用于分离和回收3-羟基丙酸的工艺的制作方法

专利名称：用于分离和回收3-羟基丙酸的工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于分离和回收包含3-羟基丙酸的盐的水溶液中的3-羟基丙酸的工艺。
背景技术：
由于，例如，3-羟基丙酸充当用于制造丙烯酸、丙烯酰胺、1，3_ 丁二醇和其他化合物的化学构件(building block)的潜力，对通过发酵产生3-羟基丙酸的商业兴趣日益增加。已经提出了几种潜在的从可再生的碳源D-葡萄糖至3-羟基丙酸的代谢途径(W0 2002/042418，WO 2003/062173，WO 2007/042494)。数种用于从水溶液(例如发酵液)分离和回收3-羟基丙酸的方法包括，例如，用无机酸如硫酸的酸化，以允许以硫酸钙(石膏) 作为副产物回收3-羟基丙酸(W0 2002/090312)，和使用有机溶剂提取3-羟基丙酸(W0 2002/090312，WO 2005/003074, W02005/021470)。然而，对于每吨使用该石膏工艺产生的 3_羟基丙酸钙，产生了一吨为硫酸钙的废物盐，其通常被掩埋。在本领域存在对于改善的从水溶液例如发酵液分离和回收3-羟基丙酸的方法的需求。本发明提供了用于分离和回收包含3-羟基丙酸的盐的水溶液中3-羟基丙酸的游离酸的工艺。

发明内容
本发明涉及用于分离和回收3-羟基丙酸的工艺，包括(a)对包含3-羟基丙酸的盐的水溶液进行浓缩电渗析(concentrating electrodialysis)以在水溶液中浓缩3_羟基丙酸的盐；和(b)对所得的浓缩物进行双极膜(bipolar membrane)电渗析以将3_羟基丙酸的盐转化为3-羟基丙酸的游离酸。本发明还涉及用于分离和回收3-羟基丙酸的盐的工艺，包括对包含3-羟基丙酸的盐的水溶液进行浓缩电渗析以在水溶液中浓缩3-羟基丙酸的盐。本发明还涉及用于分离和回收3-羟基丙酸的方法，包括对包含3-羟基丙酸的盐的水溶液进行双极膜电渗析以将3-羟基丙酸的盐转化为3-羟基丙酸的游离酸。


图1显示在浓缩电渗析过程中，稀释槽内的电导率。图2显示在浓缩电渗析过程中，盐水槽内的电导率。图3显示几种已知浓度的3-羟基丙酸钠溶液的电导(conductance)。
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图4显示在通过使用配置EUR2B-7Bip堆栈的EUR2B中试电渗析单元，注入酸槽的3-羟基丙酸钠溶液，注入电极清洗槽的氢氧化钠溶液(4kg，0. 1M)，和注入碱槽的氢氧化钠溶液(4kg，0. 5M)的双极膜电渗析将3-羟基丙酸钠水溶液(25% w/w,4. 4kg, 60. 7mS/cm, pH6. 87)转化为3-羟基丙酸的游离酸的过程中，酸槽内pH的下降。图5显示在通过使用配置EUR2B-7Bip堆栈的EUR2B中试电渗析单元，注入酸槽的3-羟基丙酸钠溶液，注入电极清洗槽的氢氧化钠溶液(4kg，0. 1M)，和注入碱槽的氢氧化钠溶液(4kg，0. 5M)的双极膜电渗析将3-羟基丙酸钠水溶液(25% w/w,4. 4kg, 60. 7mS/cm, pH6. 87)转化为3-羟基丙酸的游离酸的过程中，酸槽内电导率的下降。图6显示在通过使用配置EUR2B-7Bip堆栈的EUR2B中试电渗析单元，注入酸槽的3-羟基丙酸钠溶液，注入电极清洗槽的氢氧化钠溶液(4kg，0. 1M)，和注入碱槽的氢氧化钠溶液(4kg，0. 5M)的双极膜电渗析将3-羟基丙酸钠水溶液(25% w/w,4. 4kg, 60. 7mS/cm, pH6. 87)转化为3-羟基丙酸的游离酸的过程中，碱槽内电导率的增加。发明详述本发明涉及用于分离和回收3-羟基丙酸的工艺，包括(a)对包含3-羟基丙酸的盐的水溶液进行浓缩电渗析以在水溶液中浓缩3-羟基丙酸的盐；和(b)对所得的浓缩物进行双极膜电渗析以将3-羟基丙酸的盐转化为3-羟基丙酸的游离酸。本发明的工艺是高收率的，允许从3-羟基丙酸的盐分离中性成分(例如葡萄糖)， 无废流出液(waste effluent)(不像现行的石膏工艺)，并允许工艺中产生的氢氧化钠重新循环回发酵中以供PH控制。此外，该工艺避免了上文所述的过量硫酸钙副产物，并可去除在发酵过程中有时出现的大量颜色，使得本工艺为用于同时脱色处理的方便方法。本发明还涉及用于分离和回收3-羟基丙酸的盐的工艺，包括对包含3-羟基丙酸的盐的水溶液进行浓缩电渗析以在水溶液中浓缩3-羟基丙酸的盐。本发明还涉及用于分离和回收3-羟基丙酸的工艺，包括对包含3-羟基丙酸的盐的水溶液进行双极膜电渗析以将3-羟基丙酸的盐转化为3-羟基丙酸的游离酸。在本文中，提及“约”某值或某参数，包括针对该值或参数本身的情况。举例而言， 体积“约X”的描述包括“X”的情况。如用于本文中和所附的权利要求中，单数形式“一个/ 一种”(“a”，“an”)和“所述/该”(“the”)亦指复数，除非上下文明确地指示并非如此。应理解本文中所述的本发明的各方面包括“由...组成”和/或“基本上由...组成”的情况。除非另行定义或由上下文明确指出，本文中使用的所有科技术语均具有与本发明所属的领域一般技术人员通常理解的含意相同的含意。3-羟基丙酸的盐3-羟基丙酸的盐可为任何适用于本发明工艺的盐。3-羟基丙酸的盐由3-羟基丙酸的共轭碱和阳离子组成。所述阳离子可为例如任何可在电渗析过程中用作3-羟基丙酸的反离子的一价或二价阳离子。可优选一价阳离子，因为其在电渗析过程中可具有更佳的跨过离子交换膜的离子迁移率。可使用二价阳离子，但其可能更易于导致膜的污损 (membrane fouling)。在一个方面，所述3-羟基丙酸的盐的阳离子为碱金属(例如锂、钠、 钾)。在一个方面，所述3-羟基丙酸的盐的阳离子为钠。在另一个方面，所述3-羟基丙酸的盐的阳离子为钾。在另一个方面，所述3-羟基丙酸的盐的阳离子为锂。在另一个方面，所述3-羟基丙酸的盐的阳离子为碱土金属(例如镁，钙)。在一个方面，所述3-羟基丙酸的盐的阳离子是镁。在另一个方面，所述3-羟基丙酸的盐的阳离子是钙。在另一个方面， 所述3-羟基丙酸的盐的阳离子是有机阳离子。在另一个方面，所述3-羟基丙酸的盐的阳离子是多原子的(例如，铵)。在一个方面，所述3-羟基丙酸的盐是包含任何两种或更多种3-羟基丙酸的盐(例如，任何两种或更多种本文中提及的3-羟基丙酸的盐，如钠盐和钾盐)的水性组合物的一部分。在另一个方面，发酵PH是用一种碱控制的，仅产生一种3-羟基丙酸的盐。该碱可为，例如氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化铵。包含所述3-羟基丙酸的盐的水溶液可为任何水溶液。在一个方面，所述水溶液为全发酵液(whole fermentation broth)。在另一个方面，所述水溶液为不含细胞的发酵液。所述不含细胞的发酵液是经过滤的溶液，其中去除了大部分细胞碎片和颗粒物质(例如，去除了大于50%，大于75%，大于85%，大于90%，大于95%或大于98%的细胞碎片和颗粒物质)。可使用本领域中已知的几种发酵方法用微生物来产生3-羟基丙酸(参见，例如WO 2002/042418 ；WO 2003/062173，WO 2007/042494，Straathof 等，2005，Appl. Microbiol. Biotechnol. 67 :727_734 ；WO 2002/042418 ；以及 W02003/062173)。所述微生物可为任何微生物，例如原核生物或真核生物，和/或任何细胞(例如，任何酵母细胞)，其能够如下所述
重组产生3-羟基丙酸。所述微生物可为任何革兰氏阳性或革兰氏阴性细菌。革兰氏阳性细菌包括但不限于芽孢杆菌属(Bacillus)，梭菌属(Clostridium)，肠球菌属(Enterococcus)，地芽孢杆菌属(Geobacillus), ψ[ΜΜΜ (Lactobacillus),乳球菌属(Lactococcus),海洋芽孢杆菌属(Oceanobacillus),葡萄球菌属(Staphylococcus),链球菌属(Streptococcus)禾口链霉菌属(Str印tomyces)。革兰氏阴性细菌包括但不限于弯曲杆菌属(Campylobacter)， 大肠杆菌(E. coli)，黄杆菌属(Flavobacterium)，梭杆菌属(Fusobacterium)，螺杆菌属(Helicobacter)，泥杆菌属(Ilyobacter)，奈瑟氏菌属(Neisseria)，假单胞菌属 (Pseudomonas),沙门氏菌属(Salmonella)禾口脲原体属(Ureaplasma)0所述微生物可为任何芽孢杆菌细胞，包括但不限于嗜碱芽孢杆菌(Bacillus alkalophilus)、!军 定^1Ur包!f胃(Bacillus amyloliquefaciens)lif (Bacillus brevis)、环状芽孢杆菌(Bacillus circulans)、克劳氏芽孢杆菌(Bacillus clausii)、 凝结芽孢杆菌(Bacillus coagulans)、坚强芽孢杆菌(Bacillus firmus)、灿烂芽孢杆菌(Bacillus lautus)、迟缓芽孢杆菌(Bacillus lentus)、地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)、巨大芽孢杆菌(Bacillus megaterium)、短小芽孢杆菌(Bacillus pumilus)、嗜热月旨肪芽孢杆菌(Bacillus stearothermophilus)、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)和苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuringiensis)细胞。所述细菌微生物亦可为任何链球菌细胞，包括但不限于似马链球菌(Str印tococcus equisimilis)、酿脓链球菌(Streptococcus pyogenes)、乳房链球菌(Streptococcus uberis)禾口马链球菌兽癌 Mft (Streptococcus equi subsp. Zoo印idemicus)细胞。所述细菌微生物亦可为任何链霉菌属细胞，包括但不限于不产色链霉菌(Sti^ptomyces achromogenes)、除虫链霉菌(Streptomyces avermitilis)、天蓝链霉菌(Streptomyces coelicolor)、灰色链霉菌 (Streptomyces griseus)禾口浅青紫链霉菌(Streptomyces lividans)细胞。
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所述微生物还可以是真核生物，如哺乳动物、昆虫、植物或真菌细胞。在一个方面，所述微生物是真菌细胞。“真菌”用在本文包括以下门子囊菌门(Ascomycota)、担子菌门(Basidiomycota)、壶菌门(Chytridiomycota)禾口接合菌门 (Zygomycota)(如由 Hawksworth 等，于 Ainsworth and Bisby' s Dictionary of The Fungi，第八版，1995，CAB International,University Press，Cambridge，UK 中所定义)以及卵菌门(Oomycota)(如Hawksworth等，1995，见上，171页中所引用)，和所有有丝分裂孢 ^^^ (mitosporic fungi) (Hawksworth 等，1995, )。在一个方面，所述微生物是酵母细胞。“酵母”用在本文包括产子囊酵母(ascosporogenous yeast)(内孢霉目(Endomycetales))、产担子酵母 (basidiosporogenous yeast)禾口属于半知菌类(Fungi Imperfecti)(芽抱纲 (Blastomycetes))的酵母。由于酵母的分类在未来可能改变，就本发明而言，会将酵母定义为如 Biology and Activities of Yeast (Skinner, F. A. , Passmore, S. M.,禾口 Davenport, R. R.编，Soc. App. Bacteriol. Symposium Series No. 9,1980)中所述。所述微生物可为假丝酵母属(Candida)、汉逊酵母属(Hansenula)、克鲁维酵母属(Kluyveromyces)、毕赤酵母属(Pichia)、酵母属(Saccharomyces)、裂殖酵母属(Schizosaccharomyces)或西洋蓍霉属(Yarrowia)细胞，如乳酸克鲁维酵母 (Kluyveromyces lactis)、卡尔酵母(Saccharomyces carlsbergensis)、酉良酒酵母 (Saccharomyces cerevisiae)、糖化酵母(Saccharomyces diastaticus)、道格拉氏酵母(Saccharomyces douglasii)、克鲁弗酵母(Saccharomyces kluyveri)、诺地酵母 (Saccharomyces norbensis)、卵形酵母(Saccharomyces oviformis)或角军月旨西洋蓄霄 (Yarrowia lipolytica)细胞。所述微生物可为丝状真菌细胞。“丝状真菌”包括真菌门(Eumycota)和卵菌门的亚门(如由Hawksworth等，1995，见上文，所定义)的所有丝状形式。丝状真菌通常的特征在于由壳多糖(chitin)、纤维素、葡聚糖、壳聚糖(chitosan)、甘露聚糖和其它复杂多糖组成的菌丝体壁。通过菌丝延伸进行营养生长，而碳分解代谢是专性需氧的。相反，酵母例如酿酒酵母的营养生长通过单细胞菌体的出芽生殖(budding)进行，而碳分解代谢可以是发酵的。所述丝状真菌可为枝顶孢霉属(Acremonium)、曲霉属(Aspergillus)、短梗霉属(Aureobasidium)、烟管霉属(Bjerkandera)、Ceriporiopsis、金抱子菌属 (Chrysosporium)、鬼伞属(Coprinus)、革盖菌属(Coriolus)、隐球菌属(Cryptococcus)、 Filibasidium、镰孢属(Fusarium)、腐质霉属(Humicola)、梨孢菌属(Magnaporthe)、 毛霉属(Mucor)、毁丝霉属(Myceliophthora)、新考玛脂霉属(Neocallimastix)、脉 ？包菌属(Neurospora)、拟青霉属(paecilomyces)、青霉属(Penicillium)、平革菌属 (Phanerochaete) > MJ0C^M (Phlebia)、@ 胃 H胃M (Piromyces)、IHM (Pleurotus)、 裂褶菌属(Schizophyllum)、踝节菌属(Talaromyces)、嗜热子囊菌属(Thermoascus)、 梭孢壳属(Thielavia)、弯颈霉属(Tolypocladium)、栓菌属(Trametes)或木霉属 (Trichoderma)细胞。例如，所述丝状真菌可为棘孢曲霉(Aspergillus aculeatus)、泡盛曲霉(Aspergillus awamori)、臭曲霉(Aspergillus foetidus)、烟曲霉(Aspergillus fumigatus)、日本曲霉(Aspergillus japonicus)、构巢曲霉(Aspergillus nidulans)、黑曲霉(Aspergillus niget)、米曲霉(Aspergillus oryzae)、黑剌烟管菌(Bjerkandera adusta)、干拟M菌(Ceriporiopsis aneirina)、Ceriporiopsis caregiea、Ceriporiopsid gilvescens、 Ceriporiopsis pannocinta、 Ceriporiopsis rivulosa、 Ceriporiopsis subrufa、虫拟錯菌(Ceriporiopsis subvermispora)、Chrysosporium inops、嗜角质金抱子菌(Chrysosporium keratinophilum)、Chrysosporium lucknowense、Chrysosporium merdarium、租金抱子菌(Chrysosporium pannicola)、Chrysosporium queenslandicumΛ 热带金抱子菌(Chrysosporium tropicum)、Chrysosporium zonatum、灰盖鬼伞(Coprinus cinereus)、毛革盖菌(Coriolus hirsutus)、杆抱状德抱(Fusarium bactridioides)、禾谷德抱(Fusarium cerealis)、库威德抱(Fusarium crookwellense)、大刀,廉抱(Fusarium culmorum)、禾本禾斗德抱(Fusarium graminearum)、禾赤德抱(Fusarium graminum)、异抱德抱(Fusarium heterosporum)、合欢木德抱(Fusarium negundi)、尖德抱(Fusarium oxysporum)、多枝德抱(Fusarium reticulatum)、粉红德抱(Fusarium roseum)、接骨木德抱(Fusarium sambucinum)、肤色德抱(Fusarium sarcochroum)、拟分枝抱德抱(Fusarium sporotrichioides)、硫色德抱(Fusarium sulphureum)、圆,廉抱(Fusarium torulosum)、拟丝孢镰孢(Fusarium trichothecioides)、镶片镰孢(Fusarium venenatum)、特异腐质霉 (Humicola insolens)、疏棉状腐质霉(Humicola lanuginosa)、米漂毛霉(Mucor miehei)、 嗜热毁丝霉(Myceliophthora thermophila)、粗糙脉孢菌(Neurospora crassa)、绳状青霉(Penicillium funiculosum)、产紫青霉(Penicillium purpurogenum)、黄抱平革菌 (Phanerochaete chrysosporium)、福身寸身寸脉菌(Phlebia radiata)、朿Ij序侧耳(Pleurotus eryngii)、土生梭孢壳(Thielavia terrestris)、长绒毛栓菌(Trametes villosa)、杂色栓菌(Trametes versicolor)、哈茨木霉(Trichoderma harzianum)、康宁木霉(Trichoderma koningii)、长枝木霉(Trichoderma longibrachiatum)、里氏木霉(Trichoderma reesei) 或绿色木霉(Trichoderma viride)细胞。在一个方面，所述微生物是产生3-羟基丙酸的细菌或酵母菌株。在一个方面，所述细菌菌株是产生3-羟基丙酸的大肠杆菌菌株。在优选的方面，所述微生物是代谢方面经工程改造的微生物。在一个方面，所述微生物是代谢方面经工程改造的大肠杆菌菌株。在另一个方面，所述微生物是代谢方面经工程改造的酵母菌株。通常，所述3-羟基丙酸是通过将微生物在培养基中培养从而使得3-羟基丙酸产生来产生的。一般而言，培养基和/或培养条件可使得微生物生长至充足的密度并有效地产生3-羟基丙酸。对于大规模生产工艺，可使用任何方法，如他处描述的那些(Manual of Industrial Microbiology and Biotechnology, 2nd Edition，Editors :A. L. Demain 禾口 J. E.Davies, ASM Press ；and Principles of Fermentation Technology, P. F. Stanbury md A. Whitaker, Pergamon)。简言之，将含有以例如葡萄糖作为碳源的合适培养基的较大的罐(例如400升、800升、2000升或更大的发酵罐)用特定微生物接种。在接种之后，温育该微生物以允许产生生物质。一旦达到所需的生物量，可将含有所述微生物的发酵液转移至第二个罐。该第二个罐可为任何大小。例如，所述第二个罐可比第一个罐更大、更小或相同大小。通常，第二个罐比第一个罐大，使得可将额外的培养基添加至来自第一个罐的发酵液。此外，该第二个罐内的培养基可与第一个罐中使用的培养基相同或不同。举例而言， 所述第一个罐可含有含木糖的培养基，而第二个罐含有含葡萄糖的培养基。
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3-羟基丙酸的产生可通过分批发酵、批次补料发酵或连续发酵进行。在某些方面， 对于某些微生物需要在氧减少或厌氧条件下进行发酵。在其他方面，3-羟基丙酸产生可用氧进行，而且，任选地使用空气升液器(air-lift)或等效的发酵罐进行。发酵参数取决于用于产生3-羟基丙酸的微生物。微生物的培养优选是在有氧或厌氧条件下进行约0. 5至约240小时。在发酵过程中，将温度优选控制在约25°C至约45°C， 并将PH优选控制在约5至约8。pH可使用常见的酸或碱如乙酸或氢氧化钠来调整。在一个优选的方面，使用一种碱来调整发酵PH使得3-羟基丙酸仅为3-羟基丙酸的一种盐的形式。发酵pH应足够高以允许微生物的生长和该微生物的3-羟基丙酸产生。生长培养基可为基本培养基/限定成分培养基，或完全培养基/复合培养基。可发酵的碳源可包括是己糖和戊糖的糖(例如，核糖、阿拉伯糖、木糖和来苏糖)，淀粉，纤维素，木聚糖，寡糖及其组合。细胞能够代谢为丙酮酸的糖的实例包括糖如右旋糖、甘油三酯和脂肪酸。一种可使用的生长培养基的形式包括如Miller，1992，A Short Course in Bacterial Genetics :A Laboratory Manual and Handbook for Escherichia coli and Related Bacteria, Cold Spring Harbor Press PA^^fMt^^ Luria-Bertani (LB)
(含有每升IOg Difco胰蛋白胨，5g Difco酵母提取物和5g氯化钠)。在其他方面，微生物例如大肠杆菌菌株的培养物，可生长于NBS无机盐培养基(Causey等，2004，Proc. Natl. Acad. Sci. USA 101 =2235-2240)，并补充 2%至 20%糖(w/v)或 5%或 10%糖(葡萄糖或蔗糖)。当需要PH控制时，可将4-吗啉代丙磺酸(0. 1Μ，ρΗ7. 1)添加至液体和固体培养基 (经过滤灭菌)(其任选地包含于用于10升发酵的培养基中)。基本培养基可通过使用琥珀酸(lg/升)作为单一碳源(不可发酵的底物)来制备，并可在需要时，作为葡萄糖基本培养基的补充来添加。在某些方面，可视需要包括抗生素。上述任何发酵方法的选择和纳入取决于使用的微生物。在一个方面，所述3-羟基丙酸是自丙酮酸经由乳酸产生的，即工程改造从丙酮酸至3-羟基丙酸的代谢步骤以允许中间物从丙酮酸不受阻碍地流至3-羟基丙酸。在另一个方面，所述3-羟基丙酸是自丙酮酸经由乙酰CoA产生的，即工程改造从丙酮酸至3-羟基丙酸的代谢步骤以允许中间物从丙酮酸不受阻碍地流至3-羟基丙酸。在另一个方面，所述3-羟基丙酸是自丙酸经由丙酰CoA和丙烯酰CoA产生的，即工程改造从丙酮酸至3-羟基丙酸的代谢步骤以允许中间物从丙酮酸不受阻碍地流至3-羟基丙酸。在另一个方面，所述3-羟基丙酸是自磷酸烯醇丙酮酸或丙酮酸经由β-丙氨酸和丙烯酰CoA产生的，即工程改造从磷酸烯醇丙酮酸或丙酮酸至3-羟基丙酸的代谢步骤以允许中间物从磷酸烯醇丙酮酸或丙酮酸不受阻碍地流至3-羟基丙酸。在另一个方面，所述3-羟基丙酸是自磷酸烯醇丙酮酸或丙酮酸经由β-丙氨酸和丙二酸半醛产生的，即工程改造从磷酸烯醇丙酮酸或丙酮酸至3-羟基丙酸的代谢步骤以允许中间物从磷酸烯醇丙酮酸或丙酮酸不受阻碍地流至3-羟基丙酸。在另一个方面，产生了 3-羟基丙酸，其中将乳酸与CoA转移酶或CoA合成酶相接触，从而形成乳酰CoA，然后将乳酰CoA与乳酰CoA脱氢酶相接触以形成丙烯酰CoA，然后将丙烯酰CoA与3-羟基丙酰CoA脱氢酶相接触以形成3-羟基丙酸CoA，然后将3-羟基丙酸 CoA与CoA转移酶或CoA合成酶相接触以形成3-羟基丙酸或与3-羟基丙酰CoA水解酶或3-羟基异丙酰CoA水解酶相接触以形成3-羟基丙酸。3-羟基丙酸优选由微生物例如酵母或大肠杆菌以优选至少约20g，更优选至少约 40g,更优选至少约60g，更优选至少约80g，甚至更优选至少约100g，最优选至少约120g，且甚至最优选至少约140g每升的浓度产生。包含3-羟基丙酸的盐的水溶液亦可从发酵以外的方法如化学工艺获得。参见，例如TO 2005/003074，其公开了从丙烯酸的水合产生3-羟基丙酸的游离酸；在此盐可容易地从丙烯酸的水合接着碱的添加来产生。当确定3-羟基丙酸的浓度时，可使用任何本领域中已知的方法。参见，例如 Applied Environmental Microbiology 59 4261-4265 (1993)and Sullivan and Clarke, 1955，J. Assoc. Offic. Agr. Chemists, 38 :514_518。一旦产生了 3-羟基丙酸，可使用常见的分离技术如过滤或离心来从发酵液去除生物质。若3-羟基丙酸分泌至营养培养基中，可将3-羟基丙酸直接从培养基回收。若3-羟基丙酸不分泌至培养基中，3-羟基丙酸可从细胞裂解物回收。电渗析电渗析在本文中定义为用于在施加的电势差的作用下将离子从一种溶液通过离子交换膜转运至另一种溶液的工艺。如此，电渗析可从水溶液如发酵液分离、浓缩和/或纯化作为目标的荷电成分，例如3-羟基丙酸。在本发明的工艺中，对包含3-羟基丙酸的盐的水溶液进行浓缩电渗析以在水溶液中浓缩3-羟基丙酸的盐。在另一个方面，对包含3-羟基丙酸的盐的水溶液进行双极膜电渗析以将3-羟基丙酸的盐转化为3-羟基丙酸的游离酸。在另一个方面，对包含3-羟基丙酸的盐的水溶液进行浓缩电渗析以浓缩3-羟基丙酸的盐，然后进行双极膜电渗析以将 3_羟基丙酸的盐转化为3-羟基丙酸的游离酸。在一个方面，再循环在本发明的工艺中产生的氢氧化钠至发酵以供pH控制。该再循环可使用本领域已知方法进行。在电渗析之前，包含3-羟基丙酸的盐的水溶液的pH优选为至少6，更优选至少 6. 5，甚至更优选至少7，最优选至少7. 5，且甚至最优选至少8。pH可使用常见的酸或碱如乙酸或氢氧化钠来调整。在一个优选的方面，水溶液的PH使用一种碱来调整，得到仅仅一种3-羟基丙酸的盐。此种碱可为，例如，氢氧化钠，氢氧化钾或氢氧化铵。在电渗析之前，可对水溶液进一步进行其他预处理如离子交换，以去除痕量的多价阳离子如钙、铁或镁以防止膜的污损和/或使用如脱色碳来进行脱色。浓缩电渗析在本发明的工艺中，第一步可涉及浓缩电渗析，其基于离子交换膜的性质。选择性使用于浓缩电渗析中的膜荷电以分离离子(例如，阳离子和阴离子)。若膜荷正电， 则仅允许阴离子通过。此种膜称为阴离子交换膜。类似地，荷负电的膜称作阳离子交换膜。这种膜性质称作选择通透性。任何适用于浓缩电渗析的阴离子交换膜或阳离子交换膜可用于本发明的工艺。此类膜在商业上可从Astom Corp. (Tokyo，Japan)(例如 Neosepta membranes)，Tokuyama Co.，Ltd. (Tokyo, Japan)，Ameridia(Somerset, NJ, USA)， Eurodia Industrie S. A. (ffissous,France),CelTech,Inc. (Fayetteville, NC,USA),Eden Purification Systems(North Haven, CT,USA),Ion Power,Inc. (Bear,DE,USA),MinntechCorporation(Minneapolis, MN, USA)禾口 GE Water & Process Technologies(Trevose, PA, USA)获得。所述浓缩电渗析可用任何可获得的浓缩电渗析单元进行。此类单元在商业上可从供应商如 Eet Corporation (Harriman, Tennessee, USA), Mega Α. S. (Drahobejlova, Praha, Czech Republic)或Ameridia(Somerset, New Jersey, USA) (Eurodia Insdustrie S. A. (ffissous, France)的分支机构)获得。举例而言，下文中描述了来自Ameridia的浓缩电渗析单元。所述浓缩电渗析优选使用称作电渗析小室(electrodialysis cell)的装置进行。 该小室由进料(稀释)室和浓缩(盐水)室组成，其通过置于两个电极之间的阳离子交换膜和阴离子交换膜构成。电渗析工艺优选使用配置为称作电渗析堆栈(electrodialysis stack)的多重电渗析小室进行，其中交替的阴离子和阳离子交换膜构成多重电渗析小室。 在一个堆栈中小室的数量的范围可为数个例如十个小室，至数百个小室。夹具(clamping) 系统在均一的闭合压力(closing pressure)下维持所述装置完整。驱动力为位于(housed at)堆栈两端的阳极(阳电极)和阴极(阴电极)之间的直流电。几个参数确定本发明中的浓缩电渗析的最佳应用范围。这些参数包括电流密度、 小室电压、电流效率、稀释浓度和浓缩浓度。电流密度为本工艺的驱动力，因为其决定跨膜转运的产物的克数当量(quantity of equivalent grams)。在高电流密度运行减少电渗析小室所需的表面。然而，电流密度必须与不成比例的小室电压平衡，导致更高的能耗。术语“极限电流”在本文中定义为避免小室电压急剧增加可允许的最大电流密度。在本领域中，已知极限电流取决于参数如堆栈设计，溶液浓度，温度等。电流效率亦决定本发明工艺所需的膜表面。术语“电流效率”在本文中定义为电化学过程的效率。由于在能量流经系统过程中的丧失，以及由于其他在电解过程中发生的副反应，在电解过程中获得的材料的量通常低于预期。电流效率考虑了所有在堆栈中发生的寄生(parasitic)现象，如膜的非完美选择通透性或物理泄露(导致产物中的杂质)，所述现象可通过优化的堆栈设计和膜选择来减少。另一个重要参数是两种流的浓度(电导率)。电导率的比值影响电流效率，限制浓缩(盐水)流的最大浓度。一般而言，由于稀释小室的欧姆电阻和低电导率下的低极限电流，最小稀释浓度受对电导率的考虑所限。可考虑的最低电导率大约为0.5mS/cm。用于进行浓缩电渗析的3-羟基丙酸的盐的最低起始浓度是其电导率为优选至少10mS/cm(20g/ 升)，更优选至少20mS/cm(40g/升)，甚至更优选至少40mS/cm(80g/升)，且最优选至少 60mS/cm(120g/升)的浓度。膜的污损和堆栈的堵塞可由水溶液中可溶或不可溶的杂质，如有机物质、胶体物质、微生物(例如酵母或细菌)、不可溶的盐等所致。在一个方面，所述水溶液优选经预处理以去除杂质和颗粒物质。可使用任何本领域中已知的预处理方法。举例而言，通常的方法包括但不限于离心、微过滤、纳米过滤和离子交换。然而，当膜被此类杂质污损时，可使用本领域中已知的标准方法对其进行清洗，如使用反向电流或稀酸、腐蚀剂/苛性碱(caustic) 和/或酶溶液。温度和pH亦可影响本发明的电渗析工艺的有效性。在浓缩电渗析堆栈中的最高温度范围通常为约10°c至约40°C。浓缩电渗析中的最高PH范围通常为约4至约8。然而， 最优PH范围不仅取决于使用的膜的类型，还取决于3-羟基丙酸的pKa。浓缩电渗析可在范围为约10°C至约40°C，或约15°C至约35°C，或约20°C至约 30°C的温度进行。在本发明的工艺中，浓缩电渗析可在至少约6，至少约6. 5，至少约7，至少约7. 5， 或至少约8的pH进行。在本文中所述的电渗析过程中，将包含3-羟基丙酸的盐的水溶液通过稀释室进料于电渗析堆栈中。当溶液达到小室的活性区域时，直流(DC)电压导致荷正电的阳离子向阴极迁移，而荷负电的阴离子向阳极迁移。当离子达到离子交换膜时，膜性质决定离子是否被拒绝或允许穿过。可穿过膜的离子保留在下一个室中，因为在其路径上的下一个膜会是荷相反电荷的。因此，存在这些离子被从中移除的室和这些离子被浓缩的室。若通过堆栈迅速循环溶液，可获得稀释和浓缩流。产物可为脱盐的流、浓缩的流或两者皆是。与盐一同跨膜转运(称作“浓度转运(concentration transport)")的少量的水使得盐水流能够具有比进料流更高的浓度。因此不仅可以从溶液去除盐，还可通过电渗析浓缩溶液。本发明利用该浓缩电渗析以浓缩3-羟基丙酸的盐的水溶液。通过浓缩电渗析获得的3-羟基丙酸的盐的最高浓度为约IOOg/升、约125g/升， 约150g/升，约175g/升，约200g/升，约250g/升，或约300g/升。双极膜电渗析在本发明的工艺中，第二步可涉及将所得的来自浓缩电渗析的浓缩物接触于双极膜电渗析以将3-羟基丙酸的盐转化为3-羟基丙酸的游离酸。然而，在本发明的工艺中，公认可忽略浓缩步骤(例如在3-羟基丙酸的浓度足够高时)。所述双极膜电渗析可用任何可获得的双极膜电渗析单元进行。此类单元在商业上可从供应商如 The Electrosynthesis Company, Inc. (Lancaster, NY, USA), FuMA-Tech GmbH(Vaihingen, Germany), Solvay SA(Brussels, Belgium), Tokuyama Co. , Ltd. (Tokyo, Japan), Graver Water Co. (USA), Tianwei, Membrane Technology Co. Ltd. (Shandong, China), Ameridia(Somerset, New Jersey, USA) (Eurodia Insdustrie S. A. (ffissous, France)的分支机构)获得。举例而言，在下文中描述了来自Ameridia的双极膜电渗析单兀。所述双极膜电渗析亦优选使用电渗析小室进行。双极膜电渗析在本文中定义为允许不添加化学品将水性盐溶液有效地转化为酸和碱的过程。如此，双极膜电渗析为其中双极膜在电场的存在下实现水的解离(亦称作水分裂(water splitting))的电渗析工艺。此夕卜，该工艺允许人们不添加化学品直接酸化或碱化工艺流(process stream)，避免了副产物或废液流以及昂贵的下游提纯步骤。在电场的驱动力下，双极膜将水解离为氢(H+)和羟基(0H-)离子。双极膜由彼此连接的阴离子和阳离子交换层，以及水可从外侧水性盐溶液扩散的非常薄的界面构成。由于阴离子交换侧面对阳极，而阳离子交换侧面对阴极，羟基阴离子会跨阳离子交换层转运， 而氢离子跨阴离子交换层转运。双极膜允许羟基和氢离子在其表面生成和浓缩。这些离子可用于电渗析堆栈以与盐的阳离子和阴离子合并以产生酸和碱。在本发明中，双极膜电渗析用于将3-羟基丙酸的盐的溶液转化为3-羟基丙酸的游离酸。
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任何适用于双极膜电渗析的双极膜可用于本发明的工艺。此类膜商业上可从 Astom Corp. (Tokyo, Japan)，例如，Neosepta membranes，Tokuyama Co.，Ltd. (Tokyo, Japan)，Ameridia(Somerset, NJ, USA)，Eurodia Industrie S. A. (Wissous, France)， CelTech， Inc. (Fayetteville, NC, USA)， Eden Purification Systems(North Haven, CT, USA)，Ion Power, Inc. (Bear，DE, USA)，Minntech Corporation (Minneapolis, MN, USA)禾口 GE Water & Process Technologies (Trevose, PA, USA)获得。将用于进行浓缩电渗析的相同参数亦应用于本发明的双极膜电渗析工艺S卩，电流密度、小室电压、电流效率、稀释浓度、浓缩浓度、pH、温度等。用于进行双极膜电渗析的3-羟基丙酸的盐的最低起始浓度为其电导率优选为至少lOmS/cm或20g/升的浓度。所述双极膜电渗析在约10°C至约40°C，约15°C至约35°C，或约20°C至约30°C的范围的温度进行。所述双极膜电渗析可在至少约6，至少约6. 5，至少约7，至少约7. 5或至少约8的 PH进行。通过双极膜电渗析获得的3-羟基丙酸的游离酸的最高浓度优选为约300g/升。在本发明的工艺中，3-羟基丙酸的盐至3-羟基丙酸的游离酸的转化率为至少 90%，至少92%，至少95%或至少98%。本文中应理解浓缩电渗析单元和双极膜电渗析单元可整合在同一个装置中。不同的双极膜电渗析配置是可能的，并由生产商所描述。通过将双极膜添加在浓缩电渗析小室中获得了三室小室。在此情况下，所述双极膜两侧为如上所述的阴离子和阳离子交换膜以构成三个室偶极和阴离子交换膜之间的酸，偶极和阳离子交换膜之间的碱，以及阳离子和阴离子交换膜之间的盐。两室小室可通过添加偶极和阳离子交换膜或通过添加偶极和阴离子交换膜来获得。在本发明中，利用了具有交替的阳离子交换膜和双极膜的两室小室。回收尽管依照本发明的工艺获得的3-羟基丙酸的盐或3-羟基丙酸的游离酸可照原样使用，该工艺可进一步包括使用任何本领域中已知的方法回收3-羟基丙酸的盐或3-羟基丙酸的游离酸。此类非限定性方法可包括沉淀，例如硫酸钙沉淀，结晶和提取。3-羟基丙酸的用途依照本发明的工艺获得的3-羟基丙酸可用于例如获得其他有机化合物，如1， 3-丙二醇，丙烯酸，聚合的丙烯酸，丙烯酸的酯，3-羟基丙酸的酯和聚合的3-羟基丙酸。举例而言，可将3-羟基丙酸修饰为衍生物如聚合的3-羟基丙酸或3-羟基丙酸的酯。类似地，可使用化学工艺以产生特定化合物，使用细胞、基本上纯的多肽和/或不含细胞的提取物将其转化为另一种有机化合物(例如，1,3-丙二醇，丙烯酸，聚合的丙烯酸，丙烯酸的酯， 3_羟基丙酸的酯和聚合的3-羟基丙酸)。举例而言，可使用化学工艺以产生丙烯酰CoA， 而可使用微生物将丙烯酰CoA转化为3-羟基丙酸(参见美国专利号7，186，541以及“Top Value Added Chemicals from Biomass”， Pacific Northwest National Laboratory and National Renewable Energy Laboratory，T.Werpy 禾口 G. Petersen，August2004)。本发明进一步通过下述实施例加以描述，其不应视为对本发明范围的限制。实施例电渗析^ T$ M M Φ ffl Jfe 自 Ameridia (Somerset, New Jersey, USA) (Eurodia Industries S. A. (ffissous, France)的分支机构)的EUR2B中试规模的电渗析单元。 该单元与两个电渗析堆栈一同供应，一个用于浓缩电渗析(EUR2B-10堆栈)，而另一个 (EUR2B-7Bip)用于双极膜电渗析。EUR2B-10堆栈由具有交替的阴离子和阳离子交换膜(NE0SEPTA 离子交换膜 (Astom Corp. , Tokyo, Japan))的10个小室组成。每张膜的面积为2dm2。使用EUR2B-10 堆栈用于浓缩3-羟基丙酸钠溶液。EUR2B_7Bip堆栈由具有交替的阳离子和双极膜(NE0SEPTA BP_1E膜(Astom Corp.，Tokyo, Japan))的7个小室组成。每张膜的面积为2dm2。使用EUR2B_7Bip堆栈用于将3-羟基丙酸的溶液转化为其游离酸。实施例1 使用浓缩电渗析浓缩3-羟基丙酸钠溶液通过如上所述使用配置EUR2B-10堆栈的EUR2B中试规格电渗析单元的浓缩电渗析来浓缩3-羟基丙酸钠的水溶液(10% w/w,8. 0kg)。将具有43mS/cm的电导率和6. 7的 PH的3-羟基丙酸钠溶液注入稀释槽。将硝酸钾溶液(20mS/cm，4.0kg)注入电极清洗槽。 将3-羟基丙酸钠的稀释溶液(lOmS/cm)注入盐水槽。将如上所述的溶液使用设为14伏特的DC电源以约3. 5升每分钟(gpm)的流速循环经过EUR2B-10堆栈。在运行过程中，稀释槽内的电导率下降，而盐水槽内的电导率增加，分别如图1和2所示。在290分钟之后，稀释和盐水槽内的电导率变化维持稳定，而运行完结。盐水槽内的最终电导率为63mS/cm，这表明如图3中所示的约30% (w/w)的最终3-羟基丙酸浓度。在运行之前和之中，取样以通过使用配置 Charged Aerosol Detection (CAD ；ESA Biosciences, Chelmsford, MA, USA) 的Agilent 1100 (Santa Clara, CA, USA)的HPLC来验证样品纯度和浓度。使用的HPLC条
件如下所述
权利要求
1.一种用于分离和回收3-羟基丙酸的工艺，包括对包含3-羟基丙酸的盐的水溶液进行双极膜电渗析以将3-羟基丙酸的盐转化为3-羟基丙酸的游离酸，并回收所述3-羟基丙酸的游离酸。
2.一种用于分离和回收3-羟基丙酸的工艺，包括(a)对包含3-羟基丙酸的盐的水溶液进行浓缩电渗析以在水溶液中浓缩3-羟基丙酸的盐；(b)对所得的浓缩物进行双极膜电渗析以将3-羟基丙酸的盐转化为3-羟基丙酸的游离酸；和(c)回收所述3-羟基丙酸的游离酸。
3.权利要求1或2的工艺，其中所述水溶液是发酵液。
4.权利要求3的工艺，其中所述发酵液是不含细胞的发酵液。
5.权利要求1-4任一项的工艺，其中所述3-羟基丙酸由微生物以优选至少约20g，更优选至少约40g，更优选至少约60g，更优选至少约80g，甚至更优选至少约100g，最优选至少约120g，且甚至最优选至少约140g每升的浓度产生。
6.权利要求1-5任一项的工艺，其中所述3-羟基丙酸的盐包含一价阳离子，如钠、钾或铵。
7.权利要求1-6任一项的工艺，其中所述包含3-羟基丙酸的盐的水溶液的pH为优选至少6，更优选至少6. 5，甚至更优选至少7，最优选至少7. 5，且甚至最优选至少8。
8.权利要求1-7任一项的工艺，其中在所述浓缩电渗析中3-羟基丙酸的盐的最低起始浓度是其电导率为优选至少lOmS/cm，更优选至少20mS/cm，甚至更优选至少40mS/cm，且最优选至少60mS/cm的浓度。
9.权利要求1-8任一项的工艺，其中所述浓缩电渗析在约10°C至约40°C，更优选约 15°C至约35°C，且最优选约20°C至约30°C的范围的温度进行。
10.权利要求1-9任一项的工艺，其中所述浓缩电渗析在优选至少6，更优选至少6.5， 甚至更优选至少7，最优选至少7. 5，且甚至最优选至少8. 0的pH进行。
11.权利要求1-10任一项的工艺，其中通过浓缩电渗析获得的3-羟基丙酸的盐的最高浓度为优选约IOOg/升、更优选约125g/升，更优选约150g/升，更优选约175g/升，更优选约200g/升，甚至更优选约250g/升，和最优选约300g/升。
12.权利要求1-11任一项的工艺，其中双极膜电渗析过程中3-羟基丙酸的盐的最低起始浓度为其电导率为优选至少lOmS/cm的浓度。
13.权利要求1-12任一项的工艺，其中所述双极膜电渗析在优选约10°C至约40°C，更优选约15°C至约35°C，且最优选约20°C至约30°C的范围的温度进行。
14.权利要求1-13任一项的工艺，其中所述双极膜电渗析在优选至少6，更优选至少 6. 5，甚至更优选至少7，最优选至少7. 5，且甚至最优选至少8的pH进行。
15.权利要求1-14任一项的工艺，其中通过双极膜电渗析获得的3-羟基丙酸的游离酸的最高浓度为优选约300g/升。
16.权利要求1-15任一项的工艺，其中3-羟基丙酸的盐至3-羟基丙酸的游离酸的转化率为优选至少90 %，更优选至少92 %，甚至更优选至少95 %，且最优选至少98 %。
17.权利要求1-16任一项的工艺，其中将产生的氢氧化钠再循环至发酵以供pH控制。
18.权利要求1-17任一项的工艺，进一步包括将所述3-羟基丙酸与催化剂相接触以形成丙烯酸。
全文摘要
本发明涉及用于分离和回收3-羟基丙酸的工艺，包括(a)对包含3-羟基丙酸的盐的水溶液进行浓缩电渗析以在水溶液中浓缩3-羟基丙酸的盐；和(b)对所得的浓缩物进行双极膜电渗析以将3-羟基丙酸的盐转化为3-羟基丙酸的游离酸。
文档编号C07C51/347GK102482692SQ201080038792
公开日2012年5月30日 申请日期2010年6月30日 优先权日2009年7月1日
发明者J.江普 申请人:诺维信北美公司