Способ очистки l-лизина от сопутствующих компонентов культуральной жидкости, элюатов и маточников

 

Изобретение относится к усовершенствованию способов очистки и производства аминокислот, в частности к получению лизина, применяемого в пищевой промышленности, медицине, животноводстве. Описывается способ очистки L-лизина от сопутствующих компонентов культуральной жидкости, элюатов и маточников путем пропускания через слой сорбента КЦ-2-8, отличающийся тем, что в качестве сорбента используют сильноосновный макропористый анионит АВ-17-2П в ОН-форме при pH 9 - 10 или солевой форме при pH 1,2 - 1,5, отделяют от минеральных и окрашенных компонентов с последующим выделением целевого продукта упариванием и кристаллизацией. Технический результат - повышение степеней очистки L-лизина, уменьшение числа операций в цикле, упрощение и интенсификация процесса, увеличение выхода целевого продукта. 2 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к усовершенствованию способов очистки и производства аминокислот, в частности к получению лизина из ферментационных растворов микробиологического синтеза, который применяется в пищевой промышленности, медицине и производстве химических реактивов.

Известный способ очистки аминокислот от примесей органических и неорганических веществ путем ионного обмена на H⁺ или NH⁺ формах сульфокатионов в динамических условиях (А.С. СССР N 214540, 1968; А.С. СССР N 339577, 1972; А.С. СССР N 344734, 1973).

Наиболее близким аналогом является способ очистки технического L-лизина монохлорида, заключающийся в растворении кристаллов L-лизина кормового назначения, обесцвечивании раствора активированным углем при 60^oC в течение 2 часов, удалении угля фильтрацией и пропускании осветленного раствора с целью обессоливания с pH ~4.1 через катионит КУ-2-8 в (лизин)⁺ форме и затем для обесцвечивания через анионит AB - 17 в Cl - форме, pH раствора на выходе из колонки ~ 4.8.

Обессоленный таким образом раствор концентрируется на роторном испарителе под вакуумом до содержания сухих веществ 68%. Концентрат охлаждают до 15^oC, выдерживают 6 часов, отделяют кристаллы L-лизина монохлоргидрата на воронке Бюхнера и высушивают на воздухе. Выход целевого продукта без утилизации маточников составляет 75%. Последующее повторное упаривание маточного раствора, его охлаждение, выдерживание при 15^oC, отделение и высушивание кристаллов позволяет извлечь 80% L-лизина моногидрохлорида, находящегося в маточнике. Общий выход 95% (А.с. СССР N 891643, 1981).

Недостатками известного способа являются многостадийность (12 операций в цикле), повторное проведение последних пяти операций при утилизации маточников, использование дополнительного адсорбента- осветителя разового пользования (активированного угля). Использование катионита в аминокислотной форме значительно удорожает стоимость продукта.

Цель изобретения - повышение степени очистки L-лизина, уменьшение числа операций в цикле, упрощение и интенсификация процесса и увеличение выхода целевого продукта.

Указанная цель достигается тем, что полученный известным способом (А.с. СССР N 214540, 1968; а.с. СССР N 339577, 1972; а.с. СССР N 344734, 1973; а. с. СССР N 722904, 1980; US Patent N 3565951 Patented Те, 23, 1971.) элюат, содержащий водный раствор аммиака, минеральные примеси и окрашенные компоненты, пропускают через сильноосновный микропористый анионит АВ-17-2П в OH-форме при pH 9- 10 или солевой (Cl^-) форме при pH 1.2 - 1.5 элюированием целевого продукта водой и последующим упариванием и кристаллизацией.

Меланоидины лизиновокислого производства H₂N-R-COOH, обуславливающие цветность растворов и затрудняющие кристаллизацию целевого продукта, имеют в своем составе группы основного и кислого характера и могут в зависимости от pH среды существовать в виде катионов, цвиттерионов и нейтральных молекул. Часть меланоидинов (~20%) необратимо сорбируется на катионе. Остальная часть указанных окрашенных компонентов (≈80%) вместе с лизином попадает в элюат, что приводит к ухудшению условий кристаллизации целевого продукта, потерям лизина и ухудшению качества кристаллов аминокислоты.

Предлагаемый способ эффективной очистки лизина от сопутствующих примесей заключается в создании условий селективного поглощения сорбентом примесей на фоне очищенного вещества или наоборот - преимущественной сорбции основного компонента на фоне малого поглощения загрязняющих веществ и отличается рядом особенностей от описанных ранее в литературе (А.с. СССР N 214540, 1968). Авторами предлагается две возможности очистки элюатов лизина от минеральных и органических компонентов. При очистке на OH-аппарате АВ-17-2П при pH раствора 9-10 лизин преимущественно находится в виде однозарядного катиона H₂N-(CH₂)₄-CH-(NH₃⁺)-COOH или в виде цвиттериона H₂N-(CH₂)₄-CH-(NH₃⁺)-(COO^-), так как pJ (изоэлектрическая точка аминокислоты) равна 9.74. Меланоидины имеют величину pJ 7.2-7.4 (что установлено авторами) и при pH 9-10 указанные окрашенные компоненты находятся в растворе преимущественно в виде анионов H₂N-R-COO^-. В результате пропускания через анионит АВ-17-2П в OH-форме элюатов лизина pH 9-10 происходит селективное поглощение анионов окрашенных веществ, а катионы и цвиттерионы аминокислоты остаются в равновесном растворе. Необходимо отметить, что в указанных условиях возможно и молекулярное поглощение как лизина, так и меланоидинов. Однако сродство окрашенных компонентов, имеющих в своем составе гетероциклы и непредельные связи, значительно выше к матрице анионита АВ-17-2П, чем у аминокислоты. Ионообменное поглощение и молекулярная сорбция мелоноидинов способствует вытеснению лизина из фазы смолы.

Молекулярное поглощение лизина на первых этапах сорбционного процесса является положительным фактором при удалении минеральных катионов, содержащихся в производственных катионообменных элюатах. Хроматографическое разделение, которое удалось достичь в рассматриваемом случае на OH-форме анионита, дает ряд: минеральные катионы лизин меланоидины.

Предлагаемый способ позволяет уменьшить содержание в элюате сухих веществ в 3 раза, а меланоидинов в 10 раз и получать при однократной кристаллизации 98% кристаллического лизина от исходного содержания в культуральной жидкости.

При проведении очистки лизиносодержания элюатов на анионите АВ-17-2П в хлор-форме при pH 1.2-1.5 используется селективное молекулярное поглощение меланоидинов. В рассматриваемом случае первыми проходят в фильтрат минеральные катионы. Лизин при pH 1.2- 1.5 присутствует в растворе в виде двухзарядного катиона (NH₃⁺)(CH₂)₄CH (NH₃⁺)COOH и его молекулярная сорбция мала по сравнению с меланоидинами, имеющими в своем составе гетероциклы. При реализации рассмотренных эффектов в системе анионит АВ-17-2П в Cl^--форме. Элюат при pH 1.2 - 1.5 получен следующий ряд сорбции: катионы металлов <Л< катионы меланоидинов, позволяющий селективно разделить указанные компоненты. Этот способ очистки лизина позволил при однократной кристаллизации получать 97 - 99% кристаллов аминокислоты. Преимуществом последнего варианта является меньший в 1.5 раза объем лизинсодержащего элюата после анионита и соответственно меньшие затраты на упаривание.

Отличительной особенностью предложенного способа является также выбранная скорость пропускания элюата. При других скоростях потока будет наблюдаться неполная очистка лизина или от минеральных катионов, или от меланоидинов.

Пример 1.

200 мл культуральной жидкости, имеющей катионный состав (мг-экв/л) Лиз²⁺ 136.81; K⁺ 79.49; Na⁺ 97.82; Ca²⁺ 5.0; окрашенных компонентов (меланоидинов) 100 г/л, pH 1.8 пропускается через колонку со смолой КУ-2-8 в NH₄⁺ форме. Характеристики колонки: навеска смолы 10 г, объем 20.9 мл, диаметр 2.2 см, сечение 3.9 см, высота слоя сорбента 5.3 см, скорость подачи растворов 10 мл/мин (1.58 м/ч) на всех операциях. После отмывки колонки водой (160 мл) производится десорбция лизина 200 мл 1н NH₄OH и одновременно осуществляется перевод в рабочую форму. В богатой фракции элюата (V/V₀ = 2/5, т.е. 80 мл) выделено 98.17% лизина от исходного содержания в культуральной жидкости. Существование ионов-конкурентов в элюате K⁺ 3.02%, Na⁺ 0.77%, Ca²⁺ 85%, окрашенных компонентов (меланоидинов) 12.5% от исходного содержания в к.ж.

pH элюата 11.50. Концентрация контролируемых ионов в элюате составляет следующие значения: K⁺ 5.02 мг-экв/л; Na⁺ 1.57 мг-экв/л; Ca²⁺ 4 мг-экв/л; Лиз²⁺ 337.65 мг-экв/л, меланоидинов 18.25 г/л. Бедная фракция элюата (V/V₀ = 6 - 10, всего 120 мл) содержит следующие катионы: K⁺ 0.66 мг-экв/л; Na⁺ 0.14 мг-экв/л; Ca²⁺ 4.49 мг-экв/л; Лиз²⁺ 40.65 мг-экв/л, меланоидинов 8.66.

Пример 2.

В колонку сечением 1.14 см² загружено 50 мл смолы АВ-17-2П в Cl - форме. Высота слоя сорбента 47 см, скорость подачи раствора 1 м/ч (3.8 мл/мин). Пропущен последовательно раствор бедной фракции элюата (120 мл) и богатой фракции (80 мл). Характеристики элюатов приведены в примере 1. После сорбции лизина ионообменником колонку промывали 1.5 объемами дистиллированной воды (75 мл), при этом было десорбировано 98% подававшегося на колонку (26.68 мг-экв). Концентрация лизина в элюате составила 355.81 мг-экв/л, при этом десорбция минеральных ионов и меланоидинов не наблюдалась. Регенерация смолы и перевод в рабочую форму осуществлялась 1 н HCl.

Пример 3. Характеристики обесцвечиваемого элюата, имеющего pH 11, СВ 3%, красящие компоненты 13%, лизин 100 г/л. 60 мл элюата подкисляют соляной кислотой до pH 9.8 и пропускают через ионообменную колонку сечением 1.05 см², загруженную сильноосновным макропористым анионитом АВ-17-2П в гидроксидной форме. Объем смолы в колонке 20 мл, высота слоя 190 мм. Скорость пропускания элюата через колонку 2 м/ч (3.4 мл/мин). В очищенном элюате содержание сухих веществ уменьшилось в 3 раза, окрашенных компонентов в 10 раз. Регенерацию и одновременно перевод смолы в OH-форму проводят 80 мл 1 н раствора едкого натра со скоростью 1 м/ч (1.7 мл/мин). Перед следующим циклом анионит отмывают 80 мл воды со скоростью 2 м/ч (3.4 мл/мин).

Пример 4. 60 мл элюата подкисляют кислотой до pH 1.2 и пропускают через ионообменную колонку сечением 1.05 см, загруженную сильноосновным анионитом АВ-17-2П в Cl^-- форме. Объем смолы 20 мл, высота слоя 195 мм. Скорость пропускания раствора через колонку 2.0 м/ч (3.4 мл/мин). Содержание сухих веществ в элюате уменьшается в 2 раза, окрашенных компонентов в 8 раз. Очищенный таким образом раствор элюата подают на упарку и кристаллизацию известным методом. Регенерацию и одновременно перевод смолы в Cl^--форму проводят 80 мл 1 н соляной кислоты со скоростью 1 м/ч.

Формула изобретения

1. Способ очистки L-лизина от сопутствующих компонентов культуральной жидкости, элюатов и маточников путем пропускания через слой сорбента КУ-2-8, отличающийся тем, что в качестве сорбента используют сильноосновный макропористый анионит АВ-17-2П в ОН-форме при рН 9 - 10 или солевой форме при рН 1,2 - 1,5, отделяют от минеральных окрашенных компонентов с последующим выделением конечного продукта упариванием и кристаллизацией.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость пропускания элюата составляет 2 м/ч.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что регенерацию анионита АВ-17-2П и перевод в рабочую форму производят 1 н. раствором NaOH или HCl со скоростью 1 м/ч.