ES2283090T3 - Proceso para purificacion y cristalizacion de riboflavina. - Google Patents

Abstract

Proceso para la purificación y cristalización de riboflavina, caracterizado porque se disuelve riboflavina acicular de la modificación estable A en una solución acuosa de ácido mineral a 5 hasta 25ºC con mezcladura intensiva, se añade carbón activo a la solución resultante, después de la adsorción de las impurezas disueltas de la solución en el carbón activo el medio que contiene carbón activo se somete a una filtración en corriente transversal a través de una membrana cerámica con un tamaño de poro de 20 a 200 nm, se mezcla el filtrado resultante con una cantidad 5 a 10 veces mayor (vol/vol) de agua a 4 hasta 10ºC, y los cristales esféricos de riboflavina precipitados resultantes se separan por centrifugación o filtración.

Description

Proceso para purificación y cristalización de riboflavina.

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La presente invención se refiere a un nuevo proceso para la purificación y cristalización de riboflavina para aplicaciones farmacéuticas y alimentarias.

La riboflavina que se encuentra actualmente en el comercio se produce en parte por síntesis y en parte por biotecnología, donde los procesos de obtención biotecnológicos están ganando claramente terreno en los últimos años. Precisamente en el modo de preparación por fermentación es manifiestamente difícil la purificación prácticamente total y post-concentración de la riboflavina, tal como es necesario para aplicaciones farmacéuticas y alimentarias. Para tales aplicaciones, la riboflavina se disuelve por regla general en medio ácido o alcalino. Los residuos celulares, proteínas, péptidos y aminoácidos, que después de la disolución de la riboflavina propiamente dicha se disuelven o pueden permanecer insolubles dependiendo de la sustancia, pueden separarse a menudo sólo con un coste relativamente grande por combinación de varias operaciones unitarias diferentes. La riboflavina disuelta se cristaliza por regla general por diversos procesos en la mayoría de los casos a temperaturas superiores a 30ºC, y de hecho como cristales aciculares que corresponden normalmente a la modificación estable A (véanse por ejemplo las Memorias Descriptivas de Patente U.S. 2.324.800, 2.797.215 y 4.687.847). Adicionalmente, la riboflavina se produce y se vende hasta ahora exclusivamente en la modificación cristalina estable A. Dado que la riboflavina en esta forma es soluble en agua sólo en muy pequeñas proporciones, el comportamiento de disolución necesario para las aplicaciones farmacéuticas y alimentarias es relativamente deficiente. Desde hace algún tiempo persiste por tanto el deseo de mejorar el comportamiento de disolución y con ello también la biodisponibilidad de riboflavina.

Diversos trabajos conocidos por la bibliografía se refieren de modos diferentes a modificaciones cristalinas estables de riboflavina, que se forman por precipitación a partir de una solución alcalina; de tales trabajos, sin embargo no se ha desarrollado hasta ahora ningún proceso industrial práctico, lo que puede atribuirse probablemente a la degradación química de la riboflavina en medio alcalino (véase por ejemplo la Memoria Descriptiva de Patente US 2.603.633).

La riboflavina que se vende en la actualidad se encuentra parcialmente en forma de polvo muy fino, y parcialmente en forma de agujas amarillas largas. El polvo fino desprende una cantidad de polvo considerable, tiene una densidad a granel manifiestamente baja y un comportamiento de flujo mediocre y se comprime muy fácilmente por lo que, por ejemplo, se dificulta el prensado en tabletas y se hacen necesarios aditivos para la mejora del comportamiento de fluidez y compactación. Asimismo, las agujas exhiben durante el procesamiento un fuerte desprendimiento de polvo y son problemáticas en el tratamiento ulterior, como por ejemplo en el caso de la vitaminización de harinas. Tampoco los diversos procesos de aglomeración subsiguientes a la cristalización se han empleado hasta ahora para la preparación de riboflavina en escala industrial (véase por ejemplo la Memoria Descriptiva de Patente Canadiense 633.852 y la Memoria Descriptiva de Patente Europea 307.767). Otros procesos de aglomeración se realizan durante el secado con empleo de cristales aciculares de la modificación A (Memoria Descriptiva de Patente Alemana 4.014.262). Desde hace tiempo persiste el deseo de producir una forma de riboflavina que posea propiedades físicas esencialmente mejores, como por ejemplo propiedades de flujo y disolución y resistencia a la abrasión, y una pureza (contenido de riboflavina) superior a 98%.

En la publicación de Patente Europea 730.034 se expone en la página 5, líneas 13-18, la purificación de una solución de riboflavina en ácido clorhídrico con carbón activo. Chem. Abs. 113, 8823t (1990) [JP 01/254222] publica la utilización de filtración en corriente transversal para el tratamiento de soluciones acuosas o de aguas residuales para el aislamiento de componentes valiosos; la membrana cerámica empleada en este caso está revestida previamente con una suspensión que contiene un adyuvante de filtración.

Un objetivo de la presente invención es, partiendo de riboflavina acicular, que corresponde a la modificación estable A y que se ha producido por síntesis o biotecnológicamente, obtener una riboflavina pura con más de 98% de contenido de riboflavina, que posee propiedades de solubilidad y fluidez claramente mejores que el material disponible actualmente. En general, la nueva riboflavina debería exhibir una mejor biodisponibilidad y mejores propiedades físicas, p.ej. para la producción de tabletas.

Se ha encontrado ahora un proceso relativamente sencillo, que permite preparar una riboflavina de esta clase. Este proceso consta en sus líneas fundamentales de una denominada purificación previa y una cristalización; la cristalización va seguida por un secado.

En el proceso correspondiente a la invención se trata de un proceso para la purificación y cristalización de riboflavina, que se caracteriza porque riboflavina acicular de la modificación estable A se disuelve en una solución acuosa de ácido mineral a 5 hasta 25ºC con mezcla intensiva, se añade carbón activo a la solución resultante, después de la adsorción de las impurezas disueltas a partir de la solución en el carbón activo, se somete el medio que contiene el carbón activo a una filtración en corriente transversal a través de una membrana cerámica que tiene un tamaño de poro de 20 a 200 nm, se mezcla el filtrado resultante con una cantidad 5 a 10 veces mayor (vol/vol) de agua a 4 hasta 10ºC, y los cristales esféricos de riboflavina precipitados resultantes se separan por centrifugación o filtración.

Después de la obtención de los cristales de riboflavina de este modo, los cristales pueden opcionalmente lavarse con agua y secarse subsiguientemente según métodos conocidos en sí mismos. El proceso así culminado constituye un aspecto adicional del proceso correspondiente a la invención definido anteriormente.

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Como material de partida del proceso correspondiente a la invención se emplea riboflavina acicular de la modificación A, tal como se produce por ejemplo en el caso de la fabricación de piensos. Esta riboflavina exhibe por regla general un contenido de aproximadamente 85 hasta aproximadamente 98% y dependiendo del modo de producción sub-productos químicos y/o residuos de fermentación junto con agua, cuya cantidad total es por consiguiente superior a 2% en peso.

En el primer paso del proceso, el material de partida se seca o se disuelve en estado húmedo en la solución acuosa de ácido mineral. Después de ello, la disolución va seguida de una reacción de protonización. En el proceso de disolución, se liberan residuos de fermentación, tales como proteínas, péptidos y aminoácidos, y/o subproductos químicos, que se encuentran entonces parcialmente disueltos y parcialmente en forma sólida. Como ácido mineral es particularmente apropiado ácido clorhídrico o ácido nítrico, preferiblemente el primero, cuya concentración es por regla general aproximadamente 10% hasta aproximadamente 65% (porcentaje en peso).

En el caso de la solución acuosa de ácido clorhídrico preferida, la concentración está comprendida convenientemente en el intervalo de aproximadamente 18 hasta aproximadamente 24%. En una solución acuosa de ácido clorhídrico de esta clase se disuelve hasta aproximadamente 19% de riboflavina seca. La solución está por consiguiente prácticamente saturada. Por lo general, la cantidad de riboflavina con respecto a la cantidad de ácido mineral acuoso depende de la naturaleza del ácido mineral, la concentración de la solución y la temperatura de disolución.

Adicionalmente, la disolución de la riboflavina acicular en la solución acuosa de ácido mineral se realiza por regla general a 5 hasta 25ºC, preferiblemente a 10 hasta 20ºC, y de hecho convenientemente con mezcladura intensiva, por ejemplo por agitación intensiva.

El tiempo de disolución puede reducirse por aumento de la temperatura y/o de la mezcladura. Dependiendo de la temperatura y el grado de mezcladura, el proceso de disolución completo tiene por regla general una duración de hasta 30 minutos.

Como paso subsiguiente del proceso, se añade a la solución de riboflavina en la solución acuosa de ácido mineral carbón activo. Con ello, las impurezas disueltas presentes se adsorben en el carbón activo. Este puede estar pulverizado o granulado. Convenientemente se añaden para la purificación por adsorción de las impurezas disueltas de la solución 0,5 hasta 9% (porcentaje en peso), preferiblemente 3%, de carbón activo referido al contenido de riboflavina. Dependiendo de la impurificación, se deja actuar en la solución el carbón activo hasta aproximadamente 12 horas, preferiblemente del orden de 0,5 a aproximadamente 3 horas. Como carbón activo es apropiado carbón activo lavado a los ácidos con una densidad a granel de 250 a 400 kg/m^{3}, preferiblemente 300 kg/m^{3}, una superficie específica de 1200 a 1600 m^{2}/g, preferiblemente 1400 m^{2}/g, y un tamaño medio de partícula de 20 a 70 \mum. Ejemplos de carbones activos apropiados son Norit® CA1 y Bentonorit® CA1, que son particularmente apropiados para la adsorción de impurezas biológicas disueltas, así como Norit® SX2, que es apropiado particularmente a su vez para la separación de impurezas químicas.

En caso deseado puede añadirse a la solución acuosa de ácido mineral además de carbón activo un adyuvante de filtración, del cual se emplean de modo conveniente aproximadamente 2 a aproximadamente 9% en peso referido al contenido de riboflavina. Como adyuvantes de filtración son apropiados por ejemplo Arbocel® BWW 40 y B 800 de la firma Rettenmaier & Söhne GmbH + Co.

La separación del carbón activo, el adyuvante de filtración eventualmente presente y los residuos de fermentación no disueltos presentes se realiza por medio de la filtración subsiguiente en corriente transversal. Sorprendentemente, se ha encontrado que el carbón activo, además de la adsorción exhibe también un efecto abrasivo sobre la capa de recubrimiento, que se forma sobre la membrana. Por este efecto, es posible utilizar de modo estable la membrana durante un periodo de tiempo prolongado con un caudal prácticamente doble que sin carbón activo. Así pues, el carbón activo posee propiedades tanto abrasivas como adsorbentes. La filtración en corriente transversal se realiza a través de una membrana cerámica, que tiene un tamaño de poro de 20 a 200 nm, preferiblemente 50 nm. El carbón activo bombeado al ciclo realiza debido a la abrasión una limpieza de la capa de recubrimiento de carbón y residuos de fermentación que se forma sobre la membrana. La velocidad de la corriente transversal a través de la membrana es por regla general relativamente alta; la misma está comprendida convenientemente en el intervalo de aproximadamente 5 a aproximadamente 6 m/s. A fin de no comprimir excesivamente la capa de recubrimiento, la presión a través de la membrana es convenientemente de 1 a 2 bar (0,1 a 0,2 MPa).

Después de la filtración en corriente transversal, la solución de riboflavina liberada prácticamente de la totalidad de las impurezas, del carbón activo y del adyuvante de filtración eventualmente presente, se lleva a la cristalización, lo que se realiza por adición de una cantidad de agua 5 a 10 veces mayor. La desprotonización realizada de este modo de la riboflavina presente en la solución acuosa de ácido mineral, conduce a la precipitación de la misma.

La temperatura del medio en el que tiene lugar la cristalización varía dependiendo del modo de producción y el grado de impurificación de la riboflavina en el campo de 4 a 10ºC. En el caso del material producido por fermentación o relativamente puro se proponen por regla general temperaturas inferiores a 10ºC. La cristalización puede realizarse por cargas o continuamente, preferiblemente de modo continuo. Como cristalizador pueden emplearse cascadas o calderas individuales. Particularmente en el caso de las calderas individuales se recomienda introducir la alimentación en la caldera por puntos diferentes. Dentro del cristalizador debe ajustarse en cada caso una mezcladura macroscópica concienzuda. Esto puede realizarse por ejemplo por empleo de un dispositivo de agitación de dos escalones, en el cual las soluciones de alimentación se envían mezcladas en torno a 180º a los niveles superior e inferior del agitador. En este caso, el agua se añade convenientemente en el nivel superior, añadiéndose la solución de ácido mineral de riboflavina al nivel inferior. La agitación debe realizarse de modo manifiestamente cuidadoso, a fin de no romper los cristales. El tiempo de residencia es adecuadamente 5 a 25 minutos, preferiblemente 10 a 13 minutos. La filtración subsiguiente se realiza con un filtro o una centrífuga; preferiblemente se emplea un filtro de cinta, sobre el cual es muy eficiente también el lavado realizado eventualmente. El secado puede realizarse de modo conocido en sí
mismo.

La sobresaturación relativa inicial en el cristalizador (antes de la adición de agua) puede ajustarse por el reciclo de la lejía madre procedente del lavado con el agua de entrada en el cristalizador. La relación lejía madre:agua es mente del orden de 1:1 a aproximadamente 1:8. La sobresaturación relativa puede estimarse por la conductividad presente en el cristalizador, debiendo mantenerse idealmente un campo de aproximadamente 170 a aproximadamente 200 mS/cm. Dependiendo de la conductividad, puede omitirse el reciclo de la lejía madre. En el caso de reciclo, éste se regula ventajosamente por la conductividad a ajustar en el cristalizador.

Se ha observado ahora sorprendentemente, que por una elección adecuada de las relaciones de mezcla, las temperaturas, la mezcladura y el tiempo de residencia es posible cristalizar, durante el paso de cristalización del proceso correspondiente a la invención, una modificación inestable de la riboflavina, que es esférica con superficie espinosa y que por tanto posee una superficie esencialmente mayor que los cristales aciculares conocidos de la modificación A. Sorprendentemente, el cristal esférico se forma no por un proceso de aglomeración, como se ha descrito hasta ahora generalmente para cristales esféricos en la bibliografía [véanse por ejemplo la Memoria Descriptiva de Patente Europea 307.767 y Can. J. Chem. Eng. 47 (4), 166-170 (1969)], sino que más bien en el nuevo proceso los cristales crecen en forma de agujas a partir de un pequeño núcleo probablemente amorfo cristalizado inicialmente. Los cristales dendríticos así formados corresponden a las modificaciones más solubles B o C, que por una parte son suficientemente estables al almacenamiento y por otra, debido a la modificación inestable y la mayor superficie poseen propiedades de disolución excelentes y, a consecuencia de su forma esférica, propiedades de fluidez asimismo excelentes. Por el proceso correspondiente a la invención se obtienen adicionalmente cristales de riboflavina con una mayor resistencia a la abrasión que en el caso de los aglomerados.

Como se ha mencionado anteriormente, el material cristalizado se separa por filtración o centrifugación. La torta de filtración se lava luego preferiblemente con agua, después de lo cual puede secarse la torta de filtración húmeda.

El proceso correspondiente a la invención se ilustra por los ejemplos siguientes.

Ejemplo 1

Como material de partida del proceso descrito a continuación se empleó riboflavina producida por fermentación, que tenía un contenido de riboflavina de 97,02% (según HPLC), una humedad residual (H_{2}O) de 0,80% y un contenido de aminoácidos de 1,11% y, como cristales aciculares, presentaba la modificación estable A.

350,0 g de este material de partida se disolvieron en 1708,6 g de ácido clorhídrico al 24% a 22ºC con agitación. Después de aproximadamente 15-20 minutos de tiempo de disolución, se obtuvo una solución de color negro pardusco, que contenía aproximadamente 17% de riboflavina.

Se añadieron a continuación a la solución 16 g (aproximadamente 3% de la cantidad de riboflavina) de carbón activo (Norit® CA1) y se dejó la mezcla en agitación durante 4 horas más. La mezcla se introdujo en el tanque de alimentación con doble envoltura de una instalación de membrana de laboratorio. Se enfrió el tanque, a fin de poder mantener una temperatura de 35ºC como máximo. Por medio de una bomba centrífuga, se bombeó la solución a través de una membrana cerámica con una superficie efectiva de membrana de 0,0055 m^{2}. La presión a través de la membrana se reguló a 1,5 bar (0,15 MPa), y la velocidad de la corriente transversal a través de la membrana a 6 m/s. Se obtuvo un caudal de producto permeado de aproximadamente 100 l/m^{2}/h que pudo mantenerse exactamente hasta casi el final de la filtración.

La solución de riboflavina en ácido clorhídrico se llevó luego para la precipitación a un cristalizador de caída que trabajaba en régimen continuo.

El cristalizador de caída de 3 l se llenó en primer lugar con aproximadamente 2 l de agua y el líquido se agitó con un agitador de paletas inclinadas de dos escalones a 100 rpm y se enfrió a continuación a 10ºC. Se dosificaron luego simultáneamente y de modo continuo 1590 g/h de solución de riboflavina en ácido clorhídrico sobre el agitador superior y aproximadamente 9000 g/h de agua sobre el agitador inferior a aproximadamente 10ºC. Aproximadamente 2-4 minutos después del comienzo comenzó a cristalizar la riboflavina en forma de cristales de color amarillo anaranjado. Inicialmente, los cristales precipitados tenían aspecto coposo, transformándose sin embargo al cabo de 20-30 minutos en partículas granulosas. La suspensión de cristales se retiró luego continuamente, después que se hubo alcanzado en el cristalizador la marca de 3 l (extremo de la doble envoltura) (a saber, al cabo de aproximadamente 7 minutos). La válvula se ajustó para ello de tal modo que el nivel oscilaba alrededor de la marca de 3 l. La suspensión de salida se envió directamente a una nucha P3 y los sólidos se separaron en ella de la solución.

Después de 15 minutos en todos los casos, se recogieron aproximadamente 2500 ml de suspensión y se obtuvo una torta de filtración de aproximadamente 1 cm de espesor. Esta se lavó luego poco a poco con 1300 ml de agua, hasta que se alcanzó un pH de aproximadamente 5.

El material cristalizado amarillo húmedo (humedad residual 65-75%) se secó a continuación.

Ejemplo 2

Como se ha descrito en el Ejemplo 1, se preparó una solución de riboflavina y se trató con carbón activo. En contraposición al Ejemplo 1, la solución se purificó a través de una membrana con un tamaño de poro de aproximadamente 50 nm. La presión a través de la membrana era de 1,5 a 1,7 bar (0,15 a 0,17 MPa), y la velocidad de la corriente transversal de 5 a 6 m/s. Se obtuvo un caudal de producto permeado de aproximadamente 70 l/m^{2}/h. La cristalización, filtración y lavado se realizaron análogamente al Ejemplo 1. La temperatura de cristalización estaba comprendida entre 9 y 10ºC, y el secado se realizó en un armario de secado de laboratorio a 100ºC.

Los resultados de los dos ejemplos anteriores se recogen en la Tabla siguiente:

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TABLA Purezas y propiedades del producto final secado en cada caso

1

El porcentaje que faltaba en cada caso comprende el contenido de agua y otras impurezas poco importantes.

Claims (13)

1. Proceso para la purificación y cristalización de riboflavina, caracterizado porque se disuelve riboflavina acicular de la modificación estable A en una solución acuosa de ácido mineral a 5 hasta 25ºC con mezcladura intensiva, se añade carbón activo a la solución resultante, después de la adsorción de las impurezas disueltas de la solución en el carbón activo el medio que contiene carbón activo se somete a una filtración en corriente transversal a través de una membrana cerámica con un tamaño de poro de 20 a 200 nm, se mezcla el filtrado resultante con una cantidad 5 a 10 veces mayor (vol/vol) de agua a 4 hasta 10ºC, y los cristales esféricos de riboflavina precipitados resultantes se separan por centrifugación o filtración.

2. Proceso según la reivindicación 1, caracterizado porque los cristales esféricos de riboflavina así obtenidos se lavan con agua y se secan a continuación.

3. Proceso según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el ácido mineral es ácido clorhídrico o ácido nítrico, preferiblemente ácido clorhídrico.

4. Proceso según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la disolución de la riboflavina acicular en la solución acuosa de ácido mineral se realiza a 10 hasta 20ºC.

5. Proceso según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque a la solución de la riboflavina acicular en la solución acuosa de ácido mineral se añade 0,5 a 9% (porcentaje en peso) de carbón activo referido al contenido de riboflavina.

6. Proceso según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque como carbón activo se emplea carbón activo lavado a los ácidos con una densidad a granel de 250 a 400 kg/m^{3}, una superficie específica de 1200 a 1600 m^{2}/g y un tamaño medio de partícula de 20 a 70 \mum.

7. Proceso según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque además de carbón activo se añade un adyuvante de filtración.

8. Proceso según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque la membrana cerámica tiene un tamaño de poro de aproximadamente 50 nm.

9. Proceso según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque el proceso se realiza en régimen continuo, y el tiempo de residencia en el cristalizador durante la cristalización es de 5 a 25 minutos.

10. Proceso según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque los cristales esféricos de riboflavina precipitados resultantes se recogen en un filtro de cinta, se separan y se secan.

11. Proceso según la reivindicación 5, caracterizado porque para la disolución de la riboflavina acicular en la solución acuosa de ácido mineral se añade aproximadamente 3% de carbón activo referido al contenido de riboflavina.

12. Proceso según la reivindicación 6, caracterizado porque como carbón activo se emplea carbón activo lavado a los ácidos con una densidad a granel de aproximadamente 300 kg/m^{3} y una superficie específica de aproximadamente 1400 m^{2}/g.

13. Proceso según la reivindicación 9, caracterizado porque el tiempo de residencia en el cristalizador durante la cristalización es de 10 a 13 minutos.