СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО L-АЛАНИНА Российский патент 2020 года по МПК C07C227/42 C07C229/08 

Настоящее изобретение относится к способу получения кристаллического L-аланина из водного раствора L-аланина, в частности из водного раствора L-аланина, который получают в процессе ферментации.

Уровень техники

L-аланин, также называемый (S)-2-аминопропионовой кислотой, представляет собой протеиногенную аминокислоту, которую можно использовать в диетическом питании или в качестве ингредиента для фармацевтических продуктов, таких как лекарства для лечения гипертрофии предстательной железы. Его также используют в пищевой промышленности для обогащения питательными веществами здоровой пищи и напитков. Кроме того, L-аланин можно использовать в качестве добавки при культивировании клеток. Помимо этого, L-аланин можно использовать в качестве исходного материала при получении других химических веществ, таких как метилглициндиуксусная кислота. L-аланин часто получают при помощи процессов ферментативного катализа или ферментации (смотрите, например, Xueli Zhang et al., Production of L-alanine by metabolically engineered Escherichia coli, Appl. Microbiol. Biotechnol. (2007) 77:355-366 и цитируемой там литературе; Ullmann's Fine Chemicals, Wiley-VCH, Weinheim 2013, Vol. 1, pages 179 f. и цитируемой там литературе).

При осуществлении процессов производства L-аланин обычно получают в виде водного раствора, из которого его можно выделить путем распылительной сушки или кристаллизации. Распылительная сушка водного раствора, содержащего L-аланин, однако, сначала дает аморфный твердый порошок с неудовлетворительными реологическими свойствами и плохой сохраняемостью, поскольку порошок может подвергаться слеживанию и превращаться в большие куски, с которыми сложно работать.

При попытках выделить L-аланин из водного раствора кристаллизацией сталкиваются с несколькими проблемами. Одна проблема состоит в стремлении L-аланина образовывать перенасыщенные водные растворы, которые могут самопроизвольно кристаллизоваться с образованием твердого материала с примесями. Вторая проблема заключается в том, что при кристаллизации L-аланина из водного раствора получается игольчатый или стержневидный материал, который сложно отфильтровать. Из-за своего высокого отношения размеров и полученной большой удельной поверхности такой игольчатый или стержневидный материал содержит большие количества маточной жидкости и, таким образом, имеет лишь среднюю чистоту и требует дополнительных мер для сушки. Образование игольчатого или стержневидного материала является особенно проблематичным, если водный раствор L-аланина получают в процессе ферментации.

Авторы настоящего изобретения обнаружили, что образование игольчатых или стержневидных кристаллов можно объяснить присутствием органических примесей, в частности α-аминокислот, отличных от L-аланина, таких как D-аланин и некоторые L-аминокислоты, например, L-валин, L-лейцин, L-лизин, L-аспарагин, L-глутамин и L-аргинин, в частности присутствием L-валина. Авторы настоящего изобретения обнаружили, что отрицательное влияние этих α-аминокислот на кристаллизацию L-аланина может вызывать такие проблемы даже при очень низких концентрациях в 100 частей на миллион, в пересчете на массу L-аланина, или меньше. С другой стороны, способы получения L-аланина обычно включают α-аминокислоты, отличные от L-аланина, в значительных количествах, например, в количествах 1000 частей на миллион, в пересчете на L-аланин, или выше. Эти примеси могут возникать при рацемизации или могут получаться в качестве побочных продуктов в способе получения.

Сущность изобретения

Существует сильная потребность в способах, которые позволят получать кристаллический L-аланин в виде компактных кристаллов, т.е. кристаллов с низким отношением размеров, из водного раствора L-аланина, содержащего по меньшей мере 100 частей на миллион, в пересчете на L-аланин, одной или более α-аминокислот, отличных от L-аланина.

Авторы настоящего изобретения неожиданно обнаружили, что эту и другие цели можно достичь при помощи способа, который включает создание в растворе L-аланина условий регулируемого перенасыщения таким образом, что отношение с:с* концентрации с растворенного L-аланина к равновесной растворимости с* L-аланина при условиях регулируемого перенасыщения составляет от >1:1 до 1,5:1, зачастую от >1:1 до 1,3:1, в частности от >1:1 до 1,15:1, в частности от >1:1 до 1,10:1.

Таким образом, настоящее изобретение относится к способу получения кристаллического L-аланина из водного раствора L-аланина, содержащего по меньшей мере 100 частей на миллион, например, от 100 до 30000 частей на миллион, в частности от 200 до 10000 частей на миллион или от 500 до 5000 частей на миллион, в пересчете на L-аланин, одной или более α-аминокислот, отличных от L-аланина, причем способ включает:

a) обеспечение водного раствора L-аланина, содержащего по меньшей мере 100 частей на миллион, в частности по меньшей мере 200 частей на миллион или по меньшей мере 500 частей на миллион, например, от 100 до 30000 частей на миллион, в частности от 200 до 10000 частей на миллион или от 500 до 5000 частей на миллион, в пересчете на L-аланин, одной или более α-аминокислот, отличных от L-аланина;

b) подвергание водного раствора L-аланина кристаллизации путем создания условий регулируемого перенасыщения таким образом, что отношение с:с* концентрации с растворенного L-аланина к равновесной растворимости с* L-аланина при условиях регулируемого перенасыщения составляет от >1:1 до 1,5:1, зачастую от >1:1 до 1,3:1, в частности от >1:1 до 1,15:1, в частности от >1:1 до 1,10:1, таким образом оказывая действие на кристаллизацию L-аланина;

с) выделение кристаллического L-аланина из маточной жидкости,

причем водный раствор L-аланина подают в непрерывно работающее устройство для кристаллизации, которое содержит водную суспензию кристаллов L-аланина.

При помощи способа настоящего изобретения получают чистый кристаллический L-аланин в виде компактных кристаллов, имеющих, как правило, отношение размеров (отношение длины к толщине) обычно ниже чем 10:1, в частности ниже чем 5:1 или даже ниже чем 2:1. Средний размер частиц кристаллического материала обычно находится в диапазоне от 0,2 до 1,5 мм, в частности от 0,3 до 1,0 мм, где средний размер частиц представляет собой средневзвешенный размер частиц, определенный методом светорассеяния или просеиванием согласно DIN 66165-2:1987-04. Предпочтительно кристаллический L-аланин, полученный способом настоящего изобретения, содержит менее 10 масс. % частиц с размером частиц ниже 100 мкм.

Количество примесей, содержащихся в кристаллическом L-аланине, полученном способом настоящего изобретения, обычно меньше 10000 частей на миллион, в частности меньше 8000 частей на миллион, в пересчете на твердый L-аланин.

Подробное описание изобретения

На первой стадии а) способа настоящего изобретения обеспечивают водный раствор L-аланина, который затем подвергают кристаллизации на второй стадии b). В принципе, любой раствор L-аланина можно использовать в способе настоящего изобретения. Водный раствор может представлять собой водный раствор, полученный при биохимическом процессе или обычном процессе. Водный раствор, используемый в способе настоящего изобретения, предпочтительно получают при биохимическом процессе, таком как процесс, где L-аланин получается ферментативным биокаталитическим превращением из N-ацетил-D,L-аланина или из L-аспарагиновой кислоты (смотрите A. Liese, et al. «Industrial biotransformations)), Wiley-VCH, 2000, pages 300 ff. and 334 ff. и цитируемую там литературу) или ферментацией источника углеводов, как описано, например, в Xueli Zhang et al., Production of L-alanine by metabolically engineered Escherichia coli, Appl. Microbiol. Biotechnol. (2007) 77:355-366 и цитируемой там литературе.

Согласно настоящему изобретению водный раствор L-аланина, который обеспечивают на стадии а) способа настоящего изобретения, содержит по меньшей мере 100 частей на миллион, например, от 100 до 30000 частей на миллион, в частности от 200 до 10000 частей на миллион или от 500 до 8000 частей на миллион, в пересчете на L-аланин, содержащийся в водном растворе, одной или более α-аминокислот, отличных от L-аланина. Примеры таких аминокислот представляют собой, в частности, α-аминокислоты, отличные от L-аланина, такие как D-аланин и некоторые L-аминокислоты, например, L-валин, L-лейцин, L-лизин, L-аспарагин, L-глутамин и L-аргинин, и их смеси. Часто водный раствор L-аланина, который обеспечивают на стадии а), содержит L-валин. Водный раствор L-аланина, который обеспечивают на стадии а), может также содержать другие органические и неорганические примеси. Такие примеси могут представлять собой органические кислоты, отличные от аминокислот, такие как пировиноградная кислота, янтарная кислота, молочная кислота, лимонная кислота, муравьиная кислота, уксусная кислота или пропионовые кислоты, и неорганические соли, такие как фосфаты, сульфаты, гидроксиды щелочных металлов, аммониевые соли и подобное. Общее количество примесей не будет обычно превышать 50000 частей на миллион в пересчете на L-аланин, содержащийся в водном растворе.

Было обнаружено, что предпочтительным является, если водный раствор L-аланина, который обеспечивают на стадии а), по существу не содержит нерастворимый в воде твердый материал, т.е. количество нерастворимого в воде материала составляет менее 5000 частей на миллион, в частности менее 100 частей на миллион, в пересчете на L-аланин, содержащийся в нем, или не более 1000 частей на миллион, в частности не более 20 частей на миллион, в пересчете на массу водного раствора. В частности, водный раствор, обеспечиваемый на стадии а), подвергали фильтрации, в частности микрофильтрации или ультрафильтрации, перед подверганием его кристаллизации на стадии b).

В конкретном варианте осуществления водный раствор L-аланина, обеспечиваемый на стадии а), подвергали обесцвечиванию для удаления цветообразующих примесей. Обесцвечивание может достигаться путем обработки водного раствора активированным углем.

Концентрация L-аланина в водном растворе, обеспечиваемом на стадии а), может обычно изменяться от 50 до 270 г/л в зависимости от температуры водного раствора. Часто сначала обеспечивают разбавленный раствор с концентрацией в диапазоне от 50 до 150 г/л, который подвергают стадии концентрирования, например, путем выпаривания воды, до концентрации в диапазоне от 130 до 270 г/л, в частности от 160 до 230 г/л или от 170 до 210 г/л.

Выпаривание воды на стадии концентрирования можно выполнять при помощи обычных испарителей, таких как испарители с принудительной циркуляцией, испарители с естественной циркуляцией, испарители мгновенного вскипания с принудительной циркуляцией, пленочные испарители, испаритель с падающей пленкой и испарители со спиральными трубками. Испарители могут нагреваться обычным теплоносителем, таким как топочный мазут или греющий пар, включая пар из паровой сети или пар, обеспечиваемый в процессе настоящего изобретения путем рекомпрессии пара. Предпочтительно испарение воды на стадии концентрирования выполняется посредством испарителя с падающей пленкой, предпочтительно используя греющий пар, полученный путем механической рекомпрессии пара. Механическая рекомпрессия пара позволяет снижать требуемое количество свежего пара, при этом снижая общие затраты. Рекомпрессия пара предпочтительно осуществляется одним или более роторными компрессорами. Из-за умеренного хода сжатия рекомпрессии пара и, таким образом, ограниченного повышения температуры в секции нагревания предпочтительно используют испарители с падающей пленкой, поскольку они могут работать при небольшом градиенте температуры. Испаритель с падающей пленкой обеспечивает высокую скорость испарения при небольших расходах и низких перепадах давления. Таким образом, испарители с падающей пленкой обеспечивают короткое время удержания чувствительного к температуре L-аланина. Кроме того, низкий перепад давления испарителей с падающей пленкой предпочтителен для рекомпрессии пара и, таким образом, рекуперации теплоты. Предпочтительно соединять несколько испарителей последовательно, поскольку это позволяет поддерживать разницу температур между нагревающей стороной и стороной процесса высокой, при этом обеспечивая небольшие поверхности теплообменника.

Условия регулируемого перенасыщения создают в водной суспензии L-аланина. В водной суспензии содержание твердых веществ предпочтительно находится в диапазоне от 5 до 35 масс. %, в частности от 15 до 30 масс. % и в частности от 20 до 25 масс. %, в пересчете на общую массу суспензии.

Предпочтительно концентрация растворенного L-аланина в водной суспензии L-аланина при условиях перенасыщения предпочтительно находится в диапазоне от 150 до 400 г/л, в частности от 170 до 340 г/л и в частности от 180 до 300 г/л.

Предпочтительно регулируемое перенасыщение создают при повышенной температуре, например, при температуре по меньшей мере 30°С, часто по меньшей мере 50°С, в частности по меньшей мере 60°С. Обычно температура не будет превышать 110°С. В частности, перенасыщение создают при температуре от 60 до 105°С.

Регулируемое перенасыщение можно создавать любым средством, которое снижает растворимость L-аланина в воде или повышает концентрацию L-аланина в водном растворе или суспензии, из которой L-аланин кристаллизуется. Такие средства включают удаление воды, добавление осадителя, такого как ацетон, или охлаждение, или комбинацию этих средств. Средства выбирают так, чтобы отношение с:с* концентрации с растворенного L-аланина в водном растворе или суспензии к равновесной растворимости с* L-аланина составляло от >1:1 до 1,5:1, зачастую от >1:1 до 1,3:1, в частности от >1:1 до 1,15:1, в частности от >1:1 до 1,10:1. Равновесная концентрация с* L-аланина в воде при заданной температуре или давлении известна или может быть определена обычным экспериментом. Фактическую концентрацию растворенного L-аланина в суспензии или растворе можно рассчитать при помощи концентрации L-аланина в водном растворе, количества L-аланина, поданного в устройство для кристаллизации, количества удаленной воды и количества кристаллизовавшегося L-аланина. Фактическую концентрацию можно также определить экспериментально, например, при помощи ATR-FTIR (инфракрасной спектроскопии с Фурье-преобразованием и нарушенным полным отражением).

Касательно отношения с:с*, значение >1:1 означает любое значение, которое превышает состояние термодинамического равновесия, т.е. состояние, где отношение с:с* равно 1. Значение >1:1 означает, например, значение 1,00001:1, 1,0005:1, 1,0001:1, 1,0005:1, 1,001:1 или 1,0002:1, в частности значение в диапазоне 1,00001-1,002:1.

Предпочтительно перенасыщение создают или поддерживают путем удаления воды из водного раствора или суспензии, из которой L-аланин кристаллизуется, или охлаждения водного раствора или суспензии, или комбинацией этих способов. Для достижения или поддержания условий перенасыщения воду предпочтительно удаляют испарением. В частности, условия перенасыщения создают или поддерживают путем испарения воды или путем объединения испарения/охлаждения.

Предпочтительно кристаллизацию L-аланина проводят при пониженном давлении для облегчения удаления воды испарением. Предпочтительно кристаллизацию L-аланина проводят под давлением в диапазоне от 20 до 1000 мбар, в частности от 70 до 500 мбар и в частности от 120 до 310 мбар.

Кристаллизацию L-аланина можно проводить в любом типе устройства для кристаллизации, который можно использовать для кристаллизации органического соединения из водного раствора и который может работать непрерывно.

Подходящие устройства для кристаллизации включают, помимо прочего, кристаллизаторы с перемешиванием, кристаллизаторы с перемешиванием и направляющим трубопроводом, кристаллизаторы с перемешиванием, направляющим трубопроводом и необязательно со средствами для классификации кристаллов, так называемые кристаллизаторы с отводящей трубой или кристаллизаторы с отводящей трубой и отбойными перегородками (DTB), кристаллизаторы с принудительным перемешиванием, необязательно имеющие средства для классификации кристаллов, такие как кристаллизаторы типа Осло, кристаллизаторы с искусственным перемешиванием, необязательно имеющие средства для классификации кристаллов, и кристаллизаторы с охлаждающими плитами. Предпочтительные кристаллизаторы выбирают из группы кристаллизаторов с принудительным перемешиванием, кристаллизаторов с отводящей трубой, кристаллизаторов с отводящей трубой и отбойными перегородками, кристаллизаторов типа Осло и кристаллизаторов с искусственным перемешиванием, причем особое предпочтение отдают кристаллизаторам с отводящей трубой и отбойными перегородками и кристаллизаторам с искусственным перемешиванием.

Способ настоящего изобретения проводят непрерывно.

Как уже было указано, способ настоящего изобретения проводят непрерывно, т.е. водный раствор L-аланина, обеспечиваемый на стадии а), подают в непрерывно работающее устройство для кристаллизации. Другими словами, водный раствор L-аланина непрерывно подают в непрерывно работающее устройство для кристаллизации, а кристаллизовавшийся L-аланин непрерывно выгружают из устройства для кристаллизации.

В непрерывно работающих устройствах для кристаллизации поддерживают условия регулируемого перенасыщения. Предпочтительно условия регулируемого перенасыщения поддерживают путем удаления определенных количеств воды, предпочтительно испарением, или путем охлаждения, или комбинациями этих мер. Предпочтительно воду непрерывно удаляют испарением.

Часто непрерывно работающее устройство для кристаллизации работает таким образом, что условия регулируемого перенасыщения являются квазистатическими или фактически квазистатическими. В частности, изменения температуры составляют менее 10 K, и/или изменения давления составляют менее 60 мбар.

Обычно непрерывно работающее устройство для кристаллизации содержит водную суспензию кристаллов L-аланина. Предпочтительно содержание твердых веществ в водной суспензии, содержащейся в непрерывно работающем устройстве для кристаллизации, находится в диапазоне от 5 до 35 масс. %, в частности от 15 до 30 масс. %, в частности от 20 до 25 масс. %, в пересчете на общую массу суспензии, содержащейся в непрерывно работающем устройстве для кристаллизации или в рабочем объеме непрерывно работающего устройства для кристаллизации. Рабочий объем понимается как те части устройства для кристаллизации, где происходит кристаллизация, например, те части, которые содержат свободнотекучую водную суспензию кристаллов L-аланина.

Часто стадия b) непрерывно работающего устройства для кристаллизации включает следующие подстадии:

b1) непрерывная подача водного раствора L-аланина в непрерывно работающее устройство для кристаллизации, содержащее водную суспензию L-аланина, которая предпочтительно характеризуется содержанием твердых веществ от 5 до 30 масс. %, в частности от 20 до 25 масс. %, в пересчете на массу суспензии;

b2) непрерывное удаление воды из водной суспензии L-аланина, содержащейся в устройстве для кристаллизации, предпочтительно путем испарения, в частности путем испарения при пониженном давлении;

b3) непрерывное удаление водной суспензии L-аланина из устройства для кристаллизации.

Было обнаружено, что является предпочтительным, если поток водной суспензии L-аланина, удаляемый из кристаллизатора на стадии b3), делят на два потока. Из первого потока выделяют твердый L-аланин, тогда как остальное подают назад в устройство для кристаллизации вместе со свежим водным раствором L-аланина, обеспечиваемым на стадии b1). Для этого часть водной суспензии L-аланина, удаляемой на стадии b3), смешивают с водным раствором L-аланина со стадии b1) перед подачей ее в устройство для кристаллизации. Полученную таким образом смесь затем подают назад в устройство для кристаллизации. Объемное отношение всего потока, удаляемого из кристаллизатора на стадии b3), к первому потоку, из которого выделили твердый L-аланин, составляет по меньшей мере 4:1, в частности по меньшей мере 7:1, более конкретно по меньшей мере 10:1, например, от 4:1 до 200:1, или от 7:1 до 80:1, или от 10:1 до 60:1.

Для удаления воды испарением энергию, необходимую для испарения, следует подавать в кристаллизатор. Это можно обеспечивать обычными нагревательными элементами. Предпочтительно тепло для испарения подводят в кристаллизатор путем подачи нагретого потока водного раствора L-аланина в реактор. Нагретый поток водного раствора L-аланина, который подают в реактор, можно нагревать любым обычным теплообменником. Теплообменник может работать с обычным теплоносителем, таким как топочный мазут или греющий пар, включая пар из паровой сети или пар, подаваемый в процесс настоящего изобретения путем рекомпрессии пара из воды, испарившейся при кристаллизации или концентрировании водного раствора L-аланина. Предпочтительно нагретый раствор L-аланина, который подают в кристаллизатор, нагревают при помощи декомпрессионного испарителя с принудительной циркуляцией, который предпочтительно нагревают паром от рекомпрессии пара из воды, испарившейся при кристаллизации или концентрировании водного раствора L-аланина. Использование декомпрессионного испарителя с принудительной циркуляцией минимизирует образование загрязнений на поверхностях теплообменника.

Непрерывно работающее устройство для кристаллизации предпочтительно представляет собой кристаллизатор с отводящей трубой, кристаллизатор с отводящей трубой и отбойными перегородками или кристаллизатор с искусственным перемешиванием.

На стадии с) кристаллизовавшийся L-аланин отделяют от водной маточной жидкости. Для этого суспензию кристаллизовавшегося L-аланина в водной маточной жидкости подвергают разделению на жидкую и твердую фазу. Подходящие средства для отделения твердых веществ от жидкостей включают центрифугирование, фильтрацию или промывные колонны. Средства для центрифугирования могут включать, помимо прочего, пульсирующие центрифуги, центрифуги с перфорированным ротором, центрифуги с ножевым съемом осадка и декантаторы. Средства для фильтрации могут включать, помимо прочего, вращающиеся фильтр-прессы, ленточные фильтры, вакуум-фильтры, камерные фильтры и камерные фильтр-прессы. Подходящие промывные колонны могут включать, помимо прочего, промывные колонны с гравитационным осаждением, механические промывные колонны, гидравлические промывные колонны и промывные колонны поршневого типа. Предпочтительно разделение на жидкую и твердую фазу проводят центрифугированием, в частности путем использования пульсирующей центрифуги или центрифуги с перфорированным ротором, поскольку при этом можно получить низкое содержание остаточной влаги в полученном твердом веществе, которое часто составляет менее 10 масс. %, например, от 1 до 8 масс. %.

Разделение на жидкую и твердую фазу можно проводить ступенчато или предпочтительно проводят непрерывно.

Полученное твердое вещество можно промывать для удаления смачивающей маточной жидкости, например, холодным растворителем, таким как вода или насыщенный водный раствор чистого L-аланина. Подходящий растворитель, который можно использовать для промывки твердого L-аланина, может также представлять собой маточную жидкость со следующей стадии кристаллизации, если кристаллизацию проводят на более чем одной стадии кристаллизации. Предпочтительно промывку проводят при температуре ниже 25°С, например, от 0 до 20°С. Промывку можно проводить, например, путем распыления на твердый кристаллический L-аланин холодного растворителя с последующим дополнительным разделением на жидкую и твердую фазу или путем суспендирования твердого кристаллического L-аланина в холодном растворителе с последующим дополнительным разделением на жидкую и твердую фазу. Промывку можно проводить на одной стадии или на множестве стадий промывки, например, на 2, 3 или более стадиях. Если промывку проводят на множестве стадий промывки, стадии промывки могут работать прямоточно или предпочтительно с противоточно.

Предпочтительно кристаллизация L-аланина включает по меньшей мере две, в частности по меньшей мере 3, последовательные стадии или этапа кристаллизации. При этом получаются более компактные кристаллы L-аланина, которые имеют низкое отношение размеров. Кроме того, кристаллический L-аланин, полученный на второй или третьей стадии кристаллизации, имеет больший размер частиц.

В многостадийном способе кристаллизации водный раствор L-аланина, обеспечиваемый на стадии а), подают на стадию (1) кристаллизации, которая работает периодически или предпочтительно работает непрерывно, как описано выше. Кристаллический L-аланин, полученный на этой стадии (1), затем растворяют в воде, а полученный раствор подвергают последующей стадии (2) кристаллизации, где получают очищенный кристаллический L-аланин и дополнительную маточную жидкость. Предпочтительно маточную жидкость последующей стадии (2) кристаллизации смешивают с водой, а смесь используют для растворения кристаллического L-аланина, полученного на стадии (1) кристаллизации. Кристаллический L-аланин, полученный на стадии (2), можно подвергать одной или более, например, 1 или 2, дополнительным стадиям (3) и (4) кристаллизации, соответственно. Предпочтительно маточную жидкость с последующей стадии (n+1) кристаллизации смешивают с водой и эту смесь используют для растворения кристаллического L-аланина, полученного на стадии (n) кристаллизации, где n показывает соответствующую стадию кристаллизации. Маточную жидкость с первой стадии кристаллизации можно отводить или подвергать дополнительной стадии кристаллизации для получения остаточной жидкости, которую отводят, и кристаллического L-аланина низкой чистоты. Кристаллический L-аланин, полученный на указанной стадии кристаллизации, можно растворять, например, в водном растворе L-аланина, обеспечиваемого на стадии а), для получения более концентрированного раствора, который подают на стадию (1) кристаллизации. Неочищенный кристаллический L-аланин, полученный на указанной стадии кристаллизации, можно также растворять в смеси воды и маточной жидкости, полученной на стадии (1) кристаллизации, и объединять с водным раствором L-аланина, обеспечиваемым на стадии а), для получения более концентрированного раствора, который подают на стадию (1) кристаллизации.

Согласно настоящему изобретению, по меньшей мере, стадию (1) кристаллизации проводят согласно способу, описанному выше, который включает кристаллизацию при условиях регулируемого перенасыщения. Предпочтительно также стадию (2) кристаллизации проводят согласно способу, описанному выше, который включает кристаллизацию при условиях регулируемого перенасыщения.

Способ согласно настоящему изобретению описан более подробно далее в настоящем документе со ссылкой на фиг. 1-6. Показанные фигуры служат для иллюстрации и не предназначены для ограничения ими настоящего изобретения.

Краткое описание чертежей

Способ согласно настоящему изобретению описан более подробно далее в настоящем документе со ссылкой на фиг. 1-7. Показанные фигуры служат для иллюстрации и не предназначены для ограничения ими настоящего изобретения.

На фиг. 1 показана основная блок-схема способа согласно настоящему изобретению.

На фиг. 2 показан один вариант осуществления кристаллизатора с принудительной циркуляцией.

На фиг. 3 показан другой вариант осуществления кристаллизатора с принудительной циркуляцией, в этом случае кристаллизатора с отводящей трубой и отбойными перегородками.

На фиг. 4 показан вариант осуществления кристаллизатора с искусственным перемешиванием.

На фиг. 5 показана блок-схема варианта осуществления многостадийного способа согласно настоящему изобретению.

На фиг. 6 показана блок-схема предпочтительного варианта осуществления многостадийного способа согласно настоящему изобретению.

На фиг. 7 показана схематически одна стадия кристаллизации согласно настоящему изобретению.

На фиг. 8 показана микрофотография кристаллов, полученных в сравнительном эксперименте 1.

На фиг. 9 показана микрофотография кристаллов, полученных в сравнительном эксперименте 2.

На фиг. 10 показана микрофотография кристаллов, полученных в примере 1 согласно настоящему изобретению.

На фигурах используют следующие условные обозначения:

С кристаллическая фаза / кристаллы

CR кристаллизация

D выгрузка

F подача

L жидкость

ML маточная жидкость

MLR рециркулируемая маточная жидкость

Р продукт

R рециркулируемая суспензия

RL остаточная жидкость

S свежий раствор

SLS разделение на жидкую и твердую фазу

V пар

W сконденсированный пар (жидкая вода)

WL промывочная жидкость

i индекс для стадии

1 кристаллизатор

2 теплообменник

3 сепаратор

4 циркуляционный насос

5 насос для концентрата

6 компрессор для пара

10 впускное отверстие

11 отвод суспензии

12 выпускное отверстие для суспензии

13 отвод жидкости / перелив

14 отводящая труба

15 туманоуловитель

16 выпускное отверстие для пара

17 зона осаждения

18 мешалка

19 насос

20 зона отделения пара

21 рабочий объем

Как показано на фиг. 1, свежий поток S, содержащий водный раствор L-аланина, объединяют с рециркулирующим потоком R и нагревают в теплообменнике 2 до температуры по меньшей мере 50°С, например, в диапазоне от 60°С до 105°С, для получения водного раствора L-аланина в качестве потока F сырья. Теплообменник 2 может быть расположен или горизонтально, или вертикально в зависимости от конкретных требований. Сырье F затем подают в непрерывно работающий кристаллизатор 1. Кристаллизатор 1 содержит в качестве рабочего объема водную перенасыщенную суспензию L-аланина с содержанием твердых веществ от 5 масс. % до 30 масс. %, например, от 20 масс. % до 25 масс. %, в пересчете на массу суспензии. Подавая перенасыщенный водный раствор L-аланина F в рабочий объем и в то же время удаляя воду, выравнивают концентрацию L-аланина в перенасыщенной суспензии, т.е. в рабочем объеме кристаллизатора 1. Регулируемое перенасыщение L-аланина в водной суспензии осуществляют при температуре по меньшей мере 50°С, например, в диапазоне от 60°С до 105°С, и при сниженном давлении, например, в диапазоне от 120 мбар до 800 мбар.

Воду удаляют из водной суспензии L-аланина испарением, причем водяной пар V отводят из головной части кристаллизатора 1. Пар V можно также перемещать при помощи компрессора 6 для нагрева теплообменника 2, причем он поступает, например, противотоком сырью F, которое надо нагревать, и выходит из теплообменника 2 в виде конденсата W.

Выгрузку D суспензии, содержащей кристаллический L-аланин, удаляют из нижней части кристаллизатора 1. Из выгрузки D часть потока отбирают в виде рециркулирующего потока R и перемещают при помощи циркуляционного насоса 4, чтобы смешать со свежим потоком S перед, на или после входа в теплообменник 2. Выгрузку D будут разделять таким образом, чтобы массовое отношение рециркулирующего потока R к свежему потоку S было предпочтительно более 5, в частности более 10, более 20, например, в диапазоне от 40:1 до 60:1.

Другую часть выгрузки D направляют посредством насоса 5 для концентрата в сепаратор 3. В сепараторе 3 суспензию D разделяют с получением маточной жидкости ML и кристаллического L-аланина в качестве продукта Р. При необходимости, маточную жидкость ML можно рециркулировать в способ настоящего изобретения или на предыдущую стадию.

Альтернативно, выгрузку D суспензии, содержащей кристаллический L-аланин, удаляют сбоку нижней части кристаллизатора 1. Выгрузку D направляют посредством насоса 5 для концентрата в сепаратор 3. В сепараторе 3 суспензию D разделяют с получением маточной жидкости ML и кристаллического L-аланина в качестве продукта Р. При необходимости, маточную жидкость ML можно рециркулировать в способ настоящего изобретения или на предыдущую стадию. Вторую выгрузку удаляют в виде рециркулирующего потока R в центральной части нижней части кристаллизатора 1. Рециркулирующий поток R перемещают при помощи циркуляционного насоса 4, чтобы смешать со свежим потоком S перед, на или после входа в теплообменник 2. Массовое отношение рециркулирующего потока R к свежему потоку S составляет более 5, в частности более 10, более 20, например, в диапазоне от 40:1 до 60:1. Это альтернативное отведение двух различных суспензий может быть особенно предпочтительным, если суспензия D, отбираемая сбоку кристаллизатора, более густая или содержит кристаллы с другим распределением по размерам, чем суспензия R, отбираемая из нижней части кристаллизатора 1.

Предпочтительно кристаллизацию можно проводить в непрерывно работающем кристаллизаторе, например, кристаллизаторе с принудительной циркуляцией, кристаллизаторе с отводящей трубой или кристаллизаторе с отводящей трубой и отбойными перегородками, или, в частности, в кристаллизаторе с искусственным перемешиванием.

На фиг. 2 показан кристаллизатор с отводящей трубой. Перегретый водный раствор L-аланина F поступает в кристаллизатор 1 через впускное отверстие 10, протекает вверх по отводящей трубе 14 и возвращается вниз вдоль наружной стороны отводящей трубы 14.

Вода, испарившаяся из суспензии в рабочий объем 21, поднимается в виде пара V в головную часть кристаллизатора 1. Пар V проходит зону 20 отделения пара и туманоуловитель 15 для удаления капель жидкости и покидает кристаллизатор 1 через выпускное отверстие 16 для пара. Пар V также перемещают при помощи компрессора 6 для нагрева теплообменника 2, причем он поступает, например, противотоком сырью F, которое надо нагревать, и выходит из теплообменника 2 в виде конденсата W.

Вокруг рабочего объема 21 может располагаться зона 17 осаждения. Посредством выпускного отверстия 12 для суспензии в нижней части рабочего объема 21 суспензию R удаляют и объединяют со свежим раствором S. Объединенный поток из R и S рециркулируют посредством циркуляционного насоса 4 через теплообменник 2 в качестве сырья F в кристаллизатор. Циркуляционный насос 4 обеспечен для обязательного перемешивания суспензии, смешанной с поступающим раствором F, и осуществляет циркуляцию суспензии по рабочему объему 21.

Посредством отвода 11 суспензии, расположенного в нижней части кристаллизатора 1 под рабочим объемом 21, суспензию D удаляют из кристаллизатора 1. Отведенная суспензия D содержит желаемый кристаллический L-аланин.

На фиг. 3 показан кристаллизатор с отводящей трубой и отбойными перегородками с принудительной циркуляцией. Перегретый водный раствор L-аланина F поступает в кристаллизатор 1 через впускное отверстие 10, протекает вверх по отводящей трубе 14 и возвращается вниз вдоль наружной стороны отводящей трубы 14. Установленная в нижней части мешалка 18 предусмотрена для обязательного перемешивания суспензии, смешанной с поступающим раствором F, с умеренным потреблением энергии и осуществляет циркуляцию суспензии в рабочем объеме 21.

Вода, испарившаяся из суспензии в рабочий объем 21, поднимается в виде пара V в головную часть кристаллизатора 1. Пар V проходит зону 20 отделения пара и туманоуловитель 15 для удаления капель жидкости и покидает кристаллизатор 1 через выпускное отверстие 16 для пара.

Вокруг рабочего объема 21 устроена зона 17 осаждения в виде перегородок. В зоне 17 осаждения избыток маточной жидкости L и/или мелкую фракцию можно отводить для дальнейшей обработки через перелив 13 в верхней части зоны 17 осаждения. Эту в основном чистую жидкость L можно рециркулировать в способ для регулирования температуры и/или концентрации раствора L-аланина на любой стадии.

Посредством выпускного отверстия 12 для суспензии в нижней части зоны 12 осаждения суспензию R удаляют и рециркулируют для смешивания со свежим потоком S сырья.

Посредством отвода 11 суспензии, расположенного ниже зоны 12 осаждения, суспензию D удаляют из кристаллизатора 1. Отведенная суспензия D содержит желаемый кристаллический L-аланин в качестве продукта Р.

Кристаллизатор с искусственным перемешиванием, показанный на фиг. 4, работает аналогично кристаллизаторам с принудительной циркуляцией, показанным на фиг. 2 и 3, как объяснено выше. В отличие от варианта осуществления, показанного на фиг. 3, кристаллизатор с искусственным перемешиванием работает без какого-либо внутреннего устройства перемешивания.

Перегретый водный раствор L-аланина F поступает в кристаллизатор 1 через впускное отверстие 10, протекает вверх по отводящей трубе 14 и возвращается вниз вдоль наружной стороны отводящей трубы 14. Вода, испарившаяся из суспензии в рабочий объем 21, поднимается в виде пара V в головную часть кристаллизатора 1. Пар V проходит зону 20 отделения пара и туманоуловитель 15 для удаления капель жидкости и покидает кристаллизатор 1 через выпускное отверстие 16 для пара.

Вокруг рабочего объема 21 расположена зона 17 осаждения. Жидкость L отводят через отвод 13 жидкости в верхней части зоны 17 осаждения. Эту в основном чистую жидкость L рециркулируют посредством циркуляционного насоса 4. Посредством выпускного отверстия 12 для суспензии ниже зоны осаждения 12 суспензию R удаляют и объединяют с чистой жидкостью L во внешнем контуре. Свежий раствор S подают в рециркулирующий поток L перед, одновременно или после объединения с потоком R. Объединенный рециркулирующий поток нагревают в теплообменнике (не показан на фигуре) и подают в кристаллизатор 1 в качестве сырья F. Аналогично варианту осуществления, показанному на фиг. 2, пар V можно использовать для нагрева теплообменника 2.

Производительность циркуляционного насоса 4 предусмотрена для перелива через сифон рециркулируемой суспензии R и обязательного перемешивания суспензии в рабочем объеме 21. Не требуется никаких дополнительных перемешивающих средств, так что кристаллы в суспензии обрабатываются с минимально возможной деформацией.

Посредством отвода 11 суспензии, расположенного в нижней части кристаллизатора 1 под рабочим объемом 21 и ниже зоны 12 осаждения, суспензию D удаляют из кристаллизатора 1. Отведенная суспензия D содержит желаемый кристаллический L-аланин в качестве продукта Р.

В многостадийном способе согласно фиг. 5 кристаллизацию проводят на n стадиях. Сырье F подают на первую стадию кристаллизации (i=1). Растворитель удаляют с первой стадии кристаллизации, например, посредством испарения. Суспензию разделяют на остаточную жидкость RL и первую кристаллическую фазу C₁. Первая кристаллическая фаза C₁ переходит на вторую стадию кристаллизации (i=2). Маточную жидкость со второй стадии кристаллизации (i=2) рециркулируют на первую стадию кристаллизации (i=1), например, путем ее смешивания с водой и использования смеси для растворения кристаллической фазы C₁, полученной на первой стадии кристаллизации. На каждой стадии кристаллизации (i=от 2 до n) удаляют воду, например, путем ее отвода в виде пара V растворителя, и суспензию разделяют на маточную жидкость ML и кристаллическую фазу С. Кристаллическая фаза с каждой стадии (i) кристаллизации проходит на следующую стадию (i+1) кристаллизации. Маточную жидкость с каждой стадии (i) кристаллизации рециркулируют на предыдущую стадию (i-1) кристаллизации, например, путем ее смешивания с водой и использования смеси для растворения кристаллического L-аланина с предыдущей стадии кристаллизации. Кристаллическую фазу, содержащую желаемые кристаллы L-аланина, отводят с последней стадии n. Число стадий n зависит от желаемого качества кристаллов в отношении формы, чистоты, реологических свойств и сохраняемости.

В многостадийном способе согласно фиг. 6 кристаллизацию проводят на n стадиях, причем первая стадия (i=1) представляет собой выпарную секцию. Поток аналогичен потоку, описанному на фиг. 4, но сырье F подают между выпарной стадией (i=1) и второй стадией кристаллизации (i=2). В общем, способ согласно фиг. 6 дает большие выходы желаемого продукта.

Стадия (i) кристаллизации согласно фиг. 7 содержит устройство как для кристаллизации CR_i, так и для разделения SLS_i на жидкую и твердую фазу. Устройства, используемые для кристаллизации CR_i, обычно представляют собой кристаллизаторы, подходящие для кристаллических суспензий, такие как реакторы с перемешиванием, например, кристаллизаторы Свенсона, кристаллизаторы с принудительной циркуляцией, например, реакторы типа Осло, реакторы с отводящей трубой, кристаллизаторы с отводящей трубой и отбойными перегородками (смотрите фиг. 3) или кристаллизатор с искусственным перемешиванием (смотрите фиг. 4). Устройства, используемые для разделения SLS_i на жидкую и твердую фазу обычно представляют собой центрифуги, декантаторы, фильтры, фильтр-прессы или промывные колонны.

Сырье F, для каждой стадии (i) содержит суспензию, содержащую кристаллическую фазу С_i-1 с предыдущей стадии (i-1) и/или свежее сырье F, соответственно, а также рециркулируемую маточную жидкость MLR_i. Дистиллят отводят с кристаллизации CR_i в виде пара V_i растворителя. Затем суспензию разделяют в разделителе SLS_i жидкой и твердой фаз на маточную жидкость ML_i и кристаллическую фазу C_i. Кристаллическая фаза С_i с каждой стадии (i) кристаллизации может проходить как сырье F_i+1 на следующую стадию (i+1) кристаллизации или отводиться в виде продукта, соответственно. Одну часть маточной жидкости ML_i с каждой стадии (i) кристаллизации рециркулируют на ту же стадию в качестве MLR_i. Остальную маточную жидкость ML_i с каждой стадии кристаллизации (i) можно рециркулировать на предыдущую стадию (i-1) кристаллизации или отводить, соответственно.

Для повышения чистоты продукционного L-аланина промывочную жидкость WL_i можно дополнительно использовать при разделении SLS_i на жидкую и твердую фазу. В качестве промывочной жидкости WL_i предпочтительно используют холодную воду или холодную маточную жидкость последующей стадии (i+1) кристаллизации.

Сравнительный эксперимент 1

Эксперимент проводили в 1-литровой емкости с двумя рубашками, оборудованной винтовой лопастной мешалкой и 3 перегородками. 19,5 масс. % раствор чистого L-аланина в деионизированной воде вводили в емкость и вводили затравку из 0,5 масс. % кристаллического L-аланина в пересчете на массу раствора аланина. Емкость нагревали до 60°С при перемешивании при 600 мин^-1 и давление медленно снижали до 170 мбар, при этом удаляя воду испарением до тех пор, пока количество испарившейся воды не станет 45 масс. % от исходного раствора аланина. При этом твердый L-аланин получали в виде компактных стержневидных кристаллов, как можно видеть на фиг.8.

Сравнительный эксперимент 2

Эксперимент проводили, как описано для сравнительного эксперимента 1, за исключением того, что исходный раствор аланина содержал 0,1 масс. % L-валина. При этом твердый L-аланин получали в виде компактных игольчатых кристаллов, как можно видеть на фиг. 9.

Пример 1 (согласно настоящему изобретению)

Эксперимент проводили в 1-литровой емкости с двумя рубашками, как описано для сравнительного эксперимента 1. Емкость соединяли с питающей линией и накопителем для продукта для удаления суспензии. Емкость работала непрерывно как MSMPR-кристаллизатор (смешанное удаление суспензии и продукта). Раствор L-аланина, полученный от ферментации с концентрацией 17,8 масс. % L-аланина, 0,085 масс. % L-валина и 0,35 масс. % органических примесей, отличных от L-валина, непрерывно подавали в емкость с расходом 1040 г/ч. Емкость содержала 20 масс. % водную суспензию кристаллического L-аланина, и она работала при 60°С и 180 мбар при скорости перемешивания 600 мин^-1. Циркулирующий объем в емкости составлял 0,00273 м³/с. Воду постоянно удаляли испарением, так что степень испарения, т.е. относительный поток испарившейся воды, исходя из потока сырья, составлял 50%. При этих условиях степень перенасыщения, т.е. отношение с/с*, составляла приблизительно 1,00005. Данным способом получали твердый кристаллический L-аланин в виде компактных стержней, как можно видеть на фиг. 10.

Изобретение относится к способу получения кристаллического L-аланина из водного раствора L-аланина, содержащего по меньшей мере 100 частей на миллион в пересчете на L-аланин одной или более α-аминокислот, отличных от L-аланина. Способ включает следующие стадии: a) обеспечение водного раствора L-аланина, содержащего по меньшей мере 100 частей на миллион в пересчете на L-аланин одной или более α-аминокислот, отличных от L-аланина; b) подвергание раствора L-аланина кристаллизации путем создания условий регулируемого перенасыщения таким образом, что отношение с:с* концентрации с растворенного L-аланина к равновесной растворимости с* L-аланина при условиях регулируемого перенасыщения составляет от >1:1 до 1,5:1, таким образом оказывая действие на кристаллизацию L-аланина; c) выделение кристаллического L-аланина из маточной жидкости. При этом водный раствор L-аланина подают в непрерывно работающее устройство для кристаллизации, которое содержит водную суспензию кристаллов L-аланина. Предлагаемый способ позволяет получать кристаллический L-аланин в виде компактных кристаллов. 15 з.п. ф-лы, 10 ил., 1 пр.

1. Способ получения кристаллического L-аланина из водного раствора L-аланина, содержащего по меньшей мере 100 частей на миллион в пересчете на L-аланин одной или более α-аминокислот, отличных от L-аланина, причем способ включает:

a) обеспечение водного раствора L-аланина, содержащего по меньшей мере 100 частей на миллион в пересчете на L-аланин одной или более α-аминокислот, отличных от L-аланина;

b) подвергание раствора L-аланина кристаллизации путем создания условий регулируемого перенасыщения таким образом, что отношение с:с* концентрации с растворенного L-аланина к равновесной растворимости с* L-аланина при условиях регулируемого перенасыщения составляет от >1:1 до 1,5:1, таким образом оказывая действие на кристаллизацию L-аланина, и

c) выделение кристаллического L-аланина из маточной жидкости,

причем водный раствор L-аланина подают в непрерывно работающее устройство для кристаллизации, которое содержит водную суспензию кристаллов L-аланина.

2. Способ по п. 1, в котором концентрация растворенного L-аланина при условиях перенасыщения составляет от 150 до 400 г/л.

3. Способ по п. 1, в котором регулируемое перенасыщение создают при температуре по меньшей мере 30°С.

4. Способ по п. 1, в котором регулируемое перенасыщение создают удалением воды и/или охлаждением.

5. Способ по п. 4, в котором воду удаляют испарением.

6. Способ по п. 1, в котором стадия b) включает:

b1) непрерывную подачу водного раствора L-аланина в устройство для кристаллизации, содержащее водную суспензию L-аланина;

b2) непрерывное удаление воды из водной суспензии L-аланина, содержащейся в устройстве для кристаллизации, для поддержания условий регулируемого перенасыщения;

b3) непрерывное удаление водной суспензии L-аланина из устройства для кристаллизации.

7. Способ по п. 6, в котором часть водной суспензии L-аланина, удаленную на стадии b3), смешивают с водным раствором L-аланина со стадии b1) и смесь подают назад в устройство для кристаллизации.

8. Способ по п. 7, в котором массовое отношение смеси, которую подают назад в устройство для кристаллизации, и водного раствора L-аланина, смешанного с суспензией, составляет по меньшей мере 4:1.

9. Способ по п. 1, в котором содержание твердых веществ водной суспензии составляет от 5 до 30 мас.%, в частности от 20 до 25 мас.%, в пересчете на массу суспензии.

10. Способ по п. 1, в котором кристаллизацию проводят в кристаллизаторе, выбранном из кристаллизатора с принудительной циркуляцией, кристаллизатора с отводящей трубой, кристаллизатора с отводящей трубой и отбойными перегородками, кристаллизатора типа Осло и кристаллизатора с искусственным перемешиванием.

11. Способ по п. 1, в котором кристаллизация L-аланина включает по меньшей мере две последовательные стадии кристаллизации.

12. Способ по п. 11, в котором кристаллический L-аланин, полученный на предыдущей стадии кристаллизации, растворяют в смеси маточной жидкости последующей стадии кристаллизации и воды для получения водного раствора L-аланина, из которого L-аланин кристаллизуется на последующей стадии кристаллизации.

13. Способ по п. 1, в котором водный раствор L-аланина, обеспечиваемый на стадии а), содержит не более 100 частей на миллион твердого нерастворимого материала.

14. Способ по п. 1, в котором водный раствор L-аланина, обеспечиваемый на стадии а), отфильтровывали для удаления твердого нерастворимого материала.

15. Способ по п. 1, в котором водный раствор L-аланина, обеспечиваемый на стадии а), содержит по меньшей мере одну аминокислоту, выбранную из D-аланина, L-валина, L-лейцина, L-лизина, L-аспарагина, L-глутамина и L-аргинина.

16. Способ по любому из пп. 1-15, в котором водный раствор L-аланина, обеспечиваемый на стадии а), получают процессом ферментации.