通过亚临界或超临界流体色谱纯化羧酸的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于纯化羧酸的方法。还教导用于执行所述方法的设备和根据本发明 的方法的用途。不能使用蒸馏分离或者只能难以分离的羧酸的分离是非常复杂的。
【背景技术】
[0002] 使用包含碳水化合物的基质的发酵中的各种微生物制备的羧酸的工业应用的关 键是从这些水发酵溶液中分离和纯化期望的羧酸的经济可行性和效率，所述水发酵溶液除 了包含羧酸或羧酸盐之外还包含其它有机酸，其它发酵副产物，微生物及其组分，以及基质 的残余物，如糖。这些杂质干扰所制备的羧酸的随后处理。例如，乳酸聚合从而形成聚乳 酸，所述聚乳酸用于制备可生物降解的塑料。出于该目的，必须使用非常纯的单体从而保证 实现乳酸的高度聚合。这在一段时间内已经已知并且例如在J. Dahlmann等人的British Polymer Journal，第 23 卷（1990)，第 235. 240 页中有所公开。
[0003] 已知例如琥珀酸是相似的。可以根据具有至少97质量％的琥珀酸含量和具有至 少99. 5质量％的含量的特别适用于聚合（聚合级）的琥珀酸的技术品质进行分级从而区 分制备的瑰?自酸的品质。
[0004] 许多专利描述了由发酵溶液制备琥珀酸，包括
[0005] -使用提取剂（例如三丁胺、三烷基胺，烯烃，各种醇，和芳族烃）的提取方法，
[0006] -使用氢氧化钙和硫酸的方法，其中作为副产物产生石膏，
[0007] -使用电渗析的方法，
[0008] -热方法，例如分馏或热分级色谱法，
[0009] -使用CO2的高压提取，
[0010] -膜方法，例如反渗透和其它过滤方法，
[0011] 其中讨论了这些方法的结合以及用符合现有技术的其它步骤补充这些方法。这些 类型的方法特别描述于专利说明书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涉及从包含琥珀酸铵的发酵液中纯化琥珀酸的方法。该发明中描 述的用于纯化琥珀酸的方法涉及使用离子交换树脂从而分裂发酵液中的琥珀酸铵。在发酵 液通过阳离子交换树脂的过程中，琥珀酸铵分裂成铵阳离子和琥珀酸根阴离子。树脂表面 上的质子交换铵离子并且琥珀酸根阴离子通过从离子交换树脂释放的质子还原成琥珀酸。 通过加入强酸（例如硫酸）从树脂释放结合的铵，因此再生离子交换树脂用于随后的使用。 源自该方法的再生步骤的硫酸铵副产物可以用作肥料源。也可以使用阴离子交换树脂进行 该用于从包含琥珀酸铵的发酵液中分离琥珀酸的方法，其中琥珀酸根阴离子保持在离子交 换树脂的表面上并且随后在再生步骤的过程中从离子交换树脂释放。
[0013] 此外，已知多种关于纯化乳酸的方法。
[0014] 例如，许多专利教导使用蒸馏从水溶液中纯化乳酸。EP 0986532 B2本身利用这 种类型的方法。DE 10 2007 045 701 B3揭露了使用线性正三辛胺（TOA)的结合提取和蒸 馏。通过专题文献已知的其它可能性为电渗析和/或用醇进行酯化，其中在该情况下也在 形成的酯上进行蒸馏并且之后进行水解。这些方法非常昂贵。此外，蒸馏的缺点在于始终 也提取一部分碳水化合物，这造成整个方法产量的劣化并且使得更难以分离产物。
[0015] 也已知使用氢氧化钙和硫酸的方法，其中作为副产物产生大量石膏。在这种背景 下，还发现可以使用色谱方法从例如用硫酸酸化的发酵液中分离乳酸，所述发酵液除了游 离的乳酸之外还包含铵和硫酸根离子。例如，DE 69815369 T2特别描述了通过吸附至固体 吸附剂从而从水混合物中分离乳酸，在此优选使用吸附乳酸而不是乳酸盐的固体吸附剂。 根据上述说明书，特别可以考虑弱阴离子交换剂用于分离乳酸。此外，DE 102009019248 Al 描述了用于纯化有机酸（特别是乳酸）的色谱方法，其中进行模拟移动床色谱。
[0016] 许多方法的缺点是向方法中加入额外物质，所述额外物质不可以包含在目标产物 中，和/或目标产物中任何痕量的所述额外物质可以造成产物品质和应用的限制。此外，方 法的实际执行在一定程度上还涉及巨大的技术投资和能量消耗。
【发明内容】
[0017] 本发明的目的是提供能够从发酵液中分离和纯化羧酸的方法，所述方法避免了其 它方法的已知缺点。期望的方法还应当提供用于进行相关方法的装置和用于当前方法的用 途。
[0018] 本发明特别要求保护用于纯化具有一至五个碳原子链长的羧酸的方法，包括如下 步骤：
[0019] a.将羧酸转化成其单酯和/或其二酯，和
[0020] b.通过使用亚临界或超临界移动相的亚临界或超临界流体色谱处理羧酸的单酯 和/或其二酯。
[0021] 亚临界或超临界流体色谱（SFC)为分离方法，其中通常使用低于或高于临界压力 和临界温度的二氧化碳作为移动相。移动相携带样本通过柱，所述柱填充有固定相。由于 化合物的不同的吸附势（意指化合物分子和固定相表面之间的不同的相互作用），多种化 合物的分离是有可能的。相互作用表现为偶极子、感应偶极子或氢键。吸附势为打破化合 物和固定相表面之间的相互作用所需的能量。因此，移动相的溶剂强度（化合物在移动相 中的溶解度）必须足够大从而避免长期吸附。可以使用压力变化和温度变化操纵二氧化碳 的溶剂强度和其它性质。
[0022] 在分离极性化合物的情况下，应当用极性改性剂（例如乙醇和甲醇）改性纯的非 极性二氧化碳从而增强溶剂强度。
[0023] SFC的优点是使用在大气压下为气态的可压缩流体；因此产物不包含任何溶剂残 留。可以使用变化的密度和蒸汽压（意指改变的压力和温度）调节化合物在亚临界或超 临界流体中的溶解度。使用SFC技术分离氨基酸公开于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， 纽约，纽约州，美国，第40卷，第4刊，2006年3月3日，第901-909页。使用超临界流体色 谱纯化脂肪酸并且使其经受SFC公开于WO 2007/147554 A2。但是在这些文献中，不同于本 发明，需要分离的物质溶于超临界流体，而在本发明中具有一至五个碳原子链长的羧酸几 乎不溶于超临界流体，因此需要提前转换成溶于超临界流体的物质。
[0024] 为了进行方法步骤a)酯的合成在现有技术中是公知的并且描述于 例如US1400852。一些近期出版物也描述了将琥珀酸转化成酯作为纯化方法 (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也描述了用于制备有机酸的方法并公开了任选同时制备有机酸的酯 的方法。所述方法包括如下步骤：(a)结合水稀释剂、有机酸的铵盐和醇，因此形成均相液 体进料混合物；(b)在足以抑制醇的至少一些蒸发的压力下迅速加热进料混合物并且将其 保持在足以使有机酸的铵盐分解成氨和游离有机酸的温度和时间，同时从反应物料转移设 备中迅速除去氨，并且任选使至少一些游离有机酸与醇反应从而形成有机酸的酯，因此制 备⑴包含氨、水和醇的蒸汽产物流，和（ii)包含游离有机酸、任选酯和醇的液体产物流， 其中基于蒸汽产物流和液体产物流中的醇的总量，至少约10重量％存在于液体产物流中； 和（c)从液体产物流中回收游离有机酸和任选的酯。液体进料混合物可以包含通过发酵方 法制备的浓缩原液或部分纯化液。
[0026] 在本发明的优选的实施方案中，在Ibar至1000 bar的压力范围内，优选在IObar 至500bar的压力范围内进行方法步骤b)。在0 °C至200 °C的温度范围内，优选在5 °C至80 °C 的温度范围内进行所述方法。
[0027] 亚临界或超临界流体色谱的固定相以手性或非手性固定相的方式进行。在本发 明的方法的实施方案中，非手性固定相基于二氧化硅。固定相上结合有官能团。官能团选 自羟基、氟苯基官能团、氰基、氨基官能团、酰胺官能团、具有1、6、8或18个碳原子的烃链、 苯基官能团、与硅醇基团反应的丙三醇分子和化学结合的2-乙基吡啶。官能团特别选自 2-和4-乙基吡啶、联吡啶、二氰基咪唑、吗啉、丙基乙酰胺、苯甲酰胺、甲烷磺酰胺、苯磺酰 胺、氣苯横酰胺、4-硝基苯横酰胺，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获得。
[0029] 在另一个实施方案中，手性固定相基于选自纤维素或环糊精的寡糖。对于这些柱 CHIRSLPAK IA(淀粉酶的衍生物）、CHIRALPAK IB和CHIRALPAK IC(纤维素的衍生物）、 CHIRALPAK AO?和CHIRALPAK AS? CHIRALCEL OD和0J，可以使用离子交换柱和配体交 换柱。
[0030] 此外，通过在二氧化碳、一氧化二氮、丙烷、六氟化硫、乙烷及其混合物中选择亚临 界或超临界移