KR20110126719A - 분리 방법 - Google Patents

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KR20110126719A
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지어키 아이라크시넨
헤이크키 헤이크키라
자리 레완도우스키
카리 라이호
파이비 사르마라
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대니스코 에이/에스
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Abstract

본 발명은 신규하고 독창적인 방식으로 분리 프로파일의 일부를 포함하는 분획을 용리액의 대체물로서 사용함으로써 당, 당 알코올, 당 산 및/또는 베타인을 함유하는 용액을 분획화하기 위한 크로마토그래피 분리 방법에 관한 것이다. 출발 용액은 전형적으로 다성분 식물계(plant-based) 추출물 및 가수분해물, 스틸리지(stillage), 및 발효 생성물 및 이들의 유도체이다. 본 발명의 방법은 개선된 분리 용량 및 분리 효율을 제공하지만 당, 당 알코올, 당 산, 및 베타인과 같은 생성물 성분의 수율 또는 순도에 영향을 미치지 않는다. 특히, 본 발명의 방법은 순차식 SMB 분리 시스템에 적용될 수 있다.

Description

분리 방법{SEPARATION PROCESS}
발명의 분야
본 발명은 크로마토그래피 분리 분야, 특히 모사 이동층(simulated moving bed) 및/또는 뱃치(batch) 방법에 의한 당(sugar), 당 알코올(sugar alcohol), 당 산(sugar acid), 및 베타인을 함유하는 용액의 크로마토그래피 분획화에 관한 것이다. 용액은 전형적으로 다성분 식물계(plant-based) 추출물 및 가수분해물 및 이들의 유도체이다. 본 발명의 방법은 분리 프로파일(separation profile)의 파트(part)를 포함하는 분획을 신규하고 독창적인 방식으로 분리 시스템내로 다시 도입시켜서 새로운 용리액의 부피를 감소시킴으로써 분리 시스템의 분리 효율을 개선시키면서도 생성물의 수율 및/또는 순도를 본질적으로 유지시키거나 오히려 개선시키고자 한다.
발명의 배경
식물계 추출물 및 가수분해물 및 이들의 유도체, 예를 들어 설파이트 폐액(sulfite spent liquor), 몰라세(molasse), 비나세(vinasse) 및 전분 가수분해물로부터 당 및 베타인과 같은 가치있는 성분을 분리하기 위한 크로마토그래피 분리 시스템이 이러한 시스템의 분리 용량과 분리 효율을 개선시키기 위해 최근 수 년간 개발되어 왔다. 그러나, 크로마토그래피 분리 시스템, 특히 뱃치 시스템과 SMB 시스템은 그러한 시스템의 매우 복잡한 특성으로 인해 용리액 대 공급물의 비가 상당히 높다는 결점을 지닌다. 용리액의 분획을 분리 시스템으로 다시 순환시키기 위한 다양한 장치가 크로마토그래피 뱃치 및 SMB 시스템에서 이미 사용되고 있다.
US 4,109,075 (CPC International Inc.)에는 뱃치 크로마토그래피 방법에 의해 예를 들어 전분 전환 생성물로부터 사카라이드를 분리하기 위한 공정이 기재되어 있고, 이러한 공정에서 분자량이 상이한 3개 이상의 상이한 사카라이드 분획이 수집된다. 그 후, 제 1 사카라이드 분획 (최고 분자량 분획)을 사용하여 그 다음 공급물을 용리시키고, 이어서 물로 용리시킨다. 이러한 작업 방식은 용리수(eluent water)의 양을 최소화시키고 DP1 내지 DP4인 저분자량 사카라이드 중 어느 하나가 풍부한 분획을 생성시키는 것으로 기술되어 있다.
US 특허 4,267,054 (Sanmatsu Kogyo Co.)에는 다성분 혼합물로부터 2개의 성분 (예를 들어, 글루코스와 프룩토스)를 분리하기 위한 뱃치 크로마토그래피 분리 공정이 기재되어 있고, 이러한 공정에서 분리 컬럼으로부터 배출되는 용리물은 4개의 분획인 (a), b), (c) 및 (d)에 수집된다. 분획 (a)와 (c)는 생성물 분획이고, 분획 (b)는 비교적 다량의 표적 생성물을 함유하는 혼합 분획이고, 분획 (d)는 그 다음 작업 사이클에 사용되는 분획 (a)의 헤드(head)와 분획 (c)의 테일(tail)의 묽은 분획(dilute fraction)을 포함한다. 분획 (b)와 (d)는 이들 분획을 분리 컬럼의 상부로 도입시킴으로써 분리 시스템으로 복귀된다.
US 특허 4,402,832 (UOP Inc.)에는 SMB 크로마토그래피 시스템에서 라피네이트 성분 (예를 들어, 글루코스)으로부터 추출물 성분 (예를 들어, 프룩토스)를 분리하기 위한 공정이 기재되어 있고, 이러한 공정에서 묽은 추출물 분획과 불순물 라피네이트 분획이 이들 분획을 수집했던 동일한 컬럼으로 복귀된다. 종래 기술에 따른 공정과 비교하여 상기 공정이 생성물 스트림으로부터 용리액을 회수하는 데에 필요한 에너지를 상당히 절감시키는 것으로 기술되어 있다. 또한, 분리 유닛을 통한 유체 순환율 감소가 달성되는 것으로 기술되어 있는데, 이는 컬럼의 보다 조밀한 충전을 가능하게 한다. 이렇게 되면 결과적으로 흡수층을 통한 채널링(channelling)을 최소화시키고 공극 부피(void volume)를 최소화시키는 것으로 기술되어 있다.
US 특허 4,487,198 (Hayashibara)에는 당 전분 용액으로부터 말토스를 분리하기 위한 2중 스테이지 크로마토그래피 뱃치 공정이 기재되어 있고, 이러한 공정에서 제 1 스테이지에서 분리 컬럼으로부터 배출되는 용리물은 A, B, C, D 및 E의 5개 분획에 수집된다. 분획 A는 덱스트린 분획이고, 분획 C는 말토스 분획이고, 분획 E는 글루코스 분획이다. 분획 B는 덱스트린과 말토스 불순물을 함유하는 후방 기울기(rear slope) 분획이고, 분획 D는 말토스와 글루코스 불순물을 함유하는 전방 기울기(front slope) 분획이다. 그 다음 스테이지에서, 분획 B와 D를 순서대로 새로운 공급물과 함께 분리 컬럼으로 순차적으로 적용하는데, 분획 B가 공급물 보다 먼저 도입되고 분획 D는 공급물 보다 나중에 도입된다.
US 특허 6,200,390 (Amalgamated Research Inc.)에는, 예를 들어 몰라세로부터 베타인과 당을 회수하기 위한 연속식 SMB 크로마토그래피 공정이 기재되어 있다. 이러한 공정에서, 베타인의 "블록(block)"이 시스템의 정상적인 작동을 저해함이 없이 SMB 시스템의 순환 루프로부터 치환된다. 실제로는, 베타인 농축된 분획을 연속식 SMB 시스템의 순환 루프로부터 인출(withdraw)하는 동안 동일한 부피의 물을 순환 루프내로 도입시킨다. 그 후, 순환 루프는 중단없이 계속 동작한다.
미국 특허 6,602,420 (Amalgamated Research Inc.)에는, 연속식 치환 크로마토그래피 (연속식 SMB)와 커플링된 모사 이동층 작동을 포함하는, 커플링된 루핑을 갖춘 2단계 크로마토그래피 분리 공정이 기재되어 있다. 이러한 공정은 몰라세와 같은 수크로스 용액으로부터 베타인 및/또는 전화당(invert sugar)을 회수함으로써 후속하여 고순도 수크로스 생성물을 생산할 수 있게 하는 데에 적용될 수 있다. 용리 보다 치환을 사용하는 것이 용리액의 양을 감소시키는 것으로 기술되어 있다. 전형적인 몰라세 크로마토그래피 분리 시스템은 몰라세 공급물의 각 부피에 대해 약 6.0 내지 8.0 물 부피의 비를 사용하는 반면 (공급물 중의 60% 용존 고형물), 치환 크로마토그래피를 적용하면 2.0 이하의 물 대 공급물 비를 사용하여 유기 화합물 (예를 들어, 베타인)의 분리가 이루어질 수 있는 것으로 나타나 있다. 또한, 베타인 분획의 농도는 1 내지 5% 용존 고형물에서 8 내지 15% 용존 고형물로 상승하는 것으로 기술되어 있다.
US 5,127,957 (Danisco)에는 동일한 사이클 (하나의 루프) 동안 몰라세로부터 베타인, 수크로스 및 나머지 몰라세를 분리하기 위해 3개의 이상의 컬럼을 갖춘 순차식 SMB 크로마토그래피 방법이 기재되어 있다. 이러한 방법의 한 가지 구체예에서, 공급 용액의 새로운 부분이 부분적으로 분리된 나머지 몰라세와 수크로스 분획 사이의 일련의 컬럼으로 첨가되어 소정의 컬럼의 상부로 이동한다.
US 6,093,326 (Danisco)에는 비트(beet) 몰라세 기반 용액을 처리하여 베타인 분획과 수크로스 분획을 회수하기 위해 2개 이상의 충전 물질층을 포함하는 2루프 SMB 크로마토그래피 방법이 기재되어 있다. 몰라세 용액은 비트(beet) 몰라세 이외에 예를 들어 케인(cane) 몰라세, 스틸리지, 비나세 우드((vinasse wood) 몰라세, 밀(wheat) 몰라세, 보리(barley) 몰라세 또는 옥수수(corn) 몰라세일 수 있다.
US 6,896,811 B2 (Danisco)에는 1회 사이클 동안 (그 다음 공급물이 분리 시스템에 공급되기 전에) 형성된 분리 프로파일을 크로마토그래피 분리 루프를 통해 1회 이상 또는 1회 이하로 순환시킴으로써 용액을 2개 이상의 분획으로 분획화시키기 위한 SMB 크로마토그래피 방법이 기재되어 있다. 이러한 방법은 예를 들어 설파이트 증해액(cooking liquor)으로부터 자일로스를 분리하고, 비트 몰라세로부터 수크로스와 베타인을 분리하고, 프룩토스 함유 시럽으로부터 프룩토스를 분리하고, 말토스 함유 시럽으로부터 말토스를 분리하기 위해 적용될 수 있다.
US 5,637,225에는 2개 이상의 크로마토그래피 섹션 충전 물질층을 포함하는 순차식 SMB 크로마토그래피 시스템에 의해 설파이트 증해액으로부터 자일로스를 분리하는 방법이 기재되어 있다. 분리하고자 하는 액은 하나 이상의 섹션 충전 물질층을 포함하는 하나 이상의 루프에서 재순환기(recycling phase)에 재순환된다.
US 6,572,775에는 모사 이동층 크로마토그래피 공정에 의해 용액을 2개 이상의 분획으로 분획화시키는 방법이 기재되어 있고, 이러한 방법에서 분리는 동일한 루프에서 2개 이상의 분리 프로파일을 포함한다. 이러한 방법은 예를 들어 몰라세로부터 베타인과 수크로스를 분리하고, 비나세로부터 베타인을 분리하고, 글루코스/프룩토스 혼합물로부터 글루코스와 프룩토스를 분리하고, 자일리톨 런오프(run-off)로부터 자일리톨을 분리하기 위해 적용될 수 있다.
상기 기술된 종래 기술로부터, 분리 프로파일의 다양한 파트를 포함하는 분획을 분리 컬럼으로 다시 복귀시키는 것은 공지된 것으로 여겨진다. 또한, 공지된 장치는 용리액 양의 감소, 생성물 스트림으로부터 용리액을 회수하는 데에 필요한 에너지 절감 뿐만 아니라 표적 성분 분획의 보다 높은 순도를 제공하는 것으로 여겨진다. 그러나, 추가 농축 비용을 감소시키고 요망되는 표적 분획내의 성분의 회수를 가능하게 하기 위해 다양한 빠른 이동 성분과 느린 이동 성분을 함유하는 분리 프로파일의 파트가 용리액 대체물로서 분리 시스템의 다양한 위치로 다시 도입되지만 생성물 성분의 수율과 순도를 본질적으로 유지시키거나 오히려 개선시키는, 보다 다목적인 분리 공정이 여전히 필요한 실정이다.
발명과 관련된 정의
"생성물 분획"은 생성물 성분을 포함하는, 크로마토그래피 분리 공정으로부터 배출된 분획이다. 하나 이상의 생성물 분획이 존재할 수 있다.
"잔여물 분획" 또는 "잔류물 분획"은 회수되는 생성물 성분 이외의 다른 성분을 주로 함유하는 분획이다. 상기 다른 성분은, 출발 물질에 따라, 전형적으로 염, 유기산 및 무기산 및 이들의 염, 예를 들어 아세트산, 자일론산, 아미노산, 착색 화합물(color compound), 글리세롤, 리그노설포네이트, 올리고사카라이드 등 뿐만 아니라 생성물 당, 당 알코올 및 당 산이 아닌 당, 당 알코올 및 당 산으로부터 선택된다. 하나 이상의 잔여물 분획이 존재할 수 있다. 잔류물 분획의 성분 (생성물 성분이 아닌 성분)은 또한 "잔류물 성분"으로 일컬어진다. 잔류물 성분의 특성은 출발 물질에 좌우된다. 예를 들어, 식물계 가수분해물, 예를 들어 설파이트 폐액으로부터 당, 당 알코올 및 당 산을 분리하는 경우, 잔여물 분획의 잔류물 성분은 리그노설포네이트, 올리고사카라이드, 염, 유기산 (예를 들어, 자일론산), 및 무기산 등을 주로 포함한다. 글루코스와 프룩토스의 혼합물, 예를 들어 전화(inverted) 수크로스와 이성화(isomerized) 글루코스의 혼합물로부터 프룩토스를 분리하는 경우, 잔류물 분획의 잔류물 성분은 예를 들어 디사카라이드와 글루코스를 주로 함유한다. 사탕무 기반 용액, 예를 들어 몰라세 또는 비나세로부터 베타인을 분리하는 경우, 잔류물 분획의 잔류물 성분은 염, 착색 화합물, 유기산, 아미노산, 글리세롤, 모노사카라이드, 디사카라이드 및 트리사카라이드 등을 주로 포함한다. 전분 가수분해물로부터 말토스를 분리하는 경우, 잔류물 분획의 잔류물 성분은 글루코스, 말토트리오스, 및 고급(higher) 말토-올리고사카라이드로 주로 구성된다.
"재순환 분획"은, 불완전하게 분리된 생성물 화합물을 함유하고, 순도가 낮거나 생성물 분획 보다 묽고, 공급물과 합쳐지도록 분리 시스템으로 다시 재순환되는, 분획이다. 재순환 분획은 공급물의 희석물로서 전형적으로 사용된다. 또한, 재순환 분획을 컬럼(들)로 복귀시키기 전에 하나 이상의 조작이 존재할 수 있는데, 예를 들어 재순환 분획(들)은 증발에 의해 농축될 수 있다. 하나 이상의 재순환 분획이 존재할 수 있다.
"순서" 또는 "분리 순서"는, 공급물 성분을 생성물 분획(들)과 다른 분획들로 분리하는 것을 촉진시키는 데에 필요한 모든 단계를 포함하는, 순차식 크로마토그래피 분리 공정에서 연속적으로 반복되는 소정의 단계들의 순서이다. 순서는 하나 이상의 사이클을 포함할 수 있다. 새로운 순서가 이전 순서와 동일한 위치로부터 출발하는 경우, 사이클은 그러한 순서와 동일하다.
"단계"는 공급기(feeding phase), 용리기(elution phase), 및 순환기(circulation phase) 중 하나 이상을 포함한다.
공급기 동안, 공급 용액이 소정의 부분적 패킹층 또는 소정의 부분적 패킹층들내로 도입된다. 공급기, 및/또는 하나 이상의 다른 시기 동안, 하나 이상의 생성물 분획과 하나 이상의 잔류물 분획이 인출될 수 있다.
용리기 동안, 용리액이 소정의 부분 패킹층들내로 공급된다.
순환기 동안, 부분적 패킹층에는 공급 용액 또는 용리액이 본질적으로 공급되지 않고, 생성물은 인출되지 않는다.
"SMB"는 모사 이동층(simulated moving bed) 시스템을 지칭한다.
연속식 SMB 시스템의 경우, 모든 유체 스트림은 연속적으로 유동한다. 이러한 스트림은 공급 용액과 용리액의 공급 스트림, 분리 프로파일의 순환 스트림, 그리고 생성물의 인출 스트림이다.
순차식 SMB 시스템의 경우, (상기 규정된) 유체 스트림 모두가 연속적으로 유동하는 것은 아니다
"공급물"은 1회 순서 동안 분리 컬럼내로 도입되는 공급 용액의 양이다.
"서브프로파일(subprofile)"은, 성분 피크로서 또한 명명되는, 하나의 성분의 농도 프로파일이다.
"분리 프로파일"은, 분리 순서를 수행/반복함으로써 수득되는, 분리 컬럼의 충전 물질층을 통한 흐름 그리고 용리액과 공급 용액의 공급으로 인해 공급물에 존재하는 용존 물질(DS)로부터 형성된 건조 고형물 프로파일을 지칭한다.
"분리 프로파일의 파트" ("파트" 또는 "PART"와 동일함)은 분리 프로파일의 임의의 섹션으로서, 이러한 섹션에 액체와 성분들을 함유하고 용리액 대체물로서 사용되는 분리 프로파일의 임의의 섹션을 지칭한다.
"파트 공급기(part feeding phase)"는 파트를 용리액 대체물로서 분리 시스템내로 도입하는 것을 지칭한다.
"피크"는 성분에 의해 검출기 반응이 일어나는 크로마토그램의 일부이다.
"보유 부피" (Rt)는 수지층을 통해 분리 프로파일의 성분 또는 특정 지점(point)을 용리시키는 데에 필요한 이동상의 부피이다. 성분의 보유 부피는 수지층 부피의 %로서 표현될 수 있다. 본 발명과 관련하여, 보유 부피는 컬럼을 통해 생성물 성분 분획 (예를 들어, 자일로서, 프룩토스, 베타인 또는 말토스 생성물 분획)의 개시부(start)를 용리시키는 데에 필요한 부피를 특히 지칭한다.
"테일링(tailing)"은 통상의 가우스(Gaussian) 피크가 1을 초과하는 비대칭 인자를 지니는 현상을 지칭한다. 테일링은 용질에 대한 통상의 보유력 보다 강력한 보유력을 지닌 충전물상의 부위에 의해 가장 자주 일어난다.
"공극(void)" 또는 "공극 부피"는 본 발명과 관련하여 컬럼을 통해 전도도 피크 (염)의 개시부를 용리시키는 데에 필요한 부피를 지칭한다.
"BV"는 컬럼, 부분적 충전층(packed bed) 또는 분리 시스템의 수지층 부피를 지칭한다.
"피크 확장(peak broading)"은 컬럼을 통한 이동시에 크로마토그래피 피크 (분리 프로파일)가 분산됨을 지칭한다.
"단계들의 부피" (V)는, 동일한 순서 또는 후속 순서에서 성분, 분리 프로파일 또는 이의 파트를 분리 순서의 소정의 단계로부터 또 다른 소정의 단계로 분리 컬럼(들)을 통해 이동시키는, 이동상 (공급물, 용리액 및 순환물을 포함함)의 부피를 지칭한다. 단계들의 부피는 각각의 단계에서 이동된 이동상의 부피 (공급기, 용리기 및/또는 순환기 동안 각각의 단계에서 컬럼내로 도입된 부피)를 합산함으로써 단계적으로 계산된다.
"용리액 도입 위치"는 용리액이 도입될 수 있는 크로마토그래피 시스템의 임의의 위치를 지칭한다.
"DS"는 용존 건조 물질 함량을 지칭한다. 이는 "용존 고형물 함량"과 동일한 의미를 지닌다.
"성분의 순도"는 DS를 기준으로 한 성분의 함량을 지칭한다.
"분리 용량"은 시간(h) 당 분리 수지의 부피 (m3) 당 생성물의 양 (건조 고형물 kg)을 지칭한다.
"W/F 비"는 용리수 부피 대 공급물 부피의 비를 지칭한다.
발명의 간단한 설명
본 발명은 크로마토그래피 분리 시스템에서 분리로부터의 분리 프로파일의 파트를 용리액에 대한 대체물로서 사용함으로써 당, 당 알코올, 당 산 및/또는 베타인을 함유하는 용액을 분획화하기 위한 공정에 관한 것이다. 또한, 성분들이 함유된 상기 파트가 분리 시스템의 정확한 단계에서 정확한 위치로 유도됨으로써 그 파트에 함유된 성분들이 결국 적절한 분획내로 들어가게 하면서도 생성물 분획의 순도, 생성물 성분의 수율 및 분리 용량을 본질적으로 유지시키거나 오히려 개선시킨다는 것이 필수적이다. 본 발명의 목적은 독립 청구항에 개시된 내용을 특징으로 하는 공정에 의해 달성된다. 본 발명의 바람직한 구체예들은 종속 청구항들에 개시되어 있다.
다양한 빠른 이동 성분 및/또는 느린 이동 성분을 함유하는 상기 파트가 용리액에 대한 대체물로서 사용되는 경우 분리 시스템의 분리 효율을 저해하지 않는다는 발견은 놀라운 것이었다. 또한, 새로운 용리액의 부피는 예를 들어 종래 기술에서 사용되는 부피의 10% 내지 70%의 양으로 감소될 수 있다. 또한, 본 발명의 공정은 인출하고자 하는 분획(들)의 높은 고형물 함량을 제공하는데, 이는 후속 농축 스테이지에서 에너지 요건을 감소시킨다. 잔여물 분획의 농축을 위한 증발 요구량은 5 내지 50% 또는 그 이상으로 감소될 수 있다.
발명의 상세한 설명
본 발명은 하나 이상의 부분적 충전층을 함유하는 하나 이상의 컬럼을 포함하는 크로마토그래피 분리 시스템에서 당, 당 알코올, 당 산 및 베타인으로부터 선택된 하나 이상의 성분을 함유하는 용액을 분획화하는 공정으로서, 이러한 공정은,
상기 용액을 상기 분리 시스템내로 공급하고,
상기 분리 시스템내로 용리액을 도입하여 용액의 성분들을 용리시킴으로써 분리 프로파일을 형성하고,
당, 당 알코올, 당 산, 및 베타인으로부터 선택되는 생성물 성분이 풍부한 하나 이상의 생성물 분획, 하나 이상의 잔류물 분획, 및 임의로 하나 이상의 재순환 분획을 회수하는 것을 포함한다.
본 발명의 공정은,
생성물 성분 및 잔류물 성분으로부터 선택되는 하나 이상의 성분을 포함하는 상기 분리 프로파일의 하나 이상의 파트를, 1회 이상의 파트 공급기에서 상기 분리 시스템의 하나 이상의 용리액 도입 위치에 도입시킴으로써 상기 용리액의 일부를 대체하고,
공급기, 순환기 및 용리기 중 하나 이상의 포함하는 단계들의 순서를 이용하여 성분들이 함유된 상기 파트를 상기 분리 시스템에서 앞쪽으로 이동시키고,
동일한 분리 순서 또는 후속 분리 순서 동안 하나 이상의 잔류물 분획 및/또는 하나 이상의 재순환 분획 및/또는 하나 이상의 생성물 분획에서 상기 파트의 성분들을 인출해내고,
상기 파트의 부피, 도입 위치 및 도입 단계는, 상기 파트의 성분들의 보유 부피, 상기 파트의 성분들이 통과하는 수지층의 부피 그리고 상기 동일한 분리 순서 또는 후속 분리 순서 동안 상기 파트의 성분들을 도입 위치로부터 성분들의 계산된 표적 인출 위치로 이동시키는 단계들의 부피를 기초로 하여 결정되지만 생성물 분획(들)의 순도 및 생성물 성분들의 수율은 본질적으로 유지되거나 개선됨을 특징으로 한다.
본 발명의 크로마토그래피 분리 시스템은 하나 이상의 부분적 충전층을 함유하는 하나 이상의 분리 컬럼을 포함한다. 부분적 충전층은, 시스템의 수지층을 형성하는, 크로마토그래피 분리 수지로 구성되어 있다. 컬럼/부분적 충전층은 하나 이상의 루프를 형성할 수 있다. 분리 공정 동안, 공급물에 존재하는 용존 물질은 용리액과 함께 앞쪽으로 이동하고 분리 컬럼(들)의 부분적 충전층에서 분리되어, 분리 프로파일을 형성시킨다. 하나 이상의 생성물 분획, 하나 이상의 잔류물 분획 그리고 또한 일반적으로 하나 이상의 재순환 분획이 회수된다.
본 발명의 공정에서, 이렇게 형성된 분리 프로파일의 하나 이상의 파트는 하나 이상의 파트 공급기에서 하나 이상의 용리액 도입 위치내로 도입되어 용리액의 일부를 대체한다. 상기 파트는 용리기의 시작, 중간 또는 종료 시점에 용리액을 대체하도록 도입될 수 있다.
본 발명의 하기 설명에서, 분리 프로파일의 상기 하나 이상의 파트는 편의상 "분리 프로파일의 파트" 또는 "파트"로도 일컬어진다.
상기 파트는 임의의 컬럼내로 도입되거나, 용리액이 도입되는 컬럼의 임의의 파트내로 도입될 수 있다.
본 발명의 공정에서, 생성물 성분은 당, 당 알코올, 당 산, 및 베타인으로부터 선택될 수 있다.
당은 자일로스, 프룩토스, 글루코스, 만노스, 아라비노스, 갈락토스, 람노스, 푸코스, 수크로스, 말토스, 레보글루코산, 리보스, 이소말툴로스(isomaltulose), 타가토스, 트레할로스, 트레할룰로스, 및 사이코스(psicose)로부터 선택될 수 있다.
본 발명과 관련하여, 당은 올리고머 화합물, 예를 들어 말토-올리고사카라이드, 프룩토-올리고사카라이드, 및 폴리덱스트로스를 또한 포함한다.
당 알코올은 자일리톨, 만니톨, 소르비톨, 이노시톨, 말티톨, 이소말트, 및 에리트리톨로부터 선택될 수 있다.
당 산은 하이드록시산, 카르복실산, 예를 들어 알돈산, 예를 들어 자일론산, 글루콘산, 및 이타콘산, 그리고 우론산, 예를 들어 글루쿠론산 및 갈락투론산으로부터 선택될 수 있다.
본 발명과 관련하여 특히 바람직한 생성물 성분은 자일로스, 프룩토스, 말토스 및 베타인이다.
잔류물 성분은, 출발 물질에 따라, 전형적으로 염, 유기산, 예를 들어 아세트산, 및 무기산 및 이들의 염, 예를 들어 황산 및 아황산(sulfurous acid), 아미노산, 착색 화합물, 글리세롤, 리그노설포네이트, 올리고사카라이드 등 뿐만 아니라 생성물 당, 당 알코올 및 당 산이 아닌 당, 당 알코올 및 당 산으로부터 선택된다.
예를 들어, 식물계 가수분해물, 예를 들어 설파이트 폐액으로부터 당, 당 알코올, 및 당 산을 분리하는 경우, 잔류물 성분을 리그노설포네이트, 올리고사카라이드, 염, 유기산 (예를 들어, 자일론산), 및 무기산 (예를 들어, 아세트산) 등을 주로 포함한다. 글루코스와 프룩토스의 혼합물, 예를 들어 전화 수크로스와 이성화 글루코스의 혼합물로부터 프룩토스를 분리하는 경우, 잔류물 성분은 예를 들어 디사카라이드와 글루코스를 주로 포함한다. 사탕무 기반 용액, 예를 들어 몰라세 또는 비나세로부터 베타인을 분리하는 경우, 잔류물 성분은 염, 착색 화합물, 유기산, 아미노산, 글리세롤, 그리고 모노사카라이드, 디사카라이드 및 트리사카라이드 등을 주로 포함한다. 케인 몰라세를 분리하는 경우, 잔류물 성분은 염, 착색 화합물, 모노사카라이드, 디사카라이드 및 트리사카라이드를 주로 포함한다. 전분 가수분해물로부터 말토스를 분리하는 경우, 잔류물 성분은 올리고머, 글루코스, 및 말토트리오스를 주로 포함한다.
당, 당 알코올, 당 산, 및 베타인으로부터 선택되는 하나 이상의 생성물 성분을 함유하는 출발 물질은 전형적으로 다성분 식물계 추출물 및 가수분해물 또는 이들의 유도체이다. 설파이트 폐액, 전분 가수분해물, 및 사탕무 기반 용액, 예를 들어 몰라세, 스틸리지 및 이들의 발효 생성물, 예를 들어 비나세가 적절한 출발 물질의 예로서 언급될 수 있다.
본 발명의 한 가지 구체예는 식물계 가수분해물, 식물계 추출물 및 이들의 유도체로부터 당, 당 알코올, 및 당 산을 분리하는 것을 포함한다. 식물계 가수분해물은 다양한 수종(wood species), 특히 하드우드(hardwood), 예를 들어 자작나무(birch), 포플러(aspen)와 너도밤나무(beech), 단풍나무(maple), 유칼립투스(eucalyptus), 곡물의 다양한 부분 (예를 들어, 짚(straw), 특히 밀짚, 껍데기(husk), 특히 옥수수 및 보리 껍데기 및 옥수수속(corn cob)과 옥수수 섬유), 버개스(bagasse), 코코넛 껍질, 면실 겉껍질(cottonseed skin), 아몬드 껍질 등으로부터의 목재 재료를 포함하는 식물성 재료로부터 수득될 수 있다. 식물계 추출물은 예를 들어 상기 기재된 식물의 물, 증기, 알칼리 또는 알코올 추출물일 수 있다. 식물계 가수분해물 및 추출물의 유도체는 다양한 후처리 생성물, 예를 들어 이들의 증발 생성물 또는 막 공정으로부터의 분획일 수 있다.
본 발명의 한 가지 특정 구체예에서, 당, 당 알코올, 및 당 산, 예를 들어 자일로스의 분리를 위한 식물계 가수분해물은 펄프화 공정으로부터 수득된 폐액이다. 본 발명에서 유용한 전형적인 폐액은 바람직하게는 산성 설파이트 펄프화로부터 수득되는 설파이트 펄프화 폐액이다. 유용한 가수분해물의 한 가지 예는 설페이트 펄프화로부터의 프리하이드롤리제이트(prehydrolysate)이다.
추가의 특정 구체예에서, 자일로스는 자일로스의 결정화로부터 수득된 자일로스 런오프로부터 분리된다. 본 발명의 추가의 특정 구체예에서, 자일리톨은 자일로스의 수소화와 자일리톨의 결정화 후에 자일리톨 런오프로부터 분리된다.
추가의 특정 구체예에서, 자일리톨 또는 에리트리톨은 발효 브로쓰(fermentation broth)로부터 분리된다.
본 발명의 또 다른 구체예는 글루코스와 프룩토스의 혼합물, 예를 들어 전화 수크로스의 용액, 이성화 글루코스의 용액 및 이들의 혼합물 뿐만 아니라 프룩토스의 결정화로부터 수득된 런오프로부터 프룩토스를 분리하는 것을 포함한다.
본 발명의 추가의 구체예는 전분 가수분해물, 예를 들어 말토스 시럽으로부터 말토스를 분리하는 것을 포함한다. 본 발명의 추가의 구체예는 말토스의 수소화 후에 말티톨 시럽으로부터 말티톨을 분리하는 것을 포함한다.
본 발명의 추가의 구체예는 사탕무 기반 용액, 예를 들어 몰라세 및 비나세로부터 베타인을 분리하는 것을 포함한다.
본 발명의 공정에서 용리액 대체물로서 사용되는 분리 프로파일의 상기 파트는 생성물 성분과 잔류물 성분으로부터 선택되는 하나 이상의 성분을 포함할 수 있다.
상기 파트는 빠른 이동 성분 및/또는 느린 이동 성분을 함유할 수 있다. 염, 유기산, 및 무기산은 빠른 이동 성분의 예이다.
상기 파트는 생성물 성분 또는 잔류물 성분의 서브프로파일의 전방 및/또는 후방 기울기일 수 있다. 상기 파트는 전형적으로 생성물 성분의 서브프로파일의 전방 기울기 및/또는 후방 기울기 부분 그리고 잔류물 서브프로파일의 하나 이상의 상이한 전방 기울기 부분이다.
본 발명의 공정에서, 성분들이 함유된 상기 파트는 단계들의 순서를 이용하여 분리 시스템에서 앞쪽으로 이동되는데, 이러한 단계들은 공급기, 순환기, 및 용리기 중 하나 이상을 포함한다.
순차식 분리 시스템에서, 분리 프로파일의 다양한 파트로부터 유래되는 상기 파트 중 수 개의 파트는 1회 순서 동안 용리액으로서 사용될 수 있다. 상기 파트의 개수는 1개 내지 5개일 수 있고, 이러한 파트는 용리액으로서 시스템의 다양한 위치내로 도입될 수 있는데, 수집된 분획으로서 도입되거나 온전한 프로파일로서 전달될 수 있다.
동일한 분리 순서 또는 후속 분리 순서 동안 상기 파트의 성분들을 인출하는 것은 잔류물 분획(들), 재순환 분획(들) 및/또는 생성물 분획(들)에서 바로 이루어질 수 있거나 중간 스테이지 후에 이루어질 수 있다.
분리 시스템에서 상기 파트의 성분들을 이동시키는 것은 그러한 성분을 최종적으로 인출하기 전에 중간 스테이지들을 통해 진행될 수 있다. 중간 스테이지는 분리 프로파일에서 전형적이지 않은 분획 또는 위치인데, 여기서 성분(들)은 최종 분리와 인출을 위해 분리 시스템으로 다시 재도입되도록 유도되거나 별개의 분리 시스템내로 재도입되도록 유도된다.
전형적으로 상기 파트의 성분들은 하나 이상의 잔류물 분획의 구역에서 동일한 분리 순서 또는 후속 분리 순서 동안 인출되거나, 재순환 분획으로 유도되거나, 시스템내로 다시 도입되어 하나 이상의 잔류물 분획의 구역에서 최종적으로 인출되도록순환기에서 순환된다. 예를 들어, 전형적으로 상기 파트의 베타인은, 공급 용액을 희석시키고 공급물의 베타인 함량을 증가시키도록 첨가되고 최종 베타인 분획에서 인출되는, 수크로스 재순환 분획으로 유도된다.
자일로스의 분리에 관한 또 다른 예에서, 잔류물 성분, 예를 들어 리그노설포네이트와 염을 함유하는 파트는 본질적으로 또는 부분적으로 재순환 분획으로 유도된 후, 후속 1회 내지 4회의 분리 순서 동안 본질적으로 잔류물 분획에서 잔류물 성분이 인출될 수 있다.
프룩토스의 분리에 관한 추가의 예에서, 잔류물 성분, 예를 들어 디사카라이드와 글루코스를 함유하는 파트는 본질적으로 또는 부분적으로 재순환 분획으로 유도된 후, 후속 1회 내지 4회의 분리 순서 동안 본질적으로 잔류물 분획에서 잔류물 성분이 인출될 수 있다.
상기 파트의 부피, 도입 위치 및 도입 단계는, 상기 파트의 성분들의 보유 부피, 상기 파트의 성분들이 통과하는 수지층의 부피 그리고 상기 동일한 분리 순서 또는 후속 분리 순서 동안 상기 파트의 성분들을 도입 위치로부터 성분들의 계산된 표적 인출 위치로 이동시키는 단계들의 부피를 기초로 하여 결정되지만 생성물 분획(들)의 순도 및 생성물 성분들의 수율은 본질적으로 유지된다.
상기 파트의 부피, 도입 위치 및 도입 단계는, 상기 파트의 성분들이 이들의 인출시에 공급물의 유사한 빠른 이동 성분의 영역에 도달하거나 공급물의 보다 빠른 이동 성분과 함께 용리되도록 보유되거나, 이러한 성분들이 분리 프로파일의 빠른 이동 성분으로 하여금 상기 파트의 느린 이동 성분에 도달할 수 있게 하도록, 적절하게 결정된다는 것이 필수적이다.
상기 파트의 부피, 도입 위치 및 도입 단계는, 표적 분획(들)과 이들의 부피 뿐만 아니라 상기 파트의 성분들이 인출되는 컬럼(들)과 단계(들)을 먼저 결정함으로써 결정된다. 예를 들어, 상기 파트의 주성분이 베타인 및/또는 수크로스인 경우, 베타인/수크로스 성분은, 공정의 소정의 단계들에서 소정의 컬럼들로부터 인출되는 또 다른 생성물 성분의 재순환 분획들 중 일부에서 인출된다 (예를 들어, 베타인은 수크로스 재순환 분획에서 인출됨). 수크로스 재순환 분획은 예를 들어 수크로스 서브프로파일의 전방 기울기 부분 또는 후방 기울기 부분일 수 있다. 그 후, 이러한 재순환 분획들은 추가 분리 그리고 베타인/수크로스의 추가 회수를 위해 공급 용액으로 다시 재순환된다. 상기 파트의 주성분들이 잔류물 성분, 예를 들어 염인 경우, 염 성분은, 그 다음 또는 후속 순서 동안 공정의 소정의 단계들에서 소정의 컬럼들로부터 인출하고자 하는 잔류물 분획의 구역 중 일부에서 인출된다.
각각의 분리 시스템에 대한 상기 파트의 성분들의 보유 부피는 사용되는 수지층에 대해 실험적으로 결정된다.
예를 들어, 설파이트 폐액으로부터 자일로스를 분리하는 경우, 자일로스의 보유 부피는 2가 강산성 양이온 교환 수지층 (6 내지 6.5%의 DVB 함량을 지닌 마그네슘형 수지)에 대해 사용되는 수지층 부피의 약 60% (57 내지 63%)이다. 동일한 수지를 사용하는 동일한 설파이트 폐액 분리에서 전도도 피크의 개시부 (염 및 거대 분자, 예를 들어 리그노설포네이트)의 보유 부피는 수지층 부피의 약 33%인데, 이는 수지층의 공극 부피와 동일한 것이다. 또한, 다양한 성분들이 분리 컬럼으로부터 용리되는, 피크 확장 현상은 용리 부피를 계산하는 경우 고려되어야 한다.
전화 수크로스로부터 프룩토스와 글루코스를 분리하는 경우, 프룩토스의 보유 부피는 2가 강산성 양이온 교환 수지층 (약 5.5%의 DVB 함량을 지닌 칼슘형 수지)에 대해 사용되는 수지층 부피의 약 72% (69 내지 75%)이고, 글루코스의 보유 부피는 그러한 수지층 부피의 약 52% (47 내지 55%)이다. 동일한 수지를 사용하는 동일한 전화 당 분리에서 분리 프로파일의 개시부 (거대 분자, 예를 들어 디사카라이드)의 보유 부피는 수지층 부피의 약 40% (38 내지 45%)이다.
전분 가수분해물로부터 말토스를 분리하는 경우, 말토스의 보유 부피는 1가 강산성 양이온 교환 수지층 (약 5.5%의 DVB 함량을 지닌 소듐형 수지)에 대해 사용되는 수지층 부피의 약 52% (49 내지 55%)이다. 동일한 수지를 사용하는 동일한 전분 가수분해물 분리에서 분리 프로파일의 개시부 (거대 분자, 예를 들어 올리고사카라이드)의 보유 부피는 수지층 부피의 약 33%이다.
비나세로부터 베타인과 글리세롤을 분리하는 경우, 유리하게는 글리세롤 분획이 그 다음 공급물(들) (순서)의 용리에서 용리액 대체물로서 분리 시스템의 적절한 위치내로 유리하게 도입된다. 그 후, 글리세롤은 잔류물 분획에서 빠른 이동 성분 (예를 들어, 염)과 동시에 인출된다. 이는 염과 글리세롤의 보유 부피 차이를 이용함으로써 달성된다. 강산성 양이온 교환층에 대한 염의 보유 부피는 수지층 부피의 약 27 내지 34%이고, 글리세롤의 보유 부피는 수지층 부피의 약 65 내지 75%이다.
비트 몰라세의 분리에서, 베타인의 보유 부피는 1가 강산성 양이온 교환 수지층 (약 6 내지 6.5%의 DVB 함량을 지님)에 대해 사용되는 수지층 부피의 약 70% (67 내지 73%)이고, 수크로스의 보유 부피는 그러한 수지층 부피의 약 55% 내지 60%이다. 동일한 수지를 사용하는 동일한 몰라세 분리에서 전도도 피크의 개시부 (염 및 거대 분자)의 보유 부피는 수지층 부피의 약 28 내지 34%인데, 이는 수지층의 공극 부피와 동일한 것이다.
그 후, 1회 순서 동안, 특히 후속 1회 내지 4회의 순서 동안 순차식 SMB 시스템에서와 같은 분리 공정에서 상기 파트의 다양한 성분 (예를 들어, 당, 베타인 및 염)의 이동은 성분들의 보유 부피 (Rt), 상기 파트의 성분들이 통과하는 수지층의 부피 (BV) 그리고 상기 순서 동안 상기 파트의 성분들을 이동시키는 단계들의 부피 (V)를 기초로 하여 계산될 수 있다 (단계적으로 계산됨). 시스템을 통해 이동하는 단계들의 부피가 해당 성분의 보유 부피와 동일해질 때 그러한 성분은 분리 시스템 (컬럼)으로부터 용리되기 시작한다. 이는 관련 성분의 표적 인출 위치를 결정해준다. 표적 인출 위치가 알려진 경우, 용리액 대체물로서의 상기 파트의 도입 부피, 위치 및 단계는, 상기 파트의 성분들이 본질적으로 후속 1회 내지 4회의 순서 동안 마지막까지 이동하여 표적 분획에서 인출되도록 단계적으로 업스트림에서 계산될 수 있다. 이는 표적 인출 위치로부터 상기 파트의 도입 위치까지의 단계들의 부피가 도입에서 인출까지 수지층을 통한 상기 파트의 성분들의 보유 부피와 동일한 경우에 달성된다. 단계들의 부피는, 표적 위치에서 출발하여 공급기, 용리기, 및 순환기 동안 각각의 단계에서 컬럼들내로 도입되는 부피를 합산함으로써 컬럼별로 단계적으로 업스트림에서 계산된다
유량 (m3/h)으로서의 파트의 부피는 컬럼의 입구 또는 출구로부터 측정될 수 있다.
요망되는 성분은 상기 동일한 분리 순서 또는 후속 분리 순서 동안 인출된다. 본 발명의 한 가지 구체예에서, 요망되는 성분은 후속 1회 내지 4회의 분리 순서 동안 본질적으로 인출된다.
크로마토그래피 분리 시스템은 뱃치 시스템이거나 연속식 또는 순차식일 수 있는 SMB 시스템일 수 있다.
본 발명의 바람직한 구체예에서, 크로마토그래피 분리 시스템은 US 6,093, 326, US 5,127,957, US 6,572,775, 및 US 6,896,811에 기재된 순차식 SMB 시스템이다.
순차식 SMB 크로마토그래피 시스템은 이러한 시스템에 하나 이상의 루프를 함유할 수 있다. 또한, 상기 시스템은 루프에 하나 이상의 분리 프로파일을 함유할 수 있다.
본 발명의 한 가지 구체예에서, 분리 프로파일은 1회 사이클 동안 시스템의 수지층을 통해 1회 이상 또는 1회 이하로 순환된다.
분리 시스템의 부분적 충전층에서 크로마토그래피 분리 수지는 다성분 식물계 추출물과 가수분해물 및 이들의 유도체로부터 상기 언급된 생성물 성분을 분리하기 위해 통상적으로 사용되는 것들로부터 선택될 수 있다. 특히 유용한 수지는 강산성 양이온 교환 수지(SAC)와 약산성 양이온 교환 수지(WAC)이지만, 약염기성 음이온 교환 수지(WBA)와 강염기성 음이온 교환 수지(SBA)도 사용될 수 있다. 양이온 교환 수지 (SAC와 WAC)는 1가, 2가 또는 3가 형태, 예를 들어 H+, Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Zn2+, Sr2+ , Ba2+ 또는 Al3+ 형태로 존재할 수 있다.
수지는 1 내지 20%의 가교도, 예를 들어 4 내지 10% DVB (디비닐벤젠)를 지닌 스티렌 또는 아크릴 수지일 수 있다. 수지의 가교도는 대체로 성분들의 보유 부피에 영향을 미친다. 수지의 전형적인 평균 입자 크기는 200 내지 450 μm이다.
용리액 대체물로서 사용되는 상기 파트의 건조 고형물 함량은 전형적으로 0.2 내지 50%, 바람직하게는 1 내지 30%이다.
건조 고형물 함량이 예를 들어 25 내지 55%인 설파이트 폐액을 공급 용액으로 하는 경우, 상기 파트의 건조 고형물 함량은 전형적으로 3 내지 30%이다. 상기 파트의 자일로스 함량은 DS를 기준으로 하여 0 내지 75%, 바람직하게는 0 내지 15%일 수 있다.
건조 고형물 함량이 예를 들어 30 내지 60%인 사탕무 몰라세를 공급 용액으로 하는 경우, 상기 파트의 건조 고형물 함량은 전형적으로 0.2 내지 15%이다. 상기 파트의 베타인 함량은 DS를 기준으로 하여 80% 이하일 수 있다.
공급 용액이 전화 수크로스 또는 이성화 글루코스인 경우, 상기 파트의 건조 고형물 함량은 전형적으로 0.2% 내지 25%, 바람직하게는 0.2 내지 10%이다. 상기 파트의 프룩토스 함량은 DS를 기준으로 하여 0 내지 95%, 바람직하게는 0 내지 10%일 수 있다.
공급 용액이 전분 가수분해물인 경우, 상기 파트의 건조 고형물 함량은 전형적으로 0.2 내지 25%, 바람직하게는 0.2 내지 10%이다. 상기 파트의 말토스 함량은 DS를 기준으로 하여 0 내지 95%, 바람직하게는 0 내지 25%일 수 있다.
본 발명의 한 가지 구체예에서, 상기 하나 이상의 파트는 제 1 생성물 성분 서브프로파일의 전방 기울기 부분 또는 후방 기울기 부분이며, 이는 고함량의 제 1 생성물 성분을 지닌다. 본 발명의 이러한 구체예는 제 1 생성물 성분 서브프로파일의 상기 전방 기울기 부분 및/또는 후방 기울기 부분을 상기 분리 시스템내로 다시 도입시켜서 용리수의 일부를 대체하고, 이어서 그 다음 순서 동안 제 2 생성물 성분의 재순환 분획에서 상기 전방 기울기 또는 후방 기울기 부분의 제 1 생성물 성분을 인출하는 것을 포함한다. 재순환 분획은 제 1 생성물 성분의 추가 분리를 위해 공급물로 재순환된다. 기울기로부터의 제 1 생성물 성분은 최종적으로 제 1 생성물 성분 분획에서 회수되는데, 이러한 분획은 기울기의 순환이 없는 경우 보다 높은 건조 고형물 농도를 지니고 그러한 경우 보다 높은 함량의 제 1 생성물 성분을 또한 지닐 수 있다.
본 발명의 한 가지 구체예에서, 제 1 생성물 성분은 베타인이고, 제 2 생성물 성분은 수크로스이다. 제 1 생성물 성분 서브프로파일로서의 베타인 서브프로파일의 전방 및 후방 기울기 부분은 전형적으로 0.2% 내지 8%의 건조 고형물 농도를 지니고, 베타인 서브프로파일의 베타인 함량은 건조 고형물(DS)을 기준으로 하여 80% 이하이다.
본 발명의 또 다른 구체예에서, 상기 하나 이상의 파트는 잔류물 서브프로파일의 전방 기울기 부분과 후방 기울기 부분으로부터 선택될 수 있다. 본 발명의 공정의 이러한 구체예에서, 잔류물 서브프로파일의 상기 전방 기울기 부분 또는 후방 기울기 부분은 상기 분리 시스템내로 다시 도입되어 용리수의 일부를 대체하고, 이의 성분들은 다른 잔류물 성분들의 영역으로 이동하고, 이어서 동일한 순서 또는 후속 1회 내지 4회의 순서 동안 하나 이상의 잔류물 분획에서 상기 기울기 부분의 잔류물 성분들이 인출된다.
본 발명의 한 가지 구체예에서, 잔류물 서브프로파일의 전방 기울기 및/또는 후방 기울기는 수 개의 서브섹션(subsection)으로 분할될 수 있고, 이러한 서브섹션들은 용리액 대체물로서 분리 시스템내로 도입된다. 용리액 대체물로서 서브섹션의 일부만을 순환시키고 그러한 서브섹션의 일부는 시스템으로부터 인출하는 것이 또한 가능하다. 용리액 대체물에 대해 서브섹션을 선택하는 것은 이의 부피 및 이의 도입 (컬럼 및 단계)에 따라 이루어질 것이고, 인출 위치는 분리시 이의 보유 부피에 대한 지식을 기초로 하여 이루어질 것이다. 용리액 대체물에 대한 서브섹션은 잔류물 분획의 보다 묽은 종료부(end), 중간정도로 농축된 파트 또는 가장 농축된 파트로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 한 가지 구체예에서, 잔류물 서브프로파일의 전방 기울기는 예를 들어 4개의 서브섹션 (섹션 1 내지 4)으로 나뉠 수 있는데, 여기서 섹션 1과 3은 분리 시스템으로부터 인출되고, 섹션 2와 4는 이들을 계산된 단계들에서 간헐적으로 다양한 컬럼으로 도입시킴으로써 용리액 대체물로서 사용된다.
본 발명의 추가의 구체예에서, 상기 하나 이상의 파트는 제 2 생성물 성분 서브프로파일의 전방 기울기 부분과 후방 기울기 부분으로부터 선택될 수 있다. 본 발명의 이러한 구체예는 제 2 생성물 성분 서브프로파일의 상기 전방 기울기 부분 또는 후방 기울기 부분을 상기 분리 시스템으로 다시 도입시켜서 용리수의 일부를 대체하고, 이어서 다음 순서 동안 재순환 분획에서 상기 전방 기울기 또는 후방 기울기 부분의 제 2 생성물 성분을 인출하는 것을 포함한다. 재순환 분획은 제 2 생성물 성분의 추가 분리를 위해 공급물로 재순환된다. 제 2 생성물 성분은 제 2 생성물 성분의 분획에서 최종적으로 회수된다.
본 발명의 추가의 구체예에서, 상기 하나 이상의 파트는 (1) 생성물 성분 서브프로파일의 전방 기울기 부분 및/또는 후방 기울기 부분과 같은 생성물 성분 서브프로파일의 하나 이상의 파트와 (2) 잔류물 서브프로파일의 하나 이상의 파트를 모두 포함할 수 있다. 다양한 파트들은 합쳐질 수 있거나 동일한 순서 또는 후속 순서 동안 적절한 분획에서 파트의 성분들의 인출이 가능해지도록 다양한 용리액 도입 위치로 개별적으로 도입될 수 있다.
상기 파트의 부피는 바람직하게는 상기 파트의 성분들이 인출되는 재순환 분획 또는 잔여물 분획의 부피 보다 적다.
본 발명의 한 가지 구체예에서, 상기 파트는 또 다른 컬럼으로부터의 연속 스트림으로서 또는 온전한 분리 프로파일로서 분리 시스템내로 도입된다.
본 발명의 또 다른 구체예에서, 상기 파트는 별도의 탱크내로 수집되어 그러한 탱크로부터 분리 시스템내로 다시 도입된다.
분리 시스템에서 용리액 대체물에 대해 사용되는 상기 파트의 전체 부피는 1회의 분리 순서 동안 분리 프로파일을 앞쪽으로 이동시키는 모든 단계들의 부피의 1 내지 50%, 유리하게는 5 내지 20%이다.
전형적으로 상기 파트는 용리수의 5 내지 70%, 바람직하게는 10 내지 30%를 대체하기 위해 사용된다. 대체 용리액의 양은 바람직하게는 생략된 물 용리액의 양과 동일하다.
본 발명의 전형적인 구체예에서, 본 발명의 공정은 생성물 성분의 함량이 DS를 기준으로 하여 35 내지 99%인 생성물 성분 분획을 제공한다.
본 발명의 특정 구체예에서, 본 발명의 공정은 베타인 함량이 DS를 기준으로 하여 40 내지 98%, 바람직하게는 60 내지 90%인 베타인 생성물 분획을 제공한다. 본 발명의 또 다른 특정 구체예에서, 본 발명의 공정은 자일로스 함량이 DS를 기준으로 하여 35 내지 80%, 바람직하게는 40 내지 75%인 자일로스 생성물 분획을 제공한다. 본 발명의 추가의 특정 구체예에서, 본 발명의 공정은 프룩토스 함량이 DS를 기준으로 하여 85 내지 99%, 바람직하게는 90 내지 98%인 프룩토스 생성물 분획을 제공한다. 본 발명의 추가의 특정 구체예에서, 본 발명의 공정은 말토스 함량이 DS를 기준으로 하여 85 내지 99%, 바람직하게는 90 내지 98%인 말토스 생성물 분획을 제공한다.
본 발명의 전형적인 구체예에서, 본 발명의 공정은 공급 용액내의 생성물 성분을 기준으로 하여 60 내지 98%의 생성물 성분 수율을 제공한다.
본 발명의 특정 구체예에서, 본 발명의 공정은 공급 용액내의 베타인 함량을 기준으로 하여 60% 이상, 바람직하게는 70% 이상, 더욱 바람직하게는 80% 이상, 가장 바람직하게는 85% 이상, 특히 90% 이상의 베타인 수율을 제공한다. 본 발명의 추가의 특정 구체예에서, 본 발명의 공정은 공급 용액내의 자일로스, 프룩토스 또는 말토스의 함량을 기준으로 하여 85% 이상, 바람직하게는 90% 이상, 더욱 바람직하게는 95% 이상의 자일로스, 프룩토스 또는 말토스 수율을 제공한다.
본 발명의 한 가지 특정 구체예에서, 설파이트 폐액은, 자일로스 분획, 재순환 분획, 및 잔류물 분획을 제공하기 위해 US 5,637,225에 따른 방식으로 5 컬럼 크로마토그래피 시스템을 사용하여 분리된다. 잔류물 분획은 빠른 이동 성분, 예를 들어 리그노설포네이트 및 염을 함유하고, 목적은 잔류물 분획의 파트를 용리액 대체물로서 재사용하고 이러한 성분들을 시스템으로부터 통상적으로 용리되는 다른 잔류물 분획으로 회수하고자 한다. 상기 파트는 마지막 컬럼들에서 (예를 들어, 5 컬럼 시스템의 컬럼 4와 5로부터) 분리 프로파일의 전방부(front)로부터 취해져서, 분리 시스템의 처음 컬럼들로 (예를 들어, 5 컬럼 시스템의 컬럼 1과 3으로) 다시 도입되어 용리수를 대체한다. 컬럼 5로부터의 파트는 용리액 대체물로서 컬럼 1내로 바로 도입될 수 있고, 컬럼 4로부터의 파트는 수집 탱크내로 수집되어 혼합 용액 형태로 또한 용리액 대체물로서 컬럼 3으로 도입될 수 있다. 이러한 특정 구체예에서, 파트들은 컬럼내로의 물 공급물의 마지막 부분을 대체한다. 파트의 부피는 요망되는 인출 영역에 적합하지 않을 정도로 너무 크지 않아야 한다. 파트의 성분들은 공급물의 완전한 분리 프로파일의 느린 이동 성분들을 이동시킬 수 있어야 하면서도 그러한 성분들의 분리 및 리그노설포네이트와 염이 위치하는 영역에 도달하는 것을 저해하지 않고 영역을 중첩시키지 않아야 한다. 파트의 성분들 (리그노설포네이트와 염)은 파트를 사용하는 않는 경우 보다 더욱 농축된 형태로 하나 이상의 잔류물 분획내로 회수되어 시스템으로부터 제거될 수 있다. 성분들이 함유된 파트는 시스템에서 별개의 스트림들로 분할되어 (다양한 컬럼으로 유도됨), 희석을 위해 또는 농축 전에 공급 용액에 첨가하려는 재순환 분획으로 또한 회수되거나 용리액으로서 재사용하려는 분획으로 또한 회수될 수 있다. 필요한 새로운 전체 용리액의 부피는 파트를 사용하지 않는 경우 보다 적어도 20% 적고, 바람직하게는 40%가 넘게 적다.
몰라세를 분리하는 또 다른 특정 구체예에서, 베타인 서브프로파일의 전방 기울기 부분과 후방 기울기 부분 (베타인 순도는 높지만 건조 물질 함량은 적음)이 용리액 대체물로서 분리 시스템내로 다시 도입된다. 용리액 대체물로서의 상기 베타인 함유 전방 기울기 부분과 후방 기울기 부분의 도입 위치와 부피는, 분리 공정 동안 상기 파트내의 베타인이 수크로스 재순환 분획으로 이동하도록 계산된다. 따라서, 느리게 이동하는 베타인을 함유하는 상기 파트는, 분리 프로파일의 잔류물 성분 (염)이 파트의 베타인을 이동시키고, 파트로부터의 베타인의 새로운 피크가 수크로스 재순환 분획의 수집 간격 이내에 존재하게 하는 위치내로 도입된다. 재순환 분획은 수크로스와 잔류물 성분 (염)이 부분적으로 중첩되는 지점에서 수집된다. 이러한 공정에서, 베타인은 베타인 서브프로파일의 묽은 베타인 함유 전방 기울기 부분과 후방 기울기 부분으로부터 효율적으로 회수될 수 있다. 결과적으로, 베타인 생성물 분획의 농도 (건조 물질과 베타인)가 상승하고, 묽은 베타인 함유 전방 기울기 부분과 후방 기울기 부분내의 물이 용리액으로서 사용된다.
프룩토스 함유 용액, 예를 들어 프룩토스 런오프로부터 프룩토스를 분리하는 것에 관한 추가의 구체예에서, 디사카라이드와 글루코스를 함유하는 파트 (잔여물 분획의 파트)가 용리액 대체물로서 분리 시스템으로 다시 도입된다. 그 후, 디사카라이드와 글루코스는 후속 1회 내지 4회의 분리 순서 동안 잔여물 분획에서 인출된다.
전분 가수분해물로부터 말토스를 분리하는 것에 관한 추가의 구체예에서, 올리고사카라이드와 글루코스를 함유하는 파트 (잔여물 분획의 파트)가 용리액 대체물로서 분리 시스템으로 다시 도입된다. 그 후, 올리고사카라이드와 글루코스는 후속 1회 내지 4회의 순서 동안 잔여물 분획에서 인출된다.
Na+형의 SAC 수지와 H+형의 WAC 수지 (DVB 함량 8%)를 사용하여 비나세를 크로마토그래피 분리하는 것에 관한 본 발명의 추가의 특정 구체예에서, 용리 순서는 염 (가장 빠르게 이동하는 성분), 글리세롤, 및 베타인 (가장 느린 성분)이다. 본 발명의 한 가지 구체예에서, WAC 수지를 사용하는 분리로부터 수득된 글리세롤 함유 분획은, 글리세롤이 염-글리세롤 분획에서 시스템으로부터 인출되도록 그 다음 공급물(들) (순서) 동안 분리 프로파일에서 이동하도록 글리세롤 분획의 도입 부피와 단계를 계산함으로써 분리 시스템으로 다시 도입되어 적절한 위치에서 그 다음 공급물의 용리에서 용리수의 일부를 대체한다.
또한, 본 발명은 예를 들어 US 5,637,225 또는 US 6,093,326에 따른 2 루프 구성을 포함하는 순차식 SMB 분리 시스템에서 사용될 수 있는 것으로 발견되었다. 3 내지 30%의 건조 고형물 함량을 지니고 주요 생성물 성분들 보다 빠르거나 느리게 이동하는 공급물 성분들의 혼합물을 포함하는 파트가 제 2 루프로부터 취해질 수 있고, 그러한 파트를 제 1 루프로 도입시켜서 분리 프로파일들 사이의 컬럼(들)내로 들어가게 하고 그러한 파트가 용리액으로서 작용하게 함으로써 새로운 용리액의 상당량 (15 내지 50%)을 대체하도록 사용될 수 있다. 성분들이 함유된 파트의 일부 및 그러한 파트와 중첩되는 분리 프로파일의 파트는 제 1 루프에서의 후속 통과(through-passage) 동안 제 1 루프의 다양한 컬럼으로부터 하나 이상의 인출 분획, 예를 들어 잔류물 분획에서 회수된다. 수집된 잔류물 분획에서 파트의 성분들의 농도 (g/l)는 파트를 사용하지 않는 경우 보다 높다.
순차식 SMB의 경우, 용리액으로서 파트를 사용하는 것이 다양한 방식으로 이루어질 수 있는데, 예를 들어 다음과 같은 방식으로 이루어질 수 있다:
예를 들어 US 5,127,957, US 5,637,225 또는 US 6,093,326의 순차식 SMB 시스템에서, 앞서 사용된 순환기를 보다 길게 수행함 (보다 큰 부피를 앞쪽으로 이동시킴)으로써, 파트 (예를 들어 염을 함유함)가 컬럼에 진입하여 용리액으로서 작용하게 하고, 정상적인 방식으로 컬럼으로부터 잔류물 분획 (공급물의 염을 함유함)에서 공급물의 염과 함께 파트의 염을 회수하는 방식, 또는
컬럼 4 또는 5로부터의 앞서 인출된 잔류물 분획(생성물 성분 보다 빠르거나 느리게 이동하는 성분들을 포함함)이 파트의 성분들 그리고 파트 성분들에 대한 요망되는 출구 분획에 따라 프로파일의 저해받지 않은 파트로서 또는 별도의 파트 공급물로서 수집 탱크 또는 용기로부터 컬럼내로 도입되는, 5개의 컬럼을 포함하는 순차식 SMB 시스템에서 가외의(extra) 단계를 수행하는 방식. 컬럼 5로부터의 파트는 용리액 대체물로서 컬럼 1내로 바로 도입될 수 있고, 컬럼 4로부터의 파트는 수집 탱크내로 수집되어 혼합 용액 형태로 또한 용리액 대체물로서 컬럼 2와 3내로 도입될 수 있다. 파트가 컬럼내로 도입되는 경우, 이는 하나의 단계에서 하나의 컬럼내로의 용리액 공급물의 일부 또는 전부를 대체할 수 있다. 컬럼내로의 용리액 공급물의 마지막 부분을 대체하여 다음 단계에서의 분리 프로파일이 도입 단계 직후에 도입된 파트를 따르게 되도록 하는 것이 유리할 수 있다.
본 발명의 공정에서, 전형적으로 분리 프로파일의 상기 하나 이상의 파트는 동일한 분리 시스템내에서 용리액 대체물로서 사용된다. 그러나, 상기 파트를 용리액 대체물로서 다른 유사한 병렬식 분리 시스템 또는 상이한 분리 시스템으로 도입시키는 것이 또한 가능하다.
도 1은 Mg2+ 설파이트 폐액(spent liquor)으로부터 자일로스를 분리하는 것에 관한 실시예 3의 5 컬럼 분리 시스템의 컬럼 5로부터의 분리 프로파일을 도시한다.
하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것으로서, 어떠한 방식으로든 본 발명을 제한하지 않는다.
실시예 1. MgSSL의 SMB 크로마토그래피 분리 - 기준예
공정 장비는 연속적으로 연결된 5개의 컬럼, 공급물 펌프, 재순환 펌프, 용리수 펌프, 열교환기, 유출 액체에 대한 흐름 제어 수단 뿐만 아니라 다양한 공정 스트림에 대한 입구 및 생성물 밸브를 포함하였다. 처음 3개의 컬럼의 높이는 3.6 m였고, 나머지 2개의 컬럼의 높이는 4.6 m였고, 각각의 컬럼은 직경이 4.2 m였다. 컬럼에 Mg2+형의 강산성 겔 타입 양이온 교환 수지 (제조원: Finex)를 충전시켰다. 수지의 디비닐벤젠 함량은 6.5%였고, 수지의 평균 비드(bead) 크기는 0.38 mm였다.
분리 전에, Mg2+ 설파이트 폐액 (MgSSL)을 재순환 분획을 사용하여 52 중량%로 희석시키고, 필터 보조제로서 Arbocel B800을 사용하여 프리코트(pre-coat) 여과하였다. 재순환 분획을 사용하여 공급 건조 물질을 48.1 g/100 g으로 추가로 조정하였고, 공급액 pH는 3.4였다. 공급물의 조성은 하기 제시된 바와 같았는데, 여기서 백분율은 건조 물질 중량을 기준으로 한 것이다.
표 E1-1
Figure pct00001
하기 제시된 9단계 SMB 순서에 의해 분획화를 수행하였다. 분리의 목적은 그 안에 함유된 자일로스를 분리하는 것이었다. 공급물과 용리액을 70℃의 온도에서 사용하였고, 잔류물과 자일로스 분획 증발로부터의 응축물을 용리액으로서 사용하였다.
단계 1: 4.8 m3의 공급 용액을 90 m3/h의 유량으로 제 1 컬럼내로 펌핑하고, 재순환 분획을 제 3 컬럼으로부터 수집하였다. 동시에, 2.0 m3을 컬럼 4와 5로 형성된 컬럼 루프에서 45 m3/h의 유량으로 순환시켰다
단계 2: 9.5 m3의 공급 용액을 95 m3/h의 유량으로 제 1 컬럼내로 펌핑하고, 잔류물 분획을 동일한 컬럼으로부터 수집하였다. 동시에, 8.1 m3의 용리액을 85 m3/h의 유량으로 제 2 컬럼내로 펌핑하고, 최종 컬럼으로부터 6.6 m3의 재순환 분획을 먼저 수집한 후 1.5 m3의 자일로스 분획을 수집하였다.
단계 3: 6.4 m3의 공급 용액을 65 m3/h의 유량으로 제 1 컬럼내로 펌핑하고, 자일로스 분획을 최종 컬럼으로부터 수집하였다.
단계 4: 10.8 m3의 공급 용액을 65 m3/h의 유량으로 제 1 컬럼내로 펌핑하고, 잔류물 분획을 제 4 컬럼으로부터 수집하였다. 동시에, 12.7 m3의 용리액을 95 m3/h의 유량으로 최종 컬럼내로 펌핑하고, 동일한 컬럼으로부터 10.2 m3의 자일로스 분획을 먼저 수집한 후 2.5 m3의 재순환 분획을 수집하였다.
단계 5: 1.0 m3의 공급 용액을 70 m3/h의 유량으로 제 1 컬럼내로 펌핑하고, 잔류물 분획을 제 2 컬럼으로부터 수집하였다. 컬럼 3은 그 다음 단계를 위해 대기하고 있었다. 동시에, 컬럼 4와 5로 형성된 컬럼 루프에서 55 m3/h의 유량으로 21.0 m3 순환을 개시하였다.
단계 6: 11.5 m3의 용리액을 70 m3/h의 유량으로 제 3 컬럼내로 펌핑하고, 잔류물 분획을 제 2 컬럼으로부터 수집하였다. 동시에, 컬럼 4와 5로 형성된 컬럼 루프에서 55 m3/h의 유량으로 계속 순환시켰다.
단계 7: 컬럼 1, 2 및 3으로 형성된 컬럼 루프에서 17.2 m3을 75 m3/h의 유량으로 순환시켰다. 동시에, 컬럼 4와 5로 형성된 컬럼 루프에서 55 m3/h의 유량으로 계속 순환시켰다.
단계 8: 11.6 m3의 용리액을 80 m3/h의 유량으로 제 1 컬럼내로 펌핑하고, 잔류물 분획을 제 3 컬럼으로부터 수집하였다. 동시에, 10.6 m3의 용리액을 60 m3/h의 유량으로 제 4 컬럼내로 펌핑하고, 잔류물 분획을 최종 컬럼으로부터 수집하였다.
단계 9: 컬럼 1, 2 및 3으로 형성된 컬럼 루프에서 11.9 m3을 95 m3/h의 유량으로 순환시켰다. 동시에, 컬럼 4와 5로 형성된 컬럼 루프에서 6.0 m3을 60 m3/h의 유량으로 순환시켰다.
시스템이 평형을 이룬 후, 분획들을 시스템으로부터 빼냈는데, 잔류물 분획은 각각의 컬럼으로부터 빼냈고, 재순환 분획은 제 3 및 제 5 컬럼으로부터 빼냈고, 그리고 자일로스 생성물 분획은 최종 컬럼으로부터 빼냈다. 합쳐진 분획 그리고 컬럼 5 잔류물에 대한 HPLC 분석을 포함하는 결과는 하기 표에 제시되어 있다.
표 E1-2
Figure pct00002
이러한 분획들로부터 계산된 총괄 자일로스 수율은 94.5%였다. 기준 작업(reference run)에서, 모든 잔류물이 시스템으로부터 빠져나왔고, W/F (물 대 공급물) 비는 1.7이었다. 잔류물 분획을 60 중량%로 증발시킨 경우, 응축물 제거량은 분리 사이클 당 41.0 톤이다.
실시예 2. MgSSL의 SMB 크로마토그래피 분리
공정 장비는 연속적으로 연결된 5개의 컬럼, 공급물 펌프, 재순환 펌프, 용리수 펌프, 열교환기, 유출 액체에 대한 흐름 제어 수단 뿐만 아니라 다양한 공정 스트림에 대한 입구 및 생성물 밸브를 포함하였다. 처음 3개의 컬럼 (각각 49.9 m3의 부피)의 높이는 3.6 m였고, 나머지 2개의 컬럼 (각각 63.7 m3의 부피)의 높이는 4.6 m였고, 각각의 컬럼은 직경이 4.2 m였다. 컬럼에 Mg2+형의 강산성 겔 타입 양이온 교환 수지 (제조원: Finex)를 충전시켰다. 수지의 디비닐벤젠 함량은 6.5%였고, 수지의 평균 비드 크기는 0.38 mm였다.
분리 전에, Mg2+ 설파이트 폐액을 재순환 분획을 사용하여 52 중량%로 희석시키고, 필터 보조제로서 Arbocel B800을 사용하여 프리코트 여과하였다. 재순환 분획을 사용하여 공급 건조 물질을 48.2 g/100 g으로 추가로 조정하였고, 공급액 pH는 3.22였다. 공급물의 조성은 하기 제시된 바와 같았는데, 여기서 백분율은 건조 물질 중량을 기준으로 한 것이다.
표 E2-1
Figure pct00003
하기 제시된 10단계 SMB 순서에 의해 분획화를 수행하였다. 분리의 목적은 그 안에 함유된 자일로스를 분리하는 것이었다. 공급물과 용리액을 70℃의 온도에서 사용하였고, 잔류물과 자일로스 분획 증발로부터의 응축물을 용리액으로서 사용하였다.
단계 1: 4.8 m3의 공급 용액을 90 m3/h의 유량으로 제 1 컬럼내로 펌핑하고, 재순환 분획을 제 3 컬럼으로부터 수집하였다. 동시에, 2.0 m3을 컬럼 4와 5로 형성된 컬럼 루프에서 45 m3/h의 유량으로 순환시켰다
단계 2: 9.5 m3의 공급 용액을 95 m3/h의 유량으로 제 1 컬럼내로 펌핑하고, 잔류물 분획을 동일한 컬럼으로부터 수집하였다. 동시에, 8.1 m3의 용리액을 85 m3/h의 유량으로 제 2 컬럼내로 펌핑하고, 제 5 컬럼으로부터 6.6 m3의 재순환 분획을 먼저 수집한 후 1.5 m3의 자일로스 분획을 수집하였다.
단계 3: 6.4 m3의 공급 용액을 65 m3/h의 유량으로 제 1 컬럼내로 펌핑하고, 자일로스 분획을 제 5 컬럼으로부터 수집하였다.
단계 4: 10.8 m3의 공급 용액을 65 m3/h의 유량으로 제 1 컬럼내로 펌핑하고, 잔류물 분획을 제 4 컬럼으로부터 수집하였다. 동시에, 12.7 m3의 용리액을 95 m3/h의 유량으로 제 5 컬럼내로 펌핑하고, 제 5 컬럼으로부터 10.2 m3의 자일로스 분획을 먼저 수집한 후 2.5 m3의 재순환 분획을 수집하였다.
단계 5: 1.0 m3의 공급 용액을 70 m3/h의 유량으로 제 1 컬럼내로 펌핑하고, 잔류물 분획을 제 2 컬럼으로부터 수집하였다. 컬럼 3은 그 다음 단계를 위해 대기하고 있었다. 동시에, 컬럼 4와 5로 형성된 컬럼 루프에서 55 m3/h의 유량으로 21.0 m3 순환을 개시하였다.
단계 6: 11.5 m3의 용리액을 70 m3/h의 유량으로 제 3 컬럼내로 펌핑하고, 잔류물 분획을 제 2 컬럼으로부터 수집하였다. 동시에, 컬럼 4와 5로 형성된 컬럼 루프에서 55 m3/h의 유량으로 계속 순환시켰다.
단계 7: 컬럼 1, 2 및 3으로 형성된 컬럼 루프에서 17.2 m3을 75 m3/h의 유량으로 순환시켰다. 동시에, 컬럼 4와 5로 형성된 컬럼 루프에서 55 m3/h의 유량으로 계속 순환시켰다.
단계 8: 2.6 m3의 용리액을 80 m3/h의 유량으로 제 1 컬럼내로 펌핑하고, 잔류물 분획을 제 3 컬럼으로부터 수집하였다. 동시에, 1.6 m3의 용리액을 60 m3/h의 유량으로 제 4 컬럼내로 펌핑하고, 잔류물 분획을 최종 컬럼으로부터 수집하였다.
단계 9: 9.0 m3의 용리액을 90 m3/h의 유량으로 제 4 컬럼내로 펌핑하고, 잔류물 분획을 모든 컬럼으로 이루어진 개방 루프에서 제 3 컬럼으로부터 수집하였다. 동시에, 컬럼 5로부터의 잔류물 분획 (PART)을 컬럼 1내로 도입시켜서 용리액으로서 작용하게 하였다.
단계 10: 컬럼 1, 2 및 3으로 형성된 컬럼 루프에서 11.9 m3을 95 m3/h의 유량으로 순환시켰다. 동시에, 컬럼 4와 5로 형성된 컬럼 루프에서 6.0 m3을 60 m3/h의 유량으로 순환시켰다.
시스템이 평형을 이룬 후, 분획들을 시스템으로부터 빼냈는데, 잔류물 분획은 각각의 컬럼으로부터 빼냈고, 재순환 분획은 제 3 및 제 5 컬럼으로부터 빼냈고, 그리고 자일로스 생성물 분획은 최종 컬럼으로부터 빼냈다. 합쳐진 분획에 대한 HPLC 분석을 포함하는 결과는 하기 표에 제시되어 있다.
표 E2-2
Figure pct00004
이러한 분획들로부터 계산된 총괄 자일로스 수율은 94.6%였다. 시험 작업(test run)에서, 9.0 m3의 컬럼 5 잔류물을 단계 9에서 제 1 컬럼내로 도입시켰고, W/F (물 대 공급물) 비는 기준 작업에서의 1.7 (실시예 1)과 비교하여 1.40이었다. 잔류물 분획을 60 중량%로 증발시킨 경우, 응축물 제거량은 분리 사이클 당 32.1 톤이고, 잔류물 분획 증발 요구량은 기준 시험 작업과 비교하여 22% 감소하였다.
공극 부피가 층 부피의 33%이고 리그노설포네이트와 염이 수지상에 보유되지 않는 것으로 가정한 다음 PART (예를 들어, 컬럼 5로부터의 잔류물 분획)와 이의 성분들의 이동에 관한 간이 계산을 수행하였다. 잔류물 5와 잔류물 1의 분석값을 기준 작업과 비교한 경우, 예를 들어 컬럼 1내로 도입된 잔류물 5로부터의 자일론산은 자일론산 보유로 인해 주로 그 다음 잔류물 1에서 이미 용리된 것으로 계산될 수 있다.
실시예 3. MgSSL의 SMB 크로마토그래피 분리 - 파일럿 시험(pilot test)
공정 장비는 연속적으로 연결된 5개의 컬럼, 공급물 펌프, 재순환 펌프, 용리수 펌프, 열교환기, 유출 액체에 대한 흐름 제어 수단 뿐만 아니라 다양한 공정 스트림에 대한 입구 및 생성물 밸브를 포함하였다. 장비는 용리수 대체물로서 사용되는 분획의 수집과 공급을 위한 탱크, 공급물 펌프, 라인, 흐름 조절 수단 및 밸브를 또한 포함하였다. 처음 3개의 컬럼 (각각 282 리터의 부피)의 높이는 3.6 m였고, 나머지 2개의 컬럼 (각각 36.1 리터의 부피)의 높이는 4.6 m였고, 각각의 컬럼은 직경이 0.11 m였다. 컬럼내 수지의 공극 부피는 컬럼 1의 경우 11.5 리터였고, 컬럼 2의 경우 10.9 리터였고, 컬럼 3의 경우 11.3 리터였고, 컬럼 4의 경우 15.8 리터였고, 컬럼 5의 경우 15.1 리터였다. 컬럼에 Mg2+형의 강산성 겔 타입 양이온 교환 수지 (제조원: Finex)를 충전시켰다. 수지의 디비닐벤젠 함량은 6.5%였고, 수지의 평균 비드 크기는 0.38 mm였다.
분리 전에, 필터 보조제로서 Arbocel B800을 사용하여 Mg2+ 설파이트 폐액을 프리코트 여과하였다. 재순환 분획을 사용하여 공급 건조 물질을 49.4 g/100 g으로 추가로 조정하였고, 공급액 pH는 3.1이었다. 공급물의 조성은 하기 제시된 바와 같았는데, 여기서 백분율은 건조 물질 중량을 기준으로 한 것이다.
표 E3-1
Figure pct00005
3개의 별개의 루프, 즉, 컬럼 1 내지 3, 컬럼 4와 5, 그리고 모든 5개의 컬럼를 사용하는 성능 모드를 이용함으로써, 하기 제시된 바와 같이 10단계 SMB 순서에 의해 평형 상태에서 분획화를 수행하였다.
10단계 순서 (사이클)는 도 1에 도시되어 있다. 분리의 목적은 그 안에 함유된 자일로스를 분리시키는 것이었다. 공급물과 용리액을 65℃의 온도에서 사용하였고, 2 중량% 아세트산 용액을 용리액으로서 사용하였다.
단계 1: 3.8 l의 공급 용액을 60 l/h의 유량으로 제 1 컬럼내로 펌핑하고, 재순환 분획 1을 제 3 컬럼으로부터 수집하였다. 재순환 1 분획은 PART 5-2 (= 앞서의 사이클 보다 1회 전의 사이클로부터의 잔류물 5)의 일부 (2.7 리터)를 함유하였다. PART 5-1의 전방부(front) (= 앞서의 사이클로부터의 잔류물 5 프로파일)를 컬럼 2로 이동시켜서 수지의 공극 부피의 8.1 리터를 대체하였다. 동시에, 2.0 l를 컬럼 4와 5로 형성된 컬럼 루프에서 33 l/h의 유량으로 순환시켰다. PART 5-2/파트 2의 전방부 (1.9 리터)를 컬럼 5로부터 컬럼 4의 상부로 이동시켰다.
단계 2: 8.0 l의 공급 용액을 50 l/h의 유량으로 제 1 컬럼내로 펌핑하고, 결국에는 단계 9에서의 잔류물 3 (4.9 리터) 이후에 공급물의 가장 빠르게 이동하는 성분들을 함유하는 잔류물 분획 1, PART 5-2 그리고 또한 잔류물 5의 테일을 동일한 컬럼으로부터 인출하였다.
동시에, 5.8 l의 새로운 용리액 (물)을 37 l/h의 유량으로 제 2 컬럼내로 펌핑하고, 재순환 분획 2를 컬럼 5로부터 수집하였다. PART 5-1 프로파일의 전방부는 3 리터를 컬럼 3으로 이동시켰다.
PART 5-2/파트 2 프로파일의 전방부 (1.9 리터)는 컬럼 4에서 공극에 걸쳐 7.7 리터를 위치(location)로 이동시켰다. PART 5-2/파트 2 프로파일의 0.9 리터를 컬럼 5의 저부로부터 재순환 분획 1로 인출하였다.
단계 3: 4.5 l의 공급 용액을 모든 컬럼으로 이루어진 개방 루프에서 55 l/h의 유량으로 제 1 컬럼내로 펌핑하고, 자일로스 분획을 컬럼 5으로부터 수집하였다. PART 5-1 프로파일의 전방부는 컬럼 3에서 공극에 걸쳐 7.5 리터를 위치로 이동시켰다. PART 5-2/파트 2 프로파일의 전방부 (1.9 리터)는 컬럼 4에서 공극에 걸쳐 12.2 리터를 위치로 이동시켰다.
단계 4: 6.4 l의 공급 용액을 51 l/h의 유량으로 제 1 컬럼내로 펌핑하였다. 동시에, PART 5-2/파트 2 프로파일의 전방부 1.9 리터를 포함하는 R-Elu1로 일컬어지는 6.4 리터의 용리액 대체 분획을 제 4 컬럼으로부터 별도의 탱크내로 수집하였다. PART 5-1을 2개의 별개의 스트림으로 분할하였다. PART 5-1/파트 2의 전방부 2.6 리터는 컬럼 4로 이동하였다. PART 5-1/파트 1의 5 리터는 컬럼 3의 저부에 남아있었다. 동시에, 8.5 l의 새로운 용리액을 66 l/h의 유량으로 컬럼 5내로 펌핑하고, 7.0 l의 자일로스 분획에 이어 1.5 l의 재순환 분획 2를 동일한 컬럼으로부터 수집하였다.
단계 5: 2.1 l의 공급 용액을 55 l/h의 유량으로 제 1 컬럼내로 펌핑하고, 공급물의 가장 빠르게 이동하는 성분들을 함유하는 잔류물 분획 2/1을 제 2 컬럼으로부터 수집하였다. 동시에, 0.8 l의 용리액을 70 l/h의 유량으로 제 5 컬럼내로 펌핑하고, 용리액 대체 분획 R Elu2를 제 4 컬럼으로부터 수집하였다. PART 5-1/파트 2 프로파일의 전방부는 3.4 리터를 컬럼 4로 이동시켰다. 컬럼 3은 그 다음 단계를 위해 대기하고 있었다.
단계 6: 75 l/h의 유량으로 0.4 l의 새로운 용리액 (물)을 제 3 컬럼내로 먼저 펌핑한 후 단계 4와 5에서 컬럼 4로부터 탱크내로 수집된 7.2 l의 용리액 대체 분획 (= R Elu1 + R Elu2)을 제 3 컬럼내로 펌핑하고, 잔류물 분획 2/2를 제 2 컬럼으로부터 수집하였다. 컬럼 3의 저부에서 PART 5-1/파트 1은 컬럼 1로 이동하였고, 잔류물 5 (파트 1) 프로파일의 전방부는 컬럼 1에 7.6 리터로 위치해 있었다. 동시에, 15.1 l를 컬럼 4와 5로 형성된 컬럼 루프에서 29.5 l/h의 유량으로 순환시켰다. PART 5-1/파트 2 프로파일의 전방부는 공극에 걸쳐 2.7 리터를 컬럼 4로부터 컬럼 5의 위치로 이동시켰다.
단계 7: 11.3 l를 컬럼 1, 2 및 3으로 형성된 컬럼 루프에서 75 l/h의 유량으로 순환시켰다. PART 5-1/파트 1 프로파일의 전방부는 컬럼 2에서 공극에 걸쳐 7.4 리터로 위치해 있었다. 동시에, 컬럼 4와 5로 형성된 컬럼 루프에서 29.5 l/h의 유량으로 계속 순환시켰다.
단계 8: 1.8 l의 새로운 용리액 (물)을 75 l/h의 유량으로 제 1 컬럼내로 펌핑하고, 결국에는 공급물의 가장 빠르게 이동하는 성분들을 함유하는 잔류물 분획 3/1을 제 3 컬럼으로부터 인출하였다. PART 5-1/파트 1 프로파일의 전방부는 컬럼 2에서 공극에 걸쳐 9.2 리터로 위치해 있었다. 컬럼 4와 5는 그 다음 단계를 위해 대기하고 있었고, 새로운 잔류물 5 분획은 컬럼 5의 저부에서 대기하고 있었다.
단계 9: 컬럼 4, 5, 1, 2 및 3을 이러한 차례로 연결하는 개방 루프에서, 8.1 l의 새로운 용리액 (물)을 70 l/h의 유량으로 제 4 컬럼내로 펌핑하고, 동시에, 컬럼 5로부터의 8.1 l의 잔류물 분획 (새로운 잔류물 5= PART 5)을 제 1 컬럼으로 이동시켜셔 저해되지 않은 부분적 프로파일로서 용리액의 대체물로 작용하게 하였다. PART 5-1/파트 1 프로파일의 전방부는 컬럼 2로부터 컬럼 3에서 공극에 걸쳐 6.4 리터를 이동시켰다. 결국에는 잔류물 분획인 잔류물 3/2의 8.1 리터를 제 3 컬럼으로부터 인출하였다. PART 5-1/파트 2 프로파일의 전방부 (2.6 리터)는 공극에 걸쳐 10.7 리터를 컬럼 5에서 위치로 이동시켰다.
단계 10: 7.7 l를 컬럼 1, 2 및 3으로 형성된 컬럼 루프에서 75 l/h의 유량으로 순환시켰다. PART 5 (새로운 잔류물 5) 프로파일의 전방부는 컬럼 2에서 공극에 걸쳐 4.3 리터를 이동시켰다. PART 5-1/파트 1 프로파일의 전방부는 컬럼 3에서 컬럼 1의 위치로 공극에 걸쳐 2.8 리터를 이동시켰다. 동시에, 3.5 l를 컬럼 4와 5로 형성된 컬럼 루프에서 35 l/h의 유량으로 순환시켰다. PART 5-1/파트 2 프로파일의 전방부 (2.6 리터)는 컬럼 5에서 컬럼의 저부로 이동하였다.
시스템이 평형을 이룬 후, 분획들을 시스템으로부터 인출해냈는데, 잔류물 분획 (리그노설포네이트, 염)은 컬럼 1, 2 및 3로부터 인출해냈고, 용리액 대체 분획 (R Elu)은 재사용하기 위해 컬럼 4로부터 탱크내로 인출해냈고, 재순환 분획은 공급물을 희석하는 데에 사용하기 위해 컬럼 3 및 5로부터 인출하였고, 그리고 자일로스 생성물 분획은 최종 컬럼으로부터 인출해냈다. 단계 9에서, 컬럼 5 (PART 5)로부터의 용리액 대체 분획 (리그노설포네이트와 염의 파트)을 저해되지 않은 프로파일로서 컬럼 1로 바로 이동시켰다. 합쳐진 잔류물, 재순환물 및 자일로스 분획에 대한 HPLC 분석을 포함하는 결과는 하기 표에 제시되어 있다.
표 E3-2
Figure pct00006
이러한 분획들로부터 계산된 총괄 자일로스 수율은 98.6%였다. 시험 작업에서, 8.1 l의 컬럼 5 잔류물 5 (PART 5)를 용리액 대체물로서 단계 9에서 컬럼 1내로 도입시켰다. 또한, 7.2 l의 컬럼 4 잔류물 4를 단계 4와 5에서 용리액 대체 분획으로서 탱크내로 수집하고, 단계 6에서 용리액 대체물로서 컬럼 3으로 공급하였다. W/F (물 대 공급물) 비는 단지 1.0 이었다. 단계 9 그리고 단계 4 내지 5에서 용리액 대체가 없는 동일한 모드와 비교하여 새로운 용리수의 절감율은 39%였다.
단계 9에서 용리액을 대체하기 위해 사용되는 PART 5 (= 잔류물 5)의 건조 물질 성분들은 모든 잔류물 분획 (1, 2/1, 2/2, 3/1, 및 3/2) 그리고 재순환 분획 1과 2의 건조 물질 함량을 상승시켰다. 그 다음 사이클 동안, PART의 일부는 잔류물 1로 이동하였다. PART의 일부는 단계 4 동안 루프 2로 이동하였고, 여기서 제 1 사이클 동안 머물러 있었다. 또한, 루프 1에서, PART의 일부는 제 1 사이클 동안 그러한 루프에 머물러 있었다.
그 다음 사이클 동안, 루프 1에서 건조 물질의 나머지를 단계 2에서 잔류물 1에 수집하였고, 재순환 분획을 단계 1에서 수집하였다. 루프 2에서는, PART를 단계 4에서 잔류물 4로 수집하였다.
단계 6에서 용리액 대체 용액 (R Elu로 일컬어지는 파트)의 외부 재순환물은 단계 9에서 내부에서 재순환되는 건조 물질의 일부를 지녔다. 제 1 사이클 동안, PART의 대부분은 단계 8과 9에서 잔류물 3내로 이동하였다. PART의 나머지는 그 다음 사이클까지 제 1 루프에 머물러 있었다.
그 다음 사이클 동안, 재순환된 건조 물질의 일부는 단계 1에서 재순환 분획내로 수집되었다. 나머지 부분은, 파트가 단계 9에서 루프 1로 다시 재순환될 때까지 루프 2로 이동하였다. 건조 물질의 나머지는 그 다음 라운드까지 제 2 루프에 머물러 있었다.
제 3 사이클 동안, 외부에서 재순환된 건조 물질의 나머지는 단계 4와 5에서 용리액 대체 분획 (R Elu)내로 수집되었다.
평형 상태에서, 상기 단계들을 사용하는 이러한 새로운 방식은 PART의 성분들에 대해 내부 루프를 생성시켜서, 자일로스 수율 또는 자일로스 분획의 순도에 영향을 미치지 않으면서도 잔류물 분획의 건조 물질 함량을 상승시켰다.
공극 부피가 층 부피의 33%이고 리그노설포네이트와 염이 수지상에 보유되지 않는 것으로 가정한 다음 PART와 이의 성분들의 이동에 관한 간이 계산을 수행하였다. 또한, PART의 부피 팽창이 약 50%인 것으로 간주한 다음 밴드 확장(band broadening)을 어느 정도 고려하였다. 용리액이 용리액 대체 용액 (R Elu)으로 대체되는 단계에서 출발하여 단계의 부피를 컬럼 공극으로부터 공제함으로써 잔류물 분획의 프로파일 전방부 이동을 계산하였다. 이러한 방법은 프로파일 전방부 이동에 대해 매우 정확하였다. 프로파일의 테일링은 추정치였고, 얼마간의 테일링이 뚜렷하였지만 이는 자일로스 분획을 악화시키지 않는 것으로 본 실시예에 의해 밝혀졌다.
단계 9에서 공급되는 용리액 대체물은 사전공급물(prefeed)로서 프로파일 보다 먼저 이동하였고, 그 다음 사이클 동안 단계 7에서 재순환된 건조 물질은 사후공급물(post feed)로서 프로파일 보다 나중에 컬럼 1로 공급된다.
실시예 4. CaSSL의 크로마토그래피 분리 - 뱃치 분리
공정 장비는 분리 컬럼, 공급물 펌프, 열교환기, 공급물과 용리액에 대한 입구 밸브 뿐만 아니라 유출 액체에 대한 흐름 제어 수단을 포함하였다. 장비는 PART 분획과 전방 공급물에 대해 탱크, 공급물 펌프, 라인, 흐름 제어 수단 및 밸브를 또한 포함하였다. 분리에서 크로마토그래피 수지층의 높이는 8.0 m였고, 컬럼은 4개의 구획 (2.1m/2.1m/1.8m/2.0m)으로 구성되어 있었다. 모든 컬럼은 직경이 0.111 m였다. 컬럼에 Ca2+형의 강산성 겔 타입 양이온 교환 수지 (제조원: Finex)를 충전시켰다. 수지의 디비닐벤젠 함량은 5.5%였다. 수지의 평균 비드 크기는 0.40 mm였다.
공급물로서, Ca2+계 설파이트 증해액(CaSSL)으로부터의 폐액을 사용하였고, 그 안에 함유된 자일로스를 분리하고자 하였다.
시험 전에, Arbocel B800을 여과 보조제로서 사용하여 세이츠(Seitz) 플레이트와 프레임 압력 필터(frame pressure filter)로 공급액을 여과하고 (프리코트 1 kg/m2, DS를 기준으로 하여 보디피드(bodyfeed) 0.5%), 분리 재순환 분획을 사용하여 공급 건조 물질 함량을 32.1 g/100 g로 조정하였다. 공급물의 특성은 하기 표에 제시되어 있는데, 여기서 백분율은 건조 물질 중량을 기준으로 한 것이다.
표 E4-1
Figure pct00007
하기 제시된 9 단계 뱃치 분리 순서에 의해 분획화를 수행하였다. 분리의 목적은 그 안에 함유된 자일로스를 분리하는 것이었다. 공급물, 용리수, 전방 공급물(front feed) 및 PART를 모두 65℃의 온도에서 사용하였다.
단계 1: 10.3 l의 공급 용액을 18 l/h의 유량으로 컬럼의 상부로 펌핑하고, 잔류물 분획을 컬럼의 저부로부터 수집하였다.
단계 2: 18 l/h의 유량으로 컬럼의 상부로 먼저 3.0 l의 PART 분획을 펌핑한 후 0.4 l의 물을 펌핑하고, 잔류물 분획을 컬럼의 저부로부터 수집하였다.
단계 3: 1.4 l의 물을 18 l/h의 유량으로 컬럼의 상부로 펌핑하고, 재순환 분획을 컬럼의 저부로부터 수집하였다.
단계 4: 2.6 l의 물을 18 l/h의 유량으로 컬럼의 상부로 펌핑하고, 전방 공급물 분획을 컬럼의 저부로부터 수집하였다.
단계 5: 8.0 l의 물을 18 l/h의 유량으로 컬럼의 상부로 펌핑하고, 자일로스 분획을 컬럼의 저부로부터 수집하였다.
단계 6: 3.1 l의 물을 18 l/h의 유량으로 컬럼의 상부로 펌핑하고, 재순환 분획을 컬럼의 저부로부터 수집하였다.
단계 7: 2.0 l의 물을 18 l/h의 유량으로 컬럼의 상부로 펌핑하고, PART 분획을 컬럼의 저부로부터 수집하였다.
단계 8: 1.0 l의 전방 공급물 분획을 18 l/h의 유량으로 컬럼의 상부로 펌핑하고, PART 분획을 컬럼의 저부로부터 수집하였다.
단계 9: 1.6 l의 전방 공급물 분획을 18 l/h의 유량으로 컬럼의 상부로 펌핑하고, 잔류물 분획을 컬럼의 저부로부터 수집하였다.
수 개의 공급물을 사용하는 시스템이 평형을 이룬 후, 하기 분획들을 분리 컬럼 생성물 밸브로부터 빼내었다: 잔류물 분획, 2개의 재순환 분획 (자일로스 피크의 양측), 전방 공급물 분획, 자일로스 생성물 분획 및 PART 분획. 합쳐진 분획에 대한 HPLC 분석을 포함하는 결과는 하기 표에 제시되어 있다.
표 E4-2
Figure pct00008
생성물 분획으로부터 계산된 수율은 자일로스에 대해 95.5%였다. 분리에서, 잔류물 분획 (3.0 l)의 일부를 PART 분획으로서 수집하고, 이를 용리액 대체물로서 사용하였다. PART 분획을 공급물 직후에 도입하였는데, 이는 PART 분획에 존재하는 빠른 성분들 (예를 들어, 리그노설포네이트, 염)이 분리 동안 더욱 더 지체되는 자일로스 분획과 느린 성분들 (예를 들어, 자일론산, 아라비노스)을 이동시킬 수 있게 하였다. PART 분획을 사용하는 것은 새로운 용리액의 사용량을 14.6% 감소시키면서도 생성물 분획 수율 또는 순도에 전혀 영향을 미치지 않았다. 분리에 대한 W/F 비는 1.7이었다.
실시예 5. 글루코스-프룩토스 SMB 분리에서 용리액으로서 사용되는 묽은 글루코스 분획
공정 장비는 연속적으로 연결된 3개의 컬럼, 공급물 펌프, 재순환 펌프, 용리수 펌프, 열교환기, 유출 액체에 대한 흐름 제어 수단 뿐만 아니라 다양한 공정 스트림에 대한 입구 및 생성물 밸브를 포함하였다. 장비는 용리수 대체물로서 사용되는 묽은 글루코스에 대해 탱크, 묽은 글루코스 공급 펌프, 라인, 흐름 제어 수단 및 밸브를 또한 포함하였다. 각각의 컬럼의 높이는 4.0 m였고, 각각의 컬럼은 직경이 0.2 m였고, 수지 부피는 각각 125 리터였다. 컬럼에 Ca2+형의 강산성 겔 타입 양이온 교환 수지 (제조원: Finex)를 충전시켰다. 수지의 디비닐벤젠 함량은 5.5%였다. 수지의 평균 비드 크기는 0.36 mm였다.
공급물로서, 전화 수크로스를 사용하였고, 목적은 글루코스와 프룩토스를 다양한 분획으로 분리하는 것이었다. 액 농도는 64.9 g/100 ml였다. 공급물의 조성은 하기 제시된 바와 같는데, 여기서 백분율은 건조 물질 중량을 기준으로 한 것이다.
표 E5-1
Figure pct00009
하기 제시된 15 단계 SMB 순서에 의해 분획화를 수행하였다. 공급물과 용리액을 65℃의 온도에서 사용하였다. 물을 용리액으로서 사용하였다. 모든 컬럼으로부터의 글루코스 분획의 묽은 부분을 용리액 대체물 (PART)로서 사용하기 위해 탱크내로 수집하였다
단계 1: 8.2 l의 물을 130 l/h의 유량으로 제 2 컬럼내로 펌핑하고, 묽은 글루코스 분획을 제 1 컬럼으로부터 수집하였다.
단계 2: 17.9 l의 공급 용액을 110 l/h의 유량으로 제 1 컬럼내로 펌핑하고, 글루코스 분획을 동일한 컬럼으로부터 수집하였다. 동시에, 18.4 l의 물을 110 l/h의 유량으로 제 2 컬럼내로 펌핑하고, 프룩토스 분획을 동일한 컬럼으로부터 수집하였다. 컬럼 3은 그 다음 단계를 위해 대기하고 있었다.
단계 3: 1.8 l의 물을 120 l/h의 유량으로 제 2 컬럼내로 펌핑하고, 글루코스 분획을 제 1 컬럼으로부터 수집하였다.
단계 4: 8.2 l의 묽은 글루코스 분획을 120 l/h의 유량으로 제 2 컬럼내로 펌핑하고, 글루코스 분획을 제 1 컬럼으로부터 수집하였다.
단계 5: 58.8 l을 모든 컬럼으로 형성된 컬럼 세트 루프(column set loop)에서 130 l/h의 유량으로 순환시켰다.
단계 6: 8.2 l의 물을 130 l/h의 유량으로 제 3 컬럼내로 펌핑하고, 묽은 글루코스 분획을 제 2 컬럼으로부터 수집하였다.
단계 7: 17.9 l의 공급 용액을 110 l/h의 유량으로 제 2 컬럼내로 펌핑하고, 글루코스 분획을 동일한 컬럼으로부터 수집하였다. 동시에, 18.4 l의 물을 110 l/h의 유량으로 제 3 컬럼내로 펌핑하고, 프룩토스 분획을 동일한 컬럼으로부터 수집하였다. 컬럼 1은 그 다음 단계를 위해 대기하고 있었다.
단계 8: 1.8 l의 물을 120 l/h의 유량으로 제 3 컬럼내로 펌핑하고, 글루코스 분획을 제 2 컬럼으로부터 수집하였다.
단계 : 8.2 l의 묽은 글루코스 분획을 120 l/h의 유량으로 제 3 컬럼내로 펌핑하고, 글루코스 분획을 제 2 컬럼으로부터 수집하였다.
단계 10: 58.8 l를 모든 컬럼으로 형성된 컬럼 세트 루프에서 130 l/h의 유량으로 순환시켰다.
단계 11: 8.2 l의 물을 130 l/h의 유량으로 제 1 컬럼내로 펌핑하고, 묽은 글루코스 분획을 제 3 컬럼으로부터 수집하였다.
단계 12: 17.9 l의 공급 용액을 110 l/h의 유량으로 제 3 컬럼내로 펌핑하고, 글루코스 분획을 동일한 컬럼으로부터 수집하였다. 동시에, 18.4 l의 물을 110 l/h의 유량으로 제 1 컬럼내로 펌핑하고, 프룩토스 분획을 동일한 컬럼으로부터 수집하였다. 컬럼 2는 그 다음 단계를 위해 대기하고 있었다.
단계 13: 1.8 l의 물을 120 l/h의 유량으로 제 1 컬럼내로 펌핑하고, 글루코스 분획을 제 3 컬럼으로부터 수집하였다.
단계 14: 8.2 l의 묽은 글루코스 분획을 120 l/h의 유량으로 제 1 컬럼내로 펌핑하고, 글루코스 분획을 제 3 컬럼으로부터 수집하였다.
단계 15: 58.8 l을 모든 컬럼으로 형성된 컬럼 세트 루프에서 130 l/h의 유량으로 순환시켰다.
시스템이 평형을 이룬 후, 분획들을 시스템으로부터 빼내었는데, 하나의 묽은 글루코스 풍부한 분획 (PART)은 각각의 컬럼으로부터 빼내었고, 하나의 글루코스 풍부한 분획은 각각의 컬럼으로부터 빼내었고, 그리고 하나의 프룩토스 풍부한 분획은 각각의 컬럼으로부터 빼내었다. 각각의 컬럼으로부터의 묽은 글루코스 분획 (PART)을 용리수 대체물로서 사용하였다. 합쳐진 분획에 대한 HPLC 분석을 포함하는 결과는 하기 표에 제시되어 있다.
표 E5-2
Figure pct00010
이러한 분획들로부터 계산된 총괄 프룩토스 수율은 96.9%였다. 분리에 대한 W/F 비는 1.6이었고, 글루코스 분획을 20%가 넘게 용리액 대체물로서 재사용하여 증발 요구량을 감소시켰다.
실시예 6. 프룩토스 결정화 런오프 분리
공정 장비는 연속적으로 연결된 2개의 컬럼, 공급물 펌프, 재순환 펌프, 용리수 펌프, 열교환기, 유출 액체에 대한 흐름 제어 수단 뿐만 아니라 다양한 공정 스트림에 대한 입구 및 생성물 밸브를 포함하였다. 장비는 용리수 대체물로서 사용되는 PART 분획에 대해 탱크, PART 공급 펌프, 라인, 흐름 제어 수단 및 밸브를 또한 포함하였다. 두 컬럼 모두의 높이는 3.95m이고, 두 컬럼은 모두 직경이 0.2m이었다. 컬럼에 Na2+형의 강산성 겔 타입 양이온 교환 수지 (제조원: Finex)를 충전시켰다. 수지의 디비닐벤젠 함량은 5.5%이고, 수지의 평균 비드 크기는 0.36 mm였다.
공급물로서, 프룩토스 결정화 런오프를 사용하였고, 그 안에 함유된 프룩토스를 분리하고자 하였다.
액 농도는 66.1 g/100ml이고, pH는 3.8였다. 프룩토스 결정화 런오프의 조성은 하기 제시된 바와 같았고, 여기서 백분율은 건조 물질 중량을 기준으로 한 것이다.
표 E6-1
Figure pct00011
하기 제시된 14 단계 SMB 순서에 의해 분리층을 통해 분리 프로파일을 1.5회 순환시키며 US 6,896,811에 따라 수행하였다. 공급물과 용리액을 65℃의 온도에서 사용하였고, 물을 용리액으로서 사용하였다.
단계 1: 13 l의 공급 용액을 90 l/h의 유량으로 제 1 컬럼내로 펌핑하고, 재순환 분획을 제 2 컬럼으로부터 수집하였다. 이러한 단계의 종료 동안, PART 분획으로서 사용되는 약 4 l의 분리 프로파일을 제 2 컬럼으로 이동시켰다.
단계 2: 22 l의 공급 용액을 90 l/h의 유량으로 제 1 컬럼내로 펌핑하고, 잔류물 분획을 동일한 컬럼으로부터 수집하였다. 동시에, 190 l/h의 유량으로 8 l의 PART 분획에 이어 39 l의 물을 제 2 컬럼내로 펌핑하고, 프룩토스 분획을 동일한 컬럼으로부터 수집하였다.
단계 3: 54 l를 모든 컬럼으로 형성된 컬럼 세트 루프에서 90 l/h의 유량으로 순환시켰다.
단계 4: 24 l의 물을 90 l/h의 유량으로 제 1 컬럼내로 펌핑하고, 제 2 컬럼으로부터 4 l의 PART 분획을 먼저 수집한 후 20 l의 잔류물 분획을 수집하였다.
단계 5: 57 l를 모든 컬럼으로 형성된 컬럼 세트 루프에서 90 l/h의 유량으로 순환시켰다.
단계 6: 25 l의 물을 90 l/h의 유량으로 제 2 컬럼내로 펌핑하고, 제 1 컬럼으로부터 4 l의 PART 분획을 먼저 수집한 후 21 l의 잔류물 분획을 수집하였다.
단계 7: 48 l를 모든 컬럼으로 형성된 컬럼 세트 루프에서 90 l/h의 유량으로 순환시켰다.
단계 8: 13 l의 공급 용액을 90 l/h의 유량으로 제 2 컬럼내로 펌핑하고, 재순환 분획을 제 1 컬럼으로부터 수집하였다. 이러한 단계의 종료 동안, PART 부획으로서 사용되는 약 4 l의 분리 프로파일을 제 1 컬럼으로 이동시켰다.
단계 9: 22 l의 공급 용액을 90 l/h의 유량으로 제 2 컬럼내로 펌핑하고, 잔류물 분획을 동일한 컬럼으로부터 수집하였다. 동시에, 190 l/h의 유량으로 8 l의 PART 분획에 이어 39 l의 물을 제 1 컬럼내로 펌핑하고, 프룩토스 분획을 동일한 컬럼으로부터 수집하였다.
단계 10: 54 l를 모든 컬럼으로 형성된 컬럼 세트 루프에서 90 l/h의 유량으로 순환시켰다.
단계 11: 24 l의 물을 90 l/h의 유량으로 제 2 컬럼내로 펌핑하고, 제 1 컬럼으로부터 4 l의 PART 분획을 먼저 수집한 후 20 l의 잔류물 분획을 수집하였다.
단계 12: 57 l를 모든 컬럼으로 형성된 컬럼 세트 루프에서 90 l/h의 유량으로 순환시켰다.
단계 13: 25 l의 물을 90 l/h의 유량으로 제 1 컬럼내로 펌핑하고, 제 2 컬럼으로부터 4 l의 PART 분획을 먼저 수집한 후 21 l의 잔류물 분획을 수집하였다.
단계 14: 48 l를 모든 컬럼으로 형성된 컬럼 세트 루프에서 90 l/h의 유량으로 순환시켰다.
시스템이 평형을 이룬 후, 분획들을 시스템으로부터 빼내었는데, 2개의 PART 분획은 두 컬럼 모두로부터 빼내었고, 3개의 잔류물 분획은 두 컬럼 모두로부터 빼내었고, 하나의 프룩토스 함유 분획과 하나의 재순환 분획을 두 컬럼 모두로부터 빼내었다. 합쳐진 분획에 대한 HPLC 분석을 포함하는 결과는 하기 표에 제시되어 있다.
표 E6-2
Figure pct00012
이러한 분획들로부터 계산된 총괄 프룩토스 수율은 96.1%였다. 분리에 대한W/F 비는 2.5였다. 잔류물 분획을 15%가 넘게 PART 분획으로서 사용함으로써 용리액을 대체하고 증발 요구량을 감소시켰다.
실시예 7. 말토스 가수분해물 분리
공정 장비는 연속적으로 연결된 2개의 컬럼, 공급물 펌프, 재순환 펌프, 용리수 펌프, 열교환기, 유출 액체에 대한 흐름 제어 수단 뿐만 아니라 다양한 공정 스트림에 대한 입구 및 생성물 밸브를 포함하였다. 장비는 용리수 대체물로서 사용되는 PART 분획에 대해 탱크, PART 공급 펌프, 라인, 흐름 제어 수단 및 밸브를 또한 포함하였다. 두 컬럼 모두의 높이는 4.04 m이고, 두 컬럼은 모두 직경이 0.2 m이었다. 컬럼에 Na2+형의 강산성 겔 타입 양이온 교환 수지 (제조원: Finex)를 충전시켰다. 수지의 디비닐벤젠 함량은 5.5%이고, 수지의 평균 비드 크기는 0.33 mm였다.
공급물로서, 말토스 가수분해물을 사용하였고, 그 안에 함유된 말토스를 분리하고자 하였다.
액 농도는 56.4 g/100ml이고, pH는 4.4였다. 말토스 가수분해물의 조성은 하기 제시된 바와 같았고, 여기서 백분율은 건조 물질 중량을 기준으로 한 것이다.
표 E7-1
Figure pct00013
하기 제시된 10 단계 SMB 순서에 의해 분획화를 수행하였다. 공급물과 용리액을 60℃의 온도에서 사용하고, 물을 용리액으로서 사용하였다.
단계 1: 14 l의 공급 용액을 63 l/h의 유량으로 제 1 컬럼내로 펌핑하고, 재순환 분획을 제 2 컬럼으로부터 수집하였다.
단계 2: 18 l의 공급 용액을 42 l/h의 유량으로 제 1 컬럼내로 펌핑하고, 잔류물 분획을 동일한 컬럼으로부터 수집하였다. 동시에, 110 l/h의 유량으로 제 2 컬럼내로 12 l의 물을 먼저 펌핑하고, 이어서 12 l의 PART 분획을 펌핑하고, 최종적으로 21 l의 물을 펌핑하였고, 말토스 분획을 동일한 컬럼으로부터 수집하였다.
단계 3: 8 l의 공급 용액을 63 l/h의 유량으로 제 1 컬럼내로 펌핑하고, 말토스 분획을 제 2 컬럼으로부터 수집하였다.
단계 4: 35.9 l를 모든 컬럼으로 형성된 컬럼 세트 루프에서 63 l/h의 유량으로 순환시켰다.
단계 5: 17 l의 물을 63 l/h의 유량으로 제 1 컬럼내로 펌핑하고, 제 2 컬럼으로부터 4 l의 PART 분획을 먼저 수집한 후 13 l의 잔류물 분획을 수집하였다.
단계 6: 41.9 l를 모든 컬럼으로 형성된 컬럼 세트 루프에서 63 l/h의 유량으로 순환시켰다.
단계 7: 21 l의 물을 63 l/h의 유량으로 제 2 컬럼내로 펌핑하고, 제 1 컬럼으로부터 4 l의 PART 분획을 먼저 수집한 후 17 l의 잔류물 분획을 수집하였다.
단계 8: 41.9 l를 모든 컬럼으로 형성된 컬럼 세트 루프에서 63 l/h의 유량으로 순환시켰다.
단계 9: 21 l의 물을 63 l/h의 유량으로 제 1 컬럼내로 펌핑하고, 제 2 컬럼으로부터 4 l의 PART 분획을 먼저 수집한 후 17 l의 잔류물 분획을 수집하였다.
단계 10: 31.9 l를 모든 컬럼으로 형성된 컬럼 세틀 루프에서 63 l/h의 유량으로 순환시켰다.
시스템이 평형을 이룬 후, 하기 분획들을 시스템으로부터 빼내었다: 3개의 PART 분획, 4개의 잔류물 분획, 2개의 말토스 함유 분획 그리고 하나의 재순환 분획. 합쳐진 분획에 대한 HPLC 분석을 포함하는 결과는 하기 표에 제시되어 있다.
표 E7-2
Figure pct00014
이러한 분획들로부터 계산된 총괄 말토스 수율을 95.0%였다. 분리에 대한 W/F 비는 2.3이었다. 잔류물 분획을 15%가 넘게 PART 분획으로서 사용함으로써 용리액을 대체하고 증발 요구량을 감소시켰다.
실시예 8
비나세의 SMB 크로마토그래피 분리
공정 장비는 연속적으로 연결된 6개의 컬럼, 공급물 펌프, 순환 펌프, 용리수 펌프, 열교환기, 유출 액체에 대한 흐름 제어 수단 뿐만 아니라 다양한 공정 스트림에 대한 입구 및 생성물 밸브를 포함하였다. 처음 4개의 컬럼의 높이는 2 m이고, 마지막 2개의 컬럼의 높이는 1.5 m이고, 각각의 컬럼은 직경이 0.2 m (단, 제 1 컬럼은 0.21 m임)였다. 처음 4개의 컬럼 (전체 부피는 254 l임)에 Na2+형의 강산성 겔 타입 양이온 교환 수지 (제조원: Mitsubishi)를 충전시켰다. 수지의 디비닐벤젠 함량은 6.0%이고, 수지의 평균 비드 크기는 0.2 mm였다. 마지막 2개의 컬럼인 컬럼 5와 6 (전체 부피는 95 l인데, 이는 분리 시스템의 전체 부피의 27%를 차지함)에는 H+형의 약산성 겔 타입 양이온 교환 수지 (제조원: Finex)를 충전시켰다. 수지의 디비닐벤젠 함량은 8.0%이고, 수지의 평균 비드 크기는 0.43 mm였다.
분리 전에, 비나세 액을 물을 사용하여 약 45 중량%로 물로 희석시키고, Scepter 0.1 μm 막을 사용하여 미세여과하였다. NaOH를 사용하여 pH를 5.5 내지 6.0으로 조정한 후, 필터 보조제로서 규조토를 사용하여 비나세를 프리코트 여과하였다. 프리코트의 양은 1 kg/m2이었고, 보디 피드(body feed)의 양은 DS를 기준으로 하여 0.5%였고, 온도는 80℃였다. 공급물의 조성은 하기 제시된 바와 같았고, 여기서 백분율을 DS를 기준으로 한 것이다.
표 E8-1
Figure pct00015
하기 제시된 10 단계 SMB 순서에 의해 분획화를 수행하였다. 분리의 목적은, 베타인을 분리하고, 글리세롤을 SAC 분리층내로 다시 재순환시켜서 용리수 소비량을 감소시킬 뿐만 아니라 잔류물 분획에서 용리되는 글리세롤의 대부분을 수득하는 것이었다. 공급물과 용리액을 80℃의 온도에서 사용하였고, 이온 교환수를 용리액으로서 사용하였다.
단계 1: 7.0 l의 공급 용액을 65 l/h의 유량으로 제 1 컬럼내로 펌핑하고, 재순환 분획을 제 4 컬럼으로부터 수집하였다. 동시에, 4.0 l를 컬럼 5와 6으로 형성된 컬럼 루프에서 40 l/h의 유량으로 순환시켰다.
단계 2: 10.0 l의 공급 용액을 65 l/h의 유량으로 제 1 컬럼내로 펌핑하고, 재순환 분획을 제 6 컬럼으로부터 수집하였다. 동시에, 베타인과 글리세롤이 풍부한 분리 프로파일의 파트의 일부를 SAC 층으로부터 (컬럼 4로부터) WAC 층으로 (컬럼 5로) 이동시켰다.
단계 3: 9.0 l의 공급 용액을 65 l/h의 유량으로 제 1 컬럼내로 펌핑하고, 잔류물 분획을 제 3 컬럼으로부터 수집하였다. 동시에, 8.0 l의 물을 40 l/h의 유량으로 제 4 컬럼내로 펌핑하고, 베타인 분획을 최종 컬럼으로부터 수집하였다. 동시에, 베타인과 글리세롤이 풍부한 분리 프로파일의 파트의 일부를 SAC 층으로부터 (컬럼 4로부터) WAC 층으로 (컬럼 5로) 이동시켰다.
단계 4: 이러한 단계 동안 제 1 컬럼이 대기중에 있었다. 8.0 l의 공급 용액을 65 l/h의 유량으로 제 2 컬럼내로 펌핑하고, 잔류물 분획을 제 3 컬럼으로부터 수집하였다. 동시에, 4.0 l의 물을 65 l/h의 유량으로 제 4 컬럼내로 펌핑하고, 베타인 분획을 최종 컬럼으로부터 수집하였다. 동시에, 베타인과 글리세롤이 풍부한 분리 프로파일의 파트의 일부를 SAC 층으로부터 (컬럼 4로부터) WAC 층으로 (컬럼 5로) 이동시켰다.
단계 5: 4.0 l의 공급 용액을 40 l/h의 유량으로 제 1 컬럼내로 펌핑하고, 잔류물 분획을 동일한 컬럼으로부터 수집하였다. 동시에, 13.0 l의 물을 제 2 컬럼내로 펌핑하고, 베타인 분획을 최종 컬럼으로부터 수집하였다. 동시에, 베타인과 글리세롤이 풍부한 분리 프로파일의 파트의 일부를 SAC 층으로부터 (컬럼 4로부터) WAC 층으로 (컬럼 5로) 이동시켰다.
단계 6: 6.0 l의 물을 제 4 컬럼으로부터 제 1 컬럼내로의 순환 루프를 지닌 제 2 컬럼내로 65 l/h의 유량으로 펌핑하고, 잔류물 분획을 제 1 컬럼으로부터 수집하였다. 동시에, 5.0 l 순환을 55 l/h의 유량으로 컬럼 5와 6으로 형성된 컬럼 루프에서 개시하였다.
단계 7: 11.0 l를 컬럼 1, 2, 3 및 4로 형성된 컬럼 루프에서 65 l/h 유량으로 계속 순환시키고, 동시에 6.0 l를 컬럼 5와 6으로 형성된 컬럼 루프에서 35 l/h의 유량으로 계속 순환시켰다.
단계 8: 6.0 l의 물을 65 l/h의 유량으로 제 5 컬럼내로 펌핑하고, 글리세롤 순환 분획을 컬럼 6으로부터 컬럼 1로 순환시키고, 잔류물 분획을 제 4 컬럼으로부터 수집하였다.
단계 9: 20.0 l의 물을 65 l/h의 유량으로 제 5 컬럼으로 펌핑하고, 글리세롤 순환 분획을 컬럼 6으로부터 컬럼 1로 순환시키고, 잔류물 분획을 제 2 컬럼으로부터 수집하였다. 동시에, 20.0 l의 물을 제 3 컬럼내로 펌핑하고, 잔류물 분획을 65 l/h의 유량으로 제 4 컬럼으로부터 수집하였다.
단계 10: 10.0 l의 물을 65 l/h의 유량으로 제 5 컬럼내로 펌핑하고, 컬럼 6으로부터의 글리세롤 순환 분획을 컬럼 3으로 순환시키고, 컬럼 4로부터의 유출물을 컬럼 1내로 순환시키고, 잔류물 분획을 제 2 컬럼으로부터 수집하였다.
WAC 층의 부피는 분리 시스템의 전체 수지층 부피의 27%였다. 단계 2, 3, 4 및 5에서 컬럼 4로부터 컬럼 5로 (SAC 층으로부터 WAC 층으로) 이동하는 이동 분획 (베타인과 글리세롤이 풍부한 분리 프로파일의 파트)의 부피는 35 l (WAC 층의 부피의 37%)였다.
시스템이 평형을 이룬 후, 분획들을 시스템으로부터 빼내었는데, 잔류물 분획은 컬럼 1, 2, 3 및 4로부터 빼내었고, 재순환 분획은 제 4 컬럼으로부터 빼내었고, 그리고 베타인 생성물 분획은 최종 컬럼으로부터 빼내었다. 합쳐진 분획에 대한 HPLC 분석을 포함하는 결과는 하기 표에 제시되어 있다.
표 E8-2
Figure pct00016
이러한 분획들로부터 계산된 총괄 베타인 수율은 80.0%였다. WAC 수지층으로부터의 글리세롤 분획을 잔류물 분획에서 염과 함께 인출되도록 연속 공급물들 (단계 8와 9) 또는 프로파일들 (단계 10) 사이에 컬럼내로 도입시켰다. 본 실시예에서, 글리세롤 순환 분획을 컬럼 1과 3으로 다시 순환시켰다. 공급물의 글리세롤은 95%가 넘게 SAC 수지가 채워진 컬럼으로부터 인출되었다. 글리세롤의 약 60%는 잔류물 분획에서 인출되었고, 글리세롤의 35%는 재순환 분획에서 인출되었다. 후속 프로파일(들)의 잔류물 분획과 동시에 용리되도록 하기 위해 컬럼 1과 3으로부터의 잔류물 분획의 파트를 순환시킴으로써, 잔류물 분획의 건조 고형물 함량은 증가하였고, 잔류물 분획의 부피는 감소하였다. 잔류물 분획과 베타인 분획만이 시스템으로부터 빠져나왔고, W/F (물 대 공급물) 비는 3.2였다. 잔류물 분획과 베타인 분획을 60 중량%로 증발시킨 경우, 응축물 제거량은 베타인 kg 당 81.4 kg였다. 증발 요구량은, 글리세롤이 분리 시스템으로 다시 도입되지 않은 시험 작업과 비교하여 21% 감소하였다.
실시예 9
비트 몰라세의 SMB 크로마토그래피 분리 - 베타인 함유 파트
공정 장비는 연속적으로 연결된 3개의 컬럼, 공급물 펌프, 재순환 펌프, 용리수 펌프, 열교환기, 유출 액체에 대한 흐름 제어 수단 뿐만 아니라 다양한 공정 스트림에 대한 입구 및 생성물 밸브를 포함하였다. 장비는 용리수 대체물로서 사용되는 분획에 대해 용리액 대체 탱크, 용리액 대체 용액에 대한 공급 펌프, 라인, 흐름 제어 수단 및 밸브를 또한 포함하였다. 세 컬럼 모두의 높이는 5.0 m이고, 직경은 0.111 m이었다. 3 컬럼 시스템의 전체 수지층 부피는 3 x 48.4 l = 145.2 리터였다. 컬럼에 Na2+형의 강산성 겔 타입 양이온 교환 수지 (제조원: Finex)를 충전시켰다. 수지의 디비닐벤젠 함량은 5.5%이고, 수지의 평균 비드 크기는 0.33 mm였다.
분리 전에, 비트 몰라세를 이온 교환수를 사용하여 60 중량%로 희석시키고, DS를 기준으로 하여 1.5% 탄산나트륨을 첨가하였다. 그 후, NaOH를 사용하여 용액의 pH를 약 9.7로 조정하고, 60℃로 가열하고, 15시간의 혼합 동안 40℃로 냉각시켰다. 그 후, 필터 보조제로서 규조토를 사용하여 비트 몰라세를 프리코트 여과하였다. 프리코트의 양은 1 kg/m2이었고, 보디 피드의 양은 DS를 기준으로 하여 0.5%였고, 온도는 60℃였다. 최종 pH는 HCl을 사용하여 pH 8.6으로 조정하였다.
분리 시험을 위해, 비트 몰라세를 78 중량%로 증발시키고, 5 μm 백 필터(bag filter)을 통해 여과시켰다. 시험 동안, 별도의 탱크에서 78 중량% 비트 몰라세를 수집된 재순환 분획과 혼합시킴으로써 공급 건조 물질을 조정한 후, 이를 컬럼으로 공급하였다. 시험에서 공급물의 조성은 하기 제시된 바와 같았고, 여기서 백분율은 건조 물질 중량을 기준으로 한 것이다.
표 E9-1
Figure pct00017
순차식 모사 이동층(SMB) 시스템에 의해 분획화를 수행하였는데, 이는 형성된 분리 프로파일을 SMB 시스템의 수지 층을 통해 2회 순환시키고 하기 제시된 16 단계 SMB 순서를 이용함으로써 US 6,896,811에 기재된 특수한 공정 모드를 이용하여 이루어졌다. 분리의 목적은 그 안에 함유된 수크로스와 베타인을 분리하는 것이었다. 공급물과 용리액을 80℃의 온도에서 사용하였고, 이온 교환수를 용리액으로서 사용하였다.
단계 1: 2.8 l의 공급 용액을 50 l/h의 유량으로 제 1 컬럼내로 펌핑하고, 수크로스 재순환 분획을 최종 컬럼으로부터 수집하였다.
단계 2: 10.4 l의 공급 용액을 33 l/h의 유량으로 제 1 컬럼내로 펌핑하고, 동일한 컬럼으로부터 4.0 l의 베타인 함유 PART (B1+ R1)를 먼저 수집한 후 6.4 l의 잔류물 분획을 수집하였다. 동시에, 19.4 l의 용리액을 79 l/h의 유량으로 제 2 컬럼내로 펌핑하고, 최종 컬럼으로부터 8.7 l의 재순환 분획을 먼저 수집한 후 10.7 l의 수크로스 재순환 분획을 수집하였다.
단계 3: 6.0 l의 공급 용액을 55 l/h의 유량으로 제 1 컬럼내로 펌핑하고, 수크로스 분획을 최종 컬럼으로부터 수집하였다.
단계 4: 7.6 l를 모든 컬럼으로 형성된 컬럼 루프에서 60 l/h의 유량으로 순환시켰다.
단계 5: 4.5 l의 용리액을 60 l/h의 유량으로 제 3 컬럼으로 펌핑하고, 잔류물 분획을 제 2 컬럼으로부터 수집하였다.
단계 6: 14.8 l의 용리액을 70 l/h의 유량으로 제 3 컬럼내로 펌핑하고, 최종 컬럼으로부터 2.0 l의 베타인 함유 PART (B2)를 수집한 후 10.8 l의 베타인 분획을 수집하고, 최종적으로 2.0 l의 베타인 함유 PART (B3)를 수집하였다. PART 분획을 별도의 탱크내로 수집하고, 용리액 대체물로서 사용하였다.
단계 7: 17.3 l을 모든 컬럼으로 형성된 컬럼 루프에서 65 l/h의 유량으로 순환시켰다. 컬럼 3으로부터의 잔류물 분획의 파트를 묽은 농도의 PART (R 3)로서 용리수 대체물로 사용하기 위해 기준 시험 보다 4 리터 많게 계속 순환시켰다. PART (R 3) 성분 (염, 유기산 등)의 전방부의 이동은 30% BV의 보유 부피를 사용함으로써 계산하였다.
단계 8: 7.5 l의 용리수를 65 l/h의 유량으로 제 1 컬럼내로 펌핑하고, 잔류물 분획을 제 3 컬럼으로부터 수집하였다.
단계 9: 베타인과 잔류물 성분 (B1+R1, B2, B3, B4+ R3)을 함유하는 11.0 l의 PART를 60 l/h의 유량으로 용리수 대체물로서 제 1 컬럼내로 펌핑하고, 제 3 컬럼으로부터 잔류물 분획을 계속 수집하였다. PART내의 성분 이동의 계산은 앞서의 실시예에서 사용된 방식과 유사한 방식으로 수행하였다.
단계 10: 16.8 l을 모든 컬럼으로 형성된 컬럼 루프에서 70 l/h의 유량으로 순환시켰다.
단계 11: 4.1 l의 용리수를 65 l/h의 유량으로 제 2 컬럼내로 펌핑하고, 잔류물 분획을 제 1 컬럼으로부터 수집하였다.
단계 12: 13.3 l를 모든 컬럼으로 형성된 컬럼 루프에서 60 l/h의 유량으로 순환시켰다.
단계 13: 15.0 l의 용리수를 60 l/h의 유량으로 제 3 컬럼내로 펌핑하고, 자류물 분획을 제 2 컬럼으로부터 수집하였다.
단계 14: 13.2 l를 모든 컬럼으로 형성된 컬럼 루프에서 70 l/h의 유량으로 순환시켰다.
단계 15: 15.0 l의 용리수를 65 l/h의 유량으로 제 1 컬럼내로 펌핑하고, 제 3 컬럼으로부터 3.0 l의 베타인 함유 PART (B4+ R3)를 먼저 수집한 후 12.0 l의 잔류물 분획을 수집하였다. PART (B4+ R3) 분획을 별도의 탱크내로 수집하고, 단계 9에서 용리액 대체물로서 사용하였다.
단계 16: 10.7 l를 모든 컬럼으로 형성된 컬럼 루프에서 65 l/h의 유량으로 순환시켰다.
시스템이 평형을 이룬 후, 분획들을 시스템으로부터 빼내었는데, 2개의 잔류물 분획은 모든 컬럼으로부터 빼내었고, 용리액 대체물로서 사용되는 베타인 함유 PART 분획은 제 1 컬럼과 최종 컬럼으로부터 빼내었고, 재순환 분획은 최종 컬럼으로부터 빼내었고, 수크로스 생성물 분획은 최종 컬럼으로부터 빼내었고, 그리고 베타인 생성물 분획은 최종 컬럼으로부터 빼내었다.
합쳐진 잔류물, 재순환물, 수크로스, 베타인 및 PART 분획에 대한 HPLC 분석을 포함하는 결과는 하기 표에 제시되어 있다.
표 E9-2
Figure pct00018
이러한 분획들로부터 계산된 총괄 수율은 수크로스의 경우 96.9%이고, 베타인의 경우 88.4%였다. 분리에 대한 W/F 비 (vol/vol)는 4.2였다. 실험에서, 베타인을 베타인 함유 PART 분획 (4개의 상이한 PART로서)으로부터 재순환 분획으로 순환시키고 다시 공급 용액으로 순환시킴으로써, 베타인 분획의 건조 고형물 함량과 베타인 함량이 증가하였다. 실험에서, 잔류물 성분을 PART 분획으로부터 잔류물 분획으로 순환시킴으로써 잔류물 분획의 농도가 증가하였다. 단계 7와 10에서 분리 시스템 내부에서 잔류물 성분의 제 1 파트를 순환시킴으로써 잔류물 분획을 추가로 농축시켰다. 베타인과 잔류물을 함유하는 PART 분획을 취하여 재순환시키지 않는 기준 분리 공정에서, 베타인 분획내의 베타인 수율은 단지 73.1%였고, 베타인 함량은 DS를 기준으로 하여 79.5%였고, 합쳐진 잔류물 부피는 73.7 리터였고, 분리 W/F 비는 4.9였다.
PART를 순환시킴으로써, 용리수의 양은 PART를 사용하지 않는 기준 작업과 비교하여 18% 감소하였다.
산업적 규모에서, PART에 대한 별도의 중간 탱크는 동일한 공급 몰라세에 의해 작동하는 수 가지 SMB 시스템을 위해 사용될 수 있다. PART 분획에 존재하는 성분들이 요망되는 생성물 또는 잔류물 분획에서 인출될 수 있기만 하면 다양한 분리로부터 수집된 PART 분획을 사용하는 것이 또한 가능하다. 예를 들어, 다른 베타인 몰라세 분리로부터의 베타인 함유 잔류물 분획은 본 발명에서 PART 분획으로서 사용될 수 있다.
기술이 진보함에 따라, 본 발명의 개념이 다양한 방식으로 실현될 수 있다는 것은 당업자에게 자명할 것이다. 본 발명과 이의 구체예들은 상기 설명된 실시예에 제한되지 않으며, 특허청구범위내에서 달라질 수 있다.

Claims (32)

  1. 하나 이상의 부분적 충전층(packed bed)을 함유하는 하나 이상의 컬럼을 포함하는 크로마토그래피 분리 시스템에서 당(sugar), 당 알코올(sugar alcohol), 당 산(sugar acid) 및 베타인으로부터 선택된 하나 이상의 성분을 함유하는 용액을 분획화하는 방법으로서, 이러한 방법은,
    상기 용액을 상기 분리 시스템내로 공급하고,
    상기 분리 시스템내로 용리액을 도입하여 상기 용액의 성분들을 용리시킴으로써 분리 프로파일(separation profile)을 형성하고, 그리고
    당, 당 알코올, 당 산, 및 베타인으로부터 선택되는 생성물 성분이 풍부한 하나 이상의 생성물 분획, 하나 이상의 잔류물 분획, 및 임의로 하나 이상의 재순환 분획을 회수하는 것을 포함하며,
    생성물 성분 및 잔류물 성분으로부터 선택되는 하나 이상의 성분을 포함하는 상기 분리 프로파일의 하나 이상의 파트(part)를, 1회 이상의 파트 공급기(part feeding phase)에서 상기 분리 시스템의 하나 이상의 용리액 도입 위치로 도입시킴으로써 상기 용리액의 일부를 대체하고,
    공급기, 순환기(circulation phase) 및 용리기(elution phase) 중 하나 이상의 포함하는 단계들의 순서를 이용하여 성분들이 함유된 상기 파트를 상기 분리 시스템에서 앞쪽으로 이동시키고,
    동일한 분리 순서 또는 후속 분리 순서 동안 하나 이상의 잔류물 분획 및/또는 하나 이상의 재순환 분획 및/또는 하나 이상의 생성물 분획에서 상기 파트의 성분들을 인출(withdraw)해내고,
    상기 파트의 부피, 도입 위치 및 도입 단계는, 상기 파트의 성분들의 보유 부피, 상기 파트의 성분들이 통과하는 수지층의 부피 그리고 상기 동일한 분리 순서 또는 후속 분리 순서 동안 상기 파트의 성분들을 도입 위치로부터 성분들의 계산된 표적 인출 위치로 이동시키는 단계들의 부피를 기초로 하여 결정되지만 생성물 분획(들)의 순도 및 생성물 성분들의 수율은 본질적으로 유지되거나 개선됨을 특징으로 하는,
    하나 이상의 부분적 충전층을 함유하는 하나 이상의 컬럼을 포함하는 크로마토그래피 분리 시스템에서 당, 당 알코올, 당 산 및 베타인으로부터 선택된 하나 이상의 성분을 함유하는 용액을 분획화하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 파트의 성분들이 후속 1회 내지 4회의 분리 순서 동안 본질적으로 인출되는, 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 크로마토그래피 분리 시스템이 뱃치(batch) 시스템인, 방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 크로마토그래피 분리 시스템이 순차식 모사 이동층(simulated moving bed, SMB) 시스템인, 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 순차식 SMB 크로마토그래피 시스템이 이러한 시스템내에 하나 이상의 루프(loop)를 함유하는, 방법.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 순차식 SMB 크로마토그래피 시스템이 루프내에 하나 이상의 분리 프로파일을 함유하는, 방법.
  7. 제 4항에 있어서, 상기 분리 프로파일이 1회 사이클 동안 상기 시스템의 수지층을 통해 1회 이상 또는 1회 이하로 순환되는, 방법.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 당이 자일로스, 프룩토스, 글루코스, 만노스, 아라비노스, 갈락토스, 람노스, 푸코스, 수크로스, 말토스, 레보글루코산, 리보스, 이소말툴로스(isomaltulose), 타가토스, 트레할로스, 트레할룰로스, 및 사이코스(psicose)로부터 선택되는, 방법.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 당이 자일로스, 프룩토스, 및 말토스로부터 선택되는, 방법.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 당 알코올이 자일리톨, 만니톨, 소르비톨, 이노시톨, 말티톨, 이소말트, 및 에리트리톨로부터 선택되는, 방법.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 당 산이 하이드록시산, 카르복실산, 예를 들어 알돈산, 예를 들어 자일론산, 글루콘산, 및 이타콘산, 그리고 우론산, 예를 들어 글루쿠론산 및 갈락투론산으로부터 선택되는, 방법.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 파트의 상기 잔류물 성분이 리그노설포네이트, 올리고사카라이드, 염, 유기산, 및 무기산 및 이의 염, 착색 화합물, 아미노산, 및 글리세롤 뿐만 아니라 생성물 당, 당 알코올 및 당 산이 아닌 당, 당 알코올 및 당 산으로부터 선택되는, 방법.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 파트가 0.2 내지 50%, 바람직하게는 1 내지 30%의 건조 고형물 함량을 지니는, 방법.
  14. 제 1항에 있어서, 상기 파트의 자일로스 함량이 DS를 기준으로 하여 0 내지 75%, 바람직하게는 0 내지 15%인, 방법.
  15. 제 1항에 있어서, 상기 하나 이상의 파트가 당 서브프로파일(subprofile), 당 알코올 서브프로파일, 당 산 서브프로파일, 및 베타인 서브프로파일로부터 선택되는 생성물 성분 서브프로파일의 전방 기울기(front slope) 파트 또는 후방 기울기(rear slope) 파트인, 방법.
  16. 제 1항에 있어서, 상기 하나 이상의 파트가 제 1의 생성물 성분 서브프로파일의 전방 기울기 부분 및/또는 후방 기울기 부분이고,
    이러한 파트가 상기 분리 시스템에 다시 도입되어 용리수(eluent water)의 일부를 대체하고,
    그 다음 순서 동안 상기 전방 기울기 및/또는 후방 기울기 부분의 상기 제 1의 생성물 성분은, 공급물로 재순환되어 제 1 생성물 성분 분획에서 회수되는, 제 2 생성물 성분의 재순환 분획에서 인출되는, 방법.
  17. 제 1항에 있어서, 상기 하나 이상의 파트가 잔류물 서브프로파일의 전방 기울기 부분 또는 후방 기울기 부분인, 방법.
  18. 제 17항에 있어서, 잔류물 서브프로파일의 상기 전방 기울기 부분 또는 후방 기울기 부분이 상기 분리 시스템으로 다시 도입되어 용리수의 일부를 대체하고, 상기 전방 기울기 부분 또는 후방 기울기 부분의 잔류물 성분이 동일한 순서 동안 또는 후속 1회 내지 4회의 분리 순서 동안 하나 이상의 잔류물 분획에서 인출되는, 방법.
  19. 제 1항에 있어서, 상기 파트의 부피가 1회의 분리 순서 동안 분리 프로파일을 앞쪽으로 이동시키는 모든 단계들의 부피의 1 내지 50%인, 방법.
  20. 제 1항에 있어서, 상기 파트의 부피가, 바람직하게는 상기 파트의 성분들이 인출되는 재순환 분획 또는 잔류물 분획의 부피 보다 적은, 방법.
  21. 제 1항에 있어서, 상기 파트가 온전한 분리 프로파일로서 상기 분리 시스템내로 도입되는, 방법.
  22. 제 1항에 있어서, 상기 파트가 별도의 탱크내로 수집되어, 상기 탱크로부터 상기 분리 시스템내로 도입되는, 방법.
  23. 제 1항에 있어서, 상기 파트가 제 1의 생성물 성분 서브프로파일의 전방 기울기 부분과 후방 기울기 부분 그리고 잔류물 서브프로파일의 전방 기울기 부분과 후방 기울기 부분으로부터 선택되고,
    상기 파트가 상기 분리 시스템내로 다시 도입되어 용리수의 일부를 대체하고,
    상기 파트의 제 1 생성물 성분 및/또는 상기 파트의 잔류물 성분은 그 다음 순서 동안 제 2 생성물 성분의 재순환 분획에서 인출되며, 이러한 재순환 분획을 공급물로 재순환시킨 후,
    상기 제 1 생성물 성분 분획에서 상기 파트의 제 1 생성물 성분을 회수하고/거나 후속 분리 순서 동안 상기 잔류물 분획에서 상기 파트의 잔류물 성분을 회수하는, 방법.
  24. 제 23항에 있어서, 상기 제 2 생성물 성분의 상기 재순환 분획이 상기 제 2 생성물 성분의 서브프로파일의 전방 기울기 부분과 후방 기울기 부분으로부터 선택되는, 방법.
  25. 제 1항에 있어서, 당, 당 알코올, 당 산 및 베타인으로부터 선택되는 하나 이상의 성분을 함유하는 상기 용액이 식물계(plant-based) 추출물, 가수분해물 또는 이의 유도체인, 방법.
  26. 제 1항에 있어서, 상기 용액이 설파이트 폐액(sulfite spent liquor), 전분 가수분해물, 및 사탕무 유래 용액(sugar beet derived solution), 예를 들어 몰라세(molasse), 스틸리지(stillage), 및 이의 발효 생성물, 예를 들어 비나세(vinasse)로부터 선택되는, 방법.
  27. 제 1항에 있어서, 상기 파트가 용리수의 5 내지 70%를 대체하기 위해 사용되는, 방법.
  28. 제 1항에 있어서, 상기 방법이 생성물 성분 분획을 제공하며, 이러한 생성물 성분의 함량은 DS를 기준으로 하여 35 내지 99%인, 방법.
  29. 제 1항에 있어서, 상기 방법이 자일로스 생성물 분획을 제공하며, 자일로스 함량은 DS를 기준으로 하여 35 내지 80%, 바람직하게는 40 내지 75%인, 방법.
  30. 제 1항에 있어서, 상기 방법이 상기 공급 용액에 존재하는 생성물 성분의 함량을 기준으로 하여 60 내지 98%의 생성물 성분 수율을 제공하는, 방법.
  31. 제 1항에 있어서, 상기 방법이 상기 공급 용액에 존재하는 자일로스의 함량을 기준으로 하여 85% 이상, 바람직하게는 90% 이상, 더욱 바람직하게는 95% 이상의 자일로스 수율을 제공하는, 방법.
  32. 제 1항에 있어서, 분리 프로파일의 상기 하나 이상의 파트가 동일한 분리 시스템내의 하나 이상의 용리액 도입 위치내로 도입되거나 다른 유사한 병렬식 분리 시스템 또는 다양한 분리 시스템의 하나 이상의 용리액 도입 위치내로 도입되는, 방법.
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