Brevet FR2605322A1 — publié le 19880422

DESCRIPTION PROCEDE DE SEPARATION DE CERTAINES PROTEINES DU LACTOSERUM ET DU LAIT 1. Le procédé selon l'invention se place dans le domaine des industries de l'alimentation et de la pharmacie. La fabrication des fromages, une des plus anciennes industries alimentaires, la fabrication des caséines, protéines laitieres couramment utilisées dans l'industrie, s'accompagnent de la production de lactosérum. Pendant de très longues années, ces lactosérums ont eté considerés comme sous-produits sans intérêt et sans valeur. Ils étaient, en règle générale, rejetés. La pollution organique créée par ces rejets a conduit à examiner de plus près ces sous-produits. De sans intérêt et sans valeur qu'ils étaient à l'origine, ils sont devenus sources de protéines à haute valeur nutritive. Ils sont aussi sources potentielles de protéines particulièrement intéressantes comme les immunoglobulines et les lactoferrines par exemple. Les globulines font l'objet d'un intérêt connu. La lactoferrine, par ses propriétés bacteriostatiques et antitoxiques, paraft avoir un rôle biologique important et devoir être utilisée en supplémentation des laits maternisés, le rôle de la lactoferrine contre les infections des petits enfants étant bien établi. Le lactoserum offre donc des possibilités pour la production de certains éléments à haute valeur ajoutée, pour peu que les techniques d'extraction n'altèrent pas ces substances. 2. LES LACTOSERUMS Les lactosérums sont des produits liquides dont la teneur en eau est de l'ordre de 930 g/l. La- matière seche contenue dans les lactosérums est relativement riche. Un litre (70 9 de matières seches) contient notamment du lactose . des matières minerales des matieres azotées comprenant 65% de protéines se décomposant en - albumines 80% - immunoglobulines 10% - protéines diverses 10% dont 2% environ de lactoferrine On a cherché à extraire industriellement les matières de haute valeur ajoutée comme les immunoglobulines et la lactoferrine. 3. EXEMPLE DE PROCEDE EXISTANT Parmi les nombreux procédés qui ont cherché à séparer du lactosérum ces protéines particulieres, on peut citer le procédé industriel qui fait l'objet du brevet français n" 8109740. La lactoferrine présente la propriété d'etre adsorbée sur un milieu poreux en milieu légèrement basique. Cette propriété peut être utilisée pour l'extraire. On obtient ainsi un mélange de protéines constitue de 66% de lactoferrine, le reste étant des immunoglobulines. Ce procéde utilise un seul support mineral. Dans le cas d'un lactosérum brut, il nécessite des cycles de lavage prolongés pour éliminer les albumines. C'est un procédé discontinu. Il ne permet pas, par ailleurs, d'extraire correctement les immunoglobulines. 4. NOUVEAU PROCEDE 4.1 Dans le nouveau procédé qui fait l'objet de la présente invention, on effectue la séparation de la fraction globulines et de la fraction lactoferrine tout en gardant le mélange lactose/albumines. Pour cela on emploie successivement une filtration par membrane, puis une filtration sur gel. 4.2 Description du nouveau procédé (Planche 1/4) Le procédé comporte essentiellement deux phases . une phase mettant en oeuvre une ultrafiltration (fily ation par membrane) . une phase mettant en oeuvre une chromatographie (filtration sur gel) Particulièrement adapté au traitement des lactosérums normaux ou concentrés, ou reconstitués par solubilisation d'un lactoserum préalablement ramené à 1 'état solide ou poudreux par tout moyen connu, le procédé permet aussi la séparation des constituants de masse molaire élevee de tout autre liquide chargé. 4.2.1 Ultrafiltration Les protéines à haute valeur ajoutée que l'on souhaite extraire sont des proteines de masses molaires élevées qui se differencient de la masse molaire des protéines de la fraction albumines puisque l'on a . Fraction albumines ç lactalbumine 14.000 daltons a & lactoglobuline 18.000 .Fraction immunoglobulines 180.000 . Fraction lactoferrine 80.000 Cette propriété est mise à profit dans la phase d'ultrafiltration (1) en utilisant une membrane de seuil de coupure suffisamment élevé ( de 40.000 à 50.000 daltons environ ), qui permet, en contrôlant les conditions de pH (entre 5 et 7) et de force ionique (entre 0,2 et 1 molaire) - d'obtenir un rétentat (R), concentré en lactoferrine et immunoglobulines avec un facteur de concentration d'environ 50 et plus; Cavmoin - d'avoir un perméat (P), lactosérum légèrement appauvri et qui contient 75 a 801 des protéines, que l'on peut renvoyer sur la chaîne de production classique ou traiter sur un poste de valorisation ultérieur. a Le dalton étant le terme utilise pour définir la masse molaire d'une molécule 1 dalton x masse molaire = 1 mole (molécule-gramme) L'opération d'ultrafiltration traite un grand volume afin de donner un volume utile de rétentat aussi faible que possible pour assurer les opérations d'extraction ultérieures des protéines à haute valeur ajoutée avec un appareillage cimpact. On peut améliorer la compacite par une concentration préalable du lactosérum. Comme membrane on peut employer des membranes organiques et également des membranes minérales (par exemple, celle commercialisées sous la marque "CARBOSEP") qui, étant plus résistantes, peuvent être généralement préférées. 4.2.2 Chromatographie sur gel L'extraction des protéines concentrées dans le rétentat s'effectue par chromatographie sur gel (2), basee sur les capacités differentes des molécules à pénétrer dans les pores de la phase stationnaire du gel. Les tres grosses molécules ne pénètrent jamais dans le gel et traversent plus rapidement le support chromatographique. Les plus petites entrent dans les pores du gel et se déplacent plus lentement. Pour la séparation d'une part de la fraction immunoglobulines et d'autre part de la fraction lactoferrine, on utilise de préférence un gel se presentant sous forme de billes dont le domaine de fonctionnement s'étend de 5.000 à 250.000 daltons et qui sépare le retentant initial en ses constituants suivant leur masse molaire en deux fractions et plus. Ce gel est préalablement équilibré par un tampon de force ionique élevée afin de limiter les associations protéines-protéines, notamment pour éviter la polymérisation éventuelle des S lactoglobulines residuelles. 4.3 Description de la planche 1/4 La planche 1/4 représente les circuits et appareils correspondant aux deux phases ci-dessus (1) Ultrafiltration, (2) Chromatographie. 4.3.1 Le lactosérum provenant d'une cuve réservoir amont est énvoyé par une pompe à un circuit comportant plusieurs modules d'ultrafiltration (le schéma n'en comporte que deux à titre d'exemple) constituant un circuit isolé dans lequel une pompe de circulation assure le passage continu du rétentat, le perméat qui est la partie du lactosérum dont la masse molaire permet la traversée des membranes d'ultrafiltration est récupéré apres ce passage dans un circuit de collecte, le cote rétentat s'enrichissant progressivement en molécules de forte masse molaire, un échangeur de chaleur permet de contrôler la température de ce retentat en circulation afin d'en contrôler la viscosité.Ce circuit de recirculation subit un prélèvement du rétentat lorsque celui-ci est suffisamment concentré, ce prélèvement étant compensé par du lactosérum frais. Ce lactosérum est utilisé directement après tamisage des particules de caséine, sans preparation particuliere comme la déminéralisation, mais après réglage des conditions de pH (5 à 7) et de force ionique (0,2 à 1 molaire). 4.3.2 Le retentant obtenu dans la phase ultrafiltration est envoyé dans une cuve d'attente qui alimente le circuit de chromatographie. Ce rétentat est envoyé, suivant un volume prédéterminé, par une pompe de circulation. Puis un éluant est envoye derrière le retentat,suivant un volume fixé,par détecteur. Cet éluant va assurer la traversée de la colonne chromatographique par l'échantillon initial de rétentat. 4.3.3 L'ensemble de chromatographie comporte essentiellement . une colonne remplie de gel . une pompe de circulation un détecteur en sortie de colonne, associé à un automatisme. Les differentes fractions de l'échantillon de rétentat sortent de la colonne à des temps distincts suivant leur masse molaire, chacun de ces pics étant recueilli dans des réservoirs adaptes, grâce au détecteur commandant des vannes electro-magnetiques appropriées. 4.4 Remarques sur les variantes du procéde Le procédé peut comporter des variantes. 4.4.1 La matière première, le lactosérum obtenu dans la fabrication des caséines, peut être remplacé par du lait dont on a éliminé les lipides par des procédés connuS que l'on fait passer au prealable au travers d'une membrane de microfiltration qui retient les micelles ( membranes dont le seuil de coupure est situé aux environs de 200.000 daltons ). 4.4.2 Au lieu d'utiliser successivement un circuit d'ultrafiltration et un circuit de chromatographie sur gel, on peut remplacer ce dernier ensemble par une suite de membranes d'ultrafiltration,dont on contrôle la couche de polarisation gracie aux précautions et réglages cités plus haute dont le seuil de coupure est convenablement choisi pour séparer le groupe immunoglobulines, le groupe lactoferrines, le groupe lactalbumines et autres groupes ou fractions éventuels ( pics ). 5 ESSAIS EFFECTUES 5.1 Première série d'essais On a obtenu les résultats suivants 5.1.1 Le lactoserum de départ Le lactoserum utilisé pour les essais exploratoires est un lactosérum doux5 fourni par un industriel.On a relevé par analyse les caractéristiques suivantes . Matières sèches 40 g/l . Azote total 0,8 g/l . Fer 1,8 mg/l . pH 4,6 Soit un lactosérum contenant 5 g/l de protéines. On a retenu, en premiere approximation, les compositions suivantes: . Albumines 4 g/l . Fraction Immunoglobulines 0,5 g/l . Fraction Lactoferrine 0,1 g/l et en sachant que la teneur en fer de la lactoferrine est de 0,11 % ( 1 g de lactoferrine contient 1,1 mg de fer ). 5.1.2 Ultrafiltration Les essais sont effectués sur un module equipé d'une cartouche de fibres creuses constituées d'un polymère cellulosique structure anisotrope, sous forme de capillaires fins et présentant un seuil de coupure de 50.000 daltons. On peut donner les résultats d'une analyse obtenus pour l'ultrafiltration de 1.500 ml de lactosérum Protéines Albumines Lactoferrine et Fer mesuré mesurées Immunoglobulines Lactoserum initial 7,5 g 6 g 0,90 g 2,70 mg 1.500 ml Rétentat 2,03 g 2,10 mg/l 300 ml soit 0,63 mg On passe ainsi - d'une concentration de 0,6 g/l en lactoferrine et immunoglobulines dans le lactosérum - à une concentration probable de 3 g/l en lactoferrine et immunoglobulines dans le rétentat, valeur obtenue apres analyse des résultats de mesure sur les teneurs en fer et en protéines. L'utilisation d'une membrane coupant à 50.000 daltons permet ainsi dans cet exemple d'obtenir un facteur de concentration de 5. 5.1.3 Chromatographie Le gel choisi est prealablement équilibré dans un tampon de force ionique élevée. On a utilise le retentant précédent à 3 g/l de lactoferrine et d'immunoglobulines et l'on a conserve la solution d'éluvion dans laquelle le gel est equilibré. De nombreux essais ont été effectués. Un exemple présentant des résultats de chromatographie pour 4 cas est donné sur la Planche 2/4. On peut noter les points suivants - l'augmentation du volume de l'échantillon n'entraîne pas de modification sensible de la séparation; - l'augmentation du débit entraîne une diminution de la résolution; - le passage sur un gel unique permet la séparation. Dans un premier temps on conclut, à titre d'estimation, à - un cycle de 2 à 3 heures - un volume d'échantillon correspondant à 10 % du volume de la colonne. 5.2 Deuxième série d'essais Ces essais sont effectués sur le même lactosérum de départ. 5.2.1 Ultrafiltration Les essais exploratoires ont été effectués sur le même module de laboratoire Différents types d'essais ont été effectués - les premiers, limités à un facteur de concentration de 5, ont permis d'étudier l'influence de la vitesse de circulation sur le débit de perméat; - les deuxièmes ont permis d'approcher le facteur de concentration que l'on pourrait obtenir sans diminution notable du débit de perméat. On a trouvé - une loi de variation du débit de perméat avec la vitesse de circulation ( Q / Qo ) = ( V / Vo )0s6 où Q et Qo sont les débits de permet en l/h/m2 V et Vo étant les vitesses de circulation correspondantes. - une stabilité du débit de perméat, celui-ci se maintenant à 85 l/h/m2, valeur vérifiée jusqu'à un facteur de concentration de 40 - on peut noter les points suivants les débits de perméat sont notablement supérieurs (50 à 60S) à ceux obtenus classiquement avec un seuil de coupure de 10.000 à 20.000 daltons, ce qui confirme l'absence, grâce aux precautions prises, d'un phénomène de polarisation important pouvant conduire à une gélification au niveau des membranes;; le facteur de concentration peut être augmenté car - avec un facteur de concentration de 40, on obtient une concentration en proteines de 32,3 g/l - en ultrafiltration à 20.000 daltons, on obtient avec le même lactoserum une concentration de 75 g/l en protéines ce qui permet, par ultrafiltration à 40.000 - 50.000 daltons, d'espérer atteindr un facteur de concentration de 100 pour les protéines de masse molaire élevée 5.2.2 Chromatographie Les essais exploratoires ont été effectués en laboratoire sur un ensemble de chromatographie identique à celui des premiers essais, c'est-à-dire une colonne, une pompe péristaltique de circulation et un détecteur optique, associé à un enregistreur, en sortie de colonne. Les Planches 3/4 Fig.1 et 2 et PI .4/4 illustrent les diagrammes d'éluvion obtenus. En retenant une hauteur utile de colonne de 60 cm, on obtiendra les données suivantes . Volume mort - hauteur equivalente 25 cm . Immunoglobulines 39 cm Lactoferrine 49 cm Albumines 74 cm la hauteur équivalente étant définie comme le rapport du volume d'élution au volume de gel ( Vt - Vo ), Vt = volume total colonne, VO = volume mort colonne. Le cycle de séparation est alors le suivant . Fraction immunoglobulines Ve = 53,5 ml ( Ve = volume d'elution de la (de 48,5 à 58,5 ml) fraction considérée ) . Fraction lactoferrine Ve = 68 ml (de 60,5 à 76,5 ml) . Albumines Ve = 104 ml (de 92 à 116 ml) ce qui conduit à un cycle total de . 2 h pour un débit de 30 cm/h . 1 h 30 " " de 40 cm/h . 1 h " " de 60 cm/h avec la possibilité d'injecter un nouvel échantillon . toutes les 1 h 45 mn à 30 cm/h . toutes les 1 h 15 mn à 40 cm/h . toutes les 50 mn à 60 cm/h on a pu ainsi retenir, pour la séparation chromatographique, les données suivantes: 1. Introduction d'un échantillon à 50/100 g/l sur un volume représentant 10% du volume de la colonne 2. Introduction d'un echantillon toutes les heures. REVENDICATIONS 1) Procédé de séparation de protéines à masse molaire élevée contenues dans le lactosérum ou tout liquide chargé de ce type de protéines, le lait délipidé par exemple, par la succession des opérations ci-après a/ Les protéines de masse molaire elevée, la lactoferrine et les immunoglobulines entre autres, sont extraites du lactoserum normal par une membrane semi-perméable d'ultrafiltration dont le seuil de coupure est suffisamment élevé pour ne retenir que les molécules de masse molaire supérieure à 50.000 daltons environ. b/ Le rétentat,fortement concentré grâce à un ajustement préalable du pH et de la force ionique, est sépare en deux, trois fractions ou plus de molécules, suivant leur masse molaire, par le passage sur un deuxième systeme de séparation. 2) Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le deuxième système, conjoint au premier dispositif de séparation par ultrafiltration des molécules de masse molaire élevée, est constitue partiellement ou en totalité par un dispositif comportant plusieurs étages d'ultrafiltration dont les membranes sont choisies en fonction de leur seuil de coupure pour pouvoir séparer successivement les différente fractions distinguées par leurs masses molaires. 3) Procedé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le deuxième système est un passage sur gel chromatographique. 4) Procéde selon la revendication 1 caractérisé en ce que le perméat est réintégré dans le circuit normal de traitement du lactosérum. 5) Procédé selon la revendication 1 caractérise en ce que le lactosérum est utilisé directement par tamisage préalable des particules de caséine sans préparatio particulière comme la déminéralisation, mais après réglage des conditions du pH (5 à 7) et de la force ionique ( 0,2 à 1 molaire). 6) Procéde selon la revendication 1 caractérisé en ce que la membrane est constituée par un matériau organique. 7) Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la membrane semi permeable est constituée par un materiau minéral. 8) Procédé selon la revendication 1 caractérise en ce que le lactosérum est concentre de maniere à conduire à une réduction des surfaces de filtration et de séparation. 9) Procede selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on peut utiliser un lactoserum ou un lait delipide reconstitués par solubilisation, à partir d'un lactosérum ou d'un lait préalablement ramenés à l'état solide par des procedés classiques.