Brevet FR2666996A1 — publié le 19920327

Arrière-plan technologique de l'invention Domaine de l'invention La présente invention concerne une méthode de purifica- tion d'un aminoacide utilisant une résine échangeuse d'ions, selon laquelle l'aminoacide est mis en contact avec la résine dans des étapes multiples continues à contre-courant permettant de réduire fortement la quantité requise de résine et la quantité d'eau nécessaire pour Le lavage de la résine. Discussion de l'arrière-plan technologique Les résines échangeuses d'ions étaient largement utili- sées dans la purification et dans la récupération des aminoacides d'une grande pureté à partir des solutions brutes d'aminoacides préparées industriellement par fermentation, ou par synthèse et par extraction Les problèmes sérieux rencontrés dans l'utili- sation des résines échangeuses d'ions résident dans le fait que de grandes quantités de résine et de grandes quantités d'eau sont requises Ceci veut dire que, lorsqu'un aminoacide est purifié, il était conventionnel jusqu'à présent d'appliquer des opérations en lit fixe utilisant une résine échangeuse d'ions Cette technique comprend une étape d'adsorption dans laquelle un bouillon de fermentation d'un aminoacide ayant un p H ajusté à une valeur spéci- fique est mis en contact avec une couche de résine échangeuse de cations fortement acide, du type sel, tel que le type NH 4 etc, pour adsorber l'aminoacide sur la couche de résine Cette étape est suivie par une étape d'éLution dans laquelle l'amino- acide est élué par un éLuant tel que l'eau, l'ammoniaque aqueuse, et la résine échangeuse d'ions est regénérée en un type sel. Lorsque le bouillon de fermentation est envoyé à travers une tour garnie de résine conventionnelle dans l'étape d'adsorption, l'eau de lavage est envoyée après le bouillon de fermentation en vue de permettre au bouillon de fermentation de traverser complètement la couche de résine Dans l'étape d'éLution, l'eau de lavage est envoyé après le bouillon de fermentation en vue de permettre à un éLuant de traverser complètement la couche de résine De plus, les substances en suspension dans le bouillon de fermentation sont déposées dans la tour de résine durant l'étape d'adsorption de sorte que de grandes quantités d'eau de lavage s'écoulant dans la direction inverse sont nécessaires pour séparer le dépôt après l'achèvement de l'adsorption Ceci n'est pas la seule raison selon laquelle les besoins en eau augmentent La quantité d'eau déchargée durant l'élution est grande et l'installation pour le traitement de l'eau résiduelle devient énorme. La quantité d'eau de lavage augmente à mesure que la quantité de résine utilisée augmente On peut donc s'attendre à ce que par réduction de la quantité de résine utilisée, la quantité d'eau de lavage peut être réduite et par suite, l'installation requise pour les opérations de la résine peut être de plus petite taille Basées sur ceci, diverses méthodes pour réduire la quantité d'eau de lavage utilisée ont été recherchées (voir demande de brevet japonais mise à l'Inspection Publique N 50-127879, 52-11173 et 62-65690) mais une quantité considérable d'eau de lavage est encore requise. Sommaire de l'invention L'objet de la présente invention est de fournir une méthode pour réduire fortement La quantité d'eau utilisée pour le lavage d'une résine échangeuse d'ions et donc pour réduire l'eau résiduaire et améliorer fortement la productivité de la résine, dans une méthode de purification d'un aminoacide utilisant la résine échangeuse d'ions. Description brève des dessins La figure 1 est un schéma de principe d'un mode de mise en oeuvre de la méthode de la présente invention. Les figures 2 (a), (b) et (c) illustrent les problèmes dans les opérations de la résine conventionnelle. Description détaillée des modes de réalisation préférés Le présent inventeur a procédé à des recherches sur la purification des aminoacides utilisant des résines échangeuses d'ions et a découvert une méthode pour améliorer fortement la productivité de la résine et réduire fortement la quantité d'eau utilisée pour le lavage des substances en suspension adhérées et déposées sur la couche de résine La présente invention fournit donc une méthode ne comportant pas les problèmes mentionnés ci-dessus et caractérisée par la mise en contact d'une solution d'aminoacide contenant des impuretés avec une résine échangeuse d'ions dans des étapes multiples continues à contre-courant et la mise en contact d'un éLuant avec la résine après adsorption dans des étapes multiples continues à contre-courant, de sorte que la purification de l'aminoacide contenant des impuretés peut être faite en utilisant une petite quantité de résine et une faible quantité d'eau de lavage. La solution d'aminoacide à laquelle la présente invention peut être appliquée est une solution d'aminoacide contenant des impuretés préparée industriellement par fermentation, par synthèse ou par extraction Ces solutions d'aminoacide incluent une grande variété de solutions, par exemple, un bouillon de fermentation d'un aminoacide tel que la lysine ou l'acide glutamique, une solution obtenue par séparation des impuretés solides telles que les cellules de fermentation à partir d'un bouillon de fermentation et la liqueur mère de cristallisation qui reste après l'isolement et la récupération de l'aminoacide désiré du bouillon de fermentation par des méthodes connues telles que la cristallisation à p H contrôLé (cristallisation au point isoéLectrique). La résine échangeuse d'ions qui est mise en contact avec la solution d'aminoacide peut être une résine échangeuse de cations quelconque ou une résine échangeuse d'anions quelconque, mais une résine échangeuse de cations fortement acide est généralement utilisée La résine peut être du type libre quelconque, mais en général, un type sel est utilisé Ces résines échangeuses de cations peuvent être du type gel ou du type macroporeux; le "DIAION SK-1 B" fabriqué par Mitsubishi Chemical Industry Co, Ltd. est un exemple du premier type et l"'AMBERLITE 200 C" fabriqué par Rohm & Haas Co, Ltd, est un exemple du second type Dans la mise en oeuvre de la méthode de la présente invention, la sélection et la détermination de la résine échangeuse d'ions qui peut être anionique ou cationique, du type ge L ou du type macroporeux, du type libre ou du type sel peuvent être faites facilement par l'homme du métier basées sur des expérimentations simples pour déterminer le comportement d'adsorption et d'éLution. Un mode de mise en oeuvre de la méthode conformément à la présente invention est montré de façon illustrative dans la figure 1 mais pour autant que les étapes multiples continues à contre- courant puissant être réalisées, la présente invention n'est pas limitée à ce mode de réalisation La figure illustre le mode de réalisation composé de quatre étapes d'adsorption, quatre étapes d'éLution et une étape pour le Lavage Toutefois, Le nombre d'étapes est déterminé selon le degré de réduction de la concentra- tion d'aminoacide d'un effluent Le nombre d'étapes dans l'étape d'élution est déterminé par la concentration d'aminoacide dans l'éLuant et le rendement de l'éLution Dans la figure, le mouvement de la solution est montré par le trait plein et le mouvement de la résine est montré par le trait discontinu Le mouvement de la solution est obtenu, par exemple, par débordement et le mouvement de la résine est obtenu par exemple en utilisant une pompe (P). La solution d'aminoacide contenant des impuretés est alimentée dans une première cuve puis dans une seconde cuve, puis dans une troisième cuve, puis dans une quatrième cuve, dans cet ordre, dans lesquelles l'aminoacide est adsorbé sur la résine de chaque cuve La solution est soutirée de la quatrième cuve comme effluent Par ailleurs, la résine régénérée est alimentée depuis la cuve de lavage E à la quatrième cuve et arrive à la première cuve via la troisième et la seconde cuve, en restant en contact à contre-courant avec la solution d'aminoacide En vue d'éliminer la solution qui accompagne la résine dans ce cas, un appareil pour séparer la résine et la solution l'une de l'autre, tel qu'un tamis (S) entre les cuves respectives est prévu pour améliorer le rendement La résine sur laquelle l'aminoacide a ainsi été adsorbé est soutirée de la première cuve et envoyée dans l'étape de lavage dans la cuve de lavage A pour éliminer par lavage les substances en suspension qui adhèrent à la résine et la solution adhérée. Le Lavage est réa Lisé par une douche ou par un Lavage dans une cuve maintenue sous agitation, mais La méthode de Lavage est déterminée en fonction de La concentration des substances en suspension dans L'éLuant De même, en vue d'éviter La reprise des impuretés dans L'étape d'éLution, Les impuretés adhérées sont réduites à un niveau aussi bas que possib Le par un Lavage en deux étapes à contre-courant ou par déshydratation centrifuge. La résine Lavée est envoyée dans La cinquième cuve dans L'étape d'éLution Dans L'étape d'éLution, La résine est envoyée depuis La cinquième à une sixième cuve, puis à une septième cuve et ensuite à une huitième cuve, dans cet ordre, avec éLution de L'aminoacide adsorbé depuis La cinquième cuve Par ai L Leurs, L'éLuant est a Limenté à La huitième cuve et envoyé jusqu'à atteindre La cinquième cuve, tout en étant en contact à contre- courant avec La résine A partir de La cinquième cuve, La so Lution est soutirée du système sous La forme d'un éLuant d'aminoacide et ensuite envoyée dans L'étape suivante de récupération de L'amino- acide Après sa sortie de La huitième cuve, La résine est envoyée dans L'étape de Lavage dans La cuve de Lavage E pour éLiminer par Lavage L'éLuant adhéré et ensuite recyc Lée depuis La quatrième cuve dans L'étape d'adsorption et réutilisée comme résine régénérée. L'eau de Lavage contenant une faib Le concentration d'éLuant ou bien L'eau de Lavage qui accompagne La résine régénérée fournie par La cuve de Lavage E à La quatrième cuve et séparée par un tamis, etc, peut être uti Lisée pour La préparation de L'éLuant. Ainsi, L'eau de Lavage est uti Lisée comme eau de di Lution pour La préparation de L'éLuant par di Lution par L'acide sulfurique concentré, par L'ammoniaque aqueuse concentrée, etc, ou comme eau de dissolution pour La préparation de L'éLuant par dissolution du carbonate de sodium, etc dans L'eau En procédant ainsi, La po L Lution de L'environnement par L'éLuant via La décharge de L'eau de Lavage est évitée et La source d'éLuant est également économisée. L'échange d'ions dans chaque cuve peut être accéLéré par méLangeage à fond de La so Lution et de La résine avec agitation du contenu de chaque cuve. Le terme "continu" utilisé dans la méthode de la présente invention inclut non seulement une opération continue complètement littérale mais également une opération continue dans une partie ou dans la totalité des étapes Plus précisément, l'opération complè- tement continue se réfère à une opération dans laquelle la solution d'aminoacide et l'éluant sont alimentés en continu dans le système et soutirés en continu du système en tant que effluent et éluat, pendant que le lavage est conduit en continu dans les cuves de lavage pour permettre à la résine de se déplacer en continu entre les cuves respectives Un exemple d'opération continue est celui dans lequel l'aminoacide et/ou l'éluant est alimenté de façon intermittente dans le système dans l'étape d'adsorption et/ou dans l'étape d'élution et la résine dans chaque cuve est déplacée ensemble pendant que l'alimentation est discontinuée. En vue de récupérer l'aminoacide de la solution d'amino- acide obtenue par la méthode de la présente invention comme décrite précédemment, on peut utiliser les techniques conventionnelles connues de récupération telles que la cristallisation par concen- tration et la cristallisation au point isoélectrique. Dans les opérations conventionnelles de résine échangeuse d'ions du type à lit fixe, la résine est souvent utilisée de façon inefficace dans une tour pour la totalité de l'étape d'adsorption (a), de l'étape de lavage (b) et de l'étape d'élution (c) En vue d'utiliser efficacement la résine, il est nécessaire d'avoir recours à des aménagements de l'installation tels que l'accroisse- ment du nombre des tours Toutefois, ce changement conduit à une installation compliquée qui augmente les coûts fixés De plus, conformément aux méthodes conventionnelles, un contre-lavage est prévu pour éliminer les substances en suspension mais la résine n'agit pas en tant que résine durant le lavage Dans ce cas, de grandes quantités d'eau sont utilisées de sorte que la quantité d'eau déchargée devient grande Comme résultat, l'installation pour le traitement des eaux résiduaires doit être à une échelle impor- tante Comme mentionné ci-dessus, les opérations conventionnelles mettent en jeu un grand nombre de problèmes compte tenu de la productivité de la résine et de la quantité d'eaux résiduaires. Au contraire, conformément à la méthode de la présente invention, la résine saturée dans la solution d'aminoacide est envoyée instantanément dans l'étape d'éLution Par conséquent, la résine exhibe toujours sa fonction inhérente de réaliser un échange d'ions de sorte que la productivité de la résine est éLevée De p Lus, aucun contre-lavage n'est nécessaire de sorte que la quantité totale d'eau utilisée est plus petite et que la quantité d'eau de lavage peut être réduite Ainsi, les objets de la présente invention peuvent être réalisés. D'autres caractéristiques de l'invention seront mises en évidence au cours de la description qui suit des modes de réalisa- tion donnés en exemp Le pour illustrer l'invention sans en limiter la portée. Exemple 1 ( 1) L'acide sulfurique est ajouté à un bouillon de fer- mentation (p H 7,0) de lysine (Lys) obtenu en utilisant de la mélasse de betterave à sucre comme matière première, pour ajuster le p H à 2,0 La concentration en lysine dans ce cas est de 7,4 g/dl. Comme résine échangeuse d'ions pour l'adsorption, on utilise la résine "DIAION SK-LB" qui est une résine échangeuse de cation fortement acide du type NH 4 en quantité de 1 L pour chaque cuve. Comme montré à la figure 1, le bouillon de fermentation de lysine à p H ajusté (solution d'échantillon) est alimenté à la première cuve à un débit d'écoulement de 6 l/h La résine pour l'adsorption (résine régénérée après qu'elle a atteint l'état stationnaire) est alimentée dans une quatrième cuve à un débit d'écoulement de 6 L/h Par ailleurs, l'ammoniaque aqueuse 3 N est utilisée comme éLuant et alimentée à la huitième cuve à un débit d'écoulement de 6 L/h En ce qui concerne l'eau de lavage, 5,5 l/h d'eau de Lavage sont alimentés pour Laver la résine transférée de la première cuve à la cuve de lavage A En vue d'éliminer l'ammo- niaque aqueuse adhérée à la résine après éLution comp Lète et transférée de la huitième cuve à la cuve de lavage E, 4,5 l/h d'eau de lavage sont alimentés L'eau de lavage contenant l'ammoniaque peut être utilisée pour diluer l'ammoniaque aqueuse concentrée dans la préparation de l'éluant par dilution de l'ammoniaque aqueuse concentrée. L'éLuant contenant la résine est récupéré de la cinquième cuve et l'effluent est déchargé de la quatrième cuve; ces opéra- tions sont complètement en continu. ( 2) Ensuite, à titre de comparaison, le même bouillon de fermentation de lysine est traité par une opération de résine conventionnelle du type à lit fixe L'opération conventionnnelle est décrite dans la demande de brevet japonais mise à l'Inspection Publique n 61-24548 Ainsi, comme dans ( 1) ci-dessus, les opéra- tions de résine suivantes sont conduites par la méthode à trois tours d'adsorption et à trois tours d'éLution, utilisant cinq tours garnis de 1 l de résine "DIAION SK-1 B' qui est une résine échan- geuse de cations fortement acide du type NH 4. Adsorption SV = 1,8 Déplacement SV = 1,8 Lavage à contre-courant SV = 2,2 Elution SV = 0,96 Déplacement SV = 1,8 ( 3) Les résultats sont montrés dans le tableau 1 Les résultats de la méthode conformément à la présente invention sont ceux obtenus à l'état stationnaire, bien entendu. Tableau 1 Invention Méthode conventionnelle Concentration en Lys éLuée Taux de décharge de l'eau de lavage par rapport à la solution d'échanti L Lon Quantité d'eau de lavage utilisée Taux de récupération de la Lys Productivité de la résine 12 g/dl % 12 g/dl 350 % 1 4,4 96 % 99 % 3 ou plus 1 Comme on peut le voir d'après le tableau 1, conformément à la présente invention le rendement en lysine diminue légèrement mais la concentration de l'éluant est la même que pour la méthode conventionnelle, de sorte que la quantité d'eaux résiduaires est fortement réduite IL est donc non nécessaire de soumettre les eaux résiduaires à un traitement par le procédé à boues actives de sorte que l'on peut réduire les coûts de traitement des eaux résiduaires et les coûts de l'installation De plus, la productivité de la résine devient environ trois fois celle de la méthode convention- ne L Le de sorte que les coûts pour les opérations de résine peuvent également être réduits. Exemple 2 ( 1) La liqueur mère de recristallisation (p H 3,2, concen- tration en acide glutamique de 1,92 g/dl) est obtenue à partir d'un bouillon de fermentation de l'acide glytamique (Glu) par isolement de l'acide glutamique par cristallisation au point isoéLectrique A la liqueur mère on ajoute de l'acide sulfurique à 96 % pour réduire le p H à 1,5 La solution ainsi obtenue est utilisée comme solution d'échantillon. La solution est mise en contact avec la résine d'une manière similaire à celle de l'exemple 1, sauf que le "DIAION Px-212 L" (résine échangeuse de cations fabriquée par Mitsubishi Chemical Industry Co, Ltd) du type NH 4 est utilisé et qu'une solution obtenue par addition de 1 % de carbonate de sodium à un bouillon de fermentation d'acide glutamique (concentration en acide glutamique de 8,5 g/dl) est utilisée comme éLuant Les débits d'écoulement dans les parties respectives sont les mêmes qu'à l'exemple 1. ( 2) Une comparaison avec la méthode conventionnelle est également faite de la même manière qu'à l'exemple 1. ( 3) Les résultats sont montrés dans le tableau 2. Tab Leau 2 Invention Concentration de Glu élué Taux de décharge de l'eau de lavage par rapport à la solution d'échantillon Quantité d'eau de lavage utilisée Taux de récupération du Glu Productivité de la résine 6,9 g/dl % 83 % 3 ou plus Méthode conventionne Lle 6,9 g/dl 460 % 2,4 87 % De même dans cet exemple, la diminution du rendement est notée comme dans l'exemple 1, mais il est possible de réduire fortement la quantité d'eau utilisée et la quantité d'eaux résiduaires Il est également possible d'améliorer fortement la productivité de la résine. REVENDICATIONS 1 Une méthode de purification d'un aminoacide qui comprend la mise en contact d'une solution d'aminoacide contenant des impuretés avec une résine échangeuse d'ions pour adsorber séLec- tivement ledit aminoacide sur La résine, l'élution et la récupération de l'aminoacide adsorbé, caractérisée en ce que la résine est mise en contact avec la solution d'aminoacide dans des étapes multiples continues à contre-courant durant l'adsorption et un éLuant est mis en contact avec la résine après adsorption dans des étapes multiples continues à contre-courant durant l'élution. 2 La méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite résine échangeuse d'ions est une résine échangeuse de cations fortement acide. 3 La méthode selon la revendication 1, selon laquelle ledit aminoacide est la lysine ou l'acide glutamique.