Brevet FR2505326A1 — publié le 19821112

La présente invention concerne un procédé de séparation et de purification d'un amino-acide, plus par- ticulièrement par piézo-dialyse avec une membrane d'échange d'ions amphotère comprenant un domaine avec un groupe échangeur de cations, un domaine avec un groupe échangeur d'anions et un autre domaine sans groupe échangeur d'ions. Diverses méthodes ont été élaborées pour séparer et purifier un amino-acide d'un bouillon de fermen- tation d'acides aminés contenant des impuretés telles qu'une protéine, un acide organique, un sel minéral, un saccharide et un pigment, et dans la plupart de ces méthodes connues, on associe l'emploi d'une résine échangeuse d'ions avec une cristallisation Mais comme il y a une grande consommation d'acide, d'alcali, d'eau etc, ces méthodes soulèvent des problèmes de cott et de traitement du liquide résiduaire, et de plus elles sont assez inefficaces pour dessaliniser l'amino-acide Dans le même temps, a été mise au point une méthode dans laquelle on effectue une électro-dialyse avec une membrane d'échange de cations et une membrane d'é- change d'anions, mais cette méthode consomme beaucoup d'élec- tricité. Jusqu'à présent, ont été étudié des mem- branes composites, ou membranes mixtes, pour leur emploi comme membranes amphotères d'échange d'ions, par exemple une membrane que l'on obtient en enrobant des perles à groupes échangeurs de cations et des perles à groupes échan- geurs d'anions, alternativement, dans une membrane neutre en une résine de silicone ou une résine semblable, ainsi qu'une membrane que l'on obtient en enrobant une résine échangeuse d'anions dans une résine échangeuse de cations. Néanmoins, ces membranes, non seulement sont difficiles à préparer, mais elles n'ont pas des domaines chimiquement liés, ce qui rend leur résistance insuffisante pour la piézo- dialyse Or, la présente demanderesse a trouvé qu'une mem- brane faite d'un copolymère séquencé ternaire dont la struc- ture moléculaire comporte une macromolécule avec un groupe échangeur de cations, une macromolécule avec un groupe échan- geur d'anions et une macromolécule sans groupe échangeur d'ions, liées entres elles sous une forme en chatne droite, pouvait être traversée par piézo-dialyse par un électrolyte à faible masse moléculaire, et que l'on pouvait séparer et purifier un acide aminé en mettant à profit cette propriété d'une telle membrane Le copolymère séquence ternaire en question, sous la forme d'une pellicule, constitue une struc- ture séparée en micro-phases, comprenant trois phases d'une dimension voisine de sa dimension moléculaire, et il y a ainsi, séparés l'un de l'autre, un domaine ayant un groupe échangeur de cations et un domaine ayant un groupe échangeur d'anions La pellicule agit donc en membrane d'échange d'ions amphotere. On sait qu'en général un mélange d'une macro- molécule à groupe échangeur de cations et d'une macromolécule à groupe échangeur d'anions forme un complexe neutre qui est appelé complexe polyionique D'une manière semblable, il se produit aussi une salification partielle ou parfaite dans le cas d'un copolymère séquence binaire comprenant un groupe échangeur de cations et un groupe échangeur d'anions, et dans ces conditions la pellicule du copolymère n'agit pas bien com- me échangeur d'ions Au contraire, la pellicule selon cette invention est constituée d'un copolymère séquencé ternaire avec un segment neutre, et avec une telle disposition, il y a, séparés l'un de l'autre, un domaine avec un groupe échangeur de cations et un domaine avec groupe échangeur d'anions, qui ne peuvent donc former un complexe poly-ionique. Le procédé selon l'invention sera maintenant décrit plus en détail. Dans ce procédé, on sépare les acides aminés les uns des autres et/ou on purifie un amino-acide en procé- dant à une piézo-dialyse avec une membrane composite formée d'un copolymère séquence ternaire dont les segments sont un constituant avec un groupe échangeur de cations et un consti- tuant avec un groupe échangeur d'anions, le troisième consti- tuant n'ayant pas de groupe d'échange d'ions Dans l'exécution du présent procédé, la solution d'amino-acides dont on part a une teneur en aminoacides de 0,1 à 30 g/dl, et la pression à appliquer est de 10 à 150 bars, de préférence de 30 bars ou plus La pression doit être suffisante pour surmonter la pression osmotique agissant entre les deux faces de la pellicule, et elle se situe entre des limites qui sont dictées par l'appareil de dialyse et la résistance de la pellicule. La pression nécessaire varie donc avec la teneur de la solu- tion brute en impuretés telle que sels minéraux, etc Pour effectuer la piézo-dialyse, le p H de la solution brute est fixé à une valeur appropriée comprise entre 2 et 13, suivant la variété d'amino-acide a séparer et a puri- fier Au point isoélectrique de l'amino-acide, la charge élec- trique de celui-ci s'annule et par conséquent, si l'on exécute la dialyse au point isoélectrique, un électrolyte à faible mas- se moléculaire qui se trouve comme impureté dans la solution, ou un aminoacide qui n'est pas à son point isoélectrique, peuvent traverser sélectivement, alors qu'un amino-acide au point isoélectrique peut en être empêché Ainsi, le présent procédé s'avère efficace non seulement pour éliminer des im- puretés telles que protéines, acides organiques, saccharides, sels minéraux ou autres matières organiques, mais aussi pour séparer les uns des autres des acides aminés dont les points isoélectriques sont différents. Pour le dessalage d'un amino acide, la piézo-dialyse est effectuée au p H ajusté à son point iso- électrique, et pour séparer un amino-acide donné d'un bouil- lon de fermentation d'amino-acides, on commence par effectuer la piézodialyse au point isoélectrique de l'amino-acide pour éliminer un électrolyte à faible masse moléculaire, puis on la poursuit en ajustant le p H dans un domaine ne correspondant pas au point isoélectrique, et vice versa. Parmi les segments constituant le copolymère séquencé ternaire qui est employé dans le présent procédé, le segment qui forme un domaine avec un groupe échangeur de ca- tions peut être choisi parmi des polymères d'esters d'acides carboxyliques insaturés ou de monomères à groupe cyano comme l'acrylonitrile, du styrène ou de 1 'c -méthyl-styrène, et le segment qui forme un domaine avec un groupe échangeur d'a- nions peut être choisi parmi des polymères de composés à hété- rocyles azotés tels qu'une vinyl-pyridine, une vinyl-pyrimidi- ne ou une vinyl-quinoléine, et des polymères de styrène déri- vant d'amines telles qu'une vinyl-benzyl-dialkyl-amine Ces polymères permettent l'introduction sans difficulté d'un groupe échangeur de cations ou d'un groupe échangeur d'a- nions, par des méthodes connues telles qu'hydrolyse, sulfona- tion, quaternisation, etc L'autre segment formant un do- maine sans groupe échangeur d'ions est de préférence choisi parmi des polymères de diènes comme le butadiène, l'isoprène, etc, et l'on peut accroitre la résistance mécanique de la pellicule en réticulant ce segment De plus, la proportion de ce domaine neutre dans le copolymère séquence ternaire sera de préférence de 30 à 90 % En ce qui concerne le copolymère sé- quencé ternaire, la présente demanderesse a déjà déposé une demande de brevet français N 80/25070. En appelant "poly A" le segment qui introduit un groupe échangeur de cations, "poly B" le segment qui intro- duit un groupe échangeur d'anions, et "poly C" le segment qui n'introduit aucun groupe échangeur d'ions, comme la dialyse est effectuée sous pression, les segments du copolymère formant la membrane pour séparer et purifier un amino-acide sont de préférence disposés de manière que le segment cation- nique et le segment anionique soient séparés l'un de l'autre par le segment neutre, par exemple de l'une des manières sui- vantes: poly A poly C poly B; poly C poly A poly C - poly B; poly A poly C poly B poly C; ou poly C poly A poly C poly B poly C En effet, si le segment cation- nique et le segment anionique sont contigus, par exemple dans la disposition poly A poly B poly C, cela a tendance à compromettre l'efficacité de séparation de la membrane Mais même si chacun des trois segments est un copolymère formé de deux sortes de monomères ou plus, cela n'apporte aucune diffé- rence dans les résultats pouvant être obtenus par cette invention. L'invention sera mieux comprise à la lec- ture des exemples d'exécution suivants, qui n'en limitent aucunement la portée, et l'on pourra voir, d'après les ré- sultats obtenus, que la membrane amphotère d'échange d'ions, formée du copolymère séquencé ternaire, est utili- sable non seulement pour la séparation d'amino-acides, mais facilement aussi, d'une manière générale, pour séparer l'un de l'autre un électrolyte à faible masse moléculaire d'un non-électrolyte à faible masse moléculaire. EXEMPLE 1 En présence de n-butyl-lithium comme induc- teur, on effectue une polymérisation dans du benzène dans la séquence suivante: isoprène, styrène, isoprène, p-vinyl- benzyl-diméthyl-amine et isoprène, pour former un copolymère séquence ternaire dont la masse moléculaire correspond à envi- ron 2 x 105 g/ml, avec les proportions pondérales suivantes des monomères: 7,3: 14,4; 7,1; 25; 6,9 On coule une solution benzénique de ce copolymère pour en former une pellicule d'environ 50 /um d'épaisseur, puis on réticule la partie isoprène par le monochlorure de soufre, on quaternise la partie amine dans de la vapeur d'iodure de méthyle et on sulfone la partie styrène au moyen d'acide chloro-sulfonique Ces opérations forment des groupes échangeurs de cations et d'anions, ce qui donne une membrane d'échange d'ions amphotère Avec cette membrane on procède à des essais de piézo-dialyse sur une solution aqueuse à 0,1 g/dl de glycocolle dans une solution tampon à 2 % de chlo- rure de sodium, à une pression de 30 atm, à un p H variant entre 2 et 12 et à un débit d'eau de 0,38 ml/min-cm 2 On détermine la concentration du chlorure de sodium dans le li- quide qui traverse la membrane en dosant l'ion chlorure, et celle du glycocolle avec un analyseur d'acides aminés On trouve ainsi que le rejet pour le chlorure de sodium est d'à peu près O %,quel que soit le p H, et que celui du glycocolle pré- sente un maximun de 90 % au voisinage de p H 6, correspondant au point isoélectrique du glycocolle, alors qu'il diminue de façon marquée dans les domaines de p H supérieur et infé- rieur à 6 On voit ainsi que la dessalinisation d'une solu- tion contenant du glycocolle est possible si la piézo- dialyse est effectuée à p Hi 6. EXEMPLE 2 On effectue des essais de piézo-dialyse de la même manière qu'à l'exemple 1, sauf que le glycocolle est remplacé par de l'acide glutamique Les résultats obtenus montrent que le rejet pour le chlorure de sodium est d'à peu près O % quel que soit le p H, et que le re Jet pour l'acide gluta- mique est d'environ 90 % au voisinage de p H 3, proche du point isoélectrique de cet acide, rejet qui diminue d'une façon prononcée audessus de ce p H. EXEMPLE 3 On procède à des essais de piézo-dialyse à la pression de 30 atm et à p H 6 avec la même pellicule que dans l'exemple 1, sur une solution aqueuse à 0,1 g/dl de glycocolle et 0,1 g/dl d'acide glutamique Le rejet pour le glycocolle est presque de 100 %, alors que pour l'acideglutamique il est proche de O %, et si l'on effectue l'essai à p H 3, ces deux rejets sont inversés Cela montre que le glycocolle et l'acide glu- tamic peuvent être séparés l'un de l'autre par piézo-dialyse à un p H de 6 ou de 3. EXEMPLE COMPARATIF 1 On forme une pellicule d'environ 100 /urn. d'épaisseur en coulant une solution benzénique d'un copoly- mère séquence binaire formé de proportions équimoléculaires de styrène et de p-vinyl-benzyl-diméthyl-amine, puis on quaternise la partie amine de la pellicule et on sulfone la partie styrène de la même manière que dans l'exemple 1 précé- dent, et avec la membrane ainsi obtenue on procède à des essais de piézodialyse comme dans l'exemple 1 On observe alors que le chlorure de sodium et le glycocolle traversent à peine la membrane, quel que soit le p H, ce que l'on pense être d M à la formation d'un complexe poly-ionnique qui empoche la pellicule d'agir comme échangeur d'ions amphotère. R E V E N D I C A T I 0 -N S REVENDICATIONS 1.) Procédé de séparation ou de purifica- tion d'un acide aminé, caractérisé en ce qu'on emploie une membrane d'échange d'ions amphotère formée d'un copolymère séquence ternaire ayant une structure moléculaire dans la- quelle une macromolécule avec un groupe échangeur de cations, une macromolécule avec un groupe échangeur d'anions et une macromolécule sans groupe échangeur d'ions sont liées entres elles en une chatne droite. 2.) Procédé selon la revendication 1 dans lequel, dans le copolymère séquencé, la macromolécule cation- nique, la macromolécule anionique et la macromolécule neutre sont respectivement liées au moins une fois l'une à l'autre. 3 ) Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel on sépare et/ou on purifie un mélange d'acides aminés et/ou un mélange d'un acide aminéet d'une autre substan- ce pour obtenir un acide aminé cherché. 4.) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on opère par piézo-dialyse. 5) Procédé selon l'une quelconque des re- vendications précédentes, caractérisé en ce que l'on sépare par piézodialyse avec la membrane un mélange d'un acide aminé et d'une autre substancepar exemple d'un sel minéral, pour obtenir l'amino-acide purifié. 6) Procédé selon la revendication 5 dans lequel on effectue la piézodialyse au point isoélectrique de l'amino-acide ou près du point isoélectrique. 7.) Procédé selon l'une quelconque des re- vendications précédentes, caractérisé en ce que l'on sépare par piézodialyse avec la membrane un mélange de deux sortes d'amino-acides ou plus pour obtenir un amino-acide cherché. 8.) Procédé selon la revendication 7 dans lequel on effectue la piézodialyse au point isoélectrique, ou près de ce point, de l'amino-acide cherché ou bien d'un amino-acide non recherché, pour obtenir l'amino-acide voulu.