DE19629208A1

DE19629208A1 - Verwendung von modifizierten Membranen für "Simulated Moving Bed" Trennverfahren

Info

Publication number: DE19629208A1
Application number: DE19629208A
Authority: DE
Inventors: Egbert Dr Mueller; Michael Dr Schulte
Original assignee: Merck Patent GmbH
Current assignee: Merck Patent GmbH
Priority date: 1995-01-20
Filing date: 1996-07-19
Publication date: 1998-01-22

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung von modifizierten Membranen, die Separationseffektoren enthalten, für "Simulated Moving Bed" Trennverfah ren.

Für präparative Stofftrennungen haben Gegenstromverfahren an Bedeutung gewonnen. Da es technisch nur sehr schwer möglich ist, eine tatsächliche Bewegung einer stationären Phase zu realisieren, wird die Bewegung der stationären Phase simuliert. Dazu wird das gesamte Säulenbett in zyklisch hintereinandergeschaltete Einzel säulen unterteilt. Die Gesamtzahl der Säulen ist typischerweise ein Vielfaches von vier, da ein solches System vier chromatographische Zonen besitzt. Nach einer definierten Zeit werden die Leitungen um geschaltet, wodurch eine Bewegung des Säulenbettes in der entge gengesetzten Richtung simuliert wird. Für das kontinuierliche Ver fahren der "simulated moving bed"-Chromatographie (SMB-Chromato graphie) werden üblicherweise Trennmaterialien chromatographische Säulen mit partikulären Sorbentien verwendet. Die dabei verwendeten Säulenpackungen lassen keine optimalen Flußraten zu, da der Betriebs druck bei partikulären Trägern sehr hoch ist. Auch ist die mechanische Stabilität der partikulären Sorbensbetten nicht sehr gut.

Aufgabe der Erfindung ist es also Trennmaterialien für die SMB-Chromato graphie bereitzustellen, die mechanisch stabil sind, und die bei niederen Betriebsdruck verbesserte Flußraten zulassen. Somit kann ein höherer Durchsatz pro Zeiteinheit erzielt werden.

Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung von Trennmitteln aus modi fiziertem Polyamid, das Separationseffektoren enthält, die über eine Brückengruppierung an die Aminogruppen des Polyamids gebunden sind, für Trennverfahren nach dem SMB-Verfahren.

Abb. 1 zeigt eine schematische Darstellung des Verfahrens der Gegenstromchromatographie, das die Grundlage der "simulated moving bed"-Chromatographie (SMB-Chromatographie) darstellt.

Abb. 2 zeigt das Elutionsdiagramm einer Trennung von Chymo trypsinogen A und Lysozym nach dem SMB-Verfahren an einem Trenn mittel aus porösem modifizierten Polyamid, das SO₃⁻-Gruppen als Separa tionseffektoren enthält, wobei die SO₃⁻-Gruppen über eine Brückengrup pierung an die Aminogruppen des Polyamids gebunden sind.

In der unveröffentlichten Anmeldung DE 195 01 726.9 sind mit Separa tionseffektoren modifizierte Polyamidmembranen offenbart, die für Stoff trennungen geeignet sind. In weiteren Anmeldungen werden zusätzliche Varianten der Erfindung offenbart:

a) DE 195 01 726.9 offenbart die Modifikation der Aminogruppen des Poly amids mit Verbindungen, die sowohl eine ethylenisch ungesättigte Dop pelbindung als auch eine Epoxidgruppe aufweisen (polymerisierbare modifizierte Polyamide und daraus herstellbare Polymerisate).
b) DE 196 27 404.4 offenbart die Modifikation der Aminogruppen des Polyamids unter Verwendung von Anhydriden von ungesättigten Carbonsäuren (polymerisierbare modifizierte Polyamide und daraus herstellbare Polymerisate).
c) Unter dem internen Aktenzeichen 96 099 wurde eine Patentanmeldung beim DPA hinterlegt, die die Modifikation der Aminogruppen des Poly amids unter Verwendung von Vinylazlacton-Derivaten offenbart (poly merisierbare modifizierte Polyamide und daraus herstellbare Poly merisate).
d) DE 196 27 302.1 offenbart die Modifikation der Aminogruppen des Poly amids, wobei Azlacton-Derivate des Polyamids bereitgestellt werden.
e) Unter dem internen Aktenzeichen 96 100 wurde eine Patentanmeldung beim Deutschen Patentamt hinterlegt, die die Modifikation der Amino gruppen des Polyamids mit chiralen Separationseffektoren offenbart.
f) DE 196 24 813.2 offenbart die Einführung zusätzlicher Aminogruppen in das Polyamid, wobei zusätzliche Startpunkte für die oben genannten Modifikationen erzeugt werden.

Es wurde gefunden, daß Trennmittel aus den in den oben genannten Anmeldungen offenbarten mit Separationseffektoren modifizierten Poly amiden in hervorragender Weise für Stofftrennungen nach dem SMB-Verfahren geeignet sind. Diese Trennmittel bestehen aus dem Grund polymer Polyamid und aus den Separationseffektoren, zwischen denen sich eine Brückengruppierung befindet. Diese Brückengruppierung leitet sich im einfachsten Fall von der für die erste Modifikation des Polyamid verwandten Verbindung ab; z. B. von den in DE 195 01 726.0 offenbarten Verbindungen, die sowohl eine ethylenisch ungesättigte Bindung als auch eine Oxirangruppierung aufweisen. Weitere Brückengruppierungen, die sich beispielsweise von Anhydriden von ungesättigten Carbonsäuren oder von Azlactonderivaten ableiten, sind in den oben genannten Druckschriften offenbart. Die Brückengruppierung kann auch zusätzlich ein Polymer um fassen, wenn beispielsweise der Separationseffektor an ein Polymer gebunden wird. Schließlich kann die Brückengruppierung auch für die Immobilisierung von Liganden übliche bifunktionelle Verbindungen umfas sen, z. B. α,ω-Diaminoalkane, α,ω-Dihydroxyalkane, Diisocyanate.

Bevorzugte Ausführungsformen der Trennmittel sind poröse Membranen, insbesondere Hohlfasermembranen. Besonders bevorzugte Ausführungs formen bestehen aus den porösen Membranen, die in ein Gehäuse einge baut sind; derartige Module sind beispielsweise in DE 196 03 523.6 offen bart.

Derartig mit Separationseffektoren modifizierte Membranen erlauben bei niedrigem Betriebsdruck hohe Flußraten. Die in den genannten Anmeldun gen offenbarten Modifikationsvarianten erfolgen an den Aminogruppen des Polyamids unter Bedingungen, bei denen die Form von Formkörpern un verändert bleibt.

Poröse Formkörper mit Separationseffektoren nach der Lehre der oben aufgezählten Patentanmeldungen können in Vorrichtungen zur Stoff trennung enthalten sein, die sich im wesentlichen, wie chromatographische Säulen handhaben lassen. Besonders bevorzugt ist die Verwendung einer Vorrichtung, wie sie in der (unveröffentlichten) Patentanmeldung DE 196 03 523.6 (AKZO-Nobel) offenbart ist. Diese Vorrichtungen zur stoffspezi fischen Behandlung von Fluiden umfassen ein Gehäuse und aus porösen Membranen bestehende, Hohlräume aufweisende Behandlungselemente, die so im Gehäuse angeordnet sind, daß um sie herum ein durchgehendes Kanalsystem ausgebildet ist. Das zu behandelnde Fluid umströmt die Behandlungselemente entlang im wesentlichen ihrer gesamten Außen seite, und ein Teilstrom strömt durch die poröse Membranwand der Behandlungselemente hindurch, wobei die stoffspezifische Behandlung stattfindet, sammelt sich in den Hohlräumen, verläßt die Behandlungs elemente wieder, und wird dem Hauptstrom wieder zugeführt. Poröse Membranen für Vorrichtungen zur Stofftrennung können beispielsweise mit Separationseffektoren nach der Lehre der unten genannten Druckschriften ausgestattet sein.

Erfindungsgemäß werden die Gruppen, die nach den oben genannten Verfahren in den chromatographischen Träger eingeführt werden, und die für die Trennung der Analyte wesentlich sind, zusammenfassend als Separationseffektoren bezeichnet; weitere Beispiele für verschiedene Separationseffektoren und für Verfahren, die Separationseffektoren in die Formkörper einzuführen, sind in den folgenden Druckschriften genannt:

a) Aus DE 38 11 042 sind unter anderem Monomere bekannt, die zur Her stellung von Ionenaustauschern geeignet sind; dazu gehören beispiels weise Acrylsäure, N-(Sulfoethyl)-acrylamid, 2-Acrylamido-2-methyl propansulfonsäure N,N-Dimethylaminoethyl-acrylamid, N,N-Diethyl aminoethyl-acrylamid, sowie Trimethylammoniumethyl-acrylamid.
Andere in dieser Druckschrift genannte Monomere erlauben die Bindung von Affinitätsliganden oder von Enzymen, oder eignen sich für reversed phase Chromatographie: dazu gehören beispielsweise Acrylsäure, Acrylamid, Allylamin oder Acrylnitril.
b) Aus DE 43 10 964 sind Monomere bekannt, die einen Oxiranring, einen Azlactonring oder eine Gruppierung enthalten, die in einen Azlactonring umgesetzt werden kann. Polymere, die derartige Monomere enthalten, sind besonders gut für die Bindung von Affinitätsliganden oder von Enzymen geeignet. Affinitätsliganden sind beispielhaft in DE 43 10 964 offenbart.
Weiterhin können die Epoxidgruppen in derartigen Polymeren in vorteil hafter Weise weiter umgesetzt werden, wodurch Ionenaustauscher, thiophile Sorbentien oder Sorbentien für die Metallchelat- oder die hydrophobe Chromatographie bereitgestellt werden. Dabei werden bei spielsweise Phosphorsäure, Diethylamin, Trimethylamin, schweflige Säure oder auch Komplexbildner wie Iminodiessigsäure an den Oxiran ring addiert.
Die Herstellung von thiophilen Sorbentien und von Sorbenzien für die Metallchelatchromatographie ist in DE 43 10 964 offenbart.
In DE 43 33 674 und in DE 43 33 821 sind derartige Umsetzungen, mit derer Hilfe Ionenaustauscher bereitgestellt werden können, offenbart.
In DE 43 23 913 werden Sorbenzien für die hydrophobe Interaktions chromatographie beschrieben.

Für Trennungen von Enantiomeren sind chirale Separationseffektoren bekannt; wichtige Gruppen solcher chiraler Separationseffektoren sind:

a) Aminosäuren und ihre Derivate, z. B. L-Phenylalanin, oder D-Phenyl alanin, Ester oder Amide von Aminosäuren oder acylierte Aminosäuren oder Oligopeptide;
b) natürliche und synthetische Polymere mit einer Asymmetrie oder Dis symmetrie in der Hauptkette; dazu gehören Proteine (z. B. saures α₁-Glycoprotein, Rinderserumalbumin, Cellulase; siehe J. Chrom. 264, Seiten 63-68 (1983), J. Chrom. 269, Seiten 71-80 (1983), WO 91/12 221), Cellulose und Cellulosederivate, sowie andere Polysaccharide und deren Derivate (z. B. Cellulosetribenzoat, Cellulosetribenzylether, Cellu lose-trisphenylcarbamat, Cellulose-tris-3-chlorobenzoat, Amylose-tris- (3,5-dimethylphenylcarbamat), Cellulose-tris-(3,5-dimethylbenzoat), Cellulose-tris-(3,5-dimethylphenylcarbamat); siehe EP 0 147 804, EP 0 155 637, EP 0 718 625);
c) Cyclodextrine und seine Derivate (z. B. J. High Resol.Chrom. & Chromat. Comm. 3, Seiten 147-148 (1984); EP 0407412; EP 0445604);
d) Polymere mit Asymmetriezentren in der Seitenkette (z. B. EP 0 249 078; EP 0 282 770; EP 0 448 823).

Einzelheiten der Herstellung der verschiedenen Sorbenzien und deren Verwendung können den oben genannten Druckschriften entnommen werden; die diesbezügliche Offenbarung dieser Druckschriften ist durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung eingeführt.

In Abb. 1 ist das Verfahren der Gegenstromchromatographie, das die Grundlage der "simulated moving bed"-Chromatographie (SMB-Ghromatographie) darstellt, schematisch dargestellt. Darin bedeutet (1) den Strom des Sorbens. Im SMB-Verfahren wird der physikalisch nur schwer zu realisierende Strom des Sorbens simuliert durch cyclisches Umschalten von Mehrwegeventilen, welche mehrerer zu einem Kreislauf geschaltete Säulen verbinden.

Die experimentelle Realisierung der Trennung wurde auf einer SMB-Anlage ausgeführt, die nach dem nachfolgend erläuterten Vier-Zonen- Modell arbeitet. Erfindungsgemäß können auch SMB-Anlagen verwen det werden, die nach anderen Modellen, z. B. dem Drei-Zonen-Modell arbeiten. Geeignete Verfahrensvarianten sind dem Fachmann aus der Literatur bekannt.

Durch das Gegenstromprinzip ist die SMB für die Auftrennung von Zweistoffgemischen (z. B. die beiden Enantiomere eines Racemates) in idealer Weise geeignet. Aber auch für andere chromatographische Trennverfahren sind SMB-Verfahren bekannt. So wird in J. Chromatogr. 719, Seiten 267-274 (1996) die Anwendung eines SMB-Verfahrens auf die Reinigung von monoklonalen Antikörpern beschrie ben. Auch für die Trennung von Mehrstoffgemischen sind SMB-Ver fahren verwendbar. Eine solche Trennung ist beispielsweise in Biosci. Biotech. Biochem. 56, Seiten 801-802 (1992) beschrieben. Verfah rensparameter für andere Trennungen kann der Fachmann durch Optimierung festlegen.

Trennungen nach dem SMB-Verfahren werden im folgenden beispiel haft für Trennungen zweier Substanzen erläutert:
Die kontinuierliche Arbeitsweise des SMB Verfahrens, wie es beispiel haft in Abb. 1 schematisch dargestellt ist, erlaubt die Einstellung eines zeitlich stationären Zustandes bei dem kontinuierlich Eluent (3), sowie eine Lösung des zu trennenden Zweistoffgemisches (Feed; (4)) dem System zugeführt und ebenso kontinuierlich die beiden getrenn ten Komponenten (Raffinat (6) und Extrakt (5)) aus dem System her ausgeführt werden können. Das Zu- und Herausführen der genannten Stoffströme erfolgt mit Hilfe von 4 Pumpen (nicht dargestellt). Der Hauptstrom des Eluenten (2) wird mit einer weiteren Pumpe im Kreis lauf geführt (Recycling-Pumpe; nicht dargestellt). Da deshalb dem System nur eine geringere Menge an frischem Eluenten zugeführt werden muß (Feed + Eluent_(neu) = Raffinat + Extrakt), ist der Lösungs mittelverbrauch pro Produkteinheit bei der SMB deutlich geringer als im Falle der Batch-Chromatographie. Das Säulenbett einer stationären Phase unterteilt sich bei der SMB in 4 Zonen (je eine Adsorptions- und Desorptionszone für die beiden zu trennenden Komponenten), welche relativ zu den Zufuhr- und Auslaßpunkten definiert sind:
Zone I - zwischen Eluent- und Extrakt-Leitung
Zone II - zwischen Extrakt- und Feed-Leitung
Zone III - zwischen Feed- und Raffinat-Leitung
Zone IV - zwischen Raffinat und Eluent-Leitung.

Im Falle der Trennung von Zweistoffgemischen lassen sich nun Bedin gungen, d. h. Flußraten in den Zonen I-IV, finden, bei denen sich die schwächer retinierte Komponente mit der mobilen Phase und die stärker retinierte Komponente mit der stationären Phase bewegt. Die getrennten Komponenten können dann in reiner Form mit dem Extrakt beziehungweise Raffinat-Strom entnommen werden.

Es ist technisch nur sehr schwer möglich, eine tatsächliche Bewegung einer stationären Phase (1) zu realisieren. Deshalb wird diese Bewe gung der stationären Phase simuliert. Dazu wird das gesamte Säulen bett in zyklisch hintereinandergeschaltete Einzelsäulen unterteilt. Die Gesamtzahl der Säulen ist ein Vielfaches der Zahl 4, da das System, wie oben erwähnt, 4 chromatographische Zonen besitzt. Zwischen den Einzelsäulen befinden sich je 4 Zweiwegeventile, die eine Verbindung zu den 4 Zufuhr- und Auslaßleitungen darstellen. Aufgrund dieser Ventile, kann also jeder Punkt zwischen den Säulen jede Funktion (Eluent-, Feed-Zufuhr oder Raffinat- bez. Extrakt-Auslaß) einnehmen. Zu einem gegebenen Zeitpunkt definiert die Lage der 4 Zufuhr- und Auslaß-Leitungen die 4 chromatographischen Zonen. Wird nun die Position der 4 Leitungen nach einer definierten Zeit um eine Säulen einheit in Richtung der Fließmittelbewegung weitergeschaltet, so ent spricht dies einer Bewegung des Säulenbettes in die entgegenge setzte Richtung. Durch Weiterschaltung der Speisepunkte in definier ten Zeitabständen durchläuft damit jede Einzelsäule nacheinander alle 4 Zonen, bis die Zufuhr- und Auslaß-Leitungen wieder ihre ur sprüngliche Position einnehmen und somit ein Zyklus abgeschlossen ist.

Nachdem mehrere Zyklen durchlaufen wurden, stellt sich ein stationä rer Zustand ein, der es bei geeigneter Wahl der Fließgeschwindigkei ten im System und geeigneter Taktzeit für die Ventilschaltungen er möglicht, die getrennten Produkte in reiner Form als Extrakt- und Raffinatströme abzunehmen.

Beispiel

Das folgende Beispiel soll die Erfindung verdeutlichen; es bedeutet keine Einschränkung des Erfindungsgedankens.

Hohlfasermodule (FRACTOSEP® SO₃, Fa. Merck KGaA), wie sie in DE 195 01 726.9 offenbart werden, werden anstelle der üblichen Säulen in eine SMB-Anlage (Fa. NOVASEP) eingebaut. 100 µl einer Lösung, die Chymotrypsinogen A und Lysozym (jeweils 10 g/l) in 0,3 M NaCl und 20 mM Natriumphosphatpuffer (pH 7,0) enthält, werden aufgetragen und isokratisch entwickelt. Die Verfahrensparameter werden nach Bestimmung der Adsorptionsparameter durch das Programm "HELP", das Teil der Anlagensteuerung ist, ermittelt. Das Elutionsdiagramm ist in Abb. 2 dargestellt.

Claims

Verwendung von Trennmitteln aus modifiziertem Polyamid, das Separationseffektoren enthält, die über eine Brückengruppierung an die Aminogruppen des Polyamids gebunden sind, für Trennverfahren nach dem "simulated moving bed"-Verfahren.