CZ290334B6 - Způsob přípravy a výroby dihydroxyacetonu - Google Patents

Abstract

Z°ed n² vodn² roztok glycerinu se podrob biologick oxidaci bu kami Gluconobacter oxydans, po skon en biokonverzi se odd l bu ky mikroorganismu a z skan² roztok obsahuj c dihydroxyaceton se odsol , zbav ne istot sorpc na aktivn m uhl a ultrafiltrac , ultrafiltrovan² roztok se p°edhust reverzn osm zou, dohust na vakuov odparce a odpa°en² sirupovit² zbytek p°ivede ke krystalizaci. Reverzn osm zou se p°itom p°edhu uj vodn roztoky dihydroxyacetonu o v²choz koncentraci 1-15 % hmotnostn ch, s v²hodou 9-10 % hmotnostn ch, na roztoky o kone n koncentraci 15-25 % hmotnostn ch, s v²hodou 18-20 % hmotnostn ch.\

Description

Vynález se týká způsobu dihydroxyacetonu.

Dosavadní stav techniky

Dihydroxyaceton (dále DHA) se nejčastěji vyrábí biotransformací (biologickou oxidací) glycerinu pomocí mikrobiálních buněk Gluconobacter oxydans (starší název Acetobacter suboxydans). Přitom se postupuje tak, že se v médiu obsahujícím glycerin a další látky potřebné pro růst mikroorganismů napěstuje dostatečné množství buněk mikroorganismu, které obsahují enzymy katalyzující selektivní biologickou oxidaci glycerinu. Po skončení biotransformace, odstředění a/nebo odfiltrování mikrobiálních buněk se získá vodný roztok DHA, který vedle žádané látky obsahuje zbytky dalších složek média, jako jsou soli, aminokyseliny, bílkoviny apod., které je třeba z média odstranit. Podle starších postupů byly při výrobě DHA tyto balastní látky odstraňovány srážením a extrakcí organickými rozpouštědly (např. C. Neuberg, E. Hofmann, Biochem. Z., 279: 318, (1935), E.D. Jermolajev, pat. SSSR. 694 533, (1979), M. Kawabe, jap. pat. 01 203 349 (89 203 349), (1989)) a/nebo sorpcí na aktivním uhlí resp. jiných sorpčních materiálech (V.A. Janson, Masložinaja promyšlenosť, 1978, (3): 41; Chem. Abstr. 88: 30578, (1978)).

Tyto postupy byly poměrně pracné. Pokrokem při biotechnologické přípravě DHA bylo odsolení a odstranění organických ionogenních látek pomocí měničů iontů (J. Liebster a kol., Chem. Listy, 50: 395, (1956); N. V. Pomorceva a kol, pat. SSSR 427 050, (1974)). Vzhledem k limitované kapacitě iontoměničů bylo třeba používat k odstranění iontů a ionogenních látek velká množství ionexů, proces byl časově náročný a roztoky kyselin a zásad používané k regeneraci iontoměničů zatěžovaly životní prostředí. Tyto nevýhody odstranilo zavedení elektrodialýzy do procesu výroby DHA podle PV zveřejněné 1009-97.

Biologická oxidace glycerinu proto probíhá nejrychleji a snejvyšší konverzí při nižších koncentracích glycerinu. Při odstraňování iontů a ionogenních látek nebo i dalších způsobech purifikace se roztok DHA obvykle dále zředí. V literatuře je popsána biotechnologická výroba DHA z roztoků glycerinu o vyšší koncentraci, při níž může vznikat hned při biokonverzi koncentrovanější roztok produktu. Vzhledem k tomu, že růst buněk Gluconobacter oxydans je inhibován jak substrátem (glycerin), tak i produktem (DHA), je třeba pro dosažení vyšších koncentrací buď dobu fermentace neúměrně prodloužit nebo zvolit některé speciální a pracné techniky. Při přípravě inokula je např. třeba kulturu produkčního mikroorganismu postupně přeočkovávat v kratších intervalech tak, aby koncentrace DHA v médiu nikdy nepřesáhla hodnotu, při níž dochází k inhibicí (K. Sattler, Z. allgem. Mikrobiol., 5: 136, (1965)), nebo při kontinuální výrobě použít sestavu 3-4 fermentorů, v nichž je zajištěna postupná adaptace mikroorganismu (N. Izuo a kol., J. Ferment. Technol., 58: 221, (1980). Zvyšování koncentrace substrátu a tedy i produktu je přitom dosti rizikové. Pokud není při práci s vyššími koncentracemi stupeň biokonverze na DHA dostatečně vysoký, zůstanou v produktu zbytky glycerinu, které brání jeho krystalizací. Z tohoto důvodu není vhodné používat při fermentací příliš vysoké koncentrace substrátu, i když to znamená získání zředěnějšího vodného roztoku produktu.

K zahušťování zředěných vodných roztoků DHA se dosud používá odpaření za sníženého tlaku. Tato operace je energeticky i časově náročná a vzhledem k omezené stabilitě DHA při ní hrozí ztráty produktu termickým rozkladem nebo polymeraci. Doba tepelné zátěže zahušťovaného roztoku může být omezena využitím vhodně konstruovaných vakuových odparek, jako jsou např. odparky filmové. Speciální odparky jsou však drahé, zejména mají-li mít dostatečnou kapacitu, tj. v krátkém čase zajistit odpaření velkého množství roztoku za šetrných podmínek. Provoz

-1 CZ 290334 B6 velkokapacitních odparek je kromě toho energeticky náročný. Využití filmových odparek při izolaci DHA bylo popsáno např. v případě zpracování reakční směsi rezultující po kondenzaci formaldehydu v organickém rozpouštědle, např. dimethylformamidu, za katalýzy vhodnou thiazoliovou solí, např. 3,4-dimethylthiazolium methosulfátu (Μ. E. Fakley, R. J. Lindsay, 5 EP 245 976). Přitom byl na první filmové odparce odpařen dimethylformamid, na druhé byl při 100 °C a 27 Pa vydestilován ze směsi DHA. Šlo však o malé odparky sodpamou plochou 4,3 dm², jejichž kapacita by pro zpracování tisícovek litrů zředěného roztoku DHA po fermentační výrobě nebyla dostačující.

Podstata vynálezu

Postup podle vynálezu je založený na použití reverzní osmózy kpředhuštění roztoku dihydroxyacetonu s tím, že finální dohuštění se provede na relativně malé filmové odparce. Při 15 reverzní osmóze se roztok látky protlačuje pod tlakem přes membrány s velmi malými póry jimiž projdou jen molekuly vody, zatímco molekuly rozpuštěných látek zůstávají v prostoru za membránou.

Reverzní osmóza se běžně používá kodsolení vody, popisovány jsou však i aplikace této 20 techniky k šetrnému zahušťování vodných roztoků. K zahušťování roztoků dihydroxyacetonu však tento postup nebyl dosud použit. Podle vynálezu lze z vyčištěného roztoku po fermentaci o koncentraci od 1 do 15% hmotnostních dihydroxyacetonu dosáhnout průchodem systému s vhodnou membránou pro reverzní osmózu zahuštění na 15 až 25 % hmotnostních. Zahušťování přitom probíhá při běžných teplotách okolního prostřední a přetlaku na koncentrátové straně od 25 1 do 6 MPa. Předhuštěný roztok dihydroxyacetonu se pak zahustí na sirup ve vakuové odparce, např. filmové rotační odparce.

K zahuštění zředěných roztoků dihydroxyacetonu o koncentraci do 15 % hmotnostních lze využít zařízení pro reverzní osmózu doplněné o relativně malou filmovou odparku. Kombinací reverzní 30 osmózy a vakuového odpařování se roztok rychle a šetrně zahustí na sirup obsahující 92 až 97 % hmotnostních DHA. Doba zahušťování roztoku se přitom zkrátí na 40 až 50 % doby potřebné k zahuštění při použití samotné odparky.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1

Po ukončení provozní fermentace, kde proběhla biokonverze glycerinu na dihydroxyaceton, byla z roztoku o objemu 6 220 1 odstředěna biomasa. Roztok byl vymíchán s aktivním uhlím, zfiltrován a následně ultrafiltrován přes membrány o limitu propustnosti 10 000 daltonů. Roztok byl dále odsolen pomocí elektrodialyzéru a na iontoměničové koloně naplněné katexem Ostion KS v FT cyklu. Získaný roztok o koncentraci 9 % hmotnostních dihydroxyacetonu byl zahuštěn 45 na rotační vakuové odparce CT IB Alfa-Laval. Při prvním průchodu odparkou byl výkon nastaven na 60 1/h. vstupujícího roztoku. Teplota odpařování byla 40 °C, stupeň zakoncentrování byl 6,5. Při druhém průchodu byl výkon odparky nastaven na 60 1/h. vstupujícího předhuštěného roztoku, který byl zahuštěn na sirup o koncentraci 92 % hmotnostních dihydroxyacetonu. Teplota odpařovaného roztoku byla 40 °C a celková doba odpařování byla 128 hodin. Po krystalizací 50 v prostředí ethanolu byly vzniklé krystaly dihydroxyacetonu odseparovány na rotační bubnové odstředivce a vysušeny ve vakuové sušárně.

Byl získán čistý bílý dihydroxyaceton s obsahem účinné látky 99,4 % hmotnostních. Výtěžek krystalizace činil 66,6 % vztaženo na obsah dihydroxyacetonu ve výchozím zahušťovaném 55 roztoku.

-2CZ 290334 B6

Příklad 2

Roztok dihydroxyacetonu po fermentaci byl vyčištěn podle postupu v příkladu č. 1. Ultrafiltrovaný roztok o obsahu 9 % hmotnostních dihydroxyacetonu byl předhuštěn pomocí reverzní osmózy na zařízení RO6-HP Memsep Praha na roztok o koncentraci 19,8 % hmotnostních. Teplota roztoku se přitom pohybovala v rozmezí od 20 do 25 °C, maximální přetlak na koncentrátové straně byl 4,0 MPa, průtok permeátu činil na začátku procesu 350 1/h. na konci 160 1/h. a doba zahušťování byla asi 9 hodin. Poté byl předhuštěný roztok dohuštěn na vakuové rotační odparce CT IB Alfa Laval na sirup obsahující podle výsledků analýzy 92 % hmotnostních dihydroxyacetonu. Výkon odparky byl nastaven na 601/h. vstupujícího předhuštěného roztoku, teplota odpařovaného roztoku byla 40 °C. Doba odpařování se zkrátila na 47 hodin. Celková doba potřebná na předhuštění roztoku dihydroxyacetonu pomocí reverzní osmózy a dohuštění na vakuové odparce byla 56 hodin. Po krystalizací v prostředí ethanolu byly vzniklé krystaly dihydroxyacetonu odseparovány na bubnové odstředivce a vysušeny ve vakuové sušárně.

Získaný čistý bílý dihydroxyaceton obsahoval 99,3 % hmotnostních účinné látky. Výtěžek krystalizace činil 66,1 % vztaženo na obsah dihydroxyacetonu ve výchozím zahušťovaném roztoku.

Průmyslová využitelnost

Dihydroxyaceton se široce používá v kosmetickém průmyslu k přípravě samoopalovacích krémů. Mechanismus účinku spočívá v reakci monomemího dihydroxyacetonu s aminokyselinami a volnými aminoskupinami bílkovin v pokožce za vzniku hnědě zbarvených produktů. Při použití kosmetických formulací obsahujících 2 až 5 % hmotnostních dihydroxyacetonu dochází ke stálému zhnědnutí pokožky po cca 2 hodinách. Vzniklé zbarvení je stejně stálé jako opálení na slunci.

Další využití má dihydroxyaceton např. jako antioxidační přísada v kosmetickém a potravinářském průmyslu. Díky své vysoké reaktivitě je dihydroxyaceton důležitým meziproduktem pro řadu chemických syntéz, zejména při výrobě léčiv (kardiovaskulární léky, cytostatika, rtg kontrastní látky).

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (2)

1. Způsob výroby dihydroxyacetonu biologickou oxidací glycerinu mikrobiálními buňkami Gluconobacter oxydans, vyznačený tím, že při izolaci produktu se výchozí roztok dihydroxyacetonu získaný z média zbaveného mikrobiálních buněk, znečišťujících látek a solí předhustí reverzní osmózou a pak dohustí na sirup na filmové odparce.

2. Způsob podle nároku 1, vyznačený tím, že výchozí roztok dihydroxyacetonu o koncentraci 1-15% hmotnostních, s výhodou 9-10% hmotnostních, se předhustí reverzní osmózou na roztok o koncentraci 15-25 % hmotnostních, s výhodou 18-20 % hmotnostních