Способ выделения аминокислот и их солей из культуральной жидкости

 

Изобретение относится к микробиологической промышленности. Касается технологии выделения аминокислот, например, лизина, который может быть использован в сельском хозяйстве в качестве кормовой добавки. Способ включает процессы экстракции и ультрафильтрации культуральной жидкости в одном аппарате - в ультрафильтрационной установке, оснащенной анизотропной мембраной. Потоки культуральной жидкости и экстрагента направляют противотоком друг к другу по разные стороны мембраны, изготовленной из гидрофильного полимера. При этом давление обоих потоков поддерживают одинаковым. На поверхности мембраны проводят экстракцию продуктов биосинтеза раствором экстрагента в органическом растворителе. Реэкстракцию осуществляют путем пропускания через экстракт газообразного или жидкого реэкстрагента с последующим отделением продукта биосинтеза, с последующей промывкой органическим растворителем и сушкой. Способ позволяет упростить технологию выделения аминокислот, сокращает количество оборудования, снижает себестоимость технологии. Экономический эффект составляет 50 грн. /т лизина (250 тыс. грн. /год при выпуске 5 тыс. т лизина в год). 2 з. п. ф-лы.

Изобретение относится к микробиологической промышленности и касается непосредственно технологии выделения и очистки продуктов биосинтеза из культуральной жидкости продуцента при получении, например, лизина, который может быть использован в сельском хозяйстве в качестве кормовой добавки в рационах домашних животных и птиц.

Известен способ выделения продуктов биосинтеза из культуральной жидкости, включающий процессы ионообменной сорбции с последующей эллюацией, упариванием и кристаллизацией [1. А.С. 171727, МПК С 12 Р 13/08, опуб. бюл 11, 26.05.1965 г.].

Недостатком известного способа является низкая экономичность, обусловленная тем, что процесс является многостадийным, требует значительных затрат на оборудование и энергоносители.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ выделения продуктов биосинтеза из культуральной жидкости, включающий процессы ультрафильтрации, жидкостей экстракции, реэкстракции путем пропускания через экстракт газообразного реэкстрагента с последующим выделением кристаллической аминокислоты или ее солей сепарацией, фильтрацией или центрифугированием с последующей промывкой органическим растворителем и сушкой [2. Патент США 4886889, МПК С 07 D 209/20 от 12.12.1989 г. - прототип] . В указанном способе процесс выделения аминокислот является многостадийным. От культуральной жидкости отделяют биомассу клеток продуцента и подвергают ее ультрафильтрации для отделения высокомолекулярных веществ, затем пермеат (фильтрат) после ультрафильтрации смешивают с раствором экстрагента, перемешивают, разделяют, далее экстрагент восстанавливают, обрабатывая газообразным или жидким реэкстрагентом и выделяют аминокислоты.

Недостатком известного решения является низкая экономиченость, так как при проведении диализа получается разбавленный водный раствор продукта биосинтеза, загрязненный к тому же низкомолекулярными соединениями, такими как соли, органические кислоты и др. Все это требует для получения целевого продукта дополнительных затрат на очистку и концентрирование, что связано с дополнительными капзатратами и расходами энергоносителей. Известный способ является многостадийным, сложным в аппаратном оформлении, в котором применяется следующее оборудование: микрофильтрационная и ультрафильтрационная установка, реактор для смешения, отстойник или жидкостный сепаратор, барботер, фильтр или центрифуга. Применение такого количества оборудования требует повышенного контроля и согласованности процессов, перерасхода энергии на смешение и разделение фаз: органической и неорганической, что повышает энергоемкость производства, занимает большие рабочие площади, увеличивает количество обслуживающего персонала и затраты на амортизацию оборудования.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа выделения продуктов биосинтеза из культуральной жидкости путем проведения (совмещения) процесса экстракции и ультрафильтрации в одном аппарате: в ультрафильтрационной установке, оснащенной анизотропной мембраной, с подачей потоков культуральной жидкости и экстрагента с одинаковым давлением противотоком друг к другу с разных сторон мембраны, изготовленной из гидрофильного полимера, что позволит сократить количество оборудования, исключив из схемы микрофильтрационную установку, реактор для смешения, отстойник или жидкостный сепаратор, снизить капитальные затраты, упростить контроль и согласованность процесса, уменьшить энергоемкость производства, сократить рабочие площади, количество обслуживающего персонала и затраты на амортизацию оборудования, все это в целом позволит повысить экономичность процесса биосинтеза.

Поставленная задача достигается том, что в способе выделения продуктов биосинтеза из культуральной жидкости, путем ультрафильтрации, жидкостной экстракции и реэкстракции газообразным или жидким реэкстрагентом с последующим отделением кристаллической аминокислоты или ее солей, дальнейшей сепарацией, фильтрацией или центрифугированием, промывкой органическим растворителем и сушкой, согласно изобретению, процессы экстракции и ультрафильтрации совмещают и проводят одновременно, в ультрафильтрационной установке с анизотропной мембраной, причем, потоки культуральной жидкости и экстрагента подают с одинаковым давлением противотоком друг к другу с разных сторон мембраны, экстракцию аминокислоты проводят на поверхности мембраны, изготовленной из гидрофильного полимера, раствором экстрагента в органическом растворителе, реэкстракцию осуществляют путем подачи через экстракт газообразного или жидкого реэкстрагента, причем, жидкий реэкстрагент получают путем смешивания экстракта аминокислоты с раствором реэкстрагента концентрацией не менее 3%.

Благодаря подаче потоков культуральной жидкости и экстрагента противотоком с разных сторон мембраны появляется возможность совместить процессы ультрафильтрации и экстракции экстрагента, при этом органическая и водная фазы не перемешиваются, в результате процесс является экономичным, так как нет необходимости в дополнительном расходе электроэнергии, направленной на смешение и разделение водноорганической эмульсии. При противоточном движении культуральной жидкости и экстрагента в межмембранном пространстве, на поверхности мембраны, пропитанной культуральной жидкостью (так как мембрана изготовлена из гидрофобного полимера), происходит экстракция аминокислоты раствором экстрагента в органическом растворителе. При этом исключаются затраты на дополнительное оборудование, повышается экономичность процесса, исключается стадия упаривания растворов аминокислоты.

Подача потоков культуральной жидкости и экстрагента с одинаковым давлением с противоположных сторон мембраны позволяет предотвратить смешивание органической и водной фаз, причем водная фаза удерживается за счет капиллярных сил в пористой структуре мембраны и противодействует изменению давления за счет сил поверхностного натяжения.

В результате проведения экстракции аминокислоты раствором экстрагента в органическом растворителе на поверхности мембраны, обращенной к органической фазе, уменьшается концентрация аминокислоты по сравнению с концентрацией в культуральной жидкости, что приводит к постоянной диффузии аминокислоты в направлении органического экстрагента через мембрану за счет разности концентраций по обе стороны мембраны.

Использование раствора реэкстрагента, полученного в результате смешения экстракта аминокислоты с раствором реэкстрагента с концентрацией не менее 3%, позволяет снизить затраты на последующее упаривание реэкстрагента и ускорить процесс реэкстракции. Заявленная концентрация минимально необходима для ведения процесса.

Способ осуществляют следующим образом: По установке для ультрафильтрации, фильтрующие элементы которой выполнены в виде поволоконного модуля с анизотропным по своей структуре селективным слоем диаметром пор 1-100 мкм, устойчивым в диапазоне рН 1-13 к органическим растворителям. Пропускают поток культуральной жидкости внутри полых волокон, а в межволоконном пространстве через выходы пермиата пропускают противотоком растворенный в органическом, не смешивающемся с водой растворителе экстрагент, селективный для данного продукта биосинтеза. Если рассмотреть процесс для поволоконной установки, то внутри полых волокон пропускают культуральную жидкость, а в межволоконном пространстве пропускают реэкстрагент, причем селективный слой мембраны должен быть расположен на внутренней поверхности полого волокна для увеличения поверхности контакта с водной и органической фазой. В результате этого происходят следующие процессы: культуральная жидкость отделяется от биомассы и высокомолекулярных веществ на селективном слое поволоконной мембраны и пропитывает опорный слой мембраны. С поверхности опорного слоя мембраны происходит экстракция продукта биосинтеза экстрагентом. Так как в результате экстракции концентрация продукта биосинтеза уменьшается, за счет разности концентраций происходит его диффузия из культуральной жидкости и постепенный перенос в органическую фазу экстрагента. Так как материал мембраны гидрофильный, культуральная жидкость за счет капиллярных сил прочно удерживается в стенке полых волокон и не смешивается с экстрагентом. Для ультрафильтрационной установки можно применять плоскорамные, трубчатые, поволоконные и рулонные элементы. Используя полые волокна, добиваются максимальной поверхности контакта между культуральной жидкостью и экстрагентом. Далее экстрагент может быть переработан по обычной методике для отделения продуктов биосинтеза. Продукт также может быть выделен из экстрагента посредством пропускания газообразного или жидкого экстрагента через экстракт и фильтрования выпавшего осадка продукта, а также реэкстракцией раствором реэкстрагента в аналогичном описанному выше способе, причем реэкстрагент пропусканием внутри полых волокон, а экстракт в межволоконном пространстве.

Процесс проводят при рециркуляции обеих жидкостей в установке, причем давление обоих потоков поддерживают одинаковым и в пределе, определяемом в зависимости от диаметра пор в опорном слое и поверхностного натяжения обеих жидкостей по формуле: p=2G/r, где р - разность давлений, G - поверхностное натяжение, r - радиус отверстий (пор).

При снижении содержания аминокислот в культуральной жидкости до заданной величины направляют культуральную жидкость на дальнейшую переработку или утилизацию, экстракт аминокислоты в органическом растворителе направляют на реэкстракцию. Реэкстракцию проводят, пропуская через экстракт газообразный или жидкий реэкстрагент, а выделившуюся кристаллическую аминокислоту отделяют фильтрацией, сепарацией или центрифугированием. Осадок аминокислоты или ее соли промывают органическим растворителем и сушат. При реэкстракции жидким реэкстрагентом, раствор перемешивают с экстрактом и разделяют или пропускают экстракт по установке для ультрафильтрации вдоль анизотропных мембран, а экстрагент пропускают в межмембранном пространстве противотоком к реэкстрагенту, затем упаривают реэкстрагент и подвергают раствор аминокислоты высушиванию или кристаллизации.

- В качестве экстрагента можно применять растворы в органическом растворителе катионитов и анионитов.

Экстрагент для аминокислот отбирают из группы, состоящей из: 1. Четветичный аммониевый ион, имеющий формулу: **STR 7**R1, R2, R3 и R4 индивидуально-алифатические углеводородные группы, содержащие от 1 до ~ 22 углеродных атома и где R1, R2, R3 и R4 вместе имеют минимум 25 углеродных атомов, и, по крайней мере, три из четырех R группы - по крайней мере содержат четыре углеродных атома.

2. Четвертичный фосфониевый ион, имеющий формулу **STR8**R1, R2, R3 и R4 определены как вышеупомянутые.

3. Третичный сульфониевый ион, имеющий формулу: **STR79*R1, R2, R3 - алифатические радикалы, как определено предварительно (от 1 до 22 углеродистых атомов), где R1, R2, R3 вместе имеют минимум 24 углеродных атома и где, по крайней мере, две из этих групп содержат минимум 6 углеродных атомов.

4. Органическая сульфокислота, отобранная из группы, состоящей из органических сульфокислот, имеющих формулу: **STR11**R5 и R6 - алифатические углеводородные группы, индивидуально имеющие от 6 до ~ 22 углеродистых атома, где R5 и R6 вместе содержат, по крайней мере, 18 углеродистых атомов, и органические сульфокислоты, имеющие структурную формулу **STR12**R7 и R8, где R7 и R8 - алифатические углеводородные группы, содержащие от 4 до ~22 углеродистых атома, где R7, R8 или сульфогруппа могут находиться в положениях 1-8 на ароматических кольцах, где R7 и R8 вместе имеют по крайней мере 18 углеродистых атомов. Любая нерастворимая в воде жидкость может использоваться в качестве органического растворителя для экстрагента. Обычно для этого используются алифатические и ароматические углеводороды. Алифатические углеводороды типа алканов включают циклоалканы и галогенные алканы, применяемые галогенированные алканы имеют минимум два углеродных атома, ароматические углеводороды, которые могут быть использованы, включая бензол, и производные типа толуола, ксилола и кумола. Также подходят нерастворимые в воде эфиры, кетоны, спирты. Кроме того, подходят любые смеси этих веществ, нерастворимые в воде, и все жидкие фракции нефти. К смесям могут быть добавлены модификаторы для изменения или улучшения извлечения аминокислот и других продуктов биосинтеза. Это могут быть спирты, содержащие от 10 до 13 углеродных атомов, алкилированные фенолы. В качестве реэкстрагента применяют газообразный аммиак, газообразный хлористый водород, серную и фосфорную кислоту, а также растворы этих веществ с концентрацией не менее 3%. В качестве исходного продукта для выделения продуктов биосинтеза можно использовать культуральные жидкости продуцентов аминокислот, таких как глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин, фенилаланин, триптофен, метионин, серин, треонин, цистеин, тирозин, аспарагин, глутамин, аспарагиновая кислота, глутаминовая кислота, лизин, аргинин, оксипролин, оксилизин, d - аланин, гамма аминомасляная кислота. В качестве исходного сырья можно использовать также культуральные жидкости продуцентов лимонной, итаконовой, молочной и других моно- и поликарбоновых кислот.

Примеры выполнения способа Пример 1. Через установку для ультрафильтрации на полых волокнах с анизотропными волокнами, с расположенным на внутренней поверхности волокна селективным слоем, с молекулярно-массовым пределом задержания 30000 Дальтон, общей поверхностью мембран 1 м² пропускают внутри капилляров 10 л культуральной жвдкости продуцента лизина с содержанием лизина 70 г/л. Противотоком в межкапиллярном пространстве пропускают 15 л раствора динонилнафталинсульфокислоты в гексане с содержанием динонилнафталинсульфокислоты 200 г/л. После циркуляции обоих растворов в течение двух часов собирают гексановый раствор динонилнафталинсульфокислоты, насыщенный лизином, в емкость с мешалкой, рубашкой для подогрева и барботером для пропускания газа. Нагревают раствор до 50^oС и пропускают при перемешивании газообразный аммиак в течение 30 мин, затем фильтруют выделившийся лизин. Промывают лизин гексаном и сушат. Выход готового продукта составляет 640 г. Экономия энергоносителей в сравнении с прототипом состаляет 75 кВт•ч/т лизина. Расходы реагентов снижаются на 200 мл сульфоэкстрагента на 1 т лизина. Экономический эффект составляет 50 грн. /т лизина (250 тыс.грн./год при выпуске 5 тыс. т лизина в год).

Пример 2. Через плоскорамную установку для ультрафильтрации с анизотропными мембранами толщиной 100 мкм, селективным слоем с молекулярно-массовым пределом задержания 10000 Дальтон, общей поверхностью мембран 1 м² пропускают внутри капилляров 20 л культуральной жидкости продуцента триптофана с содержанием триптофана 30 г/л. Противотоком в межкапиллярном пространстве пропускают 30 л раствора трикаприлметиламмония хлорида в гексане с содержанием трикаприлметиламмония хлорида 100 г/л. После циркуляции обоих растворов в течение двух часов собирают гексановый раствор трикаприлметиламмония хлорида, насыщенный триптофаном, в емкость с мешалкой, рубашкой для подогрева и барботером для пропускания газа. Раствор нагревают до 50^oС и пропускают при перемешивании газообразный хлористый водород в течение 30 мин, затем фильтруют выделившийся гидрохлорид триптофана. Промывают соль и сушат. Полyчaют 580 г тpиптофaнaгидрoxлopидa.

Ожидаемая экономия энергоносителей по сравнению с прототипом составит 75 кВт год на тонну лизина. Снижение расходов реагентов достигает 300 мл экстрагента. Экономический эффект составит 40 грн./т триптофана.

Пример 3. Аналогично примеру 1. Нагревают раствор до 50^oC и пропускают при перемешивании раствор аммиака с концентрацией не менее 3% в течение 30 мин, затем фильтруют выделившийся лизин. Промывают лизин гексаном и сушат. Выход готового продукта составляет 640 г.

Пример 4. Аналогично примеру 2. Раствор нагревают до 50^oC и пропускают при перемешивании раствор хлористого водорода с концентрацией не менее 3% в течение 30 мин, затем фильтруют выделившийся гидрохлорид триптофана. Промывают соль и сушат. Получают 580 г триптофанагидрохлорида.

Таким образом, внедрение в производство предлагаемого способа выделения продуктов биосинтеза из культуральной жидкости обеспечивает компактность установки, высокую эффективность технологии с повышенной экономичностью процесса за счет сокращения капитальных, энергетических затрат и снижения трудоемкости. Экономический эффект составляет 350 тыс. грн./год при выпуске 5 тыс. т лизина монохлоргидрата в год.

Формула изобретения

1. Способ выделения аминокислот и их солей из культуральной жидкости путем ультрафильтрации, жидкостной экстракции и реэкстракции газообразным или жидким реэкстрагентом, отделения кристаллической аминокислоты или ее солей, сепарации, фильтрации или центрифугирования с последующей промывкой органическим растворителем и сушкой, отличающийся тем, что процессы ультрафильтрации и экстракции совмещают и проводят одновременно в ультрафильтрационной установке с анизотропной мембраной, причем потоки культуральной жидкости и экстрагента подают с одинаковым давлением противотоком друг к другу с разных сторон мембраны, экстракцию аминокислоты проводят на поверхности мембраны раствором экстрагента в органическом растворителе.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что жидкий реэкстрагент получают путем смешивания экстракта аминокислоты с раствором реэкстрагента концентрацией не менее 3%.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для изготовления мембраны ультрафильтрационной установки используют гидрофильный полимер.