ФИЛЬТРОВАНИЕ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНУ Российский патент 2005 года по МПК C12M1/12 B01D29/01 B01D37/00 

Область изобретения

Изобретение касается способа выделения желаемого водорастворимого продукта из ферментационного бульона.

Предпосылки создания изобретения

В настоящее время ферментационные процессы получения химических соединений играют все возрастающую роль в химии. Так как подобный процесс является высокоселективным и привлекательным с точки зрения охраны окружающей среды и приводит к высоким выходам продукта, то таким способом получают химические вещества даже в промышленном масштабе.

После окончания ферментации необходимо выделить желаемый продукт из ферментационного бульона. Обычно это делают первичным отделением водной фазы от клеточного материала на стадии фильтрования с образованием фильтровальной лепешки и последующей экстракцией или адсорбцией продукта из фильтрата. Однако такая стадия фильтрования с образованием фильтровальной лепешки часто сопровождается значительной потерей желаемого продукта. Это обусловлено, главным образом, тем, что невозможно в достаточной степени промыть фильтровальную лепешку и что довольно большое количество продукта остается в фильтровальной ткани. На практике эффективность и производительности процесса фильтрования, как замечено, сильно зависит от качества ферментационного бульона. Кроме того, при фильтровании с образованием фильтровальной лепешки “растворенные” белки и продукты распада клеток, присутствующие в фильтруемом бульоне, удаляются из водной фазы ферментационного бульона в недостаточной степени. В результате этого последующие технологические процессы страдают от загрязнения белками, при этом снижается производительность этих процессов.

Для продолжения вышеупомянутых трудностей при обработке ферментационных бульонов предлагалось использовать другие способы фильтрования, как, например, фильтрование через мембрану. Мембранами, используемыми для этих целей, обычно являются полимерные мембраны, такие как полисульфоновые мембраны.

Преимуществом фильтрования через мембрану является то, что теряется меньше продукта и получается более чистый фильтрат /пермеат/. Пермеат содержит значительно меньше протеинов и/или остатков клеточного вещества, чем фильтрат, получаемый при стандартном способе фильтрования с образованием фильтровальной лепешки. В результате этого можно более удобным образом проводить стадию экстракции, при этом увеличивается общая эффективность процесса.

В патентной заявке ГДР DD-A-277088 описывается способ выделения бензилпенициллина из микробиологического бульона. Этот способ включает в себя стадию обычного фильтрования для удаления биомассы и последующую стадию ультрафильтрования, при которой отделяют белки, присутствующие в фильтрате от первого фильтрования. После ультрафильтрования продукт концентрируют до 5% от первоначального объема и желаемый бензил-пенициллин выделяют из него посредством экстракции.

Способ фильтрования бульона через мембрану обычно включает три стадии. На практике, особенно при непрерывном способе, переход от одной стадии к другой может не быть отчетливо различимым. Часто случается, что две или все стадии проводятся одновременно. Однако для ясности полезно провести это различие. Первая стадия - это концентрирование смеси, подлежащей фильтрованию. Такую стадию концентрирования удобно проводить циркуляцией бульона вдоль поверхности мембраны при поддержании градиента давления в направлении через поверхность (часто называется фильтрованием с поперечным потоком). На второй стадии полученный концентрированный продукт промывают во время фильтрования с поперечным потоком на стадии диализа. Это означает, что в циркулирующий поток бульона добавляют поток растворителя. В случае, если фильтруемым продуктом является ферментационный бульон, этим растворителем обычно будет вода. На третьей стадии полученный отфильтрованный пермеат подвергают дальнейшему концентрированию до подходящего уровня во время фильтрования с поперечным потоком.

При способе, включающем стадию фильтрования через мембрану, необходимо контролировать условия течения ретентата /остатка фильтрования/ вдоль мембраны посредством создания высокой скорости поперечного потока (т.е. линейной скорости потока параллельно плоскости мембраны) для того, чтобы увеличить до максимума технологический поток (производительность) процесса. Однако на практике возникает ряд проблем при попытке сохранить быстрое течение ретентата после его концентрирования. С этими проблемами, в частности, сталкиваются в случае, когда необходимо фильтровать ферментационный бульон, имеющий высокое содержание (3-10%) продуктов распада клеток и белков.

Вследствие повышенной вязкости, которая наблюдается при высоких коэффициентах концентрирования, увеличивается также перепад давления по направлению оси, который является мерой энергии, необходимой при этом процессе. В случаях крупномасштабного применения используют центробежные насосы, производительность которых уменьшается в результате увеличенного перепада давления по направлению оси. Вследствие псевдопластичной природы участвующих в процессе материалов вязкость в этих условиях еще более увеличивается, что, в свою очередь, приводит к дальнейшему уменьшению потока. Кроме того, выделяется много тепла, что нежелательно в случаях, когда желаемый продукт является нестойким при высоких температурах. Следовательно, для поддержания низкой температуры и предотвращения разрушения продукта требуется большое и дорогостоящее охлаждающее устройство.

Кроме того, желательно свести к минимуму время, необходимое для завершения процесса фильтрования, чтобы избежать разрушения и загрязнения желаемого продукта. Имеющиеся меры по сведению к минимуму времени фильтрования - это увеличение поверхности фильтрующей мембраны или повышение удельной производительности. Удельная производительность характеризует, сколько желаемого продукта проникает через определенную площадь поверхности мембраны за единицу времени (л/м²·^{ч). Указанную производительность можно увеличить, прилагая высокое давление через мембрану, которое является движущей силой процесса фильтрования. Недостатком приложения высокого давления через мембрану является то, что это обычно приводит к большему удерживанию желаемого продукта, т.е. к большому количеству продукта, не проникающего через мембрану, что приводит к неэффективному процессу. Кроме того, в таких случаях может оказаться невозможным применение трубчатых полимерных мембран, так как мембрана этого типа слишком сильно изнашивается при этих условиях.}

В настоящее время установлено, что вышеупомянутые проблемы могут быть преодолены посредством использования керамической мембраны и регулирования условий процесса неожиданным образом.

Из уровня техники известно применение керамических мембран для разнообразных процессов выделения желаемых продуктов из ферментационного бульона.

В ЕР 0522517 А1 описывается использование микропористой мембраны из α -оксида алюминия для выделения метилглюкозида из ферментационного бульона. На первой стадии концентрируют бульон, после чего растворяют нерастворимый в воде метилглюкозид, добавляя метанол, а затем пропускают через мембрану раствор, содержащий метилглюкозид, и извлекают антибиотик.

В патенте США №5616595 описывается сходный способ выделения циклоспорина А из ферментационного бульона.

Согласно публикации российского патента №2090598 керамические фильтрующие элементы могут быть применены для фильтрования виноградного сусла при производстве вина.

Описание изобретения

Настоящее изобретение касается способа выделения желаемого водорастворимого продукта из ферментационного бульона, при котором осуществляют циркуляцию бульона вдоль керамической мембраны и прилагают давление через мембрану, равное, по крайней мере, 0,15 МПа, для обеспечения перехода через мембрану водного раствора, содержащего желаемый продукт, и его последующего сбора.

Способ согласно изобретению имеет то преимущество, что можно обеспечить очень короткое время фильтрования без известной проблемы большого удерживания желаемого продукта. Таким образом, данный способ фильтрования является высокоэффективным. Неожиданно то, что при способе согласно изобретению можно прилагать высокое давление через мембрану, не сталкиваясь с большим удерживанием желаемого продукта. Кроме того, можно очень удобным образом контролировать температуру на желаемом уровне, не вызывая проблемы, связанные с вязкостью, и не приводя к разрушению желаемого продукта, который часто является нетермостойким. Более того, при способе согласно изобретению не требуется проводить обычное фильтрование ферментационного бульона до его фильтрования через мембрану, как это описано в DD-A-277088.

Ферментационный бульон может быть продуктом любого процесса ферментации. В таком процессе ферментируют подходящий штамм микроорганизма, добавляя в бульон источник углерода, источник азота, другие питательные вещества и воздух.

В литературе можно найти описание типичных технологических процессов и рецептур. После завершения процесса ферментации в желаемой степени бульон будет содержать клеточный материал, а также белки и желаемый продукт. Кроме того, могут присутствовать различные загрязнения. Предпочтительно использовать бульон, произведенный в процессе ферментации, в котором получают противоинфекционное соединение. Примерами таких соединений являются различные β -лактамы и соединения типа эритромицина и нистатина.

Примерами таких β -лактамов являются β -лактамы, в которых β -лактамовое кольцо соединено с соответствующей боковой цепью, а именно пенициллин G, пенициллин V, адипил-7-аминоцефалоспорановая кислота, адипил-7-аминодезацетоксице-фалоспорановая кислота, клавулановая кислота, цефалоспорин С, ампициллин, амоксициллин, цефалексин, цефаклор и цефадроксил. Возможно, что подходящими являются также такие β -лактамы, как 6-аминопенициллиновая кислота, 7-аминоцефалоспорановая кислота, 3-хлор-7-аминодезацетоксидезметилцефалоспорановая кислота, 7-аминодезацетилцефалоспорановая кислота и 7-аминодезацетоксицефалоспорановая кислота. Наиболее предпочтительными являются ферментационные бульоны, образующиеся при процессах получения пенициллина G, пенициллина V, цефалоспорина С, ацил-7-аминодезацетоксицефалоспорановой кислоты или ацил-7-аминоцефалоспорановой кислоты. Было установлено, что преимущества изобретения в значительной степени достигаются при процессе фильтрования одного из этих ферментационных бульонов. Даже, если многие из этих ферментационных бульонов содержат не термостойкие продукты, при способе согласно изобретению эти нетермостойкие продукты, как обнаружено, могут быть выделены из бульона без значительной потери продукта.

Мембраной, которая используется согласно изобретению, является керамическая мембрана. Это означает, что она состоит из неорганического материала. Предпочтительными материалами являются оксиды металлов, как например, α -оксид алюминия, -γ -оксид алюминия и диоксид циркония. Использование мембран из этих материалов обеспечивает высокоэффективные процессы фильтрования, при которых теряется лишь очень небольшое количество желаемого продукта, если это вообще происходит, и при которых получают желаемый продукт очень высокой чистоты.

Предпочтительно использовать керамические мембраны, которые имеют средний размер пор 4-100 нм, более предпочтительно 20-50 нм. Как оказалось, использование мембраны, имеющей размер пор в этих пределах, обеспечивает высокоселективный и эффективный процесс фильтрования через мембрану.

Во время циркуляции бульона вдоль мембраны (фильтрование с поперечным потоком) он становится концентрированным по мере увеличения количества жидкости, прошедшей через мембрану из бульона. Подходящая степень концентрирования составляет 1,5, предпочтительно 2 раза. Указанное концентрирование наиболее успешно может быть проведено при повышенной температуре, предпочтительно при температуре выше 20° С, более предпочтительно выше 30° С. По практическим причинам верхний предел температуры во время концентрирования будет обычно равен 50° С, предпочтительно 45° С.

Было найдено, что в соответствии с этим изобретением вязкость бульона не достигает неприемлемо высоких значений. Когда показатель концентрирования равен двум, типичными максимальными значениями являются 337 мПа· с при сдвиге 100 с^-1, 197 мПа· с при сдвиге 500 с^-1 и 156 мПа· с при сдвиге 1000 с^-1. Таким образом, для проведения циркуляции при достаточной скорости поперечного потока не требуется никакого дополнительного, дорогостоящего оборудования.

Возможно, что во время процесса согласно изобретению скорость поперечного потока будет проявлять незначительную флюктуацию и достигать значений в 2-4 м/с. Однако, указанная скорость предпочтительно поддерживается на уровне, по крайней мере, 5, более предпочтительно 6 м/с. Верхний предел указанной скорости предпочтительно равен 10, более предпочтительно 8 м/с. Когда указанная скорость выбрана в указанных пределах, процесс фильтрования имеет очень высокую производительность. В настоящее время доказана возможность поддержания высокой скорости даже при проведении концентрирования до значительной степени.

После концентрирования ретентата до желаемой степени является предпочтительным добавлять воду в циркулирующий бульон (диализ). Воду добавляют в таком количестве, чтобы бульон разбавлялся предпочтительно в 1,5-4 раза, более предпочтительно в 2-3 раза. Благодаря этому добавлению воды к ретентату увеличивается выход и, следовательно, эффективность процесса фильтрования. Посредством этой стадии разбавления, при которой добавляют воду к ретентату, можно извлечь еще большее количество желаемого продукта, содержащегося в ретентате.

Большим преимуществом способа согласно изобретению является возможность достижения очень короткой продолжительности процесса без возникновения известных проблем, связанных с большим удерживанием желаемого продукта. Таким образом, согласно изобретению давление через мембрану выше, чем 0,15 МПа. В контексте изобретения давления через мембрану определяется как разница между средним давлением на мембрану со стороны ретентата и давлением на нее со стороны пермеата. В предпочтительном варианте воплощения изобретения давление через мембрану составляет от 0,25 до 0,75, предпочтительно от 0,4 до 0,6 МПа.

Согласно весьма предпочтительному варианту воплощения изобретения давление через мембрану первоначально ниже, чем вышеуказанное давление. Подходящие первоначальные давления через мембрану выбирают между 0,1 и 0,25 МПа. Период времени, в течение которого прилагается это первоначальное давление через мембрану, является очень коротким. В общем, указанный период времени будет составлять не более чем 10%, предпочтительно не более чем 8% от общего времени фильтрования. В наиболее практически важных случаях в зависимости от количества фильтруемого ферментационного бульона указанный период времени будет равен приблизительно 10 минутам.

Этот вариант воплощения изобретения полезен тем, что загрязнение мембраны оказывается значительно меньше, чем в том случае, когда высокое давление через мембрану, которое желательно получить в конечном счете, прилагают с начала процесса. Благодаря этому увеличивается срок службы мембраны, т.е. увеличивается период времени, в течение которого одна и та же мембрана может использоваться без необходимости ее очистки. Кроме того, производительность процесса фильтрования оказывается выше, а селективность - больше. Без намерения связывать себя теорией, отметим, что эти преимущества, по-видимому, достигаются благодаря слою белкового геля на мембране со стороны ретентата, который осаждается в течение начального периода времени, когда прилагается меньшее давление через мембрану.

При способе согласно изобретению давление ретентата на входе будет, в зависимости от стадии в ходе процесса, изменяться между 0,1 и 0,8 МПа. Перепад давления ретентата по направлению оси будет также, в зависимости от стадии во входе процесса, изменяться между 0 и 0,35 МПа. В ходе процесса удельный расход может изменяться от 200 л/м²·^{ч до 50 л/м2·ч на 0,1 МПа обратно до 200 л/м2·ч на 0,1 Мпа.}

На мембране со стороны пермеата обычно поддерживается непрерывный поток для того, чтобы собирать пермеат и, в частности, желаемый продукт, присутствующий в нем. После сбора пермеата его можно, преимущественно, концентрировать. Предпочитаемые степени концентрирования - от 1,5 до 7, более предпочтительно - от 2 до 5 раз. Для извлечения желаемого продукта, присутствующего в концентрированном пермеате, в общем, будут проводиться обычные процессы обработки. Подходящим примером такой обработки является экстракция.

Способ согласно изобретению можно осуществлять или периодически, или непрерывно. Его предпочтительно осуществлять в виде непрерывного процесса.

В дальнейшем изобретение будет пояснено на следующих, не ограничивающих изобретение примерах.

Пример 1

Из питающего резервуара с мешалкой в установку для фильтрования через мембрану подавали 156 кг ферментационного бульона, содержащего пенициллин. Указанная установка содержала мембрану “Membranlox SCT 3P19”, имевшую поверхность приблизительно 0,9 м² и средний размер пор 50 нм.

Систему деаэрировали и начинали процесс фильтрования при следующих условиях:

температура 21° С

скорость циркуляции в питающем резервуаре 2,5 м³/ч

скорость циркуляции в фильтровальном контуре 35 м³/ч

скорость поперечного потока - 6 м/с.

После удаления 65 л пермеата (коэффициент концентрирования α =1,67 и коэффициент разбавления β =0,4) скорость циркуляции в фильтровальном контуре уменьшали до 17 м³/ч, что соответствует скорости поперечного потока 2,9 м/с. Уменьшали расход пермеата до 70 л/м²·^{ч при давлении через мембрану, равном 0,4 МПа. Коэффициент концентрирования составлял 1,67. Дальнейшее концентрирование было невозможно. Начинали диафильтрование, при котором а поддерживали постоянным, вновь увеличивали скорость поперечного потока вплоть до 5,5 м/с и оставляли расход пермеата постоянным, равным 72 л/м3·ч. Коэффициент разбавления составлял 1,72.}

Общая продолжительность процесса была 250 минут.

Пример 2

Из питающего резервуара с мешалкой в ту же самую установку для фильтрования через мембрану, которую использовали в примере 1, подавали 154 кг ферментационного бульона, содержавшего пенициллин.

Систему деаэрировали и начинали процесс фильтрования при следующих условиях:

температура 40° С

Скорость циркуляции в питательном баке 2,5 м³/ч

Скорость циркуляции в фильтровальном контуре 35 м³/ч

(скорость поперечного потока - 6 м/с)

После удаления 74 л пермеата (α =1,92, β =0,48) скорость циркуляции в фильтровальном контуре очень медленно уменьшали до 26 м³/ч. Уменьшали расход пермеата до 94 л/м²·^{ч при показателе концентрирования 2,0 и давлении через мембрану 0,4 МПа.}

Непосредственно после начала диафильтрования, при котором α поддерживали постоянным, вновь увеличивали скорость поперечного потока вплоть до 5,9 м/с и поддерживали расход пермеата на уровне 110 л/м²·^{ч. Коэффициент разбавления составлял 1,85.}

Общая продолжительность процесса была 180 минут.

Пример 3

Из питающего резервуара с мешалкой в ту же самую установку для фильтрования через мембрану, которую использовали в примере 1, подавали 177 кг ферментационного бульона, содержавшего пенициллин.

Систему деаэрировали и начинали процесс фильтрования при следующих условиях:

температура 36° С

скорость циркуляции в питательном баке 2,5 м³/ч

скорость циркуляции в фильтровальном контуре 35 м³/ч

(скорость поперечного потока - 6 м/с)

После удаления 90 л пермеата (α =2,04, β =0,51) скорость циркуляции составляла 6 м/с. Уменьшали расход пермеата с 511 л/м²·^{ч в начале концентрирования до 124 л/м2·ч в конце концентрирования. Коэффициент концентрирования составлял 2,04, давление через мембрану - 0,5 МПа.}

После начала диафильтрования, при котором α поддерживали постоянным, очень медленно увеличивали расход пермеата и поддерживали расход пермеата на уровне 255 л/м²·^{ч. В конце процесса давление через мембрану медленно понижали до 0,38 МПа. Коэффициент разбавления составлял 2,02.}

Общая продолжительность процесса была 134 минуты.

Способ выделения желаемого водорастворимого продукта из ферментационного бульона заключается в том, что осуществляют циркуляцию бульона вдоль керамической мембраны, имеющей средний размер пор 4-100 нм, и прилагают давление через мембрану, в продолжение основной части времени процесса, равное не менее 0,15 МПа и превышающее при этом первоначально прилагаемое давление для обеспечения прохода через мембрану водного раствора, содержащего желаемый продукт, и его последующего сбора. Через определенные промежутки времени в ходе процесса добавляют воду к ретентату и собирают дополнительное количество пермеата. Во время процесса фильтрования температуру бульона преимущественно поддерживают равной 20-50°С. При осуществлении данного способа достигаются меньшая продолжительность и более высокие производительность и эффективность процесса фильтрования. 14 з.п. ф-лы.

1. Способ выделения желаемого водорастворимого продукта из ферментационного бульона после процесса ферментации, отличающийся тем, что осуществляют циркуляцию бульона вдоль керамической мембраны, имеющей средний размер пор 4-100 нм, и прилагают при этом в продолжение, по меньшей мере, основной части времени процесса давление через мембрану, составляющее не менее 0,15 МПа, тогда как первоначально прилагаемое давление через мембрану имеет значение меньшее, чем значение указанного давления, прилагаемого в продолжении, по меньшей мере, основной части времени процесса, и тем самым обеспечивается прохождение пермеата, содержащего желаемый водорастворимый продукт, через мембрану с последующим сбором пермеата и через определенные промежутки времени в ходе процесса добавляют воду к ретентату и собирают некоторое дополнительное количество пермеата, содержащего желаемый водорастворимый продукт.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что бульон концентрируют во время циркуляции вдоль мембраны при температуре между 20 и 50°С.3. Способ по п.2, отличающийся тем, что температура составляет от 30 до 45°С.4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что скорость поперечного потока составляет от 5 до 10 м/с.5. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что скорость поперечного потока составляет от 6 до 8 м/с.6. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что керамическая мембрана выполнена из материала, выбранного из группы, состоящей из оксидов металлов.7. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что керамическая мембрана имеет средний размер пор от 20 до 50 нм.8. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что в продолжение, по меньшей мере, основной части времени процесса давление через мембрану составляет от 0,25 до 0,75 МПа.9. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что в продолжение, по меньшей мере, основной части времени процесса давление через мембрану составляет от 0,4 до 0,6 МПа.10. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что первоначально прилагаемое в ходе процесса давление через мембрану составляет от 0,1 до 0,25 МПа.11. Способ по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что воду к ретентату добавляют после концентрирования вышеуказанного бульона в 1,5 раза.12. Способ по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что воду к ретентату добавляют после концентрирования вышеуказанного бульона в 2 раза.13. Способ по п.11 или 12, отличающийся тем, что воду добавляют в количестве, обеспечивающем разбавление бульона в 1,5-4 раза.14. Способ по п.11 или 12, отличающийся тем, что воду добавляют в количестве, обеспечивающем разбавление бульона в 2-3 раза.15. Способ по любому из пп.1-14, отличающийся тем, что желаемый водорастворимый продукт выбирают из группы, состоящей из эритромицина, нистатина, адипил-7-аминоцефалоспорановой кислоты, адипил-7-аминодезацетоксицефалоспорановой кислоты, пенициллина G, пенициллина V, цефалоспорина С и изопенициллина N.