Brevet FR2721934A1 — publié le 19960105

Cette invention concerne un procédé de purification de la béta cyclodextrine et plus spécifiquement un procédé d'élimination de la béta cyclodextrine ramifiée d'une solution aqueuse contenant à la fois la béta-cyclodextrine ramifiée et la béta cyclodextrine non ramifiée, au moyen de plusieurs phases de cristallisation. Les cyclodextrines, également appelées dextrines de Schardinger, cycloamyloses, cyclomaltoses et cycloglucanes, sont des oligomères cycliques d'anhydroglucose, liés ensemble par des liaisons alpha 1,4. Si l'oligosaccharide cyclique possède six monomères, on l'appelle alphacyclodextrine; s'il en comporte sept, on l'appelle béta-cyclodextrine et s'il en comporte huit, gamma-cyclodextrine. Ces cycles à six, sept et huit membres sont également appelés, respectivement, cyclomaltohexaose, cyclomaltoheptaose et cyclomaltooctaose. Les cyclodextrines ramifiées ont été décrites dès 1965 par French et ses collaborateurs (voir French et ses coll. Archives de Biochimie et de Biophysique, Volume III, pages 153- , 1965), mais ont été très peu étudiées jusqu'à récemment. Les cyclodextrines ramifiées comprennent la structure cyclique de l'anhydroglucose lié alpha 1,4 dont un ou plusieurs monomères anhydroglucose sont liés par des liaisons alpha 1,6. La ramification elle-même peut comprendre plus d'un anhydroglucose monomère de telle sorte que la ramification est un oligomère ou un polymère. Ces monomères anhydroglucose supplémentaires qui constituent la structure ramifiée sont liés ensemble par des liaisons alpha 1,4. La béta- cyclodextrine ramifiée est relativement soluble dans l'eau en comparaison de la béta- cyclodextrine non ramifiée. Spécifiquement, la béta- cyclodextrine non ramifiée a une solubilité d'environ 2% en poids alors que la bétacyclodextrine ramifiée a une solubilité d'environ 50% en poids et plus. Dans un souci de définition, le terme "béta-cyclodextrine" sans le mot modificateur "ramifiée" ou "non ramifiée" signifie à la fois béta-cyclodextrine ramifiée et béta- cyclodextrine non ramifiée. Les béta-cyclodextrines ramifiées et non ramifiées seront spécifiquement identifiées en tant que telles. 2- - Les béta-cyclodextrines sont produites par traitement d'une bouillie d'amidon avec un enzyme, la cyclodextrine glycosyltransférase (CGT) au pH, à la température, et pendant la durée appropriés pour la CGT choisie. L'amidon peut provenir de toute variété de plante choisie. L'enzyme CGT est obtenu à partir de microorganismes tels que le bacillus macerans. le B.magaterium. le B.circulans. le B.stearothermophilus et le bacillus sp (alcalophile) ainsi que d'autres. Les paramètres pour la réaction entre l'enzyme CGT choisi et l'amidon choisi sont conventionnels et bien décrits par la littérature. Conventionnellement, l'amidon est délayé dans une solution aqueuse pour donner une bouillie à une concentration jusqu'à environ 35% en poids d'extrait sec. La bouillie est ensuite soumise à une gélatinisation et à une liquéfaction par un enzyme ou un acide jusqu'à un équivalent dextrose (DE) d'environ 1 à environ 5. L'enzyme préféré pour la liquéfaction est l'alpha-amylase bactérienne. Ensuite, la CGT choisie est ajoutée à la bouillie gélatinisée et liquéfiée et le pH, la température et la durée de traitement sont ajustés suivant l'enzyme choisi. Généralement, le pH varie entre 4,5 et environ 8,5, la température allant de l'ambiante à environ 75 C et la longueur des réactions variant d'environ dix heures à sept jours. La quantité de béta cyclodextrine produite variera suivant les conditions de traitement et l'enzyme choisi. La béta- cyclodextrine est séparée du milieu de digestion brut d'une manière conventionnelle comme, par exemple, par cristallisation, précipitation ou filtration. En vue de produire de manière prédominante de la béta cyclodextrine, la réaction entre la CGT et la bouillie d'amidon gélatinisée et liquéfiée peut être conduite en présence d'un solvant. De tels solvants augmentent substantiellement le rendement de béta cyclodextrine en favorisant la précipitation de la béta cyclodextrine, déplaçant de ce fait l'équilibre en faveur d'une production continue de cyclodextrine. Les solvants typiques comprennent le toluène et le p-xylène. Ces solvants sont également appelés complexants ou complexants de la cyclodextrine car ils forment des complexes avec la cyclodextrine et la cyclodextrine précipite sous forme d'un complexe de cyclodextrine et du complexant. Typiquement, le solvant est séparé de la béta cyclodextrine par ébullition d'une solution aqueuse de la béta cyclodextrine complexée. Le solvant est distillé et la cyclodextrine reste dans la solution. La cyclodextrine est ensuite récupérée de cette solution d'une manière conventionnelle comme, par exemple, par précipitation, cristallisation ou filtration. La séparation et la purification de la béta cyclodextrine non ramifiée, d'une solution contenant de la béta cyclodextrine, sont extrêmement difficiles. Une méthode connue pour la purification de la séparation de la béta cyclodextrine ramifiée, de la béta cyclodextrine non -3 - ramifiée, est une méthode chromatographique, voir le brevet US n 5 007 967, édité le 16 avril 1991. Une autre méthode connue est présentée dans le brevet US n 4 840 679 édité le 20 juin 1989. Dans le brevet 679, on utilise un complexant de bêta cyclodextrine pour séparer la bêta cyclodextrine ramifiée de la non ramifiée. Cependant, un tel procédé nécessite un traitement supplémentaire de la béta cyclodextrine non ramifiée complexée pour séparer le complexant de la bêta cyclodextrine non ramifiée. Il est nécessaire que soit mise au point une méthode simple, peu coûteuse, de purification de la béta cyclodextrine non ramifiée pour éliminer la cyclodextrine ramifiée. La cristallisation est une méthode connue pour la purification industrielle des matières. La cristallisation est, par essence, la précipitation de matières solides à partir d'une solution. Souvent, on utilise l'opération en combinaison avec la crisallisation pour purifier des matières. Un problème posé par la cristallisation est que toutes les matières ne forment pas des cristaux purs. Dans certaines situations, on sait qu'il se forme des cristaux mixtes. Une méthode de purification de la béta cyclodextrine non ramifiée a maintenant été découverte. Globalement, le processus de purification de la présente invention comprend la formation d'une première solution ou solution initiale aqueuse contenant de la bêta cyclodextrine; la formation d'un premier précipité et d'une première liqueur à partir de la première solution par cristallisation; la récupération du premier précipité, de ladite première solution; la formation d'une seconde solution aqueuse avec le premier précipité; la formation d'un second précipité et d'une seconde liqueur à partir de ladite seconde solution par cristallisation; la récupération du second précipité; et, enfin, la récupération de la bêta cyclodextrine non ramifiée, dudit second précipité. De préférence, en vue d'augmenter la pureté de la bêta cyclodextrine non ramifiée, au lieu de récupérer la béta cyclodextrine non ramifiée du second précipité, on forme une troisième solution aqueuse à partir du second précipité et on effectue une troisième opération de cristallisation sur la troisième solution pour former un troisième précipité et une troisième liqueur; le troisième précipité est récupéré et, enfin, la béta cyclodextrine non ramifiée est récupérée de ce troisième précipité. -4 - La phase de cristallisation de la présente invention est effectuée sans l'addition d'un complexant ou d'un solvant. On notera qu'il peut y avoir une certaine quantité résiduelle du solvant qui a été utilisé soit au cours de la fabrication, soit au cours de la récupération de la béta cyclodextrine de la digestion brute d'amidon ou d'hydrolysat d'amidon avec la CGT. Ce solvant résiduel est également éliminé de la béta cyclodextrine non ramifiée par le procédé de purification selon la présente invention. En outre, certaines dextrines acycliques apparaissent également avec la cyclodextrine récupérée directement de la digestion brute. Ces dextrines acycliques sont également considérées comme constituant une impureté et sont éliminées par le procédé de purification de la présente invention. Ces aspects et d'autres aspects de la présente invention peuvent être mieux compris en faisant référence aux dessins ci-annexés, parmi lesquels: la figure 1 illustre une large configuration de mise en application de la présente invention en ce qui concerne la béta cyclodextrine non ramifiée; et la figure 2 illustre la phase supplémentaire de formation d'une troisième solution et d'un troisième précipité conformément au procédé de la présente invention. Comme le montre la figure 1, on forme une solution initiale ou une première solution aqueuse, phase 8, à partir de la béta cyclodextrine qui a été récupérée d'une digestion brute, la digestion brute ayant été formée d'une manière conventionnelle par le traitement d'une bouillie d'amidon avec l'enzyme CGT au pH, à la température, et pendant la durée approprié(e)s pour l'enzyme CGT spécifique, et ensuite traitée pour séparer la béta cyclodextrine au cours d'une opération de cristallisation ou de filtration d'une manière conventionnelle. La béta cyclodextrine récupérée de la digestion brute comporte typiquement environ 85% à environ 90% en poids de béta cyclodextrine non ramifiée; environ 2% à environ 4% en poids de béta cyclodextrine ramifiée; et environ 6% à environ 13% en poids de matière acyclique. La solution initiale ou première solution selon la présente invention comprend de l'eau et de la béta cyclodextrine récupérée directement de la digestion brute et possède un extrait sec d'environ 24% à environ 407c en poids et, ce qui est encore préférable, environ % à environ 30% en poids. On procède à un chauffage et à un mélange d'une manière conventionnelle avec un équipement conventionnel pour former la première solution. -5 - Lorsque la béta-cyclodextrine a été récupérée de la digestion brute sous la forme d'une béta cyclodextrine complexée, c'est-à-dire qu'un solvant a été utilisé, la formation de la première solution (phase 8) comprend la distillation de la première solution pendant une période de temps suffisante pour provoquer l'évaporation du solvant de ladite solution, avant la première phase de cristallisation. La distillation est effectuée d'une manière conventionnelle avec un équipement conventionnel. Parfois, ce processus de distillation n'élimine pas la totalité du solvant et des traces de ce dernier restent avec la cyclodextrine. La phase de cristallisation subséquente de la présente invention élimine ces traces de solvant Lorsqu'on utilise cette solution initiale aqueuse, il se forme un premier précipité et une première liqueur au cours d'une première phase de cristallisation 10. La première phase de cristallisation 10 est effectuée par refroidissement de la première solution jusqu'en dessous d'environ 20 C puis maintien de la première solution à une température d'environ 4 C à environ 26 C pendant une période de temps déterminée. Typiquement, la solution initiale ou première solution se trouve à une température d'environ 95 C et est ensuite refroidie à environ 20 C; cependant, la température exacte de la solution initiale n'est pas critique tant que toute la matière solide utilisée pour former la première solution se trouve dans la solution. Lorsqu'on la refroidit, la première solution ou solution initiale est laissée au repos pendant une période d'environ 1 à environ 7 jours pour que le premier précipité se forme. Les spécialistes apprécieront le fait que le premier précipité ne se forme pas instantanément mais se forme sur une période de temps déterminée. Il a été constaté qu'après une période d'environ 3 jours, la totalité ou la plus grande partie du premier précipité s'est formée. Ce qui est très préférable est que la période de temps nécessaire pour la formation du précipité soit d'environ 2 jours ou même davantage. L'équipement utilisé au cours de la phase de première cristallisation peut être un équipement de cristallisation conventionnel tel qu'un cristalliseur à cuve, un cristalliseur discontinu agité ou un cristalliseur Swenson-Walker; on utilise de préférence, pour la présente invention, un cristalliseur à cuve, qui est équipé d'un dispositif de refroidissement tel qu'une enveloppe de refroidissement qui tourne autour de l'extérieur de la cuve. Dans les cristalliseurs discontinu, agité et Swanson-Walker, l'agitation devrait être suffisante pour assurer la cristallisation de la cyclodextrine. Il a été constaté que l'ensemencement n'était pas nécessaire. -6 - La récupération du premier précipité, phase 12, est réalisée d'une manière conventionnelle avec un équipement conventionnel. On peut utiliser la filtration ou la centrifugation, la filtration étant préférée. Une telle opération produit la première liqueur en tant que sous-produit. La formation de la seconde solution, phase 14, est réalisée par mélange d'eau avec le premier précipité, d'une manière conventionnelle avec un équipement conventionnel. De préférence, le précipité est dissous dans l'eau par chauffage et agitation pour former une solution d'environ 2% à environ 35% en poids d'extrait sec et, ce qui est encore préférable, environ 25% à environ 30% en poids. Il a été constaté que la quantité de chaleur nécessaire pour dissoudre entièrement le premier précipité est telle que la seconde solution bout. La formation du second précipité et de la seconde liqueur est effectuée par le biais d'une seconde phase de cristallisation, phase 16. La seconde phase de cristallisation est effectuée de la même manière que la première. La seconde solution est refroidie jusqu'à une température inférieure à 20 C et maintenue à une température entre environ 4 C et environ 26 C et, ce qui est encore préférable, environ 15 C et environ 20 C, pour former le second précipité. De préférence, la période de temps nécessaire pour la formation du second précipité est d'environ 2 jours ou davantage. Un équipement de cristallisation conventionnel est utilisé d'une manière conventionnelle pour la seconde phase de cristallisation. La récupération du second précipité, phase 18, de la seconde solution, est réalisée d'une manière conventionnelle avec un équipement conventionnel comme, par exemple, par centrifugation ou filtration. De préférence, le second précipité est séparé par filtration. La béta cyclodextrine non ramifiée est ensuite récupérée, phase 20, du second précipité. Si l'on préfère une pureté supérieure de la béta cyclodextrine non ramifiée, alors, avant de récupérer la béta cyclodextrine non ramifiée du second précipité, on forme une troisième solution aqueuse, phase 22, à partir du second précipité, en mélangeant le second précipité avec de l'eau comme indiqué dans la figure 2. Ensuite, on forme un troisième précipité et une troisième liqueur en utilisant une troisième phase de cristallisation 24. Le troisième précipité est ensuite récupéré, phase 26, et la béta cyclodextrine non ramifiée est récupérée du troisième précipité, phase 28. La troisième solution est formée à partir du second précipité et d'eau de manière à former une solution d'environ 2cX à environ 35% d'extrait sec et, ce qui est encore -7 - préférable, d'environ 25% à environ 30% en poids. On chauffe et on mélange selon nécessité pour former cette troisième solution. La troisième phase de cristallisation utilisée pour former le troisième précipité et la troisième liqueur, à partir de la troisième solution, est réalisée de la même manière que pour la seconde phase de cristallisation. La troisième solution est préparée par chauffage puis refroidissement de la solution en dessous de 20 C. La température de la troisième solution est maintenue pendant la formation du troisième précipité et de la troisième liqueur, entre environ 4 C et environ 26 C et, ce qui est encore préférable, entre environ 15 C et environ C. De préférence, la période de temps nécessaire pour la formation du troisième précipité est d'environ 2 jours ou davantage. La troisième phase de cristallisation de la troisième solution est réalisée d'une manière conventionnelle avec un équipement conventionnel. La récupération du troisième précipité, de la troisième solution, est réalisée d'une manière conventionnelle avec un équipement conventionnel comme, par exemple, par centrifugation ou filtration. Ces aspects et d'autres aspects de la présente invention peuvent être davantage compris avec 1' exemple ci-après. EXEFMPLE 1: On a refroidi une digestion brute contenant 250 grammes d'hydrate de carbone, à 30% d'extrait sec, de 95 C à 20 C pendant une période de 24 heures, ce qui a permis d'obtenir de la cyclodextrine directement à partir d'une digestion brute. La solution a ensuite été filtrée sur un tampon de papier de 18,5 cm dans un entonnoir B chner, sous vide. On a obtenu environ 90 grammes de cyclodextrine après séchage dans une étuve à 100 C. L'analyse effectuée sur cette matière est indiquée dans le tableau 1 ci-dessous. Cette analyse peut être effectuée sur une colonne de ClHP d'une manière conventionnelle. -8 - TABLEAU I Composant % en poids d'extrait sec Totaux en Grammes Composants acycliques 0,66 0,594 Béta cyclodextrine non 98,97 89,07 ramifiée Béta cyclodextrine ramifiée 0,37 0,333 Le gâteau de filtre collecté a ensuite été ajouté à 450 ml d'eau distillée et agité avec un barreau magnétique pendant environ 30 minutes puis chauffé à 95 C pour former une première solution. Cette première solution a ensuite été refroidie à 20 C et laissée au repos à 20 C pendant 16 heures. Le précipité solide a été séparé par filtration et le gâteau de filtre a été séché en étuve. C'est ce qu'on appelle le précipité I dans le tableau 2 ci-dessous. Ensuite, une seconde solution a été formée à partir du précipité I de la même manière que la première solution a été formée. Un second précipité a été formé de la même manière que le premier précipité. Ce second précipité est appelé précipité II dans le tableau 2 ci-dessous. TABLEAU 2 Précipité I Précipité II Composant % grammes % grammes Acyclique 0,11 0,0946 0 0 Béta cyclodextrine ramifiée totale 0,15 0,129 0 0 Béta cyclodextrine non ramifiée totale 99,74 85,78 100 85 Extrait sec total 100 86 100 85 -9 - Comme on peut le voir dans le tableau 2 ci-dessus, le procédé de cristallisation en deux phases de la présente invention a éliminé avec succès 100% des impuretés associées à la béta cyclodextrine non ramifiée. On comprendra que les configurations préférées de mise en application de la présente invention, choisies ici dans un but d'illustration, ont pour but de couvrir tous les changements et toutes les modifications de ladite configuration préférée de l'invention qui ne s'écartent pas de l'esprit et du champ d'application de cette dernière. - 10- REVENDICATIONS 1. Un procédé de purification de béta cyclodextrine non ramifiée comprenant les phases de: (a) formation d'un premier précipité et d'une première liqueur à partir d'une première solution au cours d'une première phase de cristallisation; (b) récupération dudit premier précipité; (c) formation d'une seconde solution par mélange d'eau avec ledit premier précipité; (d) formation d'un second précipité et d'une seconde liqueur, à partir de ladite seconde solution, au cours d'une seconde phase de cristallisation (e) récupération dudit précipité; et (f) récupération d'une béta cyclodextrine non ramifiée purifiée à partir dudit second précipité. 2. Le procédé de la revendication 1, caractérisé par le fait que la première phase de cristallisation est effectuée par refroidissement de la première solution à une température entre environ iO C et environ 25C et maintien de la température de la première solution pendant une période d'environ 3 jours ou davantage. 3. Le procédé de la revendication 1, caractérisé par le fait que les première et seconde phases de cristallisation sont toutes les deux effectuées par refroidissement des première et seconde solutions à une température inférieure à 20 C environ et maintien de la température des première et seconde solutions entre environ 4 C et 26 C pendant une période d'environ 16 heures ou davantage. 4. Le procédé de la revendication 1, caractérisé par le fait que la phase de récupération dans les deux phases (b) et (e) est effectuée par filtration. - lil - 5. Un procédé de purification de béta cyclodextrine non ramifiée comprenant les phases de: (a) formation d'un premier précipité et d'une première liqueur à partir d'une première solution, au cours d'une première phase de cristallisation; (b) récupération dudit premier précipité; (c) formation d'une seconde solution par mélange d'eau avec ledit premier précipité; (d) formation d'un second précipité et d'une seconde liqueur à partir de la seconde solution, au cours d'une seconde phase de cristallisation; (e) récupération dudit second précipité; (f) formation d'une troisième solution à partir dudit second précipité; (g) formation d'un troisième prpécipité et d'une troisième liqueur à partir de ladite troisième solution, au cours d'une troisième phase de cristallisation; (h) récupération dudit troisième précipité; et (i) récupération d'une béta cyclodextrine non ramifiée purifiée à partir dudit troisième précipité; 6. Le procédé de la revendication 5, caractérisé par le fait que les première, seconde et troisième phases de cristallisation sont effectuées par refroidissement des première, seconde et troisième solutions à une température inférieure à 20 C environ et maintien de la température des première, seconde et troisième solutions entre environ 4 C et 26 C pendant une période d'environ seize heures ou plus. 7. Le procédé de la revendication 5, caractérisé par le fait que la phase de récupération dans chacune des phases (b), (e) et (h) est effectuée par filtration.