和富馬酸，以及它們的衍生物作為各種其 他化學品的前體分子發揮了重要作用，這些化學品包括可生物降解的聚酯樹脂、染料、以及 藥物和作為食品工業中的添加劑。目前，例如，琥珀酸是從原油通過馬來酐催化氫化為琥珀 酸酐并隨后水合或通過馬來酸的直接催化加氫而大量商業生產的。這種從石油化學品生產 琥珀酸的傳統方法是昂貴的并產生污染問題。近年來，許多人已經尋求開發一種借助于生 物基發酵方法來生產琥珀酸的更加成本競爭力且環境友好的方法。一種重要二元羧酸的發 酵生產是有利的，這不僅是因為使用了可再生底物，而且還因為在發酵過程中將溫室氣體 co2結合到琥珀酸中。
[0005] 例如，這些生物衍生的琥珀酸（BDSA)方法試圖通過從生物質發酵葡萄糖來生產 琥珀酸、分離并純化該酸，并且然后催化處理它作為平臺化學品來生產，例如，1，4-丁二醇 (BDO)和相關產品、四氫呋喃和Y_ 丁內酯；N-甲基吡咯烷酮（NMP)、2_吡咯烷酮或用于制 造廣泛分類產品的其他化學品。每年，現有國內市場的此類化學品總額近10億英鎊，或超 過13億美元。該BDSA方法還希望減少對進口石油的依賴并希望擴大國內農業市場至更多 食物來源。
[0006] 然而，通常，從發酵培養基中回收二元羧酸涉及形成二酸的不溶性鹽類，典型地， 不溶性媽鹽。在通過真菌如米根霉（Rhizopusoryzae)或米曲霉（Asperigillusoryzae) 發酵的情況下，其分別優選制備富馬酸和蘋果酸，典型地將鈣以CaC03的形式引入培養基 中，其在溶液中形成Ca(HC03)2。碳酸氫鹽有效維持培養基的pH，因為產生的二酸傾向于降 低pH。二酸以鈣鹽的形式回收。此種(；二酸的鈣鹽在水溶液中具有非常低的溶解度（典 型地在室溫下小于3克/升），并且不適合于需要游離酸的許多應用，如化學轉化為衍生產 品像丁二醇和類似物。因此，鈣鹽典型地溶解在硫酸中，形成不溶性的硫酸鈣，其可以容易 地從游離二酸分離。硫酸鈣是一種具有很少商業應用的產品，并且因此典型地作為固體廢 物被丟棄在垃圾填埋場或者其他固體廢物處置場所。
[0007] 在例如W02010/147920中所述的一種替代方法，而不是使用碳酸鈣，使用一種含 有鎂氧的化合物來維持用于真菌生長的介質的pH，這些化合物例如MgO、Mg(0H) 2、MgC03、或 Mg(HC03)2，所有這些在水溶液中形成碳酸氫鹽。發現使用鎂而不是鈣提高了通過發酵生產 酸。發酵是在5-8并且更優選6. 0-7. 0的pH下進行。通過添加鎂氧化合物來維持pH，并且 將C02引入到介質中與鎂氧化合物組合以維持碳酸氫根（HC03〇的摩爾分數為至少0.1并 且最優選約0. 3,基于在該介質中HC<V、C<V2、以及C02的總摩爾數。在發酵結束時，該介質 的液體部分含有大多數二酸作為可溶性鎂鹽，將其從含有沉淀鹽和其他不溶性物質的介質 的固體部分中分離。溶解的酸式鹽是通過使用無機酸如硫酸將pH降低至低于該二酸的等 電點，并將該介質的溫度降低至（最優選）不大于5°C轉化成游離酸形式，這從溶液中沉淀 出游離酸。
[0008] 雖然可用于生產游離酸，所描述的對于使用鎂鹽的技術結果是昂貴的，首先是因 為鎂氧化合物比類似的鈣化合物的成本相當更多，而且還因為大量的鎂以無機酸的鎂鹽的 形式保留在發酵介質中，并且對于進一步發酵或其他目的不是有用的。此外，需要降低回收 的可溶性鹽的溫度以沉淀出游離酸增加了附加的能源成本。
[0009] 雖然羧酸（如蘋果酸或琥珀酸）的發酵生產具有超過基于石油化學品的方法的若 干優勢，但是如剛剛討論的羧酸鹽的產生因為與下游處理以及分離酸和它們的鹽有關的困 難具有顯著的加工成本。當在常規的發酵方法中產生鹽時，對于每當量的酸要求當量的堿 來中和。所使用的試劑的量可能增加成本。此外，人們需要除去鹽的抗衡離子以便產生游 離酸，并且人們需要除去并處置任何所得到的廢物和副產物。所有這些單獨的操作單元對 該方法的總成本有影響。
[0010] 以鹽回收羧酸具有許多相關的問題并且要求在發酵后，下游處理中的若干不同的 步驟以分離游離酸并制備用于化學轉化的羧酸以及將原料酸轉化為有用的化合物。當在常 規的發酵方法中產生鹽時，對于每當量的酸要求當量的堿來中和。所使用的試劑的量可能 增加成本。此外，人們需要除去鹽的抗衡離子以便產生游離酸，并且人們需要除去并處置任 何所得到的廢物和副產物。例如，c4二酸的鈣鹽在水性培養基溶液中具有非常低的溶解度 (典型地在室溫下小于3克/升），并且不適合于需要游離酸物種的許多應用，如化學轉化 為衍生產品。因此，鈣鹽典型地溶解在硫酸中，形成不溶性的硫酸鈣，其可以容易地從游離 二酸分離。硫酸鈣是一種具有很少商業應用的產品，并且因此典型地作為固體廢物被丟棄 在垃圾填埋場或者其他固體廢物處置場所。所有這些單獨的操作單元對該方法的總成本有 影響。
[0011] 其結果是生物基羧酸的生產成本對于生物基生產已經太高以至于對于石化生 產制度不具有成本競爭力。（參見例如，JamesMcKinlay等人，"生物基琥珀酸鹽工業前 景，"應用微生物生物技術，（2007) 76:727-740 ("ProspectsforaBio-basedSuccinate Industry, "Appl.Microbiol.Biotechnol.，（2007)76:727 - 740);通過引用結合在此。）例 如，使用在文獻中描述的產生微生物的大多數商業上可行的琥珀酸鹽，人們需要中和發酵 培養基以維持對于最大生長、轉化率和生產率的適當的pH。典型地，通過將氫氧化銨或其他 堿引入培養基中使發酵培養基的pH維持在7或接近7的pH，從而將二酸轉化成相應的二酸 鹽。通過下游處理，例如，發酵培養基中的產物的分離和純化產生了約60%的總生產成本。
[0012] 近幾年，已經提出各種其他方法來分離二酸。這些技術已經涉及使用超過濾、用氫 氧化鈣或氨沉淀、電滲析、液-液萃取、吸附以及離子交換層析法。（參見，TanjaKurzrock 等人，"從發酵培養基回收琥珀酸，"生物技術通訊評論，（2010)32 :331-339("Recovery ofSuccinicAcidfromFermentationBroth,Review,Biotechnology Letter, (2010)32:331-339);通過引用結合在此。）一些已經提出的替代方法包括在 低pH下操作發酵反應器，這在功能上將類似于以最低水平的鹽操作發酵。（參見，例如，CarolA.RoaEngel等人，"通過米根霉用于富馬酸生產的低pH發酵策略的發展，"酶和微 生物技術，第 48 卷，第 1期，第 39-47 頁，2011年 1月 5 日（"DevelopmentofaLow-pH FermentationStrategyforFumaricAcidProductionbyRhizopusoryzae,''Enzyme andMicrobialTechnology，Vol. 48,Issuel，pp. 39-47, 5January2011)，通過引用結合 在此。）
[0013] 例如，圖1示