專利名稱：用于純化和回收葡萄糖酸衍生物的電滲析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用于優(yōu)選的最終產(chǎn)品的分離和純化的電滲析方法，特別是涉及用于純化和回收葡萄糖酸衍生物的電滲析方法，這樣的葡萄糖酸衍生物例如，是源自發(fā)酵反應(yīng)器和活體外反應(yīng)器去除的溶液的2-酮-L-古洛糖酸。
本發(fā)明的背景技術(shù)葡萄糖酸衍生物，即2-酮-L-古洛糖酸(以下簡寫為KLG)，是包括抗壞血酸(維生素C)在內(nèi)的重要化合物生產(chǎn)中的關(guān)鍵中間體。然而，在KLG至抗壞血酸的轉(zhuǎn)化過程中，為了獲得高產(chǎn)量，KLG必須進(jìn)行只含有有限量雜質(zhì)的高度純化。
生產(chǎn)KLG簡便的方法是通過發(fā)酵方法進(jìn)行。然而，由于多數(shù)發(fā)酵肉湯通過添加堿性物質(zhì)，保持在中性或接近中性的pH值，生產(chǎn)出KLG鹽而不是KLG。而且，發(fā)酵肉湯也含有細(xì)胞、中性物質(zhì)和其它無用的物質(zhì)。這些附加的成分會(huì)阻礙后續(xù)的用于將KLG轉(zhuǎn)化為抗壞血酸的化學(xué)過程，因此，KLG必須從肉湯分離。因此，應(yīng)該理解，任何用于KLG的發(fā)酵方法必須與有效的回收和純化方法結(jié)合。
US5747306公開了一種采用電滲析的分離方法。該活性發(fā)酵肉湯通過添加堿性物質(zhì)，例如氫氧化鈉、氫氧化鉀或氨水保持在5至9之間的接近中性或堿性pH值范圍內(nèi)。該肉湯接著通過含有多重陽離子和陰離子交換膜的電滲析槽，其中KLG鹽從肉湯中去除。含中性物質(zhì)，例如確保微生物生存的營養(yǎng)素的活性發(fā)酵肉湯接著再循環(huán)進(jìn)發(fā)酵系統(tǒng)用于再使用。然而，該電滲析方法產(chǎn)生的純化KLG鹽流，在轉(zhuǎn)化至抗壞血酸過程中產(chǎn)量較低。
另外，通過采用活的和代謝的活性微生物將有機(jī)糖轉(zhuǎn)換至KLG鹽的現(xiàn)有技術(shù)方法是復(fù)雜的，且需要一直小心以保持用于微生物生長和/或代謝的發(fā)酵肉湯有活力和活性，以確保基質(zhì)至KLG鹽的滿意轉(zhuǎn)化。
為了克服在從發(fā)酵培養(yǎng)基回收KLG期間與KLG鹽的高濃度有關(guān)的問題，US4990441公開了一種用硫酸酸化發(fā)酵培養(yǎng)基，從而導(dǎo)致該鹽陽離子與硫酸根陰離子和質(zhì)子化的KLG陰離子沉淀的方法。然而，應(yīng)該注意到該培養(yǎng)基含有KLG鹽也含有無機(jī)雜質(zhì)，例如磷酸根和氯化物陰離子，在加入硫酸的情況下它們會(huì)轉(zhuǎn)化成其對應(yīng)的酸。結(jié)果，這些無機(jī)酸在例如蒸發(fā)結(jié)晶或直接干燥的KLG回收方法中被濃縮，且可以導(dǎo)致酸催化KLG降解。為了解決這個(gè)問題，現(xiàn)有技術(shù)將含KLG和其它雜質(zhì)的培養(yǎng)基與陽離子和陰離子交換樹脂接觸以去除任何離子化雜質(zhì)。但是，存在于發(fā)酵肉湯中的中性有機(jī)物包括簡單和復(fù)雜的糖可以在該溶液pH值下未被電離，且由此該培養(yǎng)基通過陽離子和陰離子交換樹脂而未被去除。同樣地。純化的KLG的回收由于培養(yǎng)基中的這些中性物質(zhì)的存在而被限制。在KLG蒸發(fā)結(jié)晶期間中性糖被濃縮，導(dǎo)致母液粘度的增加。結(jié)果，多程結(jié)晶變得困難，且限制了KLG回收。另外，中性物質(zhì)阻礙了作為回收的優(yōu)選方法的直接干燥，該方法具有較低的資金投入和較高的KLG產(chǎn)量。
由此，需要用于葡萄糖酸衍生物，例如KLG濃縮和純化的方法，該方法提供較高的KLG產(chǎn)量而無其鹽，沒有無機(jī)雜質(zhì)和中性有機(jī)物的污染和/或不需要保持發(fā)酵培養(yǎng)基用于活的和活性的微生物培養(yǎng)基的生長和/或代謝。
本發(fā)明概要對本發(fā)明來說，出現(xiàn)在說明書和權(quán)利要求書中的下述術(shù)語和措辭被定義為下述意思
“葡萄糖酸衍生物”被定義為衍生于葡萄糖酸的有機(jī)酸，包括，但不僅限于2,4，酮-D-葡萄糖酸、2,5，二酮-D-葡萄糖酸、艾杜糖酸、2-酮-L-古洛糖酸(KLG)、香草酸和抗壞血酸。
“發(fā)酵反應(yīng)器”被定義為標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)酵反應(yīng)器，其中有活的和活性的微生物或細(xì)胞，例如用于碳水化合物代謝的細(xì)菌。
“發(fā)酵培養(yǎng)基”是來源于標(biāo)準(zhǔn)發(fā)酵反應(yīng)器的培養(yǎng)基或肉湯。
“活體外反應(yīng)器”是這樣一種反應(yīng)器，其中酶是基本上無非生命、非活性和非代謝的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，酶附著于非生命、非活性和非代謝的細(xì)胞結(jié)構(gòu)或酶固定在具有化學(xué)氧化能力的基質(zhì)和/或化學(xué)還原基質(zhì)或合成葡萄糖酸衍生物路徑上的中間體上。
“活體外反應(yīng)器培養(yǎng)基”是來源于活體外反應(yīng)器的培養(yǎng)基或溶液，包括至少一種葡萄糖酸衍生物鹽和輔酶。
“輔酶”是對酶起催化作用所需要的有機(jī)分子，例如煙酰胺、腺嘌呤二核甙酸、煙酰胺腺嘌呤二核甙酸磷酸酯和其混合物。
“中性物質(zhì)”被定義為在溶液pH環(huán)境中基本上未電離的糖和/或化合物。
“非活性發(fā)酵培養(yǎng)基”指的是在發(fā)酵肉湯或培養(yǎng)基中的條件，例如pH，使得用于發(fā)酵方法的微生物不能在其中存活，且培養(yǎng)基或肉湯在無預(yù)處理的情況下，不能被再循環(huán)回發(fā)酵槽中再使用。
“非生命培養(yǎng)基”指的是從發(fā)酵反應(yīng)器或活體外反應(yīng)器，例如非活性發(fā)酵培養(yǎng)基或活體外反應(yīng)器培養(yǎng)基，去除的培養(yǎng)基，其中不存在能夠生長和/或代謝的活性細(xì)胞或活性微生物，其用于生產(chǎn)葡萄糖酸衍生物和/或其鹽。
本發(fā)明的主要目的是提供一種新型的電滲析方法，用于濃縮和純化來源于酸化的和/或非活性發(fā)酵培養(yǎng)基或活體外反應(yīng)器培養(yǎng)基的葡萄糖酸衍生物。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種電滲析純化方法，該方法產(chǎn)生較高的KLG回收率，以及后續(xù)的較高的抗壞血酸產(chǎn)量，從而實(shí)現(xiàn)在抗壞血酸的生產(chǎn)中較低的資金投入和操作成本。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的是提供一種電滲析純化方法，使得回收的產(chǎn)品不需酸催化降解，并且由于降低了母液的粘度，可以通過蒸發(fā)結(jié)晶回收方法來達(dá)到多路。
本發(fā)明再進(jìn)一步的目的是提供一種電滲析純化方法，濃縮最終產(chǎn)品至高純度，例如KLG，可以采用KLG直接干燥以提供接近同樣的定量回收。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供一種電滲析純化方法，回收昂貴的輔酶和/或酶，該輔酶和/或酶用于活體外反應(yīng)器系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于化學(xué)合成葡萄糖酸衍生物的鹽，例如KLG。
通過包括下述步驟的電滲析純化方法可以實(shí)現(xiàn)所有的上述目的a)提供一種無生命培養(yǎng)基，例如酸化的和/或非活性的發(fā)酵培養(yǎng)基或活體外反應(yīng)器培養(yǎng)基包括至少一種葡萄糖酸衍生物和/或其鹽；和b)通過電滲析從無生命培養(yǎng)基去除葡萄糖酸衍生物，從而提供至少包括葡萄糖酸衍生物的濃縮液。
本發(fā)明另外的目的是提供用于制備純化和濃縮的葡萄糖酸衍生物的方法，包括下述步驟
a)提供一種酸化的和/或非活性的發(fā)酵培養(yǎng)基，至少包括葡萄糖酸衍生物、無機(jī)雜質(zhì)和中性物質(zhì)，其中葡萄糖酸衍生物基本上被質(zhì)子化。
b)通過電滲析從酸化的和/或非活性的發(fā)酵培養(yǎng)基去除葡萄糖酸衍生物和無機(jī)雜質(zhì)，從而提供至少包括葡萄糖酸衍生物和無機(jī)雜質(zhì)的濃縮的酸化水溶液；c)從濃縮的酸化的水溶液分離無機(jī)雜質(zhì)，從而提供純化的和濃縮的葡萄糖酸衍生物水溶液；和d)從純化和濃縮的水溶液回收葡萄糖酸衍生物。
從濃縮的、酸化水溶液分離無機(jī)雜質(zhì)的步驟通過幾種方法可以實(shí)現(xiàn)，這些方法包括但不僅限于電滲析和陰離子交換樹脂。當(dāng)酸化的和/或非活性的發(fā)酵培養(yǎng)基在游離酸結(jié)構(gòu)中含大量的葡萄糖酸衍生物例如KLG時(shí)，本方法是特別有利的。
本發(fā)明還有另一個(gè)目的是提供制備高純化和濃縮的KLG的方法，包括下述步驟a)提供至少包含KLG、無機(jī)雜質(zhì)和中性物質(zhì)的酸化的和/或非活性的發(fā)酵培養(yǎng)基；b)通過電滲析從酸化的和/或非活性發(fā)酵培養(yǎng)基去除至少KLG和無機(jī)雜質(zhì)，從而提供至少包括KLG和無機(jī)雜質(zhì)的濃縮酸化水溶液，以及一種廢液，其包含基本上耗盡了KLG的廢酸化和/或非活性發(fā)酵培養(yǎng)基；和c)通過電滲析從濃縮、酸化的水溶液分離無機(jī)雜質(zhì)，從而提供純化的和濃縮的KLG水溶液。
通過任何本領(lǐng)域公知的回收方法包括蒸發(fā)結(jié)晶或直接干燥，可以實(shí)現(xiàn)純化的KLG的回收。
通過第一電滲析堆可以實(shí)現(xiàn)步驟(b)的電滲析方法，包括(ⅰ)在陽極液室的一個(gè)陽極，該陽極與陽極液流接觸，在陰極液室的一個(gè)陰極，該陰極與陰極液流接觸，且電滲析(以下簡稱ED)膜堆排列在陽極和陰極之間。ED膜堆包括至少一個(gè)進(jìn)料室，至少一個(gè)濃縮室和交替的陰離子和陽離子交換膜，被散布在進(jìn)料室和濃縮室之間。陰離子交換膜必須優(yōu)選地輸送KLG陰離子和無機(jī)陰離子以使酸化的發(fā)酵培養(yǎng)基中的中性物質(zhì)排除。酸化的和/或非活性的發(fā)酵培養(yǎng)基被引入進(jìn)料室，且含酸或鹽的水溶液被引入濃縮室。對陽極和陰極施加充分的電壓，使得質(zhì)子或其它陽離子穿過陽離子交換膜遷移進(jìn)濃縮室，而KLG陰離子和無機(jī)陰離子穿過陰離子交換膜輸送進(jìn)濃縮室，濃縮室中濃縮的酸化的水溶液被收集，其至少包括KLG和無機(jī)雜質(zhì)。酸化的和/或非活性的發(fā)酵培養(yǎng)基將KLG耗盡，且從系統(tǒng)排除作為廢液。
通過第二電滲析堆可以實(shí)現(xiàn)步驟(c)的電滲析方法，包括ⅰ)在陽極液室的一個(gè)陽極，該陽極與陽極液流接觸，在陰極液室的一個(gè)陰極，該陰極與陰極液流接觸，且ED膜堆排列在陽極和陰極之間。ED膜堆包括至少一個(gè)進(jìn)料室，至少一個(gè)濃縮室和交替的陰離子和陽離子交換膜，被散布在進(jìn)料室和濃縮室之間。陰離子交換膜必須優(yōu)選地輸送無機(jī)陰離子以使?jié)饪s的、酸化的水溶液中的KLG陰離子被排除。濃縮的、酸化的水溶液被引入進(jìn)料室，且含酸或鹽的水溶液被引入濃縮室。對陽極和陰極施加充分的電壓，使得質(zhì)子或其它陽離子穿過陽離子交換膜遷移進(jìn)濃縮室，而無機(jī)陰離子穿過陰離子交換膜輸送進(jìn)濃縮室。KLG遺留在進(jìn)料液流中，從而提供純化的和濃縮的KLG水溶液。
本發(fā)明的酸化的和/或非活性發(fā)酵培養(yǎng)基優(yōu)選pH值小于4.5，更優(yōu)選小于3.5，最優(yōu)選小于2，其中葡萄糖酸衍生物、且特別是KLG基本上是質(zhì)子化的。本文所用的“基本上被質(zhì)子化”意思是葡萄糖酸衍生物至少80％被質(zhì)子化，且優(yōu)選超過90％被質(zhì)子化。
在一個(gè)可選擇的實(shí)施方案中，用于分離無機(jī)雜質(zhì)的步驟(c)可以在上述方法的步驟(b)之前進(jìn)行。
在第一電滲析堆中，KLG和無機(jī)雜質(zhì)從酸化的和/或非活性的發(fā)酵培養(yǎng)基中去除，其中KLG陰離子，以及如果存在的無機(jī)陰離子被輸送穿過陰離子交換膜。在這種情況下，該膜拒絕中性物質(zhì)的通過。以下，該第一電滲析電池被簡稱為“KLG ED”。
在第二電滲析堆中，通過使用陰離子交換膜，無機(jī)雜質(zhì)例如酸或鹽從KLG分離，該交換膜對無機(jī)陰離子是選擇透過性的，但它不能輸送KLG陰離子。該陰離子交換膜必須對KLG陰離子的輸送具有非常高的抵抗力，使得無機(jī)陰離子的輸送具有最小限度的KLG損失。以下，該第二電滲析堆被簡稱為“脫鹽ED”。脫鹽ED指的是去除了無機(jī)酸以及無機(jī)鹽。
發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果輔酶在葡萄糖酸衍生物的化學(xué)合成中用作氧化還原輔因子，通過將該輔酶返還回活體外反應(yīng)器可以被再使用，則活體外反應(yīng)器提供一種生產(chǎn)KLG更有效和更經(jīng)濟(jì)的方法。使用在活體外反應(yīng)器培養(yǎng)基中不具有生命和代謝活性的細(xì)胞或微生物的活體外反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是很多的，包括通過活細(xì)胞使用的可選擇代謝路徑被關(guān)閉。應(yīng)該理解，基質(zhì)的轉(zhuǎn)化，例如，碳水化合物和/或中間體分子至優(yōu)選的最終產(chǎn)品是預(yù)定的。因此，基質(zhì)和/或中間體分子不會(huì)因被轉(zhuǎn)化成不需要的副產(chǎn)品而被浪費(fèi)。作為替代，采用最有效的轉(zhuǎn)化路徑，從而從基質(zhì)或中間體分子生產(chǎn)出較高產(chǎn)量的優(yōu)選的葡萄糖酸衍生物。
使用活體外反應(yīng)器，若有細(xì)胞的話，該細(xì)胞含氧化還原酶是死亡的和/或不存在的，且嚴(yán)格地通過化學(xué)氧化還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化成葡萄糖酸衍生物鹽。然而，在葡萄糖酸衍生物的化學(xué)合成中用作氧化還原輔因子的輔酶在反應(yīng)器培養(yǎng)基中是需要的，且這些輔酶的回收是必要的，這是由于更換的成本太高?？紤]到這些，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)采用電滲析的方法回收這些昂貴而有價(jià)值的輔酶用于再使用或循環(huán)回反應(yīng)器容器。
由此可以理解，本發(fā)明還有另一個(gè)目的，就是公開一種制備高純度和濃縮的KLG的方法，包括下述步驟a)提供一種至少包括葡萄糖酸衍生物陰離子、金屬抗衡離子和輔酶的活體外反應(yīng)器培養(yǎng)基；和b)將活體外反應(yīng)器培養(yǎng)基引入電滲析電池，該電池至少包括一個(gè)雙極性膜，其中葡萄糖酸衍生物陰離子被質(zhì)子化，且金屬抗衡離子增加一個(gè)氫氧離子，從而提供至少包括葡萄糖酸衍生物的濃縮的水溶液和包括金屬氫氧化物溶液的液流。另外，一個(gè)包括輔酶的分離液流也可以包括在該方法中。
在這個(gè)實(shí)施方案中，可以使用幾種不同的雙極性膜電滲析(ED)堆，包括兩個(gè)或三個(gè)室的雙極性膜電滲析堆。該兩室堆包括在陽極液室的一個(gè)陽極，該陽極與陽極液流接觸，在陰極液室的一個(gè)陰極，該陰極與陰極液流接觸，且兩室雙極性膜ED堆排列在陽極和陰極之間。兩室雙極性膜ED堆包括至少一個(gè)陰離子交換膜，雙極性膜位于陰離子交換膜的對面，且空出足夠的空間來設(shè)置至少一個(gè)進(jìn)料室和至少一個(gè)濃縮室，位于該電池不同端的陽極和陰極與提供通過該電池堆電流的電源連接。陰離子交換膜必須優(yōu)選輸送葡萄糖酸衍生物陰離子，例如KLG陰離子，和無機(jī)陰離子以使中性帶電分子排除。至少含葡萄糖酸衍生物鹽的活體外反應(yīng)器培養(yǎng)基被引入進(jìn)料室。水或葡萄糖酸衍生物或其鹽的水溶液被引入濃縮室。對陽極和陰極之間施加足夠大的電壓以分離水，用以在雙極性膜上形成質(zhì)子和氫氧離子，且通過陰離子交換膜將葡萄糖酸衍生物陰離子輸送進(jìn)雙極性膜ED堆的濃縮室。葡萄糖酸衍生物陰離子通過陰離子交換膜被輸送，同時(shí)中性物質(zhì)的通過被阻止。一旦通過添加形成在雙極性膜的質(zhì)子，葡萄糖酸衍生物陰離子被輸送進(jìn)濃縮或酸室，葡萄糖酸衍生物陰離子被轉(zhuǎn)化成其酸的形式。通過添加形成在雙極性膜的氫氧離子，在進(jìn)料溶液中本來與葡萄糖酸衍生物陰離子結(jié)合的陽離子被轉(zhuǎn)化成堿。最后效果是形成了濃縮的和純化的葡萄糖酸衍生物，例如KLG和從KLG鈉鹽分解的堿，例如苛性鈉。
在兩室結(jié)構(gòu)中，替換KLG陰離子的氫氧離子通過將CO2添加至進(jìn)料溶液而被中和，使得進(jìn)料室中的pH值保持在使剩余的KLG的堿催化分解不會(huì)發(fā)生的范圍。結(jié)果，兩室結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品是純化的和濃縮的KLG溶液和含至少包括金屬碳酸鹽或碳酸氫鹽、金屬氫氧化物和輔酶中的一種或全部的溶液。
三室雙極性膜ED堆包括排列在堿室和濃縮室之間的進(jìn)料或稀釋室；堿室通過陽離子交換膜與進(jìn)料室分離；而濃縮室通過陰離子交換膜與進(jìn)料室分離。這些三室單元通過雙極性膜作為端部被限制住，雙極性膜給堿室提供氫氧離子，給濃縮室提供質(zhì)子。該三室雙極性膜ED堆由至少排列在陽極和陰極之間的這些三室單元中的一組組成。在該三室結(jié)構(gòu)中，氫氧離子被引入堿室，與來自進(jìn)料室穿過陽離子交換膜遷移的陽離子結(jié)合。因此，向堿中添加緩沖劑例如CO2不是必需的，因?yàn)槠咸烟撬嵫苌锢鏚LG的進(jìn)料溶液通過陽離子膜從堿中分離?；蛘?，如果在堿溶液中優(yōu)選的最終產(chǎn)品是碳酸鹽或碳酸氫鹽，可以添加CO2。因此，三室結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品是在濃縮室中的純化的和濃縮的KLG溶液，源自堿室的金屬氫氧化物溶液和含至少一種輔酶的液流，該液流可以被收集和再使用或再循環(huán)回反應(yīng)器容器。如果在進(jìn)料溶液中含有任何中性物質(zhì)，它們?nèi)赃z留在其中。
兩室和三室結(jié)構(gòu)這兩者的共同之處是陰離子交換膜，該膜對葡萄糖酸衍生物陰離子的輸送具有低的抵抗力，且對葡萄糖酸衍生物陰離子的輸送比起在進(jìn)料溶液中發(fā)現(xiàn)的任何中性物質(zhì)的輸送呈選擇性。
生產(chǎn)的葡萄糖酸衍生物例如KLG的純化溶液適合于通過進(jìn)一步的加工，即通過蒸發(fā)結(jié)晶或其它回收技術(shù)，例如直接干燥包括噴霧干燥或薄膜干燥來回收。如果去除不想要的無機(jī)酸，可以期待較高的KLG回收，因?yàn)榛跐饪s的KLG酸催化分解電位被去除。從KLG分離例如中性物質(zhì)的有機(jī)雜質(zhì)，使KLG的回收更高，因?yàn)樵谡舭l(fā)期間由于夾雜的中性物質(zhì)的降低均可以造成粘度的增加。而且，通過ED，已經(jīng)被純化的KLG在后續(xù)轉(zhuǎn)換成抗壞血酸的過程中可以被噴霧干燥而沒有產(chǎn)量的損失。
圖2是用于將無機(jī)雜質(zhì)從至少包含葡萄糖酸衍生物，例如KLG的酸化的和/或非活性的發(fā)酵培養(yǎng)基分離的ED膜電池的示意圖(脫鹽ED)。
圖3是用于從活性的或非活性的發(fā)酵培養(yǎng)基；或活體外反應(yīng)器培養(yǎng)基濃縮和純化葡萄糖酸衍生物、例如KLG的兩室雙極性膜ED電池的示意圖(鹽分解KLG ED)。
圖4是用于從活性的或非活性的發(fā)酵培養(yǎng)基濃縮和純化葡萄糖酸衍生物、且特別是KLG的三室雙極性膜ED電池的示意圖(鹽分解KLGED)。
圖5是用于從活體外反應(yīng)器培養(yǎng)基濃縮和純化葡萄糖酸衍生物、且特別是KLG的三室雙極性膜ED電池的示意圖(鹽分解KLG ED)。
在濃縮和純化葡萄糖酸衍生物例如KLG之前，發(fā)酵肉湯優(yōu)選通過下述的任意一種或全部步驟預(yù)處理(ⅰ)過濾或離心以去除任何微生物細(xì)胞和其它微粒；(ⅱ)通過添加酸例如硫酸進(jìn)行酸化，用以質(zhì)子化KLG和使大多數(shù)陽離子沉淀，該大多數(shù)陽離子在發(fā)酵期間引入肉湯(用以保持確保微生物生存能力的可接受的pH值)，從而提供非活性的和/或酸化的發(fā)酵培養(yǎng)基；(ⅲ)碳處理以吸附色體和其它有機(jī)雜質(zhì)；(ⅳ)陽離子交換樹脂，例如Amberlite IRC120、Amberlite 200C用以更完全地質(zhì)子化任何遺留的KLG陰離子和/或以去除可溶的陽離子，例如鈣；(ⅴ)陰離子交換樹脂，例如Amberlite IRA93,AmberliteIRA94用以去除能夠弄臟ED膜的無機(jī)或有機(jī)雜質(zhì)；(ⅵ)用聚合的吸附樹脂處理以去除雜質(zhì)；和(ⅶ)通過脫鹽ED去除無機(jī)酸或鹽例如硫酸(見圖2的說明)。另外，穩(wěn)定的陰離子或陽離子交換樹脂或其混合物可以加入進(jìn)料溶液室中以提供加強(qiáng)的無機(jī)離子大量傳輸至膜表面(如果包括在進(jìn)料溶液中)。
如果該溶液已經(jīng)通過蒸發(fā)結(jié)晶進(jìn)行了回收KLG的處理，則

圖1的電滲析電池可以用在結(jié)晶母液上以去除中性物質(zhì)，且可以進(jìn)一步地進(jìn)行KLG的濃縮和回收。
酸化的和/或?qū)嵸|(zhì)上非活性的發(fā)酵肉湯被引入如圖1所示的電滲析堆。KLG ED方法和ED電池堆被用于至少從酸化的和/或非活性的發(fā)酵肉湯中去除KLG，同時(shí)在非活性的發(fā)酵肉湯中遺留中性物質(zhì)。KLGED堆的組成包括用電解液清洗的一個(gè)陽極(2)和陰極(4)、包括至少排列在陽極和陰極之間的一個(gè)進(jìn)料室(6)和一個(gè)濃縮室(8)的電滲析電池堆(5)，至少一個(gè)進(jìn)料室和濃縮室分別通過交替的陰離子和陽離子交換膜(10)和(12)被分離。
陽極(2)對電滲析條件是穩(wěn)定的，且可以包括碳，例如石墨，鉑、鈀、銥、金、釕等貴金屬或合金，貴金屬或合金沉積在諸如鈦或鉭等電子管金屬上。一般，陽極反應(yīng)會(huì)是水的氧化，以產(chǎn)生氧和質(zhì)子(反應(yīng)式1)。(1)陽極(4)可以包括碳、貴金屬和合金、鎳、鋼等。一般，陰極反應(yīng)根據(jù)反應(yīng)式2從水的還原產(chǎn)生氫和氫氧化物。(2)陽極和陰極用電解液清洗，且一般陽極電解液和陰極電解液溶液是惰性強(qiáng)酸、堿或鹽溶液，例如硫酸、氫氧化鈉或硫酸鈉。
引入進(jìn)料室(6)的是進(jìn)料電解液溶液包括酸化的和/或非活性的發(fā)酵培養(yǎng)基，該培養(yǎng)基至少包括葡萄糖酸衍生物例如KLG。
引入如圖1所示的濃縮室(8)的是最初包括去離子水的濃縮溶液，或KLG或其鹽以足夠的量溶于水的溶液，以提供溶液的導(dǎo)電性。
如圖1所示的KLG ED電池堆進(jìn)一步包括分離進(jìn)料室和濃縮室的至少一個(gè)交替的陰離子(10)和陽離子(12)交換膜。該陽離子交換膜可以是弱酸性的(例如羧酸型)、中等酸性的(例如膦酸型)，或強(qiáng)酸性的(磺酸陽離子交換基)。該陽離子膜對電滲析條件必須穩(wěn)定，在葡萄糖酸衍生物溶液中對透析有較低的抵抗力，且可以包括全氟化膜例如DuPont Nafion或任何非全氟化陽離子交換膜例如NeoseptaCMX，這兩者均可以市售得到。陰離子交換膜可以是強(qiáng)、適度的或弱堿性的，且一般包括季銨或叔銨基。陰離子交換膜也必須在該堆條件下穩(wěn)定，且具有足夠的開孔結(jié)構(gòu)，使得葡萄糖酸衍生物陰離子的輸送可以在適度的低電位下發(fā)生。而且，陰離子交換膜應(yīng)基本上防止進(jìn)料液流中的任何中性物質(zhì)的輸送。優(yōu)選陰離子交換膜是Neosepta AFX。多數(shù)包含陰離子和陽離子交換膜的這些兩室單元可以在電滲析堆中堆疊在一起，該電滲析堆至少具有一對位于外部的和相對的電池端的電極。
在勢場的影響下，電壓決定膜對數(shù)，且優(yōu)選范圍是0.1至10V/每對，陽離子將通過陽離子交換膜(12)朝著陰極(4)遷移，進(jìn)入濃縮室(8)。葡萄糖酸衍生物陰離子，且特別是KLG陰離子將穿過陰離子交換膜(10)朝著陽極(2)遷移，進(jìn)入濃縮室(8)，形成濃縮液中的純化的和濃縮的KLG溶液，且將中性物質(zhì)遺留在進(jìn)料溶液中。在該方式中，KLG幾乎完全從進(jìn)料溶液去除，以高達(dá)約3-4倍或更多的系數(shù)濃縮，且與任何中性物質(zhì)分離。將KLG與中性物質(zhì)在進(jìn)料液流中分離的結(jié)果是可以通過直接干燥濃縮液進(jìn)行KLG的回收。
存在的任何無機(jī)陰離子例如，氯離子、硫酸根離子或磷酸根離子優(yōu)選超過葡萄糖酸衍生物陰離子的輸送傳送進(jìn)濃縮液。在濃縮中，如果無機(jī)陰離子以酸存在，KLG ED濃縮液中的無機(jī)酸的增強(qiáng)可以啟動(dòng)質(zhì)子回遷。通過下述任何方式可以防止回遷(ⅰ)向濃縮液添加足夠量的強(qiáng)堿例如氫氧化鈉，以中和無機(jī)酸；(ⅱ)從濃縮液的初餾分去除無機(jī)酸，由于無機(jī)酸的傳送優(yōu)于葡萄糖酸衍生物，因此該濃縮液幾乎沒有葡萄糖酸衍生物；(ⅲ)用陰離子交換樹脂從濃縮液去除強(qiáng)酸；和(ⅳ)同時(shí)進(jìn)行ED堆脫鹽操作，以從濃縮液去除無機(jī)酸，與通過將濃縮液從KLG ED堆送進(jìn)脫鹽ED堆它們的增強(qiáng)幾乎一樣快速(如圖2所示)。這四種技術(shù)均可以防止在濃縮液中強(qiáng)酸的增強(qiáng)和接下來的質(zhì)子穿過陰離子交換膜回遷，否則可以導(dǎo)致電流效率的損失。作為進(jìn)一步的好處是葡萄糖酸衍生物，例如KLG的酸催化分解在蒸發(fā)結(jié)晶或直接干燥期間被避免。
圖1所示的KLG ED電池堆可以在單元電池電壓從約0.1至約10V/每陰離子/陽離子交換膜對，和更優(yōu)選從約0.5至約3V/每對的情況下操作。溫度范圍應(yīng)在約5℃至約90℃之間，更優(yōu)選從約20℃至約50℃。較高的溫度可以導(dǎo)致一些膜和葡萄糖酸衍生物的降解，因此應(yīng)予避免。該方法可以連續(xù)或間歇地運(yùn)行。
用于將無機(jī)雜質(zhì)從葡萄糖酸衍生物，特別是KLG的濃縮溶液中分離的一個(gè)優(yōu)選方法如圖2所示。該圖顯示出脫鹽ED方法和用于從包括KLG或圖1所示的電滲析電池產(chǎn)生的KLG濃縮液的酸化的和/或非活性的發(fā)酵培養(yǎng)基中分離無機(jī)酸或鹽的ED膜電池堆中的膜結(jié)構(gòu)。電滲析堆的組成包括用電解液清洗的陽極(20)和陰極(22)，和一個(gè)至少具有排列在陽極和陰極之間的一個(gè)進(jìn)料室(26)和一個(gè)濃縮室(28)的電滲析電池堆(24)，其中進(jìn)料室和濃縮室分別通過交替的陰離子(30)和陽離子(32)交換膜分離。
最初引入脫鹽ED堆的濃縮室(28)的是去離子水或溶于水的無機(jī)酸或鹽的溶液。引入進(jìn)料室(26)的是進(jìn)料電解液溶液，其中可以包括，非活性和/或酸化的發(fā)酵培養(yǎng)基；溶于水的優(yōu)選的葡萄糖酸衍生物和/或該衍生物的鹽的溶液；或從圖1所示的電滲析電池獲得的濃縮溶液，至少包括葡萄糖酸衍生物，例如KLG和無機(jī)雜質(zhì)。
一般，進(jìn)料溶液來源于顯示出酸化的和/或非活性的發(fā)酵肉湯，且可以包括來源于無生命的微生物，例如細(xì)胞、中性物質(zhì)、堿性陽離子和無機(jī)酸的碎屑中的任何一種或全部。對于進(jìn)料溶液的預(yù)處理步驟可以包括下述的一種或全部(ⅰ)過濾以去除細(xì)胞和其它微粒；(ⅱ)通過添加用作對葡萄糖酸衍生物，例如KLG的鹽質(zhì)子化的合適的酸，例如硫酸進(jìn)行酸化，且使大多數(shù)陽離子，例如硫酸鈣沉淀(如果在酸化之前，KLG以鈣鹽的形式存在)并提供非活性和/或酸化的發(fā)酵培養(yǎng)基；(ⅲ)碳處理以吸附色體和其它有機(jī)雜質(zhì)；(ⅳ)陽離子交換以對葡萄糖酸衍生物的鹽更徹底地質(zhì)子化和/或去除可溶鈣；(ⅴ)陰離子交換以去除可以弄臟ED膜的的雜質(zhì)；(ⅵ)用聚合吸附樹脂處理以去除雜質(zhì)；(ⅶ)蒸發(fā)結(jié)晶；和(ⅷ)通過如圖1所示的電滲析堆去除中性物質(zhì)。另外，可以向進(jìn)料電解液溶液室添加穩(wěn)定的陰離子或陽離子交換樹脂或其混合物，以提供增強(qiáng)的無機(jī)離子向膜表面的大量輸送。
脫鹽ED電池堆還包括至少一個(gè)交替陰離子(30)和陽離子(32)交換膜來將進(jìn)料室和濃縮室分離。該陽離子交換膜可以是弱酸性的(例如羧酸交換基)、中等酸性的(例如膦酸型)或強(qiáng)酸性的(例如磺酸陽離子交換基)。該陽離子膜對用于電滲析電池的條件必須穩(wěn)定，在溶液中對透析有較低的抵抗力，且可以包括全氟化膜例如DuPontNation或任何非全氟化陽離子交換膜例如Neosepta CMX。陰離子交換膜可以是強(qiáng)、適度的或弱堿性的，且包括季銨或叔銨基。陰離子交換膜也必須穩(wěn)定，且具有足夠的閉孔結(jié)構(gòu)使得無機(jī)陰離子例如氯離子或硫酸根離子通過該膜傳送，同時(shí)對葡萄糖酸衍生物陰離子的傳送基本上或全部阻止。而且，如果需要去除無機(jī)酸，陰離子交換膜應(yīng)優(yōu)選是低質(zhì)子回遷型的，例如Asahi Glass Selemion AAV或Neosepta ACM。這種類型的膜通過防止質(zhì)子從濃縮室至進(jìn)料室回遷，將會(huì)改善該方法的電流效率。
或者，濃縮室中的無機(jī)酸可以與例如氫氧化鈉的強(qiáng)堿中和，使得質(zhì)子回遷被阻止。
許多這些包括陰離子和陽離子的膜的兩室單元可以在電滲析堆中堆疊在一起，該電滲析堆至少具有一對位于外部端的電極。
在勢場的影響下，陽離子將通過陽離子交換膜(32)朝著陰極(22)遷移，進(jìn)入濃縮室(28)。無機(jī)陰離子將穿過陰離子交換膜(30)朝著陽極(20)遷移，進(jìn)入濃縮室(28)，形成無機(jī)酸或鹽的溶液，且將純化的葡萄糖酸衍生物溶液遺留在進(jìn)料溶液中(如果原始的進(jìn)料溶液是來源于圖1所示的電滲析堆的濃縮液)。當(dāng)無機(jī)陰離子耗盡時(shí)，電池電流會(huì)降到接近于零，因?yàn)槠咸烟撬嵫苌镪庪x子遺留在進(jìn)料液中，基本上防止了通過膜結(jié)構(gòu)穿過陰離子交換膜的輸送。
圖2所示的脫鹽ED電池堆，可以在單元電池電壓從約0.1至約10V/每陰離子/陽離子交換膜對，和更優(yōu)選從約0.5至約3V/每對的情況下操作。溫度范圍應(yīng)在約5℃至約90℃之間，更優(yōu)選從約20℃至約50℃。較高的操作溫度可以導(dǎo)致膜和葡萄糖酸衍生物的降解。該方法可以連續(xù)或間歇地運(yùn)行。
圖3、4和5顯示了所采用的鹽分解KLG ED方法和兩或三室雙極性膜ED電池堆。在鹽分解KLG ED方法中，葡萄糖酸衍生物，例如KLG的鹽被轉(zhuǎn)化成純化的和濃縮的KLG。
如圖3所示的兩室電滲析堆的成分，包括用電解液清洗的陽極(40)和陰極(42)，和一個(gè)至少具有排列在陽極和陰極之間的一個(gè)進(jìn)料室(44)和一個(gè)濃縮室(46)的電滲析電池堆(43)。進(jìn)料室和濃縮室通過陰離子交換膜(48)分離。雙極性膜(50)位于陰離子交換膜的兩側(cè)。
引入兩室雙極性膜ED電池堆的進(jìn)料室(44)的是進(jìn)料電解液溶液，其中可以包括包含至少有葡萄糖酸衍生物鹽和輔酶的活體外反應(yīng)器培養(yǎng)基；至少包含葡萄糖酸衍生物鹽的非活性發(fā)酵培養(yǎng)基；含該衍生物鹽的溶液；或溶于水的KLG鹽。應(yīng)選擇該衍生物的鹽，使其基于堿的添加，不能形成不溶的沉淀物，否則，這些沉淀物會(huì)弄臟雙極性膜或陽離子膜。合適的鹽的典型例子包括堿金屬鹽，例如鈉和鉀或銨鹽。
如果進(jìn)料源自活性的或非活性的發(fā)酵培養(yǎng)基，對于該溶液的預(yù)處理步驟應(yīng)包括上述的一種或全部預(yù)處理步驟(ⅰ)過濾以去除細(xì)胞和其它微粒；(ⅱ)碳處理以吸附色體和其它有機(jī)雜質(zhì)；(ⅲ)通過添加無機(jī)酸例如硫酸以使葡萄糖酸衍生物的鹽質(zhì)子化，并沉淀硫酸鹽形式的金屬抗衡離子給予發(fā)酵培養(yǎng)基酸化的和/或非活性；(ⅳ)添加堿金屬鹽例如硫酸鈉或碳酸鈉，造成硫酸鈣或碳酸鈣沉淀，并形成適合于雙極性膜ED堆的鹽分解ED的葡萄糖酸衍生物的堿金屬鹽；(ⅴ)陽離子交換以去除二價(jià)金屬，否則這些金屬在與堿接觸的情況下形成弄臟膜的沉淀物；(ⅵ)陰離子交換以去除可以弄臟ED膜的的雜質(zhì)；(ⅶ)用聚合的吸附樹脂處理以去除雜質(zhì)；和(ⅷ)通過脫鹽ED(如圖1所示)去除無機(jī)鹽例如硫酸鈉。
另外，可以向進(jìn)料溶液室添加穩(wěn)定的陰離子或陽離子交換樹脂或其混合物，以提供增強(qiáng)的無機(jī)離子向膜表面的大量輸送。
引入兩室雙極性膜ED電池堆的濃縮室(46)的是最初包括去離子水或濃縮的葡萄糖酸衍生物溶液，例如溶于水的KLG的濃縮溶液。
圖3所示的兩室雙極性膜電滲析電池堆進(jìn)一步包括陰離子交換膜(48)和至少一個(gè)雙極性膜(50)，其中陰離子交換膜將進(jìn)料室和濃縮室分離。雙極性膜由陰離子交換層和與其粘合的陽離子交換層，例如Neosepta BP-1或其他的組成。該膜將水分離形成低電位的氫氧離子和質(zhì)子。該陰離子交換膜可以是強(qiáng)、適度的或弱堿性的，且包括季銨或叔銨基。陰離子交換膜必須在電滲析電池條件下穩(wěn)定，且具有足夠的開孔結(jié)構(gòu)，使得葡萄糖酸衍生物陰離子的輸送，可以在適度的低電位下發(fā)生。而且，陰離子交換膜應(yīng)防止任何中性物質(zhì)的輸送。許多這些包括陰離子和雙極性膜的兩室單元可以在電滲析堆中堆疊在一起，該電滲析堆至少具有一對位于外部端的電極。
在勢場的影響下，水將在雙極性膜中被分離形成氫氧離子和質(zhì)子。氫氧離子朝著陽極(40)遷移，進(jìn)入兩室雙極性膜ED電池的進(jìn)料室(44)，其中它們將與金屬陽離子，例如Na+結(jié)合，以形成例如氫氧化鈉的堿?？梢允褂枚趸迹?yàn)樗前l(fā)酵方法的副產(chǎn)品，也可以加入進(jìn)料中，以中和氫氧化物使得進(jìn)料pH值不會(huì)呈堿性，以避免葡萄糖酸衍生物的分解。質(zhì)子將朝著陰極(42)遷移，進(jìn)入濃縮室(46)，其中它們將會(huì)與穿過陰離子膜(48)朝著陽極(40)遷移的葡萄糖酸衍生物的陰離子結(jié)合，從而形成純化的、和濃縮的葡萄糖酸衍生物溶液，且將任何中性物質(zhì)和/或輔酶遺留在進(jìn)料溶液中。遺留的進(jìn)料溶液的組合物依賴于培養(yǎng)基的原始類型，例如，活體外反應(yīng)器培養(yǎng)基或酸化的和/或非活性的發(fā)酵培養(yǎng)基。葡萄糖酸衍生物，例如KLG可以幾乎完全從進(jìn)料溶液去除，以高達(dá)約3-4倍或更高的系數(shù)濃縮。KLG純化的結(jié)果，可以通過直接噴霧干燥濃縮液實(shí)現(xiàn)后續(xù)的KLG回收。
圖4和5所示的三室雙極性膜ED堆(58)，由排列在陽極(66)和陰極(68)之間的至少的三室單元組成。三室雙極性膜ED堆包括排列在堿室(64)和濃縮室(62)之間的進(jìn)料或稀釋室(60)；通過陽離子交換膜(70)堿室與進(jìn)料室分離，通過陰離子交換膜(72)濃縮室(62)與進(jìn)料室(60)分離。這些三室單元通過雙極性膜(74)作為端部被限制住，該雙極性膜浸于陽極電解液和陰極電解液清洗液流中，從而給堿室(64)提供氫氧離子，給濃縮室(62)提供質(zhì)子。雙極性和陰離子膜在上述的兩室雙極性膜ED電池堆的描述中被進(jìn)一步描述。該陽離子交換膜可以是弱酸性的(例如羧酸型的)、中等酸性的(例如膦酸型)或強(qiáng)酸性的(磺酸陽離子交換基)。該陽離子交換膜對雙極性膜ED堆的條件必須穩(wěn)定，在葡萄糖酸衍生物溶液中對透析有較低的抵抗力，且可以包括全氟化膜例如DuPont Nafion或任何非全氟化陽離子交換膜例如Neosepta CMX。許多這些包括雙極性、陽離子交換和陰離子交換的膜的三室單元可以在電滲析堆中堆疊在一起，該電滲析堆至少具有一對位于外部端的電極。
在勢場的影響下，水將在雙極性膜(74)中被分離形成氫氧離子和質(zhì)子。如圖4所示，如果進(jìn)料溶液是酸化的和/或非活性的發(fā)酵培養(yǎng)基，氫氧根離子朝著陽極(66)遷移，進(jìn)入三室雙極性膜ED電池的堿室(64)，其中它們將與穿過陽離子交換膜(70)，從進(jìn)料室(60)輸送來的金屬陽離子結(jié)合，以形成例如氫氧化鈉的堿。質(zhì)子將朝著陰極(68)遷移，進(jìn)入濃縮室(62)，其中它們將會(huì)與穿過陰離子膜(72)朝著陽極(66)遷移的葡萄糖酸衍生物的陰離子結(jié)合，從而形成純化的、和濃縮的葡萄糖酸衍生物，例如KLG的溶液，且將任何中性物質(zhì)遺留在進(jìn)料溶液中。
引入三室雙極性膜ED電池堆的進(jìn)料室(60)的是進(jìn)料電解液溶液，其中可以包括包含至少有葡萄糖酸衍生物鹽和輔酶的活體外反應(yīng)器培養(yǎng)基；至少包含葡萄糖酸衍生物鹽的非活性發(fā)酵培養(yǎng)基；含該衍生物鹽的溶液；或溶于水的KLG鹽。應(yīng)選擇該衍生物的鹽，使其基于堿的添加，不能形成不溶的沉淀物，否則，這些沉淀物會(huì)弄臟雙極性膜或陽離子膜。合適的鹽的典型例子包括堿金屬鹽，例如鈉和鉀或銨鹽。
引入三室雙極性膜ED電池堆的濃縮室(62)的是最初包括去離子水或濃縮的葡萄糖酸衍生物溶液，例如溶于水的KLG的濃縮溶液。去離子水和/或含NaOH或KOH的堿性水溶液可以被引入堿室(64)。
在圖5所示的優(yōu)選的實(shí)施方案中，進(jìn)料溶液包括包含至少有葡萄糖酸衍生物鹽和輔酶的活體外反應(yīng)器培養(yǎng)基，其中有價(jià)值的輔酶遺留在進(jìn)料溶液中，且可以取出再使用或再循環(huán)進(jìn)活體外反應(yīng)器。KLG幾乎完全從進(jìn)料溶液去除，以高達(dá)約3-4倍或更高的系數(shù)濃縮。
在兩或三室的雙極性膜ED堆中，如果在進(jìn)料溶液中存在任何無機(jī)陰離子，它們可以優(yōu)于葡萄糖酸衍生物陰離子輸送進(jìn)入濃縮室。該無機(jī)陰離子可以與形成于雙極性膜的質(zhì)子結(jié)合，導(dǎo)致濃縮液中無機(jī)酸的增加，和導(dǎo)致質(zhì)子回遷，伴隨著電流效率的損失。通過下述任何方式可以防止這種情況(ⅰ)向濃縮液添加足夠量的強(qiáng)堿例如氫氧化鈉，以中和無機(jī)酸；(ⅱ)從濃縮液的初餾分去除無機(jī)酸，由于無機(jī)酸的傳送優(yōu)于葡萄糖酸衍生物，因此該濃縮液幾乎沒有任何葡萄糖酸衍生物；(ⅲ)同時(shí)進(jìn)行ED堆脫鹽操作，以從濃縮液去除無機(jī)酸，與通過將濃縮液從鹽分解KLG ED堆送進(jìn)脫鹽ED堆它們的增加幾乎一樣快速；和(ⅳ)用陰離子交換樹脂從濃縮液去除強(qiáng)酸。這四種技術(shù)均可以防止在濃縮液中強(qiáng)酸的增加和質(zhì)子穿過陰離子交換膜回遷的可能。作為進(jìn)一步的好處，葡萄糖酸衍生物，特別是KLG的酸催化分解在蒸發(fā)結(jié)晶或噴霧干燥期間被避免。
另外，可以向進(jìn)料溶液室添加穩(wěn)定的陰離子或陽離子交換樹脂或其混合物，以提供增加的無機(jī)離子向膜表面的大量輸送(如果在進(jìn)料溶液中含有)。
圖3、4和5所示的鹽分解ED電池堆，可以在單元電池電壓從約0.1至約10V/每組膜，和更優(yōu)選從約0.5至約5V/每組的情況下操作。溫度范圍應(yīng)在約5℃至約90℃之間，更優(yōu)選從約20℃至約50℃。較高的溫度可以導(dǎo)致一些膜產(chǎn)生降解和產(chǎn)生葡萄糖酸衍生物的酸。該方法可以連續(xù)或間歇地運(yùn)行。
在上述各實(shí)施方案中，進(jìn)料溶液中的雜質(zhì)可以弄臟膜，對性能造成損害。這些膜可以用不同的溶液就地清洗(在ED堆中)包括(ⅰ)NaCL溶液；(ⅱ)pH值是12的氯化鈉溶液；(ⅲ)硝酸或其他無機(jī)酸溶液；和(ⅳ)添加有非離子或離子洗滌劑的溶液ⅰ、ⅱ或ⅲ。只要能有效地清洗必需的膜，而不使膜性能下降的其它洗滌溶液也是可用的。就地清洗(CIP)的步驟可以包括對洗滌溶液升溫，只要該膜對溫度穩(wěn)定。CIP步驟也可以包括給ED膜堆通電流或電流回歸；然而，雙極性膜堆一般不能經(jīng)受電流回歸，因?yàn)檫@將損害雙極性膜。
通過下述實(shí)施例，本發(fā)明將會(huì)被更清楚地認(rèn)知和更好地理解。
最初的進(jìn)料溶液包含910ml的酸化的和非活性的發(fā)酵肉湯，肉湯中含91gl-1KLG,153ppm鹽酸根、257ppm磷酸根、和5176ppm硫酸根，均以酸的形式存在。控制電池電壓為1.6V/每膜對(11V總電池電壓，假定結(jié)合3V的電極電勢)和30℃的溫度，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。最終的進(jìn)料含少于10ppm的鹽酸根、34ppm的硫酸根和120ppm的磷酸根?？傠姾赏ㄟ^量是2790庫侖，對于去除鹽的電流效率是76％。對該實(shí)驗(yàn)的電流密度范圍是約13.5至約1.5mAcm-2，平均電流密度是6.5mAcm-2。只有1.2％的存在于進(jìn)料的KLG通過輸送進(jìn)酸室被損失掉。
使用總共10膜對，提供1000cm2的膜面積。陽極電解液和陰極電解液是0.2摩爾的硫酸溶液。最初的濃縮液由來源于先前的KLG電滲析實(shí)驗(yàn)的300ml濃縮液組成。最初的進(jìn)料溶液由3.5L的酸化的和非活性的發(fā)酵肉湯組成，肉湯中含142.4gl-1KLG。無機(jī)離子濃度是241mg l-1的Cl-、565mg l-1的PO43-、和1277mg l-1的SO42-。進(jìn)料液進(jìn)行上述的預(yù)處理?？刂齐姵仉妷簽?.7V/每膜對，或30V總電池電壓和45℃的溫度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。輸送進(jìn)濃縮液的無機(jī)酸用50％的NaOH中和，用以防止質(zhì)子回遷。213分鐘之后，95.1％的KLG從進(jìn)料液去除，并輸送進(jìn)濃縮液中，提供濃縮液中最終的KLG濃度是435.4gl-1。電流密度范圍是約70.0至約8.4mAcm-2，平均電流密度是26.8mAcm-2。對于KLG輸送的電流效率是67％。KLG通過ED濃縮近3倍。
表1顯示出典型的ED運(yùn)行的糖分析，其中KLG采用AFX陰離子交換膜被濃縮和純化。95％的KLG被輸送進(jìn)濃縮液，但表中顯示大多數(shù)的糖保留在進(jìn)料液中。
表1KLG肉湯的AFXED期間糖的保留

ED總的條件3.5L發(fā)酵肉湯，在2.7V/對膜，10對ED堆中進(jìn)行電滲析。通過添加硫酸使硫酸鈣沉淀，接著通過陽離子交換對肉湯預(yù)處理；95％的KLG被輸送。
表2顯示出通過ED提供的KLG回收和抗壞血酸(AsA)產(chǎn)量的改善。該表顯示ED結(jié)合直接干燥提供了較好的抗壞血酸總收率，超過了其它任何回收方法。常規(guī)的結(jié)晶(方法B)，當(dāng)通過使用多次結(jié)晶，迫使達(dá)到較高的KLG回收(90％)時(shí)，卻提供了從KLG轉(zhuǎn)化至AsA較差的產(chǎn)率，且因此，得到較低的總收率。這是由于肉湯中中性物質(zhì)的存在，導(dǎo)致了在多次結(jié)晶期間的粘度增加而造成的，其結(jié)果是使從結(jié)晶步驟中的KLG中分離出中性物質(zhì)情況較差。該中性物質(zhì)接著進(jìn)入AsA的轉(zhuǎn)化方法，它們導(dǎo)致了差的產(chǎn)率。發(fā)酵肉湯沒有ED(方法C)的直接干燥受同樣問題的困擾；肉湯中的中性物質(zhì)污染了KLG，結(jié)果轉(zhuǎn)化至AsA的產(chǎn)率和總產(chǎn)率較低。
表2用ED的KLG回收和AsA產(chǎn)率的提高

回收方法A=微孔過濾器、用硫酸酸化、陽離子交換、SelemionAAV ED用于無機(jī)陰離子的去除，Neosepta AFX ED用于KLG的濃縮/純化至95％的回收，直接干燥濃縮。
回收方法B=微孔過濾器、用硫酸酸化、陽離子交換、陰離子交換、結(jié)晶。
回收方法C=微孔過濾器、用硫酸酸化、陽離子交換、陰離子交換、肉湯直接干燥。
通過從KLG分離中性物質(zhì)，ED減緩了這些問題。無機(jī)陰離子的ED也可以用來代替陰離子交換。ED濃縮液的直接干燥提供了高的KLG產(chǎn)品的產(chǎn)率，基本上沒有中性物質(zhì)。結(jié)果，轉(zhuǎn)化至AsA的產(chǎn)率好，且總產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)性方面優(yōu)于其它回收技術(shù)。此外，ED允許采用噴霧干燥代替結(jié)晶，大大節(jié)省了資金成本。
控制電池電壓為3.25V/膜對，或16V總電池電壓和約30至約40℃的溫度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。95％以上的KLG從進(jìn)料液去除，并輸送進(jìn)濃縮液，轉(zhuǎn)化成酸形式，得到最終的KLG酸。只有1.5％的輔酶NADP被輸送進(jìn)濃縮液，和剩余物一起，存在于進(jìn)料溶液中。電流密度范圍是約30.0至約4.6mAcm-2，平均電流密度是23.9mAcm-2。用于形成KLG的電流效率是72％。
權(quán)利要求
1．一種制備純化的和濃縮的葡萄糖酸衍生物的方法，其特征在于包括下述步驟a)提供一種非生命培養(yǎng)基，包括至少葡萄糖酸衍生物或其鹽；和b)通過電滲析從非生命培養(yǎng)基去除葡萄糖酸衍生物，從而提供至少包括葡萄糖酸衍生物的濃縮的溶液。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于該非生命的培養(yǎng)基是非活性的發(fā)酵培養(yǎng)基，酸化的pH值小于4.5。
3．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其特征在于該酸化的和非活性的發(fā)酵培養(yǎng)基，還包括從具有葡萄糖酸衍生物的非活性的發(fā)酵培養(yǎng)基去除無機(jī)雜質(zhì)。
4．根據(jù)權(quán)利要求3的方法，還包括通過電滲析從含葡萄糖酸衍生物的濃縮溶液中分離無機(jī)雜質(zhì)。
5．一種用于制備純化的和濃縮的葡萄糖酸衍生物的方法，其特征在于包括下述步驟a)提供一種至少包括葡萄糖酸衍生物、無機(jī)雜質(zhì)和中性物質(zhì)的非活性的發(fā)酵培養(yǎng)基；b)通過電滲析從非活性的發(fā)酵培養(yǎng)基去除葡萄糖酸衍生物和無機(jī)雜質(zhì)，從而提供至少包括葡萄糖酸衍生物和無機(jī)雜質(zhì)的濃縮的酸化水溶液，且廢液包含失效的非活性發(fā)酵培養(yǎng)基，其基本上耗盡了葡萄糖酸衍生物；c)從濃縮的酸化的水溶液分離無機(jī)雜質(zhì)，從而提供純化的和濃縮的葡萄糖酸衍生物水溶液；和d)從純化和濃縮的水溶液回收葡萄糖酸衍生物。
6．根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其特征在于非活性發(fā)酵培養(yǎng)基具有酸性pH值。
7．根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其特征在于通過電滲析從濃縮的、酸化水溶液分離無機(jī)雜質(zhì)的步驟。
8．根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其特征在于葡萄糖酸衍生物選自由2,4，酮-D-葡萄糖酸、2,5,二酮-D-葡萄糖酸、艾杜糖酸、2-酮-L-古洛糖酸(KLG)、香草酸和抗壞血酸組成的組。
9．根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其特征在于電滲析是在一個(gè)電池中進(jìn)行，該電池具有許多交替的陽離子交換膜和陰離子交換膜，它們之間空出足夠的空間以提供至少一個(gè)進(jìn)料和濃縮室，容器電池的不同端的陽極和陰極與電源連接，用以提供通過電滲析電池的電流。
10．根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其特征在于通過直接干燥回收葡萄糖酸衍生物。
11．根據(jù)權(quán)利要求7的方法制備的純化的產(chǎn)品。
12．根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其特征在于酸化的和非活性的發(fā)酵培養(yǎng)基的pH值小于4.5。
13．根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其特征在于無機(jī)雜質(zhì)是無機(jī)酸。
14．根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其特征在于用于步驟(b)的陰離子交換膜基本上防止進(jìn)料液流中的中性物質(zhì)輸送進(jìn)濃縮室。
15．根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其特征在于用于步驟(c)的陰離子交換膜具有足夠的閉孔結(jié)構(gòu)使得無機(jī)陰離子通過該膜傳送，同時(shí)對葡萄糖酸衍生物陰離子的傳送基本上或全部阻止。
16．根據(jù)權(quán)利要求9的方法制備的純化產(chǎn)品。
17．一種用于制備高純化和濃縮的葡萄糖酸衍生物的方法，其特征在于包括以下步驟a)提供一種至少包括葡萄糖酸衍生物陰離子、金屬抗衡離子和輔酶的活體外反應(yīng)器培養(yǎng)基；和b)將活體外反應(yīng)器培養(yǎng)基引入電滲析電池，該電池至少包括一個(gè)雙極性膜，其中葡萄糖酸衍生物陰離子被質(zhì)子化，且金屬抗衡離子增加氫氧離子，從而提供至少包括葡萄糖酸衍生物的濃縮的水溶液和包括至少金屬氫氧化物水溶液的液流。
18．根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其特征在于葡萄糖酸衍生物選自由2,4,酮-D-葡萄糖酸、2,5,二酮-D-葡萄糖酸、艾杜糖酸、2-酮-L-古洛糖酸(KLG)、香草酸和抗壞血酸組成的組。
19．根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其特征在于電滲析電池還包括至少一個(gè)陰離子交換膜，雙極性膜位于陰離子交換膜的對面，且空出足夠的空間來設(shè)置至少一個(gè)進(jìn)料室和至少一個(gè)濃縮室，位于該電池不同端的陽極和陰極與提供通過該電池的電流的電源連接。
20．根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其特征在于電滲析電池還包括至少一個(gè)交替的陰離子和陽離子交換膜，且空出足夠的空間以提供其間的至少一個(gè)進(jìn)料室，雙極性膜和陽離子交換膜空出足夠的空間以提供其間的至少一個(gè)堿室，雙極性膜和陰離子交換膜空出足夠的空間以提供其間的至少一個(gè)濃縮室，位于該電池不同端的陽極和陰極與提供通過該電池的電流的電源連接。
21．根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其特征在于還包括向含有金屬氫氧化物的進(jìn)料室添加二氧化碳，從而形成溶液中的碳酸鹽產(chǎn)品，該碳酸鹽選自金屬碳酸鹽和金屬碳酸氫鹽組成的組。
22．根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其特征在于還包括包含輔酶的液流。
23．根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其特征在于還包括從濃縮水溶液回收葡萄糖酸衍生物。
全文摘要
一種用于純化和濃縮葡萄糖酸衍生物,例如2－酮－L－古洛糖酸的方法,包括將至少包括葡萄糖酸衍生物和/或其鹽的非活性的和/或酸化的發(fā)酵培養(yǎng)基或活體外反應(yīng)器培養(yǎng)基加以電滲析,從而純化和濃縮葡萄糖酸衍生物。
文檔編號C02F1/469GK1302336SQ99806483
公開日2001年7月4日 申請日期1999年5月26日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月26日
發(fā)明者J·戴維·金德斯, 蘭姆·葛佩爾, 丹·M·哈特索, 彼得·M·肯戴爾, 威廉姆·I·隆, 杜安·J·馬祖爾, 顧勒爾莫·D·扎皮 申請人:電合成有限公司