Verfahren zur Isolierung von Lysin aus wässrigen Lösungen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Isolierung von Lysin aus wässrigen Lösungen, die verschiedene Aminverunreinigungen enthalten.
Gemäss einer bekannten Methode wird Lysin dadurch synthetisiert, dass man ein 5-(4-Halogenbutyl)- hydantoin (z. B. die Chlor- oder Bromverbindung) mit Ammoniak umsetzt und das erzielte Produktengemisch mit einer wässerigen Lösung einer starken Säure oder Base hydrolysiert. Bei der Umsetzung des Halogenbutylhydantoins mit Ammoniak bilden sich als Nebenprodukte der Umsetzung verschiedene sekundäre und tertiäre Aminoverbindungen, welche substituierte Hydantoine sind. Wird bei der Hydrolyse Lysin erzeugt, so hydrolysieren die genannten Nebenprodukte unter Bildung von weiteren Nebenprodukten, nämlich Aminoverbindungen, welche das Lysin verunreinigen. Diese Verunreinigungen enthalten im allgemeinen sekundäre und tertiäre Amine, wie z. B. Di-(5-amino-5-carboxypentyl)-amin und Tri (5-amino-5-carboxypentyl)-amin.
Bei den meisten bekannten Lysinsynthesen bilden sich Verbindungen des obigen Typus. Da sie keinen Nährwert besitzen, ist deren Anwesenheit in Lysin im allgemeinen nachteilig. Allerdings ist bis heute keine Methode bekanntgeworden, gemäss welcher man kleine Mengen dieser Verunreinigungen durch die üblichen fraktionierten Kristallisationsmethoden beseitigen konnte.
Lysin ist ein primäres Amin, während Di-(5amino-5-carboxypentyl)-amin und Tri-(5-amino-5carboxypentyl)-amin ein sekundäres bzw. tertiäres Amin sind. Da sekundäre und tertiäre Amine im allgemeinen basischer sind als die entsprechenden primären Amine, wäre zu erwarten, dass sie vorzugsweise bzw. selektiv aus diese Amine enthaltenden Lysinlösungen auf einem Kationenaustauschharz adsorbiert würden.
Entgegen diesen Erwartungen wurde festgestellt, dass beim Durchleiten einer sowohl Lysin als auch die obigen sekundären und tertiären Aminverunreinigungen enthaltenden Lösung durch ein Bett eines Kationenaustauschharzes die Lysinkomponente selektiv und vorzugsweise auf dem Harz adsorbiert wird.
Es wurde ferner festgestellt, dass diese selektive Adsorption von Lysin als Basis für eine praktische Methode zum Trennen derartiger Verunreinigungen von Lysin dienen kann.
Demgemäss besteht das erfindungsgemässe Ziel darin, dass man eine wässerige, solche Verunreinigungen enthaltende Lysinlösung durch ein Bett eines Kationenaustauschharzes mit stark sauren funktionellen Gruppen, welches in der Ammoniumform vorliegt, leitet und dieses Durchlassen so lange fortsetzt, bis das Bett vollständig mit Lysin beladen ist, das heisst bis zu einem Punkt, bei welchem wesentliche Lysinmengen in der abfliessenden Flüssigkeit wahrgenommen zu werden beginnen, die man dann für die Weiterverarbeitung sammeln kann. Nachdem das Bett mit Lysin beladen ist, und zwar vorzugsweise nachdem es schwach überladen ist, wird das auf dem Bett adsorbierte Lysin beispielsweise mit wässerigem Ammoniak eluiert. Das Gewichtsverhältnis von Lysin zu Verunreinigungen in der so erhaltenen abfliessenden Flüssigkeit wird wesentlich grösser sein als das Verhältnis in der Ausgangslösung.
Anderseits wird das Gewichtsverhältnis von Lysin zu Verunreinigungen in der aus dem Bett herrührenden, abflie ssenden Flüssigkeit während der das Bett beschickenden Stufe kleiner sein als das Verhältnis der Ausgangslösung. Dies hängt damit zusammen, dass Lysin durch das Harz in erster Linie adsorbiert wird.
Daraus resultiert beim erfindungsgemässen Verfahren die Erzeugung einer Lysinlösung, welche bezüglich der Verunreinigungen ärmer ist als die Ausgangslösung.
Das Kationenaustauschharz kann in Form einer vertikalen Kolonne verwendet werden, durch welche die unreine Lysinlösung so lange geleitet wird, bis das Harz beladen bzw. mit dem Lysin leicht überladen ist. Die Lösung wird somit so lange durch die Kolonne geleitet, bis Lysin in merklichen Mengen in der abfliessenden Flüssigkeit wahrgenommen wird. Der Durchgang der Lösung wird vorzugsweise so lange weitergetrieben, bis Lysin in Mengen von etwa 0,1-15014 vorzugsweise von 2-10 /o, bezogen auf die Menge des der Kolonne zugeführten Lysins, in der abfliessenden Flüssigkeit zu finden ist. Nachdem durch die Kolonne zu Waschzwecken Wasser durchgeleitet worden ist, lässt man ein Eluiermittel durch die Kolonne strömen. Durch getrenntes Sammeln der entstandenen Abwässer erhält man eine Lösung von Lysin und Eluiermittel.
Verwendet man ein flüchtiges Eluiermittel, wie z. B. wässeriges Ammoniak, so kann man das Eluiermittel aus der abfliessenden Flüssigkeit verflüchtigen lassen, wobei man eine Lysinlösung grösseren Reinheitsgrads als die unreine Anfangslösung erhält.
In den folgenden Beispielen sind die Prozentsätze gewichtsmässig angegeben.
Beispiel 1
Eine 200/obige wässerige Lösung von Lysinglutamat, enthaltend 1,90/0 (bezogen auf das Gewicht des vorhandenen Lysins) Di-(5-amino-5carboxypentyl)-amin und Tri-(5-amino-5-carboxypentyl)-amin sowie andere Aminverunreinigungen, wird durch eine 213,5 cm lange Kolonne eines Kationenaustauschharzes (NH +Form) bei Zimmertemperatur mit einer Geschwindigkeit von 0,33 llminldm2 Kolonnenquerschnitt geleitet. Als Harz verwendet man ein handelsübliches sulfoniertes Styrolmischpolymerisat mit etwa 8 lo Divinylbenzol, welches eine lichte Maschenweite von 0,8P0,30 mm aufweist.
Die Lösung wird so lange durch die Kolonne geleitet, bis die Kolonne mit Lysin beladen ist und etwa 100/o des zugeführten Lysins in die abfliessende Flüssigkeit gelangt ist, worauf die Kolonne mit Wasser gewaschen wird. Eluiert man nachträglich das durch das Harz adsorbierte Lysin mit Hilfe einer 29 obigen wässerigen Ammoniaklösung, so enthält die anfallende, abfliessende Lösung Lysin, welches mit Diund Tri-(5-amino-5-carboxypentyl)-aminen verunreinigt ist, und zwar in einer Menge, welche lediglich 0,90/0 des vorhandenen Lysins entspricht.
Wird in einem ähnlichen Experiment die unreine Lösung nur so lange zugegeben, bis die Harzkolonne mit Lysin beladen, jedoch nicht in einem wesentlichen Ausmass überladen ist, das heisst, bis kein wesentlicher Lysingehalt in der abfliessenden Flüssigkeit feststellbar ist, enthält die durch nachträgliches Eluieren des Harzes mit wässerigem Ammoniak erhaltene Lysinlösung die obigen Aminverunreinigungen in einer Menge, welche 1,4u/0 des vorhandenen Lysins entspricht, dies im Vergleich zu 1,90/(r Lysingehalt in der ursprünglichen Lösung.
Diese Resultate zeigen, dass unter wesentlicher Senkung der Menge an Verunreinigungen eine Reinigung in wesentlich grösserem Ausmass erreicht wird, wenn man die Zugabe der unreinen Lösung fortsetzt, bis etwa 10 /o des Lysins durch die Harzkolonne, ähnlich wie in Beispiel 1, gesickert sind.
Handelt es sich bei der zu reinigenden, unreinen Lysinlösung um eine Lysinglutamatlösung, so geht die Glutaminsäurekomponente als Ammoniumglutamat in die ausfliessende Flüssigkeit über, worin die Verunreinigungen vom sekundären und tertiären Amintypus in bezug auf das Lysin angereichert sind.
Die Erfindung ist gleicher Weise wirksam zur Reinigung von unreinen Lösungen, in welchen das Lysin, anstatt als Salz mit Glutaminsäure, als freies Lysin zugegen ist.
Beispiel 2
Eine wässerige Lysinlösung, welche etwa 3 0/o Lysin und 3 u/o Ammoniumchlorid sowie Di-(5-amino5-carboxypentyl)-amin in einer Menge, welche etwa 7 Gew. i/o, bezogen auf das vorhandene Lysin, entspricht, nebst einer beträchtlich kleineren Menge Tri (5-amino-5-carboxypentyl)-amin enthält, wird durch eine 244 cm lange Harzkolonne ähnlicher Art wie in Beispiel 1 mit einer Geschwindigkeit von 0,33 l;minjdm2 Kolonnenquerschnitt geleitet. Der Durchlass der Lösung erfolgt, bis die Kolonne mit Lysin beladen ist und etwa 20/o des zugegebenen Lysins in die abfliessende Flüssigkeit übergegangen ist.
Die Kolonne wird dann mit Wasser gewaschen und das auf der Kolonne adsorbierte Lysin mit 200/obiger wässeriger Ammoniaklösung eluiert, wobei man eine abfliessende Flüssigkeit erhält, welche 2,5 ovo Di-(5-amino-5-carboxypentyl)-amin, bezogen auf das Gewicht des in der abfliessenden Flüssigkeit vorhandenen Lysins, enthält.
Beispiel 3
Man wiederholt das Beispiel 2 mit dem Unterschied, dass man den Durchlass der unreinen Lösung durch die Kolonne dann unterbricht, wenn erst 10/o des zugegebenen Lysins in die abfliessende Flüssigkeit übergegangen ist. In diesem Falle enthält die Lysinlösung, welche man nach dem Eluieren des adsorbierten Lysins aus der Kolonne mittels 200/obigem wässerigem Ammoniak erhält, 5,40/0 Di-(5-amino-5carboxypentyl)-amin, bezogen auf das Gewicht des vorhandenen Lysins.
Als Mittel zum Eluieren von Lysin aus dem Harz wird man vorzugsweise wässeriges Ammoniak verwenden. Die Konzentration einer solchen Lösung kann beträchtlich schwanken, wird jedoch im allgemeinen zwischen etwa 5 und etwa 29e/o liegen. Man kann auch schwächer konzentrierte Lösungen verwenden, doch benötigt man dann längere Eluierzeiten und erhält dabei übermässig verdünnte Lysin lösungen. Auch höher konzentrierte wässerige Ammo- niaklösungen lassen sich verwenden.
Die bei der Durchführung der Erfindung zur Anwendung gelangende Temperatur ist nicht kritisch.
Temperaturen unterhalb der Zimmertemperatur lassen sich gleichfalls anwenden, bieten jedoch keinen Vorteil. Auch höhere Temperaturen bis den Temperaturen der normalen Siedepunkte der Lösungen (ja selbst sogar höhere Temperaturen, sofern unter Druck gearbeitet wird) können verwendet werden.
Die in den obigen Beispielen beschriebenen Vorgänge wurden durchwegs bei etwa Zimmertemperatur durchgeführt.
Für die erfindungsgemässen Zwecke eignen sich beliebige, übliche Kationenaustauschharze mit stark sauren funktionellen Gruppen, wie z. B. die Sulfonsäure-, Phosphonsäure- oder phosphonige Säuregruppen ( phosphonic acid or phosphonous acid groups ). Die bevorzugten Harze sind jene der Sullon- säuretypen, z. B. der sulfonierten Kohlen, der sulfonierten Phenolaldehydharze und der kernständig sulfonierten, aromatischen Kohlenwasserstoffharze.
Vor allem werden vorgezogen die kernständig sulfonierten, vernetzten, aromatischen Kohlenwasserstoffharze, wie z. B. die sulfonierten Mischpolymerisate eines Monovinylbenzols und eines PolyvinylbenzolsM insbesondere die sulfonierten Styrol-Divinylbenzol Mischpolymerisate mit einem äquivalent von 4-16 /o Divinylbenzol, welches als Vernetzungsmittel wirkt.
Das Harz wird in zerkleinerter Form verwendet, wobei man eine Partikelgrösse mit einer lichten Maschenweite von 0,84-0,149 mm und insbesondere von 0,84 bis 0,3 mm im allgemeinen verwendet.
Die vorliegende Erfindung liefert ein einfaches und praktisches Verfahren zur Steigerung der Reinheit von Lysinlösungen. Insbesondere wenn man besonders reine Lysinlösungen zu erhalten wünscht, kann man die aus der ersten Harzbehandlung gemäss Erfindung erhaltene, teilweise gereinigte Lösung vom Eluiermittel, das heisst Ammoniak, abtrennen und die Harzbehandlung wiederholen, wodurch das Lysin durch eine erneute selektive Adsorption durch das Harz weitergereinigt wird. Derartige Behandlungen lassen sich mehrmals wiederholen, bis man ein Produkt des gewünschten Reinheitsgrades erhält. Im allgemeinen genügen 1 oder 2 selektive Adsorptionen auf einem kationen aktiven Austauschharz, und zwar insbesondere dann, wenn die behandelte Lösung etwa 2-150/0 mehr Lysin enthält, als durch das Harzbett adsorbiert wird.
Process for the isolation of lysine from aqueous solutions
The present invention relates to a method for isolating lysine from aqueous solutions containing various amine impurities.
According to a known method, lysine is synthesized by reacting a 5- (4-halobutyl) hydantoin (e.g. the chlorine or bromine compound) with ammonia and hydrolyzing the product mixture obtained with an aqueous solution of a strong acid or base. When the halobutylhydantoin is reacted with ammonia, various secondary and tertiary amino compounds, which are substituted hydantoins, are formed as by-products of the reaction. If lysine is produced during the hydrolysis, the named by-products hydrolyze with the formation of further by-products, namely amino compounds which contaminate the lysine. These impurities generally contain secondary and tertiary amines, such as. B. di- (5-amino-5-carboxypentyl) -amine and tri (5-amino-5-carboxypentyl) -amine.
In most known lysine syntheses, compounds of the above type are formed. Since they have no nutritional value, their presence in lysine is generally disadvantageous. However, to date, no method has become known according to which small amounts of these impurities could be removed using the usual fractional crystallization methods.
Lysine is a primary amine, while di- (5-amino-5-carboxypentyl) -amine and tri- (5-amino-5-carboxypentyl) -amine are secondary and tertiary amines, respectively. Since secondary and tertiary amines are generally more basic than the corresponding primary amines, it would be expected that they would preferentially or selectively be adsorbed onto a cation exchange resin from lysine solutions containing these amines.
Contrary to these expectations, it has been found that when a solution containing both lysine and the above secondary and tertiary amine impurities is passed through a bed of cation exchange resin, the lysine component is selectively and preferentially adsorbed onto the resin.
It has also been found that this selective adsorption of lysine can serve as a basis for a practical method for separating such impurities from lysine.
Accordingly, the aim of the invention is that an aqueous lysine solution containing such impurities is passed through a bed of a cation exchange resin with strongly acidic functional groups, which is in the ammonium form, and this passage is continued until the bed is completely loaded with lysine, That means up to a point at which substantial amounts of lysine begin to be perceived in the outflowing liquid, which can then be collected for further processing. After the bed is loaded with lysine, preferably after it has been weakly overloaded, the lysine adsorbed on the bed is eluted with, for example, aqueous ammonia. The weight ratio of lysine to impurities in the outflowing liquid obtained in this way will be substantially greater than the ratio in the starting solution.
On the other hand, the weight ratio of lysine to impurities in the bed effluent will be less than the ratio of the starting solution during the stage feeding the bed. This is related to the fact that lysine is primarily adsorbed by the resin.
In the process according to the invention, this results in the generation of a lysine solution which is poorer in terms of impurities than the starting solution.
The cation exchange resin can be used in the form of a vertical column through which the impure lysine solution is passed until the resin is loaded or slightly overloaded with the lysine. The solution is thus passed through the column until lysine is perceived in noticeable quantities in the outflowing liquid. The passage of the solution is preferably continued until lysine is found in amounts of about 0.1-15014, preferably 2-10 / o, based on the amount of lysine fed to the column, in the outflowing liquid. After water has been passed through the column for washing purposes, an eluent is allowed to flow through the column. A solution of lysine and eluant is obtained by collecting the waste water that has arisen separately.
If you use a volatile eluent, such as. B. aqueous ammonia, the eluant can be allowed to volatilize from the flowing liquid, whereby a lysine solution of greater purity than the impure initial solution is obtained.
In the following examples the percentages are given by weight.
example 1
A 200 / above aqueous solution of lysine glutamate, containing 1.90 / 0 (based on the weight of the lysine present) di- (5-amino-5-carboxypentyl) -amine and tri- (5-amino-5-carboxypentyl) -amine as well other amine impurities, is passed through a 213.5 cm long column of a cation exchange resin (NH + form) at room temperature at a rate of 0.33 lminldm2 column cross-section. The resin used is a commercially available sulfonated styrene copolymer with about 8 lo divinylbenzene, which has a mesh size of 0.8P0.30 mm.
The solution is passed through the column until the column is loaded with lysine and about 100 / o of the supplied lysine has passed into the outflowing liquid, whereupon the column is washed with water. If the lysine adsorbed by the resin is subsequently eluted with the aid of an aqueous ammonia solution mentioned above, the resulting, draining solution contains lysine, which is contaminated with di- and tri- (5-amino-5-carboxypentyl) -amines, in an amount , which corresponds to only 0.90 / 0 of the lysine present.
If, in a similar experiment, the impure solution is only added until the resin column is loaded with lysine, but not overloaded to a significant extent, that is, until no significant lysine content can be determined in the outflowing liquid, the solution is obtained by subsequent elution of the resin Lysine solution obtained with aqueous ammonia contains the above amine impurities in an amount which corresponds to 1.4 u / 0 of the lysine present, compared to 1.90 / (r lysine content in the original solution.
These results show that, with a substantial reduction in the amount of impurities, cleaning is achieved to a much greater extent if the addition of the impure solution is continued until about 10 / o of the lysine has seeped through the resin column, similar to that in Example 1.
If the impure lysine solution to be purified is a lysine glutamate solution, the glutamic acid component passes into the outflowing liquid as ammonium glutamate, in which the impurities of the secondary and tertiary amine type are enriched with regard to the lysine.
The invention is equally effective for purifying impure solutions in which the lysine is present as free lysine rather than as a salt with glutamic acid.
Example 2
An aqueous lysine solution which contains about 30 / o lysine and 3 u / o ammonium chloride and di- (5-amino5-carboxypentyl) amine in an amount which corresponds to about 7 wt. I / o, based on the lysine present, in addition to a considerably smaller amount of tri (5-amino-5-carboxypentyl) amine, is passed through a 244 cm long resin column similar to that in Example 1 at a rate of 0.33 l; minjdm2 column cross-section. The solution is passed through until the column is loaded with lysine and about 20 / o of the added lysine has passed into the outflowing liquid.
The column is then washed with water and the lysine adsorbed on the column is eluted with 200% of the above aqueous ammonia solution, an outflowing liquid containing 2.5 ovo di- (5-amino-5-carboxypentyl) -amine, based on contains the weight of the lysine present in the outflowing liquid.
Example 3
Example 2 is repeated with the difference that the passage of the impure solution through the column is then interrupted when only 10 / o of the added lysine has passed into the outflowing liquid. In this case, the lysine solution which is obtained after eluting the adsorbed lysine from the column by means of 200% aqueous ammonia contains 5.40 / 0 di- (5-amino-5carboxypentyl) -amine, based on the weight of the lysine present .
The preferred means of eluting lysine from the resin will be aqueous ammonia. The concentration of such a solution can vary considerably, but will generally be between about 5 and about 29e / o. It is also possible to use less concentrated solutions, but longer elution times are required and excessively dilute lysine solutions are obtained. More highly concentrated aqueous ammonia solutions can also be used.
The temperature used in practicing the invention is not critical.
Temperatures below room temperature can also be used, but offer no advantage. It is also possible to use higher temperatures up to the temperatures of the normal boiling points of the solutions (even higher temperatures, if work is carried out under pressure).
The procedures described in the above examples were carried out at about room temperature throughout.
Any customary cation exchange resins with strongly acidic functional groups, such as. B. the sulfonic acid, phosphonic acid or phosphonic acid groups (phosphonic acid or phosphonous acid groups). The preferred resins are those of the sulphonic acid types, e.g. B. the sulfonated coals, the sulfonated phenol aldehyde resins and the nuclear sulfonated, aromatic hydrocarbon resins.
Above all, the nuclear sulfonated, crosslinked, aromatic hydrocarbon resins, such as. B. the sulfonated copolymers of a monovinylbenzene and a polyvinylbenzeneM in particular the sulfonated styrene-divinylbenzene copolymers with an equivalent of 4-16 / o divinylbenzene, which acts as a crosslinking agent.
The resin is used in comminuted form, a particle size with a clear mesh size of 0.84-0.149 mm and in particular 0.84 to 0.3 mm generally being used.
The present invention provides a simple and practical method for increasing the purity of lysine solutions. In particular, if one wishes to obtain particularly pure lysine solutions, the partially purified solution obtained from the first resin treatment according to the invention can be separated from the eluent, i.e. ammonia, and the resin treatment repeated, whereby the lysine is further purified by renewed selective adsorption by the resin . Such treatments can be repeated several times until a product of the desired degree of purity is obtained. In general, 1 or 2 selective adsorptions on a cation-active exchange resin are sufficient, especially when the treated solution contains about 2-150 / 0 more lysine than is adsorbed by the resin bed.