通過亞臨界或超臨界流體色譜純化羧酸的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及用于純化羧酸的方法。還教導用于執行所述方法的設備和根據本發明 的方法的用途。不能使用蒸餾分離或者只能難以分離的羧酸的分離是非常復雜的。
【背景技術】
[0002] 使用包含碳水化合物的基質的發酵中的各種微生物制備的羧酸的工業應用的關 鍵是從這些水發酵溶液中分離和純化期望的羧酸的經濟可行性和效率，所述水發酵溶液除 了包含羧酸或羧酸鹽之外還包含其它有機酸，其它發酵副產物，微生物及其組分，以及基質 的殘余物，如糖。這些雜質干擾所制備的羧酸的隨后處理。例如，乳酸聚合從而形成聚乳 酸，所述聚乳酸用于制備可生物降解的塑料。出于該目的，必須使用非常純的單體從而保證 實現乳酸的高度聚合。這在一段時間內已經已知并且例如在J. Dahlmann等人的British Polymer Journal，第 23 卷（1990)，第 235. 240 頁中有所公開。
[0003] 已知例如琥珀酸是相似的。可以根據具有至少97質量％的琥珀酸含量和具有至 少99. 5質量％的含量的特別適用于聚合（聚合級）的琥珀酸的技術品質進行分級從而區 分制備的瑰?自酸的品質。
[0004] 許多專利描述了由發酵溶液制備琥珀酸，包括
[0005] -使用提取劑（例如三丁胺、三烷基胺，烯烴，各種醇，和芳族烴）的提取方法，
[0006] -使用氫氧化鈣和硫酸的方法，其中作為副產物產生石膏，
[0007] -使用電滲析的方法，
[0008] -熱方法，例如分餾或熱分級色譜法，
[0009] -使用CO2的高壓提取，
[0010] -膜方法，例如反滲透和其它過濾方法，
[0011] 其中討論了這些方法的結合以及用符合現有技術的其它步驟補充這些方法。這些 類型的方法特別描述于專利說明書DE 69821951 Τ2 ;DE 69015233 Τ2 ;DE 69015019 Τ2 ;DE 69006555 T2 ；DE 69015019 ；DE19939690C2 ；DE 60028958T2 ；DE 10 2004 026152 Al〇
[0012] W02011082378A2涉及從包含琥珀酸銨的發酵液中純化琥珀酸的方法。該發明中描 述的用于純化琥珀酸的方法涉及使用離子交換樹脂從而分裂發酵液中的琥珀酸銨。在發酵 液通過陽離子交換樹脂的過程中，琥珀酸銨分裂成銨陽離子和琥珀酸根陰離子。樹脂表面 上的質子交換銨離子并且琥珀酸根陰離子通過從離子交換樹脂釋放的質子還原成琥珀酸。 通過加入強酸（例如硫酸）從樹脂釋放結合的銨，因此再生離子交換樹脂用于隨后的使用。 源自該方法的再生步驟的硫酸銨副產物可以用作肥料源。也可以使用陰離子交換樹脂進行 該用于從包含琥珀酸銨的發酵液中分離琥珀酸的方法，其中琥珀酸根陰離子保持在離子交 換樹脂的表面上并且隨后在再生步驟的過程中從離子交換樹脂釋放。
[0013] 此外，已知多種關于純化乳酸的方法。
[0014] 例如，許多專利教導使用蒸餾從水溶液中純化乳酸。EP 0986532 B2本身利用這 種類型的方法。DE 10 2007 045 701 B3揭露了使用線性正三辛胺（TOA)的結合提取和蒸 餾。通過專題文獻已知的其它可能性為電滲析和/或用醇進行酯化，其中在該情況下也在 形成的酯上進行蒸餾并且之后進行水解。這些方法非常昂貴。此外，蒸餾的缺點在于始終 也提取一部分碳水化合物，這造成整個方法產量的劣化并且使得更難以分離產物。
[0015] 也已知使用氫氧化鈣和硫酸的方法，其中作為副產物產生大量石膏。在這種背景 下，還發現可以使用色譜方法從例如用硫酸酸化的發酵液中分離乳酸，所述發酵液除了游 離的乳酸之外還包含銨和硫酸根離子。例如，DE 69815369 T2特別描述了通過吸附至固體 吸附劑從而從水混合物中分離乳酸，在此優選使用吸附乳酸而不是乳酸鹽的固體吸附劑。 根據上述說明書，特別可以考慮弱陰離子交換劑用于分離乳酸。此外，DE 8 Al 描述了用于純化有機酸（特別是乳酸）的色譜方法，其中進行模擬移動床色譜。
[0016] 許多方法的缺點是向方法中加入額外物質，所述額外物質不可以包含在目標產物 中，和/或目標產物中任何痕量的所述額外物質可以造成產物品質和應用的限制。此外，方 法的實際執行在一定程度上還涉及巨大的技術投資和能量消耗。

【發明內容】

[0017] 本發明的目的是提供能夠從發酵液中分離和純化羧酸的方法，所述方法避免了其 它方法的已知缺點。期望的方法還應當提供用于進行相關方法的裝置和用于當前方法的用 途。
[0018] 本發明特別要求保護用于純化具有一至五個碳原子鏈長的羧酸的方法，包括如下 步驟：
[0019] a.將羧酸轉化成其單酯和/或其二酯，和
[0020] b.通過使用亞臨界或超臨界移動相的亞臨界或超臨界流體色譜處理羧酸的單酯 和/或其二酯。
[0021] 亞臨界或超臨界流體色譜（SFC)為分離方法，其中通常使用低于或高于臨界壓力 和臨界溫度的二氧化碳作為移動相。移動相攜帶樣本通過柱，所述柱填充有固定相。由于 化合物的不同的吸附勢（意指化合物分子和固定相表面之間的不同的相互作用），多種化 合物的分離是有可能的。相互作用表現為偶極子、感應偶極子或氫鍵。吸附勢為打破化合 物和固定相表面之間的相互作用所需的能量。因此，移動相的溶劑強度（化合物在移動相 中的溶解度）必須足夠大從而避免長期吸附。可以使用壓力變化和溫度變化操縱二氧化碳 的溶劑強度和其它性質。
[0022] 在分離極性化合物的情況下，應當用極性改性劑（例如乙醇和甲醇）改性純的非 極性二氧化碳從而增強溶劑強度。
[0023] SFC的優點是使用在大氣壓下為氣態的可壓縮流體；因此產物不包含任何溶劑殘 留。可以使用變化的密度和蒸汽壓（意指改變的壓力和溫度）調節化合物在亞臨界或超 臨界流體中的溶解度。使用SFC技術分離氨基酸公開于Nogle L.M.等人的"Preparative separation and identification of derivatized beta-methylphenylalanine enantiomers by chiral SFCj HPLC and NMR for development of new peptide ligand mimetics in drug discovery''，Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis， 紐約，紐約州，美國，第40卷，第4刊，2006年3月3日，第901-909頁。使用超臨界流體色 譜純化脂肪酸并且使其經受SFC公開于WO 2007/147554 A2。但是在這些文獻中，不同于本 發明，需要分離的物質溶于超臨界流體，而在本發明中具有一至五個碳原子鏈長的羧酸幾 乎不溶于超臨界流體，因此需要提前轉換成溶于超臨界流體的物質。
[0024] 為了進行方法步驟a)酯的合成在現有技術中是公知的并且描述于 例如US1400852。一些近期出版物也描述了將琥珀酸轉化成酯作為純化方法 (Or juela, A. , Abraham J. , Yanez, A. J. , Peereboom, L. , Lira, C. T. , Miller, D. J. , A novel process for recovery of fermentation-derived succinic acid, Separation and Purification Technology，（2011)，83,31 - 37，和 Orjuela, A.，Kolah，A.，Hong, X.，L ira, C. T. , Miller, D. J. Diethyl succinate synthesis by reactive distillation， Separation and Purification Technology，（2012)，88,151 - 162)〇
[0025] US6291708BI也描述了用于制備有機酸的方法并公開了任選同時制備有機酸的酯 的方法。所述方法包括如下步驟：(a)結合水稀釋劑、有機酸的銨鹽和醇，因此形成均相液 體進料混合物；(b)在足以抑制醇的至少一些蒸發的壓力下迅速加熱進料混合物并且將其 保持在足以使有機酸的銨鹽分解成氨和游離有機酸的溫度和時間，同時從反應物料轉移設 備中迅速除去氨，并且任選使至少一些游離有機酸與醇反應從而形成有機酸的酯，因此制 備⑴包含氨、水和醇的蒸汽產物流，和（ii)包含游離有機酸、任選酯和醇的液體產物流， 其中基于蒸汽產物流和液體產物流中的醇的總量，至少約10重量％存在于液體產物流中； 和（c)從液體產物流中回收游離有機酸和任選的酯。液體進料混合物可以包含通過發酵方 法制備的濃縮原液或部分純化液。
[0026] 在本發明的優選的實施方案中，在Ibar至1000 bar的壓力范圍內，優選在IObar 至500bar的壓力范圍內進行方法步驟b)。在0 °C至200 °C的溫度范圍內，優選在5 °C至80 °C 的溫度范圍內進行所述方法。
[0027] 亞臨界或超臨界流體色譜的固定相以手性或非手性固定相的方式進行。在本發 明的方法的實施方案中，非手性固定相基于二氧化硅。固定相上結合有官能團。官能團選 自羥基、氟苯基官能團、氰基、氨基官能團、酰胺官能團、具有1、6、8或18個碳原子的烴鏈、 苯基官能團、與硅醇基團反應的丙三醇分子和化學結合的2-乙基吡啶。官能團特別選自 2-和4-乙基吡啶、聯吡啶、二氰基咪唑、嗎啉、丙基乙酰胺、苯甲酰胺、甲烷磺酰胺、苯磺酰 胺、氣苯橫酰胺、4-硝基苯橫酰胺，二乙氨基丙基和3-氨基丙基-N-二硝基甲苯。
[0028] 大量包含二氧化硅基酰胺、尿素、磺酰胺和吡啶的固定相可市售獲得。
[0029] 在另一個實施方案中，手性固定相基于選自纖維素或環糊精的寡糖。對于這些柱 CHIRSLPAK IA(淀粉酶的衍生物）、CHIRALPAK IB和CHIRALPAK IC(纖維素的衍生物）、 CHIRALPAK AO?和CHIRALPAK AS? CHIRALCEL OD和0J，可以使用離子交換柱和配體交 換柱。
[0030] 此外，通過在二氧化碳、一氧化二氮、丙烷、六氟化硫、乙烷及其混合物中選擇亞臨 界或超臨界移