コハク酸を製造する方法
本発明は、コハク酸の製造方法において、以下の段階、ａ）コハク酸マグネシウムを含む水性媒体を発酵により用意する段階、該段階において炭水化物源が微生物により発酵されてコハク酸を形成し、発酵の間に、マグネシウム塩基が中和剤として添加され、コハク酸マグネシウム塩を与える；ｂ）該コハク酸マグネシウムを含む水性媒体を結晶化段階及び塩交換段階に付して、１価のコハク酸塩を含む水性溶液を用意する段階、ここで結晶化の前に又は後に行われる塩交換が、コハク酸マグネシウムを１価の塩基で処理して、マグネシウム塩基と１価のコハク酸塩とを用意することを含む；ｃ）該水性溶液中の該１価のコハク酸塩の濃度を１０〜３５重量％の値に調節する段階；ｄ）該１価のコハク酸塩を含む該水性溶液を水分解電気透析に付して、１価の塩基を含む第一溶液並びにコハク酸及び１価のコハク酸塩を含む第二溶液を製造する段階、ここで、該電気透析は、４０〜９５モル％の部分転化率まで実行される；ｅ）コハク酸及び１価のコハク酸塩を含む該第二溶液を結晶化によりコハク酸と１価のコハク酸塩を含む溶液とに分離する段階；及びｆ）該１価のコハク酸塩を含む段階ｅ）の溶液を、段階ｄ）に再循環させる工程；を含む、前記方法に関する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、経済的な態様において、高い純度におけるコハク酸を製造する方法に関する。
【０００２】
コハク酸は、しばしば、微生物による炭水化物の発酵により製造される。すべての発酵方法に共通の特徴は、微生物により分泌される酸を中和する必要性である。臨界的な値より下のｐＨへの低下は、その方法において使用される微生物に依存して、該微生物の代謝工程を害し、発酵工程を停止に至らせる。従って、ｐＨを制御するために発酵媒体に塩基を添加することが一般的な実務である。これは、製造されたコハク酸が、コハク酸塩の形で発酵媒体中に存在することをもたらす。
【０００３】
発酵によりコハク酸を製造する長く続く実務にもかかわらず、コハク酸の製造におけるチャレンジに一つは、今でもなお、商業的に魅力的である規模で経済的な態様において工程を実行すると同時に、相対的に純粋な形で酸を得ることである。
【０００４】
電気透析は、発酵によるコハク酸の生産において使用され得る精製工程の一つである水分解電気透析（ｗａｔｅｒ−ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｄｉａｌｙｓｉｓ）は、コハク酸塩をコハク酸と塩基への直接転化を特に許す。このタイプの電気透析においては、バイポーラー膜が一般的に使用されて、水をＨ＋及びＯＨ−へとそれぞれ分解し、Ｈ＋及びＯＨ−は、それぞれコハク酸塩のアニオン及びカチオンと結合して、コハク酸と塩基の別々の溶液の製造をもたらす。
【背景技術】
【０００５】
欧州特許第２１５７１８５号明細書は、コハク酸アンモニウム溶液の製造のための方法を記載する。該方法は、コハク酸カルシウム三水和物を製造するための結晶化／発酵段階、コハク酸カルシウム三水和物をコハク酸カルシウム一水和物に転移／結晶化させるための転移段階、結晶化段階、該コハク酸カルシウムをコハク酸アンモニウム溶液に転化させるための塩−置換段階、及びコハク酸アンモニウム溶液から炭酸カルシウムの沈殿を除去するための固体／液体分離段階を含む。該公報は、コハク酸アンモニウムは、公知の方法、例えば、酢酸を使用する方法、によりコハク酸から由来する発酵の製造物のための適切な中間体であることを示す。
【０００６】
米国特許出願公開第２００７／００１５２６４号明細書は、有機酸のアンモニウム溶液の、例えばコハク酸アンモニウム、の製造を記載する。該方法は、マグネシウム化合物の存在下で有機酸を製造する微生物を使用することにより、有機酸マグネシウム塩を含む発酵培養液を得る段階、発酵培養液に含まれる有機酸マグネシウム塩をアンモニア化合物を使用する塩交換に付して、有機酸のアンモニウム塩とマグネシウム化合物を製造する段階、及び製造されたマグネシウム化合物を分離して有機酸のアンモニウム塩溶液を得る段階を含む。該公報は、得られる有機酸アンモニウム塩は、電気透析、イオン交換樹脂、硫酸による中和、反応性結晶化及び反応性抽出により有機酸を得るために使用され得るが、さらなる詳細は与えられていない。
【０００７】
米国特許第５，０３４，１０５号は、カルボン酸（好ましくはコハク酸）を製造するための方法を記載する。該方法は、カルボン酸の塩の不飽和溶液（好ましくは、コハク酸ナトリウム含有発酵培養液の脱塩電気透析による濃縮後に得られるコハク酸ナトリウム溶液）を製造する段階、該溶液を水分解電気透析に付して、塩基及びカルボン酸の過飽和された溶液を形成し、該過飽和された溶液からカルボン酸を結晶化させる段階を含む。
【０００８】
欧州特許第０３８９１０３号は、コハク酸の製造及び精製のための方法を記載する。該方法は、発酵によりコハク酸の塩を製造する段階、該発酵培養液を脱塩電気透析工程に付して、濃縮されたコハク酸塩の溶液としてコハク酸塩を回収する段階、及び塩の溶液を水分解電気透析に付して塩基とコハク酸とを形成する段階を含む。次にコハク酸の製造物は、酸型の強く酸性のイオン交換体で処理されて、いかなるナトリウム又は他のカチオンを除去し、続いて遊離の塩基型の弱く塩基性のイオン交換体で処理されて、如何なる硫酸イオン又は硫酸を除去して、高度に精製されたコハク酸製造物を得る。イオン交換体を使用することの欠点は、イオン交換樹脂を再生する必要性であり、該再生は不要な副生物を生み出す。この公報は、発酵により得られるコハク酸塩を塩交換反応に付すことを示唆していない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
高純度のコハク酸を与え、低いエネルギー消費を有する経済的な態様で行われることができ、実質的な量の非再使用可能な成分（即ち不要な副生物）の製造なしで、かつ実質的な収率損失のない、コハク酸の製造法に対する需要がまだある。
【００１０】
本発明は、そのような方法、即ち請求項１に記載の方法を提供する。この方法においては、コハク酸マグネシウムは、発酵により用意され、結晶化及び塩交換により処理されて、次なる水分解電気透析に特に適する１価のコハク酸塩の水性溶液を与える。高純度のコハク酸は、コハク酸塩のコハク酸への部分的な転化を伴う水分解電気透析を使用し、結晶化によりコハク酸塩からコハク酸を分離し、そしてコハク酸塩を電気透析工程に再循環させることにより、製造される。
【００１１】
本明細書に記載されたコハク酸の製造方法は、非常に効率的かつ経済的であり、高い製造収率を与え、最小の製造物損失を与え、高品質のコハク酸を与えることが見出された。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
従って、本発明は、以下の段階
ａ）コハク酸マグネシウムを含む水性媒体を発酵により用意する段階、該段階において炭水化物源が微生物により発酵されてコハク酸を形成し、発酵の間に、マグネシウム塩基が中和剤として添加され、コハク酸マグネシウム塩を与える；
ｂ）該コハク酸マグネシウムを含む水性媒体を結晶化段階及び塩交換段階に付して、１価のコハク酸塩を含む水性溶液を用意する段階、ここで結晶化の前に又は後に行われる塩交換が、コハク酸マグネシウムを１価の塩基で処理して、マグネシウム塩基と１価のコハク酸塩とを与えることを含む；
ｃ）該水性溶液中の該１価のコハク酸塩の濃度を１０〜３５重量％の値に調節する段階；
ｄ）該１価のコハク酸塩を含む該水性溶液を水分解電気透析に付して、１価の塩基を含む第一溶液並びにコハク酸及び１価のコハク酸塩を含む第二溶液を製造する段階、ここで、該電気透析は、４０〜９５モル％の部分転化率まで実行される；
ｅ）コハク酸及び１価のコハク酸塩を含む該第二溶液を結晶化によりコハク酸と１価のコハク酸塩を含む溶液とに分離する段階；及び
ｆ）該１価のコハク酸塩を含む段階ｅ）の溶液を、段階ｄ）に再循環させる工程；
を含むコハク酸の製造方法に関する。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
発酵段階ａ）の間のマグネシウム塩基の使用は、発酵培養液において可溶であるコハク酸マグネシウムの形成をもたらす。本発明者らは、マグネシウム塩基で中和された発酵培養液から、独立しかつ制御された結晶化が行われることができることを見出した。これは、他の塩基、例えばカルシウム塩基を使用した場合には、ないことである。カルシウム塩基の使用はコハク酸カルシウムを発生させ、該コハク酸カルシウムは、コハク酸マグネシウムにおけるより、より低位に制御された態様で発酵の間に結晶化する傾向がある。その上、得られたコハク酸カルシウムの結晶は、発酵培養液から分離することがより困難である傾向がある。
【００１４】
発酵により得られたコハク酸マグネシウムで行われる結晶化及び塩交換の段階の結果として、段階ｂ）において与えられた１価のコハク酸塩を含む水性溶液は、コハク酸を与える水分解電気透析に直接付され得るような品質のものである。
【００１５】
４０〜９５モル％の部分転化率まで水分解電気透析を行い、次に、残っているコハク酸塩を電気透析段階に再循環させることは、低いエネルギー消費及び実質的な収率損失のない最適な方法をもたらす。
【００１６】
さらに、本明細書に記載された方法は、種々の段階において形成され、分離される全ての化合物は再循環され得るので実質的に不要な副生物を製造しない。段階ｂ）のマグネシウム塩基は例えば、発酵段階ａ）において使用され得、段階ｄ）の１価の塩基を含む溶液は段階ｂ）の塩交換において使用され得る。分離段階ｅ）は、更なる不要な副生物を産出しないので、該段階もまた非再使用可能な成分の量を最小化することに貢献する。
【００１７】
コハク酸マグネシウムを含む水性媒体は、発酵段階により用意される。コハク酸マグネシウム塩は、水性媒体が発酵を出るときに、一般的には、すでに該水性媒体中に存在する。そのような段階において、炭水化物源は、コハク酸生産微生物によりコハク酸に発酵される。発酵の間、マグネシウム塩基が中和剤として添加される。これは対応するコハク酸マグネシウム塩を含む水性媒体の形成をもたらす。
【００１８】
マグネシウム塩基の塩基アニオンは、好ましくは水酸化物、炭酸塩、及び炭酸水素塩の少なくとも１から選択され、より好ましくは水酸化物である。塩基カチオンとしてのマグネシウムの使用は好ましいが、他のアルカリ土類金属カチオン、例えばカルシウムカチオン、もまた使用され得る。添加されたアルカリ土類金属塩基の量は、製造されたコハク酸の量により決定され、発酵媒体のｐＨ制御により決定され得る。
【００１９】
バイオマス（微生物の細胞物質）は、コハク酸塩含有媒体のさらなる加工の前に発酵培養液から除去され得る。バイオマスの除去は、例えば濾過、浮遊、沈降、遠心分離、凝集、及びこれらの組み合わせ、を含む慣用の方法により実行され得る。適切な方法を決定することは当業者の技能の範囲内である。加工の前のさらなる他の任意的な処理は、洗浄、濾過、（再）結晶化、濃縮及びこれらの組み合わせを含む。
【００２０】
アルカリ土類金属のコハク酸塩、好ましくはコハク酸マグネシウム、を含む水性媒体は、結晶化段階及び塩交換段階に付されて、１価のコハク酸塩を含む水性溶液を与える。得られた１価のコハク酸塩は、例えば、エネルギー消費を増加させること及びイオン透過性の膜を汚染させることにより水分解電気透析において否定的に妨害し得る、発酵由来の製造物（例えば、糖、タンパク質、アミノ酸）を実質的に含まないので、水分解電気透析に特に適する。
【００２１】
結晶化の前又は後に行われ得る塩交換段階は、アルカリ土類金属のコハク酸塩を１価の塩基で処理して、アルカリ土類金属の塩基及び１価のコハク酸塩を与えることを含む。
【００２２】
塩交換において使用される１価の塩基は、好ましくは１価のカチオンの水酸化物、炭酸塩、及び／又は炭酸水素塩、より好ましくは水酸化物、であり、該１価のカチオンはナトリウム、カリウム、リチウム、アンモニウム、モノアルキルアンモニウム、ジアルキルアンモニウム、トリアルキルアンモニウム、又はテトラアルキルアンモニウム、好ましくはナトリウム又はカリウム、より好ましくはナトリウムである。一般的に、ナトリウム及びカリウム塩基の使用は有利に、アンモニウム塩基が使用されるときより、コハク酸のアルカリ土類金属塩の１価のコハク酸塩へのより高い転化をもたらす。これは、水分解電気透析のために適する、アルカリ土類金属イオンの低い含有量を有する生成物を用意することと関連がある。塩基のアニオンは、発酵の間の中和剤として使用される塩基アニオンに対応するように一般的に選択される。
【００２３】
１価の塩基の量は、化学量論及びｐＨの考慮により決定される。高い転化率を得るため、及びコハク酸塩からの実質的にすべてのアルカリ土類金属イオンの除去を確実にするためには、過剰の塩基を使用することが好ましい。
【００２４】
段階ｂ）の塩交換の結果として得られたアルカリ土類金属の塩基は、発酵工程ａ）に再循環され得る。
【００２５】
結晶化段階は、少なくとも１の濃縮段階、例えば水の気化段階、冷却段階、シーディング段階、分離段階、洗浄段階、及び再結晶段階、を含み得る。濃縮は、結晶化と一緒に分離段階として行われ得る（例えば、気化−結晶化）。
【００２６】
結晶化が塩交換の前に行われるとき、アルカリ土類金属のコハク酸塩は、好ましくはバイオマスの除去後に、発酵培養液の濃縮（例えば水の気化）により発酵により与えられる水性媒体から結晶化される。得られたアルカリ土類金属のコハク酸塩の結晶は、次に、発酵に由来する生成物を含んでいる液相から分離され、精製されたアルカリ土類金属のコハク酸塩を与える。次に、塩交換は、バッチ式又は連続モードで行われ得る。バッチモードでは、１価の塩基を含む水性溶液が、アルカリ土類金属のコハク酸塩を含む溶液又はスラリーにゆっくり添加される。塩交換段階において形成されたアルカリ土類金属の塩基は、固体の形態であるが、１価のコハク酸塩は水性相に溶解されている。塩交換は、好ましくは連続モードで行われ得る。塩交換が連続モードで行われるとき、アルカリ土類金属のコハク酸塩の結晶（例えばコハク酸マグネシウム）を含むスラリーと１価の塩基（例えば水酸化ナトリウム）の水性溶液とが、反応器において混合されて、固体の形のアルカリ土類金属の塩基（例えば、水酸化マグネシウム）及び水性相に溶解された１価のコハク酸塩（例えば、コハク酸ナトリウム）を含むスラリーを生成する。２つの得られる成分は慣用の固体―液体分離工程、例えば濾過及び／又は沈降、により分離され得、１価のコハク酸塩を含む水性溶液を与える。
【００２７】
塩交換が結晶化の前に行われるときは、１価の塩基は、好ましくはバイオマスの除去後に、発酵により与えられたアルカリ土類金属のコハク酸塩を含む水性媒体に添加される。上で議論されたように、形成されたアルカリ土類金属の塩基は、水性の可溶性の１価のコハク酸塩を含む水性媒体から分離され得る。次に、１価のコハク酸塩は水性媒体を濃縮（例えば水の気化）することにより水性媒体から結晶化され、結晶は、発酵に由来する製造物を含む液状相から分離されて、精製された１価のコハク酸塩を与える。１価のコハク酸塩を含む水性相は、例えば分離されたコハク酸の結晶を水に溶解させることにより得られ得る。
【００２８】
１価のコハク酸塩の水性溶液は、水分解電気透析の前に追加の処理、例えばイオン交換処理、活性炭処理、脱塩電気透析、希釈、濃縮及び／又は濾過（例えばナノろ過）に付され得る。例えば、１価のコハク酸塩を含む水性溶液においてアルカリ土類金属の高すぎるレベルを防ぐための安全対策として、イオン交換段階が、電気透析の前に行われて、そのアルカリ土類金属含有量を下げてもよい。
【００２９】
しかし、本明細書に記載の方法は、そのような追加の処理を有利には必須としない。特にマグネシウム塩基が発酵段階に添加されて、コハク酸マグネシウム発酵培養液を与えるときは特に、必要としない。
【００３０】
次に、１価のコハク酸塩を含む水性溶液は、水分解電気透析に付される。
【００３１】
電気透析に付された水性溶液（フィード溶液）中の１価のコハク酸塩の初期濃度は、１０〜３５重量％である。好ましくは、１価のコハク酸塩の濃度は２０〜３５重量％、より好ましくは２０〜３０重量％、最も好ましくは２２〜２８重量％である。塩濃度に依存して、１価のコハク酸塩を含む水性溶液は、段階ｂ）の後に直接的に使用され得、又は、もし必要ならば、水分解電気透析の前に塩濃度を調節するために希釈又は濃縮されてもよい。濃縮は、例えば瞬間気化又は脱塩電気透析により実行され得る。
【００３２】
水性媒体中の１価のコハク酸塩の濃度は、当業者に公知の方法、例えば伝導度測定及び誘導結合プラズマ質分光学分析を使用することにより決定され得る。
【００３３】
水分解電気透析は、４０〜９５モル％の部分転化率まで、実行される。好ましくは、水分解電気透析は、５０〜９５モル％、より好ましくは６０〜９５モル％、さらにより好ましくは７０〜９０モル％、さらにより好ましくは８０〜９０モル％、最も好ましくは８５モル％、の部分転化率まで、実行される。１価の塩基を含む第一溶液並びにコハク酸及び１価のコハク酸塩を含む第二溶液が本方法において製造される。
【００３４】
４０〜９５モル％の部分転化率は、１価のコハク酸塩の４０〜９５モル％がコハク酸に転化されることを意味する。これは、溶液中に存在するコハク酸及びコハク酸塩の合計モル量に基づいて計算して、４０〜９５モル％の量のコハク酸を含む、電気透析により製造された第二溶液をもたらす。
【００３５】
転化の程度は、当業者に公知の方法を使用して第二溶液の伝導度を測定することにより追跡され得る。
【００３６】
フィード溶液の転化レベル及び初期の塩濃度に加えて、第二溶液の伝導度は電気透析工程の温度に依存する。電気透析が行われるところの温度が高いほど、エネルギー消費は低い。従って、作業温度は、イオン選択的透過性膜の性能及び寿命を妥協することなく、エネルギー消費を最適化するように選択される。一般的に、水分解電気透析が２５℃〜４０℃の温度において行われる。しかし、５０℃より高い温度、例えば６０℃〜８０℃の温度、において電気透析を行うことが、低いエネルギー消費及び熱回収の可能性を許すために好ましい。
【００３７】
水におけるコハク酸の限られた溶解度のために、水分解電気透析の間のコハク酸の結晶化を回避するために、電気透析の作業条件は、最終溶液中のコハク酸の濃度が飽和未満であることを保証するように選択される。例えば、４０〜９５モル％の転化率及び、コハク酸の水における溶解度が８重量％である、２５℃の作業温度の場合、初期のコハク酸ナトリウムの濃度は１０〜２５重量％であるべきである。より高い温度において作業するとき、フィード溶液中のコハク酸ナトリウムの濃度はより高くてもよい。
【００３８】
本明細書に記載された水分解電気透析は、慣用の装置及び慣用の方法を使用して行われ得る。好ましくは、水分解電気透析は、カチオン交換膜及びバイポーラー膜を備えられた電気透析装置において行われる。典型的な水分解電気透析セルは、直列の２つのコンパートメント・ユニット、一般的には約５０のユニットを備える。１価のコハク酸塩を含む水性媒体は塩／酸コンパートメント（即ちフィードコンパートメント）に導入される。１価のカチオンは該塩／酸コンパートメントから塩基コンパートメントにカチオン交換膜を通して輸送されて、１価の塩基を含む第一溶液を製造する。同時にＨ＋イオンは、該塩／酸コンパートメントに輸送されてコハク酸及び１価のコハク酸塩を含む第二溶液を製造する。
【００３９】
水分解電気透析をナトリウム及びカリウムの１価のクエン酸塩に適用することが好ましい。コハク酸アンモニウムを使用するとき、水酸化アンモニウムの発生から生じる毒性のアンモニアの放出を制御するように注意がはらわれなければならない。
【００４０】
水分解電気透析により製造される第二溶液は、結晶化により、コハク酸と、１価のコハク酸塩を含む溶液とに分離される。
【００４１】
コハク酸は、分別結晶化により、懸濁物結晶化により及び／又は洗浄カラム結晶化により静的結晶化ユニットにおいて結晶化され得る。結晶化は、濃縮段階、例えば水の気化段階、冷却段階及び／又はシーディング段階、及び１以上の洗浄段階を含み得る。次に、結晶は、濾過又は遠心分離により溶液の結晶の液相から分離され得る。
【００４２】
残っているコハク酸を含み得る、分離段階ｅ）の後に得られた１価のコハク酸塩を含む溶液は、水分解電気透析に再循環され得る。この再循環段階は、水分解電気透析の間のコハク酸塩のコハク酸への部分転化の結果として、実質的には収率の損失がないことを確実にする。
【００４３】
分離段階ｅ）後に得られたコハク酸製造物は、一般的に固体の形（例えば結晶）であって、少なくとも９９重量％、好ましくは少なくとも９９．５重量％、より好ましくは少なくとも９９．７重量％、最も好ましくは少なくとも９９．９重量％の純度を有する。本発明に従う方法により得られたコハク酸は、従って、高純度であり、多くの用途、例えば合成工程、食品用途、及び化粧料用途、における直接の使用に適する。該コハク酸は、重合工程（例えばポリアミドの形成のため）におけるモノマーとして又は他の重要な製品及び合成中間体、例えばコハク酸エステル、コハク酸無水物及びジアミノブタンの前駆体として直接使用されることができる。得られたコハク酸は特にポリマー製造において重要な中間製造物であるブタンジオール（例えば水素化により）の製造に特に適している。
【００４４】
本明細書に記載された方法は、有利に低いエネルギー消費を伴い、不要な副生物が発生しない、又は実質的に発生しないことを保証する。
【００４５】
本発明は、さらに以下の実施例により説明され、それに又はそれにより制限されない。
【実施例】
【００４６】
実施例１
コハク酸マグネシウムの結晶化
０．５Ｌのジャケット付き容器に、１５０．０ｇのコハク酸マグネシウム四水和物（アクロス製の９９％のコハク酸及びアクロス製の９８％の酸化マグネシウムから合成された）が１９９．９ｇの脱ミネラル水に懸濁されて、２８重量％（無水物として表されて）のコハク酸マグネシウム含有量を得た。この混合物に、８．１ｇの乳酸ナトリウム（６０％、Ｐｕｒａｃ製のＰｕｒａｓａｌ Ｓ）、並びに２．６ｇの酢酸ナトリウム（フルカ製の無水物）、及び１０．０ｇのイースト抽出ペースト（バイオスプリンガー製の６５％）が添加されて、コハク酸発酵培養液をシミュレーションして、最終的なコハク酸マグネシウム結晶における不純物の存在を追跡した。
【００４７】
混合物はサーモスタット付浴により９０℃まで加熱されて、全ての固体を溶解させた。３０分後、溶液はまだ固体を含んでいた。１４７．４ｇの合計量まで３０分ごとに、水が添加された。この段階において、全ての固体は溶解され、全体積は約４５０ｍｌであった。
【００４８】
混合物は９０℃から２０℃まで５時間で冷却されて、夜の間撹拌することを許された。固体は形成されなかった。混合物は再び８０℃まで加熱され、１００ｍｌの水が気化することを許された。
【００４９】
次に、濃縮された溶液は８０℃から６０℃まで３０分で冷却され、種の結晶が添加された。次に、混合物は６０℃から２０℃まで３時間で直線的に冷却された。冷却の間に結晶の核化が３７℃において起きた。
【００５０】
得られた懸濁物は濾過遠心分離により分離された。遠心分離後、７２．８ｇの量の固体のコハク酸マグネシウムが得られた。
【００５１】
試料は、ナトリウム含有量、乳酸塩及び酢酸塩含有量、合計窒素含有量及び色（ＡＰＨＡ、色の測定のための公知の方法）について分析された。結果は表１に示される。
【００５２】
【表１】
【００５３】
コハク酸マグネシウムの結晶中の不純物の量は母液における不純物の量と比較して有意に減少されている。さらに、コハク酸マグネシウムの結晶の溶液において測定された色値は結晶中における残っている色（ｒｅｓｉｄｕａｌ ｃｏｌｏｕｒ）が非常に低いことを示す。
【００５４】
コハク酸マグネシウムの結晶の純度は結晶を洗浄することにより改善され得る。
【００５５】
実施例２：コハク酸カルシウム及びコハク酸マグネシウムと１価の塩基との塩交換
出発物質の製造
水性媒体（溶液）中のコハク酸マグネシウムの製造のために、８０．０ｇのコハク酸が１０００．０ｇの水に溶解された。５０℃まで加熱した後、化学量論の固体の酸化マグネシウム（２７．３ｇ）が添加された。コハク酸の全てが反応することを確実にするために、少過剰のＭｇＯ（２．３ｇ）が添加された。最後に、混合物は、濾紙を装着されたブフナーロートの上でろ過された。９．４重量％のコハク酸マグネシウムの溶液である、ろ液が集められた。水性媒体（懸濁物）中のコハク酸カルシウムは、同様の方法で、コハク酸（１０００．１ｇの水中の８０ｇ＋４．２ｇの過剰）を固体の水酸化カルシウム（５０．６ｇ）と反応させることにより製造された。ろ過及び約８００ｍｌの脱ミネラル水で洗浄した後、残渣（コハク酸カルシウム）は集められ、８０℃において１８時間、乾燥ストーブ中で乾燥された。次に、コハク酸カルシウムは水に懸濁された。両方の反応における少し過剰の試薬は、最少量の不純物を有するコハク酸塩を得るために使用された。
【００５６】
実験：
コハク酸マグネシウム及びコハク酸カルシウムが種々の塩基と反応されて、塩交換工程の効率を調べた。以下の１価の塩基が使用された：水酸化ナトリウム［ＮａＯＨ］，炭酸ナトリウム［Ｎａ２ＣＯ３］、炭酸アンモニウム［（ＮＨ４）２ＣＯ３］及び水酸化アンモニウム［ＮＨ４ＯＨ］。
【００５７】
反応は、１００ｍｌの、水性媒体中の１０重量％のコハク酸マグネシウム又はコハク酸カルシウムを含む、５００ｍｌのビーカー又はエルレンマイヤーフラスコ中で行われた。炭酸ナトリウム及び炭酸アンモニウムが化学量論において固体の形で添加された。アンモニア及びＮａＯＨが、また化学量論の溶質の形で添加された。反応混合物は撹拌棒及び磁気撹拌機を使用して撹拌された。各反応において使用されたコハク酸のアルカリ土類金属塩及び１価の塩基の量は表２に示される。
【００５８】
【表２】
【００５９】
混合物は１時間反応することを許された。各反応混合物から、２５ｍｌの試料が採取された。これらは遠心分離され、その後、Ｍｇ（又はＣａ）及びスクシネートが分析的に決定された。分析データー及びＭｇ２＋／Ｃａ２＋又はスクシネートの初期濃度がコハク酸マグネシウム又はコハク酸カルシウムのコハク酸ナトリウム又はアンモニウムへの転化率の計算のために使用された。結果は表３に与えられる。
【００６０】
【表３】
【００６１】
表３から見られるように、水酸化ナトリウムが使用されるとき、９０％より十分に高い転化率が、コハク酸マグネシウム及びコハク酸カルシウムの両方について得られる。同じことが炭酸ナトリウムが使用されたときにも当てはまる。炭酸アンモニウムの場合、コハク酸カルシウムの場合は９８．７％の転化率が得られたが、コハク酸マグネシウムの転化率は、３７．４％に過ぎなかったことに留意されたい。
【００６２】
実施例３：コハク酸ナトリウム溶液の部分電気透析
電気セル電気透析モジュール（スウェーデン）に、フマテックＦＢＭバイポーラー膜及びネオセプタＣＭＢカチオン交換膜が装着された。２つの電極コンパートメント及び１つのフィードコンパートメントを有するセットアップが使用された。バイポーラー膜及びカチオン交換膜の膜面積は０．０１ｍ２であった。第一コンパートメントはアノード及びバイポーラー膜のカチオン交換側からなり、第二フィードコンパートメントは、バイポーラー膜のアニオン交換側及びカチオン交換膜からなり、第三コンパートメントは、カチオン交換膜及びカソードからなる。２重量％の硫酸水溶液がアノードコンパートメントを通って循環されて、高い伝導性を保証する。３０．５重量％のコハク酸ナトリウム溶液が、フィードとして中央コンパートメントを通って循環された。フィード溶液は、２３７．６ｇのコハク酸ナトリウムを５４０．８ｇの脱ミネラル水に溶解することにより製造された。６重量％の水酸化ナトリウム溶液がカソードコンパートメントを通って循環されて、カソード側において高い伝導度を保証し、製造された水酸化ナトリウムを集めた。３つの溶液が２５０ｍｌ／分における蠕動運動ポンプで、５００ｍｌのガラスバッファーから電気透析モジュール上へ循環された。ガラスバッファー容器は二重壁であった。硫酸、水酸化ナトリウムは試薬グレードのものであり、Ｐｕｒａｃのコハク酸ナトリウムは、高純度の食品グレード品質のものであった。
【００６３】
３つのコンパートメントに亘る温度は温浴を使用して４０〜６０℃に保たれた。電気透析の実験は、一定の７．５Ａの直流で行われた。コハク酸の結晶化は実験の間、電気透析モジュールにおいて観察されなかった。
【００６４】
水分解電気透析の間に、モジュールのフィードコンパートメントにおけるコハク酸ナトリウム溶液は、カチオン交換膜を通してのナトリウムの除去によりバッチ式で酸性化されて、カソードコンパートメントにおいて水酸化ナトリウムを形成し、バイポーラー膜により生成されたプロトンは、元のコハク酸イオンと一緒にコハク酸を形成した。
【００６５】
実験の始めに、フィード（コハク酸ナトリウム溶液）の伝導度は約１６０ｍＳ／ｃｍであり、約１０Ｖの電圧であった。実験の第一の２５０分の間、電圧は、伝導度の低下と一致する１１Ｖまでゆっくりと上昇した。５５０〜６２６分の間隔において、電圧は約１２Ｖから１６Ｖまで上昇し、伝導度は５０ｍＳ／ｃｍから１４．６２ｍＳ／ｃｍに減少した。この点において、転化率は９５％であり、実験は停止された。
【００６６】
電圧の上昇は、残っているコハク酸ナトリウムを転化するためのエネルギー消費の素早い増加をもたらす。
【００６７】
３６．７重量％のコハク酸及び２８重量％のコハク酸ナトリウムを含む溶液は、室温まで低下され、その間、コハク酸の結晶が形成された。次に、流動物は流し去られ、固体のコハク酸が１５時間、ストーブにおいて乾燥された。
【００６８】
実施例４：コハク酸／コハク酸ナトリウム溶液からのコハク酸の結晶化
結晶化装置（５００ｍｌの口の開いているジャケット付きのガラスの容器）に、１００．１ｇ（０．８４８モル）のコハク酸（アクロス）及び１９．９ｇ（０．０７４モル）のコハク酸ナトリウム六水和物（アクロス）が２８１．５ｇの脱ミネラル水において、サーモスタット付き浴で８０℃まで加熱することにより、溶解された。これは２５％のコハク酸及び３％のコハク酸ナトリウムを含む透明な溶液をもたらし、９２モル％の転化率を有する、水分解電気透析工程から得られる溶液を表す。該溶液は、直線の冷却プロフィールで８０℃から２０℃まで５時間で冷却された。冷却の間に核化が５６℃〜５０℃において起きた。
【００６９】
得られた結晶はろ過遠心分離により分離された。遠心分離後、７０．２ｇの量の固体のコハク酸が得られた。
【００７０】
母液及びコハク酸結晶の試料はナトリウム含有量について分析され、母液は、スクシネートの含有量についても分析された。結晶は乾燥することなく分析された。
【００７１】
結晶のナトリウム含有量は母液における１０４００ｐｐｍと比較して、１６５ｐｐｍであることが分かり、母液におけるコハク酸の含有量は１２重量％であった。
【００７２】
ナトリウムの量は母液の比較されたとき、結晶においてかなり減少していた。結晶におけるナトリウムの量は、遠心分離の間に洗浄によりさらに低下され得る。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、経済的な態様において、高い純度におけるコハク酸を製造する方法に関する。
【０００２】
コハク酸は、しばしば、微生物による炭水化物の発酵により製造される。すべての発酵方法に共通の特徴は、微生物により分泌される酸を中和する必要性である。臨界的な値より下のｐＨへの低下は、その方法において使用される微生物に依存して、該微生物の代謝工程を害し、発酵工程を停止に至らせる。従って、ｐＨを制御するために発酵媒体に塩基を添加することが一般的な実務である。これは、製造されたコハク酸が、コハク酸塩の形で発酵媒体中に存在することをもたらす。
【０００３】
発酵によりコハク酸を製造する長く続く実務にもかかわらず、コハク酸の製造におけるチャレンジに一つは、今でもなお、商業的に魅力的である規模で経済的な態様において工程を実行すると同時に、相対的に純粋な形で酸を得ることである。
【０００４】
電気透析は、発酵によるコハク酸の生産において使用され得る精製工程の一つである水分解電気透析（ｗａｔｅｒ−ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｄｉａｌｙｓｉｓ）は、コハク酸塩をコハク酸と塩基への直接転化を特に許す。このタイプの電気透析においては、バイポーラー膜が一般的に使用されて、水をＨ＋及びＯＨ−へとそれぞれ分解し、Ｈ＋及びＯＨ−は、それぞれコハク酸塩のアニオン及びカチオンと結合して、コハク酸と塩基の別々の溶液の製造をもたらす。
【背景技術】
【０００５】
欧州特許第２１５７１８５号明細書は、コハク酸アンモニウム溶液の製造のための方法を記載する。該方法は、コハク酸カルシウム三水和物を製造するための結晶化／発酵段階、コハク酸カルシウム三水和物をコハク酸カルシウム一水和物に転移／結晶化させるための転移段階、結晶化段階、該コハク酸カルシウムをコハク酸アンモニウム溶液に転化させるための塩−置換段階、及びコハク酸アンモニウム溶液から炭酸カルシウムの沈殿を除去するための固体／液体分離段階を含む。該公報は、コハク酸アンモニウムは、公知の方法、例えば、酢酸を使用する方法、によりコハク酸から由来する発酵の製造物のための適切な中間体であることを示す。
【０００６】
米国特許出願公開第２００７／００１５２６４号明細書は、有機酸のアンモニウム溶液の、例えばコハク酸アンモニウム、の製造を記載する。該方法は、マグネシウム化合物の存在下で有機酸を製造する微生物を使用することにより、有機酸マグネシウム塩を含む発酵培養液を得る段階、発酵培養液に含まれる有機酸マグネシウム塩をアンモニア化合物を使用する塩交換に付して、有機酸のアンモニウム塩とマグネシウム化合物を製造する段階、及び製造されたマグネシウム化合物を分離して有機酸のアンモニウム塩溶液を得る段階を含む。該公報は、得られる有機酸アンモニウム塩は、電気透析、イオン交換樹脂、硫酸による中和、反応性結晶化及び反応性抽出により有機酸を得るために使用され得るが、さらなる詳細は与えられていない。
【０００７】
米国特許第５，０３４，１０５号は、カルボン酸（好ましくはコハク酸）を製造するための方法を記載する。該方法は、カルボン酸の塩の不飽和溶液（好ましくは、コハク酸ナトリウム含有発酵培養液の脱塩電気透析による濃縮後に得られるコハク酸ナトリウム溶液）を製造する段階、該溶液を水分解電気透析に付して、塩基及びカルボン酸の過飽和された溶液を形成し、該過飽和された溶液からカルボン酸を結晶化させる段階を含む。
【０００８】
欧州特許第０３８９１０３号は、コハク酸の製造及び精製のための方法を記載する。該方法は、発酵によりコハク酸の塩を製造する段階、該発酵培養液を脱塩電気透析工程に付して、濃縮されたコハク酸塩の溶液としてコハク酸塩を回収する段階、及び塩の溶液を水分解電気透析に付して塩基とコハク酸とを形成する段階を含む。次にコハク酸の製造物は、酸型の強く酸性のイオン交換体で処理されて、いかなるナトリウム又は他のカチオンを除去し、続いて遊離の塩基型の弱く塩基性のイオン交換体で処理されて、如何なる硫酸イオン又は硫酸を除去して、高度に精製されたコハク酸製造物を得る。イオン交換体を使用することの欠点は、イオン交換樹脂を再生する必要性であり、該再生は不要な副生物を生み出す。この公報は、発酵により得られるコハク酸塩を塩交換反応に付すことを示唆していない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
高純度のコハク酸を与え、低いエネルギー消費を有する経済的な態様で行われることができ、実質的な量の非再使用可能な成分（即ち不要な副生物）の製造なしで、かつ実質的な収率損失のない、コハク酸の製造法に対する需要がまだある。
【００１０】
本発明は、そのような方法、即ち請求項１に記載の方法を提供する。この方法においては、コハク酸マグネシウムは、発酵により用意され、結晶化及び塩交換により処理されて、次なる水分解電気透析に特に適する１価のコハク酸塩の水性溶液を与える。高純度のコハク酸は、コハク酸塩のコハク酸への部分的な転化を伴う水分解電気透析を使用し、結晶化によりコハク酸塩からコハク酸を分離し、そしてコハク酸塩を電気透析工程に再循環させることにより、製造される。
【００１１】
本明細書に記載されたコハク酸の製造方法は、非常に効率的かつ経済的であり、高い製造収率を与え、最小の製造物損失を与え、高品質のコハク酸を与えることが見出された。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
従って、本発明は、以下の段階
ａ）コハク酸マグネシウムを含む水性媒体を発酵により用意する段階、該段階において炭水化物源が微生物により発酵されてコハク酸を形成し、発酵の間に、マグネシウム塩基が中和剤として添加され、コハク酸マグネシウム塩を与える；
ｂ）該コハク酸マグネシウムを含む水性媒体を結晶化段階及び塩交換段階に付して、１価のコハク酸塩を含む水性溶液を用意する段階、ここで結晶化の前に又は後に行われる塩交換が、コハク酸マグネシウムを１価の塩基で処理して、マグネシウム塩基と１価のコハク酸塩とを与えることを含む；
ｃ）該水性溶液中の該１価のコハク酸塩の濃度を１０〜３５重量％の値に調節する段階；
ｄ）該１価のコハク酸塩を含む該水性溶液を水分解電気透析に付して、１価の塩基を含む第一溶液並びにコハク酸及び１価のコハク酸塩を含む第二溶液を製造する段階、ここで、該電気透析は、４０〜９５モル％の部分転化率まで実行される；
ｅ）コハク酸及び１価のコハク酸塩を含む該第二溶液を結晶化によりコハク酸と１価のコハク酸塩を含む溶液とに分離する段階；及び
ｆ）該１価のコハク酸塩を含む段階ｅ）の溶液を、段階ｄ）に再循環させる工程；
を含むコハク酸の製造方法に関する。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
発酵段階ａ）の間のマグネシウム塩基の使用は、発酵培養液において可溶であるコハク酸マグネシウムの形成をもたらす。本発明者らは、マグネシウム塩基で中和された発酵培養液から、独立しかつ制御された結晶化が行われることができることを見出した。これは、他の塩基、例えばカルシウム塩基を使用した場合には、ないことである。カルシウム塩基の使用はコハク酸カルシウムを発生させ、該コハク酸カルシウムは、コハク酸マグネシウムにおけるより、より低位に制御された態様で発酵の間に結晶化する傾向がある。その上、得られたコハク酸カルシウムの結晶は、発酵培養液から分離することがより困難である傾向がある。
【００１４】
発酵により得られたコハク酸マグネシウムで行われる結晶化及び塩交換の段階の結果として、段階ｂ）において与えられた１価のコハク酸塩を含む水性溶液は、コハク酸を与える水分解電気透析に直接付され得るような品質のものである。
【００１５】
４０〜９５モル％の部分転化率まで水分解電気透析を行い、次に、残っているコハク酸塩を電気透析段階に再循環させることは、低いエネルギー消費及び実質的な収率損失のない最適な方法をもたらす。
【００１６】
さらに、本明細書に記載された方法は、種々の段階において形成され、分離される全ての化合物は再循環され得るので実質的に不要な副生物を製造しない。段階ｂ）のマグネシウム塩基は例えば、発酵段階ａ）において使用され得、段階ｄ）の１価の塩基を含む溶液は段階ｂ）の塩交換において使用され得る。分離段階ｅ）は、更なる不要な副生物を産出しないので、該段階もまた非再使用可能な成分の量を最小化することに貢献する。
【００１７】
コハク酸マグネシウムを含む水性媒体は、発酵段階により用意される。コハク酸マグネシウム塩は、水性媒体が発酵を出るときに、一般的には、すでに該水性媒体中に存在する。そのような段階において、炭水化物源は、コハク酸生産微生物によりコハク酸に発酵される。発酵の間、マグネシウム塩基が中和剤として添加される。これは対応するコハク酸マグネシウム塩を含む水性媒体の形成をもたらす。
【００１８】
マグネシウム塩基の塩基アニオンは、好ましくは水酸化物、炭酸塩、及び炭酸水素塩の少なくとも１から選択され、より好ましくは水酸化物である。塩基カチオンとしてのマグネシウムの使用は好ましいが、他のアルカリ土類金属カチオン、例えばカルシウムカチオン、もまた使用され得る。添加されたアルカリ土類金属塩基の量は、製造されたコハク酸の量により決定され、発酵媒体のｐＨ制御により決定され得る。
【００１９】
バイオマス（微生物の細胞物質）は、コハク酸塩含有媒体のさらなる加工の前に発酵培養液から除去され得る。バイオマスの除去は、例えば濾過、浮遊、沈降、遠心分離、凝集、及びこれらの組み合わせ、を含む慣用の方法により実行され得る。適切な方法を決定することは当業者の技能の範囲内である。加工の前のさらなる他の任意的な処理は、洗浄、濾過、（再）結晶化、濃縮及びこれらの組み合わせを含む。
【００２０】
アルカリ土類金属のコハク酸塩、好ましくはコハク酸マグネシウム、を含む水性媒体は、結晶化段階及び塩交換段階に付されて、１価のコハク酸塩を含む水性溶液を与える。得られた１価のコハク酸塩は、例えば、エネルギー消費を増加させること及びイオン透過性の膜を汚染させることにより水分解電気透析において否定的に妨害し得る、発酵由来の製造物（例えば、糖、タンパク質、アミノ酸）を実質的に含まないので、水分解電気透析に特に適する。
【００２１】
結晶化の前又は後に行われ得る塩交換段階は、アルカリ土類金属のコハク酸塩を１価の塩基で処理して、アルカリ土類金属の塩基及び１価のコハク酸塩を与えることを含む。
【００２２】
塩交換において使用される１価の塩基は、好ましくは１価のカチオンの水酸化物、炭酸塩、及び／又は炭酸水素塩、より好ましくは水酸化物、であり、該１価のカチオンはナトリウム、カリウム、リチウム、アンモニウム、モノアルキルアンモニウム、ジアルキルアンモニウム、トリアルキルアンモニウム、又はテトラアルキルアンモニウム、好ましくはナトリウム又はカリウム、より好ましくはナトリウムである。一般的に、ナトリウム及びカリウム塩基の使用は有利に、アンモニウム塩基が使用されるときより、コハク酸のアルカリ土類金属塩の１価のコハク酸塩へのより高い転化をもたらす。これは、水分解電気透析のために適する、アルカリ土類金属イオンの低い含有量を有する生成物を用意することと関連がある。塩基のアニオンは、発酵の間の中和剤として使用される塩基アニオンに対応するように一般的に選択される。
【００２３】
１価の塩基の量は、化学量論及びｐＨの考慮により決定される。高い転化率を得るため、及びコハク酸塩からの実質的にすべてのアルカリ土類金属イオンの除去を確実にするためには、過剰の塩基を使用することが好ましい。
【００２４】
段階ｂ）の塩交換の結果として得られたアルカリ土類金属の塩基は、発酵工程ａ）に再循環され得る。
【００２５】
結晶化段階は、少なくとも１の濃縮段階、例えば水の気化段階、冷却段階、シーディング段階、分離段階、洗浄段階、及び再結晶段階、を含み得る。濃縮は、結晶化と一緒に分離段階として行われ得る（例えば、気化−結晶化）。
【００２６】
結晶化が塩交換の前に行われるとき、アルカリ土類金属のコハク酸塩は、好ましくはバイオマスの除去後に、発酵培養液の濃縮（例えば水の気化）により発酵により与えられる水性媒体から結晶化される。得られたアルカリ土類金属のコハク酸塩の結晶は、次に、発酵に由来する生成物を含んでいる液相から分離され、精製されたアルカリ土類金属のコハク酸塩を与える。次に、塩交換は、バッチ式又は連続モードで行われ得る。バッチモードでは、１価の塩基を含む水性溶液が、アルカリ土類金属のコハク酸塩を含む溶液又はスラリーにゆっくり添加される。塩交換段階において形成されたアルカリ土類金属の塩基は、固体の形態であるが、１価のコハク酸塩は水性相に溶解されている。塩交換は、好ましくは連続モードで行われ得る。塩交換が連続モードで行われるとき、アルカリ土類金属のコハク酸塩の結晶（例えばコハク酸マグネシウム）を含むスラリーと１価の塩基（例えば水酸化ナトリウム）の水性溶液とが、反応器において混合されて、固体の形のアルカリ土類金属の塩基（例えば、水酸化マグネシウム）及び水性相に溶解された１価のコハク酸塩（例えば、コハク酸ナトリウム）を含むスラリーを生成する。２つの得られる成分は慣用の固体―液体分離工程、例えば濾過及び／又は沈降、により分離され得、１価のコハク酸塩を含む水性溶液を与える。
【００２７】
塩交換が結晶化の前に行われるときは、１価の塩基は、好ましくはバイオマスの除去後に、発酵により与えられたアルカリ土類金属のコハク酸塩を含む水性媒体に添加される。上で議論されたように、形成されたアルカリ土類金属の塩基は、水性の可溶性の１価のコハク酸塩を含む水性媒体から分離され得る。次に、１価のコハク酸塩は水性媒体を濃縮（例えば水の気化）することにより水性媒体から結晶化され、結晶は、発酵に由来する製造物を含む液状相から分離されて、精製された１価のコハク酸塩を与える。１価のコハク酸塩を含む水性相は、例えば分離されたコハク酸の結晶を水に溶解させることにより得られ得る。
【００２８】
１価のコハク酸塩の水性溶液は、水分解電気透析の前に追加の処理、例えばイオン交換処理、活性炭処理、脱塩電気透析、希釈、濃縮及び／又は濾過（例えばナノろ過）に付され得る。例えば、１価のコハク酸塩を含む水性溶液においてアルカリ土類金属の高すぎるレベルを防ぐための安全対策として、イオン交換段階が、電気透析の前に行われて、そのアルカリ土類金属含有量を下げてもよい。
【００２９】
しかし、本明細書に記載の方法は、そのような追加の処理を有利には必須としない。特にマグネシウム塩基が発酵段階に添加されて、コハク酸マグネシウム発酵培養液を与えるときは特に、必要としない。
【００３０】
次に、１価のコハク酸塩を含む水性溶液は、水分解電気透析に付される。
【００３１】
電気透析に付された水性溶液（フィード溶液）中の１価のコハク酸塩の初期濃度は、１０〜３５重量％である。好ましくは、１価のコハク酸塩の濃度は２０〜３５重量％、より好ましくは２０〜３０重量％、最も好ましくは２２〜２８重量％である。塩濃度に依存して、１価のコハク酸塩を含む水性溶液は、段階ｂ）の後に直接的に使用され得、又は、もし必要ならば、水分解電気透析の前に塩濃度を調節するために希釈又は濃縮されてもよい。濃縮は、例えば瞬間気化又は脱塩電気透析により実行され得る。
【００３２】
水性媒体中の１価のコハク酸塩の濃度は、当業者に公知の方法、例えば伝導度測定及び誘導結合プラズマ質分光学分析を使用することにより決定され得る。
【００３３】
水分解電気透析は、４０〜９５モル％の部分転化率まで、実行される。好ましくは、水分解電気透析は、５０〜９５モル％、より好ましくは６０〜９５モル％、さらにより好ましくは７０〜９０モル％、さらにより好ましくは８０〜９０モル％、最も好ましくは８５モル％、の部分転化率まで、実行される。１価の塩基を含む第一溶液並びにコハク酸及び１価のコハク酸塩を含む第二溶液が本方法において製造される。
【００３４】
４０〜９５モル％の部分転化率は、１価のコハク酸塩の４０〜９５モル％がコハク酸に転化されることを意味する。これは、溶液中に存在するコハク酸及びコハク酸塩の合計モル量に基づいて計算して、４０〜９５モル％の量のコハク酸を含む、電気透析により製造された第二溶液をもたらす。
【００３５】
転化の程度は、当業者に公知の方法を使用して第二溶液の伝導度を測定することにより追跡され得る。
【００３６】
フィード溶液の転化レベル及び初期の塩濃度に加えて、第二溶液の伝導度は電気透析工程の温度に依存する。電気透析が行われるところの温度が高いほど、エネルギー消費は低い。従って、作業温度は、イオン選択的透過性膜の性能及び寿命を妥協することなく、エネルギー消費を最適化するように選択される。一般的に、水分解電気透析が２５℃〜４０℃の温度において行われる。しかし、５０℃より高い温度、例えば６０℃〜８０℃の温度、において電気透析を行うことが、低いエネルギー消費及び熱回収の可能性を許すために好ましい。
【００３７】
水におけるコハク酸の限られた溶解度のために、水分解電気透析の間のコハク酸の結晶化を回避するために、電気透析の作業条件は、最終溶液中のコハク酸の濃度が飽和未満であることを保証するように選択される。例えば、４０〜９５モル％の転化率及び、コハク酸の水における溶解度が８重量％である、２５℃の作業温度の場合、初期のコハク酸ナトリウムの濃度は１０〜２５重量％であるべきである。より高い温度において作業するとき、フィード溶液中のコハク酸ナトリウムの濃度はより高くてもよい。
【００３８】
本明細書に記載された水分解電気透析は、慣用の装置及び慣用の方法を使用して行われ得る。好ましくは、水分解電気透析は、カチオン交換膜及びバイポーラー膜を備えられた電気透析装置において行われる。典型的な水分解電気透析セルは、直列の２つのコンパートメント・ユニット、一般的には約５０のユニットを備える。１価のコハク酸塩を含む水性媒体は塩／酸コンパートメント（即ちフィードコンパートメント）に導入される。１価のカチオンは該塩／酸コンパートメントから塩基コンパートメントにカチオン交換膜を通して輸送されて、１価の塩基を含む第一溶液を製造する。同時にＨ＋イオンは、該塩／酸コンパートメントに輸送されてコハク酸及び１価のコハク酸塩を含む第二溶液を製造する。
【００３９】
水分解電気透析をナトリウム及びカリウムの１価のクエン酸塩に適用することが好ましい。コハク酸アンモニウムを使用するとき、水酸化アンモニウムの発生から生じる毒性のアンモニアの放出を制御するように注意がはらわれなければならない。
【００４０】
水分解電気透析により製造される第二溶液は、結晶化により、コハク酸と、１価のコハク酸塩を含む溶液とに分離される。
【００４１】
コハク酸は、分別結晶化により、懸濁物結晶化により及び／又は洗浄カラム結晶化により静的結晶化ユニットにおいて結晶化され得る。結晶化は、濃縮段階、例えば水の気化段階、冷却段階及び／又はシーディング段階、及び１以上の洗浄段階を含み得る。次に、結晶は、濾過又は遠心分離により溶液の結晶の液相から分離され得る。
【００４２】
残っているコハク酸を含み得る、分離段階ｅ）の後に得られた１価のコハク酸塩を含む溶液は、水分解電気透析に再循環され得る。この再循環段階は、水分解電気透析の間のコハク酸塩のコハク酸への部分転化の結果として、実質的には収率の損失がないことを確実にする。
【００４３】
分離段階ｅ）後に得られたコハク酸製造物は、一般的に固体の形（例えば結晶）であって、少なくとも９９重量％、好ましくは少なくとも９９．５重量％、より好ましくは少なくとも９９．７重量％、最も好ましくは少なくとも９９．９重量％の純度を有する。本発明に従う方法により得られたコハク酸は、従って、高純度であり、多くの用途、例えば合成工程、食品用途、及び化粧料用途、における直接の使用に適する。該コハク酸は、重合工程（例えばポリアミドの形成のため）におけるモノマーとして又は他の重要な製品及び合成中間体、例えばコハク酸エステル、コハク酸無水物及びジアミノブタンの前駆体として直接使用されることができる。得られたコハク酸は特にポリマー製造において重要な中間製造物であるブタンジオール（例えば水素化により）の製造に特に適している。
【００４４】
本明細書に記載された方法は、有利に低いエネルギー消費を伴い、不要な副生物が発生しない、又は実質的に発生しないことを保証する。
【００４５】
本発明は、さらに以下の実施例により説明され、それに又はそれにより制限されない。
【実施例】
【００４６】
実施例１
コハク酸マグネシウムの結晶化
０．５Ｌのジャケット付き容器に、１５０．０ｇのコハク酸マグネシウム四水和物（アクロス製の９９％のコハク酸及びアクロス製の９８％の酸化マグネシウムから合成された）が１９９．９ｇの脱ミネラル水に懸濁されて、２８重量％（無水物として表されて）のコハク酸マグネシウム含有量を得た。この混合物に、８．１ｇの乳酸ナトリウム（６０％、Ｐｕｒａｃ製のＰｕｒａｓａｌ Ｓ）、並びに２．６ｇの酢酸ナトリウム（フルカ製の無水物）、及び１０．０ｇのイースト抽出ペースト（バイオスプリンガー製の６５％）が添加されて、コハク酸発酵培養液をシミュレーションして、最終的なコハク酸マグネシウム結晶における不純物の存在を追跡した。
【００４７】
混合物はサーモスタット付浴により９０℃まで加熱されて、全ての固体を溶解させた。３０分後、溶液はまだ固体を含んでいた。１４７．４ｇの合計量まで３０分ごとに、水が添加された。この段階において、全ての固体は溶解され、全体積は約４５０ｍｌであった。
【００４８】
混合物は９０℃から２０℃まで５時間で冷却されて、夜の間撹拌することを許された。固体は形成されなかった。混合物は再び８０℃まで加熱され、１００ｍｌの水が気化することを許された。
【００４９】
次に、濃縮された溶液は８０℃から６０℃まで３０分で冷却され、種の結晶が添加された。次に、混合物は６０℃から２０℃まで３時間で直線的に冷却された。冷却の間に結晶の核化が３７℃において起きた。
【００５０】
得られた懸濁物は濾過遠心分離により分離された。遠心分離後、７２．８ｇの量の固体のコハク酸マグネシウムが得られた。
【００５１】
試料は、ナトリウム含有量、乳酸塩及び酢酸塩含有量、合計窒素含有量及び色（ＡＰＨＡ、色の測定のための公知の方法）について分析された。結果は表１に示される。
【００５２】
【表１】
【００５３】
コハク酸マグネシウムの結晶中の不純物の量は母液における不純物の量と比較して有意に減少されている。さらに、コハク酸マグネシウムの結晶の溶液において測定された色値は結晶中における残っている色（ｒｅｓｉｄｕａｌ ｃｏｌｏｕｒ）が非常に低いことを示す。
【００５４】
コハク酸マグネシウムの結晶の純度は結晶を洗浄することにより改善され得る。
【００５５】
実施例２：コハク酸カルシウム及びコハク酸マグネシウムと１価の塩基との塩交換
出発物質の製造
水性媒体（溶液）中のコハク酸マグネシウムの製造のために、８０．０ｇのコハク酸が１０００．０ｇの水に溶解された。５０℃まで加熱した後、化学量論の固体の酸化マグネシウム（２７．３ｇ）が添加された。コハク酸の全てが反応することを確実にするために、少過剰のＭｇＯ（２．３ｇ）が添加された。最後に、混合物は、濾紙を装着されたブフナーロートの上でろ過された。９．４重量％のコハク酸マグネシウムの溶液である、ろ液が集められた。水性媒体（懸濁物）中のコハク酸カルシウムは、同様の方法で、コハク酸（１０００．１ｇの水中の８０ｇ＋４．２ｇの過剰）を固体の水酸化カルシウム（５０．６ｇ）と反応させることにより製造された。ろ過及び約８００ｍｌの脱ミネラル水で洗浄した後、残渣（コハク酸カルシウム）は集められ、８０℃において１８時間、乾燥ストーブ中で乾燥された。次に、コハク酸カルシウムは水に懸濁された。両方の反応における少し過剰の試薬は、最少量の不純物を有するコハク酸塩を得るために使用された。
【００５６】
実験：
コハク酸マグネシウム及びコハク酸カルシウムが種々の塩基と反応されて、塩交換工程の効率を調べた。以下の１価の塩基が使用された：水酸化ナトリウム［ＮａＯＨ］，炭酸ナトリウム［Ｎａ２ＣＯ３］、炭酸アンモニウム［（ＮＨ４）２ＣＯ３］及び水酸化アンモニウム［ＮＨ４ＯＨ］。
【００５７】
反応は、１００ｍｌの、水性媒体中の１０重量％のコハク酸マグネシウム又はコハク酸カルシウムを含む、５００ｍｌのビーカー又はエルレンマイヤーフラスコ中で行われた。炭酸ナトリウム及び炭酸アンモニウムが化学量論において固体の形で添加された。アンモニア及びＮａＯＨが、また化学量論の溶質の形で添加された。反応混合物は撹拌棒及び磁気撹拌機を使用して撹拌された。各反応において使用されたコハク酸のアルカリ土類金属塩及び１価の塩基の量は表２に示される。
【００５８】
【表２】
【００５９】
混合物は１時間反応することを許された。各反応混合物から、２５ｍｌの試料が採取された。これらは遠心分離され、その後、Ｍｇ（又はＣａ）及びスクシネートが分析的に決定された。分析データー及びＭｇ２＋／Ｃａ２＋又はスクシネートの初期濃度がコハク酸マグネシウム又はコハク酸カルシウムのコハク酸ナトリウム又はアンモニウムへの転化率の計算のために使用された。結果は表３に与えられる。
【００６０】
【表３】
【００６１】
表３から見られるように、水酸化ナトリウムが使用されるとき、９０％より十分に高い転化率が、コハク酸マグネシウム及びコハク酸カルシウムの両方について得られる。同じことが炭酸ナトリウムが使用されたときにも当てはまる。炭酸アンモニウムの場合、コハク酸カルシウムの場合は９８．７％の転化率が得られたが、コハク酸マグネシウムの転化率は、３７．４％に過ぎなかったことに留意されたい。
【００６２】
実施例３：コハク酸ナトリウム溶液の部分電気透析
電気セル電気透析モジュール（スウェーデン）に、フマテックＦＢＭバイポーラー膜及びネオセプタＣＭＢカチオン交換膜が装着された。２つの電極コンパートメント及び１つのフィードコンパートメントを有するセットアップが使用された。バイポーラー膜及びカチオン交換膜の膜面積は０．０１ｍ２であった。第一コンパートメントはアノード及びバイポーラー膜のカチオン交換側からなり、第二フィードコンパートメントは、バイポーラー膜のアニオン交換側及びカチオン交換膜からなり、第三コンパートメントは、カチオン交換膜及びカソードからなる。２重量％の硫酸水溶液がアノードコンパートメントを通って循環されて、高い伝導性を保証する。３０．５重量％のコハク酸ナトリウム溶液が、フィードとして中央コンパートメントを通って循環された。フィード溶液は、２３７．６ｇのコハク酸ナトリウムを５４０．８ｇの脱ミネラル水に溶解することにより製造された。６重量％の水酸化ナトリウム溶液がカソードコンパートメントを通って循環されて、カソード側において高い伝導度を保証し、製造された水酸化ナトリウムを集めた。３つの溶液が２５０ｍｌ／分における蠕動運動ポンプで、５００ｍｌのガラスバッファーから電気透析モジュール上へ循環された。ガラスバッファー容器は二重壁であった。硫酸、水酸化ナトリウムは試薬グレードのものであり、Ｐｕｒａｃのコハク酸ナトリウムは、高純度の食品グレード品質のものであった。
【００６３】
３つのコンパートメントに亘る温度は温浴を使用して４０〜６０℃に保たれた。電気透析の実験は、一定の７．５Ａの直流で行われた。コハク酸の結晶化は実験の間、電気透析モジュールにおいて観察されなかった。
【００６４】
水分解電気透析の間に、モジュールのフィードコンパートメントにおけるコハク酸ナトリウム溶液は、カチオン交換膜を通してのナトリウムの除去によりバッチ式で酸性化されて、カソードコンパートメントにおいて水酸化ナトリウムを形成し、バイポーラー膜により生成されたプロトンは、元のコハク酸イオンと一緒にコハク酸を形成した。
【００６５】
実験の始めに、フィード（コハク酸ナトリウム溶液）の伝導度は約１６０ｍＳ／ｃｍであり、約１０Ｖの電圧であった。実験の第一の２５０分の間、電圧は、伝導度の低下と一致する１１Ｖまでゆっくりと上昇した。５５０〜６２６分の間隔において、電圧は約１２Ｖから１６Ｖまで上昇し、伝導度は５０ｍＳ／ｃｍから１４．６２ｍＳ／ｃｍに減少した。この点において、転化率は９５％であり、実験は停止された。
【００６６】
電圧の上昇は、残っているコハク酸ナトリウムを転化するためのエネルギー消費の素早い増加をもたらす。
【００６７】
３６．７重量％のコハク酸及び２８重量％のコハク酸ナトリウムを含む溶液は、室温まで低下され、その間、コハク酸の結晶が形成された。次に、流動物は流し去られ、固体のコハク酸が１５時間、ストーブにおいて乾燥された。
【００６８】
実施例４：コハク酸／コハク酸ナトリウム溶液からのコハク酸の結晶化
結晶化装置（５００ｍｌの口の開いているジャケット付きのガラスの容器）に、１００．１ｇ（０．８４８モル）のコハク酸（アクロス）及び１９．９ｇ（０．０７４モル）のコハク酸ナトリウム六水和物（アクロス）が２８１．５ｇの脱ミネラル水において、サーモスタット付き浴で８０℃まで加熱することにより、溶解された。これは２５％のコハク酸及び３％のコハク酸ナトリウムを含む透明な溶液をもたらし、９２モル％の転化率を有する、水分解電気透析工程から得られる溶液を表す。該溶液は、直線の冷却プロフィールで８０℃から２０℃まで５時間で冷却された。冷却の間に核化が５６℃〜５０℃において起きた。
【００６９】
得られた結晶はろ過遠心分離により分離された。遠心分離後、７０．２ｇの量の固体のコハク酸が得られた。
【００７０】
母液及びコハク酸結晶の試料はナトリウム含有量について分析され、母液は、スクシネートの含有量についても分析された。結晶は乾燥することなく分析された。
【００７１】
結晶のナトリウム含有量は母液における１０４００ｐｐｍと比較して、１６５ｐｐｍであることが分かり、母液におけるコハク酸の含有量は１２重量％であった。
【００７２】
ナトリウムの量は母液の比較されたとき、結晶においてかなり減少していた。結晶におけるナトリウムの量は、遠心分離の間に洗浄によりさらに低下され得る。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コハク酸の製造方法において、以下の段階、
ａ）コハク酸マグネシウムを含む水性媒体を発酵により用意する段階、該段階において炭水化物源が微生物により発酵されてコハク酸を形成し、発酵の間に、マグネシウム塩基が中和剤として添加されて、コハク酸マグネシウム塩を与える；
ｂ）該コハク酸マグネシウムを含む水性媒体を結晶化段階及び塩交換段階に付して、１価のコハク酸塩を含む水性溶液を用意する段階、ここで結晶化の前に又は後に行われる塩交換が、コハク酸マグネシウムを１価の塩基で処理して、マグネシウム塩基と１価のコハク酸塩とを与えることを含む；
ｃ）該水性溶液中の該１価のコハク酸塩の濃度を１０〜３５重量％の値に調節する段階；
ｄ）該１価のコハク酸塩を含む該水性溶液を水分解電気透析に付して、１価の塩基を含む第一溶液並びにコハク酸及び１価のコハク酸塩を含む第二溶液を製造する段階、ここで、該電気透析は、４０〜９５モル％の部分転化率まで実行される；
ｅ）コハク酸及び１価のコハク酸塩を含む該第二溶液を結晶化によりコハク酸と１価のコハク酸塩を含む溶液とに分離する段階；及び
ｆ）該１価のコハク酸塩を含む段階ｅ）の溶液を、段階ｄ）に再循環させる工程；
を含む、前記方法。
【請求項２】
段階ｂ）において、塩交換が結晶化の後に行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
段階ｃ）において、該水性溶液中の１価のコハク酸塩の濃度が、２０〜３５重量％、好ましくは２０〜３０重量％、より好ましくは２２〜２８重量％に調節される、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
電気透析段階ｄ）が、５０〜９５モル％、より好ましくは６０〜９５モル％、さらにより好ましくは７０〜９０モル％、さらにより好ましくは８０〜９０モル％、の部分転化率まで実行される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
電気透析が、８５モル％の部分転化率まで実行される、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
水分解電気透析段階ｄ）により製造された、１価の塩基を含む第一溶液が、段階ｂ）に再循環される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
水分解電気透析が、カチオン交換膜及びバイポーラー膜を備えられた電気透析装置において実行される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
段階ａ）のマグネシウム塩基が、水酸化マグネシウムである、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
コハク酸マグネシウムを含む該水性媒体が、段階ｂ）の前に、微生物の細胞物質を除去するための分離段階に付される、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
段階ｂ）における１価の塩基が、ナトリウム、カリウム、リチウム、アンモニウム、モノアルキルアンモニウム、ジアルキルアンモニウム、トリアルキルアンモニウム、又はテトラアルキルアンモニウムカチオン、好ましくはナトリウム又はカリウムカチオン、より好ましくはナトリウムカチオンであるカチオンを含む、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
分離段階ｅ）の後に得られるコハク酸が固体の形であり、少なくとも９９重量％、好ましくは少なくとも９９．５重量％、より好ましくは少なくとも９９．７重量％、最も好ましくは少なくとも９９．９重量％の純度を有する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
ブタンジオールの製造方法において、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法を使用してコハク酸を製造し、該コハク酸を水素化して、ブタンジオールを形成する、前記方法。
【請求項１】
コハク酸の製造方法において、以下の段階、
ａ）コハク酸マグネシウムを含む水性媒体を発酵により用意する段階、該段階において炭水化物源が微生物により発酵されてコハク酸を形成し、発酵の間に、マグネシウム塩基が中和剤として添加されて、コハク酸マグネシウム塩を与える；
ｂ）該コハク酸マグネシウムを含む水性媒体を結晶化段階及び塩交換段階に付して、１価のコハク酸塩を含む水性溶液を用意する段階、ここで結晶化の前に又は後に行われる塩交換が、コハク酸マグネシウムを１価の塩基で処理して、マグネシウム塩基と１価のコハク酸塩とを与えることを含む；
ｃ）該水性溶液中の該１価のコハク酸塩の濃度を１０〜３５重量％の値に調節する段階；
ｄ）該１価のコハク酸塩を含む該水性溶液を水分解電気透析に付して、１価の塩基を含む第一溶液並びにコハク酸及び１価のコハク酸塩を含む第二溶液を製造する段階、ここで、該電気透析は、４０〜９５モル％の部分転化率まで実行される；
ｅ）コハク酸及び１価のコハク酸塩を含む該第二溶液を結晶化によりコハク酸と１価のコハク酸塩を含む溶液とに分離する段階；及び
ｆ）該１価のコハク酸塩を含む段階ｅ）の溶液を、段階ｄ）に再循環させる工程；
を含む、前記方法。
【請求項２】
段階ｂ）において、塩交換が結晶化の後に行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
段階ｃ）において、該水性溶液中の１価のコハク酸塩の濃度が、２０〜３５重量％、好ましくは２０〜３０重量％、より好ましくは２２〜２８重量％に調節される、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
電気透析段階ｄ）が、５０〜９５モル％、より好ましくは６０〜９５モル％、さらにより好ましくは７０〜９０モル％、さらにより好ましくは８０〜９０モル％、の部分転化率まで実行される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
電気透析が、８５モル％の部分転化率まで実行される、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
水分解電気透析段階ｄ）により製造された、１価の塩基を含む第一溶液が、段階ｂ）に再循環される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
水分解電気透析が、カチオン交換膜及びバイポーラー膜を備えられた電気透析装置において実行される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
段階ａ）のマグネシウム塩基が、水酸化マグネシウムである、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
コハク酸マグネシウムを含む該水性媒体が、段階ｂ）の前に、微生物の細胞物質を除去するための分離段階に付される、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
段階ｂ）における１価の塩基が、ナトリウム、カリウム、リチウム、アンモニウム、モノアルキルアンモニウム、ジアルキルアンモニウム、トリアルキルアンモニウム、又はテトラアルキルアンモニウムカチオン、好ましくはナトリウム又はカリウムカチオン、より好ましくはナトリウムカチオンであるカチオンを含む、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
分離段階ｅ）の後に得られるコハク酸が固体の形であり、少なくとも９９重量％、好ましくは少なくとも９９．５重量％、より好ましくは少なくとも９９．７重量％、最も好ましくは少なくとも９９．９重量％の純度を有する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
ブタンジオールの製造方法において、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法を使用してコハク酸を製造し、該コハク酸を水素化して、ブタンジオールを形成する、前記方法。
【公表番号】特表２０１３−５１９６５７（Ｐ２０１３−５１９６５７Ａ）
【公表日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５５２４２１（Ｐ２０１２−５５２４２１）
【出願日】平成２３年２月１４日（２０１１．２．１４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１１／０５２１２８
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０９８５９８
【国際公開日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【出願人】（５０４４２１７３０）ピュラック バイオケム ビー． ブイ． (6)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１４日（２０１１．２．１４）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２０１１／０５２１２８
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０９８５９８
【国際公開日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【出願人】（５０４４２１７３０）ピュラック バイオケム ビー． ブイ． (6)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]