发酵方法与流程

技术领域

本发明涉及用于生产有机酸盐的发酵方法。本发明特别涉及乳酸盐、琥珀酸盐和呋喃二羧酸盐的生产。

更具体地，本发明还涉及由有机酸镁盐生产有机酸的方法，其中所述有机酸镁盐由本发明的发酵方法获得。

背景技术：

在本领域中，有机酸通常通过发酵方法生产。例如，已知发酵方法用于乳酸、丙酸、琥珀酸和乙酸。在发酵中，加入碱以保持发酵液的pH在适合于微生物的范围。结果，酸在发酵液中通常是以其盐的形式存在。取决于碱的性质，盐可以溶解在发酵液中，例如，钠、钾、或铵盐，或它可能以固体形式存在，例如，镁或钙的乳酸盐或琥珀酸盐。

已经在各种文献中提到用于生产这些类型化合物的发酵。

WO2005/123647涉及在具体地pH范围内通过SWAP-反应由包含乳酸镁的介质生产乳酸或乳酸盐。乳酸镁可以通过发酵生产。

WO2010/063762涉及通过形成镁或钙的琥珀酸盐的发酵方法生产一价琥珀酸盐的方法，镁或钙的琥珀酸盐然后转化成一价盐。

WO2011/095631涉及用电渗析步骤由乳酸镁生产乳酸的方法。其中指出乳酸镁可从发酵方法获得。EP2360137公开了由可通过发酵获得的琥珀酸镁生产琥珀酸的类似内容。

虽然这些文献描述了如何处理乳酸盐或琥珀酸盐，但它们仅包括了关于如何进行发酵的简要和一般性描述。然而，已经显示出操作发酵方法很困难，其中发酵液以稳定方式包括固体产品形式的有机酸盐，尽管整个过程获得了高收率的高质量产品，尤其是在工业规模上进行所述方法时。这个问题现在通过本发明已经得到解决。

技术实现要素：

本发明涉及用于由有机酸镁盐生产有机酸的方法，其中所述有机酸镁盐由包括如下步骤的发酵方法产生：

-在发酵反应器内的发酵介质中发酵微生物以形成包含有机酸盐的发酵液，其中部分有机酸盐以固体状态存在和部分有机酸盐溶解在所述发酵液中；

-从所述发酵反应器抽出至少部分所述发酵液，将所述发酵液提供给水力旋风分离器，和从所述水力旋风分离器抽出顶部流出物和底部流出物；

-将所述水力旋风分离器的底部流出物提供给固/液分离步骤，以形成固体馏分和液体馏分；

-将所述水力旋风分离器的顶部流出物和所述固/液分离步骤的液体馏分的总量的至少30vol.％提供给所述发酵反应器。

已经发现水力旋风分离器和将水力旋风分离器的顶部流出物和固/液分离步骤的液体馏分的总量的至少30vol.％提供给发酵反应器的组合对于获得在稳定的同时提供高性能产品和高过程收率的方法是必不可少的。如在实施例中描述的，这两个特征的组合提供了经济上稳定可行的产生具有良好杂质分布的产品的方法。形成具有良好杂质分布的产品是本发明特别出其不意的特征。

然后，可以按照现有技术中已知的方法，例如上面提到的WO2005/123647中所述SWAP-反应，由所获得的有机酸盐如有机酸镁盐获得相应的有机酸，所述有机酸可以为乳酸或琥珀酸。

附图说明

本发明将在以下进行详细描述。附图描述了本发明的许多方面。然而，应该注意的是本发明不限于附图中描述的实施方案。

图1描述了本发明的第一实施方案。

图2描述了本发明的第二实施方案，其中包括了一些附加的用于调节过程物流的可能性。

图3描述了本发明的第三个实施方案，其中包括了一些附加的过程步骤。

具体实施方式

在本发明方法的第一步骤中，微生物在发酵反应器内的发酵介质中进行发酵以形成包含有机酸盐如有机酸镁盐的发酵液。

本发明的方法可应用于发酵过程，其中部分有机酸盐以固体状态存在和部分有机酸盐溶解在所述发酵液中。本发明的方法不适合于发酵液不包含固体形态有机酸盐的情况。在另一个方面，以固体形态存在的酸盐的百分比不必太高。在一个实施方案中，存在于介质中有机酸盐总量的至少2％是以固体状态存在。更具体地，存在于发酵介质中有机酸盐总量的至少10％是以固体状态存在。在一些实施方案中，存在于发酵介质中有机酸盐总量的至少15％或甚至至少20％、或至少30％是以固体状态存在。

在另一个方面，本发明的方法不适合于发酵介质中所有有机酸盐均以固体形态存在的情况。在另一个方面，溶解产品的百分比不必太高。在一个实施方案中，系统中存在的酸盐总量的至少5％是以溶解状态存在。特别地，系统中存在的酸盐总量的至少15％是以溶解状态存在，更特别地为至少20％。当溶解酸盐和固体酸盐总百分比为100％时，两个参数中一个的上限可以由另一个的下限确定。

在一个实施方案中，发酵产生了包含乳酸镁的发酵液，其中乳酸镁总量的50-90％以固体状态存在(和余量是溶解的)。在该实施方案中，可能优选乳酸镁总量的60-85％、特别地为70-80％以固体状态存在(和余量是溶解的)。这个实施方案对于间歇发酵可能是特别相关的。

在另一个实施方案中，发酵产生了包含乳酸镁的发酵液，其中乳酸镁总量的10-50％以固体状态存在(和余量是溶解的)。在该实施方案中，可能优选乳酸镁总量的25-40％、特别为20-30％以固体状态存(和余量是溶解的)。这个实施方案对于连续发酵过程可能是特别相关的。

在进一步的实施方案中，发酵产生了包含琥珀酸镁的发酵液，琥珀酸镁总量的10-50％以固体状态存在(和余量是溶解的)。优选地，琥珀酸镁总量的20-30％以固体状态存在，和余量是溶解的。

在进一步的实施方案中，发酵产生了琥珀酸钙，琥珀酸钙总量的85-98％以固体状态存在(和余量是溶解的)。

从反应器抽出的发酵介质中固体酸产品的绝对量对本发明不是关键的。它取决于发酵的性质，和范围可能为如2-40wt.％，更具体为2-25wt.％，按照从反应器抽出的发酵介质的质量计算。

通过本发明方法产生的盐的酸是羧酸，特别是选自具有2-8个碳原子的单-、二-和三羧酸的羧酸。优选地，羧酸不包含氨基-或胺基-。适合羧酸的实例包括乳酸、丙酸、柠檬酸、苹果酸、马来酸、富马酸、己二酸、琥珀酸、衣康酸、酒石酸、α-酮戊二酸、草酰乙酸、乙酸、丙烯酸、2-羟基丁酸、3-羟基丙酸和呋喃二羧酸。有关这一点，目的在于产生乳酸、琥珀酸、富马酸、衣康酸、己二酸、3-羟基丙酸和呋喃二羧酸的盐的及时发酵方法据认为是优选的。

目的在于产生乳酸、琥珀酸、或呋喃二羧酸的发酵方法据认为是特别优选的。在一个实施方案中，羧酸是乳酸。在另一个实施方案中，羧酸是琥珀酸。在进一步的实施方案中，羧酸是呋喃二羧酸。

在这类发酵方法中，酸盐通过在发酵过程中添加碱形成。更具体地，在这类发酵中微生物产生羧酸。酸的形成导致pH降低。为了抵消这一点和保持pH在微生物可以起作用的范围，在发酵期间加入碱性溶液形成羧酸盐。如以上已经解释的，本发明涉及部分有机酸盐以固体状态存在和部分有机酸盐溶解在发酵液中的情况。是否为所述情况取决于酸和碱中阳离子的组合、发酵介质中酸盐产品的溶解度积和所产生产品的量。使用公知常识选择碱、特别是碱中阳离子使得发酵介质中酸盐部分地以固体形态存在和部分地以溶解状态存在，这在本领域技术人员的能力范围内。

取决于酸的性质，适合的碱可以包括阳离子选自二价和三价阳离子的阳离子，特别地为二价阳离子，特别地为选自镁和钙的阳离子。特别优选使用镁。用于碱的适合阴离子包括氧阴离子、氢氧根、重-和单-碳酸根及它们的组合。实例包括包含(氢)氧化钙、碳酸钙、重碳酸钙、(氢)氧化镁、碳酸镁、重碳酸镁中一种或多种的溶液。

该方法被认为对生产乳酸镁、琥珀酸镁和呋喃二羧酸镁特别相关。

通常，将碱性溶液以有效量加入来控制发酵液pH为约3-9，更具体为5.5-约7.0。pH选择取决于微生物的性质，此处不作进一步描述。

另外，发酵步骤以本领域已知方式实施，和不需进一步描述。更特别地，待发酵的碳水化合物来源的性质不是关键，甚至相对粗的碳水化合物可以用于发酵。适合碳水化合物来源的实例是蔗糖、(液化)淀粉和葡萄糖糖浆。

可以加入本领域常规的其它组分，例如酶、营养物如氮-化合物、磷酸盐、硫酸盐、维生素和微量元素。选择底物、微生物和反应条件的适当组合以获得适合于本发明使用的发酵过程在本领域技术人员的能力范围内。

将至少部分包含有机酸盐的发酵液从反应器抽出，和提供给水力旋风分离器，其中有或没有中间处理。发酵液可以全部或部分从反应器抽出，这主要取决于发酵是间歇发酵还是连续发酵。从反应器中抽出的发酵液还包括生物质和进一步产品例如残留糖、低聚糖、发酵副产品、营养物残渣和沉淀。

如果需要，发酵液可以经历中间处理。在一个实施方案中，将发酵液提供给重力沉降器，和重力沉降器的重流出物预浓缩浆提供给水力旋风分离器。这个实施方案可能是引人注目的，因为其中发酵液中固体酸盐的量是相对有限的。重力沉降器的轻流出物可以循环回发酵装置。其中发酵液的流出物包含大量的溶解物料时是优选的实施方案。

虽然中间处理如供应给重力沉降器是可能的，但其中将至少部分发酵液直接提供给水力旋风分离器即无实质中间处理的实施方案是本发明的优选实施方案，因为它使得方法较不复杂，和降低了操作成本。已经发现在本发明的方法中可以如以上所述处理包含生物质和其它杂质的发酵液，同时以高纯度结合高过程收率获得固体产品。

在或不在如上所述的中间处理如使用重力沉降器后，将发酵液提供给水力旋风分离器的入口。水力旋风分离器是基于颗粒的向心力与流体阻力的比来分类、分离或归类液体悬浮液中的颗粒的装置。这个比值对于致密的和粗的颗粒是高的，和对于轻的和细的颗粒是低的。水力旋风分离器装配有提供进料的入口、上出口和低于上出口的下出口。上出口位于或靠近水力旋风分离器顶部，下出口位于或靠近水力旋风分离器底部。

在水力旋风分离器中，优先分离固体产品。通常，至少70％以固体形式存在的酸盐最后处于水力旋风分离器的底部流出物中。优选地，至少80％的固体酸盐最后处于底部流出物中，更优选为至少85％，仍更优选为至少90％。

进入水力旋风分离器的液体体积中，通常至少60％最后处于水力旋风分离器的顶部流出物中，优选为至少70％。为了保持底部流出物可处理，它应该包含至少一些液体体积，例如，基于总液体体积计算为至少5％，或至少8％。通常，进入水力旋风分离器的液体体积中，最多40％最后处于水力旋风分离器的底部流出物中，优选为最多30％。为了描述水力旋风分离器分离的目的，液体体积是进入水力旋风分离器的进料体积，其中不计算固体酸盐颗粒。其它固体组分如生物质计算在液体体积中。

要注意的是，生物质的分布通常至少基本符合液体体积的分布。液体体积分布的指定范围也适用于生物质分布。

不希望局限于理论，据信水力旋风分离器还对产品的纯度有贡献。从实施例给出的结果可以看出，使用水力旋风分离器使产品纯度提高。

水力旋风分离器的顶部流出物可以以各种方式进行处理。在一个实施方案中，顶部流出物全部或部分循环回发酵装置。如果需要，顶部流出物可以经历生物质脱除步骤，例如，通过过滤、浮选、沉降、离心和絮凝中的一个或多个或其它或进一步纯化步骤进行。然而，水力旋风分离器的顶部流出物全部或部分在无中间处理步骤下循环是本发明的特别实施方案。

为了满足本发明的要求，将水力旋风分离器的顶部流出物和固/液分离步骤的液体馏分的总量的至少30％循环回发酵装置，在实践中通常将顶部流出物的至少10％循环回发酵装置，特别地为至少20％，更特别地为至少30％。也可以预期更多馏分，例如，至少50％或至少60％。在一个实施方案中，将水力旋风分离器的顶部流出物与固/液分离步骤的液体馏分组合，之后所述组合液体的至少30vol.％循环至发酵反应器。

将水力旋风分离器的底部流出物提供给固/液分离步骤。固/液分离步骤旨在从包含溶解酸盐的液体介质中分离固体酸盐颗粒。固/液分离步骤可以通过常规方法如过滤、离心或沉降进行。

在优选实施方案中，固/液分离步骤使用带式过滤器进行。已经发现使用带式过滤器是有优势的，因为它具有高洗涤效率，有效脱除生物质和固体以及溶解的杂质和获得相对低水含量和相对低杂质产品含量的滤饼。如果需要，带式过滤器可以装配有用于洗涤滤饼的装置，例如装配方式使滤饼重新浆化，这导致改进的过滤能力和洗涤效率。在一个实施方案中，提供给带式过滤器的洗涤液体是带式过滤器的循环物流。这样做的优势在于洗涤可以在不必向过程提供任何附加物流的情况下进行。

在固/液分离步骤获得的固体馏分可以如所需进行处理，包括如洗涤等步骤。固体馏分的进一步处理是在本领域技术人员的能力范围内，在此不需要进一步描述。

固/液分离步骤的液体馏分可以以各种方式处理。在一个实施方案中，固/液分离步骤的液体馏分全部或部分循环回发酵装置。如果需要，液体馏分可以经历生物质脱除步骤，例如，通过过滤、浮选、沉降、离心和絮凝中的一个或多个或其它或进一步纯化步骤例如蒸发冷却结晶进行。然而，固/液分离步骤的液体馏分全部或部分在无中间处理步骤下循环是本发明的特别实施方案。

在一个实施方案中，将固/液分离步骤的液体馏分的至少一部分提供给进一步步骤，其中产生和分离固体酸盐，例如结晶器。

在一个实施方案中，将固/液分离步骤的液体馏分的至少20vol.％循环至发酵反应器，直接或在中间处理之后进行循环。优选较高的百分比，例如，至少30vol.％，更特别地为至少40vol.％。在一些实施方案中，可以将固/液分离步骤较高百分比的液体馏分循环至发酵反应器，例如，至少50vol.％，或至少60vol.％。

如上所示，本发明的特征是将水力旋风分离器的顶部流出物和固/液分离步骤的液体馏分的总量的至少30％循环至发酵反应器。

有利的是提供给发酵反应器的百分比较高，例如，至少50％，更特别地为至少60％、或甚至至少70vol.％。提供大量液体循环的优势是固体酸盐收率提高。

水力旋风分离器的顶部流出物和固/液分离步骤获得的液体馏分都包含溶解的酸盐。可以直接循环至反应器。然而，还可以向循环物流中先加入其它组分，例如，营养物或底物，从而循环物流作为载体将这些组分提供给发酵反应器。有多种方式进行循环，这对于本领域技术人员来说是明显的。物流可以组合或不组合，或分割或不分割。循环的最大体积不是关键的。它取决于反应器体积，和取决于循环体积是否附加于或代替纯水另外提供的体积。循环物流替代至少部分相应量的水是优选的。相比于在发酵方法中常规的提供纯水，提供包含溶解酸盐的溶液意味着发酵液将在较早阶段达到酸盐的饱和浓度。这意味着每次发酵将有更多的固体产品存在于发酵液中。

在一个实施方案中，提供给发酵反应器的源自固/液分离步骤和/或水力旋风分离器的顶部流出物的循环馏分占发酵反应器中发酵液体积的至少50％。在间歇发酵过程开始时，将启动液体提供给包含碳水化合物来源(营养物来源如铵、磷酸盐和硫酸盐以及水)的反应器，以形成具有适合碳水化合物浓度的液体介质。然后，加入微生物和将介质升至发酵温度。然后发酵开始，和加入碱以保持pH在所讨论的希望值。在本发明的一个实施方案中，间歇过程的启动液体占循环液体馏分的至少50％，特别地为至少70％，更特别地为至少80％。

对于在相对大规模上操作的过程，本发明特别引人注意。例如，可能优选发酵介质的体积为至少10.000升(10m³)。也可以预期更大体积，例如，至少50.000升(50m³)，或甚至至少250.000升(250m³)。当在这个规模上操作时，本发明方法的效率大幅增加。

要注意的是，可以将其它步骤并入到本发明的方法中。例如，可以在第一旋风分离器和固/液分离步骤之间包括一个或多个附加的旋风分离器。这些附加的旋风分离器可以用于改进分离。还可以在水力旋风分离器和固/液分离步骤之间进行中间洗涤步骤。这样的中间洗涤步骤可以如使用洗涤水力旋风分离器进行，其中将水加入第一水力旋风分离器的流出物中，将组合液体提供给第二水力旋风分离器，和将第二水力旋风分离器的底部流出物提供给固/液发酵步骤。这种洗涤水力旋风分离器的顶部流出物可以按需要进行处理，例如，通过将全部或部分顶部流出物循环到发酵阶段。要注意的是，优选使加入洗涤旋风分离器的水的量尽可能有限，以使体积物流尽可能小。

附图描述了本发明的各个方面。

在图1中，从发酵反应器(1)中通过管线(2)抽出流出物，和提供给水力旋风分离器(3)。水力旋风分离器(3)的底部流出物通过管线(4)提供给如带式过滤器的固/液分离器(5)。从固/液分离器(5)中通过管线(7)抽出固体产品。从固-液分离装置中通过管线(6)抽出液体馏分，和与通过管线(8)提供的水力旋风分离器(3)的顶部流出物组合。总流出物物流(6)的至少30vol.％通过管线(6a)循环至发酵反应器(1)，和剩余部分通过管线(6b)抽出。

图2提供了图1过程的变体。在图2中，分别处理水力旋风分离器(3)的顶部流出物物流(8)的循环和固/液分离器(5)的液体馏分(6)的循环以独立选择一定量的循环至发酵反应器的不同馏分。更具体地，将顶部流出物物流(8)分为两个馏分，一个通过管线(8a)循环至发酵反应器(1)，和一个通过管线(8b)抽出。固-液分离装置的液体馏分通过管线(6)抽出，和部分通过管线(6a)循环至发酵反应器(1)，而剩余部分通过管线(6b)抽出。该过程的操作方式使得(6a)和(8a)的总体积是(6)和(8)的体积的至少30vol.％。这个过程可以有多种变体，这对于本领域技术人员是明显的。例如，在提供给发酵反应器之前，物流(6a)和(8a)可以组合。

在图3中，描述了相同的过程，只是有一些增加和调整。重力沉降器(9)位于发酵反应器(1)和水力旋风分离器(3)之间。轻馏分通过管线(11)抽出，和在描述的实施方案中与水力旋风分离器(3)的顶部流出物组合循环至发酵反应器。它当然也可以独立循环，或与馏分(6a)组合循环。重力沉降器(9)的重馏分通过管线(10)提供给水力旋风分离器。

进一步添加的是可以如结晶器的固化装置(12)。在该实施方案中，将至少部分带式过滤器(5)的液体流出物提供给结晶器，其中所述液体流出物的处理条件使酸盐固化。如果需要，流出物物流(8b)也可以全部或部分通过管线(14)提供给结晶器(12)。在结晶器(12)中形成的固体产品如通过进一步的固/液分离步骤(未示出)分离和通过管线(15)抽出。固化装置(12)的液体流出物通过管线(13)抽出，和如果需要，至少部分循环至发酵装置(1)。这可以如所描述的通过将它与循环物流(6a)组合实现，但它也可以单独循环。部分液体馏分可以通过管线(16)抽出。

要注意的是，在该图中描述的所有添加和变体均可以彼此独立地应用于本发明的方法中。要注意的是，本发明方法的各个步骤的各种元素可以如所需进行组合。

实施例

本发明通过以下实施例进行描述，但不局限于此。

对比例A：无循环，无水力旋风分离器

发酵过程以常规方式操作。从反应器抽出所有的发酵液。发酵液包含固体乳酸镁和乳酸镁溶解在发酵介质中。发酵液还包含生物质、溶质杂质如钾盐、钠盐、渣糖、低聚糖和硫酸盐，以及部分为固体状态和部分溶解的化合物如铝盐、钙盐、铁盐、锰盐、含磷盐、含锌盐和含氮盐。将流出物提供给带式过滤器。带式过滤器的固体产品具有良好的过滤性能和足够的杂质水平。弃掉带式过滤器的液体流出物。然而，乳酸镁的总过程收率为63％，这从商业角度来看是不可接受的。

对比例B：循环，无水力旋风分离器

重复对比例A，只是把带式过滤器液体流出物的55vol.％循环至发酵反应器中以试着提高收率。然而，发现这导致过程不能操作。带式过滤器的固体产品不能过滤，其颜色呈咖啡色和杂质水平不可接受地高。更具体地，发现产品包含大量的铝、铁、磷和氮。

对比例C：部分循环，无水力旋风分离器

重复对比例B，只是循环的带式过滤器的液体流出物的百分比降低至26vol.％以试着改进产品性能。水力旋风分离器底部流出物中的固体乳酸镁具有合理的过滤性能。然而，滤饼仍然呈褐色，和杂质分布对于商业仍不能接受。过程的总收率为74％，这对于商业操作仍是不能接受。

实施例1

如对比例A中一样操作发酵过程。从反应器抽出所有的发酵液。它的组成与对比例A的相同。

将发酵液不经任何前期处理提供给水力旋风分离器。水力旋风分离器的底部出物提供给带式过滤器用于固-液分离。分离出固体产品。将水力旋风分离器的顶部流出物和带式过滤器的液体馏分组合，和将混合物的55vol.％循环至发酵反应器。

水力旋风分离器底部流出物中的固体乳酸镁具有良好的过滤性能和灰白的颜色。它表现出良好的杂质分布，如下面所讨论的。该过程的总乳酸镁收率为84％，这对经济操作来说是足够了。

下表显示关于杂质分布的对比数据。表中显示了相比于提供给带式过滤器的进料，存在于带式过滤器的液体流出物中的杂质百分比。因此，该表提供了带式过滤器上杂质的保留程度的度量。例如，值100％表示提供给带式过滤器的具体组分100％存在于带式过滤器的液体流出物中，达到保留值为0％。

从表中可以看出，对于进料源自水力旋风分离器的情况，存在于带式过滤器流出物中(因此不在产品中)的杂质量高于进料不是源自水力旋风分离器的情况。因此，使用水力旋风分离器带来带式过滤器上产品具有更高的纯度。