Способ электродиализа

 

Изобретение относится к технике электродиализа, а именно к способам получения растворов кислот и оснований из растворов соответствующих солей способом электродиализа. Процесс проводят в электродиализаторе, содержащем анод и катод, которые разделены двумя катионселективными мембранами, между которыми размещена анионселективная мембрана. В анодную камеру подают слабый раствор серной кислоты. В расположенную рядом с анодной камеру, образованную катионселективной и анионселективной мембранами, подают слабый раствор соляной кислоты. В качестве исходного раствора соли используют лизин гидрохлорид. В непроточную катодную камеру подают слабый раствор основного L-лизина или дистиллированную воду и электродиализ ведут в гальваностатическом режиме при плотности тока 10-50 мА/см². Технический эффект - получение чистого основного L-лизина, пригодного для фармацевтической и пищевой отраслей промышленности, упрощение технологического процесса, а также уменьшение вредных стоков, которые образуются в ходе использования данного способа, что делает способ экологически более успешным.

Изобретение относится к технике злектродиализа, а именно к способам получения растворов кислот и оснований из растворов соответствующих солей способом электродиализа.

Из уровня техники известен способ очистки аминокислот от минеральных примесей электродиализом в электродиализаторе с чередующимися анионселективными и катионселективными мембранами, причем процесс ведут в электродиализаторе, снабженном биполярными мембранами, размещенными между каждой парой анионселективной и катионселективной мембран, катионитовыми сторонами, повернутыми к катоду, с образованием проточных камер, образованных анионселективными и катионселективными мембранами, непроточных щелочных камер, образованных биполярными и катионселективными мембранами, и непрочных кислотных камер, образованных биполярными и анионселективными мембранами (авт. свид. 1685481, кл. В 01 D 61/00, опубл. 1991 г.).

Известны способы выделения L-лизина на сульфокатионите Dowex 50W-Х8 и Amberlite IR-120 в водородной и аммонийной формах в динамических условиях, заключающиеся в пропускании растворов лизина через катиониты с последующей регенерацией аммиаком или углекислым аммонием. В результате получаются регенераты, содержащие около 95%-ной смеси, состоящей из цвиттер-формы лизина с аммиаком или углекислым аммонием. Далее регенерат пропускают через макропористый анионит IRA-900 в гидроксильной форме при величине рН 9-10. Лизин в таком растворе находится преимущественно в виде цвиттериона, поскольку изоэлектрическая точка аминокислоты 9,74. При этом происходит селективное поглощение анионов окрашенных веществ - меланоидинов, а катионы, анионы и цвиттерионы аминокислоты остаются в равновесном растворе. В результате получается основной L-лизин, загрязненный аммиаком и аммонийными солями. Регенерат для получения основного лизина упаривается под вакуумом для удаления избытка аммиака и концентрирования элюата (пат. США 4835309, кл. В 01 D 61/44, 1989).

Недостатками указанных способов является их многостадийность и большие объемы сточных вод.

Из уровня техники наиболее близким является способ получения кислот и оснований из растворов солей в электродиализаторе, представляющем собой ячейку, разделенную на четыре камеры двумя катионселективными мембранами, ограничивающими катодную и анодную камеры, и анионселективной мембраной, расположенной между катионселективными мембранами (авт. свид. 237812, кл. В 01 D 61/46, опубл. 1984 г.).

Недостатком известного способа является невозможность получать органические основания, поскольку все камеры являются проточными.

Техническим результатом изобретения является получение чистого основного L-лизина, пригодного для фармацевтической и пищевой промышленностей, упрощение технологического процесса, а также уменьшение вредных стоков, которые образуются в ходе использования данного способа, что делает способ экологически более успешным.

Указанная цель достигается способом электродиализа для получения кислот и основания из раствора соли, включающий проведение процесса в электродиализаторе, содержащем анод и катод, которые разделены двумя катионселективными мембранами, между которыми размещена анионселективная мембрана, при этом в анодную камеру и в ближнюю к аноду камеру, образованную катионселективной и анионселективной мембранами подают слабый раствор кислоты, в ближнюю к катоду камеру, образованную катионселективной и анионселективной мембранами подают исходный раствор соли, а в катодную камеру подают слабый раствор основания, которое получают, отличающийся тем, что в анодную камеру подают слабый раствор серной кислоты, в расположенную рядом с анодной камеру подают слабый раствор соляной кислоты, в качестве исходного раствора соли используют лизин гидрохлорид, а в непроточную катодную камеру подают слабый раствор основного L-лизина или дистиллированную воду, и электродиализ ведут в гальваностатическом режиме при плотности тока 10-50 мА/ см².

Процесс осуществляется в четырехкамерном электродиализаторе с использованием катионселективных и анионселективных мембран. В качестве электродов использовался платинированный титан. Анодная камера электродиализатора заполнялась разбавленной серной кислотой. Рядом располагалась камера концентрирования соляной кислоты. Анодная камера и камера концентрирования соляной кислоты разделялись между собой катионселективной мембраной. В следующую, дилюатную камеру электродиализатора подавался исходный солевой раствор лизина и отделялся от предыдущей камеры с соляной кислотой анионселективной мембраной. Между катодной и дилюатной камерами аппарата находилась катионселективная мембрана. Концентрирование основного L-лизина осуществлялось электроосмотически в непроточной катодной камере. Во всех остальных секциях осуществлялся проток растворов. Процесс проводят в гальваностатическом режиме при плотности тока 10-50 мА/см². Именно такой режим позволяет вести процесс с наибольшей эффективностью.

Под действием приложенного электрического поля катионы лизина проходят через катионселективную мембрану в катодную камеру, где в результате электродной реакции разложения воды накапливаются гидроксил-ионы и образуется основной L-лизин. Анионы хлора из дилюатной камеры через анионселективную мембрану направляются в камеру концентрирования соляной кислоты, куда из анодной камеры через катионселективную мембрану поступают ионы водорода, образующиеся в результате разложения воды в анодном камере. Таким образом, происходит очистка основного L-лизина от анионов минеральных кислот. Сконцентрированную соляную кислоту можно повторно использовать для регенерации катионообменных смол, либо для подкисления культуральной жидкости перед подачей ее на ионообменные фильтры для повышения избирательности сорбции лизина.

Применение полученных результатов может быть самым широким. Но использование очищенного в надлежащей степени физиологически активного основного L-лизина только в фармацевтической промышленности уже оправдает приложенные усилия и затраты.

Пример 1.

В работе использовался лизингидрохлорид (L-Lys.HCl), произведенный в Германии (фирма Merck). В отдельной пробе были определены сопутствующие примеси: сульфаты - 0,017%, железо - 0,003%, тяжелые металлы - 0,001%, мышьяк - 0,00015%, аммоний - 0,02%, влажность - 0,45%. В сумме все примеси составили 0,49%.

На электролизную переработку подавали 2,2 л исходного раствора L-лизина гидрохлорида с концентрацией 1,2 моль/л, в анодную камеру подавали 0,2 М серную кислоту, а в соседнюю с анодной камеру концентрирования 0,03 М соляную кислоту. Циркуляцию растворов осуществляли со скоростью 60 л/ч. В непроточную катодную камеру заливали слабый раствор основного L-лизина.

После проведения эксперимента получили 0,377 л основного L-лизина с концентрацией 1,26 моль/л. Выход получаемого продукта по току при этом составил 95%, а энергозатраты 0,6 кВт•ч/моль. В аппарате были использованы ионообменные мембраны МК-40 и МА-41. Процесс проводили в гальваностатическом режиме при плотности тока 16 мА/см². После проведения процесса электродиализа очищенный раствор был высушен и получено 76,88 г очищенного от соляной кислоты продукта. Анализ полученного продукта на сопутствующие примеси позволил установить отсутствие анионов и суммарное количество примесей составило 0,024 %. Содержание воды составило 7,42 г (10,96%). Содержание основного лизина составило 69,44 г (89,01%). Определение количественного состава полученного продукта позволило установить, что исследуемые кристаллы представляют собой лизингидрат L-Lys. H₂O и свидетельствует об успешном решении поставленной задачи. Чистота полученного лизингидрата оказалась равной (99,8±0,1)%.

Анализ исходного и полученного продуктов осуществлялся методом ионообменной хроматографии с использованием аминокислотного анализатора ААА-Т-339 (Чехия) (ошибка определения ±3%). Дополнительно был определен азот в полученном образце лизина методом элементарного анализа с использованием анализатора азота NA 1500 ("Carlo Erba" Италия) (ошибка определения +0,3%). Содержание примесей в исследуемых образцах определялось методом эмиссионной спектроскопии по статье ВФС 42-1970-90.

Пример 2.

В работе использовался L-лизин гидрохлорид (L-Lys.HCl), произведенный Институтом биоорганической и нефтехимии Национальной академии наук Украины (г. Киев), содержащий: L-лизина - не менее 80%, хлоридов - 19,7%, сульфатов - не более 0,01%, золы - не более 0,1%, других сопутствующих примесей - не более 0,1%.

На электролизную переработку подавали 2,2 л исходного раствора L-лизина гидрохлорида с концентрацией 1,0 моль/л, в анодную камеру подавали 0,3 М серную кислоту, а в соседнюю с анодной камеру концентрирования 0,01 М соляную кислоту. Циркуляцию растворов осуществляли со скоростью 60 л/ч. В непроточную катодную камеру заливали дистиллированную воду. После проведения эксперимента получили 1,0 л основного L-лизина с концентрацией 1,72 моль/л и раствор соляной кислоты концентрацией около 5%. Выход по току основного L-лизина при этом составил 89,7%, а энергозатраты 1,04 кВт•ч/моль. В аппарате были использованы ионоселективные мембраны марок МК-40 и МА-41. Процесс проводили в гальваностатическом режиме при плотности тока 25 мА/см².

Анализ полученного продукта показал, что в нем содержится: L-лизина - не менее 99,7%, хлоридов - не более 0,001%, сульфатов - не более 0,001%, золы - не более 0,1%, других сопутствующих примесей - не более 0,1%.

Таким образом, заявленный способ позволяет получать не только чистый L-лизин, но и сделать его экологически чистым за счет того, что отсутствуют промывные растворы, которые возникают при использовании сорбентов для получения того же продукта.

Формула изобретения

Способ электродиализа для получения кислот и основания из раствора соли, включающий проведение процесса в электродиализаторе, содержащем анод и катод, которые разделены двумя катионселективными мембранами, между которыми размещена анионселективная мембрана, при этом в анодную камеру и в ближнюю к аноду камеру, образованную катионселективной и анионселективной мембранами, подают слабый раствор кислоты, в ближнюю к катоду камеру, образованную катионселективной и анионселективной мембранами, подают исходный раствор соли, а в катодную камеру подают слабый раствор основания, которое получают, отличающийся тем, что в анодную камеру подают слабый раствор серной кислоты, в расположенную рядом с анодной камеру подают слабый раствор соляной кислоты, в качестве исходного раствора соли используют лизин гидрохлорид, а в непроточную катодную камеру подают слабый раствор основного L-лизина или дистиллированную воду и электродиализ ведут в гальваностатическом режиме при плотности тока 10-50 мА/см².