使用阴离子交换层析法提纯有机酸的制作方法

专利名称：使用阴离子交换层析法提纯有机酸的制作方法
背景技术：
工业发酵肉汤、水解产物和废弃液是羧酸包括有机酸如琥珀酸和氨基酸的大量来源。这些羧酸可用于许多重要的商业应用。
例如，琥珀酸是一种四碳二羧酸，很可能成为重要的化学日用品。琥珀酸在合成许多重要的中间体时可作为中间体，并可用作消费品工业的特殊化学品。作为日用化学品，琥珀酸可代替许多苯类日用品和石油化学中间制品，可导致大幅度减少生产和消耗250多种苯衍生化学品时造成的污染。琥珀酸可用作食品添加剂、植物生长刺激剂、作为药品生产的中间体、以及生产清漆、染料和香料的聚合物和树脂。
目前，石油化学中通过处理丁烷经马来酸酐制备琥珀酸。几乎美国消耗的所有琥珀酸都从海外进口。目前，世界琥珀酸市场为100百万磅／年。
湿磨法乙醇生产中，在玉米发酵期间联产少量的琥珀酸。也可以从各种农业和林业原材料如淀粉作物和纤维素糖制得。对提纯这一重要化合物的成本-效益方法的发展，仅对玉米而言可提供100百万蒲式耳以上增加了附加值的日用品销路。
有许多方法可用于从发酵肉汤获得高纯度羧酸。然而，这些方法涉及很多操作，加工成本高，妨碍了其商品化。
从其它化合物如糖中分离羧酸的一种方法是通过阴离子交换层析。未质子化时，羧基具有负电荷，从而使其离子与离子交换树脂上的正电荷部分结合，并用水洗涤树脂除去其它物质。通常，用碱溶液如氢氧化钠液洗涤柱，可从阴离子交换树脂上释放出需要的阴离子。然而，这种方法会使需要的分子以其盐的形式释放，而不是酸的形式释放。所以，如果要求酸形式的分子，所用方法必须包括酸化步骤和另外的提纯步骤，这些步骤会明显增加提纯酸的成本。使用工业发酵物、水解物和废弃液作为羧酸来源的商业生存力取决于从这些来源回收提纯的羧酸的成本-效益方法。
本领域需要提纯羧酸的有效的成本-效益的方法。
发明概述本发明是一种从含羧酸的溶液中提纯羧酸的方法，所述方法包括下列步骤(a)将此溶液加到阴离子交换树脂上；(b)在可除去中性分子、阳离子、大分子量化合物和细胞碎片的条件下洗涤树脂，使羧酸根阴离子保留在树脂上；(c)用一定量能有效置换几乎所有羧酸的更强的阴离子(溶液)洗涤，从树脂上置换出羧酸；和(d)收集洗脱液中的羧酸。在一个较好的实施方案中，本发明的方法包括在羧酸置换步骤之后，用强碱处理树脂来再生树脂的步骤，强碱用量应足以使结合在树脂上的无机阴离子与氢氧离子进行大量交换。
根据采用本发明方法回收的羧酸的特定性质，可以采用任何合适的方法，包括但不限于结晶或蒸发蒸馏，进一步提纯或浓缩这些化合物。
在另一个实施方案中，本发明的方法是用于从相应羧酸生产纯化酯的方法，系采用包含有合适强酸的醇从阴离子交换树脂上洗脱羧酸根阴离子来制得酯。
本发明的一个目的是提供从溶液中回收和提纯羧酸的具有成本-效益的方法。
本发明方法的一个优点是通用性，可用于诸多不同的羧酸，包括氨基酸。
由下面的说明书部分能更好地理解本发明的其它目的、特征和优点。
附图简述

图1是用阴离子交换层析提纯羧酸所涉及步骤的示意图。
本发明的详细描述本发明是一种从含羧酸的溶液中提纯羧酸的方法，所述方法包括下列步骤(a)将此溶液加到阴离子交换树脂上；(b)在可除去溶液中除羧酸根阴离子以外的其它物质的条件下洗涤树脂，(c)用一定量能有效置换羧酸的更强的阴离子(溶液)洗涤树脂，从树脂上置换出羧酸；和(d)收集洗脱液中的羧酸。
本发明的方法基于膨胀床离子交换技术，代表了对标准方法的改进，所述方法由于采用的主要单元操作较少，能在显著节约成本下，从发酵肉汤回收纯的琥珀酸结晶。
在一个较好的实施方案中，建议的操作法使阴离子交换树脂可以再循环使用。首先，通过在羧酸分子与树脂上的交换位点之间形成离子键，将羧酸根阴离子吸附到强阴离子交换树脂上。此阶段，大多数中性或阳离子物质、或大分子或细胞碎片通过树脂。随后，用液体如水洗涤树脂，除去被离子交换树脂捕获的未结合污染物。洗涤步骤后，以更强的无机离子交换吸附的羧酸离子，从树脂上置换下羧酸，从而释放羧酸。通过再生树脂的阴离子交换位点，准备好阴离子交换树脂，用于羧酸阴离子吸附的下一次(使用)。这可通过用强碱如氢氧化钠处理树脂来完成，使无机阴离子交换成氢氧离子。最终结果是酸化的、纯化羧酸产品。
阴离子交换树脂以盐或碱形式存在。为了从有机盐混合物中吸附有机阴离子，在用氢氧化钠再生时，该树脂必须由盐形式转换为碱形式。纯化过程的步骤如下1)树脂交换位点的再生
(RZ=树脂)2)羧酸根阴离子吸附至树脂
(RC=羧酸离子；X-=无机)3)置换和释放为羧酸的羧酸离子
(HRI=无机酸；HRC=羧酸)4)释放无机阴离子和再生树脂下面的实施例中，发现Rohm and Haas Amberlite IRA 900，400，458或440阴离子交换树脂或Dow Chemical阴离子交换树脂对采用本发明方法提纯羧酸有效。本领域技术人员将能理解，任何强碱性阴离子交换树脂都可用于本发明的方法。选择强碱性阴离子交换树脂是因为这种类型的树脂能优先吸附阴离子(如琥珀酸根或乙酸根)，同时使大部分糖通过。选择时考虑的树脂性能包括树脂对目标有机酸离子或氨基酸离子与其它杂质的相对亲和力，吸附羧酸离子的能力，置换时的释放能力。
下面的实施例中，在洗涤步骤中使用水从树脂上除去未结合的物质。然而证明适合于洗涤件的任何液体都可用于该洗涤步骤合适的洗涤条件为能除去中性或阳离子分子、大分子、细胞碎片和细胞，同时使大部分结合的羧酸根阴离子保留在树脂上。其它合适的洗涤液例子包括一些缓冲溶液和溶剂。用作本发明洗涤液的溶液应具备类似于水的特性，应能除去几乎所有不需要的物质，同时使大部分阴离子保持与树脂结合。
任选地，当稀释的发酵肉汤用作羧酸来源时，流穿通过树脂的任何细胞或培养液可以返回发酵罐或废物处理罐中。
使用强无机酸进行释放步骤，酸的浓度应使其加到树脂上的当量数等于或更好是大于结合于树脂上的羧酸根阴离子的当量数。为了说明，在实施例中，用2M的H2SO4(4当量／升)可洗脱2．55当量结合于阴离子交换树脂上的琥珀酸根。其它实施例中，用HCl释放作为羧酸的羧酸阴离子。预期其它强酸也可用于释放作为羧酸的羧酸阴离子，包括但不限于硝酸、磷酸和某些极性胺。
从树脂除去羧酸后。产品物流可进一步提纯。下面的实施例中，采用蒸发结晶，制得纯的琥珀酸结晶。然而，用于纯化羧酸的任何合适的提纯法均可用于本发明。例如，可采用蒸馏、萃取、电解和其它纯化方法，以获得纯化的有机酸或氨基酸。
除了纯化羧酸外，本发明的方法可用于生产纯的相应的酯。通过适当选择离子交换树脂，可以先吸附有机阴离子，然后用醇类洗脱，可制得纯的相应酯。选择树脂时考虑的因素包括其在所用溶剂中的稳定性，升高温度时的稳定性、以及用所选溶剂处理时释放阴离子的能力。选出的离子交换树脂和无机酸也可用作酯化催化剂。
下面的实施例证明采用本发明的方法可以提纯琥珀酸和乙酸。本领域的技术人员可以理解，采用这种方法可以提纯任何羧酸，包括有机酸和氨基酸。下面的实施例中，证明这种方法能有效地从发酵肉汤、生物量(biomass)水解液和稀释的废液中提纯羧酸。
下面的非限制性实施例目的是仅用于说明。
实施例从发酵肉汤中取得琥珀酸盐离子交换前发酵肉汤中琥珀酸总量=4千克离子交换前琥珀酸肉汤的体积=4升由HPLC测定的琥珀酸根浓度 =58．14克／升由HPLC测定的乳酸根浓度=5．05克／升由HPLC测定的乙酸根浓度=3．89克／升发酵肉汤pH=离子交换后琥珀酸根(留存液)量 =19．2千克离子交换后琥珀酸根溶液(留存液)体积=19．2升由HPLC测定的琥珀酸根浓度 =4．28克／升乳酸根浓度=0．23克／升乙酸根浓度=0．34克／升留存液pH =9．3离子交换柱床体积 =7升离子交换柱直径=4″流速 =21．6升／小时=3BV／hr吸附在离子交换柱上的琥珀酸根总量 =58．14×4-4．28×19．2=150．38克吸附在离子交换柱上的总当量数 =150．38／59=2．55当量该次操作中离子交换柱吸附容量 =0．36当量／升吸附在柱上的乳酸根量 =5．05×4-0．23×19．2吸附在柱上的乙酸根量 =3．89×4-0．34×19．4=8．96克从阴离子交换树脂上置换下琥珀酸用约4升H2SO4(2M)洗脱吸附了琥珀酸根的离子交换树脂，再用约20升水洗涤。收集两组分洗脱液作为琥珀酸产物。分析这些产物的酸浓度。
组分1洗脱液量 =5．2千克组分1的体积=5．2升琥珀酸浓度 =8．47克／升乳酸浓度 =0．14克／升乙酸浓度 =0．12克／升溶液pH =3．2从离子交换树脂置换下的第一组分中琥珀酸量 =5．2×8．47=44．04克组分2洗脱液量 =12．4千克组分2洗脱液体积=12．4升琥珀酸浓度 =3．49克／升乳酸浓度 =0克／升乙酸浓度 =0．02克／升从离子交换树脂置换下的第二组分中琥珀酸量 =12．4×3．49=42．16克从离子交换树脂置换的琥珀酸总量 =44．04+42．16=86．2克由离子置换法洗脱的琥珀酸百分数 =86．2／150．38×100=57．3％该方法洗脱的乙酸百分数 =5．2×0．12／8．96×100=7．2％该方法洗脱的乳酸百分数 =5．2×0．14／15．78×100=4．6％上面的试验表明用另一种具有较低pKm值的酸选择性置换，琥珀酸可作为酸被洗脱，或以强碱阴离子交换弱碱阴离子。这种方法对琥珀酸的选择回收超过乙酸和乳酸。通过结晶制得纯的琥珀酸。通过蒸发结晶可达到进一步提纯琥珀酸，制得的琥珀酸晶体纯度大于99％。结晶过程中，乙酸可以用蒸气回收，乳酸则留在母液中。
从含乙酸根和糖的生物量水解液中取得乙酸根离子离子交换前乙酸盐糖溶液量 =81．6千克离子交换前乙酸盐糖溶液的体积 =81．6升由HPLC测定的乙酸根浓度 =4．53克／升离子交换后乙酸盐(留存液)量 =96．2千克离子交换后乙酸盐(留存液)体积 =96．2升离子交换柱床体积 =8．13升离子交换柱直径 =4＂流速 =21升／小时=2．58BV／hrHPLC测定的乙酸盐浓度 =1．73克／升吸附在离子交换柱上的乙酸根总量=4．53×81．6-1．7×96．2=203．22克吸附在离子交换柱上的总当量数 =203．22／60=3．38当量离子交换树脂的交换容量=3．38当量／8．13升=0．42当量／升从阴离子交换树脂上置换下乙酸用4升4当量的硫酸洗脱吸附了乙酸根的离子交换树脂，再用水洗涤。收集两组分洗脱液作为乙酸产物。由HPLC分析这两组分产物的酸浓度。
组分1产物量=4．0千克组分1产物体积 =4．0升HPLC测定的乙酸浓度 =9．65克／升组分1中置换下的乙酸量 =38．4克组分2产物量=3．8千克组分2产物体积 =3．8升乙酸浓度 =39．8克／升组分2中置换下的乙酸量 =151．2克从离子交换树脂洗脱下的乙酸总量 =38．4+151．2=189．64克该方法洗脱的乙酸百分数 =189．64／203．22=93．3％上面实施例表明用较强的阴离子选择性置换乙酸根离子，可以从盐溶液回收乙酸。此实施例中，弱碱性阴离子乙酸根被强碱性阴离子硫酸根取代。通过蒸发蒸馏，进一步浓缩和提纯了乙酸。
在含乙酸盐、糖和硫酸盐的离子交换过程中，从高pH值废液中取得乙酸盐离子交换前乙酸盐溶液量 =49．0千克比重 =1．012离子交换前溶液的体积 =49．0×1．012=49．59升由HPLC测定的乙酸根浓度 =1．99克／升由HPLC测定的硫酸根浓度 =5．19克／升由HPLC测定的葡萄糖浓度 =2．75克／升溶液最初的pH =9．33离子交换柱床体积 =7升离子交换柱直径 =4＂流速 =21．6升／小时=3BV／hr离子交换法后乙酸盐(留存液)量 =60．6千克比重 =1．005留存液体积 =60．90升溶液最终pH =11．5离子交换后乙酸盐浓度 =0．38克／升离子交换后硫酸盐浓度 =1．44克／升离子交换后糖浓度 =2．19克／升吸附在离子交换柱上的乙酸根总量 =49．59×1．99-60．9×0．38=75．54克吸附在离子交换柱上的硫酸根总量 =49．59×5．19-60．9×1．44=169．68克吸附在离子交换柱上的当量数 =75．54／60+169．68／49=4．72当量从阴离子交换树脂上置换下乙酸用4升2当量硫酸洗脱吸附了乙酸根的离子交换树脂，再用水洗涤。收集两组分洗脱液作为乙酸产物。由HPLC分析这两组分产物的乙酸浓度。
组分1洗脱液量 =20千克酸置换体积 =20升乙酸浓度 =2．11克／升溶液pH =3．2-5．0取得的乙酸量 =2．11×20=42．4克该方法洗脱的乙酸盐百分数 =42．4／75．54×100=55．86％该方法不洗脱硫酸，洗脱出很少量的糖。通过蒸发蒸馏或蒸汽提取，乙酸很容易浓缩和提纯。可以从天然来源或生物量中生产食用级乙酸，不必从石油合成。
用于提纯乳酸、琥珀酸和柠檬酸的树脂的再生如实施例中所述，为提纯乳酸、琥珀酸和柠檬酸，使用两个直径为1英寸，高4英尺，约500毫升床体积的柱进行离子交换。
起初，用4％NaOH溶液，以2个床体积／小时的流速，用2-3个床体积的氢氧化钠溶液再生此柱。
再生后的柱用4个床体积的去离子水，以2BV／hr的流速清洗，再用2个床体积的去离子水，以更高流速清洗。这些水从柱上基本上洗出所有未吸附的氢氧化钠溶液。此时，柱已准备好用于吸附循环。
乳酸根离子的吸附和置换用10％(大约)乳酸盐溶液进行首次提纯，溶液以1个床体积／小时的流速通过柱2小时。收集缺失了乳酸盐的溶液，分析该溶液的乳酸浓度。然后用2个床体积的水清洗柱。用4％HCl溶液，以1个床体积／小时的流速置换乳酸根离子。收集置换下来的乳酸溶液，并由HPLC分析其乳酸浓度。洗脱的溶液是从乳酸盐制得的乳酸溶液。采用蒸发结晶，可以从这种稀溶液生产纯的乳酸。
下面的计算显示通过阴离子交换层析从盐生产的稀酸量。吸附循环 操作Ⅰ 操作Ⅱ通过柱的乳酸盐总量= 721克 865克最初乳酸浓度 = 82克／升82克／升柱底收集的缺失乳酸的溶液的量 = 784克 827克缺失后的溶液中乳酸浓度 = 0克／升 0克／升被柱吸附的乳酸离子量(假设1毫升溶液=1克)= = 59克 70克置换循环 操作Ⅰ 操作Ⅱ置换循环结束时收集的稀酸溶液量 = 1383克 1498克置换后溶液的乳酸浓度 = 29克／升 29克／升置换下来的乳酸总量 = = 40克 43克阴离子交换法置换下来的乳酸百分数 = = 59％ 61％这些结果证明阴离子交换层析，可以提纯乳酸。
琥珀酸根离子的吸附和置换计算采用上述提纯乳酸的方法，从其稀盐溶液提纯琥珀酸。
下面的计算显示用阴离子交换层析从盐生产稀酸的量。吸附循环 操作Ⅰ 操作Ⅱ通过柱的琥珀酸盐总量= 1093克 1334克最初琥珀酸浓度 = 100克／升100克／升柱底收集的缺失琥珀酸的溶液的量 = 1040克 1242克缺失后的溶液中琥珀酸浓度= 0克／升 0克／升被离子交换树脂吸附的琥珀酸离子量= (假设1毫升溶液=1克)= 109．3克 133．4克置换循环 操作Ⅰ操作Ⅱ置换循环结束时收集的稀酸溶液量 = 1357克998克置换后溶液的琥珀酸浓度 = 54．5克／升 53．5克／升置换的琥珀酸总量 == 67．7％ 40％上面的实施例表明通过阴离子交换层析，可以从琥珀酸盐溶液生产琥珀酸。通过蒸发结晶，可以从该溶液制得纯的琥珀酸晶体。
柠檬酸根离子的吸附和置换采用上面所述提纯乳酸的方法，从其稀盐溶液提纯柠檬酸。
下面的计算显示用阴离子交换层析从盐生产稀酸的量。吸附循环 操作Ⅰ操作Ⅱ通过柱的柠檬酸盐总量 = 869克954克最初柠檬酸浓度= 64克／升 66克／升柱底收集的缺失柠檬酸的溶液的量= 829克920克缺失后的溶液中柠檬酸浓度 = 0克／升 0克／升被离子交换树脂吸附的柠檬酸离子量(假设1毫升溶液=1克) = 55．6克 61克置换循环 操作Ⅰ 操作Ⅱ置换循环结束时收集的稀酸溶液量= 2077克 1869克置换后溶液的柠檬酸浓度= 23克／升 29克／升置换下来的柠檬酸总量 = 47．7克 54克阴离子交换法置换的柠檬酸百分数= = 86％ 88．5％上面的实施例表明通过阴离子交换层析，可以从柠檬酸盐溶液生产柠檬酸。通过蒸发结晶或其它方法，可以从该置换后溶液制得纯的柠檬酸结晶。
上面的实施例证明可以通过阴离子交换层析，从稀的有机盐混合物生产有机酸。
同样，通过阴离子交换层析，可以从稀的发酵肉汤、水解溶液或稀的废液中，吸附、提纯和置换有机酸的未质子化阴离子。
可采用这种层析法，通过选择离子交换树脂和置换溶液，可以吸附、提纯和置换氨基酸和其它带电荷化合物。
通过选择合适的离子交换树脂置换溶液和置换溶液的浓度，可以优化这种方法。
上面的实施例表明通过离子交换层析，可以从发酵肉汤、生物量水解液或从稀的废液提纯有机酸(乙酸、琥珀酸、乳酸、柠檬酸等)，并通过强酸或强碱阴离子酸化和置换。产品以纯酸形式回收，而不是其盐的形式回收。通过这种方法，可以从产物中除去非离子性杂质。
本发明可用于从发酵反应物中回收羧酸，发酵反应中，羧酸作为次要副产物生成(如通过玉米发酵生产乙醇时，产生琥珀酸)或作为发酵反应的主要产物(一些微生物产生相当大量的特定羧酸如琥珀酸、乙酸或丙酮酸)生成。
本领域众所周知，众多的细菌分离物和霉菌在一定的生长条件下，能产生大量特定的羧酸。采用本发明的方法，选择在一定生长条件下能产生所需羧酸的微生物，在这些条件下培养该微生物，并采用本文中公开的方法，从培养物中回收羧酸，大量提纯特定羧酸的原望可以方便地实现。
通过实施例，可知通过在含葡萄糖的培养液(pH5．9-6．4)和过量CO2中培养微生物如产琥珀酸的厌氧螺菌(ANS)ATCC 29305，分离琥珀酸盐的愿望可以实现。要通过降低乙酸生产的碳损耗来提高琥珀酸盐产率，可使用乙酸盐-负突变株，如ANS53488。本发明不限于的列举的实施方案，然而所有的修改和变化都被为包括在本发明权利要求书范围内。
权利要求
1．一种从含羧酸的溶液中回收羧酸的方法，该方法包括下列步骤(a)使含羧酸溶液与阴离子交换树脂接触；(b)在合适的条件下洗涤树脂，除去羧酸根阴离子以外的物质；(c)用无机阴离子、或比羧酸根阴离子更强的阴离子的酸形式，以能有效置换羧酸根阴离子为相应羧酸的量，洗涤树脂，从树脂上置换下羧酸根阴离子成为羧酸；和(d)收集含羧酸的组分。
2．如权利要求1所述的方法，其特征还在于所述含羧酸溶液选自发酵肉汤、生物量水解液、相应羧酸根阴离子盐形式的稀溶液或废液。
3．如权利要求1所述的方法，其特征在于所述方法还包括从步骤(d)的含羧酸组分提纯羧酸的步骤。
4．如权利要求3所述的方法，其特征还在于所述的提纯步骤选自结晶或蒸馏。
5．如权利要求1所述的方法，其特征还在于所述接触步骤通过将含羧酸溶液加到固定床阴离子交换树脂上进行。
6．如权利要求1所述的方法，其特征还在于所述接触步骤通过使流化树脂床流过含羧酸溶液来进行。
7．如权利要求1所述的方法，其特征还在于所述置换洗涤步骤(c)中的阴离子酸形式是比步骤(c)的羧酸根阴离子更强的阴离子。
8．如权利要求1所述的方法，其特征还在于所述置换洗涤步骤(c)包含无机阴离子的酸形式。
9．如权利要求7所述的方法，其特征还在于置换洗涤步骤(c)包含极性胺。
10．如权利要求2所述的方法，其特征还在于含羧酸溶液是发酵肉汤。
11．如权利要求2所述的方法，其特征还在于含羧酸溶液是生物量水解液。
12．如权利要求2所述的方法，其特征还在于含羧酸溶液是废液。
13．如权利要求2所述的方法，其特征还在于含羧酸溶液是相应羧酸根阴离子盐形式的稀溶液。
14．一种从含羧酸溶液制备酯的方法，该方法包括下列步骤(a)使含羧酸溶液与阴离子交换树脂接触；(b)在合适的条件下洗涤树脂，除去羧酸根阴离子以外的物质；(c)用含有无机阴离子、或比羧酸根阴离子更强的阴离子的酸形式的醇类，以能有效置换羧酸的量，洗涤树脂，从树脂上置换下羧酸根阴离子成为羧酸；和(d)收集酯组分。
15．如权利要求14所述的方法，所述方法还包括提纯步骤(d)的酯的步骤。
全文摘要
本发明公开了一种具有成本—效益的方法,用于提纯和酸化羧酸,包括有机酸和氨基酸。所述方法涉及使羧酸的阴离子形式结合于阴离子交换柱并洗涤该柱来除去杂质。通过用强的无机阴离子溶液洗涤树脂,使羧酸阴离子被置换为羧酸。这种方法能有效地从各种工业来源包括发酵肉汤、水解液和废液中取得有机羧酸和氨基酸。
文档编号C07C53/08GK1292023SQ99803590
公开日2001年4月18日 申请日期1999年3月1日 优先权日1998年3月2日
发明者E·庞南帕拉马 申请人:密执安生物技术所