Спосіб розділення, виділення та очистки дикарбонових кислот

Реферат: Спосіб розділення, виділення та очистки дикарбонової кислоти з ферментаційного середовища, що включає наступні стадії: a) відокремлення біомаси та будь-яких твердих речовин, які присутні в ферментаційному середовищі, в два послідовних етапи; b) виділення розчину дикарбонової кислоти з ферментаційного середовища вільного від біомаси за допомогою хроматографії з псевдорухомим шаром; c) глибоке очищення розчину дикарбонової кислоти; d) багатоступінчате випаровування та кристалізацію; e) відокремлення та сушіння кристалів. UA 106915 C2 (12) UA 106915 C2 UA 106915 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Бурштинову кислоту та її сполуки широко використовують для різних застосувань в харчовій промисловості, фармацевтичній, косметичній та текстильній промисловостях. Все частіше, бурштинову кислоту також використовують як сировину для виробництва полімерів. Головне в промисловому застосуванні бурштинової кислоти, яку отримують шляхом ферментації субстратів, що несуть вуглеводи, використовуючи різні мікроорганізми, є економічна доцільність та ефективність розділення й очищення бурштинової кислоти з даних водних ферментаційних розчинів, які містять не тільки бурштинову кислоту або солі бурштинової кислоти, але також інші органічні кислоти, додаткові побічні продукти ферментації, мікроорганізми та їх компоненти, а також залишки субстрату. Ступені якості одержаної бурштинової кислоти можуть розрізрянися за розподілом на технічний клас якості з вмістом бурштинової кислоти, щонайменше, 97 мас. % та полімерний клас бурштинової кислоти з вмістом, щонайменше, 99,5 мас. %. Велика кількість патентів описують виділення бурштинової кислоти з ферментаційних розчинів, що включає - процеси екстракції з використанням агентів екстракції, таких як трибутиламіни, тріалкіламіни, олефіни, різні спирти та ароматичні вуглеводні, - процеси з використанням гідроксиду кальцію та сірчаної кислоти, в яких гіпс накопичується як побічний продукт, - процеси з використанням електродіалізу, - термічні методи, такі як фракційна дистиляція або термічно постадійна хроматографія, - екстракцію високого тиску з використанням CO2, - мембранні процеси, такі як зворотний осмос та інших фільтраційні процеси, з поєднанням цих процесів та доповненням додатковими стадіями з сучасного рівня технології, які також обговорюються. Такі процеси описані, зокрема, в описах патентів DE 69821951 T2, DE 69015233 T2, DE 69015019 T2, DE 69006555 T2, DE 69015019, DE19939630C2, DE 60028958T2 та DE 10 2004 026152 A1. Недоліком багатьох процесів є додавання додаткових технологічних рідин, від яких цільовий продукт повинен бути вільним та будь-які сліди яких у цільовому продукті можуть призвести до зниження якості та обмежень у застосуванні згаданого продукту. Практичне впровадження зазначених процесів є іноді, крім того, високо інтенсивним, з точки зору технічної та енергетичної перспективи. Передбачається, що метою винаходу є спосіб розділення, виділення та очищення дикарбонових кислот, таких як бурштинова кислота, з ферментаційного середовища, процес, що забезпечує високу чистоту продукту та уникає добре відомі недоліки інших процесів. Відповідно до представленого винаходу мета досягається шляхом використання процесу розділення, виділення та очищення дикарбонової з фенрментаційного середовища за рахунок застосування декількох стадій обробки, зазначений спосіб включає наступні стадії: а) Відокремлення біомаси та будь-яких твердих речовин, які є присутніми, від ферментаційного середовища в два послідовні етапи, б) Відокремлення розчину дикарбонової кислоти від вільного від біомаси ферментаційного середовища за допомогою хроматографії з псевдорухомим шаром (ПРШ-хроматографія), в) Глибока очистка розчину дикарбонової кислоти, г) Багатостадійне випаровування та кристалізації, е) Відокремлення та сушка кристалів. Ферментаційне середовище, яке містить дикарбонову кислоту у вигляді сукцинату амонію, якщо зазначена дикарбонова кислота є бурштиновою кислотою, біомасу та компоненти субстрату, безперервно подається в блок для фільтрування з попередньо нанесеним шаром допоміжної речовини або блок для мікрофільтрації. При цьому, температура та значення рН відповідають значенням при ферментації, як було встановлено, інактивація біомаси за рахунок підвищення температури та зниження значення рН шляхом додавання кислоти прискорюють автолиз біомаси, та більше продуктів лізису виділяється в ферментаційне середовище. Крім того, час між завершенням ферментації та відокремленням біомаси повинен бути як можна коротшим та становити не більше ніж на 2 години, переважно він становить менше ніж 1-2 години. Концентрація біомаси в фільтраті не повинна перевищувати 1 г/л. Дані параметри процесу мають позитивний вплив на якість кінцевого продукту. Фільтрат з блоку для фільтрування з попередньо нанесеним шаром допоміжної речовини або мікрофільтрації подають до одно- або двостадійного блоку ультрафільтрації на другій стадії, на якій відокремлюють залишки біомаси, нерозчинні тверді речовини та більш високомолекулярні сполуки. Мембрани з відсіканням ≤ 10 кДа були визначені для досягнення оптимальних результатів між якістю продукції та швидкостями потоку через мембрану. 1 UA 106915 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Температура рідкого середовища, що тече, повинна становити ≥ 30 °C, що пов'язано з коефіцієнтом розчинності сукцинату амонію у воді. Сольовий розчин повертається в блок фільтрування з попередньо нанесеним шаром допоміжної речовини або мікрофільтрації, або, альтернативно, збирають та використовують як сировину для виробництва дикарбонової кислоти технічної категорії якості, та фільтрат передається для подальшої обробки. Дикарбонова кислота міститься в фільтраті після ультрафільтрації в формі її солі - у випадку бурштинової кислоти у вигляді сукцинату амонію. Щоб перетворити її в дикарбонову кислоту додають концентровану сірчану кислоту та перемішують, тим самим знижуючи значення рН розчину до значень між 2,2 та 2,4 та, утворюючи сульфат амонію в стехіометричному співвідношенні. Для того, щоб уникнути небажаного осадження, дану стадію способу здійснюють при температурах від 30 °C до 60 °C та, переважно, утримують в діапазоні від 30 °C до 40 °C. Даний попередньо очищений розчин є придатним для розділення та очищення дикарбонової кислоти. Розділення кислого фільтрату після ультрафільтрації відбувається в блоці хроматографії з псевдо-рухомим шаром. Це є особливо ефективним варіантом високоефективної рідинної хроматографії, в якій серії з декількох розділювальних колонок, з'єднаних через клапани в нескінченний цикл, створюють велике число теоретичних тарілок, тим самим значно покращуючи ефективність розділення в хроматографії. Катіоніти та аніоніти використовують як нерухому фазу. Після того, як розчин подають, дикарбонова кислота зв'язується з нерухомою фазою та, як тільки небажані фракції розчину повторно вимиваються з системи, її елююють та виділяють окремо як екстракт. Демінералізовану воду та/або конденсовану пару використовують як елюєнт. Показано, що більш ніж 95 % дикарбонової кислоти, що міститься в фільтраті після ультрафільтрації, може бути вилучено в екстракт, співвідношення між фільтратом після ультрафільтрації та елюєнтом коливається від 1:1 до 1:2,5 з використанням восьми аніонообмінних колонок, сполучених в нескінченний цикл. Екстракт містить тільки невелику кількість сульфату амонію, оцтової кислоти та барвників з ферментаційного середовища. Рафінат, що вимивають містить максимум 1 г/л дикарбонової кислоти, а також сульфат амонію та супутні солі з ферментації, такі як фосфати, нітрати та хлориди. Для виробництва дикарбонової кислоти полімерного класу, глибоке очищення екстракту з блоку хроматографії з псевдорухомим шаром може додатково здійснюватися з використанням мембран, які мають відсікання від 100 до 400 Да. Показано, що нанофільтрація з відсіканням приблизно 200 Да дає гарні результати якості. Процес проводять таким чином, що забезпечується нанофільтраційний сольовий розчин, що не становить більше ніж 10 % від загальної пропускної здатності. Крім дикарбонової кислоти, сольовий розчин також містить оцтову кислоту та барвники, та може бути доданий до вихідної сировини для виробництва дикарбонової кислоти технічного класу якості. Фільтрат направляється на подальшу переробку до дикарбонової кислоти полімерного классу якості. В залежності від якості вихідної сировини, що використовують для ферментації, та параметрів процесу ферментації, додаткову глибоку очистку фільтрату з попередньої нанофільтрації або екстракт з ПРШ-хроматографії можуть здійснювати в наслідок того, що барвник та супутні залишки все ще є присутніми. У цьому випадку, глибока очистка за допомогою фільтрації з активованим вугіллям та/або іонобмінників розташованих в напрямку потоку. В залежності від хімічного аналізу забруднюючих речовин катіоніти та/або аніоніти можуть використовуватися як іонообмінні смоли. Продукт дикарбонової кислоти - як технічного, так і полімерного класу - отримують шляхом випаровування розчину дикарбонової кислоти та потім кристалізацією його. При цьому встановлено, що параметри процесу мають значний вплив на якість продукту. Для того, щоб отримати технічний клас якості з вмістом дикарбонової кислоти ≥ 97 мас. % достатньо, якщо випаровування та кристалізацію відбуваються за один прохід через дані багатостадійні етапи технологічного процесу. Розчин випаровують до концентрації від 30 до 50 мас. %. Встановлено, що градієнт температури, який застосовують для охолодження розчину під час кристалізації, є ключовим параметром для якості продукту. Таким чином, охолодження повинно відбуватися з кроком в 3-8 °C/хв. Та переважно з кроком в 3-5 °C/хв. Одержані кристали потім видаляють з маточного розчину шляхом відокремлення та промивають теплою водою температурою 40 °C, маточний розчин повертають на попередню стадію випаровування. Після відокремлення кристали сушать. Встановлено, що для того, щоб отримати дикарбонову кислоту полімерного класу якості з вмістом ≥ 99,5 мас. %, температура повинна знаходитися в діапазоні від 70 °C до 80 °C та розчин повинен бути скорегований до концентрації 50±5 мас. %. Встановлено, що градієнт температури протягом охолодження розчину є ключовим щодо якості кристалів. Таким чином, 2 UA 106915 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 охолодження відбувається з кроком від 1 °C до 5 °C/годину. Це призводить до одержання кристалів полімерного класу, які видаляють шляхом відокремлення та сушать. Маточний розчин можуть повертати в цикл. Якщо необхідно, після відокремлення кристали можуть розчиняти в демінералізованій воді та/або конденсованій парі, та повторюють стадію кристалізації і відокремлення. Кристали дикарбонової кислоти переважно видаляють шляхом відокремлення після кристалізації, накопичуючи маточний розчин, який повертають в цикл на попередню стадію випаровування, та кристали сушать. Сольові розчини після ультрафільтрації та нанофільтрації необов'язково можуть бути об'єднані та використані як вихідні розчини сировини для виробництва дикарбонової кислоти технічного класу якості. Висушені кристали є готовими для подальшого використання. Перевагою є застосування способу відповідно до винаходу для очищення дикарбонових кислот, вибраних з групи, що включає фумарову кислоту, малеїнову кислоту, адипінову кислоту, ітаконову кислоту, бензойну кислоту та інші, зокрема, для бурштинової кислоти. Приклад 1 Ферментаційне середовище, що містить сукцинат амонію, було попередньо очищене за допомогою фільтрації у відповідності з описом. Після перетворення солі амонію до кислотної форми бурштинової кислоти, розчин розділяють на 5,7 л екстракту та 6,6 л рафінату в блоці хроматографії з псевдорухомим шаром із загальною кількістю вісім розділювальних колон, кожна з сильно кислим катіонітом, в нескінченному циклі. Зі співвідношенням фільтрат/елюент 2,4 коефіцієнт вилучення бурштинової кислоти становив 99,9 %. Концентрація сульфату в екстракті становила 238 мг/л, та в рафінаті 35709 мг/л, досягаючи, таким чином, 99,4 % видалення сульфатів. Приклад 2 Ферментаційне середовище, що містить сукцинат амонію, було попередньо очищене за допомогою фільтрації у відповідності з описом. Після перетворення солі амонію до кислотної форми бурштинової кислоти, розчин розділяли на 5,3 л екстракту та 6,1 л рафінату в блоці хроматографії з псевдорухомим шаром із загальною кількістю вісім розділювальних колон, кожна з сильно кислим катіонітом, в нескінченному циклі. Зі співвідношенням фільтрат/елюент 2,2 коефіцієнт вилучення бурштинової кислоти становив 99,8 %. Досягали 97,9 % видалення сульфату. Приклад 3 Екстракт, що містить бурштинову кислоту, з блоку хроматографії з псевдорухомим шаром піддавали глибокому очищенню за допомогою нанофільтрації з відсіканням 200 Да. Вміст бурштинової кислоти, який становив 44,8 г/л, та сульфату, який становив 698 мг/л, проаналізували в екстракті. Відфільтрований екстракт кристалізували та проаналізували. Кристали мали вміст бурштинової кислоти – 1,031 г/л, вміст залишкового сульфату – 21,9 мг/л, та вміст хлориду – 13,8 мг/л. Кристали були "білого" кольору. Приклад 4 Екстракт, що містить бурштинову кислоту, з блоку хроматографії з псевдорухомим шаром, який містить 44,77 г/л бурштинової кислоти та 699 мг/л сульфату, піддавали глибокому очищенню за допомогою нанофільтрації з відсіканням 200 Да та наступної фільтрації з активованим вугіллям. Кристали, одержані після глибокого очищення, містили 1,065 г/л бурштинової кислоти та 35,3 мг/л залишкових сульфатів, а також 9,5 мг/л хлоридів. Кристали були "чисто білого" кольору. Приклад 5 Екстракт, що містить бурштинову кислоту, з блоку хроматографії з псевдорухомим шаром піддавали глибокому очищенню за допомогою іонного обміну. Екстракт містив 44,8 г/л бурштинової кислоти, 699 мг/л сульфатів та 1,88 мг/л хлоридів. Кристали, одержані з розчину після глибокого очищення, містили 967 г/л бурштинової кислоти, 37,6 мг/л сульфатів та 0,92 мг/л хлоридів. Кристали були "білого" кольору. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 55 60 1. Спосіб розділення, виділення та очищення дикарбонової кислоти з ферментаційного середовища, де спосіб включає наступні стадії, за якими: a) біомасу та будь-які тверді речовини, які присутні в ферментаційному середовищі, відокремлюють в два послідовних етапи; b) розчин дикарбонової кислоти виділяють з ферментаційного середовища вільного від біомаси за допомогою хроматографії з псевдорухомим шаром (ПРШ); 3 UA 106915 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 c) проводять глибоку очистку розчину дикарбонової кислоти; d) проводять багатоступінчате випаровування та кристалізацію; e) відокремлюють та сушать кристали. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що біомасу відокремлюють від ферментаційного середовища на стадії а) процесу на першому етапі, не знижуючи значення рН шляхом додавання кислоти, та без термічної інактивації за допомогою блока для фільтрування з попередньо нанесеним шаром допоміжної речовини та/або блока для мікрофільтрації, час між видаленням з ферментера та фільтрацією не перевищує 2 години, переважно становить менше ніж 1-2 години, та концентрація біомаси в фільтраті не перевищує 1 г/л. 3. Спосіб за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що на другому етапі стадії а) процесу відокремлення біомаси та твердих речовин здійснюють за допомогою одно- або двоступінчастого блока ультрафільтрації, застосовуючи мембрани з відсіканням 10 кДа, одержаний сольовий розчин повертають в цикл на перший етап стадії процесу а) в блок для фільтрування з попередньо нанесеним шаром допоміжної речовини або мікрофільтрації, та одержаний фільтрат направляють для подальшої переробки. 4. Спосіб за будь-яким з пп. 1-3, який відрізняється тим, що фільтрат ультрафільтрації з другого етапу стадії а) процесу підкислюють до значення рН від 2,2 до 2,4, застосовуючи концентровану сірчану кислоту, таким чином, перетворюючи сіль дикарбонової кислоти, що міститься в очищеному ферментаційному розчині, до дикарбонової кислоти, та, одержуючи сіль в стехіометричному співвідношенні, температуру підкисленого ультрафільтраційного фільтрату підтримують в діапазоні між 30 та 60 °C, а переважно в діапазоні між 30 та 40 °C. 5. Спосіб за будь-яким з пп. 1-4, який відрізняється тим, що на стадії b) ультрафільтраційний фільтрат розділяють в блоці хроматографії з псевдорухомим шаром (ПРШ) на екстракт, що містить основну кількість дикарбонової кислоти, та рафінат, що містить основну кількість сульфату амонію, а також невелику кількість супутніх солей, таких як фосфати, нітрати й хлориди, ультрафільтраційний фільтрат та елюент, що додають безперервно, є в співвідношенні фільтрат:елюєнт від 1:1,5 до 1:2,5, дикарбонова кислота, що зв'язується зі стаціонарною фазою ПРШ, яка містить катіоніт та/або аніоніт, екстракт, що містить дикарбонову кислоту з вмістом дикарбонової кислоти 1 г/л, та рафінат збирають окремо один від одного, дикарбонову кислоту виділяють з ультрафільтраційного фільтрату з ефективністю 95 %. 6. Спосіб за п. 5, який відрізняється тим, що екстракт з блоку хроматографії ПРШ піддають нанофільтрації на стадії с) процесу, мембрани, які мають відсікання від 100 до 400 Да та, переважно, 200 Да. 7. Спосіб за будь-яким з пп. 1-6, який відрізняється тим, що процес стадії с) передбачає глибоке очищення за допомогою фільтрації з активованим вугіллям та/або катіонітів, та/або аніонітів, яке проводять з очищеною дикарбоновою кислотою. 8. Спосіб за будь-яким з пп. 1-7, який відрізняється тим, що на стадії d) процесу спочатку дикарбонову кислоту концентрують шляхом багатоступінчатого випаровування очищеного розчину дикарбонової кислоти, а потім виділяють в вигляді кристалів шляхом кристалізації, з одноразовим проходженням через багатоступінчате випаровування та кристалізацію, та охолодженням концентрованої дикарбонової кислоти в кристалізаторі з кроком 3-8 °C/хв., та переважно 3-5 °C/хв., щоб отримати дикарбонову кислоту технічного класу якості з вмістом дикарбонових кислот 97 мас. %, і розчин доводять до температури 70-80 °C та концентрації 50±5 мас. % з наступною кристалізацією шляхом охолодження концентрату з кроком 1-5 °C/годину та, якщо необхідно, повторення даної стадії після відокремлення кристалів та розчинення в демінералізованій воді та/або конденсованій парі, для отримання дикарбонової кислоти полімерного класу якості з вмістом 99,5 мас. %. 9. Спосіб за будь-яким з пп. 1-8, який відрізняється тим, що після кристалізації кристали дикарбонової кислоти виділяють шляхом відокремлення на стадії e) процесу з накопиченням маточного розчину, який повертають в цикл на попередню стадію d) процесу випаровування та після цього кристали сушать. 10. Спосіб за будь-яким з пп. 1-9, який відрізняється тим, що ультрафільтраційний сольовий розчин з другого етапу стадії а) процесу та нанофільтраційний сольовий розчин зі стадії с) процесу об'єднують та застосовують як розчин сировини для виробництва дикарбонової кислоти технічного класу якості, продовжуючи проходження через стадії процесу. 4 UA 106915 C2 11. Спосіб за будь-яким з пп. 1-10, який відрізняється тим, що процес застосовують для очищення дикарбонових кислот, вибраних з групи, що складається з фумарової кислоти, малеїнової кислоти, адипінової кислоти, ітаконової кислоти, та інших, зокрема для бурштинової кислоти. 5 Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5