DE10149869A1

DE10149869A1 - Verfahren zur Isolierung von Salzen von organischen Säuren aus einer Fermentationsbrühe und zur Freisetzung der organischen Säure

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Publication number: DE10149869A1
Application number: DE10149869A
Authority: DE
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 2001-10-10
Filing date: 2001-10-10
Publication date: 2003-04-24
Also published as: EP1436245A1; WO2003033448A1; US20040262161A1; CN1568299A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Isolierung von Salzen von organischen Säuren aus einer wässrigen Lösung, insbesondere aus einem Fermentationsaustrag, durch partielle Verdampfungskristallisation und anschließender oder gleichzeitiger Verdrängungsfällung ihres Salzes sowie zur Freisetzung der organischen Säure aus dem Kristallisat, vorzugsweise mittels eines Elektromembranverfahrens.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Isolierung von Salzen von organischen Säuren aus einer wässrigen Lösung, insbesondere aus einem Fermentationsaustrag, durch partielle Verdampfungskristallisation und anschließender oder gleichzeitiger Verdrängungsfällung ihres Salzes, sowie zur Freisetzung der organischen Säure aus dem Kristallisat, vorzugsweise mittels eines Elektromembranverfahrens.
Organische Säuren, insbesondere Carbonsäuren, sind wirtschaftlich bedeutende Chemikalien, die eine breite Anwendung u. a. in der Ernährung, Kosmetik oder Medizin finden; entweder als aktive Substanzen oder als Zwischenprodukte bei der Herstellung dieser Substanzen. So wird Milchsäure als Konservierungsstoff in Nahrungsmitteln eingesetzt und bei Arzneimittelzubereitungen zugesetzt. Milchsäuremonomere bilden die Grundlage für die Herstellung von abbaubaren Kunststoffen. Die Polyhydroxyketocarbonsäure 2-Keto-L-gulonsäure (KGS) ist ein zentrales Zwischenprodukt bei der Herstellung von Vitamin C. Die Herstellung solcher organischer Säuren und ihrer Folgeprodukte zeichnet sich durch besondere Anforderungen an Reinheit und Ausbeute in allen Verfahrensstufen aus: zum einen, um den Einsatz des Endprodukts bei der Anwendung zur menschlichen Ernährung zu ermöglichen und andererseits, um die Kosten bei der Herstellung möglichst zu verringern.
Organische Säuren werden vorwiegend über konventionelle chemische Synthesen hergestellt. Bei dem sogenannten Reichsteinverfahren zur Herstellung von KGS handelt es sich um einen vielstufigen und sehr aufwendigen Prozess. In den letzten Jahrzehnten wurden daher biotechnologische Verfahren entwickelt, die weniger Reaktionsschritte aufweisen und einer geringeren Schutzgruppenchemie bedürfen.
In neueren Verfahren wird KGS in einem ein- oder mehrstufigen fermentativen Prozess gewonnen, beispielsweise durch die zweistufige Fermentation von Sorbitol über Sorbose mit hierzu geeigneten, teils speziell modifizierten Mikroorganismen.
Aus den Fermentationslösungen wird KGS nach unterschiedlichen Varianten durch Nutzung klassischer verfahrenstechnischer Grundoperationen wie Ionenaustausch, Kristallisation, Extraktion etc. isoliert und zu Ascorbinsäure umgesetzt.
Während jedoch insbesondere die fermentative Herstellung von organischen Säuren, wie z. B. der Carbonsäuren Milchsäure, Zitronensäure oder Gulonsäure, häufig sehr einfach ist, ist die Isolierung und Aufreinigung des Produktes der Synthesen oder der Fermentationen gewöhnlich schwierig und wenig effizient. Hierbei wirken zwei Umstände besonders erschwerend:
Zum einen enthalten die Produktlösungen in erheblicher Menge Verunreinigungen, die teils stark gefärbt sind. So sind bei Fermentationslösungen schon nach nur 80%iger Abtrennung des Wertstoffs in den resultierenden Mutterlaugen im allgemeinen mehr Nebenkomponenten enthalten als Wertprodukt. Mit zunehmender Ausbeute wird daher die Mitisolierung von Verunreinigungen immer wahrscheinlicher. Zum anderen zeigen organische Säuren unter den üblichen verfahrenstechnischen Herstellung- und Aufreinigungsbedingungen eine pH- und temperaturabhängige Neigung zu Zersetzung und Bildung störender, ebenfalls gefärbter Nebenkomponenten.
So wird anstelle der direkten Gewinnung von organischen Säuren, wie z. B. KGS, in der Literatur die Isolierung von Salzen dieser Säuren, so z. B. des Natrium-2-keto-L-gulonats (Na-KGS), als vorteilhaft beschrieben. Die Salze weisen nicht nur eine geringere Empfindlichkeit gegenüber thermischer Belastung auf, sondern können auch bei neutralen pH-Werten isoliert werden, bei denen die Zersetzungsneigung geringer als im sauren Milieu ist. Aus den Salzen lässt sich die aufgereinigte Säure in einer weiteren Verfahrensstufe, z. B. durch Ionenaustausch oder Elektrodialyse freisetzen.
In der Schrift WO 01/09074 wird eine Trocknung der noch mit Zellmasse befrachteten, Ketogulonat-haltigen Fermentationslösung vorgeschlagen. Die getrocknete Fermentationsbrühe wird dann in Alkohol suspendiert, die unlöslichen Bestandteile der alkoholischen Lösung werden entfernt. KGS kann mit einer wasserarmen Mineralsäure freigesetzt werden. Während sich KGS dabei in dem Alkohol löst, fällt das Salz der Mineralsäure aus. Bezüglich des verfahrenstechnischen Aufwandes bei der weiteren Umsetzung der KGS bzw. der Aufarbeitung der zu bildenden Ascorbinsäure sind keine Vorteile zu erwarten, da während der Trocknung keine Verunreinigungen abgetrennt werden. Die Verunreinigungen werden zumindest teilweise in der alkoholischen Lösung gelöst und müssen später verlustreich abgetrennt werden.
EP 0805210 beschreibt die Möglichkeiten und Grenzen einer Isolierung von Na-KGS aus einer aufgereinigten Fermentationslösung mittels Verdampfungs-, Kühlungs- oder Verdrängungskristallisation. In Beispiel 1 wird dort gezeigt, dass bei diskontinuierlicher Fahrweise mindestens vier Kristallisationsstufen mit nachfolgender Aufarbeitung der Mutterlaugen und Waschwässer benötigt werden, um eine Ausbeute von 95,5% zu erzielen. Weiter werden im Beispiel 2 Daten zu einer kontinuierlichen Verdampfungskristallisation unter Laborbedingungen genannt aus denen sich nur eine Gesamtausbeute von 83,6% ergibt. Für einen großtechnischen Prozess liegt dieser Wert ungünstig niedrig.
Wang beschreibt in "Lizi Jiaohuan Yu Xifu" (1998, 14(2), 175-179) die Reinigung von Mutterlaugen einer Kristallisation von Na-KGS durch Behandlung mit Adsorberharzen. Durch teilweise Abtrennung färbender und sonstiger störender Komponenten durch Adsorption von Na-KGS auf dem Harz und Auswaschen der Verunreinigungen kann eine anschließende Kristallisation die Gesamtausbeute eines Verfahrens von 75% einer reinen Verdampfungskristallisation bis auf 94% steigern. Dieser verfahrenstechnische Weg birgt jedoch einen nicht unerheblichen Aufwand für zusätzliche Verfahrensstufen, Anfall großer Mengen verdünnter Spüllösungen und Regenerierung des Harzes.
In JP 52066684 wird Na-KGS aus Ca-KGS freigesetzt und anschließend durch Hinzufügen eines Lösungsmittels, beispielsweise eines niederen Ketons oder Alkohols zur Ausfällung gebracht. Die Probleme dieser Vorgehensweise bestehen darin, dass einerseits sehr große Lösungsmittelmengen hinzugefügt werden müssen, um hohe Ausbeuten zu erzielen. Im Fall von Na-KGS und Methanol muss beispielsweise eine wirtschaftlich unvorteilhaft hohe Menge von 10 kg Methanol/kg Wertprodukt eingesetzt werden, um ausgehend von einer bei Raumtemperatur gesättigten, ca. 18%igen Lösung eine Ausbeute von 95% zu erzielen. Andererseits wird durch Zugabe des Begleitstoffes nicht nur die Löslichkeit des Wertprodukts, sondern sehr unselektiv auch die Löslichkeit vieler Begleitstoffe herabgesetzt. Bei Erreichung von Ausbeuten jenseits der 90% wird daher stets auch die Fällung der Nebenkomponenten und damit eine Verunreinigung des Na-KGS bewirkt.
Bei den bekannten Verfahren zur Isolierung oder Aufreinigung von Salzen von organischen Säuren, insbesondere von 2-Keto-L-Gulonat, wird somit die Ausbeute durch physikalische Eigenschaften der Lösungen wie z. B. Viskosität, Farbe oder begrenzte Löslichkeit der Nebenkomponenten begrenzt.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit das Problem zugrunde, dass bei der Isolierung oder Aufreinigung von organischen Säuren aus Fermentationsbrühen, insbesondere von Carbonsäuren, wie z. B. Ketogulonsäuren, Milchsäure, Zitronensäure, Vanillinsäure, Idonsäure, Gulonsäure, insbesondere Ascorbinsäure, 2,4-Diketo-D- gulonsäure, 2,5-Diketo-D-gulonsäure oder 2-Keto-L-gulonsäure, somit entweder starke Produktverunreinigungen in Kauf genommen werden müssen, die dann in späteren Verfahrensstufen verlustreich abgetrennt werden oder es werden bei hohen Reinheiten nur geringe Ausbeuten erzielt. Die im Stand der Technik zur Verfügung gestellten Verfahren sind somit aufgrund der hohen Zahl ari Verfahrensschritten z. B. für die Aufbereitung der Fermentationsbrühe oder um gute Ausbeuten zu erreichen sehr zeitaufwendig, zudem aufgrund eines hohen Verbrauchs an Energie und organischen, größtenteils toxischen Lösungsmittel ökologisch bedenklich.
Die Aufgabe der vorliegend Erfindung ist es somit, ein vorteilhaftes Verfahren zur Verfügung zu stellen, um freie organische Säuren bzw. ihre Salze wirtschaftlich, ökologisch und effizient aus Fermentationsbrühen isolieren zu können.
Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problem wird durch die in den Ansprüchen der vorliegenden Erfindung charakterisierten Ausführungsformen gelöst.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Isolierung eines Salzes einer organischen Säure aus einer Fermentationsbrühe, umfassend die Schritte

a) partielles Verdampfungskristallisieren; und
b) Verdrängungsfällen des Salzes.

Unter dem Begriff "organische Säure" wird eine substituierte oder nicht substituierte, verzweigte oder unverzweigte Kohlenstoffkette verstanden aus 3 bis 20 Kohlenstoffatomen, bevorzugt aus 4 bis 10 Kohlenstoffatomen, mehr bevorzugt aus 5 bis 7 Kohlenstoffatomen mit einer oder mehr Carboxylgruppe(n) (-COOH). Vorzugsweise wird somit unter einer "organischen Säure" eine Carbonsäure verstanden. Die Carbonsäure kann auch eine oder mehrere Ketogruppe(n) (-C=O) tragen. Die organische Säure kann z. B. durch die fermentative Umwandlung von Sacchariden, z. B. Stärke, Sucrose oder Glucose hergestellt werden. Beispiele für organische Säuren sind z. B. Ketogulonsäuren, Milchsäure, Zitronensäure, Vanillinsäure, Idonsäure, Gulonsäure, insbesondere Ascorbinsäure, 2,4-Ketogulonsäure, 2,5-Deketo-D-gulonsäure oder 2-Keto-L-gulonsäure. Der Begriff organische Säuren umfasst ebenfalls z. B. Essigsäure, Maleinsäure, Malonsäure, Salizylsäure, Glycolsäure, Glutarsäure, Benzoesäure, Propionsäure, Oxalsäure, Stearinsäure, Ascorbinsäure, Glutaminsäure, etc. oder Gemische davon. Unter dem Begriff "partielles Verdampfungskristallisieren" (oder hierin gleichwertig "partielle Verdampfungskristallisation") wird erfindungsgemäß verstanden, dass die Fermentationsbrühe zum Teil eingedampft wird, so dass die darin gelösten Salze der zu isolierenden Säure, insbesondere von Milchsäure, Zitronensäure, Ascorbinsäure, Gulonsäure oder 2-Keto-L-gulonsäure, partiell ausfallen, d. h. vorzugsweise bleiben 10 bis 95% des organischen Salzes in der Brühe gelöst. Die Verdampfungskristallisation kann unter normalem oder unter verringertem Druck durchgeführt werden.
Ein Teil einer Verdampfungskristallisation kann durch eine "Kühlungskristallisation" ersetzt werden. Im erfindungsgemäßen Verfahren kann die partielle Verdampfungskristallisation mit einer "partiellen Kühlungskristallisation" kombiniert werden. Unter dem Begriff "partielle Kühlungskristallisation" wird erfindungsgemäß verstanden, dass die Fermentationsbrühe, insbesondere die in der Verdampfungskristallisation bereits an organischem Salz abgereicherte Fermentationslösung, so abgekühlt wird, dass die darin gelösten Salze der zu isolierenden Säure, insbesondere von Milchsäure, Zitronensäure, Ascorbinsäure, Gulonsäure oder 2-Keto-L-gulonsäure, partiell ausfallen.
Unter "partielle Fällung" wird verstanden, dass nach der Fällung 10 bis 95% des organischen Salzes in der Brühe gelöst bleiben.
Unter dem Begriff "Verdrängungsfällen" (oder gleichwertig "Verdrängungsfällung") wird erfindungsgemäß verstanden, dass die genannten Salze, insbesondere von Milchsäure, Zitronensäure, Ascorbinsäure, Gulonsäure oder 2-Keto-L-gulonsäure, aus der wässrigen Fermentationslösung ausgefällt werden durch Zugabe einer organischen Flüssigkeit, wobei die organische Flüssigkeit mit Wasser mischbar ist, die genannten Salze, insbesondere die Salze von Milchsäure, Zitronensäure, Ascorbinsäure, Gulonsäure oder 2-Keto-L-gulonsäure aber nicht oder nur schlecht löslich sind. Organische Lösungsmittel, die mit Wasser mischbar sind, sind polare Lösungsmittel, z. B. Alkylalkohole wie z. B. Methanol, Ethanol, n-Butanol, iso-Butanol, 1-Propanol, 2-Propanol, etc. oder Alkylketone wie z. B. Aceton, 2-Butanon, Propanon etc.
Unter dem Begriff "Fermentationsbrühen", der hierin gleichbedeutend mit "Fermentationslösungen" oder "Fermentationsausträgen" verwendet wird, werden flüssige Nährmedien verstanden, in denen Organismen, in der Regel Mikroorganismen, wie z. B. Protisten, z. B. Pilze, Hefen oder Bakterien, Algen oder pflanzliche oder tierische Zellen kultiviert wurden und die folglich diese Organismen umfassen können. Der Begriff umfasst sowohl Medien mit Biomasse als auch solche bei denen die Biomasse reduziert oder entfernt wurde, z. B. durch Filtrieren, z. B. durch Querstrom-Membranverfahren, Dekantieren oder Zentrifugieren. Fermentationsbrühen, Fermentationslösungen oder Fermentationsausträge können unterschiedliche Mengen an Biomasse, insbesondere gelöste Substanzen, wie z. B. Proteine, Zucker, Peptide, oder ungelöste Bestandteile, wie z. B. Mikroorganismen oder Zellbestandteile enthalten. Es können eine oder mehrere Substanzen in der Fermentationsbrühe gelöst oder damit vermischt sein, die vorzugsweise die Extraktion, Stabilität oder Löslichkeit der Inhaltsstoffe verbessern, oder bevorzugte Eigenschaften, z. B. pH-Wert, Leitfähigkeit, Salzkonzentration usw. bewirken, wie z. B. Salz- oder Pufferlösungen. Die Fermentationsbrühe kann auch einen gewissen Teil eines organischen, mit Wasser mischbaren Lösungsmittels enthalten, solange dieser Anteil nicht zu einer Fällung des genannten Salzes führt. Es können auch Substanzen, die ein Aufbrechen von Zellen bewirken, enthalten sein.
In der Regel wird in der Literatur zunächst das Salz einer organischen Säure gewonnen, daraus dann die Säure freigesetzt und kristallisiert. Dies führt speziell bei der Freisetzung und Kristallisation von Ketogulonsäure zu einem hohen Anteil an Nebenprodukten, insbesondere durch unerwünschte Ringschlüsse. Die im Stand der Technik beschriebenen Verfahren, die auf einer Isolierung der organischen Säure oder ihrer Salze aus der Fermentationsbrühe durch eine Verdampfungskristallisation beruhen, beschreiben Ausbeuten von nur 80 bis 90%. Höhere Ausbeuten von 95% sind erst durch die Kombination mehrerer Kristallisationsschritte erreichbar (s. o., EP 0805210, EP 0359645). Mittels einer modifizierten Verdrängungskristallisation wird in JP 52066684 unter unvorteilhaft hohem Methanolverbrauch eine Ausbeute von reinem Na-KGS von 90% erreicht, bei mit Verunreinigungen belastetem Na-KGS beträgt die Ausbeute 95%.
Durch die vorliegende Erfindung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, das das ökonomisch und ökologisch vorteilhafte Isolieren von Salze organischer Säuren in Ausbeuten von mehr als 90%, vorzugsweise mehr als 95%, in ein oder zwei Stufen ermöglicht. Vorteilhaft wird zunächst das Salz der organischen Säure kristallisiert und dann erst aus dem wieder gelösten Salz die Säure freigesetzt. Insbesondere für KGS hat dies den Vorteil, dass der hohe Anteil an Nebenprodukten, z. B. durch Ringschluss, vermieden wird.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass es gelingt, den größten Teil noch gelösten Salzes einer organischer Säure aus einer Fermentationsbrühe mit einem hohen Anteil an Verunreinigungen durch Zugabe eines organischen Lösungsmittels, in dem die organische Säure sich nicht löst, als ein Kristallisat hoher Ausbeute und Reinheit auszufällen, ohne dass es zu einer wesentlichen Mitfällung von Nebenkomponenten kommt. Dies wird erreicht, obwohl die in ihrem Volumen eingeengte Fermentationsbrühe (Mutterlauge) ein in ihrer Zusammensetzung äußerst ungünstiges Verhältnis aus Wertprodukt zu Nebenkomponenten annimmt. So konnte z. B. KGS in nur zwei Schritten in Ausbeuten von 97 bis 99% mit nur geringen Verfärbungen sowie sehr guter Reinheit erhalten werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat somit den Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, nicht nur in nur ein oder zwei prozessökonomischen Schritten durchführbar zu sein. Vorteilhafterweise führt das erfindungsgemäße Verfahren, da die Verdrängungsfällung aus einer konzentrierten Fermentationslauge erfolgt und somit in einem kleineren Volumen stattfindet als im Stand der Technik, auch zu einem wesentlich geringeren Verbrauch an organischem Lösungsmittel. Die Verdünnung der ursprünglich hoch-viskosen Mutterlauge mit dem organischen Lösungsmittel hat zudem den prozessualen Vorteil, dass die Fest-Flüssig-Trennung erleichtert wird, was wiederum zu einer höheren Reinheit und Farbabreicherung führt. Energetisch ist zudem vorteilhaft, dass ein Teil des Aufreinigungsverfahrens unter adiabatischen Bedingungen durchgeführt werden kann, so dass keine Notwendigkeit eines Heizens oder Kühlens besteht. Schließlich erfordert das erfindungsgemäße Verfahren nur wenige oder gar keine vorbereitende Schritte zur Aufbereitung der Fermentationslösung. Vorteilhaft ist schließlich auch, dass das erfindungsgemäße Verfahren schon auf einer sehr frühen Stufe hoch aufgereinigte Substanzen zur Verfügung stellt, so dass in Folgestufen, die auf den aufgereinigten Substanzen basieren, Ausbeute und Reinheit der Produkte verbessert wird.
Erfindungsgemäß wird in dem hierin beschriebenen Verfahren die Fermentationslösung nur partiell, d. h. zu 10 bis 95%, bevorzugt zu 30 bis 90%, mehr bevorzugt zu 50 bis 85% eingedampft.
Während der Teileindampfung werden relativ hohe Ausbeuten an sehr reinem Salz einer organischen Säure erhalten. Der Grad der Eindampfung richtet sich nach der gewünschten Reinheit des Produktes und der gewünschten Ausbeute. Je höher der Grad der Eindampfung ist, desto höher ist die Ausfällung an gewünschtem Produkt sowie von Verunreinigungen aus der Fermentationsbrühe.
So können z. B. bei einer von Zellmasse befreiten Fermentationslösung, die zu 90% eingedampft wurde, Ausbeuten im Bereich von 75% KGS erreicht werden. Überraschenderweise kann dann aus dem Überstand durch Zugabe an Verdrängungsmittel, z. B. Methanol, weiteres Wertprodukt in hoher Reinheit ausgefällt werden. Vorteilhafterweise brauchen nur geringe Mengen des Verdrängungsmittels eingesetzt zu werden, um das Salz der organischen Säure aus dem Überstand in hoher Reinheit auszufällen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verdampfungskristallisieren bei niedrigen Temperaturen und unter vermindertem Druck durchgeführt. Schonende Reaktionsbedingungen vermeiden die Zersetzung des Produktes. Vorzugsweise liegt die Temperatur im Kristallisator zwischen 20°C und 100°C, mehr bevorzugt zwischen 30°C und 80°C, am meisten bevorzugt zwischen 40°C und 70°C.
Bevorzugt ist ein Druck von 0,01 bar bis 1 bar, mehr bevorzugt sind 0,05 bar bis 0,5 bar, am meisten bevorzugt sind 0,1 bar bis 0,3 bar.
In einer weiteren Ausführungsform beträgt der Feststoffgehalt im Kristallisator vorzugsweise 5 bis 60 Gew.-%, mehr bevorzugt 25 bis 50 Gew.-%. Unter "Feststoffgehalt" im Kristallisator wird der Gewichtsanteil kristallisierten Salzes einer organischen Säure, insbesondere Na-KGS, bezogen auf die gesamte Suspensionsmenge verstanden.
Die Verdampfungskristallisation kann in einem beliebigen Kristallisator durchgeführt werden, z. B. in einem Rührkessel-, Zwangsumlauf-, Leitrohr- oder Fließbett-Kristallisator (z. B. Oslo-Typ). Vorzugsweise ist der Kristallisator auch für eine Verfahrensdurchführung unter geringerem Druck geeignet.
In einer Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren auch eine Verdampfungskristallisation, die mit einer Kühlungskristallisation kombiniert ist. Bei der Kühlungskristallisation wird die Fermentationsbrühe nach der Verdampfung unter Kristallisieren des Salzes der organischen Säure abgekühlt. Bevorzugt ist eine Abkühlung auf 0°C bis 50°C, mehr bevorzugt sind 30°C bis 40°C. Die Kühlungskristallisation kann in den gleichen Apparaten wie die Verdampfungskristallisation durchgeführt werden. Die Kühlung kann durch Vakuumverdampfung, direkte Kühlung mit einem Kälteträgermedium oder indirekt über Wärmetauscher erfolgen. Zur Vermeidung von Verkrustungen können hier insbesondere auch alle Bauformen mit kontinuierlich oder wiederkehrend abgereinigten Wärmetauscheroberflächen verwendet werden, z. B. Kühlscheibenkristallisatoren.
Bevorzugt wird in der Verdampfungskristallisation oder in der Verdampfungskristallisation und der Kühlungskristallisation zwischen 10 und 95% des Salzes der organischen Säure ausgefällt. Bevorzugt sind zwischen 30 und 90%, mehr bevorzugt sind zwischen 40 und 85%.
In einer bevorzugten Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung folglich ein Verfahren, wobei das partielle Verdampfungskristallisieren unter den folgenden Parametern durchgeführt wird:

a) Temperatur im Kristallisator zwischen 20°C und 100°C;
b) Druck zwischen 0,01 und 1,0 bar;
- -
c) Feststoffgehalt im Kristallisator von 5 bis 60 Gew.-%; und/oder
d) Abkühlen der eingeengten Fermentationsbrühe auf 0°C bis 50°C.

Besonders bevorzugt wird das Verfahren unter den Bedingungen (i) bis (iv) durchgeführt. Noch mehr bevorzugt wird das Verfahren unter den folgenden Parametern durchgeführt:

a) Temperatur im Kristallisator zwischen 40°C und 70°C;
- -
b) Druck zwischen 0,1 und 0,3 bar;
c) Feststoffgehalt im Kristallisator von 25 bis 50 Gew.-%; und
d) iv Abkühlen der eingeengten Fermentationsbrühe auf 30°C bis 40°C.

Erfindungsgemäß wird die Verdrängungsfällung durch die Zugabe eines organischen Lösungsmittel, das mit Wasser mischbar ist, in dem sich jedoch das zu isolierende Salz nicht oder nur schlecht löst, zu der Mutterlauge während oder nach der Verdampfungskristallisation oder durch Zugabe der Mutterlauge zu dem organischen Lösungsmittel erreicht.
Durch die Vermischung der wässrigen Fermentationsbrühe mit dem organischen Lösungsmittel findet eine Verdrängung des Salzes statt, das ausfällt. Das Fällen wird vorzugsweise durch die Zugabe eines wasserlöslichen polaren Lösungsmittels, vorzugsweise durch Zugabe eines wasserlöslichen Alkylalkohols, z. B. Methanol, Ethanol, n-Butanol, iso-Butanol, 1-Propanol, 2-Propanol, Hexanole, Heptanole, Octanole etc. oder eines wasserlöslichen Alkylketons, z. B. Aceton, 2-Butanon, Pentanon, etc. erreicht, bevorzugt ist Methanol oder Ethanol. Am meisten bevorzugt ist Methanol.
Das Salz ist schwerlöslich in dem verwendeten Lösungsmittel, vorzugsweise nahezu unlöslich. Die Löslichkeit des Salzes beträgt bevorzugt 7%, mehr bevorzugt 5%, noch mehr bevorzugt unter 3%.
Vorzugsweise wird die Fällung mit 10 bis 80%, mehr bevorzugt mit 15 bis 70%, noch mehr bevorzugt mit 15 bis 60%, am meisten bevorzugt mit 20 bis 40%, Verdrängungsmittel bezüglich der wässrigen Lösung oder der Fermentationsbrühe (Feedstrom) im Reaktionsgefäß, insbesondere bei Alkylalkoholen, besonders bei Ethanol, Methanol oder Propanol, durchgeführt.
Die Verdrängungsfällung wird in einer bevorzugten Ausführungsform bei einer Temperatur im Fällapparat von 0 bis 100°C, bevorzugt bei 10 bis 80°C, besonders bevorzugt bei 20 bis 70°C durchgeführt.
Die Wahl der Reaktionstemperatur und des Verdrängungsmittelanteils hängt von der Löslichkeit des zu fällenden Salzes und des Verdrängungsmittels in Wasser ab. Durch die Wahl der Reaktionstemperatur kann das Löslichkeitsprodukt des Salzes in der Lösung beeinflusst werden, was sich auf den Anteil an Verdrängungsmittel auswirkt, der nötig ist, das gewünschte Salz auszufällen (und umgekehrt).
Die Fällung kann in einem Kristallisator oder in für die Fällung spezifischen Anordnungen mit Einrichtungen zur gezielten Vermischung durchgeführt werden, z. B. mit Mischdüsen.
Folglich betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren, in welchem erfindungsgemäß das Verdrängungskristallisieren unter den folgenden Parametern durchgeführt wird:

a) Zugabe von Methanol, Ethanol, 1-Propanol, 2-Propanol, Aceton, und/oder 2-Butanon als Verdrängungsmittel;
- -
b) Fällung mit 10% bis 80% Verdrängungsmittel bezüglich der Fermentationsbrühe; und/oder
c) Temperatur im Fällapparat von 0°C bis 100°C.

Besonders bevorzugt wird das Verfahren unter den Bedingungen (i) bis (iii) durchgeführt. Noch mehr bevorzugt wird das Verfahren unter den folgenden Parametern durchgeführt:

a) Zugabe von Methanol, Ethanol oder 2-Propanol als Verdrängungsmittel;
- -
b) Fällung mit 20% bis 40% Verdrängungsmittel bezüglich der Fermentationsbrühe; und
c) Temperatur im Fällapparat von 20°C bis 60°C.

Verdampfungskristallisation und Fällung können je nach Temperatur- und Druckverhältnissen und Wahl des Fällmittels in zwei getrennten oder auch in einem einzigen Apparat durchgeführt werden. Schritt (a) und (b) des erfindungsgemäßen Verfahrens können somit hintereinander oder gleichzeitig durchgeführt werden.
Bei besonders stark verschmutzten oder verfärbten Mutterlösungen, insbesondere Fermenterlösungen, kann optional erst nur eine Verdampfungskristallisation durchgeführt werden, da auf dieser Stufe selbst unter diesen Bedingungen stets weiße Kristallisat abgetrennt werden, nur die Mutterlauge mit Fällmittel (z. B. Methanol) beaufschlagt werden und das hierbei gebildete, vorgereinigte, aber nicht mehr spezifikationsgerechte Kristallisat in die Verdampfungskristallisation zurückgeführt werden.
Vorteilhaft wird in nur einem oder ggf. in zwei Schritten eine hohe Ausbeute, vorteilhafterweise von mehr als 90%, bevorzugt von mehr als 95%, besonders bevorzugt von mehr als 97 oder 98%, am meisten bevorzugt 99% oder mehr bezogen auf den KGS-Gehalt der Ausgangs-Fermentationslösung (Feedlösung)erreicht.
Erfindungsgemäß kann das erhaltene Kristallisat gewaschen werden, um enthaltene Verunreinigungen zu entfernen. Vorzugsweise wird das Kristallisat mit einem Lösungsmittel gewaschen, in dem das Salz der organischen Säure eine geringe, vorzugsweise gar keine Löslichkeit hat. Vorzugsweise wird das Lösungsmittel der Verdrängungsfällung verwendet. Die Ausbeute des erfindungsgemäßen Verfahrens kann durch die Rückführung von Waschwässern erhöht werden. Die Ausbeute ist bei einer Rückführung von Waschwässern abhängig von der eingesetzten Lösungsmittelmenge und so z. B. zwischen 95 bis 99% einstellbar. So kann die eingesetzte Lösungsmittelmenge zwischen 0,2 bis 1 kg pro kg Salz betragen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Lösungsmittel Methanol oder Ethanol und das zu reinigende Salz ein Salz der KGS, vorzugsweise Na-KGS.
Das durch das erfindungsgemäße Verfahren erhaltene Kristallisat weist nur geringe Verfärbungen auf. Je nach Verfahrensdurchführung und erreichter Ausbeute ist das Kristallisat leicht gelb bis farblos. Vorzugsweise ist das Kristallisat farblos.
Vorteilhaft wird zudem ein Produkt aus dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten, insbesondere Salze der Milchsäure, der Gulonsäure, der KGS oder der Zitronensäure, die eine sehr hohe Reinheit haben.
Das Produkt weist demzufolge eine Reinheit von vorzugsweise mehr als 95%, mehr bevorzugt mehr als 97%, noch mehr bevorzugt mehr als 98%, noch mehr bevorzugt 99% oder mehr auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die organische Säure eine Carbonsäure, besonders bevorzugt sind Polyhydroxycarbonsäuren, mehr bevorzugt sind 2-Keto-polyhydroxy-C₆-carbonsäuren. Mehr bevorzugt sind organische Säuren wie Ketogulonsäuren oder Milchsäure, Zitronensäure, Vanillinsäure, Idonsäure oder Gulonsäure. Insbesondere sind bevorzugte Ketogulonsäuren 2,4-Diketo- D-gulonsäure, 2,5-Diketo-D-gulonsäure, 2-Keto-L-gulonsäure, Ascorbinsäure. Am meisten bevorzugt ist 2-Keto-L-gulonsäure.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt werden.
In einer Ausführungsform liegt die organische Säure als Natrium-, Kalium-, Magnesium-, Ammonium- oder Calcium-Salz vor. Wird zunächst die freie Säure hergestellt, z. B. in einem Fermentationsprozess als Stoffwechselprodukt, kann das Salz der Säure gewöhnlich durch das Einstellen des geeigneten pH-Wertes hergestellt werden, beispielsweise durch Zugabe der Basen NH₄OH/NH₃, MgO, Mg(OH)₂, NaOH, NaHCO₃, Na₂CO₃, KOH, KHCO₃, K₂CO₃, CaOH, CaCO₃, Ca(OH)₂, CaO, oder Salze schwacher organischer Säuren, z. B. Ameisensäure, Essigsäure, etc.. Bevorzugt sind Natriumsalze. Calcium kann z. B. durch Zugabe von Natriumcarbonat als Calciumcarbonat oder das Einleiten von CO₂ als CaCO₃ gefällt und abfiltriert werden. Am meisten bevorzugt ist die Isolierung des Natriumsalzes der 2-Keto-L-gulonsäure.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Biomasse und/oder die organischen und/oder anorganischen Bestandteile außer der zu isolierenden organischen Säure der Fermentationsbrühe reduziert. Die Fermentationsbrühe besteht allgemein aus unlöslicher Biomasse und organischen und anorganischen Verunreinigungen, wobei die anorganischen Verunreinigungen im wesentlichen aus metallischen Kationen bestehen. So werden vorzugsweise vor der Verdampfungskristallisation nicht lösliche Bestandteile, z. B. Biomasse wie Mikroorganismen oder Zellbestandteile abgetrennt. Feste Bestandteile können durch geläufige Fest/Flüssig-Trennverfahren entfernt werden, z. B. durch Filtration, insbesondere Ultrafiltration oder Mikrofiltration, oder Abtrennung, z. B. Abschöpfen, Zentrifugieren oder Dekantieren, z. B. in Gegenwart von Fällmitteln oder Filtrationsadditiven, z. B. Polyacrylamide.
Ebenfalls vorteilhaft kann es sein, bestimmte lösliche Bestandteile der wässrigen Ausgangslösung vor der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens abzutrennen. So kann es vorteilhaft sein, bestimmte Metalle oder Proteine zumindest teilweise abzutrennen, eine vollständige Abtrennung ist jedoch nicht immer nötig. Durch weitere Aufreinigungsschritte, wie z. B. Mikro- oder Ultrafiltration, können Proteine und andere makromolekulare Substanzen entfernt werden.
Die Fermentationsbrühe kann auch demineralisiert werden, um unerwünschte anorganische Ionen zu entfernen. Insbesondere ist es vorteilhaft, zweiwertige Ionen abzutrennen.
Anorganische Kationen können z. B. durch Ansäuern der Brühe oder z. B. mit Hilfe eines Chelators oder Kationenaustauschers, vorzugsweise eines polymeren Kationenaustauschers abgetrennt werden.
Folglich umfasst das erfindungsgemäße Verfahren einen oder mehr Filtrationsschritte, insbesondere eine Mikro- oder Ultrafiltration der Fermentationsbrühe, wobei die Grenze zwischen einer Mikro- oder Ultrafiltration fließend ist. Im allgemeinen wird bei einer Porengröße von etwa 100 nm der Übergang von der Mikro- zur Ultrafiltration gesehen.
Zur Abtrennung der Zellen und/oder Proteine und Gewinnung einer gereinigten Na-Ketogulonat-Lösung kann die verunreinigte Lösung/Suspension unter Druck mit einer Membran in Kontakt gebracht und Permeat (Filtrat) auf der Rückseite der Membran bei einem geringeren Druck als auf der Feedseite abgezogen werden. Es wird ein Konzentrat (Retentat) erhalten, das Zellen und/oder Proteine enthält und ein gereinigtes Filtrat (Permeat), das Na-Ketogulonat enthält. Vorteilhaft wird durch Umpumpen, mechanische Bewegung der Membran oder Rühraggregate zwischen den Membranen eine Relativgeschwindigkeit zwischen Membran und Feedlösung zwischen 0,1 bis 10 m/s erzeugt. Die Abtrennung erfolgt durch Aufkonzentration der nichtpermeablen Komponenten.
Zur Erhöhung der Ausbeute kann anschließend zur Aufkonzentration ein Diafiltrationsschritt durchgeführt werden. Dabei wird durch Wasserzufuhr ins Retentat die Konzentration der nichtpermeablen Komponenten konstant gehalten und das Wertprodukt ins Permeat überführt.
Der Membranprozess kann in Batchfahrweise durch mehrmaligen Durchgang der Suspension durch die Membranmodule oder kontinuierlich durch einmaligen Durchgang durch eine oder mehrere nacheinandergeschaltete Feed- und Bleedstufen erfolgen.
Vorzugsweise ist die Ultra- oder Mikrofiltration eine Filtration 1 mit einer Porengröße von 200 bis 20 nm, vorzugsweise von 100 bis 50 nm oder eine Filtration 2 oder 3 mit einer Porengröße von 100 nm bis 5 nm, vorzugsweise von 50 bis 20 nm oder eine Kombination aus der Ultrafiltration 1, 2 und/oder 3. Eine Porengröße von 20 nm entspricht ungefähr einer Abtrennungsgrenze von 20 kD, 5 nm entsprechen ungefähr 10 kD, wobei die Abtrennungsgrenze sehr von dem jeweiligen Makromolekül abhängig ist und somit eine direkte Zuordnung Abtrennungsgrenze und Porenbreite nicht erfolgen kann.
Filtration 1 wird erfindungsgemäß nach der Fermentation durchgeführt, Filtration 2 wird erfindungsgemäß nach der Filtration 1 oder nach der Fermentation durchgeführt, vorteilhaft wird Filtration 2 jedoch nach der Aufkonzentrierung des Filtrats aus Filtration 1, wie unter beschrieben durchgeführt. Es kann nach dem Lösen des Kristallisats auch eine Filtration 3 durchgeführt werden, wie sie weiter unten beschrieben ist. Bevorzugt ist die Durchführung möglichst weniger Filtrationsschritte. Folglich ist besonders bevorzugt, eine Kombination einer Filtration 1 nach der Fermentation mit einer Filtration 2 nach Aufkonzentrierung des Filtrats aus Filtration 1. Mehr bevorzugt ist die Durchführung nur der Filtration 1 oder 2, am meisten bevorzugt ist die Durchführung nur der Filtration 1.
Die Trennschichten können aus organischen Polymeren, Keramik, Metall oder Kohlenstoff bestehen und sind in dem Reaktionsmedium und bei der Prozesstemperatur stabil. Aus mechanischen Gründen sind die Trennschichten in der Regel auf einer ein- oder mehrschichtigen porösen Unterstruktur aus dem gleichen oder auch mehreren unterschiedlichen Materialien wie die Trennschicht aufgebracht. Beispiele sind: Tabelle 1 Trennschichten
Die Membranen können in Flach-, Rohr-, Multikanalelement-, Kapillar- oder Wickelgeometrie eingesetzt werden, für die entsprechende druckfeste Module, die eine Trennung zwischen Retentat und dem Permeat erlauben, verfügbar sind.
Die optimalen transmembranen Drücke zwischen Retentat und Permeat liegen im Wesentlichen abhängig von Durchmesser der Membranporen bzw. der Trenngrenze (angegeben in Molekulargewichtseinheiten) und der mechanischen Stabilität der Membran je nach Membranart zwischen 1 und 40 bar, bei Mikrofiltrationen z. B. zwischen 1 und 10 bar und bei Ultrafiltrationen z. B. zwischen 8 und 40 bar. Höhere transmembrane Drücke führen in der Regel zu höheren Permeatflüssen. Dabei kann in dem Fall, in dem der Feed mit einem zu hohen Druck zugeführt wird, der transmembrane Druck durch Anheben des Permeatdruckes angepasst werden.
Die Betriebstemperatur ist abhängig von der Produkt- und der Membranstabilität. Sie liegt bei der Na-Ketogulonatreinigung zwischen 20 und 90°C, bevorzugt zwischen 40 und 80°C. Höhere Temperaturen führen zu höheren Permeatflüssen.
Folgende Membranen sind z. B. einsetzbar: Tabelle 2 Membranen
Besonders bevorzugt ist ein Porendurchmesser von 50 nm.
Die Abtrennung von Proteinen und Biomasse vor der Kristallisation und der Freisetzung der organischen Säure mittels Elektromembranverfahren hat den Vorteil, dass es dort nicht zu Verfärbungen bzw. zu Proteinablagerungen kommen kann.
Wie oben ausgeführt sind neben der synthetischen Herstellung von organischen Säuren eine Reihe von Verfahren entwickelt worden, bei denen organische Säuren durch Mirkoorganismen hergestellt werden. So wird z. B. fermentativ D-Glukose zu 5-Keto-D-gulonsäure umgewandelt und diese dann fermentativ oder chemisch zu L-Idonsäure umgewandelt und zu 2-Keto-L-gulonsäure oxidiert. D-Sorbitol kann über die Fermentation zu L-Sorbose in 2-Keto-L- gulonsäure fermentiert werden.
Das Fermentationsverfahren kann aerob oder anaerob sein. Die Mikroorganismen oder Zellen können vor der Isolierung der organischen Säure abgetrennt werden und optional dem Fermentationsverfahren wieder zugeführt werden.
In einer Ausführungsform werden für die Herstellung der Fermentationsbrühe Protisten, z. B. Hefen, Pilze, Algen, oder andere eukaryotische Mikroorganismen, oder Bakterien oder pflanzliche oder tierische Zellen verwendet. Bevorzugt werden Mikroorganismen der Gattungen Bacillus, Lactobacillus, Pseudogluconobacter, Pseudomonas, Corynebacterium, Proteus, Citrobacter, Enterobacter, Erwinia, Xanthomonas, Flavobacterium, Acetobacter, Gluconobacter, Aspergillus, oder Brevibacterium oder Mischungen davon eingesetzt. Ebenfalls können Homogenate aus Pflanzenmaterial, tierische Zellen oder Algen als Ausgangsmaterial verwendet werden und werden ebenfalls unter dem Begriff "Fermentationsbrühe" verstanden, ggf. muss ein bestimmtes Ausgangsmaterial vorher aufgereinigt oder verdünnt werden.
Es kann vorteilhaft sein, die Fermentationsbrühe vor der hierin beschriebenen Isolierung der organischen Säure und ihrer Freisetzung zu sterilisieren.
Bei der fermentativen Herstellung fallen im allgemeinen die organischen Säuren in den Fermentationsbrühen zwischen 1 und 30 Gew.-% an, in der Regel zwischen 7 und 18 Gew.-% bei Raumtemperatur oder ungefähr 20°C. Bevorzugt kann aber auch eine höhere Konzentration erhalten werden, z. B. von 30% KGS. Die Salze der organischen Säuren können wie z. B. Na-KGS eine geringere Löslichkeit haben als die freien Säuren. So hat Na-KGS eine Löslichkeit von 18% bei ungefähr 20°C, höhere Temperaturen in der Fermentationsbrühe führen zu höheren Löslichkeiten der Salze. Die Löslichkeit von Na-KGS ist z. B. 24% bei 50°C. Bevorzugt hat die Fermentationsbrühe einen Gehalt an Na-KGS, zwischen 5 Gew.-% und 15 Gew.-% bei 20°C. Jedoch wird die Konzentration des Salzes von der Art der organischen Säure, des Kations und weiteren Verfahrensbedingungen abhängen, wie z. B. Temperatur, und so ausgewählt, dass die Fermentationsbrühe bei RT, d. h. bei 15°C bis 25°C und Normaldruck, d. h. bei 980 bis 1100 mbar, nicht auskristallisiert.
Die Fermentationsbrühe kann vor oder nach der Entfernung der Biomasse und anderer Verunreinigungen optional eingeengt werden, beispielsweise durch Verdampfung oder durch Osmose, insbesondere durch reverse Osmose, und somit die Konzentration der Brühe an die Kristallisation angepasst werden. Vorteilhaft sind hierbei geringe Temperaturen, möglichst 10°C bis 90°C.
Vorzugsweise wird die Fermentationsbrühe vor der Kristallisation und nach einem oder mehreren Filtrationsschritten durchgeführt. Besonders bevorzugt ist die Konzentrierung nach der Filtration 1.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren einen oder mehrere weitere(n) Schritt(e) zur Abtrennung und/oder Aufbereitung des Kristallisats oder des Produktes.
Zur Abtrennung eignen sich erfindungsgemäß Fest-Flüssig-Trenn- Verfahren, z. B. Filtrieren, Dekantieren, Absaugen, Abschöpfen, und/oder Zentrifugieren, d. h. z. B. Abtrennung mit Hilfe von Nutschen, Drehfiltern, Bandfiltern, Schubzentrifugen, Schälzentrifugen etc. Das Kristallisat kann nach dem Abtrennen getrocknet und/oder gemahlen werden und dann gelagert oder weiterverarbeitet werden.
Die erhaltenen Kristalle des Salzes der organischen Säure enthalten je nach Trocknungsverfahren Kristallwasser, das durch weitere Trocknungsschritte entfernt werden kann. So kann 2-Keto- L-gulonat als Monohydrat isoliert werden. Das Kristallwasser kann z. B. durch weitere Trocknung unter reduziertem Druck und ggf. durch Erhitzen entfernt werden.
Danach kann das Kristallisat in Wasser oder einem anderen polaren Lösungsmittel, z. B. verzweigten oder linearen aliphatischen Alkoholen mit 3 bis 7 Kohlenstoffatomen, insbesondere Methanol, Ethanol, n-Propanol, Isopropanol, Butanol, Hexanol oder Heptanol, aufgenommen werden.
Um unerwünschte färbende Verunreinigungen der Kristalle zu entfernen, kann ggf. eine Extraktion der Kristalle nach dem Fachmann bekannten Verfahren durchgeführt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst auch Schritte, um aus den isolierten Salzen die aufgereinigte Säure in einer oder mehreren weiteren Verfahrensstufe(n) freizusetzen, dies kann insbesondere durch eine Protonierung der Säure erreicht werden, z. B. durch einen Ionenaustausch-Verfahrensschritt oder durch einen Elektromembranverfahrensschritt, z. B. durch eine Membranelektrolyse oder eine Elektrodialyse.
Bei den Ionenaustauschverfahrensschritten wird das Kation des Salzes gegen ein auf dem Austauscherharz befindliches Proton ausgetauscht und auf diese Weise die Säure freigesetzt.
Bei Elektromembranverfahrensschritten werden die Kationen des Salzes ("Gegenionen") z. B. Natrium-, Kalium-, oder Calciumionen und die Ionen der Säure aufgespalten und durch ionenselektive Membranen räumlich getrennt gesammelt. Vorteilhafterweise erfolgt die Trennung durch den Einfluss eines elektrischen Feldes. Die Säureanionen reagieren mit freigesetzten oder zur Verfügung gestellten Protonen (H⁺) zur freien Säure, z. B. KGS oder Ascorbinsäure, während das Gegenion mit parallel freigesetzten oder zur Verfügung gestellten Hydroxidionen (OH-) zu der entsprechenden Base reagieren, z. B. NaOH.
Je nach eingesetzter ionenselektiver Membran sowie eingesetzten Elektroden werden verschiedene Ausführungsformen der Elektromembranverfahren unterschieden. Bei der Membranelektrolyse werden geladene Teilchen durch eine Ionenaustauschermembran im elektrischen Feld abgetrennt und Protonen und Hydroxidionen durch Wasserelektrolyse an Elektroden generiert. Eine Anordnung von Elektroden ist neben der einfachsten Schaltung mit nur endständigen Elektroden auch wie bei der Elektrodialyse mit bipolaren Membranen möglich, dann ersetzen die (dann bipolaren) Elektroden die bipolare Membran. Bei der Elektrodialyse werden die Protonen und die Hydroxidionen durch eine elektrisch erzwungene Wasserdissoziation an einer bipolaren Membran erzeugt. Vorteilhaft ist ein geringer Energiebedarf und eine Vermeidung der Oxidation oder Reduktion anderer Bestandteile der Lösung, wenn die Elektroden durch einen eigenen Kreislauf von der Säure-, Base- oder Mittelkammer getrennt sind.
Somit kann eine erfindungsgemäß isolierte organische Säure, die in Wasser oder einer wässrigen Lösung aufgenommen ist, vorzugsweise unter Einfluss eines elektrischen Feldes in Anion und metallisches Gegenkation über eine oder mehrere ionenselektive Membran(e) zerlegt und räumlich getrennt werden und durch gleichzeitige Erzeugung oder Bereitstellung von Protonen und Hydroxidionen dann die freigesetzte Säure und das entsprechende Hydroxid hergestellt werden. Elektromembranverfahrensschritte werden u. a. beschrieben in EP-A-0230 021, WO 96/41021, US 50747,306, US 4,990,441, und in European Membrane Guide, Herausgeber Mulder, Niederlande, 1997, Seiten 35 bis 38. Solche Elektrodialysen zur Freisetzung organischer Säuren aus ihren Salzen sind in allgemeiner Form z. B. beschrieben in Mani, Desalination 68 (1988) 149-166 und Nagasubramanian, J. Membrane Sci. 2 (1977) 109-124. WO 96/41021 beansprucht ein Verfahren zur Freisetzung organischer Säuren aus Fermentationslösungen, welche durch Filtrationsschritte von Verunreinigungen befreit wurden. US 6,004,445 und EP 779286 beanspruchen die Freisetzung von Ascorbinsäure aus ihrem Alkalimetallsalz durch Elektrodialyse mit bipolaren Membranen. WO 99/61647 beschreibt ein Verfahren zur Abtrennung von Ketogulonat (KGat) aus einer Fermentationslösung bei gleichzeitiger Freisetzung der freien KGS durch bipolare Elektrodialyse. In Yu, Chemical Engineering Journal, 78 (2000) 153-157 ist die Freisetzung von Ascorbinsäure bzw. KGS durch Elektrodialyse aus Fermentationslösungen beschrieben. Der Inhalt dieser Dokumente und der darin zitierten Referenzen gilt als mit aufgenommen.
In einer weiteren, bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform werden die multivalenten Kationen auf einen Gehalt bis auf 15 ppm, vorzugsweise bis auf 5 ppm, mehr bevorzugt bis auf 3 ppm, am meisten bevorzugt bis auf 1 ppm aus der Lösung entfernt. Vorteilhaft können die multivalenten Ionen durch Behandlung der Lösung mit einem chelatbildenden Ionentauscherharz entfernt werden. Unter multivalenten Ionen werden zweiwertige oder höherwertige, z. B. drei oder vierwertige Ionen, d. h. Kationen oder Anionen verstanden, z. B. Ca²⁺, Mg²⁺, CO₃ ^2- etc. Als chelatbildende Ionentauscherharze kommen z. B. solche in Frage, die Iminodiessigsäuregruppen oder Aminophosphonsäuregruppen tragen. Dieses sind z. B. Amberlite 718 oder 748 von Rohm und Haas.
Wird ein Calciumsalz kristallisiert, wird in der folgenden Membranelektrolyse der Basekreis mindestens neutral gestellt werden, um ein Ausfällen von Hydroxiden zu verhindern. Dies ist prinzipiell auch für einwertige Ionen möglich, wenn ein Ausfällen der Hydroxide des Gegenions ein Problem darstellt.
Folglich betrifft die vorliegende Erfindung in einer Ausführungsform ein Verfahren zur Herstellung einer freien organischen Säure aus ihrem Salz und eines entsprechenden Hydroxids des Salzes, umfassend die erfindungsgemäße Isolierung der organischen Säure und weiterhin die folgenden Schritte:

a) Lösen des Kristallisats eines Salzes einer organischen Säure in Wasser oder einer wässrigen Lösung, so dass eine Kristallisatlösung entsteht;
b) Entfernen der multivalenten Kationen aus der Kristallisatlösung; und
c) Freisetzen der organischen Säure aus der Kristallisatlösung, insbesondere durch ein Ionenaustauscher- oder Elektromembranverfahren.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hat die Kristallisat-Lösung nach Schritt (c) eine Konzentration an dem Salz der organischen Säure von 10 bis 50 Gew.-%, bevorzugt eine Konzentration von 15 bis 25 Gew.-%.
Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren folgenden weiteren Schritt

a) Filtration der Kristallisat-Lösung,

Durch eine Filtration der Kristallisat-Lösung können mitausgefällte Verunreinigungen, insbesondere z. B. Proteine, die bei der Freisetzung der Säure schädlich wären, entfernt werden. Der Vorteil einer Filtration 3 ist, dass ein geringeres Feedstrom- Volumen im Vergleich zu den oben beschriebenen Filtrationen 2 gereinigt werden muss, da die Kristallisatlösung in der Regel eine höhere Konzentration des Salzes der organischen Säure besitzt. Vorteilhaft ist zudem, dass ein Teil der Verunreinigungen nicht mit ausgefällt wird, so dass der Feedstrom bereits vorgereinigt ist. Vorteilhaft ist weiterhin, dass ein Teil der Proteine bei der Kristallisation und Fällung in Wasser mit Alkohol, insbesondere Ethanol oder Methanol, denaturieren und koagulieren und somit die Membran besser genutzt werden kann..
Für eine Proteinabtrennung können z. B. die oben beschriebenen Membranen, z. B. mit einer Porengröße von 100 bis 5 nm, vorzugsweise von 50 bis 20 nm eingesetzt werden. Die Filtration kann z. B. statt der Filtration 2 eingesetzt werden.
Bevorzugt erfolgt die Freisetzung der genannten Säure mittels eines Elektromembranverfahrens, besonders bevorzugt mittels einer Membranelektrolyse oder einer Elektrodialyse. Wie oben beschrieben können die Protonen oder Hydroxidionen durch Elektrolyse oder an bipolaren Membranen erzeugt werden. Vorteilhaft ist zudem, dass man bei einem solchen Verfahrensschritt keine zusätzlichen Chemikalien verwenden muss. Zudem können je nach Ausführungsform neben der freien Säure auch die Laugen als Wertstoff gewonnen werden. Bei einem Elektromembranverfahren wird das Kation des gelösten Salzes (Gegenkation) und/oder das Anion des gelösten Salzes einer organischen Säure mittels einer oder mehr ionenselektiven Ionenaustauschermembran(en) in einem elektrischen Feld von der Kristallisat-Lösung (Feedstrom für das Elektromembranverfahren) abgetrennt. Das Salz kann beispielsweise in Wasser oder einer wässrigen Lösung gelöst sein. Besonders vorteilhaft ist die Abtrennung des Anions von anderen Verunreinigungen des Feedstroms. Es können auch beide Ionen vom Feedstrom, beispielsweise der Kristallisat-Lösung, abgetrennt werden. Die genannten Kationen und Anionen des Salzes reagieren mit gleichzeitig generierten oder bereitgestellten Protonen und Hydroxidionen, so dass die freie organische Säure und das entsprechende Hydroxid des Gegenkations hergestellt wird. Protonen können z. B. durch Zugabe von Säure, Hydroxidionen beispielsweise durch Zugabe von Basen bereitgestellt werden.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist folglich eine Anionen- oder Kationenaustauschermembran zwischen einer endständigen Anode und einer endständigen Kathode plaziert, so dass sich eine Anoden- und eine Kathodenkammer bilden, wobei in der Anodenkammer (Säurekreis) die freie organische Säure und in der Kathodenkammer (Basekreis) das entsprechende Hydroxid des Gegenkations hergestellt wird.
Wird eine Kationenaustauschermembran verwendet, werden die Kationen, z. B. die Natriumionen, unter Einfluss des elektrischen Feldes aus einer mit der Kristallisat-Lösung durchströmten Kammer entfernt. Die Elektroneutralität wird dadurch aufrecht erhalten, dass jedes Natriumion von einem an der Anode der monopolaren Elektrode produzierten Proton ersetzt wird (Säurekreis). Die Kationen wandern über die Kationenaustauschermembran in Richtung Kathode in die Kathoden- oder Basenkammer, die z. B. von der zu produzierenden Base durchspült wird, um die Leitfähigkeit herzustellen, wo sie mit den an der Kathode der monoplaren Elektrode produzierten Hydroxidionen zu der entsprechenden Lauge, z. B. NaOH, reagieren (Basenkreislauf). Wird die Kationenaustauschermembran gegen eine Anionaustauschermembran ausgetauscht, so wandern die Anionen der Säure, z. B. das Ketogulonat oder Ascorbat, durch die Membran hindurch in die Anodenkammer (Säurekammer), die vorzugsweise von einer verdünnten Säure, z. B. der zu reinigenden Säure, durchspült wird, um die Leitfähigkeit herzustellen und reagiert dort mit den an der monopolaren Elektroden hergestellten Protonen. Die Kationen verbleiben in der Feedlösung und reagieren mit den an der Kathode produzierten Hydroxidionen zur Lauge.
Nachteilig beim 2-Kammersystem mit monopolaren Elektroden ist, dass nur entweder die Lösung der Basenkammer (bei einer Kationenaustauschermembran) oder die Lösung der Säurekammer (bei einer Anionenaustauschermembran) vom Feedstrom abgetrennt und somit gereinigt wird.
Bei einem 3-Kammersystem mit monopolaren Elektroden können sowohl die zu reinigen Säuren als auch die Basen von dem Feedstrom getrennt werden.
Dabei werden zwei selektive Ionenaustauschermembranen zwischen eine endständige Anode und eine endständige Kathode plaziert, so dass sich eine Anoden-, eine Mittel- und eine Kathodenkammer bilden, wobei die Mittelkammer von der Kathodenkammer durch eine Ionenaustauschermembran und von der Anodenkammer durch eine Ionenaustauschermembran getrennt ist. Die Ionenaustauschermembranen können identisch oder unterschiedlich sein, d. h. es können z. B. zwei Anionen-, zwei Kationen- oder eine Anionen- und eine Kationen-Austauschermemberan(en) verwendet werden.
Werden vorteilhaft eine Kationen- und eine Anionenaustauschermembran verwendet, bildet die Mittelkammer die Eintragskammer und wird vorteilhaft von der Kathodenkammer durch eine Kationenaustauschermembran und von der Anodenkammer durch eine Anionenaustauschermembran getrennt sein. In die Mittelkammer (oder Diluatkammer) wird z. B. die Kristallisatlösung aus Schritt (c) oder (d) eingebracht (Feedstrom). Die Ionen wandern nach dem oben beschriebenen Prinzip. In der Anodenkammer bildet sich dann die freie Säure, in der Kathodenkammer die ensprechende Base des Gegenions.
In einer weiteren Ausführungsform kann eine endständige Elektrode durch eine bipolare Elektrode ersetzt werden, der dann die gleiche Anordnung der Kammern wie oben beschrieben und eine endständige Elektrode folgen. Die Elektrolyse erfolgt somit in diesem Paket an der bipolaren Elektrode.
Vorteilhaft ist die Freisetzung der genannten Säure auch mittels einer bipolaren Membranelektrodialyse mit 2 oder mit 3 Kreisläufen wie in Abb. 1 und Abb. 2 dargestellt.
In einer weiteren Ausführungsform kann somit die Elektrolyse an den endständigen Elektroden durch eine Elektrodialyse an einer bipolaren Membran ergänzt werden, der dann die gleiche Anordnung der Kammern wie in einem oben beschriebenen Verfahrensschritten und eine endständige Elektrode folgen.
Durch diese Anordnungen können in einem durch die Elektroden erzeugten elektrischen Feld mehrere Kammerpakete parallel zur Erzeugung von freier Säure und entsprechender Base genutzt werden. Eine Anordnung einer beliebigen Zahl an 2-Kammer- oder 3-Kammer-Pakten, wie sie oben beschreiben wurden, kann somit hintereinander, jeweils durch eine bipolare Elektrode getrennt, erfolgen.
Vorzugsweise werden die Elektroden durch eigene Kreisläufe umspült. Dies kann z. B. dadurch erfolgen, dass die Elektroden durch monopolare Membranen, die den Säure- bzw. Basenkreis von den Elektroden trennen, umgeben, wie dies z. B. in Abb. 1 und 2 dargestellt ist. Als Elektrodenlösungen kommen Säuren oder Basen wie z. B. H₂SO₄, HNO₃, NaOH, KOH etc. oder Lösungen von Alkalimetallsalzen wie beispielsweise Na₂SO₄, K₂SO₄, NaNO₃, KNO₃ etc. in Betracht.
Ebenfalls kann die Freisetzung der Säure über eine Zweikammer- Gasdiffusionsanoden-Zelle erfolgen, wie sie z. B. in US 6,004,445 beschrieben ist.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren können Anionaustauschermembranen verwendet werden, die stark, mild oder schwach basisch sind, selektiv und für einwertige Anionen, nicht jedoch für Kationen, durchlässig sind. Die Kationenaustauchermembranen können mild oder stark saure Membranen sein, die beispielsweise Phosphorsäure- oder Sulfonsäuregruppen enthalten, und einwertige Kationen, aber keine einwertigen Anionen durchlassen. Die bipolaren Membranen weisen eine Kation- und eine Anion- Austauscherschicht auf, wobei dis erste für Kationen und die letztere für Anionen durchlässig ist. Die Kationenschicht lässt keine Anionen durch und die Anionenschicht keine Kationen. Beispiele solcher Membrane sind z. B. in EP-A-779 286, S. 8, Zeilen 8 bis 24 aufgeführt.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Membranelektrolyse nach dem Prinzip der in Abb. 1 oder 2 gezeigten Elektrodialysen durchgeführt, besonders bevorzugt ist ein 2-Kammersystem nach dem Prinzip der in Abb. 1 dargestellten Elektrodialyse.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird aus einer Lösung, welche das Salz einer organische Säure enthält, z. B. Na-KGS, das Anion, z. B. Na-KGS, durch Anlegen eines elektrischen Feldes aus einer Diluat- oder Mittelkammer durch eine Anionentauschermembran in die Säurekreiskammer überführt. Das überführte Anion, z. B. Na-KGS, wird durch die an der bipolaren Membran gebildeten Protonen zu der freien Säure, z. B. KGS, umgesetzt. Die Gegenionen des Anions, z. B. bei Na-KGS Natriumionen, werden durch eine Kationentauschermembran in die Basekreiskammer überführt und bilden mit den dort an der bipolaren Membran freigesetzten Hydroxidionen die entsprechende Base. In der Diluatkammer bleiben ungeladene Teilchen zurück, so dass es gleichzeitig zu einer Aufreinigung von KGS kommt. Für den Säurekreiseinsatz bietet sich eine verdünnte Lösung der freien Säure, z. B. KGS, an, welche z. B. aus dem vorhergehenden Batch stammen kann. Abb. 2 verdeutlicht das Verfahrensprinzip.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Elektrodialyseschritt eingesetzt, der dadurch gekennzeichnet ist, dass aus der Feedlösung, welche das Salz der organischen Säure, z. B. Na- Ketogulonat (Na-KGS) oder eine andere Ketocarbonsäure in einer anionischen Form, enthält, und Kationen, z. B. Na-Ionen, durch Anlegen eines elektrischen Feldes aus der Säurekreiskammer durch die Kationentauschermembran in eine Basekreiskammer überführt werden. Aus dem überführten Gegenionen, z. B. Na-Ionen, wird durch die an der bipolaren Membran gebildeten Hydroxidionen die entsprechende Base, z. B. Natronlauge, gebildet und abgetrennt bzw. in verdünnter Lösung wieder zurückgeführt. Das Anion bleibt in der sogenannten Säurekreiskammer zurück und bildet mit den dort an der bipolaren Membran freigesetzten Protonen die freie Säure, insbesondere KGS. Abb. 1 verdeutlicht das Verfahrensprinzip und ist in Kombination mit den erfindungsgemäßen vorhergehenden Kristallisationsschritten besonders vorteilhaft.
Im Allgemeinen dient als Basekreiseinsatz die dem Gegenion entsprechende Base (bei Na-Salzen z. B. Natronlauge) in hoher Verdünnung, es muss lediglich eine ausreichende ionische Leitfähigkeit der Lösung zu Beginn der Elektrodialyse sichergestellt werden. Die gebildete Base kann, ggf. nach Aufkonzentration, wieder in der Fermentation eingesetzt werden. Die Elektroden werden, um unerwünschte Reaktionen der Lösungskomponenten zu vermeiden, mit einer Elektrolytlösung in einem gesonderten Kreislauf gespült.
In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform sind Pakete wie sie oben beschrieben wurden, z. B. mit monopolaren Elektroden, oder mit bipolaren Elektroden oder bipolaren Membranen und den beschriebenen Anordnungen der Kammern mehrmals hintereinander angeordnet. Es können die 2-Kammerpakete aus Säure- und Basekammer oder die 3-Kammerpakete aus Säure-, Base- und Mittel - oder Feedkammer mehrfach hintereinander gereiht werden. Somit können in mehreren parallelen Kreisläufen unter nur einem elektrischen Feld Säureanionen und Gegenionen voneinander getrennt werden.
Beispielsweise kann eine solche Anordnung aus endständige Anode/ Anodenkammer/ 1. Membran/ Kathodenkammer/ 1. Kathode/ Kathodenkammer/ 2. Membran/ Anodenkammer/ 2. Anode/ Anodenkammer/. . . etc. letzte Membran/ letzte Kathodenkammer/ endständige Kathode bestehen. Weitere Beispiele für Mehrfachkammern sind in der oben zitierten Literatur zur Elektrolyse und Elektrodialyse ausführlich beschrieben, dem Fachmann bekannt und ausdrücklich hierin mit aufgenommen.
Die Feedlösung kann organische oder anorganische Salze enthalten, um die Leitfähigkeit der Lösung ggf. zu verbessern; beispielsweise können Alkalimetalsulfate, -bisulfate, -chloride oder -phosphate, organische Säuren, z. B. Ammoniumtetrabutyl, Ammoniumsalze, z. B. Ammoniumchlorid etc. enthalten sein. Bevorzugt ist, dass der Anteil an anderen Salzen gering ist, am meisten bevorzugt ist, dass keine anderen Salze zu der Feedlösung hinzu gesetzt werden.
Als bipolare Membranen können homogene oder heterogene, vernetzte oder nichtvernetzte Polymere verwendet werden, welche mit geeigneten funktionellen Gruppen, wie z. B. -SO₃ ^-, -CO₂ ^-. -NR₄ ⁺ etc. besetzt sind, z. B. Neosepta BP-1 von Tokuyama Corp. oder FBI von FuMaTech. Als Kationentauschermembranen kommen z. B. Neosepta CMX und CMB-Membranen von Tokuyama Corp., Selemion CMV von Asahi Glass oder Nation 350 und 450 von DuPont in Frage. Anionentauschermembranen können z. B. Neosepta AMX oder ACS von Tokuyama Corp. oder Selemion AMV oder ASV von Asahi Glass sein.
Die in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Stromdichte oder elektrische Spannung hängt von den Verfahrensparametern ab und liegt im Fachwissen des Fachmanns oder kann ohne unzumutbaren Aufwand festgestellt werden. Entscheidend können die Konzentration an Ionen, die Art und Anzahl der Membranen, die Anordnungen und Abmessungen der Kammer sowie die Temperatur sein.
Vorzugsweise wird die Membranelektrolyse in einem Temperaturbereich von 0°C bis 90°C und bei Stromdichten von 1 bis 1000 mA/cm² durchgeführt. Da die organischen Säuren, insbesondere KGS und Ascorbinsäure hitzeempfindlich sind, wird eine möglichst geringe Temperatur gewählt, vorzugsweise zwischen 10°C und 40°C. Im Fall der Elektrodialyse wird das Verfahren bei 0°C bis 60°C, bevorzugt zwischen 20°C und 40°C und bei Stromdichten von 1 bis 500 mA/cm², besonders bevorzugt bei 50 bis 150 mA/cm² durchgeführt. Am meisten bevorzugt sind 20°C und 40°C und 50 bis 150 mA/cm².
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird in dem Freisetzungsschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens die freie organische Säure nur zu 60% bis 99% Freisetzungsgrad, vorzugsweise zu 80% bis 95% relativ zum Gesamtgehalt des Salzes der organischen Säure in der Kristallisat-Lösung oder der Feed-Lösung des Elektromembranverfahrens freigesetzt. Vorteilhaft erfolgt die Säurefreisetzung durch die Elektrodialyse nicht vollständig, sondern nur bis zu einem Freisetzungsgrad von max. 99%. Die restlichen Gegenionen (i. a. Na, K) werden durch einen konventionellen Kationentauscher oder ein anderes geeignetes Verfahren zur Restsäurefreisetzung, z. B. Versetzen mit HCl, entfernt. Die Verwendung von Kationentauscher ist bevorzugt. Es eigenen sich zahlreiche dem Fachmann bekannte saure Ionentauscherharze, z. B. sind makroporöse oder gelförmige Harze aus vernetzten oder nichtvernetzten Polymeren mit funktionellen Gruppen, wie z. B. -SO₃- oder -CO₂-, beispielsweise Lewatit S2528 oder S100 der Bayer AG oder Nekrolith RP oder RPS von Mitsubishi Chemical Corporation.
Die freigesetzte Säure kann dann kristallisiert, getrocknet oder direkt in Lösung weiterverarbeitet werden. So kann beispielsweise wässrige KGS direkt verestert werden. Die getrocknete KGS kann dann mit einem Alkohol wie unten beschrieben verestert werden, vorteilhaft mit einem C₁- bis C₄-Alkohol. Sollte die Reinheit des Produktes nicht ausreichen, kann eine Kristallisation wie oben beschrieben durchgeführt werden.
Vorteilhaft wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren freigesetzte KGS als wichtiges Zwischenprodukt für die Ascorbinsäureherstellung eingesetzt und kann somit wesentlich zu einem Gesamtoptimum einer Ascorbinsäureherstellung beitragen. KGS- Ester sind Zwischenprodukte bei der Herstellung von Ascorbinsäure. Insbesondere für die Herstellung von Ascorbinsäure wird in industriellen Verfahren freie KGS mit einem verzweigten oder upverzweigten C₁- bis C₈-Alkylalkohol verestert, z. B. mit Methanol, Ethanol, n-Butanol, iso-Butanol, 1-Propanol, 2-Propanol, Pentanol, etc. Die vorliegende Erfindung betrifft somit in einer Ausführungsform auch ein Verfahren zur Herstellung eines Esters einer organischen Säure, vorzugsweise eines Esters der 2-Keto-L-gulonsäure, insbesondere den Methyl-, Ethyl-, oder Butylester dieser Säuren, wobei das Verfahren die Schritte des oben beschriebenen Verfahrens und weiterhin die Freisetzung der Säure und die Veresterung der freien Säure umfasst. Die Freisetzung und Veresterung kann gemäß Verfahren erfolgen, wie sie oben beschrieben wurden oder z. B. in der zitierten EP 0 805 210 beschrieben sind.
Folglich betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung von Ascorbinsäure, umfassend die Schritte des oben beschriebenen Verfahrens und weiterhin, einen oder mehr der folgenden Schritte: Lactonisieren der KGS und des KGS-Esters zu Ascorbinsäure, Isolieren der Rohascorbinsäure. Gegebenenfalls enthält das Verfahren noch einen der folgenden weiteren Schritte:
Freisetzung der Ascorbinsäure aus ihrem Salz, Entfärbung der Ascorbinsäure und/oder des Ascorbinsäuresalzes, Isolierung und Hochreinigung der Ascorbinsäure.
Vorteilhaft wird die organische Säure in dem erfindungsgemäßen Verfahren unter neutralen bis alkalischen Bedingungen isoliert. So werden Nebenreaktionen, wie z. B. die Lactonisierung von KGS zu Ascorbinsäure, reduziert, vorzugsweise ausgeschlossen. Vorteilhaft erfolgt in dem erfindungsgemäßen Verfahren die Isolierung von hochreinem 2-Keto-L-gulonat für die Herstellung von Ascorbinsäure in einem frühen Verfahrensschritt vor der Isolierung des Endproduktes Ascorbinsäure, was zu geringeren Nebenprodukten in den Folgeschritten des Verfahrens und somit zu einer verbesserten Qualität, Ausbeute und Reinheit des Endproduktes führt. Die aufgereinigte Säure kann verestert und lactonisiert werden, wie in der Literatur beschrieben.
In einer weiteren Ausführungsform hat das Verfahrensprodukt, insbesondere Na-KGS, KGS, Ascorbat oder Ascorbinsäure, eine Reinheit von mehr als 80%, mehr bevorzugt mehr als 90%, noch mehr bevorzugt mehr als 95%, am meisten bevorzugt von mehr als 98%.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Abbildungen verdeutlicht:
Abb. 1 zeigt das Prinzip der Freisetzung von KGS in der bipolaren Elektrodialyse mit 2 Kreisläufen/2 Kammern.
Abb. 2 zeigt Prinzip der Freisetzung von KGS in der bipolaren Elektrodialyse mit 3 Kreisläufen/3 Kammern.
Die vorliegende Erfindung wird durch die folgenden Beispiele verdeutlicht, ohne dass diese in irgendeiner Weise als einschränkend gelten sollen.

Beispiel 1

In einem 3-1-Doppelwand-Laborkristallisator wird eine mittels Filtration von Zellmasse befreite, ansonsten aber unbehandelte Fermentationslösung vorgelegt und durch Mantelbeheizung im Vakuum nach dem Fachmann gekannten Bedingungen bei 60°C zum Sieden gebracht. Über eine Waagendosiersteuerung werden kontinuierlich 3000 g/h einer Fermentationslösung mit einem Na-KGS-Gehalt von 10% in den Kristallisator eingebracht, während 2450 g verdampftes Wasser über einen Kondensator dem System entzogen wird.
Es stellt sich hierbei ein Feststoffgehalt von ca. 40% in der Suspension ein. Füllstandsgeregelt wird über ein Bodenablassventil semikontinuierlich ein Suspensionsstrom von 550 g/h in ein auf gleiches Vakuum evakuiertes Gefäß abgelassen. Aus diesem Vorrat wird ein zweiter Fällkessel beschickt, in dem der Suspension bei Normaldruck unter Rückflusskühlung 140 g/h des Fällmittels Methanol hinzugefügt werden. Die Suspension mit einem Feststoffgehalt von 42% wird semikontinuierlich entnommen. Nach Abschleudern auf einer Laborzentrifuge, Waschen mit kaltem Wasser und Trocknung im Vakuumtrockenschrank bei 30°C wird Na-KGS als weißer bis leicht gelöstichiger, kristallwasserhaltiger Feststoff erhalten. Im stationären Zustand werden so unter Rückführung der salzhaltigen Waschlösungen 294 g/h Na-KGS-Monohydrat mit einer Reinheit von 99,8% erhalten. Die Ausbeute beträgt 98% bezogen auf den KGS-Gehalt der Feed-Lösung.

Beispiel 2 (Vergleichsbeispiel)

Der gleiche Versuchsaufbau wird unter identischen Bedingungen wie unter Beispiel 1 betrieben, allerdings ohne die anschließende Methanolfällung. Unter diesen Versuchsbedingungen wird Na-KGS- Monohydrat als gelblich-bräunlich verfärbter Feststoff der Reinheit 98,5% in einer Ausbeute von nur 73% erhalten.

Beispiel 3

Eine Lösung, welche neben 16 Gew.-% fermentativ hergestelltem Na-KGS noch 40 ppm Mg enthielt, wurde mit einem chelatbildenden Ionentauscherharz zur Entfernung des Mg behandelt. Hierzu wurden 3 kg der oben beschriebenen Lösung über eine mit 160 g Amberlite 718 Ionentauscherharz gefüllte Säule mit 3 cm Durchmesser geleitet. Dabei wurden Mg-Ionen bis auf einen Gehalt unter 5 ppm aus der Lösung entfernt.

Beispiel 4

Die in Beispiel 1 erhaltene Lösung wurde in drei Portionen zu je 1 kg aufgeteilt. Anschließend wurden die einzelnen Portionen zur Säurefreisetzung im Säurekreis einer Elektrodialyse mit bipolaren Membranen eingesetzt.
Das Elektrodialysemodul war mit jeweils 5 Neosepta BP-1 Membranen als bipolaren Membranen, 5 Neosepta CMX-Membranen als Kationentauschermembranen und 2 Neosepta C66F-Membranen als Endmembranen bestückt. Als Elektrodenmaterial wurde Platin verwendet. Die effektive Membranfläche einer Membran betrug 37 cm². Die Spacer zwischen den Membranen hatten eine Dicke von 1 mm. Als Elektrolyt kam 5 gew.-%ige Schwefelsäure zum Einsatz. Der Basekreiseinsatz war eine 0,5 gew.-%ige Natronlauge (500 g).
Die drei Elektrodialyseversuche wurden mit einer Stromdichtebegrenzung auf 80 mA/cm² und einer Zellspannungsbegrenzung von 20 V durchgeführt. Die Versuchsdauer betrug 1S, 2 und 3 Stunden, um verschiedene Abreicherungsgrade zu erreichen. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle dokumentiert.
Als Säurekreisaustrag enthielt man eine 14 gew.-%ige KGS Lösung, als Basekreisaustrag eine ca. 4 gew.-%ige Natronlauge. Die Verluste an KGS in den Basekreis lagen unter 1%.

Claims

1. Verfahren zur Isolierung eines Salzes einer organischen Säure aus einer Fermentationsbrühe, umfassend die Schritte

a) partielles Verdampfungskristallisieren; und

b) Verdrängungsfällen des Salzes.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Fermentationsbrühe zu 10 bis 95% eingedampft wird.

3. Verfahren Anspruch 1 oder 2, wobei die Fermentationsbrühe zu 50 bis 85% eingedampft wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das partielle Verdampfungskristallisieren unter den folgenden Parametern durchgeführt wird:

a) Temperatur im Kristallisator zwischen 20°C und 100°C;

b) Druck zwischen 0,01 und 1,0 bar;

c) Feststoffgehalt im Kristallisator von 5 bis 60 Gew.-%; und/oder

d) Abkühlen der eingeengten Fermentationsbrühe auf 0°C bis 50°C.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das partielle Verdampfungskristallisieren unter den folgenden Parametern durchgeführt wird:

a) Temperatur im Kristallisator zwischen 40°C und 70°C;

b) Druck zwischen 0,1 und 0,3 bar;

c) Feststoffgehalt im Kristallisator von 25 bis 50 Gew.-%; und

d) Abkühlen der eingeengten Fermentationsbrühe auf 30°C bis 40°C.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Verdrängungskristallisieren unter den folgenden Parametern durchgeführt wird:

a) Zugabe von Methanol, Ethanol, 1-Propanol, 2-Propanol, Aceton, und/oder 2-Butanon als Verdrängungsmittel;

b) Fällung mit 10% bis 80% Verdrängungsmittel bezüglich der Fermentationsbrühe; und/oder

c) Temperatur im Fällapparat von 0°C bis 100°C.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Verdrängungskristallisieren unter den folgenden Parametern durchgeführt wird:

a) Zugabe von Methanol, Ethanol oder 2-Propanol als Verdrängungsmittel;

b) Fällung mit 20% bis 40% Verdrängungsmittel; und

c) Temperatur im Fällapparat von 20°C bis 60°C.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die organische Säure Milchsäure, eine Ketogulonsäure, Zitronensäure, Vanillinsäure, Idonsäure, Ascorbinsäure oder Gulonsäure ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die organische Säure 2,4-Diketo-D-gulonsäure, 2,5-Diketo-D-gulonsäure oder 2-Keto-L-gulonsäure ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Salz ein Natrium-, Magnesium-, Kalium- und/oder Calciumsalz ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Biomasse und/oder anorganische oder organische Verunreinigungen der Fermentationsbrühe reduziert sind.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Verfahren zusätzlich den folgenden Schritt umfasst:

a) Abtrennung von organischen und anorganischen Verunreinigungen aus der Fermentationsbrühe mittels Filtration.

13. Verfahren zur Herstellung einer freien organischen Säure aus ihrem Salz und eines entsprechenden Hydroxids des Salzes, umfassend das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 und weiterhin die folgenden Schritte

a) Lösen des Kristallisats eines Salzes einer organischen Säure in Wasser oder einer wässrigen Lösung, so dass eine Kristallisat-Lösung entsteht;

b) Entfernen der multivalenten Kationen aus der Kristallisat-Lösung; und

c) Freisetzen der organischen Säure aus der Kristallisat- Lösung.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die multivalenten Kationen auf einen Gehalt von weniger als 15 ppm aus der Lösung entfernt werden.

15. Verfahren nach nach Anspruch 13 oder 14, umfassend den Schritt:
Freisetzen der Säure mittels eines Elektromembranverfahrensschritts.

16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei in dem Elektromembranverfahrensschritt das Kation (Gegenkation) und/oder das Anion des gelösten Salzes einer organischen Säure mittels einer oder mehrerer ionenselektiven Ionenaustauschermembran(en) in einem elektrischen Feld von der Kristallisatlösung abgetrennt wird/werden und mit den gleichzeitig generierten oder mit bereitgestellten Protonen und Hydroxidionen reagieren können, so dass die freie organische Säure und das entsprechende Hydroxid des Gegenkations hergestellt wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei das Freisetzen der Säure mittels eines Elektromembranverfahrens zu einem Freisetzungsgrad von 60% bis 99% relativ zum Gesamtgehalt des Salzes der organischen Säure in der Kristallisat- Lösung oder der Feedlösung des Elektromembranverfahrens erfolgt.

18. Verfahren nach Anspruch 17, umfassend den weiteren Schritt:
Entfernen der in dem Elektronenmembranverfahren nicht entfernten Kationen mittels eines Kationenaustauscherschrittes.

19. Verfahren zur Herstellung eines Esters einer organischen Säure, wobei das Verfahren die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 18 und weiterhin den Schritt umfasst:

a) Verestern der isolierten organischen Säure mit einem C₁- bis C₆-Alkylalkohol.

20. Verfahren zur Herstellung von Ascorbinsäure, wobei das Verfahren die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 19 umfasst, wobei die organische Säure 2-Keto-L-gulonsäure ist und das weiterhin die Schritte umfasst:

a) Lactonisieren des KGS-Esters; und

b) Isolieren der Rohascorbinsäure.