专利名称：：使用弱碱性或强碱性阴离子交换树脂吸附剂从发酵液中的葡萄糖酸中分离柠檬酸的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种方法，用于从含有选自由葡萄糖酸和乌头酸或网络或凝胶类型的、水不溶性的、带有叔铵官能团的阴离子交换树脂上或带有弱碱性的、大网络或凝胶类型的、水不溶性的、带有^L铵官能团或吡啶官能团的阴离子交换树脂基质上。树脂基质是丙烯酸类或苯乙烯类、用二乙烯基苯交联。通过在解吸条件下用水或稀的无机酸、特别是硫酸解吸剂解吸回收柠檬酸。在本发明中可以使用的无机酸的浓度为大约0,01N到大约1.0N，优选为0.1到0.2N。这些树脂导致与早前>^开的中性树脂相比改进的分离。它们在增加针对原料中杂质的钝化的稳定性而吸附分离柠檬酸中是出色的。本发明的一个方面在于从盐和糖类中完全分离柠檬酸仅通过调整和保持原料溶液的pH值低于柠檬酸的第一电离常数(pKa,)(3.13)获得的。但是，在0.5到2.5范围内的pH值是优选的且更优选为1.5到2.2。令人惊奇的是葡萄糖酸和乌头酸分离极好，因为葡萄糖酸和乌头酸的电离常数如此接近柠檬酸的。0007本发明还涉及一种用于从包含含有葡萄糖酸或乌头酸或二者的发酵液的原料混合物中分离柠檬酸的方法，所述方法使用了水不溶性的、6大网络或凝胶状的具有季铵官能团的强碱性阴离子交换树脂，或带有叔胺或吡咬官能团的弱碱性阴离子交换树脂，所述阴离子交换树脂具有交联的丙烯酸类或苯乙烯类树脂基质，其包括以下步骤(a)保持在单一的方向上流动穿过所述吸附剂塔的净流体，该塔包括至少三个具有在其中发生分开的操作功能的区域且通过所述连接的塔的末端区域相互串联连接以提供所述区域的连续连接；(b)在所述塔中保持吸附区域，所述区域由位于所述区域上游边缘处的原料输入物流和所述区域下游边缘处的提余物输出物流之间的吸附剂限定；(c)保持在上游紧邻所述吸附区域的纯化区域，所述区域下游边缘处的原料输入物流之间的吸附剂限定；(d)保持在上游紧邻所述纯化区域的解吸区域，所述解吸区域通过位于所述区域上游边缘处的解吸剂输入物流和所述区域下游边缘处的所述提取物输出物流之间的吸附剂限定；(e)在吸附条件下使所述原料混合物进入所述吸附区域以便通过在述吸附区域中取出包含有机酸例如葡萄糖酸、乌头酸或它们的混合物以及发酵液的其他不吸附组分的提余物输出物流；(f)在解吸条件下j吏解吸剂材物流；(h)j吏至少一部分所述提取物输出物流i^提取物分离设备并且在其中在分离条件下分离至少一部分所述解吸剂材料；以及(i)在相对于所述吸附区域中流体流动的下游方向上定期使原料输入物流、提余物输出物流、解吸剂输入物流以及提取物输出物流前进穿过所述吸附剂塔以实现区域切换穿过所述吸附剂和制备提取物输出物流和提余物输出物流。图1为不同柠檬酸物种浓度相对柠檬酸离解的pH值的曲线图，其显示出通过改变柠檬酸、柠檬酸根和氢离子的浓度的柠檬酸离解的平衡点的移动。吸附剂的"选择性孔体积，，限定为从原料混合物中选择性吸附提取物组分的吸附剂的体积。吸附剂的"非选择性空间体积"是的吸附剂不选择性保留来自原料混合物的提取物组分的体积。这种体积包括包含非吸附性位点的吸附剂的空洞以及吸附剂颗粒之间的填隙空位空间。选择性孔体积和非选择性空间体积通常以体积量表示并且对于给定量的吸附剂在确定需要传递到操作区域中用于发生有效操作的流体合适的流速中是很重要的。当吸附剂"ii^，，用于本发明方法的一个实施方案的操作区域(在下文中进行限定和描述)时，它的非选择性空间体积以及它的选择性孑L体积将流体载入那个区域中。非选择性空间体积用于确定在逆流方向上传递到相同区域中到吸附剂上置换存在于非选择性空间体积中的流体的流体的量。如择性空间体积速率更小，液体通过吸附剂净夹带到该区域中。由于这种净夹带是存在于吸附剂的非选择性空间体积中的流体，在大多数的实例中它包括更不选择性保留的原料组分。在某些实例中吸附剂的选择性孔体积可以从包围在吸附剂周围的流体中吸附一部分提余物材料，因为在某些实例中提取物材料和提余物材料之间对于选择性孔体积中的吸附位点存在竟争。如果相对于提取物材料来说大量的提余物材料包围在吸附剂周围，提余物材料可以具有足以被吸附剂吸附的竟争性。在本发明中预期的原材料是由糖蜜通过微生物黑曲霉的浸渍培养发酵获得的包含柠檬酸和葡萄糖《酵产物将具有通过以下示例的组分:以及可能的乌头酸的发酵产物。发柠檬酸葡萄糖酸盐糖类(蔗糖)其它(蛋白质和U酸)或者柠檬酸葡萄糖酸乌头酸盐糖类(蔗糖)其它(蛋白质和M酸)10质量％7质量％6000ppm1质量％2质量％20质量％1质量％低于分析仪器的检测极限6000ppm1质去％2质量％该盐是K，Na，Ca，Mg和Fe。糖类是包括葡萄糖、木糖、甘露糖的糖，DP2和DP3以及高至12或更多的未确认的糖的低聚糖。物料的组成可以按照以上有所变化并且仍然用于本发明中。但是，果汁例如柑桔类水果果汁是不可接受的或者不是预期的，因为包含于其中的其它材料将同时吸附而不是单独吸附柠檬酸。Johnson,J.Sci.FoodAgric.，Vol33(3)pp287-93。此外，查看本发明的含叔胺和吡啶官能团的弱碱性离子交换树脂，来自氮原子的孤对电子可以，例如，与叔胺或R1P-N:H+-CA-1R1R1(4)P-N:H+-S04=H""-CA-1R1(5)以及与含吡啶官能团的树脂P-orIS(6)h+SO/1=H+~CA(7)其中P-树脂部分R-低级烷基Cl-3CA-柠檬酸根离子，直接或通过硫酸根离子与柠檬酸形成氢键，D其中C和D是以体积百分数表示的原料中的两种组分且下标A和U分别表示吸附和未吸附状态。当传递到吸附床的原料在与吸附剂床接触后没有改变组成时定为平衡条件。换句话说，在未吸附的和吸附相之间没有发生材料的净传递。其中两种组分的选择性接近1.0时，吸附剂对于一种组分的吸附相对于另一种来说没有优选性；它们相互之间都以大约相同的程度吸附(或不吸附)。随着p变得低于或高于i.o，相对于另一种组分，吸附剂对于一种组分具有优选的吸附性。当比较吸附剂对于组分C相对于组分D的选择性时，p大于i.o表明在吸附剂中对组分c的优选吸附。p小于i.o14表明对组分D优选吸附而留下富含组分C的未吸附的相和富含组分D的吸附的相。理想的解吸剂材料应当具有对于所有提取物组分等于大约1或略小于1的选择性以至于所有的提取物组分可以作为使用合理的流动速率的解吸剂材料进行解吸的一类并且提取物組分可以在后续的吸附步骤中置换解吸剂材料。当吸附剂吸附剂对提取物组分的选择性相对于提余物组分来说大于l时，从提余物组分中分离提取物组分在理论上是可能的，优选这种选择性接近2。类似相对挥发度，选择性越高，越容易进行分离。较高的选择性允许使用较少量的吸附剂。第三个重要的特征是原料混合物材料的提取物组分的交换速率，或者换句话说，是提取物组分的相对解吸速率。这一特征直接涉及不可用于过程中从吸附剂中回收提取物组分的解吸剂材料的量；较快的交换速率减少了需要除去提取物组分的解吸剂材料的量并且因此允许过程的操作成本的降低。交换的速率越高，在过程中越少的解吸剂材料需要泵送穿过过程并从提取物流中分离以用于再利用。这些可获得的不同类型的聚合物吸附剂在物理性质上略有不同，例如孔体积百分数、骨架密度和标称粒度，以及可能在表面积、平均孔直径和偶极矩方面更是如此。优选的吸附剂将具有每克10-2000平方米的表面积，且优选为100-1000mVg。以上列出的材料的具体性质可以在7>司文献和技术手册中找到，例如以下表l中的那些。还可以获得其他种类的那些。表l<table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage19</column></row><table>[0032RohmandHaasCompany的文献中建议的Amberlite聚合物吸附剂的应用包括浆料研磨漂白流出物的脱色，染料废物的脱色以及从废物流出物中除去杀虫剂。当然在文献中没有暗示我们的令人惊奇的关于Amberlite聚合物吸附剂在从黑曲霉发酵液中分离柠檬酸的有效性的发现。但是逆流移动床或模拟移动床逆流流动体系具有比固定吸附剂床体系高很多的分离效率且因此是优选的。在移动床或模拟移动床方法中，吸附和解吸操作连续进行，这允许提取物和提余物物流的连续制备和原料和解吸物流的连续使用。本发明方法的一个优选的实施方案使用了现有技术中称为模拟移动床逆流流动体系的设备。US2，985，589中描述了操作原则和这种流动体系的顺序，这里通过引用将其并入本文。在这种体系中，多重液体进出点的渐进运动通过吸附剂容器模拟了包含在容器中的吸附剂的向上运动。进出管线仅有四个在任何时间都是活动的；原料输入物流、解吸入口物流，提余物出口物流和提取物入口物流进出管线。与这种固体吸附剂的模拟向上运动相一致的是占据吸附剂填充床空间体积的液体的运动。因此保持逆流接触、液体向下流过吸附剂容器可以通过泵来提供。随着活动液体进出点运动通过循环，即从容器的顶部到底部，容器循环泵运动通过不同的需要不同流通速率的区域。可以提供程序流动控制器以控制这些流动速率。相对于区域1中流体流动在上游紧邻是纯化区域，区域2。纯化区域限定为提取物出口物流和原料进口物流之间的吸附剂。在区域2中发生的基^^作是进行的通过吸附剂切换进入这一区域带入区域2中的任何体积中或吸附在吸附剂颗粒表面上的任何吸附的提余物材料的解吸。纯化通过在区域2的上游边缘将一部分离开区域3的提取物流材料送入区域2实现，提取物出口物流，以实现提余物材料的置换。材料在区域2中的流动在从提取物流到原料进口物流的下游方向上。在一些情况中可以使用任选的緩冲区域，区域4。这一区域限定为提余物出口物流和解吸剂入口物流之间的吸附剂，如果使用，其相对于到区域3的流体流动在上游紧邻。区域4用于保存用于解吸步骤中的解吸剂的量，因为一部分从区域l中除去的提余物物流可以传递到区域4中以置换存在于该区域的解吸剂材料到该区域外至解吸区域中。区域4将包含足够的吸附剂以至于可以阻止排出区域1并且进入区域4的提余物物流中存在的提余物材料传递进入区域3，由此污染从区域3中除去的提取物流。在其中并不使用第四个任选的区域的情况中，从区域1传递到区域4的提余物物流必须小心监测以便当合适量的提余物材料存在于从区域1到区域3的提余物物流中时，从区域1到区域3的直接流动可以停止，以至于不污染提取物出口物流。输入和输出物流通过吸附剂的固定床的循环前进可以通过使用歧管体系实现，其中在歧管中的阀门以顺序的方式操作以实现输入和输出物流的切换，由此允许关于固体吸附剂的流体的以逆流的方式的流动。另一种操作模式为其可以实现关于流体的固体吸附剂的逆流流动，其包括使用旋转片状阀门，其中输入和输出物流与阀门和管线接触，通过该阀门和管线原料输入、提取物输出、解吸剂输入和提余物输出物流在相同的方向上前进穿过吸附剂床。歧管排列和片状阀门都是现有技术中已知的，特别是可以用于这种操作中的旋转片状阀门可以在US3，040，777和US3，422，848中找到。前述专利均公开了旋转型连接阀门，其中来自固定来源的不同输入和输出物流的前进可以毫不费力的实现。同时使用所有的输入或输出物流不是必须的，且事实上，在许多种情况中，物流中的一个可以切断，而其他的实现材料的输入或输出。可以用于实现本发明方法的设备还可以包括一系列的通过管道相连的单独的床，其上放置有输入或输出接头，可以向其附加不同的输入或输出物流并且交替和定期地切换到有效连续的^Mt。在一些情况中，连接的管道可以与在通常的操作期间并不用作材料通过其进入或排出的管道的传递接头连接。参考文献可以是US2，985，589，这里通过引用并入本发明，用于进一步解释模拟运动床逆流方法的流程方案。使用脉冲测试设备和先前描述的过程获得了保留体积和分离因子。特别地，在70cc的直形柱中使用以下顺序的用于脉冲测试的操作测试吸附剂。解吸剂材料以大约l.O的标称液时空速(LHSV)连续向上运动通过包含吸附剂的柱。通过观察充满填充的干燥的柱需要的解吸剂的体积确定空间体积。在方l更的时间停止解吸剂材料的流动，且将5ec的原料混合物的样品通过进样环路注入到柱中且恢复解吸剂材料的流动。流出物的样品自动收集在自动样品收集器中并且以后通过色谱分析用于盐和柠檬酸的分析。提取物和提佘物组分并不分开用于其他原料组分的分析，例如包含在其中的糖类，蛋白质等。从这些样品的分析中研究原料混合物组分的峰浓度。柠檬酸的保留体积通过测量从作为参考点的盐的峰的净保留体积的中间点到杆檬酸的峰的中间点的距离计算。分离因子P由两种化合物的保留体积的比计算。脉沖测试的结果如下所示<table>tableseeoriginaldocumentpage25</column></row><table>原料的分析并没有导致乌头酸的量的定量，这是因为该量低于分析仪器的检测极限。使用先前描迷的脉冲测试设备和流程获得保留体积和分离因子。特别地，在70cc的直形柱中j吏用以下用于脉冲测试的顺序操作测试吸附剂。解吸剂材料以大约1.0的标称液时空速(LHSV)连续向上运动通过包含吸附剂的柱。通过观察充满填充的干燥的柱需要的解吸剂的体积确定空间体积。在方便的时间停止解吸剂材料的流动，且将10cc的原料混合物的样品通过进样环路注入到柱中且恢复解吸剂材料的流动。流出物的样品自动收集在自动样品收集器中并且以后通过色语分析用于盐和柠檬酸的分析。提取物和提余物組分并不分开用于其他原料組分的分析，例如包含在其中的糖类，蛋白质等。从这些样品的分析中研究原料混合物组分的峰浓度。柠檬酸的保留体积通过测量从作为参考点的盐的峰的净保留体积的中间点到柠檬酸的峰的中间点的距离计算。分离因子p由两种化合物的保留体积的比计算。脉冲测试的结果如下所示。图号树脂原料组分NRVP盐00糖类4.98.873IRA-958柠檬酸33.81乌头酸20.41.70未知物11.51.00053该结果液显示在图3中，其中清楚的是，在该方法中，柠檬酸令人满意的从葡萄糖酸、乌头酸和其他发酵液组分中分离出来。2权利要求1.一种吸附分离的方法，其包括使至少包含柠檬酸和葡萄糖酸的发酵液与水不溶性碱性阴离子交换树脂接触，所述树脂选自由具有季铵官能团并且具有交联的共聚性苯乙烯或丙烯酸树脂基质的强碱性阴离子交换树脂和具有叔胺或吡啶官能团并且具有交联的丙烯酸或苯乙烯树脂基质的弱碱性阴离子交换树脂组成的组，其中在选择以选择性吸附所述柠檬酸的吸附条件下，水不容性碱性阴离子交换树脂的形式选自由硫酸盐形式和氨基形式组成的组，所述吸附条件包括低于柠檬酸的第一电离常数(pKa1)的pH值，并且在解吸条件下，用包含水或稀无机酸的解吸剂解吸柠檬酸。2.权利要求l的方法，其进一步包括回收柠檬酸。3.权利要求1的方法，其进一步的特征在于所述吸附和解吸条件包括在20到200。C范围内的温度和在大气压力与500psig(3450kPa表压)范围内的压力。4.权利要求1的方法，其进一步的特征在于所述解吸在液相中用稀石克酸实现。5.权利要求1的方法，其进一步的特征在于所述强碱性阴离子交换树脂具有季铵官能团且所述基质是交联的丙烯酸树脂。6.权利要求1的方法，其进一步的特征在于所述弱碱性阴离子交换树脂具有吡啶官能团并且所述基质是交联的聚苯乙烯树脂。7.权利要求1的方法，其进一步的特征在于所述弱碱性阴离子交换树脂具有叔胺官能团并且所U质是丙烯酸树脂。8.权利要求1的方法，其进一步的特征在于所述阴离子交换树脂具有至少10m2/g的表面积。9.权利要求1的方法，其中所述发酵液包含柠檬酸、葡萄糖酸、糖类和盐。10.权利要求1的方法，其中所述阴离子交换树脂是大网络状的。11.权利要求1的方法，其中所述阴离子交换树脂是皿状的。12.权利要求l的方法，其中接触和解吸进一步包括(a)保持在单一的方向上流动穿过所述吸树脂的塔的净流体，该塔包括至少三个具有在其中发生分开的操作功能的区域且通过所述连接的塔的末端区域相互串联连接以提供所述区域的连续连接；(b)在所述塔中保持吸附区域，所述区域由位于所述区域上游边缘处的原料输入物流和所述区域下游边缘处的提余物输出物流之间的树脂限定；(c)保持在上游紧邻所述吸附区域的纯化区域，所述纯化区域由位于所述纯化区域上游边缘处的提取物输出物流和所述纯化区域下游边缘处的原料输入物流之间的树脂限定；(d)保持在上游紧邻所述纯化区域的解吸区域，所述解吸区域通过位于所述区域上游边缘处的解吸剂输入物流和所述区域下游边缘处的所述提取物输出物流之间的树脂限定；域中的所述树脂实现对所述柠檬酸的选择性吸附并且从所述吸附区域中取出至少包含葡萄糖酸的提余物输出物流；域以便J所述解吸区域中实现所述柠檬酸从树脂:置换；"流；(h)使至少一部分所述提取物输出物流进入提取物分离设备并且在其中在分离条件下分离至少一部分所述解吸剂材料；以及(i)在相对于所述吸附区域中流体流动的下游方向上定期佳^^料输入物流、提余物输出物流、解吸剂输入物流以及提取物输出物流前进穿过所述树脂的塔以实现区域切换穿过所述树脂和制备提取物输出物流和提余物输出物流。13.权利要求12的方法，其进一步包括使至少一部分所述提余物输出物流进入提余物分离设备并且在分离条件下分离至少一部分所述解吸14.权利要求12的方法，其进一步包括使緩沖区域保持在上游紧邻所述解吸区域的步骤，所述緩冲区域限定为位于所述緩冲区域下游边缘处的解吸剂输入物流和位于所述緩沖区域上游边缘处的提余物输出物流之间的树脂。15.权利要求12的方法，其中所述解吸剂材料是在0.01N到1.0N浓度范围内的硫酸。全文摘要通过使用包含具有季铵或叔胺官能团的水不溶性的、大网络或凝胶状、强碱性或弱碱性阴离子交换树脂，所述阴离子交换树脂具有交联的丙烯酸或苯乙烯树脂基质，和包含水或稀硫酸的解吸剂，从含有葡萄糖酸的发酵液中分离柠檬酸。使原料的pH值保持低于柠檬酸的第一电离常数(pKa<sub>1</sub>)以便保持选择性。文档编号C07C59/265GK101679190SQ200780053275公开日2010年3月24日申请日期2007年6月8日优先权日2007年6月8日发明者S·库尔普拉蒂帕尼加申请人:环球油品公司