CN1297475A - 膜式过滤 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种从发酵液中分离所需水溶性产物的方法,其中将该发酵液沿陶瓷膜循环,并且其中施加至少1.5巴的跨膜压力,随后含所需产物的水溶液通过该膜,接着被收集。有利的是,在该过滤方法中,发酵液温度保持在20—50℃、优选30—45℃。根据本发明,获得了过滤过程的降低的处理时间、更高的生产能力和效率。
Description
本发明涉及一种从发酵液中分离所需水溶性产物的方法。
目前,用于制备化学物质的发酵法在化学领域起着日益重要的作用。由于这种方法是高选择性的、在环境方面有吸引力的并且导致高产物产率,所以甚至是工业制备也以这种方式进行。
发酵完成后,需要从发酵液中分离所需产物。这在常规上是这样进行的:首先在滤饼过滤步骤中使水相和细胞物质分离,接着从滤液中萃取或吸附产物。但这种滤饼过滤步骤常伴有所需产物的巨大损失。这主要是由于滤饼不能被充分洗出并且在滤布中残留很大量的产物。实际上,人们观察到过滤过程的效率和生产能力主要取决于发酵液的性质。此外,过滤发酵液中存在的“溶解的”蛋白质和细胞碎片通过滤饼过滤只能从发酵液的水相不充分地脱除。这造成的后果是,随后的下游各个过程受到蛋白质污染的影响,而且它们的生产能力被降低。
为了克服发酵液处理过程中的上述问题,已经提出利用其它过滤方法,例如膜式过滤。用于这些目的膜通常是聚合物膜,例如聚砜膜。
膜式过滤的优点是,通过设计使产物损失更小而且获得更纯的滤液(滤过物)。与常规滤饼过滤技术中获得的滤液相比,该滤过物含有少得多的蛋白质和/或细胞物质的残余物。结果使萃取步骤能更方便地进行,并且该方法的总效率得以提高。
在东德专利申请DD-A-277 088中,描述了一种从微生物发酵液中分离苄青霉素的方法。该方法包括一个去除生物量的常规滤饼过滤步骤和一个后继的超滤步骤,其中第一过滤的滤液中存在的蛋白质被分离。超滤产物被浓缩至其体积的5%,通过萃取从其中分离所需苄青霉素。
用于发酵液过滤的膜式过滤方法通常包括三个步骤。实际上,特别是在连续法中,不能那么清楚地辨别从一步到另一步的过渡。经常发生的是,这些步骤中的两个或全部步骤同时进行。然而,为清楚起见,划清这一界线是有用的。第一步是待过滤混合物的浓缩。这一浓缩步骤可适当地进行,即,沿膜表面循环该发酵液同时在表面上保持压力梯度(常称作交叉流过滤)。在第二步中,获得的浓缩产物在渗析步骤中在交叉流过滤过程中被洗涤。这意味着,向发酵液循环流中加一股溶剂流。在过滤后的产物是发酵液的情况下,该溶剂通常将是水。在第三步中,获得的过滤后的滤过物在交叉流过滤过程中被进一步浓缩至适宜程度。
在涉及膜式过滤步骤的方法中,有必要通过应用高交叉流速度(即,与膜平面平行的线性流动速度)来控制滞留物(过滤过程的残留物)沿膜的流动情况,以使该过程的通量(生产能力)最大化。但实际上,试图在滞留物被浓缩后保持其快速流动时出现一些问题。在要过滤具有高含量(3-10%)的细胞碎片和蛋白质的发酵液的情况下,特别要遇到这些问题。
由于在高浓缩因数下观察到的粘度升高,轴向压降(它是该过程中所需能量的量度)也提高。在大规模应用中,使用离心泵,而且由于轴向压降的提高而使其生产能力下降。鉴于在这些条件下所涉及的物质的假塑性,粘度增加得更多,这反过来进一步放大了流动的降低。此外,产生了大量热,在所需产物在高温下不稳定的情况下这是不希望有的。因此,为保持温度低并避免产物降解,需要巨大而昂贵的冷却装置。
同样,为了防止降解和污染所需产物,希望把完成发酵过程所需的时间减小到最低程度。可以利用的使过滤时间最小化的措施是增加滤膜表面,或要求增大的比生产能力。该比生产能力是指每个时间单位有多少所需产物滤过一定膜表面积(l/m2·h)。所述生产能力可通过施加高跨膜压力(它是过滤的推动力)来提高。施加高跨膜压力的一个缺点是,这通常造成所需产物更高的滞留值,即,大量产物不能透过膜,这导致效率低的过滤过程。另外,在这些情况中应用管式聚合物膜也许是不可能的,因为这类膜在这些条件下磨损太大。
现已发现,通过使用陶瓷膜和通过以出乎意料的方式控制工艺条件可以克服上述问题。
现有技术中已报道过使用陶瓷膜,用于从发酵液分离所需产物的各种分离过程。
在EP 0 522 517A1中,使用一种α-氧化铝微孔膜从发酵液中分离甲基葡糖苷。在第一步中,发酵液被浓缩,然后通过添加甲醇使水不溶性甲基葡糖苷溶解,之后让含甲基葡糖苷的溶液经过膜并回收抗生素。
美国专利No.5,616,595中描述了一种从发酵液分离环孢菌素A的相似技术。
根据俄罗斯专利公开No.2090598,陶瓷滤器元件可以用于在葡萄酒生产中过滤葡萄汁。
本发明涉及一种从发酵液中分离所需水溶性产物的方法,其中将该发酵液沿陶瓷膜循环,并且其中施加至少1.5巴的跨膜压力,随后含所需产物的水溶液通过该膜,接着被收集。
本发明的方法的优点是,可以实现很短的过滤时间而没有所需产物的高滞留值这一已知问题。因此,本过滤方法是高效的。令人惊讶的是,在本发明方法中可以施加高跨膜压力而不会发生所需产物的高滞留。同样,温度可以很适当地控制在希望值而不导致粘度问题,也不会造成往往是热不稳定性的所需产物的降解问题。此外,在本发明的方法中,不必象DD-A-277 088中已描述过的那样,在对发酵液进行膜式过滤之前进行发酵液的常规过滤。
所述发酵液可以得自任何发酵过程。在这样的发酵过程中,通过向发酵液中添加碳源、氮源、其它营养物和空气而对适宜的微生物菌株进行发酵。典型的操作程序和配方可在文献中查到。当发酵过程已完成到所需程度之后,该发酵液将包含细胞物质以及蛋白质和所需产物。同样,可能存在不同的污染物。优选的是,该发酵液得自其中制备抗感染化合物的发酵过程。这类化合物的实例有各种β-内酰胺和化合物例如红霉素和制霉菌素。
这方面的β-内酰胺的例子是其中β-内酰胺环连接到适宜侧链上的β-内酰胺,例如青霉素G、青霉素V、己二酰-7-氨基头孢烷酸(adipyl-7-aminocephalosporanic acid)、己二酰-7-氨基-脱乙酸基头孢烷酸、克拉维酸、头孢菌素C、氨苄青霉素、阿莫西林、头孢氨苄、头孢克洛(Cephaclor)和头孢羟氨苄(Cephadroxyl)。β-内酰胺环可能也是合适的,例如6-氨基青霉烷酸(6-APA)、7-氨基头孢烷酸(7-ACA)、3-氯-7-氨基脱乙酸基脱甲基头孢烷酸(3-Cl,7-ACCA)、7-氨基脱乙酰基头孢烷酸(7-ADAC)和7-氨基脱乙酸基头孢烷酸(7-ADCA)。从制备青霉素G、青霉素V、头孢菌素C、酰基-7-ADCA或酰基-7-ACA的过程获得的发酵液是最优选的。已经发现,这些发酵液之一的过滤方法显著得益于本发明的优点。尽管这些发酵液中的很多都包含热不稳定性产物,但已发现,在本发明的方法中,这些热不稳定性产物可以从发酵液中分离而没有显著的产物损失。
按本发明使用的膜是陶瓷膜。这意味着它包含无机物质。优选的物质是金属氧化物,例如α-氧化铝、γ-氧化铝和氧化锆。使用这些物质的膜导致高效过滤方法,其中只有很少量的所需产物被损失掉(如果有的话),而且其中获得很高纯度的所需产物。
优选使用平均孔径为4~100nm、更优选20~50nm的陶瓷膜。已发现使用孔径在这些范围内的膜会导致高选择性、高效的膜式过滤方法。
在发酵液沿膜循环的过程中(交叉流过滤),它将被浓缩,因为发酵液中存在的更大量的流体透过该膜。适宜的浓缩程度为1.5,优选2倍。所述浓缩可以在提高的温度下,优选在高于20℃的温度下,更优选在高于30℃的温度下最有利地进行。出于实际原因,浓缩过程中的温度上限通常为50℃、优选45℃。
按本发明,已发现发酵液的粘度不会达到不能接受的高值。当浓缩因数为2时,典型的最大值为:100s-1剪切下337mPa·s,500s-1剪切下197mPa·s和1000s-1剪切下156mPa·s。因此,不需要另外的昂贵设备来进行充足交叉流速度下的循环。
可能的是,在本发明方法的过程中交叉流速度显示稍小波动并且达到2-4m/s的值。然而,该速度优选保持在至少5的数值,更优选6m/s。优选的是,所述速度的上限是10,更优选8m/s。当所述速度在该规定范围内选择时,过滤方法具有很高的生产能力。目前已证实,甚至当浓缩进行至很大程度时也可能保持高速度。
滞留物已浓缩至所需程度后,优选把水添加到循环发酵液中(渗析)。优选地,添加的水量使发酵液稀释1.5~4倍,更优选2~3倍。通过这样向滞留物中添加水,使过滤过程的产率以及由此获得的效率提高。通过该稀释步骤(它包括向滞留物中添加水)还可以回收滞留物中大量的所需产物。
本发明方法的一大优点是,可以获得很短的处理时间,而不出现所需产物高滞留这一已知问题。因此,按照本发明,跨膜压力高于1.5巴。在本发明的上下文中,跨膜压力定义为:膜滞留物侧的平均压力与滤过物侧的平均压力的差值。在一优选的实施方案中,该跨膜压力为2.5-7.5,优选4-6巴。
根据本发明的一个特别优选的实施方案,跨膜压力最初时低于上面规定的压力。合适的初始跨膜压力在1~2.5巴之间选择。施加该初始跨膜压力的时间段较短。通常,所述时间段不会长于总过滤时间的10%,优选不长于8%。在大多数实际情况中,根据待过滤发酵液的量而定,所述时间段大约为10分钟。
该实施方案是有利的,因为与从过程一开始就施加最终所需的高跨膜压力相比,膜结垢的发生要少得多。因此,提高了膜的寿命,即,其间可以使用同一膜而无需清洁的时间延长了。同样,过滤过程的生产能力更高,选择性更大。不想受理论的束缚,据信,这些优点是由于膜滞留物侧上的蛋白凝胶层而达到的,所述凝胶层是在其中施加较低跨膜压力的初始期过程中沉积的。
本发明方法中滞留物的入口压力将根据该方法的阶段在1和8巴之间变化。同样,滞留物的轴向压降也根据该方法的阶段在0和3.5巴之间变化。在该方法的进程中,比通量可以从200l/m2·h·巴到50l/m2·h·巴再回到200l/m2·h·巴这样变化。
在膜的滤过物侧,通常将保持连续流动以收集滤过物,尤其是其中存在的所需产物。已收集滤过物之后,可有利地对它进行浓缩。滤过物的优选浓缩程度为1.5~7,更优选2~5倍。为了回收浓缩的滤过物中存在的所需产物,通常将进行常规的处理程序。这种处理程序的一个合适例子是萃取。
本发明的方法可以分批或连续地进行。优选以连续法方式进行。
通过下列非限定性实施例进一步阐释本发明。
实施例1
将156kg青霉素发酵液从搅拌进料釜加料到膜式过滤(MF)系统中。所述系统包括表面积约为0.9m2且平均孔径为50nm的MembranloxSCT 3P 19膜。
将该系统脱气,在下列条件下开始过滤过程:
温度 21℃
循环流动进料釜 2.5m3/h
循环流动过滤回路 35m3/h
(交叉流速度为6m/s)。
取出65l的滤过物后(α=1.67(浓缩因数),β=0.4(稀释因数)),过滤回路的循环流动已降低到17m3/h,这相当于2.9m/s交叉流速度。在4巴的跨膜压力下,该滤过物流动降低到70l/m2h。浓缩因数为1.67。进一步浓缩是不可能的。保持α恒定开始渗析,交叉流速度又一次提高到5.5m/s,滤过物流动保持恒定在72l/m2·h。稀释因数为1.72。
总处理时间为250分钟。
实施例2
将154kg青霉素发酵液从搅拌进料釜加料到与实施例1中使用的相同的MF系统中。
将该系统脱气,在下列条件下开始过滤过程:
温度 40℃
循环流动进料釜 2.5m3/h
循环流动过滤回路 35m3/h
(交叉流速度为6m/s)。
取出74l滤过物之后(α=1.92,β=0.48),过滤回路的循环流动仅稍稍降低到26m3/h。在2.0的浓缩因数和4巴的跨膜压力下,滤过物流动降低到94l/m2h。
就在开始渗析之后(其中α保持恒定),交叉流速度又一次提高到5.9m/s,滤过物流动被控制在110l/m2h。稀释因数为1.85。
总处理时间为180分钟。
实施例3
将177kg青霉素发酵液从搅拌进料釜加料到与实施例1中使用的相同的MF系统中。
将该系统脱气,在下列条件下开始过滤过程:
温度 36℃
循环流动进料釜 2.5m3/h
循环流动过滤回路 35m3/h
(交叉流速度为6m/s)。
取出90l滤过物后(α=2.04,β=0.51),循环流动为6m/s。浓缩开始时的滤过物流动511l/m2h降低到浓缩结束时的124l/m2h。浓缩因数为2.04,跨膜压力为5巴。
开始渗析后(其中α保持恒定),滤过物流动很缓慢地增加并且被控制为255l/m2h。在该过程结束时跨膜压力缓慢降低到3.8巴。稀释因数为2.02。
总处理时间为134分钟。
Claims (13)
1.一种从发酵液中分离所需水溶性产物的方法,其中将该发酵液沿陶瓷膜循环,并且其中施加至少1.5巴的跨膜压力,随后含所需产物的水溶液通过该膜,接着被收集。
2.根据权利要求1的方法,其中在20-50℃的温度下在沿膜循环的过程中浓缩所述发酵液。
3.根据权利要求2的方法,其中所述温度为30-45℃。
4.根据前述权利要求任一项的方法,其中所述交叉流速度为5-10m/s,优选6-8m/s。
5.根据前述权利要求任一项的方法,其中所述陶瓷膜包含选自金属氧化物的物质。
6.根据前述权利要求任一项的方法,其中所述陶瓷膜的平均孔径为4-100nm,优选20-50nm。
7.根据前述权利要求任一项的方法,其中所述跨膜压力为2.5-7.5巴,优选3-6巴。
8.根据权利要求7的方法,其中所述跨膜压力最初为1-2.5巴。
9.根据前述权利要求任一项的方法,其中一旦所述发酵液已浓缩1.5倍,优选2倍,就把水添加到循环发酵液中。
10.根据权利要求9的方法,其中添加的水量使所述发酵液稀释1.5-4倍,优选1-3倍。
11.根据前述权利要求任一项的方法,其中,将发酵液过滤后获得一种滤过物,该滤过物被浓缩了1.5-7倍,优选2-5倍。
12.根据前述权利要求任一项的方法,其中,所述发酵液是从其中制备抗感染化合物的发酵过程中获得的。
13.根据权利要求12的方法,其中所述抗感染化合物选自红霉素、制霉菌素、己二酰-7-氨基头孢烷酸、己二酰-7-氨基脱乙酸基头孢烷酸、青霉素G、青霉素V、头孢菌素C和异青霉素N。
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