СПОСОБ ОБЕССОЛИВАНИЯ РАСТВОРОВ НЕЙТРАЛЬНЫХ АМИНОКИСЛОТ
METHOD FOR DECONTAMINATION OF SOLUTIONS OF NEUTRAL AMINO ACIDS

Изобретение относится к применению полупроницаемых мембран для разделения растворов и может быть использовано для эффективной и глубокой очистки растворов нейтральных аминокислот от минеральных солей. Аминокислоты, очищенные данным способом, востребованы в фармацевтической, медицинской, косметической отраслях промышленности.
Среди применяемых методов очистки аминокислот обычно используются перекристаллизация, требующая многократного повторения и больших энергозатрат, а также электродиализ с ионообменными мембранами, не использующий ионообменные спейсеры и не позволяющий достигать глубокого обессоливания (патент US 5049250, МПК B01D 61/44; C07C 227/40, опубл. 1991-09-17). В патенте US 6551803 (МПК C01D 1/44; B01D 61/44; C12P 13/04; C12P 13/08; опубл. 09/04/2002) представлен способ деминерализации растворов аминокислот, получаемых при ферментации. Авторам изобретения удалось достигнуть высокой степени обессоливания >98.5% только в несколько стадий. Это осложняет реализацию процесса деминерализации в промышленных масштабах, так как обработка растворов проводится вначале ионообменниками, с последующей очисткой растворов аминокислоты методом циклического электродиализа (в несколько циклов) с биполярными мембранами на финальной стадии.
В литературе представлена работа (Yuan F. Influence of different resins on the amino acids recovery by resin-filling electrodialysis / F. Yuan et al. // Separation and Purification Technology. 2015. Vol. 153. P. 51-59), в которой метод электродеионизации применен для извлечения аминокислот из растворов, однако, рассмотрены только основная и кислая аминокислоты, имеющие достаточно большую молекулярную массу. Кроме того, предлагаемая система использует биполярные мембраны, что делает ее применение более затратным. Авторы не приводят данных, показывающих достижение глубокого обессоливания растворов наряду с низкими потерями целевого продукта. Данный способ не может быть принят за прототип.
Для выделения аминокислот при их получении микробиологическим синтезом применяется метод электродиализа, при котором происходит разделение сильных электролитов и амфолитов - аминокислот за счет процесса селективного переноса катионов и анионов сильного электролита через катионообменные и анионообменные мембраны, служащие разделителями в аппарате, подключенном к источнику постоянного тока.
В патенте А.С. №1685481 (МПК B01D 61/00, опубл. 23.10.91) деминерализация раствора аминокислоты осуществляется методом электродиализа с применением катионообменых, анионообменных и биполярных мембран, размещенных между каждой парой катионообменых и анионообменных мембран. При использовании такого способа очистки аминокислот остаточное солесодержание составляло 0.001 г/л при потерях аминокислоты, достигающих 13%. Основным недостатком данного метода являются высокие потери аминокислоты. Данный патент принят за прототип как наиболее близкий по решаемой задаче.
Задачей настоящего изобретения является разработка экономичного и эффективного способа обессоливания аминокислот. Получение высокой степени чистоты аминокислот возможно обработкой растворов аминокислот методом электродеионизации. Предлагается способ деминерализации раствора нейтральной аминокислоты методом электродеионизации, который позволяет достигнуть высоких показателей эффективности процесса очистки аминокислот. Данный метод не требует затрат на регенерирующие реактивы и их утилизацию в отличие от ионного обмена, может быть автоматизирован, экологически чистый.
Технический результат заключается в обессоливании растворов нейтральных аминокислот не менее чем на 98%, при потерях аминокислоты не выше 3%, кроме того, в снижении требуемой плотности тока, а следовательно, расходов на электроэнергию.
2
Технический результат достигается тем, что в способе обессоливания растворов нейтральных аминокислот, включающем использование катионообменных и анионообменных мембран с заполнением пространства между каждой парой катионообменных и анионообменных мембран, ограничивающих секции обессоливания, смешанным слоем гранульных ионообменников, согласно изобретению обессоливание растворов проводится методом электродеионизации при плотности тока 2 мА/см, а в качестве заполнителя пространства между мембранами, ограничивающими секции обессоливания, используются монодисперсные сильнокислотный катионообменник и сильноосновный анионообменник в соотношении, поддерживающем pH, близким к изоэлектрической точке аминокислоты, причем обессоливаемый раствор аминокислоты пропускают через пространство, заполненное смесью катионообменника и анионообменника, при этом в камерах концентрирования циркулирует дистиллированная вода, а в электродные камеры подают раствор сульфата натрия.
В качестве засыпки могут быть использованы катионообменники и анионообменники марок Lewatit или Diaion с монодисперсными гранулами в соотношении 2:3.
На фиг. 1 (а) приведены графики концентрационных отношений нитрат ионов: 1 - при электродеионизации, 2 - при электродиализе ионов калия; 3 - при электродеионизации, 4 - при электродиализе; на фиг. 1 (б) - глицина: 1 - при электродиализе, 2 - при электродеионизации в зависимости от плотности тока.
На фиг. 2 приведена зависимость показателя кислотности среды в секциях деионизации от плотности тока для различных вариантов засыпки межмембранного пространства ионообменниками марки Lewatit. Соотношение катионообменника и анионообменника: 1 - 1:3, 2 - 1:2, 3 - 2:3, 4 - 1:1, 5 - 3:2.
На фиг. 3 приведена зависимость показателя кислотности среды в секции деионизации от плотности тока для различных вариантов засыпки катионообменником Diaion SK1B и анионообменником SA10A в соотношении: 1 - 1:3, 2 - 2:3, 3 - 3:2.
На фиг. 4 приведен график концентрационных отношений глицина при одинаковом соотношении катионообменника и анионообменника 2:3 в зависимости от плотности тока: 1 - Diaion, 2 - Lewatit.
На фиг. 5 приведен график концентрационных отношений ионов калия при одинаковом соотношении катионообменника и анионообменника 2:3 в зависимости от плотности тока: 1 - Diaion, 2 - Lewatit.
На фиг. 6(а) приведены графики концентрационных отношений нейтральных аминокислот: 1 - лейцина, 2 - валина, 3 - глицина при одинаковом соотношении 2:3 ионообменников Diaion SK1B и Diaion SA10A (Mitsubishi), на фиг. 6(б) - ионов калия в зависимости от плотности тока в процессе электродеионизации растворов нитрата калия в смеси с 1-лейцином, 2 - глицином, 3 - валином при одинаковом соотношении 2:3 ионообменников Diaion SK1B и Diaion SA10A (Mitsubishi).
На фиг. 7 представлена схема ячейки для электродеионизации с чередующими катионообменными (К), анионообменными (А) мембранами (синий круг - катионообменник, зеленый круг - анионообменник, АА - аминокислота).
2
На фиг. 8 приведена Таблица 1 с параметрами обессоливания раствора нейтральной аминокислоты (глицина) в зависимости от соотношения катионообменника и анионообменника марки Lewatit в засыпке при плотности тока 2 мА/см.
2
На фиг. 9 приведена Таблица 2 с параметрами обессоливания раствора глицина в зависимости от соотношения катионообменика и анионообменника марки Diaion в засыпке при плотности тока 2 мА/см.
2
На фиг. 10 приведена Таблица 3 с параметрами обессоливания раствора глицина при использовании катионообменников и анионообменников марок Lewatit и Diaion в соотношении 2:3 при плотности тока 2 мА/см.
2
На фиг. 11 приведена Таблица 4 с параметрами обессоливания растворов различных нейтральных аминокислот при использовании ионообменников марки Diaion при плотности тока 2 мА/см.
На фиг. 12 приведена Таблица 5 с параметрами обессоливания раствора глицина при различных значениях плотности тока (соотношение катионообменника и анионообменника Diaion в засыпке 2:3).
Принципиальная особенность способа состоит в контроле плотности тока и значений pH растворов секций обессоливания за счет подбора состава смешанного слоя ионообменников секции обессоливания для регулирования потерь аминокислоты и степени обессоливания их растворов. Метод электродеионизации как заключительная стадия процесса деминерализации позволяет достигнуть максимальных степеней обессоливания при снижении потерь аминокислот по сравнению с методом электродиализа. При этом для достижения одной и той же степени обессоливания раствора аминокислоты в ячейке электродеионизации требуются более низкие значения плотности тока, а следовательно, более низкие энергозатраты.
Сопоставление параметров обессоливания растворов нейтральных аминокислот при использовании электродиализа и электродеионизации демонстрирует преимущество метода электродеионизации за счет достижения более высоких степеней обессоливания растворов аминокислот (Фиг. 1а) и сокращения их потерь (Фиг. 1б).
Соотношение содержания катионообменника и анионообменника в смешанном слое позволяет регулировать значение pH растворов секции деионизации (Фиг. 2). При электродеионизации растворов нейтральных аминокислот применение смешанного слоя сильнокислотного катионообменника и сильноосновного анионообменника в различном соотношении позволяет регулировать потери целевого продукта (для представителей данного класса соединений, таких как глицин, валин, лейцин). При оптимальном соотношении ионообменников значение pH растворов секции обессоливания близко к изоэлектрической точке. Аминокислота в растворе находится практически полностью в виде биполярных ионов и не способна переноситься через ионообменные мембраны по механизму электромиграции.
При увеличении доли высококислотного катионообменника такого как S1468 в составе засыпки в смеси с высокоосновным анионообменником S6328A марки Lewatit фирмы Bayer наблюдается снижение величины pH растворов секции обессоливания, что приводит к увеличению потоков аминокислоты через катионообменную мембрану и, следовательно, увеличению потерь аминокислоты.
При соотношениях катионообменника и анионообменника 1:2, 1:3, 2:3 значения pH растворов секции деионизации близки к pI аминокислоты. Это позволяет сократить потери аминокислоты до минимальных значений. Максимальные значения степени обессоливания достигаются при соотношении катионообменника и анионообменника 2:3 (Таблица 1).
Узкий диапазон гранулометрического состава ионообменников позволяет увеличить показатель степени обессоливания.
Оптимальный слой можно сформировать из ионообменников фирмы Dianion за счет максимально узкого диапазона гранулометрического состава. При этом наблюдается увеличение показателя степени обессоливания - не менее 98%. Это происходит за счет увеличения площади поверхности ионообменного материала для массопереноса.
Сравнение использования различного соотношения высококислотного катионообменника (SK1B) и высокоосновного анионообменника (SA10A) марки Dianion фирмы Mitsubishi в составе смешанного слоя в секции деионизации позволяет выбрать соотношение 3:2 для сокращения потерь аминокислоты. Однако достижение максимальной степени обессоливания наблюдается при соотношении 2:3 (Таблица 2). При соотношении 3:2 потери глицина несколько ниже, так как значение pH раствора в секции обессоливания близко к pI аминокислоты (Фиг. 3)
Сопоставление полученных количественных характеристик деминерализации растворов аминокислот при различных соотношениях ионообменников позволяет выделить оптимальное соотношение катионообменника и анионообменника 2:3. Для сокращения потерь аминокислот рекомендуется применять ионообменники марки Dianion (Фиг. 4, Таблица 3).
Применение ионообменников марок Lewatit и Dianion позволяет достигать максимально высоких степеней обессоливания. Это подтверждается зависимостями концентрационного соотношения катионов калия при одинаковых соотношениях ионообменников применяемых марок от плотности тока (Фиг. 5).
Значимое влияние оказывает размерный фактор при электродеионизации растворов аминокислот. С увеличением объема ионов аминокислоты наблюдается сокращение ее потерь за счет снижения подвижности, поэтому потери аминокислоты глицина будут максимальными. Минимальные потери наблюдаются для аминокислоты лейцина среди исследуемых алифатических аминокислот (Фиг. 6 а) и б)). За счет уменьшения потоков аминокислоты через ионообменные мембраны в результате низкой подвижности ионов лейцина наблюдается незначительное увеличение потоков минеральных ионов и степени обессоливания растворов, содержащих аминокислоту с большим объемом (Таблица 4).
2
С увеличением градиента электрического потенциала потоки ионов минеральной соли при электродеионизации увеличиваются. Проведение процесса при более высокой плотности тока (5 мА/см) позволяет увеличить степень обессоливания до 99.3%, однако, это приводит к увеличению потерь целевого продукта до 9% в случае очистки раствора аминокислоты глицина, имеющего наименьшую молекулярную массу (Таблица 5).
Конструкция ячейки для проведения деминерализации растворов методом электродеионизации представлена на фиг. 7.
Пример 1.
2
Для реализации способа была использована электродеионизационная ячейка со штуцерами для ввода и вывода растворов разборного типа. Секции аппарата разделяются чередующими катионообменными и анионообменными мембранами. Анод изготовлен из платины. Материал катода - нержавеющая сталь. Ячейка соединяется с источником постоянного тока. Деминерализация растворов аминокислот проводится в гальваностатическом режиме. Значения напряжения на ячейке измеряются вольтметром. Высота канала составила 20 см, ширина мембраны равна 1 см, межмембранное расстояние 1 см. Площадь рабочей поверхности мембраны равна 20 см. Раствор аминокислоты концентрации (0.1М) в смеси с минеральной солью нитратом калия концентрации (0.01М) подается во 2, 4 и 6 секцию обессоливания электродиализатора. Данные секции заполнялись смешанным слоем катионообменника и анионообменника. В камеры концентрирования 3, 5 подается дистиллированная вода, в секции 1, 7 - раствор сульфата натрия. Регуляция скорости подачи растворов осуществлялась центробежным насосом, контроль скорости вытекания жидкости из камер электродиализатора - объемным способом на выходе из секций. Время достижения стационарного режима составляло 40-50 минут, оно контролировалось прекращением колебаний значений напряжения. В работе применялись гетерогенные анионообменные мембраны МА-41И, катионообменные мембраны МК-40 (производство ОАО «Щекиноазот», РФ). Анионообменные мембраны изготовлены из высокоосновного анионообменника АВ-17. В качестве функциональных групп данных мембран выступают четвертичные аминогруппы. Мембраны МК-40 изготовлены из высококислотного катионообменника КУ-2. Функциональными группами в данной мембране служат сульфогруппы.
2
Деминерализацию раствора глицина (нейтральной аминокислоты с наименьшей молекулярной массой) проводили в семикамерной электродиализной ячейке при плотности тока 2 мА/см при заполнении секций обессоливания смесью высококислотного катионообменника и высокоосновного анионообменника марки Lewatit в выбранном соотношении 2:3, позволяющем поддерживать значение pH раствора близким к изоэлектрической точке аминокислоты. Обессоливанию подвергался раствор глицина с концентрацией 0.1М, при этом модельный раствор содержал нитрат калия (С=0.01М). Степень обессоливания раствора глицина достигала 98%, а потери аминокислоты составили 3%.
Пример 2.
Процесс проводили так же, как в примере 1, но в качестве засыпки секций обессоливания применяется смесь монодисперсных ионообменников Diaion SK1B и Diaion SA10A фирмы Mitsubishi в том же соотношении, что привело к снижению потерь аминокислоты по сравнению с примером 1 (1.7%) при той же степени обессоливания (98%). Значение pH в камерах обессоливания при использовании данной засыпки поддерживалось несколько выше изоэлектрической точки глицина (pH=6.50-6.65), что показывает возможность дополнительного снижения потерь при незначительном снижении pH за счет корректировки долей ионообменников в засыпке.
Пример 3.
Процесс проводили так же, как в примере 2, но дополнительное снижение потерь глицина до 1.5% стало возможным при соотношении катионо- и анионообменника 3:2. При этом степень обессоливания уменьшилась до 94%.
Пример 4.
Процесс проводили так же, как в примере 2, но в качестве аминокислоты использовали валин (нейтральная алифатическая аминокислота с большей молекулярной массой, чем глицин). Для раствора валина степень обессоливания сохранялась высокой (98%), а потери снизились до 0.7%.
Пример 5.
Процесс проводили так же, как в примере 2, но в качестве аминокислоты использовали лейцин (нейтральная алифатическая аминокислота с наибольшей молекулярной массой). При этом потери лейцина составили 0.3%.
Пример 6.
2
Процесс проводили так же, как в примере 2, но обессоливание осуществляли в более интенсивном токовом режиме (плотность тока 5 мА/см). Степень обессоливания раствора глицина составила 99.3%, однако, в данном случае потери этой аминокислоты с наименьшей молекулярной массой увеличились до 9%.
Таким образом, выбор оптимальных условий деминерализации зависит от требований к аминокислоте. Максимальных степеней обессоливания можно достичь при проведении процесса в интенсивном токовом режиме (высокие значения плотности тока). Для сокращения потерь аминокислот в процессе их обессоливания рекомендуется использовать более низкие плотности тока в области действия барьерного эффекта (Шапошник В.А. Транспорт глицина через ионообменные мембраны при электродиализе / В.А. Шапошник, Т.В. Елисеева, В.Ф. Селеменев // Электрохимия. - 1993. Т. 29, №6. - С. 794-795). При применении гибридного метода деминерализации - электродеионизации достигаются максимальные степени обессоливания при минимальных потерях. Увеличение длины канала электродеионизационного аппарата позволит достичь еще более высоких значений степени обессоливания.
В процессе электродеионизации растворов аминокислот осуществляется регенерация слоя ионообменников in situ ионами гидроксила и гидроксония, образующимися при реакции диссоциации воды на межфазной границе мембрана - раствор, протекание которой происходит при превышении предельной плотности тока. Регенерация ионообменных мембран, контактировавших с растворами, содержащими аминокислоты, осуществляется в запредельных условиях электродиализа за счет вымывания катионов и анионов аминокислоты из фазы мембраны, образующихся при взаимодействии с ионами растворителя, участвующими также в переносе электрического тока.