专利名称：从含水混合物中分离有机物质的方法
技术领域：
本发明涉及一种通过至少一层多孔膜用萃取法从含水混合物中分离出一种或多种有机物质的方法，该有机物质含有至少一种带正电的和/或可带电的含氮基团。
有许多从含水溶液中分离出有机化合物的技术是公知的，如借助于离子交换树脂、色谱法、吸附、过滤、蒸发、反渗透、电渗析等进行分离。
近年来，尤其是对食品和饮料工业中关于氨基酸的回收，在经济方面的关注增多。从混合物中分离所需要的氨基酸，例如通过离子交换或例如通过反应性萃取进行。然而，特别是在提纯液体培养基时这些方法遇到了限制。通过离子交换剂处理培养液时，它的缺点是需要进行彻底的预处理来纯化混合物。
特别是关于L-苯基丙氨酸的提纯，使用若干液膜的萃取方法已有描述(Thien，M.P.等人，Biotechnol Bioeng，1998，32604-615)。从广义上说，这涉及到水包油乳液，形成有机的，例如含脂质的膜泡，然后通过所述膜泡进行有效的萃取。然而，由于所述膜泡膨胀得很大，在高产品浓度下这种液-液萃取法易受限制。另外，所述膜泡的稳定性对压力敏感。
用中空纤维的无分散萃取法进行L-苯基丙氨酸的分离，这已在Escalante H.等人(1998，Separation Science and Technology，33(1)119-139)描述了。这里所用的萃取剂是季铵盐、异癸醇和煤油的混合物，当然，它自身对阴离子有强选择性。该方法的缺点是L-苯基丙氨酸的萃取需要介质在pH值为10.5时滴定。从有机相的反萃取需要在pH值为0.5时进行另一次滴定。另外，因为该萃取剂有毒，尤其是也可用作消毒剂的季铵盐，因此不可能将介质直接返回到生产过程中。该方法的另一个缺点是L-苯基丙氨酸的分离不能与发酵过程结合，因此不可能防止潜在的产物迟延。
用由溶于正癸醇的二-2-乙基己基磷酸组成的阳离子选择性萃取剂来萃取氨基酸，这已被Teramoto M.等人描述过(1991，J.Membr.Sci.5811-32)。然而，使用包括液膜系统的系统来进行时，产生了上述缺点，特别是液膜泡的稳定性低。另一个缺点是所用萃取剂的组分对生物生产系统，例如发酵系统有毒，这意味着该方法的应用范围只限于间歇萃取。因此，在该情况下也不可能利用一体化的分离加工系统，以免潜在的产物抑制。
Wieczorek S.等人(1998，Bioprocess Engineering，1875-77)描述了用三(十二烷基)胺、煤油和辛醇的混合物作为萃取剂的应用。该方法不象上述系统，以回收氨基酸为目的，而通过阴离子选择性载体从霉菌Aspergillus niger的液体培养基中分离柠檬酸，一种无氮物质。在该系统中，萃取剂毒性高，也是个缺点。这就是为什么将介质返回生产过程需要引入额外的高成本处理方法，或更具体地说，提纯步骤，因此，仅能将部分介质返回。
因此，本发明的目的是提供一种通过至少一层多孔膜用萃取法从含水混合物中分离出一种或多种有机物质的方法，该有机物质含有至少一种带正电的和/或可带电的含氮基团，该方法没有上述的缺点。
通过使用含有至少部分是相对长链的有机化合物和至少一种液体阳离子交换剂的萃取剂，以及使用了或者可以被所述含水混合物润湿或者可以被所述萃取剂润湿的膜，而达到了这一目的。
此外，所述液体阳离子交换剂还用作载体。根据本发明，所述有机物质优选从萃取剂中反萃取到水相中。
所用的相对长链化合物优选难以与水混溶或难以溶于水的化合物，并且在10-60℃，优选20-40℃的温度下为液体。根据本发明优选6-20个碳原子的化合物；特别优选12-18个碳原子的化合物。这些化合物可以是支链的、非支链的、饱和的、未饱和的或部分芳香性的有机化合物。本发明适用的相对长链有机化合物的例子是烷烃、烯烃或脂肪酸酯，或若干这些化合物的混合物。这些化合物在本发明的方法中用作溶剂。
可用的烷烃是，例如己烷、环己烷、癸烷、乙基癸烷、十二烷或其混合物。特别优选煤油。适合的烯烃是，例如己烯、壬烯、癸烯、十二烯或其混合物。适合的脂肪酸酯尤其是烷基有超过2个碳原子的硬脂酸烷基酯。脂肪酸酯的例子是硬脂酸乙酯、硬脂酸丁酯、硬脂酸异丙酯、棕榈酸乙酯或亚油酸丁酯。特别优选煤油或硬脂酸丁酯。也能以上述两种或多种有机化合物的混合物的形式使用。
所用液体阳离子交换剂优选无机酸和有机基团的酯类，优选支链的。无机酸类优选磷酸、亚磷酸、硫酸和亚硫酸。特别优选磷酸。根据本发明，所用有机残基优选支链的和/或非支链烷基或烯基，其具有至少4个碳原子，优选4-20个碳原子。优选的液体阳离子交换剂包括二一2一乙基己基磷酸酯、单-2-乙基己基磷酸酯、二壬基萘磺酸酯或其混合物。根据本发明，优选二-2-乙基己基磷酸酯和单-2-乙基己基磷酸酯的混合物。相对于液体阳离子交换剂的总量，该混合物中单-2-乙基己基磷酸酯的含量优选超过40重量％，特别优选超过80重量％。
相对于相对长链有机化合物的量，萃取剂中上述液体阳离子交换剂的存在量优选2-25重量％；特别优选5-20重量％的液体阳离子交换剂，并且最优选8-15重量％的液体阳离子交换剂。根据本发明，除这里提到的化合物之外，所述萃取剂还可以含有其它物质，也包括目前技术上公知的萃取剂。
对于本发明的方法，优选使用或者可以被所述含水混合物润湿或者可以被所述萃取剂润湿的多孔膜，其孔密度为5-95％，特别优选孔密度≥30％，最优选孔密度≥40％。可以被所述含水混合物润湿或者可以被所述萃取剂润湿的目前技术上公知的多孔膜原则上可用于本发明的方法。这里优选使用具有尽可能最大的孔密度的膜，中空纤维接触器是特别优选的膜。
优选用于本发明方法的多孔膜孔径≤2μm，特别优选的膜孔径≤1μm，更特别是孔径≤0.5μm，最优选孔径≤0.05μm。
本发明的方法特别适用于萃取含有至少一种带正电的和/或可带电的含氮基团的有机物质。最优选将本发明方法用于萃取以下有机物质脂肪族和/或芳香族氨基酸和/或内酰胺，或其盐类、衍生物或二肽或低聚肽，或这些化合物的混合物。
待萃取的物质包括，例如L-氨基酸或D-氨基酸。原则上也可以萃取天然的以及非天然的氨基酸，可以想到的是全部的D-和L-型必需氨基酸。可萃取的氨基酸的例子是L-苯基丙氨酸、D-苯基丙氨酸、L-色氨酸、D-色氨酸、L-酪氨酸、D-酪氨酸、D-对羟苯基甘氨酸、D-苯基甘氨酸、二-羟苯基丙氨酸。用本发明的方法也可以萃取内酰胺，其中包括β-内酰胺、己内酰胺、青霉素G。
此外，本发明的方法可以用于萃取肽，特别是二-或低聚肽，例如用作制备天冬甜素的前体分子的L-天冬氨酰-L-苯基丙氨酸。也可以萃取氨基醇，例如1S，2R-顺-(-)-氨基茚满醇。本发明的萃取法也可以用于回收胺类或酰胺类。本发明方法的优选应用领域是从发酵溶液、化学合成和/或降解过程的废水和/或含水混合物中的萃取。特别是，本发明的方法可以并入发酵过程。发酵过程可以是好氧性的或厌氧性的，并且可以间歇、半连续或连续操作。
本发明还涉及包括以下步骤的方法a)从容器中取出所述含水混合物，b)通过第一层或者可以被所述含水混合物润湿或者可以被萃取剂润湿的多孔膜，所述萃取剂含有至少部分是相对长链的有机化合物和至少一种液体阳离子交换剂，c)用所述萃取剂萃取，d)使含水渗余物回到所述容器，e)将萃取的有机物质通过第二层或者可以被所述含水混合物润湿或者可以被所述萃取剂润湿的多孔膜，和f)将其反萃取入水相。
该方法优选这样安排，在步骤d)中将含水渗余物完全返回容器。也优选含水混合物和萃取剂的压差为0.1-10bar，特别优选压差为0.5-5bar，最优选压差为2-3bar。
在本发明方法的一个特别优选实施方案中，反萃取可以与有机物质浓缩同时完成。特别优选，反萃取与有机物质的浓缩同时完成。
本发明的特别优选应用领域是从发酵溶液中萃取物质。发酵过程可以是好氧性的或厌氧性的，并且可以间歇、半连续或连续操作。本发明方法优选这样安排，萃取连续进行，并且与容器1中进行的反应，例如发酵反应同步，也就是使萃取一体化进行。作为本发明方法的一个特别实施方案，将有机物质反萃取入水相，也可以作为容器1中进行的反应的一个一体化步骤。然而，本发明的目的不局限于这种方法。
在下面参考
图1，借助于一体化发酵过程进一步说明本发明方法的应用不断地从发酵罐1中取出发酵溶液，并使其通过超滤中空纤维组件2。在中空纤维接触器3中，待分离的有机物质从发酵溶液萃取入萃取剂5。根据本发明，萃取剂5含有至少部分是相对长链的有机化合物和至少一种液体阳离子交换剂。在中空纤维接触器3中的含水渗余物通过消毒过滤器4回到发酵罐1。萃取的有机物质穿过中空纤维接触器6，并反萃取入水相7，任选同时浓缩。根据提出的任务，所述物质可以从水相7中分出来，例如结晶出来。如有必要，也可以省去超滤中空纤维组件2和消毒过滤器4。
本发明方法的主要优点是选择性回收所希望的有机物质，任选同时浓缩。根据本发明，完成所述有机物质的浓缩，同时完成反萃取入水相。上述方法的特别的优点在于可以在一体化工序中完成发酵和萃取。即在以间歇、半连续或连续方式进行发酵过程的同时，通过连续和同时进行的萃取获得所希望的有机物质。同时有可能将发酵溶液未萃取的部分(含水渗余物)回送到发酵过程。因此，绝不可能对细胞产物产生产品抑制。此外，所用萃取系统没有毒性，并且因为可以自由选择pH值，所以对环境十分友好。此外，原则上可以将仍然含生物物质的发酵溶液直接输入萃取组件中，而不必预先进行细胞分离，因此节约了附加工艺步骤。
通过实施例，在下面进一步描述从样品溶液中选择性分离L-苯基丙氨酸。所用样品溶液代表了微生物发酵的培养基的典型组成。通过将称重的适合的盐类溶解在水中，来确定如下的阳离子(Merck产品)和氨基酸(Fluka产品)的浓度对于L-苯基丙氨酸的萃取，将10升上述组成的样品溶液用泵使其通过第一个中空纤维接触器(中空纤维组件类型CelgardPolypropylen，X30 240 ID，Hoechst Celanese AG出品)，流量为250l/h，pH值为7，并且初始温度为30℃。接触器进口压力为2.2bar，接触器出口压力为0.8bar。
萃取剂含有10体积％的二-2-乙基己基磷酸酯(Fluka出品)，溶于煤油(Sigma Aldrich出品)。所用萃取剂的体积为7.5升。萃取剂的有机相与样品溶液的水相呈逆流，并用泵以156l/h的流量使其回旋流过两个串联的中空纤维接触器。第一个中空纤维接触器的进口压力是0.3bar，出口压力是0.2bar。第二中空纤维接触器的进口压力是0.2bar，出口压力是0.1bar。萃取时进入萃取剂有机相的L-苯基丙氨酸随后反萃取入水相。此外，使用6升水相，其由浓度为1mol/l并且pH值为0的H2SO4溶液(Fluka出品)组成。用泵将该水相以500l/h的流量通过第二中空纤维接触器，其与萃取剂有机相逆流。同时，该中空纤维接触器的进口压力是1.2bar，出口压力是0.5bar。
对于表1中所列阳离子和氨基酸的萃取选择性为95％或更高。此外，有可能增加水相中L-苯基丙氨酸的浓度，与所用样品溶液中的量相比，从20％到400-500％。
本发明方法的另一个积极效果是，通过向样品溶液中加入液体阳离子交换剂，容器1中的反应比没有加入液体阳离子交换剂的样品溶液至少多产生40％的有机物质。
权利要求
1.一种通过至少一层多孔膜用萃取法从含水混合物中分离出一种或多种有机物质的方法，该有机物质含有至少一种带正电的和/或可带电的含氮基团，该方法的特征在于使用了含有至少部分是相对长链的有机化合物和至少一种液体阳离子交换剂的萃取剂，以及使用了或者可以被所述含水混合物润湿或者可以被所述萃取剂润湿的膜.
2.权利要求1的方法，其特征在于所述有机物质从萃取剂中反萃取到水相中。
3.权利要求1或2的方法，其特征在于所用的相对长链有机化合物具有6-20个碳原子，优选12-18个碳原子。
4.权利要求1-3任一项的方法，其特征在于所用的相对长链有机化合物是烷烃、烯烃或脂肪酸酯。
5.权利要求1-4任一项的方法，其特征在于使用无机酸类和有机基团的酯作为液体阳离子交换剂，优选支链的有机基团。
6.权利要求1-5任一项的方法，其特征在于使用磷酸、亚磷酸、硫酸或亚硫酸的酯作为液体阳离子交换剂。
7.权利要求1-6任一项的方法，其特征在于使用二-2-乙基己基磷酸酯、单-2-乙基己基磷酸酯、二壬基萘磺酸酯或其混合物作为液体阳离子交换剂。
8.权利要求1-7任一项的方法，其特征在于相对于相对长链有机化合物的量，所用液体阳离子交换剂的量为2-25重量％，优选5-20重量％，最优选8-15重量％。
9.权利要求1-8任一项的方法，其特征在于萃取以下有机物质脂肪族和/或芳香族氨基酸和/或内酰胺，或其盐类、衍生物或二肽或低聚肽，或这些化合物的混合物。
10.权利要求1-9任一项的方法，其特征在于所用多孔膜的孔密度为5-95％，优选≥30％。
11.权利要求1-10任一项的方法，其特征在于所用多孔膜的孔密度≥40％。
12.权利要求1-11任一项的方法，其特征在于用中空纤维接触器作为多孔膜。
13.一种通过至少一层多孔膜用萃取法从含水混合物中分离出一种或多种有机物质的方法，该有机物质含有至少一种带正电的和/或可带电的含氮基团，该方法的特征在于a)从容器(1)中取出所述含水混合物，b)通过第一层或者可以被所述含水混合物润湿或者可以被萃取剂(5)润湿的多孔膜(3)，所述萃取剂含有至少部分是相对长链的有机化合物和至少一种液体阳离子交换剂，c)用所述萃取剂(5)萃取，d)使含水渗余物回到所述容器(1)，e)将萃取过的有机物质通过第二层或者可以被所述含水混合物润湿或者可以被所述萃取剂润湿的多孔膜(6)，和f)将其反萃取入水相(7)。
14.权利要求13的方法，其特征在于在步骤d)中使含水渗余物完全回到容器(1)。
15.权利要求13或14的方法，其特征在于含水混合物和萃取剂的压差为0.1-10bar，优选0.5-5bar，最优选2-3bar。
16.权利要求13-15任一项的方法，其特征在于反萃取与有机物质的浓缩同时完成。
17.权利要求13-16任一项的方法，其特征在于萃取与容器1中的反应连续并且同时进行。
18.权利要求1-17任一项的方法，其特征在于从发酵溶液、化学合成和/或降解过程的废水和/或含水混合物中萃取。
全文摘要
本发明涉及一种通过至少一层多孔膜用萃取法从含水混合物中分离出一种或多种有机物质的方法,该有机物质含有至少一种带正电的和/或可带电的含氮基团,其中使用了含有至少部分是相对长链的有机化合物和至少一种液体阳离子交换剂的萃取剂,以及使用了或者可以被所述含水混合物润湿或者可以被所述萃取剂润湿的膜。具体地说,本发明涉及一种通过至少一层多孔膜用萃取法从含水混合物中分离出一种或多种有机物质的方法,该有机物质含有至少一种带正电的和/或可带电的含氮基团,在该方法中,从容器(1)中取出所述含水混合物,通过第一层或者可以被所述含水混合物润湿或者可以被萃取剂(5)润湿的多孔膜(3),所述萃取剂含有至少部分是相对长链的有机化合物和至少一种液体阳离子交换剂,用所述萃取剂(5)萃取,使含水渗余物回到所述容器(1),将萃取过的有机物质通过第二层或者可以被所述含水混合物润湿或者可以被所述萃取剂润湿的多孔膜(6),并且将其反萃取入水相(7)。
文档编号C07C229/36GK1356923SQ00809183
公开日2002年7月3日 申请日期2000年4月26日 优先权日1999年4月29日
发明者D·马尔斯, D·沃伊斯特－博茨, R·塔科尔斯, C·万德雷, H·帕肖尔德 申请人:Dsm生物技术股份有限公司, Dsm有限公司