CZ20003751A3 - Způsob membránové filtrace - Google Patents

Abstract

Způsob izolace požadovaného vodorozpustného produktu z fermentačního kvasu spočívá v tom, že kvas cirkuluje podél keramické membrány, přičemž se aplikuje tlak přes membránu alespoň 1,5 bar, načež vodný roztok obsahující požadovaný produkt postupuje přes membránu a následně se shromažďuje. S výhodnou se během filtrace udržuje teplota kvasu 20 až 50 °C, lépe 30 až 45 °C. Je zkrácena doba filtrace a zvýšena kapacita a účinnost filtrace.

Description

Oblast techniky

Předložený vynález se týká způsobu izolace požadovaného vodorozpustného produktu z fermentačního kvasu.

Dosavadní stav techniky

Fermentační procesy pro přípravu chemických sloučenin v současné době nabývají v chemii na důležitosti. Tento druh procesu je vysoce selektivní, zajímavý z hlediska ochrany životního prostředí a vede k vysokým výtěžkům produktu, přičemž tímto způsobem se provádějí i průmyslové výroby.

Po ukončení fermentačního procesu musí být požadovaný produkt izolován z fermentačního kvasu. To se obvykle provádí první separací vodné fáze z buněčného materiálu v kroku koláčové filtrace, následovaném extrakcí nebo adsorpcí produktu z filtrátu. Často však je tento filtrační krok doprovázen značnou ztrátou požadovaného produktu. To je způsobeno hlavně skutečností, že filtrační koláč nelze dostatečně promýt, a že velké množství produktu zůstává ve filtrační tkanině. V praxi je pozorováno, že účinnost a kapacita filtračního procesu silně závisí na kvalitě fermentačního kvasu. Navíc, rozpuštěné proteiny a buněčné zbytky přítomné ve filtračním kvasu jsou koláčovou filtrací z vodné fáze fermentačního kvasu nedostatečně odstraňovány. To má za následek, že procesy následující v poproudém směru trpí kontaminací proteiny, a jejich kapacita je snížena.

• ·

Pro překonání výše uvedených problémů při zpracování fermentačního kvasu bylo navrženo použití jiných filtračních metod, například membránové filtrace. Membrány používané pro tyto účely jsou obvykle polymerní membrány, například polysulfonové membrány.

Výhodou membránové filtrace je, že touto konstrukcí jsou dosaženy menší ztráty produktu a čistší filtrát (permeát). Permeát obsahuje podstatně méně proteinů a/nebo zbytků buněčného materiálu, než filtrát získaný konvenční technikou koláčové filtrace. V důsledku toho může být krok extrakce prováděn výhodněji a celková účinnost procesu je zvýšena.

Ve východoněmecké patentové přihlášce DD-A 277 088 je popsán způsob izolace benzylpenicilinu z mikrobiologického kvasu. Způsob zahrnuje krok konvenční koláčové filtrace pro odstranění biomasy, a následující krok ultrafiltrace, přičemž se oddělují proteiny přítomné ve filtrátu z první filtrace. Produkt ultrafilrace se zakoncentruje na 5 % jeho objemu a požadovaný benzylpenicilin se z něho izoluje extrakcí.

Proces membránové filtrace pro filtraci kvasu zahrnuje obvykle tři kroky. V praxi, zejména v kontinuálním procesu, nemusí být přechod od jednoho kroku ke druhému jasně rozpoznatelný. Často se stává že dva nebo všechny z těchto kroků se provádějí zároveň. Pro účely jasnosti však je účelné toto rozlišení dělat. První krok představuje zakoncentrování kompozice určené k filtraci. Takovýto krok zakoncentrování se může vhodně provádět cirkulací kvasu podél povrchu membrány, zatímco se udržuje tlakový gradient přes povrch (takzvaná filtrace s příčným prouděním). Ve

• · • · · · • · · _ β _ ······ druhém kroku se získaný zakoncentrovaný produkt promývá filtrací s příčným prouděním v dialyzačním kroku. To znamená, že k cirkulačnímu toku kvasu se přičítá tok rozpouštědla. V případě, že filtrovaným produktem je fermentační kvas, může být tímto rozpouštědlem zpravidla voda. Ve třetím kroku se získaný filtrovaný permeát dále do vhodné míry zakoncentrovává v průběhu filtrace s příčným prouděním.

V procesu zahrnujícím krok membránové filtrace je nezbytné řídit podmínky proudění retentátu (zbytku po filtraci) podél membrány aplikováním vysoké rychlosti příčného proudění (tj. lineární rychlosti proudění paralelně s rovinou membrány), pro maximalizaci průtoku (kapacity) procesu. Nicméně, v praxi vzniká při pokusu o udržování rychlého proudění retentátu, poté co byl zakoncentrován, množství problémů. Tyto problémy se vyskytují zejména v případě fermentace kvasu určeného k filtraci, majícího vysoké obsahy (3-10 %) buněčných zbytků a proteinů.

Vzhledem ke zvýšené viskozitě, pozorované při vysoké koncentraci, rovněž narůstá axiální tlaková ztráta, která je mírou energie potřebné pro proces. Při aplikacích v provozním měřítku se používají odstředivá čerpadla, a jejich kapacita se snižuje v důsledku nárůstu axiální tlakové ztráty. V důsledku pseudoplastické povahy použitých materiálů při těchto podmínkách viskozita dále narůstá, což dále zesiluje pokles průtoku. Kromě toho se vyvíjí množství tepla, což je nežádoucí v případech, kdy je požadovaný produkt nestabilní při vysokých teplotách. Pro udržení nízké teploty a pro zamezení degradace produktu je tedy nezbytné velké a nákladné chladící zařízení.

• · • · · _ 4 — ······

Pro zabránění degradace a kontaminace požadovaného produktu je také žádoucí minimalizovat dobu potřebnou pro dokončení filtračního procesu. Dostupná opatření pro minimalizaci doby filtrace jsou zvětšení plochy membrány nebo zvětšení její měrné kapacity. Měrná kapacita vyjadřuje, jaké množství požadovaného produktu projde určitou plochou membrány za jednotku času (l/m².h). Uvedená kapacita může být zvýšena aplikováním vyššího tlaku přes membránu, který je hnací silou filtrace. Nevýhodou aplikování vysokého tlaku přes membránu je, že to zpravidla vede k vyšší zádrži požadovaného produktu, t j . velké množství produktu neprojde membránou, což vede k neúčinnému procesu. Kromě toho, v takovýchto případech nemusí být možné použití trubicovitých polymerních membrán, neboť tento typ membrán se za těchto podmínek příliš opotřebovává.

Nyní bylo zjištěno, že výše uvedené problémy mohou být překvapivým způsobem překonány použitím keramických membrán a řízením podmínek procesu.

Použití keramických membrán bylo popsáno v dosavadním stavu techniky pro různé separace požadovaných produktů z fermentačního kvasu.

Podle EP 0 522 517 AI se pro separaci metylglykosidu z fermentačního kvasu používá mikroporézní membrána z aoxidu hlinitého. V prvním kroku se kvas zakoncentruje, načež se ve vodě nerozpustný metylglykosid rozpustí přidáním metanolu, načež roztok s obsahem metylglykosidu prochází membránou a získává se antibiotikum.

Obdobná technika je popsána v US patentu č. 5 616 595 pro separaci cyklosporinu A z fermentačního kvasu.

« · · ·

Podle ruského patentového dokumentu č. 2 090 598 mohou být keramické filtrační prvky použity pro filtraci moštu při výrobě vína.

Podstata vynálezu

Předložený vynález se týká způsobu izolace požadovaného vodorozpustného produktu z fermentačního kvasu, při kterém kvas cirkuluje podél keramické membrány, přičemž se aplikuje tlak přes membránu alespoň 1,5 bar, načež vodný roztok obsahující požadovaný produkt prostupuje přes membránu a následně se shromažďuje.

Způsob podle vynálezu má tu výhodu, že může být realizována velmi krátká doba filtrace bez známého problému vysoké zádrže požadovaného produktu. Filtrační proces podle vynálezu je tedy vysoce účinný. Překvapivě může být v procesu podle vynálezu aplikován vysoký tlak přes membránu, aniž by docházelo k vysoké zádrži požadovaného produktu. Také teplota může být velmi účelně regulována na požadovanou hodnotu, aniž by to vedlo k problémům s viskozitou a aniž by to vedlo k destabilizaci, často teplotně nestabilního, požadovaného produktu. Kromě toho, při způsobu podle vynálezu není nezbytné provádět konvenční filtraci fermentačního kvasu před jeho podrobením membránové filtraci, jak bylo popsáno v DD-A 277 088.

Fermentační kvas může být získán z jakéhokoliv fermentačního procesu. V takovémto procesu je příslušný mikroorganizmus kvašen přidáním zdroje uhlíku, zdroje dusíku, dalších živin a vzduchu ke kvasu. Typické pracovní

• · postupy a předpisy lze nalézt v literatuře. Po dovedeni fermentačního do požadovaného stupně kvas obsahuje buněčný materiál jakož i proteiny a požadovaný produkt. Také mohou být přítomny různé kontaminanty. Je výhodné, jestliže je kvas získán z fermentačního procesu, při kterém se připravuje antiinfekční sloučenina. Příklady takovýchto sloučenin jsou různé β-laktamy a sloučeniny jako erythromycin a nystatin.

adipyl-7klavulanová,

3-chloro-7(3-C1,7-ACCA), (7-ADCA).

Příklady β-laktamů v této souvislosti jsou β-laktamy, kde jádro β-laktamu je připojeno k vhodnému postrannímu řetězci, jako například penicilín G, penicilín V, kyselina adipyl-7-aminocefalosporanová, kyselina aminodesacetoxycefalosporanová, kyselina cefalosporin C, Ampicilin, Amoxycilin, Cefalexin, Cefaclor a Cefadroxyl. Mohou být také vhodná β-laktamová jádra, jako například kyselina 6-aminopenicilanová (6-APA), kyselina 7aminocefalosporanová (7-ACA), kyselina aminodesacetoxydesmetylcefalosporanová kyselina 7-aminodesacetoxycefalosporanová

Nejvýhodnější jsou fermentační kvasy získané z procesů pro přípravu penicilinu G, penicilinu V, cefalosporinu C, acyl7-ADCA nebo acyl-7-ACA. Bylo zjištěno, že proces filtrace kteréhokoliv z těchto fermentačních kvasů je značně zlepšen výhodami vynálezu. Ačkoliv některé z těchto fermentačních kvasů zahrnují tepelně nestabilní produkty, bylo zjištěno, že pomocí způsobu podle vynálezu mohou tyto tepelně nestabilní produkty být izolovány z kvasu bez významných ztrát produktu.

Membrána použitá podle vynálezu je keramická membrána. To znamená, že zahrnuje anorganický materiál. Výhodnými • · materiály jsou oxidy kovů, jako například α-oxid hlinitý, γoxid hlinitý a oxid zirkoničitý. Použití membrán z těchto materiálů vede k vysoce účinným filtračním procesům, přičemž jen velmi malé, pokud vůbec nějaké, množství požadovaného produktu je ztraceno, a přičemž požadovaný produkt je získán ve velmi vysoké čistotě.

S výhodou se používají keramické membrány, které mají průměrnou velikost pórů 4 až 100 nm, ještě výhodněji 20 až 50 nm. Bylo shledáno, že použití membrán majících velikost pórů uvnitř těchto mezí vede k vysoce selektivnímu a účinnému membránovému filtračnímu procesu.

V průběhu cirkulace kvasu podél membrány (filtrace s příčným prouděním) se kvas zakoncentrovává, zatímco roste množství tekutin přítomných v kvasu prošlých skrze membránu. Vhodná míra tohoto zakoncentrování je 1,5, s výhodou 2 násobně. Uvedené zakoncentrování se může nejvýhodněji provádět při zvýšené teplotě, s výhodou při teplotě vyšší než 20 °C, ještě výhodněji vyšší než 30 °C. Horní mez teploty během zakoncentrování bude s praktických důvodů zpravidla 50 °C, s výhodou 4 5 °C.

Podle vynálezu bylo zjištěno, že viskozita kvasu nedosahuje nepřijatelně vysokých hodnot. Když je zakoncentrování dvojnásobné, jsou typické hodnoty 337 mPa. s při střihových otáčkách 100 s^-1, 197 mPa.s při střihových otáčkách 500 s¹, a 156 mPa.s při střihových otáčkách 1000 s”¹. Není tedy třeba dodatečného nákladného zařízení pro provádění cirkulace při dostatečné rychlosti příčného proudění.

Je možné, že rychlost příčného proudění vykazuje v průběhu procesu podle vynálezu mírné fluktuace a dosahuje hodnot 2-4 m/s. Nicméně, uvedená rychlost se s výhodou udržuje na hodnotě alespoň 5, výhodněji 6 m/s. Horní mez uvedené rychlosti je s výhodou 10, ještě výhodněji 8 m/s. Když je uvedená rychlost zvolena uvnitř specifického rozmezí, má filtrační proces velmi vysokou kapacitu. V současné době se ukázalo, že je možno udržovat rychlost vysokou i když se provádí zakoncentrování do velké míry.

Po zakoncentrování retentátu na požadovanou míru se s výhodou přidává do cirkulujícího kvasu voda (dialýza). S výhodou se přidává takové množství vody, že je kvas zředěn 1,5 až 4 násobně, výhodněji 2 až 3 násobně. Tímto přidáváním vody k retentátu se zvýší výtěžek, a tedy i účinnost, filtračního procesu. Tímto zřeďovacím krokem, který zahrnuje přidání vody do retentátu, může být z retentátu ještě získáno množství požadovaného produktu.

Velkou výhodou způsobu podle vynálezu je, že může být dosaženo velmi krátké doby procesu, aniž by nastal známý problém vysoké zádrže požadovaného produktu. Podle vynálezu je tedy tlak přes membránu vyšší než 1,5 bar. V kontextu vynálezu je tlak přes membránu definován jako rozdíl průměrného tlaku na straně retentátu a průměrného tlaku na straně permeátu. Podle výhodného provedení je tlak přes membránu od 2,5 do 7,5, s výhodou od 5 do 6 bar.

Podle velmi výhodného provedení vynálezu je tlak přes membránu zpočátku nižší než výše uvedený tlak. Vhodné počáteční tlaky přes membránu se volí mezi 1 a 2,5 bar. Časová perioda během níž je aplikován tento počáteční tlak přes membránu je poměrně krátká. Obecně, tato perioda není • · delší než 10 %, s výhodou ne delší než 8 % celkové doby filtrace. V nejčastějších případech, v závislosti na množství fermentačního kvasu k filtraci, bude tato perioda přibližně 10 minut.

Toto provedení je výhodné tím, že nastává značně menší zanášení membrány, než když se eventuálně aplikuje požadovaný, vysoký tlak přes membránu od počátku procesu. Tím je prodloužena životnost membrány, tzn. je prodloužena časová perioda, po kterou může být používána táž membrána aniž by se musela čistit. Také je vyšší kapacita filtračního procesu a větší selektivita. Bez omezení na teorii, předpokládá se, že těchto výhod je dosaženo vytvořením proteinové gelové vrstva na retentátové straně membrány, která se ukládá během počáteční periody, kdy je aplikován nižší tlak přes membránu.

Vstupní tlak retentátu se při způsobu podle vynálezu pohybuje, v závislosti na stupni procesu, mezi 1 a 8 bar. Axiální tlaková ztráta retentátu je, také v závislosti na stupni procesu, mezi 0 a 3,5 bar. Měrný průtok se může v průběhu procesu pohybovat od 200 l/m².h.bar do 50 l/m².h.bar a zpět na 200 l/m².h.bar.

Na permeátové straně membrány se zpravidla udržuje kontinuální tok pro shromažďování permeátu, zejména požadovaného produktu v něm obsaženého. Poté, co je permeát shromážděn, může být s výhodou zakoncentrován. Výhodná míra zakoncentrování permeátu je 1,5 až 7, výhodněji 2 až 5 násobná. Pro získání požadovaného produktu z koncentrovaného permeátu se obecně provádějí konvenční zpracovací postupy. Vhodným příkladem takovýchto zpracovacích postupů je extrakce.

• · . . · · : : . · ·

Způsob podle vynálezu se může provádět vsázkovým postupem nebo kontinuálně. S výhodou se provádí jako kontinuální proces.

Příklady provedení vynálezu

Vynález bude dále osvětlen za pomoci následujících neomezujících příkladů.

Příklad 1

156 kg penicilinového fermentečního kvasu bylo uváděno z míchaného zásobníku do membránového filtračního systému. Uvedený systém obsahoval membránu Membranlox SCT 3P19, mající plochu přibližně 0,9 m² a průměrnou velikost pórů 50 nm.

Systém byl odvzdušněn a byl zahájen filtrační proces za následujících podmínek:

teplota cirkulační tok zásobníkem cirkulační tok filtračním okruhem (rychlost příčného proudění byla 6 m/s) °C 2,5 m³/h 35 m³/h

Po odtažení 65 1 permeátu (faktor zakoncentrování a=l,67, faktor zředění β=0,4) byl cirkulační tok filtračním okruhem snížen na 17 m³/h, což odpovídá rychlosti příčného proudění 2,9 m/s. Tok permeátu se snížil na 70 l/m²h při tlaku přes membránu 4 bar. Faktor zakoncentrování byl 1,67. Další zakoncentrování nebylo možné. Byla započata • · diafiltrace při udržování konstantního a, rychlost příčného proudění se znovu zvýšila na 5,5 m/s, tok permeátu zůstal konstantní 72 l/m²h. Faktor zředění byl 1,72.

Celková doba procesu byla 250 minut.

Příklad 2

154 kg penicilinového fermentečního kvasu bylo uváděno z míchaného zásobníku do stejného membránového filtračního systému jako v příkladu 1.

Systém byl odvzdušněn a byl zahájen filtrační proces za následujících podmínek:

teplota 40 °C cirkulační tok zásobníkem 2,5 m³/h cirkulační tok filtračním okruhem 35 m³/h (rychlost příčného proudění byla 6 m/s)

Po odtažení 74 1 permeátu (α=1,92, β=0,48) byl cirkulační tok filtračním okruhem snížen na 26 m³/h. Tok permeátu se snížil na 94 l/m²h při faktoru zakoncentrování 2,0 a tlaku přes membránu 4 bar.

Bezprostředně po započetí diafiltrace, při které byl udržován konstantní a, se rychlost příčného proudění znovu zvýšila na 5,9 m/s, a tok permeátu byl regulován na 110 l/m²h. Faktor zředění byl 1,85.

Celková doba procesu byla 180 minut.

• ·

Příklad 3

177 kg penicilinového fermentečního kvasu bylo uváděno z míchaného zásobníku do stejného membránového filtračního systému jako v příkladu 1.

Systém byl odvzdušněn a byl zahájen filtrační proces za následujících podmínek:

teplota 36 °C cirkulační tok zásobníkem 2,5 m³/h cirkulační tok filtračním okruhem 35 m³/h (rychlost příčného proudění byla 6 m/s)

Po odtažení 90 1 permeátu (α=2,04, β=0,51) byl cirkulační tok 6 m/s. Tok permeátu byl 511 1/nfh na začátku zakoncentrování a snížil se na 124 l/nfh na konci zakoncentrování. Faktor zakoncentrování byl 2,04, tlak přes membránu byl 5 bar.

Po započetí diafiltrace, při které byl udržován konstantní a, se rychlost prmeátu velmi pomalu zvýšila na 255 l/m²h. Tlak přes membránu byl pomalu snížen na 3,8 bar na konci procesu. Faktor zředění byl 2,02.

Celková doba procesu byla 134 minut.

Claims (13)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob izolace požadovaného vodorozpustného produktu z fermentačního kvasu, vyznačující se tím, že kvas cirkuluje podél keramické membrány, přičemž se aplikuje tlak přes membránu alespoň 1,5 bar, načež vodný roztok obsahující požadovaný produkt prostupuje přes membránu a následně se shromažďuje.
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že kvas se zakoncentrovává v průběhu cirkulace podél membrány při teplotě mezi 20 až 50 °C.
3. 3. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že teplota je 30 až 45 °C.
4. 4. Způsob podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že rychlost příčného proudění je 5 až 10 m/s, s výhodou 6 až 8 m/s.
5. 5. Způsob podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že keramická membrána zahrnuje materiál zvolený ze skupiny sestávající z oxidů kovů.
6. 6. Způsob podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že keramická membrána má průměrnou velikost pórů 4 až 100 nm, s výhodou 20 až 50 nm.
7. 7. Způsob podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že tlak přes membránu je 2,5 až 7,5, s výhodou 5 až 6 bar.

   • » · · « · ·

   9 9 9 ♦ · ·
8. 8. Způsob podle nároku 7, vyznačující se tím, že tlak přes membránu je zpočátku 1 až 2,5 bar.
9. 9. Způsob podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že po 1,5 násobném, s výhodou 2 násobném zakoncentrování cirkulujícího kvasu se k cirkulujícímu kvasu přidá voda.
10. 10. Způsob podle nároku 9, vyznačující se tím, že se přidá takové množství vody, že se kvas zředí 1,5 až 4 násobně, s výhodou 1 až 3 násobně.
11. 11. Způsob podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že permeát získaný po filtraci kvasu se zakoncentruje 1,5 až 7 násobně, s výhodou 2 až 5 násobně.
12. 12. Způsob podle některého z předcházejících nároků, vyznačující se tím, z fermentačního procesu, že fermentační kvas při kterém se je získán připravuje antiinfekční sloučenina.
13. 13. Způsob podle nároku 12, vyznačující se tím, že antiinfekční sloučenina je zvolena ze skupiny sestávající z erythromycinu, nystatinu, kyselina adipyl-7aminocefalosporanová, kyselina adipyl-7-aminodesacetoxycefalosporanová, penicilín G, penicilín V, cefalosporin C, a izopenicilin N.