KR20010042679A

KR20010042679A - 막 여과

Info

Publication number: KR20010042679A
Application number: KR1020007011382A
Authority: KR
Inventors: 권트게라드장; 데쯔발테피에테르요한네스게리트
Original assignee: 윌리암 로엘프 드 보에르; 디에스엠 엔.브이
Priority date: 1998-04-14
Filing date: 1999-04-14
Publication date: 2001-05-25
Also published as: ID26894A; PT1071744E; RU2247773C2; JP2002511243A; EP1071744B1; ATE243739T1; AU3709199A; DE69909077D1; SI1071744T1; PL188119B1; ES2201708T3; US6515115B1; KR100594482B1; CN1223670C; WO1999053015A1; CN1297475A; DE69909077T2; PL343401A1; EP1071744A1; BR9909584A

Abstract

본 발명은 발효 육즙으로부터 바람직한 수용성 생성물을 분리하는 방법에 관한 것으로서, 여기에서 육즙은 최소한 1.5 바의 횡단-막 압력이 적용되는 세라믹 막을 따라 순환되며, 이로써 바람직한 생성물을 함유하는 수성 용액이 막을 횡단하고, 이어서 수집된다. 유리하게도, 이러한 여과 과정 동안, 육즙의 온도는 20-50℃, 바람직하게는 30-45℃로 유지된다. 본 발명에 따라서, 감소된 과정 시간 및 높은 여과 용량 및 효율이 얻어진다.

Description

막 여과{MEMBRANE FILTRATION}

오늘날, 화학 화합물을 제조하기 위한 발효 방법은 화학에서 그 역할이 증가하고 있다. 이러한 종류의 방법은 매우 선택적이고, 환경 친화적이며 높은 생성물 수득률을 가져오므로, 산업상의 제조에서도 이 방법이 수행될수 있다.

발효가 완료된후, 바람직한 생성물은 발효 육즙으로부터 분리될 필요가 있다. 종래에 이것은, 케이크 여과 단계에서 세포 물질로부터 수성 상을 일차 분리하고, 이어서 여과물로부터 생성물을 추출 또는 흡착함으로서 행해진다. 그러나 주로, 그러한 케이크 여과 단계는 바람직한 생성물의 상당한 손실을 수반한다. 이것은 주로 여과 케이크가 충분히 세척되지 않고 다소 많은 양의 생성물이 여과천에 남아있기 때문이다. 실제로, 여과 과정의 효율 및 용량은 발효 육즙의 성질에 강하게 의존한다는 것이 관찰되었다. 여기에 더하여, 여과 육즙에 존재하는 "해리된" 단백질 및 세포 파편은 케이크 여과에 의해서는 발효 육즙의 수성 상으로부터 충분히 제거되지 않는다. 이것은 이어지는 다음 과정이 단백질로 오염되도록 하는 효과를 가지며, 따라서 그것들의 용량이 감소된다.

발효 육즙의 워크업 과정에서 상기 문제를 극복하기 위해, 막 여과와 같은 다른 여과 과정의 사용이 제안되었다. 이들 목적을 위해 사용되는 막은 보통 폴리술폰 막과 같은 중합체 막이다.

막 여과의 이점은 의도하에 보다 적은 생성물이 손실되고 더 순수한 여과물(투과물)이 얻어진다는 것이다. 투과물은 종래의 케이크 여과 기술에서 얻어진 여과물 보다 상당히 적은 단백질 및/또는 세포 물질의 잔여물을 함유한다. 그 결과, 추출 단계가 더욱 쉽게 수행될수 있으며, 과정의 전체적인 효율이 증가된다.

동독 특허 출원 DD-A-277 088에, 미생물 육즙으로부터 벤질페니실린을 분리하는 방법이 설명되었다. 방법은 생물량을 제거하기 위한 종래의 케이크 여과 단계, 및 이어지는 한외여과 단계를 포함하며, 여기에서 일차 여과의 여과물에 존재하는 단백질이 분리된다. 한외여과의 생성물은 그것의 부피의 5%로 농축되고, 바람직한 벤질페니실린이 추출에 의해 그것들로부터 분리된다.

육즙의 여과를 위한 막 여과 과정은 보통 세 단계를 포함한다. 실제로, 특히 연속 과정에서는, 한 단계로부터 다른 단계로의 변화가 아주 명백히 식별되지는 않는다. 주로 이들 단계 중 두 개 또는 모두가 동시에 수행된다. 그러나, 투명함을 위해서는, 이러한 차이를 구별하는 것이 유용하다. 일차 단계는 여과되는 조성물의 농축이다. 그러한 농축 단계는 압력 구배가 표면 전체에서 유지되는 동안 막 표면을 따라 육즙을 순환시킴으로서 적합하게 수행된다(주로 교차-흐름 여과로 언급됨). 이차 단계에서, 얻어진 농축된 생성물은 투석 단계의 교차-흐름 여과 동안 세척된다. 이것은 용매의 흐름이 육즙의 순환 흐름에 더해진다는 것을 의미한다. 여과되는 생성물이 발효 육즙인 경우, 용매는 일반적으로 물이 될것이다. 삼차 단계에서, 얻어진 여과된 투과물은 적합한 정도로 교차-흐름 여과 동안 더 농축된다.

막 여과 단계를 포함하는 과정에서, 과정의 유량(용량)을 최대화하기 위해서는, 높은 교차-흐름 속도(즉, 막의 수평면에 평행한 선형 흐름 속도)를 적용함으로서 막을 따르는 투석유물(여과 잔여물)의 흐름 조건을 조절하는 것이 필수적이다. 그러나 실제로, 농축된 후에 투석유물의 빠른 흐름을 유지하도록 시도하는데는 많은 문제가 발생한다. 이들 문제는 특히 고 함량(3-10%)의 세포 파편 및 단백질을 가지는 발효 육즙이 여과되는 경우에 직면하게 된다.

높은 농도 인자에서 관찰되는 증가된 점도로 인해, 과정에 필요된 에너지의 크기인 축 압력 저하가 상당히 증가한다. 대규모 사용에서는, 원심분리 펌프가 사용되고 그것들의 용량은 증가된 축 압력 저하의 결과로서 감소한다. 이러한 조건 하에서 포함된 물질의 위(僞)가소성(pseudoplastic nature)으로 인해, 점도는 더욱 증가하고, 이것은 차례로 흐름의 감소를 더 확대시킨다. 더욱이, 많은 열이 발생되며, 이것은 바람직한 생성물이 고온에서 불안정한 경우에 바람직하지 않다. 따라서, 저온을 유지하고 생성물의 감성을 피하기 위해서는, 크고 비싼 냉각 장치가 필요하다.

또한, 바람직한 생성물의 감성 및 오염을 방지하기 위해서는, 여과 과정을 완료하는데 필요한 시간을 최소화하는 것이 바람직하다. 여과 시간을 최소화 하기위한 이용가능한 수단은 여과 막 표면이 증가되거나, 또는 증가한 특정 용량이 필요하다. 특정 용량은 바람직한 생생물이 시간 단위(ℓ/m².h) 당 막의 어떤 표면 영역을 어느 정도 투과하는지를 나타낸다. 상기 용량은 높은 횡단-막 압력을 적용함으로서 증가될수 있으며, 이것은 여과의 추진력이 된다. 높은 횡단-막 압력 적용의 단점은 그것이 보통 바람직한 생성물의 높은 보유, 즉 많은 양의 막을 투과하지 못한 생성물을 가져온다는 것이며, 이것은 과정을 비효과적으로 만든다. 더욱이 그러한 경우에, 관형 중합체 막의 사용은 이러한 종류의 막이 이러한 조건 하에서 너무 많이 마모되므로 가능하지 않을수 있다.

현재, 상기 문제가 세라믹 막을 사용함으로서 그리고 놀라운 방식으로 과정의 조건을 조절함으로서 극복될수 있음이 밝혀졌다.

세라믹 막의 사용은 발효 육즙으로부터 바람직한 생성물의 다양한 분리를 위해 이전 당해 기술분야에 보고되었다.

EP 0 522 517에, α-알루미나 미세다공성 막이 발효 육즙으로부터 메틸 글루코시드를 분리하기 위해 사용되었다. 일차 단계에서, 육즙은 농축되고, 다음에 물-불용성 메틸 글루코시드가 메탄올의 첨가에 의해 용해되고, 다음에 메틸 글루코시드를 함유하는 용액이 막을 통과하여 항생물질이 회수된다.

유사한 기술이 발효 육즙으로부터 시클로스포린 A를 분리하기 위해 U. S. 특허 No. 5,616,596에 설명되었다.

러시아 특허 공보 No. 2090598에 따르면, 세라믹 여과 성분이 와인 생산에 필요한 여과를 위해 사용될수 있다.

본 발명은 발효 육즙으로부터 바람직한 수용성 생성물을 분리하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 발효 육즙으로부터 바람직한 수용성 생성물을 분리하기 위한 방법에 관한 것으로서, 여기에서 육즙은 최소한 1.5 바의 횡단-막(trans-membrane) 압력이 적용되는 세라믹 막을 따라 순환되며, 이로써 바람직한 생성물을 함유하는 수성 용액은 막을 횡단하고, 이어서 수집된다.

본 발명에 따르는 방법은 매우 짧은 여과 시간이 바람직한 생성물의 높은 보유의 알려진 문제 없이 실현될수 있다는 이점을 가진다. 따라서, 본 여과 과정은 매우 효과적이다. 놀랍게도, 높은 횡단-막 압력이 바람직한 생성물의 높은 보유에 직면하지 않고 본 발명에 따르는 방법에 적용될수 있다. 또한, 점도 문제 및 주로 열적으로 불안정한 바람직한 생성물의 분해없이, 온도를 바람직한 값으로 매우 적합하게 조절할수 있다. 더욱이, DD-A-277 088에 설명된 바와 같이, 본 발명에 따르는 방법에서는, 막 여과를 하기 전에, 발효 육즙에 종래의 여과를 수행할 필요가 없다.

발효 육즙은 어떤 발효 과정으로부터 얻어질수 있다. 그러한 과정에서, 적합한 미생물 스트레인은 육즙에 탄소원, 질소원, 다른 영양소 및 공기를 가함으로서 발효된다. 전형적 작업 과정 및 레시피가 문헌에 알려져있다. 발효 과정이 바람직한 정도로 완료된 후에, 육즙은 단백질 및 바람직한 생성물 뿐아니라 세포 물질도 포함할 것이다. 또한, 상이한 오염이 존재할수 있다. 육즙은 항-감염 화합물이 제조되는 발효 과정으로부터 얻어지는 것이 바람직하다. 그러한 화합물의 예는 여러가지 β-락탐 및 에리트로마이신 및 니스타틴과 같은 화합물이다.

이와 관련된 β-락탐의 예는 페니실린 G, 페니실린 V, 아디필-7-아미노세팔로스포란산, 아디필-7-아미노-데스아세트옥시세팔로스포란산, 클라불란산, 세팔로스포린 C, 암피실린, 암옥시실린, 세팔렉신, 세파클러 및 세파드록실과 같은, β-락탐의 핵이 적합한 곁사슬에 결합된 β-락탐이다. 가능하게는 또한 6-아미노페니실란산(6-APA), 7-아미노세팔로스포란산(7-ACA), 3-클로로-7-아미노데스아세트옥시데스메틸세팔로스포란산(3-Cl,7-ACCA), 7-아미노데스아세틸세팔로스포란산(7-ADAC), 및 7-아미노데스아세트옥시세팔로스포란산(7-ADCA)와 같은 β-락탐 핵들이 적합하다. 가장 바람직한 것은 페니실린 G, 페니실린 V, 세팔로스포린 C, 아실-7-ADCA 또는 아실-7-ACA를 제조하기 위한 과정으로부터 얻어진 발효 육즙이다. 이들 발효 육즙 중 하나의 여과 과정이 본 발명의 이점에 상당히 유리하다고 밝혀졌다. 많은 이들 발효 육즙이 열적으로 불안정한 생성물을 포함함에도 불구하고, 본 발명에 따르는 방법에 있어서, 이들 열적으로 불안정한 생성물이 생성물의 상당한 손실 없이 육즙으로부터 분리될수 있다고 밝혀졌다. 본 발명에 따라 사용되는 막은 세라믹 막이다. 이것은 막이 무기 물질을 포함함을 의미한다. 바람직한 물질은 α-알루미나, γ-알루미나 및 지르코니아와 같은 금속 산화물이다. 이들 물질의 막의 사용은 고 효율의 여과 과정을 가져오며, 여기에서 단지 매우 적은 양의 바람직한 생성물이 손실되고, 적어도, 바람직한 생성물이 매우 높은 순도로 얻어진다.

바람직하게는, 세라믹 막이 사용되며, 이것은 4-100nm, 더 바람직하게는 20-50nm의 평균 구멍(pore) 크기를 가진다. 이들 범위 내의 구멍 크기를 가지는 막의 사용은 높은 선택성 및 효과적인 막 여과 과정을 가져온다고 밝혀졌다.

막을 따라 육즙이 순환하는 동안(교차-흐름 여과), 막을 통과하는 육즙 투과물에 존재하는 유체의 양이 증가함에 따라, 그것은 농축 될것이다. 농축의 적합한 정도는 1.5, 바람직하게는 2 배이다. 상기 농축은 증가된 온도, 바람직하게는 20℃ 보다 고온, 더 바람직하게는 30℃ 보다 고온에서 가장 유리하게 수행될수 있다. 농축되는 동안 온도의 상한선은 실제적인 이유에서 일반적으로 50℃, 바람직하게는 45℃일 것이다.

본 발명에 따라서, 육즙의 점도가 허용되지 않는 높은 값에 도달하지 않는다는 것이 밝혀졌다. 농축 인자가 두 개인 경우, 전형적인 최대 값은 100s^-1의 전단에서 337mPa.s, 500s^-1의 전단에서 197mPa.s, 그리고 1000s^-1의 전단에서 156mPa.s이다. 따라서, 충분한 교차-흐름 속도로 순환을 수행하는데 추가의 비싼 장치는 필요하지 않다.

교차-흐름 속도는 본 발명에 따르는 과정 동안 2-4m/s의 값으로 약간의 부동을 나타내는 것이 가능하다. 그러나, 상기 속도는 최소한 5, 더 바람직하게는 6m/s의 값으로 바람직하게 유지된다. 상기 속도의 상한선은 10, 더 바람직하게는 8m/s인 것이 바람직하다. 상기 속도가 특정한 범위 내에서 선택되는 경우, 여과 과정은 매우 높은 용량을 가진다. 현재, 농축이 큰 정도로 수행되는 경우에서도 높은 속도를 유지하는 것이 가능하다고 증명되었다.

투석유물이 바람직한 정도로 농축된후에, 물이 순환하는 육즙(투석)에 가해지는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 육즙이 1,5-4 배, 더 바람직하게는 2-3 배로 희석되는 물의 양이 가해진다. 투석유물에 물의 첨가에 의해, 여과 과정의 수득률, 및 결과적으로는 효율이 증가된다. 투석유물의 바람직한 생성물의 양은 이러한 희석 단계에 의해 회수될수 있으며, 이것은 투석유물에 물의 첨가를 포함한다.

본 발명의 방법의 큰 이점은 바람직한 생성물의 높은 보유의 알려진 문제의 발생 없이, 매우 짧은 과정 시간이 달성될수 있다는 것이다. 따라서, 본 발명에 따라, 횡단-막 압력은 1,5 바 보다 높다. 본 발명과 관련하여, 횡단-막 압력은 막의 투석유물 쪽의 평균과 투과물 쪽의 평균 압력의 차이로서 정의된다. 바람직한 구체예에서, 횡단-막 압력은 2.5-7.5, 바람직하게는 4-6 바이다.

본 발명의 가장 바람직한 구체예에 따라서, 횡단-막 압력은 초기에는 상기 특정한 압력 보다 낮다. 적합한 초기 횡단-막 압력은 1-2.5 바 사이에서 선택된다. 초기 횡단-막 압력이 적용되는 동안의 시간 기간은 비교적 짧다. 일반적으로, 상기 기간은 총 여과 시간의 10% 보다 길지 않고, 바람직하게는 8% 보다 길지 않다. 가장 실제적인 경우에서, 여과되는 발효 육즙의 양에 따라, 상기 기간은 대략 10분이 될 것이다.

이러한 구체예는 막의 오염이 결국은 바람직한, 높은 횡단-막 압력이 과정의 시작에 적용되는 경우 보다 상당히 덜 발생한다는 것에서 유리하다. 이것 때문에, 막의 수명이 증가하고, 동일한 막을 세척하지 않고 사용할수 있는 시간 기간이 증가한다. 또한, 여과 과정의 용량이 더 높아지고, 선택성이 더 커진다. 이론에 따르지 않더라도, 이들 이점은 막의 투석유물 쪽의 단백질 겔층 때문에 달성되고, 이것은 낮은 횡단-막 압력이 적용되는 초기 기간 동안에 침적된다고 믿어진다.

본 발명에 따르는 방법에서 투석유물의 입구 압력은 본 과정 동안의 단계에 따라, 1-8 바 사이에서 변할 것이다. 투석유물의 축 압력 저하는 또한 본 발명 동안의 단계에 따라, 1-3.5 바 사이에서 변할 것이다. 특정 유량은 200ℓ/m².h.바-50ℓ/m².h.바에서 변할수 있고 본 과정이 진행되는 동안 200ℓ/m².h.바로 돌아온다.

막의 투과면에서, 연속 흐름이 보통 투과물을 수집하기 위해 유지될것이며, 특히 바람직한 생성물은 그곳에 존재한다. 투과물이 수집된후, 그것은 유리하게 농축될수 있다. 투과물 농축의 바람직한 정도는 1.5-7, 더 바람직하게는 2-5 배이다. 농축된 투과물에 존재하는 바람직한 생성물을 회수하기 위해. 종래의 워크업 과정이 일반적으로 수행될 것이다. 그러한 워크업 과정의 적합한 예는 추출이다.

본 발명에 따르는 방법은 뱃치-방식 또는 연속적으로 수행될수 있다. 연속 과정으로 수행되는 것이 바람직하다.

본 발명은 다음의 비제한적인 실시예로서 더 설명될것이다.

(실시예 1)

페니실린 발효 육즙 156kg을 교반되는 공급 탱크로부터 막 여과(MF) 시스템에 공급했다. 상기 시스템은 대략 9m²의 표면 및 50nm의 평균 구멍 크기를 가지는 Membranlox SCT 3P19를 포함했다.

시스템을 공기 제거하고 여과 과정을 다음 조건에서 시작했다.

온도 21℃

순환 흐름 공급 탱크 2.5m³/h

순환 흐름 여과 루프 35m³/h

(교차-흐름 속도는 6m/s이었다).

투과물 65ℓ를 제거한후(α=1.67(농축 인자), β=0.4(희석 인자)), 여과 루프의 순환 흐름을 17m³/h로 감소시켰고, 이것은 2.9m/s 교차-흐름 속도에 상응한다. 투과물 흐름을 4 바의 횡단-막 압력에서 70ℓ/m²h로 감소시켰다. 농축 인자는 1.67이었다. 더 이상의 농축은 가능하지 않았다. 동형여과(diafiltration)를 α를 일정하게 유지하면서 시작했고, 교차-흐름 속도를 다시 5.5m/s까지 증가시켰고, 투과물 흐름을 72ℓ/m²h로 일정하게 유지시켰다. 희석 인자는 1.72였다.

총 과정 시간은 250 분이었다.

(실시예 2)

페니실린 발효 육즙 154kg을 교반되는 공급 탱크로부터 실시예 1에 사용된 것과 동일한 MF 시스템에 공급했다.

온도 40℃

순환 흐름 공급 탱크 2.5m³/h

순환 흐름 여과 루프 35m³/h

(교차-흐름 속도는 6m/s이었다).

투과물 74ℓ를 제거한후(α=1.92, β=0.48), 여과 루프의 순환 흐름을 26m³/h로 약간 감소시켰다. 투과물 흐름을 농축 인자 2.0 및 4 바의 횡단-막 압력에서 94ℓ/m²h로 감소시켰다.

바로 다음에, α를 일정하게 유지하면서 동형여과를 시작한후, 교차-흐름 속도를 다시 5.9m/s까지 증가시켰고, 투과물 흐름을 110ℓm²h이 되도록 조절했다. 희석 인자는 1.85였다.

총 과정 시간은 180 분이었다.

(실시예 3)

페니실린 발효 육즙 177kg을 교반되는 공급 탱크로부터 실시예 1에 사용된 것과 동일한 MF 시스템에 공급했다.

온도 36℃

순환 흐름 공급 탱크 2.5m³/h

순환 흐름 여과 루프 35m³/h

(교차-흐름 속도는 6m/s이었다).

투과물 90ℓ를 제거한후(α=2.04, β=0.51), 순환 흐름은 6m/s였다. 농축 시작에서 511ℓ/m²h의 투과물 흐름을 농축 마지막에 124ℓ/m²h로 감소시켰다. 농축 인자는 2.04이었고, 횡단-막 압력은 5 바였다.

α를 일정하게 유지하면서 동형여과를 시작한후, 투과물 흐름을 매우 천천히 증가시켰고 255ℓ/m²h이 되도록 조절했다. 과정의 마지막에서 횡단-막 압력을 천천히 3.8 바로 내렸다. 희석 인자는 2.02였다.

총 과정 시간은 134 분이었다.

Claims

육즙을 최소한 1.5 바의 횡단-막 압력이 적용되는 세라믹 막을 따라 순환시키고, 이때 바람직한 생성물을 함유하는 수용액을 막을 횡단시키고, 이어서 수집하는 것을 특징으로 하는 발효 육즙으로부터 바람직한 수용성 생성물을 분리하는 방법.
제 1 항에 있어서, 육즙이 20-50℃ 사이의 온도에서 막을 따라 순환하는 동안 농축되는 것을 특징으로 하는 방법.
제 2 항에 있어서, 온도가 30-45℃인 것을 특징으로 하는 방법.
전술한 항중 어느 한 항에 있어서, 교차-흐름 속도가 5-10m/s, 바람직하게는 6-8m/s인 것을 특징으로 하는 방법.
전술한 항중 어느 한 항에 있어서, 세라믹 막이 금속 산화물로 구성되는 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
전술한 항중 어느 한 항에 있어서, 세라믹 막이 4-100nm, 바람직하게는 20-50nm의 평균 구멍 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
전술한 항중 어느 한 항에 있어서, 횡단-막 압력이 2.5-7.5 바, 바람직하게는 3-6 바인 것을 특징으로 하는 방법.
제 7 항에 있어서, 횡단-막 압력이 초기에는 1.2-5 바인 것을 특징으로 하는 방법.
전술한 항중 어느 한 항에 있어서, 일단 상기 육즙이 1.5 배, 바람직하게는 2 배로 농축되었을때 물을 순환하는 육즙에 가하는 것을 특징으로 하는 방법.
제 9 항에 있어서, 육즙이 1.5-4 배, 바람직하게는 1-3 배로 희석되는 정도로 물의 양을 가하는 것을 특징으로 하는 방법.
전술한 항중 어느 한 항에 있어서, 육즙을 여과한후, 투과물을 얻고, 이 투과물을 1.5-7 배, 바람직하게는 2-5 배로 농축하는 것을 특징으로 하는 방법.
전술한 항중 어느 한 항에 있어서, 발효 육즙이 항-감염 화합물이 제조되는 발효 공정으로부터 얻어지는 것을 특징으로 하는 방법.
제 12 항에 있어서, 항-감염 화합물이 에리트로마이신, 니스타틴, 아디필-7-아미노세팔로스포란산, 아디필-7-아미노데스아세트옥시세팔로스포란산, 페니실린 G, 페니실린 V, 세팔로스포린 C, 및 이소페니실린 N으로 구성되는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.