DE3215818A1

DE3215818A1 - Verfahren zur abtrennung und reinigung von aminosaeuren

Info

Publication number: DE3215818A1
Application number: DE19823215818
Authority: DE
Inventors: Teruo Fujimoto; Yoshinobu Nagaoka Niigata Isono; Yoshiyuki Shin-nanyo Yamaguchi Miyaki
Original assignee: Toyo Soda Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Tosoh Corp
Priority date: 1981-05-07
Filing date: 1982-04-28
Publication date: 1982-12-30
Also published as: GB2098206A; FR2505326B1; GB2098206B; DE3215818C2; JPS57185241A; FR2505326A1; US4554376A; JPS6365060B2

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trennung und/ 5 oder Reinigung von Aminosäuren und insbesondere ein Verfahren zur Trennung und Reinigung von Aminosäuren durch Piezo-Dialyse unter Anwendung einer amphoteren Ionenaustauschermembran, die einen Bereich mit Kationenaustauschergruppen, einen Bereich mit Anionenaustauschergruppen und einen weiteren Bereich ohne Ionenaustauschergruppen umfaßt.

Es sind bereits verschiedene Verfahren zur Abtrennung und Reinigung einer Aminosäure aus einer Aminosäure-Fermentationsbrühe, die Verunreinigungen, wie Proteine, organische Säuren, anorganische Salze, Saccharide und Pigmente enthält, vorgeschlagen worden. Bei den meisten dieser herkömmlichen Methoden wird ein Ionenaustauscherharz in Kombination mit einer Kristallisationsbehandlung angewandt. Weil dabei jedoch große Mengen an Säuren, Alkalien, Wasser etc. verbraucht werden, werfen die herkömmlichen Methoden Probleme im Hinblick auf die Verfahrenskosten und die Abwasserbehandlung auf. Darüber hinaus sind diese Verfahren relativ unwirksam im Hinblick auf die Entsalzung der Aminosäure. Weiterhin ist auch ein Verfahren entwickelt worden, gemäß dem eine Elektro-Dialyse unter Anwendung einer Kationenaustauschermembran und einer Anionenaustauschermembran durchgeführt wird. Diese Methode bringt jedoch einen erheblichen Verbrauch an elektrischer Energie mit sich.

Es wurden bereits Verbundmembranen im Hinblick auf ihre Eignung als amphotere Ionenaustauschermembranen untersucht. Diese Untersuchungen umfaßten eine Verbundmembran, die man dadurch erhält, daß man Kationenaustauschergruppe aufweisende Kügelchen und Anionenaustauscher-

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gruppen aufweisende Kügelchen alternierend in eine neutrale Membran aus einem Silikonharz oder dergleichen einbettet, sowie eine Verbundmembran, die man dadurch erhält, daß man ein Anionenaustauscherharz in ein Kationenaustauscherharz einbettet. Diese Membranen sind jedoch nicht nur schwierig herzustellen, sondern weisen auch keine chemisch gebundenen Bereiche auf. Demzufolge ist ihre Festigkeit und Stabilität für die Piezo-Dialyse unzureichend.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren anzugeben,mit dem es gelingt, die oben angesprochenen Probleme der herkömmlichen Verfahrensweisen zu lpsen und ein Verfahren zur Abtrennung und Reinigung von~Aminosäuren anzugeben, welches im Hinblick auf die Betriebskosten und die Abwasserbehandlung den herkömmlichen Verfahrensweisen überlegen ist.

Es hat sich nunmehr gezeigt, daß eine Membran aus einem ternären Blockcopolymer, dessen Molekül struktur eine gerade Kette aus einem Makromolekül mit Kationenaustauschergruppen, einem Makromolekül mit Anionenaustauschergruppen und einem Makromolekül ohne Ionenaustauschergruppen umfaßt, dazu geeignet ist, bei der Piezo-Dialyse Elektrolyte mit niedrigem Molekulargewicht passieren zu lassen, so daß es möglich wird, eine Aminosäure in wirksamer Weise abzutrennen und zu reinigen.

Gegenstand der Erfindung ist daher das Verfahren gemäß Hauptanspruch. Die Unteransprüche betreffen besonders bevorzugte Ausführungsformen dieses Erfindungsgegenstands.

Erfindungsgemäß wird das oben angesprochene ternäre Blockcopolymere in Form einer Folie oder eines Films angewandt, und weist in der Struktur der Mikrophase drei getrennte

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Phasen auf, deren Größe im Bereich der Molekülgröße liegt. Demzufolge existieren getrennt voneinander Bereiche mit Kationenaustauschergruppen und Bereiche mit Anionenaustauschergruppen. Demzufolge wirkt diese Folie oder diese Membran als amphotere Ionenaustauschermembran.

Es ist bekannt, daß im allgemeinen eine Mischung aus einem Makromolekül mit Kationenaustauschergruppen und einem Makromolekül mit Anionenaustauschergruppen einen neutralen Komplex bildet, nämlich einen sogenannten Polyionenkomplex. Eine ähnliche teilweise oder vollständige Salzbildung erfolgt auch im Falle eines binären Blockcopolymers, welches Kationenaustauschergruppen und Anionenaustauschergruppen aufweist. Daher wirkt eine Folie oder eine Membran aus dem binären Blockcopolymer auch nicht gut als Ionenaustauscher. Im Gegensatz dazu besteht die erfindungsgemäß verwendete Folie oder Membran aus einem ternären Blockcopolymer, welches ein neutrales Segment enthält. In dieser Weise werden die Bereiche mit Kationenaustauschergruppen und die Bereiche mit Anionenaustauschergruppen voneinander getrennt und es wird die Bildung eines Polyionenkomplexes verhindert.

Erfindungsgemäß werden Aminosäuren voneinander getrennt und/oder eine Aminosäure gereinigt, indem man vorzugsweise eine Piezo-Dialyse mit einer Verbundmembran durchführt, die aus einem ternären Blockcopolymer hergestellt ist, welches aus Segmenten besteht, bei denen ein Bestandteil Kationenaustauschergruppen und ein weiterer Bestandteil Anionenaustauschergruppen aufweist, während ein weiterer Bestandteil keine lonenaustauschergruppen besitzt. Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die als Rohmaterial einzusetzende, aminosäurehaltige Lösung eine Aminosäurekonzentration zwischen 0,1 g/dl und 30 g/dl aufweisen. Der anzuwenden-

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de Druck liegt im Bereich von 10 bis 150 bar (10 bis kg/cm²) und vorzugsweise bei etwa 30 bar (30 kg/cm²) oder mehr. Der Druck muß dazu ausreichen, den osmotischen Druck zu überwinden, der zwischen den beiden Oberflächen der Folie oder Membran wirkt und liegt innerhalb eines Bereichs, der durch die Dialysevorrichtung und die Festigkeit der Folie oder Membran vorgegeben ist. Demzufolge variiert der erforderliche Druck mit der Konzentration der Verunreinigungen, wie anorganischen Salzen etc., die in der Rohmateriallösung enthalten sind.

Zur Durchführung der Piezo-Dialyse wird der pH-Wert der Rohmateriallösung in Abhängigkeit von der Art der abzutrennenden und zu reinigenden Aminosäure auf einen geeigneten Wert im Bereich von 2 bis 13 eingestellt. Am isoelektrischen Punkt der Aminosäure wird dabei die elektrische Ladung der Aminosäure ersichtlich Null. Wenn demzufolge die Dialyse bei dem isoelektrischen Punkt durchgeführt wird, kann ein in der Aminosäurelösung als Verunreinigung enthaltener Elektrolyt mit niedrigem Molekulargewicht oder eine Aminosäure, die sich nicht an dem isoelektrischen Punkt befindet, selektiv durch die Membran geführt werden, während die an ihrem isoelektrischen Punkt gehaltene Aminosäure nicht durch die Membran hindurchdringt. Demzufolge ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur dazu geeignet, die in der Aminosäure enthaltenen Verunreinigungen, wie Proteine, organische Säuren, Saccharide, anorganische Salze und organische Materialien zu beseitigen, sondern auch dazu wirksam, Aminosäuren mit unterschiedlichen isoelektrischen Punkten voneinander zu trennen.

Zur Entsalzung einer Aminosäure wird die Piezo-Dialyse bei einem pH-Wert durchgeführt, der auf den isoelektrisehen Punkt der Aminosäure eingestellt ist. Zur Abtren-

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nung einer gewünschten Aminosäure aus einer Aminosäure-Fermentationsbrühe, wird zunächst die Piezo-Dialyse am isoelektrischen Punkt der Aminosäure durchgeführt, um Elektrolyte mit niedrigem Molekulargewicht abzutrennen, wonach die Piezo-Dialyse erneut durchgeführt wird, allerdings nach Einstellen des pH-Werts auf einen Bereich, der von dem isoelektrischen Punkt verschieden ist, oder vice versa.

Die das bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete ternäre Blockcopolymer bildenden Segmente, die die Bereiche mit Kationenaustauschergruppen bilden, können aus Polymeren ungesättiger Carbonsäureester oder cyanogruppenhaltiger Monomerer, wie Acrylnitril, Styrol oder α-Methylstyrol, ausgewählt werden. Die das ternäre Blockcopolymer bildenden Segmente, die Bereiche mit Anionenaustauschergruppen ergeben, können aus Polymeren von Verbindungen mit Stickstoffatome enthaltenden heterocyclischen Ringen, wie Vinylpyridin, Vinylpyrimidin oder Vinylchinolin, und Polymeren aus von Styrol abgeleiteten Aminen, wie Vinylbenzyldialkylamin, ausgewählt werden. Diese Polymere ermöglichen ohne weiteres die Einführung von Kationenaustauschergruppen oder Anionenaustauschergruppen durch die Anwendung herkömmlicher Verfahrensweisen, wie die Durchführung einer Hydrolyse, einer Sulfonierung, einer Quaternisierung etc. Der restliche Segmentbestandteil, der die Bereiche ohne Ionenaustauschergruppen bildet, wird vorzugsweise aus Dienpolymeren, wie Polymeren von Butadien, Isopren etc. ausgewählt. Die Festigkeit der Folie oder der Membran kann durch Vernetzen dieses Segments gesteigert werden. Weiterhin macht die Menge dieser in dem ternären Blockcopolymer enthaltenen neutralen Bereiche vorzugsweise zwischen 30 und 90 % aus. Ternäre Blockcopolymere dieser Art, die für die erfindungsgemäß eingesetzten amphoteren Ionenaustau-

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schermembranen verwendet werden können, sind beispielsweise in der DE-OS 30 44 734 beschrieben.

Wenn man annimmt, daß das Segment, welches die Einführung von Kationenaustauschergruppen ermöglicht, als "Poly A", das Segment,welches die Einführung von Anionenaustauschergruppen ermöglicht, als "Poly B" und das Segment, welches keinerlei Ionenaustauschergruppen einführt, als "Poly C" bezeichnet werden, sind, da eine Dialyse unter Druck durchgeführt werden soll, die Blöcke des als Membran zur Trennung und Reinigung von Aminosäuren verwendeten Blockcopolymers vorzugsweise derart angeordnet, daß das Kationenaustauschergruppen aufweisende Segment und das Anionenaustauschergruppen aufweisende Segment durch das neutrale Segment getrennt sind, beispielsweise als: Poly A - Poly C - Poly B, Poly G - Poly A - Poly C Poly B, Poly A - Poly C - Poly B - Poly C oder Poly C Poly A - Poly C - Poly B - Poly -C. Eine Anordnung, gemäß der das Kationenaustauschergruppen tragende Segment und das Anionenaustauschergruppen tragende Segment zueinander benachbart sind, wie im Fall: Poly A- Poly B Poly C, scheint zu einer Beeinträchtigung des Trennwirkungsgrads der Membran zu führen. Selbst wenn die Segmente mit Kationenaustauschergruppen, mit Anionenaustauschergruppen oder die neutralen Segmente in Form eines Copolymers vorliegen, welches zwei oder mehrere Monomerarten umfaßt, ergeben sich hierdurch keine Untreschiede im Hinblick auf die erfindungsgemäß erzielbaren Ergebnisse.

Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung. Aus diesen Beispielen ist jedoch ersichtlich, daß der Einsatz der amphoteren Ionenaustauschermembran aus dem ternären Blockcopolymer nicht nur auf Aminosäuren anwendbar ist, sondern ganz allgemein auch

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ohne weiteres für die Trennung von Elektrolyten mit niedrigem Molekulargewicht von Nicht-Elektrolyten mit niedrigem Molekulargewicht angewandt werden kann.

Beispiel 1

Man bildet ein ternäres Blockcopolymer mit einem Molekulargewicht von etwa 2 χ 10 g/ml durch Polymerisation von Isopren, Styrol, Isopren, p-Vinylbenzoldimethylamin und Isopren in dieser Reihenfolge in Benzol unter Verwendung von n-Butyllithium als Initiator. Das Gewichtsverhältnis der Monomeren beträgt dabei 7,3 : 14,4 : 7,1 : 25 : 6,9. Das in dieser Weise erhaltene Copolymer wird aus einer Benzollösung zu einer Folie mit einer Dicke von--etwa 50 μηι vergossen. Anschließend wird der Isoprenbestandteil des Copolymers durch Schwefelmonochlorid vernetzt. Die aminogruppenhaltigen Abschnitte werden in Methyl jodiddampf quaternisiert. Andererseits wird der Styrolbestandteil mit Chlorsulfonsäure sulfoniert. In dieser Weise werden Kationenaustauschergruppen und Anionenaustauschergruppen in das Copolymer eingeführt, so daß man eine amphotere Ionenaustauschermembran erhält.

Unter Verwendung der Membran führt man piezo-dialytische Experimente unter Einsatz einer wäßrigen Lösung durch, die man dadurch erhält, daß man 0,1 g/dl Glycin in einer 2 % Natriumchlorid enthaltenden Pufferlösung löst. Man arbeitet bei einem Druck von 30 bar (30 atm) und variiert den pH-Wert zwischen 2 und 12. Der Wasserdurchsatz wird auf 0,38 ml/min χ cm² eingestellt. Man bestimmt die Natriumchloridkonzentration des durch die Membran dringenden Materials durch Messung dos Chloridionengehalts und die Konzentration des Glycins mit Hilfe eines Aminosäurenanalysators. Es zeigt sich, daß Natriumchlorid unabhängig vom pH-Wert zu etwa 0 % zurückgehal-

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ten wird, während die Glycinrückhaltung ihren Maximalwert von 90 % in der Nähe des pH-Werts von 6 erreicht, d. h. des isoelektrischen Punkts des Glycins, wobei der Rückhalt bei pH-Werten oberhalb und unterhalb 6 stark abfällt. Demzufolge ist ersichtlich, daß die Entsalzung einer glycinhaltigen Lösung durch eine Piezo-Dialyse bei einem pH-Wert von 6 möglich ist.

Beispiel 2

Man-führt piezo-dialytische Experimente nach der in Beispiel 1 angegebenen Verfahrensweise durch, mit dem Unterschied, daß man anstelle von Glycin Glutaminsäure einsetzt. Die Ergebnisse der Experimente zeigen, daß die Rückhaltung des Natriumchlorids unabhängig vom pH-Wert etwa 0 % beträgt. Die Rückhaltung der Glutaminsäure beträgt bei einem pH-Wert in der Nähe von 3, d. h. in der Nähe des isoelektrischen Punkts der Glutaminsäure, etwa 9 0 %, wobei diese Rate bei einem pH-Wert oberhalb und unterhalb dieses Werts stark abfällt.

Be'ispiel 3

Man führt piezo-dialytische Experimente bei einem Druck von 30 bar (30 atm) und einem pH-Wert von 6 unter Verwendung der in Beispiel 1 beschriebenen Folie und unter Anwendung einer wäßrigen Lösung, die 0,1 g/dl Glycin und 0,1 g/dl Glutaminsäure enthält, durch. Die Rückhaltung für Glycin beträgt annähernd 100 %, während die Rückhaltung für Glutaminsäure in der Nähe von 0 % liegt. Wenn die Piezo-Dialyse bei einem pH-Wert von 3 durchgeführt wird, ergibt sich eine Umkehrung der Rückhaltung. Dies weist darauf hin, daß es möglich ist, Glycin und Glutaminsäure voneinander zu trennen, indem man eine Piezo-Dialyse bei einem pH-Wert von 6 bzw. 3 durchführt.

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Vergleichsbeispiel 1

Durch Vergießen einer Benzollösung eines binären Blockcopolymers aus äquimolekularen Mengen Styrols und p-Vinylbenzyldimethylamins bildet man eine Folie mit einer Dicke von etwa 100 pm. Man quaternisiert den aminogruppenhaltigen Bestandteil der Folie und sulfoniert den
styrolgruppenhaltigen Anteil des Materials nach der in
Beispiel 1 beschriebenen Verfahrensweise. Dann führt man unter Anwendung der in dieser Weise hergestellten Membran piezo-dialytische Experimente nach der in Beispiel 1 angegebenen Weise durch. In diesem Fall werden jedoch unabhängig von dem angewandten pH-Wert Natriumchlorid und Glycin kaum durch die Membran durchgelassen. Dies scheint eine" Folge der Bildung eines Polyionenkomplexes zu sein, welcher verhindert, daß die Folie als amphoterer Ionenaustauscher wirkt.

Claims

PAT E N TA N WA LTE

TER MEER-MÜLLER-STEINMEISTER

Beim Europaischen Patentamt zugelassene Vertreter — Professional Representatives before the European Patent Office Mandatalres agrees pres !'Office europeen des brevets

Dipl.-Chem. Dr. N. ter Meer Dipl.-lng. H. Steinmeister TÄSee ί ^MÜIIer Artur-Ladebeck-Strasse 51

D-8OOO MÜNCHEN 22 D-48OO BIELEFELD 1

tM/cb

Case 1480 28. April 1982

TOYO SODA MANUFACTURING CO., LTD.

No. 4560, Ooaza Tonda Shinnanyo-shi, Yamaguchi-ken, Japan

Verfahren zur Abtrennung und Reinigung von Aminosäuren

Priorität: 07. Mai 1981, Japan, Nr. Sho-56-67612

Patentansprüche

l.y Verfahren zur Abtrennung und Reinigung von Aminosäuren, gekennzeichnet durch die Verwendung einer amphoteren Ionenaustauschermembran aus einem ternären Blockcopolymeren mit einer Molekülstruktur, bei der ein Makromolekül mit Kationenaustauschergruppen, ein Makromolekül mit Anionenaustauschergruppen und ein Makromolekül ohne Ionenaustauschergruppe zu einer geraden Kette verbunden sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die amphotere Ionenaus-

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tauschermembran aus dem Blockcopolymeren besteht, bei dem das Makromolekül mit Kationenaustauschergruppen, das Makromolekül mit Anionenaustauschergruppen und das neutrale Makromolekül mindestens einmal miteinander verbunden sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß man eine Mischung aus Aminosäuren und/oder eine Mischung aus einer oder mehreren Aminosäuren und einer oder mehreren anderen Substanzen
unter Gewinnung der gewünschten Aminosäure trennt und/
oder reinigt.
4. _ Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e~n nzeichnet , daß man eine Piezo-Dialyse

durchführt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß man eine Mischung aus einer Aminosäure und einer anderen Substanz, wie einem
anorganischen Salz, unter Verwendung der Membran durch
Piezo-Dialyse und unter Gewinnung der gereinigten Aminosäure trennt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß man die Piezo-Dialyse bei oder in der Nähe des isoelektrischen Punkts der Aminosäure durchführt.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß man eine Mischung aus mindestens zwei Aminosäuren durch Piezo-Dialyse unter Verwendung der Membran und unter Gewinnung der gewünschten Aminosäure trennt.

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8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man die Piezo-Dialyse bei oder in der Nähe des isoelektrischen Punkts der gewünschten Aminosäure oder der ungewünschten Aminosäure unter Bildung der gewünschten Aminosäure durchführt.