ES2882617T3 - Método para la separación continua de valina - Google Patents
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Abstract
Un método para la separación continua de valina mediante el uso de un aparato para la separación continua de valina, en donde el aparato comprende: un puerto de Desorbente (D) configurado para suministrar un desorbente al aparato; un puerto de Alimentación (F) configurado para suministrar una mezcla que incluye valina al aparato; un puerto de Refinado (R) configurado para extraer la valina separada de la mezcla fuera del aparato: un puerto de Extracción (E) configurado para extraer los otros materiales separados de la mezcla fuera del aparato; una primera válvula rotativa (10), una segunda válvula rotativa (20) y una tercera válvula rotativa (30); y una primera zona de cromatografía (40), una segunda zona de cromatografía (50) y una tercera zona de cromatografía (60), en donde el lado aguas arriba de la primera zona de cromatografía (40) y el lado aguas abajo de la tercera zona de cromatografía (60) están conectados de manera fluida por la primera válvula rotativa (10), en donde el lado aguas abajo de la primera zona de cromatografía (40) y el lado aguas arriba de la segunda zona de cromatografía (50) están conectados de manera fluida por la segunda válvula rotativa (20), en donde el lado aguas abajo de la segunda zona de cromatografía (50) y el lado aguas arriba de la tercera zona de cromatografía (60) están conectados de manera fluida por la tercera válvula rotativa (30), en donde el método realiza secuencialmente una primera operación, una segunda operación y una tercera operación para la separación continua de valina, en donde el método comprende: en la primera operación, conectar de manera fluida el puerto de Desorbente (D) al lado aguas arriba de la primera zona de cromatografía (40) por la primera válvula rotativa (10), conectar de manera fluida el puerto de Alimentación (F) al lado aguas arriba de la segunda zona de cromatografía (50) por la segunda válvula rotativa (20), conectar de manera fluida el puerto de Refinado (R) al lado aguas abajo de la segunda zona de cromatografía (50) por la tercera válvula rotativa (30), y conectar de manera fluida el puerto de Extracción (E) al lado aguas abajo de la tercera zona de cromatografía (60) por la primera válvula rotativa (10); en la segunda operación, conectar de manera fluida el puerto de Desorbente (D) al lado aguas arriba de la segunda zona de cromatografía (50) por la segunda válvula rotativa (20), conectar de manera fluida el puerto de Alimentación (F) al lado aguas arriba de la tercera zona de cromatografía (60) por la tercera válvula rotativa (30), conectar de manera fluida el puerto de Refinado (R) al lado aguas abajo de la tercera zona de cromatografía (60) por la primera válvula rotativa (10), y conectar de manera fluida el puerto de Extracción (E) al lado aguas abajo de la primera zona de cromatografía (40) por la segunda válvula rotativa (20); y en la tercera operación, conectar de manera fluida el puerto de Desorbente (D) al lado aguas arriba de la tercera zona de cromatografía (60) por la tercera válvula rotativa (30), conectar de manera fluida el puerto de Alimentación (F) al lado aguas arriba de la primera zona de cromatografía (40) por la primera válvula rotativa (10), conectar de manera fluida el puerto de Refinado (R) al lado aguas abajo de la primera zona de cromatografía (40) por la segunda válvula rotativa (20), y conectar de manera fluida el puerto de Extracción (E) al lado aguas abajo de la segunda zona de cromatografía (50) por la tercera válvula rotativa (30), en donde el adsorbente usado en dicha primera, segunda y tercera zona de cromatografía es un polímero de poliestireno divinilbenceno insoluble que tiene un diámetro de partícula de 10 - 300 μm, en donde la mezcla incluye al menos uno de leucina e isoleucina como los otros materiales, en donde la pureza de la valina recuperada es del 90 % al 99 %.
Description
DESCRIPCIÓN
Método para la separación continua de valina
Campo técnico
La presente invención se refiere a un método para la separación continua de valina, y más específicamente a un método para la separación continua de valina de una mezcla que comprende aminoácidos tales como leucina, isoleucina, etc.
Antecedentes de la técnica
La valina es un L-aminoácido que tiene una fórmula de HO2 CCH(NH2 )CH(CH3 ) 2 y se usa como una de las principales materias primas en medicina y cosmética. También es uno de los ingredientes importantes utilizados para la alimentación animal. Por esta razón, hay un aumento diario de interés dentro de los mercados comerciales que se enfocan en las aplicaciones de la valina.
La producción de valina generalmente se logra mediante un procedimiento de fermentación de Corynebacterium. En este sentido, cabe destacar que también se obtienen impurezas junto con la valina durante el proceso de fermentación. Estas impurezas incluyen sal, alanina, leucina, isoleucina, etc., y todas estas impurezas deben separarse de la valina.
Los métodos de separación para la valina usados en la técnica anterior incluyen un método de cromatografía de exclusión iónica (publicación de patente japonesa abierta al público núm. 1987-255453), un método de cristalización que usa un precipitante (publicación de patente japonesa abierta al público núm. 1996-333312, publicación de patente japonesa abierta al público núm. 1998-237030 y patente de Estados Unidos núm. 6,072,083), un método de reacción química (patente de Estados Unidos núm. 4,263,450) y similares.
Además, CN 101 948 399 A divulga un método para separar y purificar continuamente valina en licor de fermentación mediante el uso de cromatografía de lecho móvil simulado. En el método, se diseña un dispositivo separador de cromatografía de lecho móvil simulado adecuado para la composición característica del licor de fermentación de valina. El agua se usa como la fase móvil y una resina especial para la separación de valina se usa como la fase estacionaria. El licor de fermentación de valina contiene como impurezas alanina y leucina.
Sin embargo, entre los métodos de separación, el método de cromatografía de exclusión iónica tiene la desventaja de que la separación de aminoácidos como leucina e isoleucina es difícil, se genera mucha agua residual y un proceso de postratamiento tal como la cristalización, etc. es adicionalmente necesario. También, dado que el método de cristalización mediante el uso del precipitante necesita un proceso para eliminar el precipitante, tiene la desventaja de que el proceso se vuelve complejo y que un proceso de postratamiento para la purificación es adicionalmente necesario. Además, dado que el método de reacción química necesita un proceso de concentración e hidrólisis, tiene la desventaja de que el proceso es complejo y utiliza muchos solventes y, por lo tanto, se necesitan varios laboratorios en el proceso de postratamiento para recuperarlo y los costos. de los mismos en el proceso de purificación se incrementan en consecuencia.
Mientras tanto, el proceso de separación cromatográfica es un proceso de separación basado en un adsorbente y se usa ampliamente en procesos para la separación y purificación de una pluralidad de bioproductos, y de acuerdo a la aplicación se divide ampliamente en un proceso de cromatografía por lotes y un proceso de cromatografía de lecho móvil simulado (SMB) continuo. El proceso de SMB se desarrolló inicialmente para la separación de productos petroquímicos por UOP, EE. UU. en 1961, y se ha informado que su rendimiento y eficiencia de separación es muy superior al del proceso por lotes. Debido a la superioridad del proceso de SMB, se ha expandido a la separación y purificación de productos de alto valor agregado tales como materiales azucarados, compuestos quirales, bioproductos, medicamentos, etc. así como a la separación y purificación de petroquímicos.
La mayoría de los procesos de SMB convencionales (SMB de cuatro zonas) se componen de una estructura que tiene cuatro zonas (columnas) y cuatro puertos, como se muestra en la Figura 1, y cada una de las mezclas a separar y el solvente (Desorbente) fluye hacia un puerto (Alimentación) para la mezcla a separar y un puerto de desorción (Desorbente) entre los cuatro puertos. Además, los materiales que tienen un poder de adsorción débil y un poder de adsorción fuerte se separan y luego se obtienen a través del puerto de Refinado (Refinado) y el puerto de Extracción (Extracción). Para que los procesos correspondientes a la entrada de la mezcla y el solvente se separen y la recuperación de los dos componentes anteriores se realice continuamente, los cuatro puertos se mueven a lo largo de la dirección en la que fluye el solvente a una velocidad constante de conmutación.
Sin embargo, el proceso de SMB de cuatro zonas necesita al menos cuatro columnas. Generalmente, dado que tanto las válvulas de cada columna como el adsorbente son costosos, es preferible minimizar el número de columnas si es posible.
Por esta razón, se ha introducido un proceso de SMB que tiene tres zonas de cromatografía (SMB de tres zonas) como se muestra en la Figura 2. Dado que usa tres zonas, el número mínimo de columnas se puede reducir de cuatro a tres. Además, las posiciones de los cuatro puertos están dispuestas de una manera idéntica en términos de estructura con respecto a la de la estructura de SMB convencional que tiene cuatro zonas de cromatografía.
Sin embargo, el componente de baja afinidad que tiene un poder de adsorción débil y, por lo tanto, se mueve rápidamente, tal como la valina en el proceso de SMB de tres zonas anterior, se recupera a través del puerto de Refinado como se muestra en la Figura 2 pero, dado que no hay una zona de enriquecimiento para el refinado como en la Figura 2, es inevitable una dilución excesiva. Es decir, dado que la concentración de valina recuperada es menor que la concentración de valina en la mezcla a separar, se produce un efecto secundario en que aumenta el costo de operación para el proceso de postratamiento que sigue al proceso de separación de SMB. Por lo tanto, es necesaria la aplicación del proceso de SMB de tres zonas que se encuentra en el nuevo sistema, ya que es capaz de superar el efecto secundario.
En consecuencia, durante la investigación en consideración de los asuntos mencionados anteriormente, los presentes inventores han determinado que la valina se puede separar de manera continua y eficiente de una mezcla que comprende aminoácidos tales como leucina, isoleucina, etc., a través de un aparato mediante el uso de un proceso de cromatografía de lecho móvil simulado, que completa así la presente invención.
Divulgación de la invención
Problema técnico
Un objeto de la presente invención es proporcionar un método para la separación continua de valina de la mezcla que comprende aminoácidos tales como leucina, isoleucina, etc.
Solución al problema
Para resolver el problema anterior, el aparato usado para la separación de valina en la presente invención incluye un puerto de Desorbente (D), un puerto de Alimentación (F), un puerto de Refinado (R), un puerto de Extracción (E), tres válvulas rotativas (10, 20, 30) y tres zonas de cromatografía (40, 50, 60) conectadas a cada una de las tres válvulas rotativas (10, 20, 30), como se muestra en las Figuras 4a - 4c.
Las tres válvulas rotativas (10, 20, 30) están equipadas con tres puertos de conexión (10a, 10b, 10c)(20a, 20b, 20c)(30a, 30b, 30c), respectivamente, y solo un puerto de conexión cualquiera de cada válvula rotativa (10, 20, 30) se abre junto con la rotación de las válvulas rotativas (10, 20, 30) y está en comunicación fluida con el puerto de Desorbente (D), el puerto de Alimentación (F), el puerto de Refinado (R) y el puerto de Extracción (E).
Es decir, el paso de flujo conectado al puerto de Desorbente (D), el puerto de Alimentación (F), el puerto de Refinado (R) y el puerto de Extracción (E) tienen tres ramificaciones, respectivamente, y, por lo tanto, todos están conectados a tres válvulas rotativas (10, 20, 30), y posteriormente están conectadas a una determinada válvula rotativa concurrente con la apertura de uno cualquiera de los puertos de conexión.
A continuación, se explica el modo de funcionamiento específico.
La Figura 3 es un diagrama esquemático para una constitución del proceso de lecho móvil simulado (SMB de tres zonas) que tiene tres zonas de cromatografía usadas en la presente invención. Como puede verse en la Figura 3, dado que el orden de desplazamiento de los puertos es el puerto de Desorbente, el puerto de Alimentación, el puerto de Refinado y el puerto de Extracción, respectivamente, es posible operar la zona de enriquecimiento de tal manera que se evite la dilución de la concentración del Refinado. Como resultado, tiene la ventaja de que se puede evitar la degradación de la concentración de Refinado, que es un problema del SMB de tres zonas convencional. Además, dado que tiene la estructura en donde el puerto de Desorbente y el puerto de Alimentación están conectados a través de una columna, existe la ventaja de que se puede reducir la cantidad de solvente usado.
Además, la presente invención usa un aparato en el que el proceso como se divulga en la Figura 4 está continuamente en funcionamiento. La Figura 4a representa el aparato en la primera posición, la Figura 4b representa el aparato en la segunda posición y la Figura 4c representa el aparato en la tercera posición. Las posiciones primera, segunda y tercera se rotan entre sí continuamente. Es decir, el aparato usado para la presente invención tiene un modo de funcionamiento en donde el cronológico consiste en la primera posición, la segunda posición, la tercera posición y luego un regreso a la primera posición nuevamente.
El ajuste a una determinada posición se realiza mediante la rotación de las válvulas rotativas (10, 20, 30). Es decir, los primeros puertos de conexión (10a, 20a, 30a) de las válvulas rotativas (10, 20, 30) se abren y, por lo tanto, se colocan en la primera posición, los segundos puertos de conexión (10b, 20, 30b) se abren al rotar las válvulas rotativas (10, 20, 30) y, por lo tanto, se colocan en la segunda posición, y los terceros puertos de conexión (10c, 20c,
30c) se abren al rotar las válvulas rotativas (10, 20, 30) nuevamente y se colocan en la tercera posición. Si las válvulas rotativas (10, 20, 30) se vuelven a rotar, se vuelven a colocar en la primera posición.
Mientras tanto, en lo adelante, algunos puertos de conexión (10a, 20b, 30c) se muestran por separado con respecto a los puertos de entrada (10a-1, 20b-1, 30c-1) y los puertos de salida (10a-2, 20b-2, 30c-2) y explicado con fines de comprensión.
En la primera posición, como se muestra en la Figura 4a, están abiertos los primeros puertos de conexión (10a, 20a, 30a) de las válvulas rotativas (10, 20, 30) y los segundos puertos de conexión (10b, 20b, 30b) y los terceros puertos de conexión (10c, 20c, 30c) están cerrados.
En la primera posición, el puerto de Desorbente (D) está conectado a la primera válvula rotativa (10), el puerto de Alimentación (F) está conectado a la segunda válvula rotativa (20), el puerto de Refinado (R) está conectado a la tercera válvula rotativa (30), y el puerto de Extracción (E) está conectado a la primera válvula rotativa (10).
En consecuencia, el desorbente que fluye desde el puerto de Desorbente (D) pasa a través de la primera válvula rotativa (10) y la primera zona de cromatografía (40) y luego fluye hacia la segunda válvula rotativa (20).
La mezcla a separar que fluye desde el puerto de Alimentación (F) se hace fluir a la segunda válvula rotativa (20) junto con el desorbente que se hace pasar por la primera zona de cromatografía (40), y luego se hace pasar por la segunda zona de cromatografía (50).
La mezcla a separar en la presente invención comprende valina, y además comprende sal, alanina, leucina, isoleucina, etc. como impurezas en la misma. La separación de los constituyentes de la mezcla a separar se logra mediante una diferencia en los caudales después de pasar a través de la segunda zona de cromatografía (50). La valina es un componente de baja afinidad que tiene un poder de adsorción más débil que el de otras impurezas y, por lo tanto, se mueve más rápido. Por lo tanto, la mezcla a separar se separa luego en valina y otros materiales, y cada uno de ellos fluye hacia la tercera válvula rotativa (30) con la diferencia de tiempo.
La valina destinada a separarse fluye a través del puerto de Refinado (R), pero otros materiales fluyen hacia el puerto de Extracción (E) al pasar a través de la tercera zona de cromatografía (60) y luego la primera válvula rotativa (10).
Después del tiempo establecido (es decir, el intervalo de tiempo de rotación de la válvula rotativa), las válvulas rotativas (10, 20, 30) se rotan y luego se cambian a la segunda posición como se muestra en la Figura 4b. A continuación, se describe un criterio del tiempo establecido.
En la segunda posición, mostrada en la Figura 4b, solo están abiertos los segundos puertos de conexión (10b, 20b, 30b) de las válvulas rotativas (10, 20, 30), y los primeros puertos de conexión (10a, 20a, 30a) y los terceros puertos de conexión (10c, 20c, 30c) están cerrados.
En comparación con la primera posición, las válvulas rotativas (10, 20, 30) conectadas a los puertos (D, F, R, E) se mueven secuencialmente una a una en la segunda posición.
Es decir, en la segunda posición, el puerto desorbente (D) está conectado a la segunda válvula rotativa (20), el puerto de Alimentación (F) está conectado a la tercera válvula rotativa (30), el puerto de Refinado (R) está conectado a la primera válvula rotativa (40) y el puerto de Extracción (E) está conectado a la segunda válvula rotativa (20).
Por consiguiente, el desorbente que fluye desde el puerto de Desorbente (D) fluye hacia la tercera válvula rotativa (30) después de pasar a través de la segunda válvula rotativa (20) y la segunda zona de cromatografía (50).
La mezcla a separar que fluye desde el puerto de Alimentación (F) fluye hacia la tercera válvula rotativa (30, junto con el desorbente pasa a través de la segunda zona de cromatografía (50) y pasa a través de la tercera zona de cromatografía (60).
Sin embargo, en este caso, los materiales restantes de la mezcla a separar que han fluido desde la primera posición como se muestra en la Figura 4a aún no han fluido hacia la tercera válvula rotativa (30), debido a la diferencia en los caudales. Para lograr esto, se controla el intervalo de tiempo de rotación mencionado anteriormente.
Por lo tanto, la mezcla a separar que fluye a la tercera válvula rotativa (30) en la segunda posición pasa a través de la tercera zona de cromatografía (60) y luego se realiza la separación de la mezcla a separar debido a la diferencia de caudal y luego se separa en valina y otros materiales, en donde la valina que se pretende separar fluye a través de la primera válvula rotativa (10) y el puerto de Refinado (R) mientras que los materiales restantes se combinan con otros materiales que se separaron en la primera posición pero aún no fluyeron a la tercera válvula rotativa (30), para
luego pasar a través de la segunda válvula rotativa (20) de manera más efectiva y luego fluir hacia el puerto de Extracción (E).
Después de un lapso de tiempo predeterminado, las válvulas rotativas (10, 20, 30) se rotan y se cambian a la tercera posición, como se muestra en la Figura 4c.
En la tercera posición, mostrada en la Figura 4c, solo están abiertos los terceros puertos de conexión (10c, 20c, 30c) de las válvulas rotativas (10, 20, 30) y los primeros puertos de conexión (10a, 20a, 30a) y los segundos puertos de conexión (10b, 20b, 30b) están cerrados.
En comparación con la segunda posición, las válvulas rotativas (10, 20, 30) conectadas a los puertos (D, F, R, E) se mueven secuencialmente una a una en la tercera posición.
Idéntico a la explicación de la primera y segunda posiciones, la mezcla a separar fluye desde el puerto de Alimentación (F) y luego fluye hacia la primera válvula rotativa (10) junto con el desorbente pasa a través de la tercera zona de cromatografía (60), y luego pasa a través de la primera zona de cromatografía (40), en donde, dado que en este caso los materiales restantes de la mezcla a separar fluyen hacia la segunda posición como se muestra en la Figura 4b y aún no fluyen hacia la segunda válvula (20) debido a la diferencia de caudales, también se combinan y fluyen hacia el puerto de Extracción (E) después de pasar por la tercera válvula rotativa (30).
La valina destinada a separarse en la mezcla a separar se separa al puerto de Refinado (R) después de pasar a través de la segunda válvula rotativa (20).
Después del período de tiempo predeterminado, las válvulas rotativas (10, 20, 30) se hacen rotan y se cambian a la primera posición como se muestra en la Figura 4a, y el procedimiento se repite continuamente.
Como adsorbente usado en la primera, segunda y tercera zonas de cromatografía en la presente invención, se usa una resina polimérica porosa, que consiste en un material polimérico de poliestireno divinilbenceno insoluble. Dado que la resina anterior tiene un área superficial amplia, un tamaño de poro y una distribución de volumen únicos, se puede aplicar preferentemente para la purificación de diversos materiales, y en particular compuestos farmacéuticos. Amberchrom CG161 (Rohm & haas) o Chromalite PCG Series (Purolite), etc. se pueden usar como ejemplo específico. La resina disponible comercialmente anterior tiene un diámetro de partícula de 10 - 300 ym, un área superficial de 700 - 900 m2/g, un tamaño de poro de 100 - 200 A, un tamaño de poro y una distribución de volumen de 0,7 a 1,5 mL/g y un coeficiente de uniformidad inferior a 2.
La mezcla a separar es una mezcla que comprende valina, isoleucina o leucina que se incluye en los aminoácidos ramificados junto con valina, y preferentemente puede ser licor de fermentación de valina obtenido a través de la fermentación de un microorganismo. Los ejemplos específicos de la presente invención utilizan la mezcla en la que se mezclan artificialmente la valina, isoleucina y leucina purificadas, y el licor de fermentación de valina obtenido por la fermentación de microorganismos. Esto se debe a que hay un caso poco frecuente en el que solo se produce valina en la fermentación del microorganismo. En la mayoría de los casos, la isoleucina y la leucina también se producen juntas.
Mediante el aparato de separación continua usado para la presente invención, dado que la valina que se pretende separar en la mezcla a separar fluye a través del puerto de Refinado (R), y los materiales restantes se separan más eficazmente mediante la rotación de válvulas rotativas (10, 20, 30) así como la diferencia del caudal y fluyen a través del puerto de Extracción (E), por lo que la valina se separa continuamente.
Además, a través del control del aparato de separación continua de valina de la presente invención, se puede controlar al regular los caudales del puerto de Desorbente (D), el puerto de Alimentación (F) y el puerto de Refinado (R), y también al regular la velocidad de rotación (tiempo de conmutación) de la válvula rotativa. El caudal de cada puerto se puede regular al tener en cuenta los parámetros intrínsecos de la columna (coeficiente de adsorción, coeficiente de transferencia de masa, porosidad, entorno del material, etc.).
Además, la presente invención proporciona el método de separación continua de valina caracterizado porque comprende las etapas de hacer fluir el desorbente mediante el uso del puerto desorbente, fluir la mezcla que comprende valina hacia el puerto de Alimentación y recuperar la valina del puerto de Refinado, por medio del método para la separación continua de valina mediante el uso del aparato de separación continua de la valina. El desorbente es preferentemente agua. Además, se caracteriza porque la pureza de la valina recuperada por el método es del 90 % al 99 %.
De acuerdo con un ejemplo de la presente invención, como resultado de la separación de la mezcla a separar que comprende valina, leucina e isoleucina, mediante el uso del aparato de separación continua de valina de acuerdo con la presente invención, el rendimiento de la valina recuperada fue de aproximadamente 98 % o más, la pureza fue de aproximadamente 98 % o más y, por lo tanto, se verificó que la valina se podía separar eficazmente de la mezcla.
Efectos ventajosos de la invención
La presente invención puede separar continuamente la valina de la mezcla que comprende aminoácidos tales como leucina, isoleucina, etc. mientras tiene una alta pureza y rendimiento, por medio del aparato mediante el uso del proceso de cromatografía de lecho móvil simulado.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 representa el diagrama esquemático del proceso cromatográfico de lecho móvil simulado (SMB de cuatro zonas) que tiene las cuatro zonas de cromatografía convencionales.
La Figura 2 es el diagrama esquemático del proceso cromatográfico de lecho móvil simulado (SMB de tres zonas) que tiene las tres zonas de cromatografía convencionales.
La Figura 3 es el diagrama esquemático del proceso cromatográfico de lecho móvil simulado que tiene tres zonas de cromatografía (SMB de tres zonas) usado en la presente invención y el proceso se desarrolla en base al modo de disposición del puerto que se diferencia del SMB de tres zonas convencional.
La Figura 4 muestra un diagrama mimético del aparato para el proceso de SMB de tres zonas usado en la presente invención. Las Figuras 4a, 4b y 4c muestran las conexiones de cada zona de acuerdo con la rotación de las válvulas rotativas, respectivamente.
La Figura 5 muestra los resultados de la prueba de pulso para seleccionar el adsorbente. En donde, (a) representa el resultado para Amberchrom CG161C, (b) representa el resultado para Amberlite CG71C, (c) representa el resultado para DIAION SK1B y (d) representa el resultado para Amberlite XAD-7HP.
La Figura 6 muestra el resultado de una prueba frontal escalonada para el adsorbente Amberchrom CG161C. En donde, (a) representa el resultado de isoleucina, (b) representa el resultado de leucina y (c) representa el resultado de valina.
La Figura 7 muestra los datos de equilibrio adsortivo (q frente a C) en el adsorbente Amberchrom CG161C. En donde, (a) representa los datos de valina, (b) representa los datos de leucina y (c) representa los datos de isoleucina.
La Figura 8 muestra una comparación entre el resultado de la prueba frontal de la mezcla y el resultado de la simulación. En donde, (a) representa la comparación del resultado para leucina, (b) representa la comparación del resultado para isoleucina y (c) representa la comparación del resultado para valina.
La Figura 9 muestra el resultado del análisis de concentración de HPLC para la solución de flujo de salida descargada a través del puerto desorbente del SMB, como resultado de la prueba de SMB. En donde, (a) representa el resultado para el análisis de la concentración de Refinado y (b) representa el resultado para el análisis de la concentración del extracto.
La Figura 10 muestra un cromatograma de datos brutos de HPLC para la muestra obtenida de la prueba de SMB. En donde, (a) representa el cromatograma de la mezcla a separar, (b) representa el del refinado y (c) representa el del extracto.
La Figura 11 muestra un perfil de columna (etapa 60.5), como resultado de una prueba de SMB. En donde la línea negra representa el resultado simulado de la valina, la línea gris representa el resultado simulado de la isoleucina, la línea punteada negra representa el resultado simulado de la leucina, el círculo representa el resultado de la prueba de valina, el cuadrilátero representa el resultado de la prueba de isoleucina, y el diamante representa el resultado de la prueba de leucina.
La Figura 12 muestra el resultado del análisis de concentración de HPLC de las soluciones de flujo de salida que se descargan a través del puerto de Refinado, como resultado de la prueba de SMB realizada en base al adsorbente Chromalite PCG-600.
La Figura 13 muestra el resultado del análisis de concentración de HPLC para las soluciones de flujo de salida descargadas a través del puerto de Extracción, como el resultado de la prueba de SMB realizada en base al adsorbente Chromalite PcG-600.
La Figura 14 muestra un perfil de columna (etapa 44.5), como resultado de la prueba de SMB realizada en base al adsorbente Chromalite PCG-600. En donde, la línea negra representa el resultado simulado de valina, la línea gris representa el resultado simulado de leucina, el círculo representa el resultado de la prueba de valina y el triángulo representa el resultado de la prueba de leucina.
Modo de la invención
De aquí en adelante, se pretende explicar la constitución y los efectos de la presente invención en detalle a través de ejemplos, pero estos ejemplos solo pretenden ilustrar la descripción de la presente invención.
Enfoque: Investigación para la aplicación cromatográfica de purificación de valina
1) Enfoque de diseño basado en modelos
Hay dos cuestiones que se consideran inicialmente al desarrollar un proceso continuo para un nuevo sistema de separación. El primero es la minimización del costo y el período requerido para el desarrollo. El segundo son las condiciones que brindan la mejor productividad de salida y la mejor eficiencia de separación, al mantener el estado óptimo del proceso a desarrollar. Para satisfacer las dos condiciones anteriores, uno debe comprender con precisión
el fenómeno de adsorción y transferencia de material en base al modelo detallado, y también obtener diversos parámetros relacionados con el mismo. El método de diseño de procesos basado en este modelo y parámetros detallados se denomina "enfoque de diseño basado en modelos". Además, la presente invención ha desarrollado un proceso de SMB para llevar a cabo la separación continua de valina de acuerdo con el enfoque.
2) Simulación por computadora
Una de las etapas clave del enfoque de diseño basado en modelos es una simulación por computadora. Se refiere al procedimiento de obtención de la solución al resolver la ecuación modelo detallada para el fenómeno de adsorción y transferencia de material de cada componente en una columna mediante la vía de un método analítico numérico. Este método analítico numérico se lleva a cabo mediante el uso de una computadora, ya que requiere una gran cantidad de cálculos.
Hay muchos tipos de ecuaciones modelos de columna para usar en una simulación, y entre ellos el modelo de transferencia de masa concentrada (Kang, S.H. y otros, Process Biochem., 2010, 45, 1468-1476) se determina como el modelo de simulación de la presente invención al tener en cuenta la precisión y la eficiencia. La simulación por computadora basada en el modelo de transferencia de masa concentrada se utilizó en la evaluación de la eficiencia de separación del proceso de SMB, así como en la medición y evaluación del parámetro básico de cada componente de aminoácido. Además, esta ecuación modelo se utiliza en la fabricación de la herramienta informática de optimización de SMB.
3) Herramienta de optimización de SMB
Otro papel clave en el enfoque de diseño basado en modelos que se utiliza después de la simulación por computadora lo desempeña la herramienta informática optimizada para SMB. Esta herramienta se usa en la obtención de las condiciones óptimas de funcionamiento del proceso de SMB a desarrollar. Lo primero que se necesita para fabricar esta herramienta optimizada es un algoritmo de optimización. Convencionalmente, se sabe que un algoritmo de genes basado en la teoría estocástica es el más eficiente en la forma compleja de optimización de procesos tales como SMB (Lee, K.B. y otros, AIChE J., 2008, 54, 2852-2871).
Además, la presente invención ha establecido un programa informático optimizado para SMB basado en un algoritmo de genes para la optimización de la separación continua de valina. El algoritmo de genes en sí se ha desarrollado varias veces en el ínterin, y el algoritmo NSGA-II-JG (Lee, K.B. y otros, AIChE J., 2008, 54, 2852-2871), que puede decirse que es el último algoritmo de genes en la etapa de fabricación de la herramienta de optimización de la presente invención, se adopta como algoritmo básico.
El método para preparar una herramienta optimizada para SMB codifica el algoritmo optimizado mediante el uso del lenguaje de aplicación visual básica (VBA) instalado en el programa informático Microsoft Excel, y permite que los cálculos de la ecuación del modelo detallado y el algoritmo NSGA-II-JG se realicen simultáneamente en este.
Preparación del experimento
1) Materiales
La valina y la leucina, entre los tres componentes de aminoácidos que constituyen la mezcla a separar, se adquirieron de Fluka, y la isoleucina se adquirió de Sigma. El agua usada para disolver el aminoácido fue agua destilada desionizada terciaria (DDW) y se obtuvo a través del sistema Milli-Q (Millipore). El adsorbente usado en el experimento fue Amberchrom CG161C (Rohm & haas), Amberlite CG71C (Sigma Aldrich), DIAION SK1B (Mitsubishi Chemical), Amberlite XAD-7HP (Sigma Aldrich). El metanol usado en el análisis de concentración por HPLC se adquirió de Burdick & Jackson Co. (Muskegon, MI).
Una columna de vidrio Omnifit usada en el experimento de selección de adsorbente y el experimento de medición del parámetro básico de cada material se adquirió de Biochemical Fluidics Co. (Boonton, nJ), y en el experimento anterior se usó la columna que tenía 11,6 cm de longitud y 1,5 cm de diámetro, y en el último experimento se usó la columna que tenía 21,7 cm de longitud y 2,5 cm de diámetro.
2) Equipo
- Equipo experimental de columna única
En el experimento de selección de adsorbentes se usaron la bomba Young-Lin SP930D y el detector Young-Lin UV730D. El control y procesamiento de datos de estos dos equipos se realizó mediante el programa informático Autochro-3000. Un inyector usado en inyectar el pulso de amino ácido en la columna de cada uno lleno con adsorbente era el inyector Rheodyne 7725i, y el volumen de inyección fue de 100 yl.
En el experimento de medición del parámetro básico de cada aminoácido realizado después de completar la selección del adsorbente, se usaron la bomba FPLC P-920, el detector Waters 486 UV y el colector Amersham FPLC (Frac-900). El control y la recolección de datos de cada uno de los dispositivos detallados se realizó a través del programa informático Unicorn 5.1.
- Aparato SMB de tres zonas para la separación continua de valina
El aparato como se muestra en la Figura 4 se autoensambló y usó. El caudal del desorbente del aparato experimental SMB completo y el caudal de la mezcla a separar se controlaron mediante el uso de la bomba Young-Lin SP930D y el caudal de refinado se controló mediante la bomba Ismatec MCP-CPF ISM 919. Para generar el efecto en donde cuatro puertos se mueven periódicamente, se usó una válvula rotativa ST Valco (VICI, Houston, TX). Los diagramas miméticos de la válvula ST se representan en las Figuras 4a-4c. Una válvula rotativa Valco usada en el experimento se controló automáticamente a través del programa informático Labview 8.0.
- Dispositivo de análisis de concentración de HPLC (analizador)
Para medir la concentración del material recolectado a través del experimento de SMB, se usó un analizador de concentración de HPLC. Como la columna para el análisis, se usó la columna Waters Symmetry C-18 (250 x 4,6 mm DI, tamaño de partícula 5 ym). La recolección de todos los datos relacionados con el análisis de concentración por HPLC se trató mediante el uso del programa informático Waters Millennium. El caudal de la fase móvil se controló mediante el uso de la bomba de HPLC Waters 515. La muestra para el análisis de concentración se inyectó en la columna para el análisis mediante el uso de un inyector Rheodyne 9725i y el volumen de inyección fue de 20 yl. La detección de una muestra se realizó mediante el uso de un detector Waters 996 PDA.
En el análisis de concentración de la muestra obtenida de una prueba frontal de valina se usó una bomba Young-Lin SP930D y un detector Young-Lin UV730D. El control y procesamiento de datos de la bomba y el detector de Young-Lin se llevaron a cabo mediante el programa informático Autochro-3000. La muestra obtenida a partir del experimento se inyectó en la columna para el análisis mediante el uso de un inyector Rheodyne 7725i y el volumen de inyección fue de 20 yl.
Ejemplo 1: Selección de un adsorbente adecuado para la separación de valina
1) Método experimental
El experimento para seleccionar el adsorbente más adecuado se realizó mediante el uso de cuatro tipos de adsorbentes convencionales que tienen la posibilidad de separar leucina e isoleucina de valina, tales como Amberchrom CG161C (Rohm & haas), Amberlite CG71C (Sigma Aldrich), DIAION SK1B (Mitsubishi Chemical), Amberlite XAD-7HP (Sigma Aldrich), a través de una serie de pruebas de pulso.
Las condiciones para los experimentos de prueba de pulso fueron como sigue: Cada una de las concentraciones de tres aminoácidos fue de 2 g/L y el volumen de inyección fue de 100 yl. El caudal de la fase móvil fue de 2 mL/min.
2) Resultados experimentales
Los resultados se representan en la Figura 5. Como se representa en la Figura 5, se pudo comprobar que en el caso de otros adsorbentes distintos del adsorbente Amberchrom CG161C, la separación selectiva de valina es difícil. Se determina a partir de los resultados anteriores que el adsorbente Amberchrom CG161C es el más adecuado para establecer el proceso de SMB para separar valina.
Ejemplo 2: Medición de la porosidad de la columna Amberchrom CG161C
1) Método experimental
Se midió la porosidad del adsorbente Amberchrom-CG 161 C seleccionado en el ejemplo 1. Al principio, se llevó a cabo el experimento que llena la columna con el adsorbente y luego mide la porosidad entre partículas (eb). Aunque se realiza de la misma manera que en el ejemplo 1, en este caso se inyectó en la columna una molécula trazadora adecuada para medir la porosidad entre partículas en lugar del material a separar, a diferencia del ejemplo 1. La molécula trazadora usada fue azul dextrano y la concentración de inyección fue de 1 g/L, el caudal fue de 4 mL/min y el volumen de inyección fue de 500 y l
2) Resultados experimentales
De los resultados experimentales, el valor de la porosidad entre partículas de la columna fue 0,391. La porosidad intrapartícula, que es una de las informaciones importantes usadas, el valor que se reporta en la referencia, fue 0,737 (Nam, H.G. y otros, Process Biochem., 2011, 46, 2044-2053).
Ejemplo 3: Medición del parámetro básico de valina, leucina, isoleucina en Amberchrom CG161C
- Medición del coeficiente de adsorción
1) Método experimental
Se realizó una prueba frontal múltiple con el fin de medir los parámetros básicos de valina, leucina, isoleucina que corresponden a cada componente de la mezcla que es objeto de la separación. La prueba frontal múltiple es el experimento que se realiza para obtener los datos de equilibrio de adsorción de cada material a separar y definir la ecuación del modelo de adsorción y determinar los parámetros de adsorción relevantes en base a los datos obtenidos.
Específicamente, una prueba frontal múltiple usó dos bombas, y una de las bombas se llenó con DDW y la otra bomba se llenó con una solución de valina, leucina o isoleucina. Luego, se inyectó continuamente solución de valina, leucina o isoleucina en la columna hasta que se logró el equilibrio entre la fase adsorbente y la fase móvil en la columna. En el estado de equilibrio, dado que todas las concentraciones entre la partícula adsorbente y la partícula, así como la concentración dentro del adsorbente se mantienen similares a la concentración de la solución de valina, leucina o isoleucina inyectada, la concentración de adsorbente en el adsorbente puede ser inmediatamente investigada al establecer una ecuación de balance de masa simple. Después que la concentración dentro de la columna alcanza un estado de equilibrio, se permite mantener un nuevo estado de equilibrio al aumentar la proporción de la solución de mezcla que es objeto de la separación, en comparación con la de la etapa anterior. Nuevamente, la concentración de adsorción en el adsorbente se calcula al establecer una ecuación de balance de masa para este estado de equilibrio. Mientras avanza la prueba frontal múltiple, un tiempo de etapa para cada componente de aminoácido se establece como 2-3 veces el tiempo de residencia obtenido a partir de los resultados de la prueba de pulso.
Además, la prueba frontal múltiple para cada aminoácido se realizó como un total de cinco etapas y el tiempo de etapa se establece en 40 minutos para la valina, 70 minutos para la leucina y 70 minutos para la isoleucina. Además, la concentración de todas las muestras fue de 5 g/L y el caudal se mantuvo constantemente en 4 mL/min. Los experimentos para leucina e isoleucina se realizaron en ondas de 205 nm y 218 nm en el detector de UV. Por otro lado, en el caso de la valina, se adoptó una forma de análisis de HPLC directo (la forma de tomar muestras de los efluentes de la columna uno por uno y luego analizar las concentraciones de los mismos mediante el uso de un dispositivo de HPLC), que no es una forma de monitoreo en línea como se usa en los experimentos de leucina e isoleucina. Las condiciones de análisis de HPLC son que la solución de metanol acuoso al 10 % se usó como la fase móvil, el volumen de inyección fue de 20 y l y el caudal fue de 0,5 mL/min. Antes del análisis, se aseguró una curva de autocalibración mediante el uso de una solución estándar. Los resultados se representan en la Figura 6, los datos de equilibrio de adsorción se calculan en base a estos resultados y los resultados calculados se representan en la Figura 7.
2) Resultados experimentales
Como se muestra en la Figura 7, toda la valina, leucina e isoleucina representan la relación de adsorción lineal en Amberchrom CG161C. Por tanto, cada uno de los componentes de aminoácidos se modela mediante la ecuación de adsorción lineal y a partir de ella se determinó el coeficiente de adsorción lineal. Los valores de los coeficientes de adsorción determinados se representan en la tabla 1, como se muestra a continuación.
- Determinación de un coeficiente de transferencia de masa
1) Método experimental
Se determinó un coeficiente de transferencia de masa que puede denominarse como otro parámetro básico importante junto con el coeficiente de adsorción según el método siguiente.
Al principio, se esperaba un coeficiente de dispersión axial y un coeficiente de transferencia de masa de la película, respectivamente, mediante el uso de la correlación de Chung y Wen (Chung, S. F. y otros, AlChE J., 1968, 14, 857 866) y correlación de Wilson y Geankopolis (Wilson, E. J. y otros, Ind. Eng. Chem. Fundam., 1966, 5, 9-14), y se calculó la difusividad molecular mediante el uso de la correlación de Wilke y Chang (Wilke, C.R. y otros, AlChE J..
1955, 1, 264-270). Además, se determinó la difusividad intrapartícula mientras se ajustaban los datos experimentales frontales y los resultados de la simulación basados en el modelo de transferencia de masa concentrada entre sí.
2) Resultados experimentales
Los valores de la difusividad molecular y la difusividad intrapartícula determinados anteriormente se representan en la tabla 1 como se muestra a continuación:
Tabla 1
[Tabla 1]
Para determinar la idoneidad de los valores del coeficiente de adsorción y de transferencia de masa como se determinó anteriormente, los resultados de la simulación del modelo y los resultados experimentales frontales que sustituyen los valores se compararon como se muestra en la Figura 6.
Como se muestra en la Figura 6, se puede determinar que los resultados de la simulación y los datos experimentales coinciden bien. Por lo tanto, el valor del parámetro básico como se determinó anteriormente se puede utilizar suficientemente para la optimización del proceso de SMB, como se lleva a cabo más adelante.
Ejemplo 4: Investigación del parámetro básico mediante un experimento frontal de la mezcla
1) Método experimental
Se llevó a cabo un experimento frontal de la mezcla para investigar el valor del parámetro básico determinado en el ejemplo 3. En este experimento, el experimento frontal se llevó a cabo mediante el uso de la solución de mezcla que comprende los tres aminoácidos como la mezcla a separar, a diferencia del ejemplo 3.
Además, la simulación del modelo se realizó sobre bases similares a las de los valores de los parámetros básicos determinados en el ejemplo 3 y las condiciones experimentales frontales de la mezcla. Además, los resultados de la simulación obtenidos se compararon con los datos experimentales frontales de la mezcla, y los resultados se representan en la Figura 8.
2) Resultados experimentales
Como se muestra en la Figura 8, se puede determinar que los datos experimentales coincidieron bien con los resultados de la simulación. Esto significa que los valores de los parámetros básicos determinados en el ejemplo 3 pueden explicar bien el comportamiento de cada aminoácido en la columna en el estado de estar en la mezcla, así como en el estado de ser un componente separado. Además, significa que la interacción entre cada uno de los aminoácidos rara vez está presente.
Ejemplo 5: Optimización del proceso de separación continua de valina
El asunto que se centra en el procedimiento de optimización es maximizar la productividad de la valina mientras se asegura la alta pureza y el alto rendimiento de la valina que es el objetivo de la separación. En donde la productividad de la valina se define según la siguiente ecuación:
-Productividad de valina = Q ra t * Cm f.vaim a
(en donde, Qraf es el caudal en el puerto de Refinado y Cref, valina significa la concentración de valina en el puerto de Refinado).
La productividad de la valina se estableció como una función objetivo y la pureza y rendimiento de la valina se establecieron como una restricción, para realizar los procedimientos de optimización. Los procedimientos de optimización concretos se resumen a continuación:
Max J = Productividad [Qfeed, Q raf, tsw]
Sujeto a pureza de valina = 98 %
Rendimiento de valina = 98 %
Variables fijas Qdes = 5 mL/min
Cfeed para cada componente = 5 g/L
Lc = 21,7 cm, do = 2,5 cm
(en donde, Qfeed y Q des se refieren independientemente al caudal de la mezcla a separar y al caudal del desorbente, respectivamente, y tsw se refiere al tiempo de conmutación).
Con el fin de optimizar el proceso de separación de valina mediante el uso del dispositivo SMB de tres zonas de la presente invención de acuerdo con la ecuación, el programa informático optimizado basado en el algoritmo NSGA-II-JG se autocodificó y el programa informático se conectó a un simulador Aspen para optimizar el proceso relevante. Los resultados se representan en la tabla 2 a continuación.
Tabla 2
[Tabla 2]
Ejemplo 6: Experimento d
Mediante el uso de la fecha obtenida anteriormente, la valina se separó mediante el dispositivo de separación continua de valina de acuerdo con la presente invención y el rendimiento y la pureza de la misma se midieron como sigue:
1) Método experimental
Como se muestra en la Figura 4, se llevó a cabo un experimento de SMB mediante el uso de las condiciones optimizadas derivadas del ejemplo 5 anterior. Se usó Amberchrom CG161C como columna.
Para empezar, la columna se conectó antes del inicio del experimento. En este momento, el caudal de desorbente (agua) se mantuvo en 2 mL/min y se detuvo el funcionamiento de la otra bomba. Cada una de las válvulas y columnas estaban conectadas, mientras que en este tiempo se tuvo cuidado de que no entrara aire dentro de la columna. Después de completar todas las conexiones de las columnas, se aumentó el caudal del desorbente hasta el valor diana. Dado que el inicio del experimento de SMB es durante el tiempo en que se inyecta la solución de la mezcla a separar, la bomba de la mezcla a separar se hizo funcionar al mismo tiempo que el programa informático Labview 8.0. La conmutación y el tiempo de conmutación de la válvula se controlaron simultáneamente a través de Labview 8.0.
El experimento de SMB avanzó hasta que alcanzó suficientemente un estado estacionario cíclico. Se comprobó que el estado estacionario se alcanzó después de la etapa 25. Por lo tanto, el experimento de SMB avanzó hasta la etapa 60, que es un valor muy superior al del estado estable. A lo largo del experimento de SMB, en cada etapa, se analizó la concentración de la solución eluida de cada puerto de salida mediante el uso del dispositivo de HPLC. Además, para asegurar el perfil de la columna, se tomó la muestra relevante en la última etapa. Para ello, todas las bombas de accionamiento se detuvieron cuando el experimento de SMB alcanzó la etapa 60.5. Adicionalmente, se recolectó la solución que salía de la columna al abrir la parte inferior de la columna conectada a la válvula y se analizó la concentración de la solución. Las condiciones de análisis de HPLC fueron las siguientes: se usó una solución acuosa de metanol al 10 % como fase móvil, el volumen de inyección fue de 20 j í y el caudal fue de 0,5 mL/min. Antes del análisis, la curva de autocalibración se aseguró mediante el uso de la solución estándar. Los resultados se representan en la Figura 9. En la Figura 10, (a) es el resultado del análisis de la concentración de refinado y (b) es el resultado del análisis de la concentración del extracto.
2) Resultados del experimento
Como se muestra en la Figura 9a, se pudo determinar que la mayoría de los componentes en la solución de refinado eran valina. La leucina y la isoleucina, que pertenecen a las impurezas, rara vez estaban presentes. Esto significa que la pureza de la valina que se mantiene es muy alta. Además, como se muestra en la Figura 9b del resultado del análisis de la concentración del extracto, la mayoría de los componentes eran leucina e isoleucina, y la cantidad detectada de valina era una cantidad insignificante. Esto significa que se minimiza la pérdida de valina a través del puerto de salida.
Además, la simulación por computadora para el proceso de SMB relevante se llevó a cabo simultáneamente con el progreso del experimento de SMB, y el resultado se comparó directamente con los datos del análisis de concentración de HPLC del refinado y el extracto. Como se muestra en la Figura 9, se puede ver que el resultado de la simulación y los datos experimentales de SMB se correlacionaron bien.
Para hacer una medida cuantitativa de la pureza final y el rendimiento de valina separada por el experimento de SMB como se mencionó anteriormente, las soluciones efluentes obtenidas durante las últimas seis etapas se mezclaron en la misma proporción y luego se realizó el análisis de concentración por HPLC para la solución. En base a los datos de concentración analizados, se calcularon la pureza y el rendimiento de valina y los resultados se representaron en la tabla 3 como se muestra a continuación.
Tabla 3
[Tabla 3]
A partir de los resultados de la tabla 3 y la Figura 9, se pudo determinar que el proceso de SMB que usa Amberchrom CG161C de la presente invención es superior para asegurar la separación continua de valina y mantener una alta pureza y alto rendimiento en todo momento. Como datos de evidencia experimental para esto, en la Figura 10 se representó un cromatograma sin procesar del análisis de concentración de HPLC (datos sin procesar de HPLC).
Al principio, en los datos sin procesar de HPLC (Figura 10a), para que la solución de mezcla a separar, los tres componentes de aminoácidos representaron picos grandes. En los datos sin procesar de HPLC (Figura 10b) para el efluente del puerto de Refinado que pertenece al puerto de producción de valina, solo el componente de valina mostró claramente un pico grande mientras que el pico de isoleucina mostró un pico muy pequeño, y además el pico de leucina raramente se encontró. En los datos sin procesar de HPLC (Figura 10c) para el efluente del puerto de Extracción que se establece para obtener solo los datos correspondientes a la impureza, el pico del componente valina es despreciable, mientras que los dos componentes de aminoácidos restantes mostraron un pico grande. A través de esta serie de datos sin procesar de HPLc , se pudo determinar nuevamente que el experimento de SMB para la separación continua de valina llevado a cabo como en la presente invención se realizó con éxito.
Además de los gráficos de concentración del refinado y extracto como se mencionó anteriormente, los datos del perfil de la columna también son datos experimentales de SMB importantes. Por esta razón, las muestras necesarias para asegurar los datos del perfil de la columna se tomaron durante la mitad del período de conmutación final, es decir, en la etapa 60.5. Después de analizar la concentración de la muestra, el resultado se representó en la Figura 12. Como puede verse en la Figura 11, se puede determinar que los datos del perfil de la columna también se correlacionan bien con el resultado de la simulación. Esto divulga que el perfil de la columna prueba que el experimento de SMB se realizó bien. Es decir, se puede decir que los hechos como se verificaron experimentalmente que las ondas de soluto de cada uno de los aminoácidos en la columna de SMB se distribuyeron de modo que son totalmente ventajosas para una alta pureza y rendimiento.
Por lo tanto, de todos los datos experimentales de SMB (el gráfico de concentración en el puerto de salida, perfil de columna) mencionados anteriormente, se pudo ver que el proceso de SMB de la presente invención que usa Amberchrom CG161C es suficientemente aplicable al proceso de separación continua de valina a escala industrial. El proceso de SMB mencionado anteriormente se optimizó en base al adsorbente Amberchrom CG161C, y también se verificó experimentalmente. Además de este adsorbente, también se realizó para su optimización el proceso de SMB basado en Chromalite PCG-600 en donde se verificó el efecto sobre la separación de valina, y también se realizó el experimento al respecto. Como resultado, se comprobó que el adsorbente Chromalite PCG-600 también era suficientemente utilizable para la separación continua de valina al ser aplicado al proceso de SMB.
Ejemplo 7: Experimento en la mezcla de fermentación real
De acuerdo con un método similar al del experimento anterior, se llevó a cabo un experimento mediante el uso de la mezcla de fermentación real.
Para medir el parámetro básico (coeficiente de adsorción y transferencia de masa) de los componentes de valina y leucina en la mezcla de fermentación real, se llevó a cabo un experimento frontal de mezcla en donde la solución de la mezcla de fermentación se inyectó en una sola columna llena con resina Chromalite PCG600C mientras se midió la concentración de efluente de la columna a lo largo del tiempo.
Los parámetros básicos de valina y leucina se determinaron mediante el uso de los datos del perfil de concentración obtenidos del experimento y el método inverso y los resultados se dan en la tabla 4.
Tabla 4
[Tabla 4]
Sobre la base de los parámetros básicos dados en la tabla 4 anterior, el proceso PCG600C-SMB que separa continuamente valina y leucina de la mezcla de fermentación real se diseñó de manera óptima. Este proceso de SMB también se basó en el nuevo orden de disposición de puertos de la presente invención, y la configuración de la columna adaptó la estructura de tres zonas como se muestra en la Figura 3.
El asunto que se centró en el procedimiento de optimización del proceso de PCG600C-SMB fue la maximización de la productividad de la valina mientras se asegura un alto rendimiento de valina y una alta eficiencia de eliminación de leucina. Para lograr este propósito de optimización, se estableció la productividad de valina como función objetivo, y el rendimiento de valina y las tasas de eliminación de leucina se establecieron como la restricción para la realización del procedimiento de optimización. Los procedimientos de optimización concretos se resumen a continuación. Qdes es el valor que se controla dentro del alcance de que se puede aumentar la pureza y el rendimiento de valina.
Max J = Productividad [Qfeed, Qraf,
tsw]
Sujeto a pureza de valina = 97 %
Eficiencia de eliminación de leucina = 90 %
Variables fijas Qdes = 6 mL/min
Lc = 21,7 cm, de = 2,5 cm
Configuración de columna = 1 -1 - 2
(en donde, Qfeed y Qdes se refieren al caudal de la mezcla a separar y al caudal del desorbente, respectivamente, y tsw se refiere al tiempo de conmutación).
Para llevar a cabo la optimización del proceso de PCG600C-SMB de acuerdo con la ecuación anterior, el programa informático optimizado basado en el algoritmo NSGA-II-JG se autocodificó y el programa informático se conectó al simulador de Aspen para obtener la optimización del proceso relevante. Los resultados de la optimización se dan en la tabla 5.
Tabla 5
[Tabla 5]
Para verificar experimentalmente los resultados de optimización de la tabla 5, el dispositivo de proceso de PCG600C-SMB se autoensambló. El diagrama mimético del dispositivo de proceso ensamblado se muestra en la Figura 4.
El experimento de SMB para separar la valina en donde la mezcla de fermentación real es el sujeto se llevó a cabo mediante el uso del resultado de optimización de la tabla 2 y el dispositivo de proceso de la Figura 4. Las concentraciones de valina y leucina en la mezcla de fermentación real usada en este experimento fueron de 71,8 g/L y 0,742 g/L, respectivamente.
Los resultados del experimento de SMB para separar valina, en donde la mezcla de fermentación real fue el sujeto, se representan en las Figuras 12-14. Como se muestra en el resultado del historial del efluente refinado en la Figura 12, la recuperación de alta concentración de valina se realizó de acuerdo con el nivel esperado por la simulación, y el nivel de concentración de efluente de leucina fue lo suficientemente bajo como para ser considerado una cantidad insignificante. Como se muestra en el resultado del historial del efluente del extracto de la Figura 13, se pudo determinar que la leucina se elimina de acuerdo con el nivel esperado por la simulación. Además, se pudo determinar que se minimizó la pérdida de valina a través de un puerto de Extracción. Estos resultados experimentales significan que se puede garantizar suficientemente un alto rendimiento de valina y una alta tasa de eliminación de leucina mediante la separación continua de valina y leucina mediante el proceso de PCG600C-SMB.
Además de los resultados del historial de efluentes de las Figuras 12 y 13, el resultado del perfil de columna de la Figura 14 también muestra de forma exhaustiva que la separación continua de valina y leucina se llevó a cabo con éxito. Como se muestra en la Figura 14, se puede determinar que la distribución de la concentración de valina y leucina en cada columna resulta muy ventajosa para asegurar una recuperación de alto rendimiento de valina y una alta tasa de eliminación de leucina. Debido a estos resultados, se pudo recuperar el 99,7 % de la valina en la mezcla de fermentación real a través del puerto de Refinado y, al mismo tiempo, se pudo eliminar el 98,0 % de la leucina a través del puerto de Extracción.
Claims (4)
1. Un método para la separación continua de valina mediante el uso de un aparato para la separación continua de valina,
en donde el aparato comprende:
un puerto de Desorbente (D) configurado para suministrar un desorbente al aparato;
un puerto de Alimentación (F) configurado para suministrar una mezcla que incluye valina al aparato; un puerto de Refinado (R) configurado para extraer la valina separada de la mezcla fuera del aparato: un puerto de Extracción (E) configurado para extraer los otros materiales separados de la mezcla fuera del aparato;
una primera válvula rotativa (10),
una segunda válvula rotativa (20) y
una tercera válvula rotativa (30);
y una primera zona de cromatografía (40),
una segunda zona de cromatografía (50) y
una tercera zona de cromatografía (60),
en donde el lado aguas arriba de la primera zona de cromatografía (40) y el lado aguas abajo de la tercera zona de cromatografía (60) están conectados de manera fluida por la primera válvula rotativa (10), en donde el lado aguas abajo de la primera zona de cromatografía (40) y el lado aguas arriba de la segunda zona de cromatografía (50) están conectados de manera fluida por la segunda válvula rotativa (20), en donde el lado aguas abajo de la segunda zona de cromatografía (50) y el lado aguas arriba de la tercera zona de cromatografía (60) están conectados de manera fluida por la tercera válvula rotativa (30), en donde el método realiza secuencialmente una primera operación, una segunda operación y una tercera operación para la separación continua de valina,
en donde el método comprende:
en la primera operación, conectar de manera fluida el puerto de Desorbente (D) al lado aguas arriba de la primera zona de cromatografía (40) por la primera válvula rotativa (10), conectar de manera fluida el puerto de Alimentación (F) al lado aguas arriba de la segunda zona de cromatografía (50) por la segunda válvula rotativa (20), conectar de manera fluida el puerto de Refinado (R) al lado aguas abajo de la segunda zona de cromatografía (50) por la tercera válvula rotativa (30), y conectar de manera fluida el puerto de Extracción (E) al lado aguas abajo de la tercera zona de cromatografía (60) por la primera válvula rotativa (10);
en la segunda operación, conectar de manera fluida el puerto de Desorbente (D) al lado aguas arriba de la segunda zona de cromatografía (50) por la segunda válvula rotativa (20), conectar de manera fluida el puerto de Alimentación (F) al lado aguas arriba de la tercera zona de cromatografía (60) por la tercera válvula rotativa (30), conectar de manera fluida el puerto de Refinado (R) al lado aguas abajo de la tercera zona de cromatografía (60) por la primera válvula rotativa (10), y conectar de manera fluida el puerto de Extracción (E) al lado aguas abajo de la primera zona de cromatografía (40) por la segunda válvula rotativa (20); y
en la tercera operación, conectar de manera fluida el puerto de Desorbente (D) al lado aguas arriba de la tercera zona de cromatografía (60) por la tercera válvula rotativa (30), conectar de manera fluida el puerto de Alimentación (F) al lado aguas arriba de la primera zona de cromatografía (40) por la primera válvula rotativa (10), conectar de manera fluida el puerto de Refinado (R) al lado aguas abajo de la primera zona de cromatografía (40) por la segunda válvula rotativa (20), y conectar de manera fluida el puerto de Extracción (E) al lado aguas abajo de la segunda zona de cromatografía (50) por la tercera válvula rotativa (30),
en donde el adsorbente usado en dicha primera, segunda y tercera zona de cromatografía es un polímero de poliestireno divinilbenceno insoluble que tiene un diámetro de partícula de 10 - 300 pm,
en donde la mezcla incluye al menos uno de leucina e isoleucina como los otros materiales,
en donde la pureza de la valina recuperada es del 90 % al 99 %.
2. El método para la separación continua de valina de acuerdo con la reivindicación 1,
en donde la primera válvula rotativa comprende los puertos de conexión primero, segundo y tercero (10a, 10b, 10c),
en donde el método comprende:
en la primera operación, abrir el primer puerto de conexión (10a) de modo que el puerto de Desorbente (D) esté conectado de manera fluida al lado aguas arriba de la primera zona de cromatografía (40) y el puerto de Extracción (E) esté conectado de manera fluida al lado aguas abajo de la tercera zona de cromatografía (60) y cerrar los puertos de conexión segundo y tercero (10b, 10c);
en la segunda operación, abrir el segundo puerto de conexión (10b) de modo que el puerto de Refinado (R) esté conectado de manera fluida al lado aguas abajo de la tercera zona de cromatografía (60) y cerrar los puertos de conexión primero y tercero (10a, 10c);
y en la tercera operación, abrir el tercer puerto de conexión (10c) de modo que el puerto de Alimentación (F) esté conectado de manera fluida al lado aguas arriba de la primera zona de cromatografía (40) y cerrar los puertos de conexión primero y segundo (10a, 10b).
3. El método para la separación continua de valina de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2,
en donde la segunda válvula rotativa comprende los puertos de conexión primero, segundo y tercero (20a, 20b, 20C),
en donde el método comprende:
en la primera operación, abrir el primer puerto de conexión (20a) de modo que el puerto de Alimentación (F) esté conectado de manera fluida al lado aguas arriba de la segunda zona de cromatografía (50) y cerrar los puertos de conexión segundo y tercero (20b, 20c);
en la segunda operación, abrir el segundo puerto de conexión (20b) de modo que el puerto de Desorbente (D) esté conectado de manera fluida al lado aguas arriba de la segunda zona de cromatografía (50) y el puerto de Extracción (E) esté conectado de manera fluida al lado aguas abajo de la primera zona de cromatografía (40) por la segunda válvula rotativa (20) y cerrar los puertos de conexión primero y tercero (20a, 20c); y
en la tercera operación, abrir el tercer puerto de conexión (20c) de modo que el puerto de Refinado (R) esté conectado de manera fluida al lado aguas abajo de la primera zona de cromatografía (40) y cerrar los puertos de conexión primero y segundo (20a, 20b).
4. El método para la separación continua de valina de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 - 3, en donde la tercera válvula rotativa comprende los puertos de conexión primero, segundo y tercero (30a, 30b, 30c),
en donde el método comprende:
en la primera operación, abrir el primer puerto de conexión (30a) de modo que el puerto de Refinado (R) esté conectado de manera fluida al lado aguas abajo de la segunda zona de cromatografía (50) y cerrar los puertos de conexión segundo y tercero (30b, 30c);
en la segunda operación, abrir el segundo puerto de conexión (30b) de modo que el puerto de Alimentación (F) esté conectado de manera fluida al lado aguas arriba de la tercera zona de cromatografía (60) y cerrar los puertos de conexión primero y tercero (30a, 30c); y
en la tercera operación, el tercer puerto de conexión (30c) de modo que el puerto de Desorbente (D) esté conectado de manera fluida al lado aguas arriba de la tercera zona de cromatografía (60) y el puerto de Extracción (E) esté conectado de manera fluida al lado aguas abajo de la segunda zona de cromatografía (50) y cerrar los puertos de conexión primero y segundo (30a, 30b).
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