专利名称：回收有机酸的方法
背景技术：
有机酸能通过化学合成或微生物发酵生产。在历史上，有机酸是用动物脂肪或植物油来源生产，或在基本上非水的系统中用石油来源生产。然而，由于周知大量微生物可产生有价值的有机酸，因此发展了用于回收微生物发酵产生的有机酸的方法。参见，例如，美国专利号5,681,728；5,034,105；5,002,881；和4,882,277。
在生产有机酸的方法中，发酵步骤相对简单。但是，产物(即有机酸)的回收和纯化步骤通常较复杂且效率较低。例如，代表性有机酸2-酮-L-古洛糖酸的回收如下进行。
2-酮-L-古洛糖酸是生产L-抗坏血酸(维生素C)(一种必需的养分)的一种重要中间物。过去，2-酮-L-古洛糖酸曾利用Reichstein法(Helvetica Chimica Acta 17311(1934))以工业规模合成。然而，该方法在商业应用中有许多缺点，包括使用大量溶剂，和涉及大量复杂反应步骤。
因此，作为Reichstein法的备选方法，发展了多种使用一种或多种微生物的方法，用于通过发酵商业生产2-酮-L-古洛糖酸。例如，美国专利号2,421,611公开了一种方法，包括D-葡萄糖微生物氧化为5-酮-D-葡糖酸，随后化学或微生物还原为L-艾杜糖酸，再后微生物氧化为2-酮-L-古洛糖酸。例如，也已经利用氧化葡糖杆菌(Gluconobacteroxydans)(美国专利号4,935,359；4,960,695和5,312,741)、Pseudogluconobacter saccharoketogenes(美国专利号4,877,735)、Pseudomonas sorbosoxidans(美国专利号4,892,823和4,933,289)和微生物混合物(美国专利号3,234,105；3,907,639和3,912,592)发展了包括L-山梨糖经山梨糖酮中间物氧化为2-酮-L-古洛糖酸的发酵途径。
与用于生产其它有机酸的发酵法类似，作为代谢产物产生的2-酮-L-古洛糖酸通常通过加入一种碱(例如氢氧化钠或氢氧化钙)来中和，以控制pH值并保持有利的发酵条件。发酵产物是一种水性的、含生物量的发酵溶液，其中2-酮-L-古洛糖酸盐，例如钠、钾、铵或钙盐以溶解形式存在。然而，游离有机酸及其衍生物是有商业价值的物质。
例如，在L-抗坏血酸的工业生产中，发酵产生的2-酮-L-古洛糖酸必须转移到有机溶剂(如低级醇)中。但是，2-酮-L-古洛糖酸的盐形式实际上在有机溶剂中不可溶。因此，为了生产具有工业优点的L-抗坏血酸，最优选的是使用合成的中间物2-酮-L-古洛糖酸作为游离酸。
然而，在转化为抗坏血酸之前，2-酮-L-古洛糖酸必须首先从发酵液中分离。例如，如美国专利号4,990,441所述，能通过一种方法从发酵液中回收2-酮-L-古洛糖酸，该方法包括下列步骤(a)在絮凝剂存在下通过离心从发酵液中除去不溶性物质，在絮凝剂和过滤添加剂存在下过滤，或超滤；(b)通过酸化除去无机阳离子；和(c)通过结晶和干燥分离2-酮-L-古洛糖酸。然而，由于需要的步骤数和2-酮-L-古洛糖酸在结晶母液中的高溶解度，通过该方法难以获得高产率的2-酮-L-古洛糖酸。
美国专利号5,852,211描述了一种将发酵水溶液中存在的2-酮-L-古洛糖酸钠盐转化为游离酸的醇溶液的方法。这一公开的方法包括下列步骤(a)从水性发酵溶液中结晶一水合2-酮-L-古洛糖酸钠；(b)从水性发酵溶液中分离一水合2-酮-L-古洛糖酸钠结晶；(c)在含有pH约1.5-3.5的酸的低级醇中悬浮一水合2-酮-L-古洛糖酸钠，从而使该酸转化为该酸的不溶性钠盐，一水合2-酮-L-古洛糖酸钠转化为游离的2-酮-L-古洛糖酸；和(d)除去该酸的钠盐，获得2-酮-L-古洛糖酸的醇溶液。然而，由于步骤数和结晶母液中保留的2-酮-L-古洛糖酸钠的高溶解度，同样难以获得高产率的2-酮-L-古洛糖酸。
回收和纯化发酵产生的其它有机酸(如乳酸或琥珀酸)的已知方法也包括许多步骤和/或具有低于最佳的产率。参见，例如，美国专利号5,681,728；5,522,995；5,503,750和5,034,105。因此，仍然需要一种从水性溶液(如发酵液)中高产率地浓缩、回收和纯化有机酸的简化方法。
这些和其它目的可通过本发明的方法实现，在第一个实施方案中，广泛涉及从发酵液中回收有机酸的方法，包括干燥发酵液，获得干燥的产物，在一种酸存在下将干燥的发酵产物加到低级醇中，然后除去不溶性物质，获得有机酸。本发明的其它优选实施方案将在下面更详细地描述。
应当理解，以上的概述和下面的详述只是代表性的和说明性的，旨在进一步说明要求保护的本发明。
在此使用时，术语“有机酸”或语法相当的词语是指含有一个或多个羧基-COOH的取代或非取代的烷基，即羧酸。有机酸可通过糖类(如淀粉、蔗糖或葡萄糖)的发酵转化或由正石蜡获得。
能用本发明的方法回收的有机酸的非排除性例子包括乳酸、2-酮-L-古洛糖酸、酒石酸、柠檬酸、乙酸、马来酸、苹果酸、丙二酸、琥珀酸、水杨酸、乙醇酸、戊二酸、葡糖酸、苯甲酸、蚁酸、丙酸、新戊酸、草酸、甲苯甲酸、硬脂酸、抗坏血酸、pamoic acid、谷氨酸、富马酸或其混合物。在一个优选实施方案中，回收的有机酸是乳酸、2-酮-L-古洛糖酸、柠檬酸或葡糖酸。
令人吃惊但可喜地发现，用完全干燥的发酵液作为原材料能高产率地回收高纯度的有机酸。利用根据本发明的方法，有机酸(如乳酸和2-酮-L-古洛糖酸，通常作为溶解于水性发酵溶液中的盐存在)能用相对简单且经济的方法回收到游离酸的醇溶液中。
按照本发明回收有机酸后，如必要，可进一步处理该有机酸，以使其适于预期的用途。例如，随后能用任何已知的方法将这样获得的2-酮-L-古洛糖酸溶液转化为抗坏血酸。参见，例如，美国专利号5,391,770。
含有希望的有机酸、其前体或其水溶性盐的任何发酵液都能在本发明中使用。这种发酵液(其在根据本发明实际处理之前产生)能通过任何常规方法(如微生物发酵)获得。参见，例如，美国专利号5,834,231和5,705,373。此外，该发酵方法中使用的微生物可以是原生生物(酵母或真菌)或细菌，发酵本身可以是需氧的或厌氧的。
本发明中使用的发酵液一般是(但不总是)培养可产生特定有机酸和/或其前体的一种或多种微生物产生的发酵液。产生希望的有机酸的任何微生物都能用来生产发酵液。能使用的产有机酸微生物包括，例如，属于乳酸杆菌属(Lactobacillus)、Pseudogluconobacter、假单胞菌属(Pseudomonas)、棒状杆菌属(Corynebacterium)、醋杆菌属(Acetobacter)、葡糖杆菌属(Gluconobacter)、曲霉属(Aspergillus)、短杆菌属(Brevibacterium)的细菌和属于欧文氏菌属(Erwinia)的细菌。参见，例如，Atkinson和Mavituna，Biological Engineering andBiotechnology Handbook 421(1983)。
用适于所使用的每一微生物种的温度作为发酵温度。通常为约25-60℃。另外，大多数产有机酸微生物具有酸敏感性，这需要培养基的pH约为3-9。
用上述微生物生产有机酸的发酵培养基的组成可以是适于所使用的产有机酸微生物的任何一种。除了水和不溶性生物量外，这些发酵液一般还含有用来生产有机酸的微生物所需的养分。这些养分包括但不限于氨基酸、无机和/或有机盐、碳水化合物、多种维生素和生长因子。
在本发明的一个优选实施方案中，在本发明的方法的干燥步骤之前，首先从发酵液中去除至少部分不溶物。这些不溶物，例如产生生物量和盐的微生物，优选地在发酵结束时去除，并且能通过任何已知的机械分离技术去除。这些技术包括但不限于过滤，例如超滤和微滤，和分离，例如离心和倾析，总的来说，通过这些方法只能去除未溶解的和/或相对高分子量的物质。在一个优选实施方案中，在干燥步骤之前通过过滤从发酵液中去除至少部分不溶物。最优选地，通过超滤去除至少部分不溶物。
在另一个优选实施方案中，在干燥步骤之前首先从发酵液中去除至少约99％的不溶物。然后可在干燥前浓缩已经去除了一些或全部不溶物的发酵液。在一个实施方案中，浓缩发酵液的方法是蒸发。
因此，在本发明的一个实施方案中，能用全部发酵液作为原材料回收有机酸。在另一个实施方案中，在本发明的方法的干燥步骤之前能从发酵液中除去一些或全部不溶性物质。应当理解，为了施行本发明的方法，在干燥之前完全或部分地去除不溶物不是必需的。
在本发明的方法中，干燥发酵液以获得干燥的产物。发酵液能通过任何已知的方法干燥，例如利用喷雾干燥器、旋转急骤干燥器或流化床干燥器。在一个优选实施方案中，发酵液利用喷雾干燥器干燥。在另一个优选实施方案中，干燥产物的湿度约为0.1％-20％，更优选地约为0.1％-10％。获得的干燥产物尤其含有希望的有机酸和全部或部分生物量或不含生物量。令人吃惊的和特别有利的是，发酵液能够干燥(例如喷雾干燥)，以获得易于处理的自由流动粉末。
根据本发明的方法，在一种酸的存在下将尤其是含有希望的有机酸、其前体或其盐的干燥发酵液加入到低级醇中。在一个优选实施方案中，加至低级醇中的有机酸的浓度约为50-100g/L。在本发明的方法中使用的低级醇可以是允许选择性回收希望的有机酸的任何低级醇。合适的低级醇可以由本领域技术人员根据经验确定，包括如甲醇、乙醇、丙醇、丁醇和二元醇(glycol)。在一个优选实施方案中，低级醇是甲醇或乙醇，更优选地是无水甲醇或乙醇。
通常，在本发明的方法中使用的低级醇和酸的量可以是允许选择性回收希望的有机酸的任何量。另外，添加的酸的量与干燥产物的量成正比。在一个优选实施方案中，按化学计算的比例或过量地加入酸，优选地加入约1.2当量的酸。
该酸可以是允许选择性回收希望的有机酸的任何酸。例如，在本发明的方法中能使用低含水量的强酸。对于该方法，酸的含水量并非关键。但是，产生的有机酸/醇溶液中的水浓度决定了随后酯化作用的平衡转化。因此，从工业经济的观点来看，优选使用低含水量的酸，即更恰当地应称作“浓缩”的酸。在一个优选实施方案中，酸的含水量约为15％或更低。这些酸的例子包括硫酸、硝酸、盐酸、氢溴酸和磷酸，甚至是气态氯化氢。在一个优选实施方案中使用浓硫酸或盐酸。更优选地使用浓硫酸。
在本发明的一个实施方案中，在加入酸之前首先可将干燥的发酵产物在低级醇中悬浮。在本发明的另一个实施方案中也能获得希望的有机酸，从而将干燥产物与酸一起加入低级醇中。因此应当理解，在本发明方法的范围中包括同时及随后加入酸，尽管随后加入酸是优选的。
优选地，进行脱水和酸反应的温度约为25-60℃。另外，产生的有机酸在反应混合液中应当是可溶的。
在本发明的另一个实施方案中，提供了一种从发酵液中回收有机酸酯的方法。羧酸在强酸的存在下与醇反应，产生酯。在特定条件下，获得的本发明的游离有机酸与低级醇在酸(如硫酸)的存在下能转化为相应的有机酸低烷酯。因此，应当理解，在本发明方法的范围中包括回收的游离有机酸以及相应的有机酸酯。
根据本发明的方法，随后从溶液中除去不溶物，获得希望的有机酸。在一种酸的存在下向低级醇中加入干燥产物后，能从反应混合液中容易地除去不溶性盐，例如Na2SO4、CaSO4、K2SO4、(NH4)2SO4。不溶性盐以及其它不溶性物质(例如生物量或蛋白质的残余物)的去除能通过任何已知方法进行，如过滤和/或离心。在一个优选实施方案中，通过过滤除去不溶物。得到的含有希望的有机酸的醇滤液具有极高的纯度。
因此，按照本发明的回收方法，能用比常规方法更少的步骤，从含有多种杂质的全部发酵液中高产率(即，大于约90％，优选地95％-99％)地回收高纯度(即大于约80％)的有机酸。从而避免了现有技术的缺点，如生物量和蛋白质的完全去除，使用阳离子交换剂从发酵水溶液中去除金属离子，以及有机酸的结晶。
在本公开内容中引用的所有专利和公开文本代表了与本发明相关的本领域技术人员的技术水平，全部在此完整引用作为参考。
已经概述了本发明，参照下列实施例将更便于理解本发明，这些实施例只是为了说明，除非指明，并非意在限制本发明。
实施例1如美国专利号5,834,231所述制备一种发酵液，其含有84g/L 2-酮-L-古洛糖酸、4g/L山梨糖和136g/L总干燥固体，并用高压喷嘴喷雾器(APV Americas；Tonawanda，纽约)喷雾干燥。将进料预热至170°F，并以495°F的入口温度和198°F的出口温度干燥。干燥总共8加仑的进料，得到10.2磅湿度为8％的干燥产物。
将25g喷雾干燥的产物悬浆到250ml无水甲醇中。向该溶液中加入3.2ml硫酸，搅拌20分钟。再搅拌该浆液60分钟，过滤，固体用另外150ml甲醇洗涤。320ml产物滤液含有35g/L 2-酮-L-古洛糖酸和1.7g/L 2-酮-L-古洛糖酸甲酯。12克滤饼含有3.8％2-酮-L-古洛糖酸和0.4％2-酮-L-古洛糖酸甲酯，产率为96％。
实施例2类似于实施例1制备的发酵液首先用100000分子量截止值的膜超滤，以除去细胞固体，然后在喷雾干燥之前蒸发为1.2g/ml的密度。将进料预热至165°F，并以495°F的入口温度和200°F的出口温度干燥。进料干固体为39.2wt％。干燥总共10加仑的进料，得到42磅湿度为15％的干燥产物。
将36g喷雾干燥的产物悬浆到250ml无水甲醇中。加入4.2ml浓硫酸，保持20分钟。再搅拌该浆液60分钟，过滤，用150ml甲醇洗涤。335ml产物滤液含有67g/L 2-酮-L-古洛糖酸和1g/L 2-酮-L-古洛糖酸甲酯。31克滤饼含有3.0％2-酮-L-古洛糖酸而不含甲酯，产率为96％。
实施例3将通过实施例2的方法获得的、但是含有71.9g/L 2-酮-L-古洛糖酸的10ml产物滤液置于试管中。向该溶液中加入0.14ml浓硫酸。将试管置于60℃的烤箱中1小时，得到1.5g/L 2-酮-L-古洛糖酸和77.1g/L甲酯。
实施例4用实施例1和2的方法超滤并喷雾干燥干酪乳酸杆菌(Lactobacilluscasei)在葡萄糖中发酵产生的乳酸钙发酵液，获得含有70.3wt％乳酸的干燥产物。将25g喷雾干燥的乳酸钙悬浆到500ml无水乙醇中。加入6.4ml浓硫酸，保持30分钟。再搅拌该浆液60分钟，过滤，用100ml乙醇洗涤两次。490ml滤液含有59.1g/L乳酸，195ml洗液含有20.1g/L乳酸。25g滤饼中含有1.8g/kg乳酸，产率为99％。
实施例5将17.5g喷雾干燥的乳酸钙悬浆到125ml无水乙醇中。加入4.9ml浓硫酸，保持30分钟。在搅拌下使该浆液加热到75℃1小时。过滤该浆液并用100ml乙醇洗涤两次。200ml滤液含有67.9g/L乳酸乙酯和1.6g/L乳酸，总产率为86.6％。
根据以上描述以及实施例，本领域技术人员能以多种可能性和实施方案实施本发明，而不背离如附加权利要求书限定的本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种从发酵液中回收有机酸的方法，包括(a)干燥该发酵液，获得干燥的产物；(b)在一种酸的存在下将干燥产物(a)加到低级醇中；和(c)除去不溶物，获得有机酸。
2.权利要求1的方法，还包括在步骤(a)的干燥之前除去发酵液中的不溶物。
3.权利要求2的方法，其中所述不溶物通过过滤去除。
4.权利要求3的方法，其中所述不溶物通过超滤去除。
5.权利要求1的方法，其中在步骤(b)中，添加到低级醇中的有机酸的浓度约为50g/L至约100g/L。
6.权利要求1的方法，其中在步骤(a)中，干燥方法包括喷雾干燥所述发酵液。
7.权利要求1的方法，其中步骤(b)的反应温度约为25℃至约60℃。
8.权利要求1的方法，其中在步骤(b)中，在加入该酸之前向低级醇中添加所述干燥产物。
9.权利要求1的方法，其中在步骤(b)中加入约1.2当量的酸。
10.权利要求1的方法，其中在步骤(b)中，所述低级醇选自甲醇、乙醇、丙醇、丁醇和二元醇。
11.权利要求1的方法，其中在步骤(b)中，所述酸选自硫酸、硝酸、氢溴酸、盐酸和磷酸。
12.权利要求11的方法，其中在步骤(b)中所述酸是硫酸。
13.权利要求1的方法，其中在步骤(c)中去除不溶物的方法包括过滤。
14.权利要求1的方法，其中所述有机酸包括乳酸、2-酮-L-古洛糖酸、柠檬酸或葡糖酸。
15.权利要求14的方法，其中所述有机酸是2-酮-L-古洛糖酸。
16.权利要求1的方法，还包括将有机酸(c)酯化为相应的酯。
17.一种从发酵液中回收有机酸的方法，包括(a)干燥该发酵液，获得干燥的产物；(b)将干燥产物(a)加至低级醇中，获得一种醇悬液；(c)向醇悬液(b)中加入一种酸；和(d)除去不溶性物质，获得有机酸。
18.权利要求17的方法，其还包括在步骤(a)的干燥之前除去发酵液中的不溶物。
19.权利要求18的方法，其中所述不溶物通过过滤去除。
20.权利要求19的方法，其中所述不溶物通过超滤去除。
21.权利要求17的方法，其中在步骤(b)中，添加到低级醇中的有机酸的浓度约为50g/L至约100g/L。
22.权利要求17的方法，其中在步骤(a)中，干燥方法包括喷雾干燥所述发酵液。
23.权利要求17的方法，其中步骤(b)和(c)的反应温度约为25℃至约60℃。
24.权利要求17的方法，其中在步骤(b)中，所述低级醇选自甲醇、乙醇、丙醇、丁醇和二元醇。
25.权利要求17的方法，其中在步骤(c)中加入约1.2当量的酸。
26.权利要求17的方法，其中在步骤(c)中，所述酸选自硫酸、硝酸、氢溴酸、盐酸和磷酸。
27.权利要求26的方法，其中在步骤(c)中所述酸是硫酸。
28.权利要求17的方法，其中在步骤(d)中去除不溶物的方法包括过滤。
29.权利要求17的方法，其中所述有机酸包括乳酸、2-酮-L-古洛糖酸、柠檬酸或葡糖酸。
30.权利要求29的方法，其中所述有机酸是2-酮-L-古洛糖酸。
31.权利要求17的方法，其还包括将有机酸(d)酯化为相应的酯。
32.一种从发酵液中回收有机酸酯的方法，包括(a)干燥该发酵液，获得干燥的产物；(b)在一种酸的存在下将干燥产物(a)加至低级醇中；(c)将游离有机酸酯化为相应的酯；和(d)除去不溶物，获得有机酸酯。
33.权利要求32的方法，其还包括在步骤(a)的干燥之前除去发酵液中的不溶物。
34.权利要求33的方法，其中所述不溶物通过过滤去除。
35.权利要求34的方法，其中所述不溶物通过超滤去除。
36.权利要求32的方法，其中在步骤(b)中，添加到低级醇中的有机酸的浓度约为50g/L至约100g/L。
37.权利要求32的方法，其中在步骤(a)中，干燥方法包括喷雾干燥所述发酵液。
38.权利要求32的方法，其中步骤(b)和(c)的反应温度为约25℃至约60℃。
39.权利要求32的方法，其中在步骤(b)中，所述低级醇选自甲醇、乙醇、丙醇、丁醇和二元醇。
40.权利要求32的方法，其中在步骤(b)中加入约1.2当量的酸。
41.权利要求32的方法，其中在步骤(b)中，所述酸选自硫酸、硝酸、氢溴酸、盐酸和磷酸。
42.权利要求41的方法，其中在步骤(b)中所述酸是硫酸。
43.权利要求32的方法，其中在步骤(d)中去除不溶物的方法包括过滤。
44.权利要求32的方法，其中所述有机酸包括乳酸、2-酮-L-古洛糖酸、柠檬酸或葡糖酸。
45.权利要求44的方法，其中所述有机酸是2-酮-L-古洛糖酸。
全文摘要
本发明涉及一种从发酵液中回收有机酸的方法,包括干燥发酵液,获得干燥的产物,在一种酸存在下将干燥产物加到低级醇中,然后除去不溶性物质,获得有机酸。按照本发明的回收方法,能用比常规方法更少的步骤,从含有多种杂质的全部发酵液中高产率地回收高纯度的有机酸。
文档编号C07C51/42GK1372537SQ00811128
公开日2002年10月2日 申请日期2000年8月2日 优先权日1999年8月3日
发明者K·M·穆尔, A·J·桑伯恩 申请人:阿彻-丹尼尔斯-米德兰公司