NO163139B

NO163139B - PROCEDURE FOR THE PREPARATION OF N-3 MULTI-FATED ACIDS AND THEIR DERIVATIVES, SPECIFICALLY LOWER ALKYL ESTERS FROM EARLY UPCONCENTED FOOD.

Info

Publication number: NO163139B
Application number: NO880271A
Authority: NO
Inventors: Harald Breivik; Michel Perrut
Original assignee: Norsk Hydro As
Priority date: 1988-01-22
Filing date: 1988-01-22
Publication date: 1990-01-02
Also published as: NO880271L; NO880271D0; NO163139C

Abstract

Oppfinnelsen vedrører bruk av superkritisk fluid kromatografi for preparativ fremstilling av n-3 flerumettede fettsyrer eller fettsyrederivat, som 20:5 eicosapentaensyre (EPA) og 22:3 docosahexaensyre (DHA).Fremgangsmåten utføres ved hjelp av i og for seg kjent apparatur, omfattende en kromatografisk kolonne og en tilhørende separator. Føde injiseres ved innløpet av kolonnen, og oppsamling og deteksjon av fraksjonen av føden foregår ved utløpet. De nevnte fraksjoner dirigeres til en separator for fraskilling av elueringsmiddel i en ende og separering av de anrikede komponenter ved separatorens motsatte ende, med resirkulering av renset elueringsmiddel til innløpet av kolonnen. Kolonnen er pakket med partikler hvis adsorbsjonsevne og retensjonsevne avhenger av antall karbonatomer og antall dobbeltbindinger i fettsyrekjeden. Herved oppnås en preparativ fremgangsmåte som er driftssikker og stabil under drift, og som gir et uventet høyt utbytte.The invention relates to the use of supercritical fluid chromatography for the preparative preparation of n-3 polyunsaturated fatty acids or fatty acid derivatives, such as 20: 5 eicosapentaenoic acid (EPA) and 22: 3 docosahexaenoic acid (DHA). chromatographic column and an associated separator. Food is injected at the inlet of the column, and collection and detection of the fraction of the food takes place at the outlet. Said fractions are directed to a separator for separating eluent at one end and separating the enriched components at the opposite end of the separator, with recycling of purified eluent to the inlet of the column. The column is packed with particles whose adsorption capacity and retention capacity depend on the number of carbon atoms and the number of double bonds in the fatty acid chain. This results in a preparative process which is reliable and stable during operation, and which gives an unexpectedly high yield.

Description

Den foreliggede oppfinnelse omhandler fremgangsmåte for fremstilling av konsentrerte flerumettede n-3 fettsyrer og deres derivater fra marine oljer, spesielt lavere alkylestere med høy renhet under anvendelse av superkritisk fluid ekstraksjon på en tidligere oppkonsentrert føde, som inneholder minst 55% av slike essensielle fettsyrer. The present invention relates to a method for the production of concentrated polyunsaturated n-3 fatty acids and their derivatives from marine oils, especially lower alkyl esters with high purity using supercritical fluid extraction on a previously concentrated food, which contains at least 55% of such essential fatty acids.

Flerumettede fettsyrer og fettsyrederivater er meget viktige for medisinske formål og som helseprodukter, f.eks. som anti-trombotiske midler. Den komplekse kjemien til disse produktene gjør det svært vanskelig å separere de individu-elle komponentene slik at man oppnår produkter med tilstrek-kelig høy renhet og konsentrasjon, særlig å oppnå slike konsentrater av den viktige all cis - 5, 8, 11, 14, 17 - eicosapentaensyre (EPA) og all cis - 4, 7, 10, 13, 16, 19 - docosahexaensyre (DHA) eller deres derivater slik som deres metyl- eller etylestere. Polyunsaturated fatty acids and fatty acid derivatives are very important for medical purposes and as health products, e.g. as anti-thrombotic agents. The complex chemistry of these products makes it very difficult to separate the individual components so that products with sufficiently high purity and concentration are obtained, especially to obtain such concentrates of the important all cis - 5, 8, 11, 14, 17 - eicosapentaenoic acid (EPA) and all cis - 4, 7, 10, 13, 16, 19 - docosahexaenoic acid (DHA) or their derivatives such as their methyl or ethyl esters.

En kjent metode for en første trinns oppkonsentrering av disse n-3 flerumettede syrene er kompleksdannelse av uønskede syrer med urea, som beskrevet i vår tidligere patentsøknad 855147 fra 19. 12. 1985 nå norsk patent nr. 157302. Slik ureafraksjonering kan ifølge vårt tidligere patent bli fulgt av superkritisk ekstraksjon eller preparativ væskekromatografi. Den sistnevnte teknikk resulterte i konsentrater av EPA og DHA som oversteg renhet på henholdsvis 95% og 85% Imidlertid var produktiviteten svært lav. Superkritisk fluid ekstraksjon ved å benytte superkritisk fluid C02 ga høyere produktivitet, men mindre konsentrerte fraksjoner. Metoden for separasjon og rensing av fettsyrebland-inger av EPA og DHA syrer eller estere ved hjelp av "high-performance liquid chromotography" (HPLC) er også kjent fra japansk patent Japanese Kokai J 58. 08339. En tilsvarende metode er også beskrevet av Kelly et al. i Rev. Fr. des Corps Gras, 34 (2), 69, 1987, hvor det ble produsert DHA konsentrater i renhet 83,1% ved hjelp av kombinerte ureafraksjonering og stor skala HPLC. A known method for a first-stage concentration of these n-3 polyunsaturated acids is complexation of unwanted acids with urea, as described in our previous patent application 855147 from 19 December 1985, now Norwegian patent no. 157302. According to our previous patent, such urea fractionation can be followed by supercritical extraction or preparative liquid chromatography. The latter technique resulted in concentrates of EPA and DHA exceeding purity of 95% and 85%, respectively. However, productivity was very low. Supercritical fluid extraction using supercritical fluid C02 gave higher productivity, but less concentrated fractions. The method for the separation and purification of fatty acid mixtures of EPA and DHA acids or esters by means of "high-performance liquid chromatography" (HPLC) is also known from Japanese patent Japanese Kokai J 58.08339. A similar method is also described by Kelly et al. in Rev. Fr. des Corps Gras, 34 (2), 69, 1987, where DHA concentrates were produced in a purity of 83.1% by means of combined urea fractionation and large-scale HPLC.

Ulempen ved slike metoder, ved siden av lav produktivitet, The disadvantage of such methods, next to low productivity,

er kostbar regenerering av løsningsmidler, eksplosjons- is expensive regeneration of solvents, explosive

og brannfare. Ulemper er også oppkonsentrerting av tunge forurensninger i elueringsvæsken og vansker med å oppnå et sluttprodukt som er fullstendig fritt fra elueringsvæske. Dette betyr at for ustabile produkter må man benytte meget kostbare opparbeidelsesmetoder slik som molekylardestillasjon som siste prosesstrinn. and fire hazard. Disadvantages are also the concentration of heavy contaminants in the elution liquid and difficulties in obtaining an end product that is completely free of elution liquid. This means that for unstable products, very expensive processing methods such as molecular distillation must be used as the last process step.

Det andre alternativ er å bruke superkritisk ekstraksjon The other option is to use supercritical extraction

som beskrevet ovenfor i vårt tidligere patent, og også beksrevet i US patent 4.675132 Stout & Spinelli. Ekstraksjon med superkritiske fluider som C02 resulterer i seleksjon hovedsakelig bare på grunnlag av kjedelengde. as described above in our previous patent, and also described in US patent 4.675132 Stout & Spinelli. Extraction with supercritical fluids such as CO 2 results in selection mainly on the basis of chain length only.

Bruk av superkritisk ekstraksjon er også beksrevet av Eisenbach, i Ber. Bunsengers, Phys. Chem. 88, 1984 side The use of supercritical extraction is also discussed by Eisenbach, in Ber. Bunsengers, Phys. Chem. 88, 1984 p

882 for separasjon av EPA - i form av dets etylestere fra en blanding av fettsyre etylestere fra torskeolje. 882 for the separation of EPA - in the form of its ethyl esters from a mixture of fatty acid ethyl esters from cod oil.

Det ville ha vært mer fordelaktig å benytte en ekstraksjons-metode hvor separasjon basert på kjedelengde kunne kombineres med separasjon i henhold til grad av umettethet dvs. antall dobbeltbindinger i molekylene. Dette vil resultere i mer effektiv separasjon som bygger på molekylstørrelse så vel som på grad av umettethet. It would have been more advantageous to use an extraction method where separation based on chain length could be combined with separation according to the degree of unsaturation, i.e. the number of double bonds in the molecules. This will result in more efficient separation based on molecular size as well as degree of unsaturation.

En prosess for ekstraksjon og fraksjonering basert på kromatografi med en superkritisk fluid, hvor elueringsmiddelet i den superkritiske tilstand sirkulerer kontinuerlig gjennom en kromatografisk kolonne, kunne være en passende metode. En slik prosess er beskrevet i fransk patentsøknad nr. 2.527934. Blandingen som skal fraksjoneres injiseres periodisk ved inngangen til kolonnen. Komponenter fra føden samles ved enden av kolonnen og dirigeres selektivt mot en separator eller et separatorbatteri, hvor elueringsmiddelet frasepareres ved oppvarming og/eller ekspansjon. Oppsamlet elueringsmiddel renses og bringes tilbake til superkritisk tilstand og resirkuleres i kolonnen. A process for extraction and fractionation based on chromatography with a supercritical fluid, where the eluent in the supercritical state circulates continuously through a chromatographic column, could be a suitable method. Such a process is described in French patent application No. 2.527934. The mixture to be fractionated is periodically injected at the entrance to the column. Components from the feed are collected at the end of the column and directed selectively towards a separator or a separator battery, where the eluent is separated by heating and/or expansion. Collected eluent is purified and returned to the supercritical state and recycled in the column.

I henhold til det foreliggende patent har vi funnet at n-3 flerumettede syrer slik EPA og DHA og deres derivater med fordel kan fremstilles ved slik preparativ kromatografi, hvor hovedkomponenten av elueringsmiddelet er fluid i superkritisk tilstand, og hvor kolonnen er fremstilt ved hjelp av et pakkemateriale hvis adsorpsjonsegenskaper også er avhengig av antall dobbeltbindinger i produktet som skal fraksjoneres. According to the present patent, we have found that n-3 polyunsaturated acids such as EPA and DHA and their derivatives can be advantageously prepared by such preparative chromatography, where the main component of the eluent is fluid in a supercritical state, and where the column is prepared using a packaging material whose adsorption properties also depend on the number of double bonds in the product to be fractionated.

I henhold til oppfinnelsen har vi vist at en slik.metode According to the invention, we have shown that such a method

er velegnet for produksjon av EPA så vel som DHA, og deri-vatene til disse syrene slik som etylestere. is suitable for the production of EPA as well as DHA, and the derivatives of these acids such as ethyl esters.

Hovedtrekkene til metoden i henhold til den foreliggende oppfinnelse er beskrevet i vedlagte krav. The main features of the method according to the present invention are described in the attached claims.

Videre vil karakteristikkene og fordelene ved den foreliggende oppfinnelse fremstå mer detaljert ved den følgende beskrivelse supplert med eksempler. Furthermore, the characteristics and advantages of the present invention will appear in more detail from the following description supplemented by examples.

Det foretrukne elueringsmiddelet for denne prosessen er karbondioksyd, pga. den lette håndterbarhet siden den ikke er giftig og ikke brennbar. C02 har dessuten lave produk-sjonskostnader, gode fysikalsk-kjemiske egenskaper og kritisk temperatur nær romtemperatur. The preferred eluent for this process is carbon dioxide, because the easy handling since it is non-toxic and non-flammable. C02 also has low production costs, good physical-chemical properties and a critical temperature close to room temperature.

Den apparatur som ble satt opp var tilnærmet som beskrevet The equipment that was set up was approximately as described

i den ovennevnte franske patentsøknad nr. 2.527934, som korresponderer til US patent nr. 4.478720, fig. 1. in the above-mentioned French Patent Application No. 2,527934, which corresponds to US Patent No. 4,478720, fig. 1.

Den kromatografiske kolonnen ble pakket med et porøst materiale av tilsvarende type og med fysikalske former slik som benyttet i HPLC, men med nøye utvalgte materialer slik at retensjonen avhenger av forskjell i umettethetsgrad og forskjell i molekylstørrelse eller kjedelengde. De materialer som ble valgt var omvendt fase C 18, (Merck Alltech-RP18) (40-65 ;u) og silica (Merck Si60). Imidlertid gis disse pakkematerialene bare som eksempler. Enhver stasjonær fase kan bli valgt forutsatt at dens adsorpsjons-og retensjonsevne avhenger både av molekylstørrelse og antall dobbeltbindinger i fettsyrekjeden. Arbeidstemperaturen var nær romtemperatur slik at ustabile molekyler ikke ble ødelagt. Separasjon av eluent og produkt ble oppnådd ved rask reduksjon av eluentens tetthet hvorved man oppnådde en enkel resirkulering av eluenten. The chromatographic column was packed with a porous material of a similar type and with physical forms as used in HPLC, but with carefully selected materials so that the retention depends on the difference in degree of unsaturation and difference in molecular size or chain length. The materials chosen were reverse phase C 18, (Merck Alltech-RP18) (40-65 ;u) and silica (Merck Si60). However, these packaging materials are provided as examples only. Any stationary phase can be chosen provided that its adsorption and retention capacity depends both on molecular size and the number of double bonds in the fatty acid chain. The working temperature was close to room temperature so that unstable molecules were not destroyed. Separation of eluent and product was achieved by rapid reduction of the eluent's density, whereby a simple recycling of the eluent was achieved.

Før injeksjon på den kromatografiske kolonnen vil det være av verdi å benytte en forkolonne med lite volum og fylt med et tilsvarende pakkemateriale som den kromatografiske kolonnen. Dette vil medføre at man fanger opp tunge eller polare komponenter. Dette vil gi lengre levetid for den kromatografiske kolonnen og øke produktiviteten samtidig som man reduserer forbruk av kostbart kolonnemateriell. Before injection onto the chromatographic column, it will be of value to use a pre-column with a small volume and filled with a similar packing material as the chromatographic column. This will result in the capture of heavy or polar components. This will give a longer life for the chromatographic column and increase productivity while reducing the consumption of expensive column material.

Prosessen og apparaturen er beskrevet i fig. la og lb, The process and the apparatus are described in fig. la and lb,

hvor la viser et flytskjema av prosessen og apparaturen og fig. lb er et Mollier diagram som viser et eksempel på en syklus for elueringsmiddelet. where la shows a flowchart of the process and the apparatus and fig. lb is a Mollier diagram showing an example of a cycle for the eluent.

Injeksjon av n-3 fettsyreblandingen i den superkritiske eluenten skjer periodisk, separasjon finner sted langs kolonnen COL. Ved utløpet av kolonnen gir en detektor et signal som tillater produktene å bli sendt periodisk til fellene A, B, C hvor de separeres fra elueringsmiddelet ved isoterm avspenning ved c. Elueringsmiddelet, nå i gassform ved B, blir overført til væskeform ved d, komprimert ved e, oppvarmet og sendt tilbake til kolonneinngangen ved a. Før. den preparative superkritiske fluid kromatografi prosessen (PSFCP) finner sted kan man benytte andre former for innledende prosessering slik som bruk av urea komplekse-ring som fjerner mettede syrer etc, væske kromatografi (HPLC) og bruk av superkritisk ekstraksjon (SCE). Injection of the n-3 fatty acid mixture into the supercritical eluent occurs periodically, separation takes place along the COL column. At the exit of the column, a detector gives a signal which allows the products to be sent periodically to the traps A, B, C where they are separated from the eluent by isothermal relaxation at c. The eluent, now in gaseous form at B, is transferred to liquid form at d, compressed at e, heated and sent back to the column entrance at a. Before. the preparative supercritical fluid chromatography process (PSFCP) takes place, other forms of initial processing can be used such as the use of urea complexation which removes saturated acids etc, liquid chromatography (HPLC) and the use of supercritical extraction (SCE).

Særlig synes bruken av SCE gunstig for å øke EPA og DHA konsentrasjonene og derved gi et mellomprodukt som er meget gunstig for bruk i en prosess i henhold til foreliggende oppfinnelse. In particular, the use of SCE seems beneficial for increasing the EPA and DHA concentrations and thereby providing an intermediate product which is very favorable for use in a process according to the present invention.

Eksempel 1. Example 1.

Som et mellomprodukt og utgangsstoff ble det benyttet en blanding i form av et mellomprodukt fremkommet ved ureafraksjonering av metylestere av fiskeoljer. Fremgangsmåten er nærmere omtalt i vårt norske patent nr. 157302. De relative forhold mellom n-3 flerumettede forbindelser vil her kunne variere avhengig av råstoff. Følgende betingelser forelå: As an intermediate product and starting material, a mixture in the form of an intermediate product obtained by urea fractionation of methyl esters of fish oils was used. The procedure is described in more detail in our Norwegian patent no. 157302. The relative ratios between n-3 polyunsaturated compounds will here vary depending on the raw material. The following conditions were present:

Føden ble injisert ved en hastighet på 19,7 g/t. Ved fraksjonering ble det produsert DHA med renhet på 77.7% (3,8 The feed was injected at a rate of 19.7 g/h. During fractionation, DHA was produced with a purity of 77.7% (3.8

g/t) og EPA med renhet på 55,5% (7,7 g/t), begge som metylestere. g/t) and EPA with a purity of 55.5% (7.7 g/t), both as methyl esters.

Eksempel 2. Example 2.

Det ble benyttet samme kolonne, elueringsmiddel og temperatur som i eksempel 1. Inngangstrykket ble senket til 150 The same column, eluent and temperature were used as in example 1. The inlet pressure was lowered to 150

bar og den føden som ble benyttet inneholdt 81% DHA (som metyl ester) som var forkonsentrert ved hjelp av superkritisk bar and the feed used contained 81% DHA (as methyl ester) which was pre-concentrated using supercritical

fluid ekstraksjon. fluid extraction.

Injeksjonshastigheten (fødehastigheten) var 23,5 g/t. Det isolerte produkt inneholdt 90% DHA og produksjonshastigheten økte til 13,1 g/t. The injection rate (feed rate) was 23.5 g/h. The isolated product contained 90% DHA and the production rate increased to 13.1 g/h.

Eksempel 3. Example 3.

Det pakkemateriale som ble benyttet var silica (Merck Si60) med mindre partikkelstørrelse: 15-25 yum. Elueringsmiddel og kolonnestørrelse var som i eksempel 2. Inngangstrykket var redusert til 140 bar og temperaturen senket til 25°C. Føden inneholdt 45% EPA. Det ble isolert kutt på 11 ml/dag tilsvarende 25% av føden, og analyser viste at dette inneholdt 91% EPA. The packing material used was silica (Merck Si60) with a smaller particle size: 15-25 um. Eluent and column size were as in example 2. The inlet pressure was reduced to 140 bar and the temperature lowered to 25°C. The food contained 45% EPA. There was an isolated cut of 11 ml/day corresponding to 25% of the food, and analyzes showed that this contained 91% EPA.

Eksempel 4. Example 4.

Pakkemateriale, elueringsmiddel og kolonnestørrelse som i eksempel 3. Inngangstrykket var 140 bar og temperaturen 35°C. Føden inneholdt 45% EPA som metyl ester. Packing material, eluent and column size as in example 3. The inlet pressure was 140 bar and the temperature 35°C. The food contained 45% EPA as methyl ester.

Det ble isolert et kutt på 20 g/dag som tilsvarte 25% av føden. Analyser viste at dette produktet inneholdt 91% EPA. A cut of 20 g/day was isolated, which corresponded to 25% of the food. Analyzes showed that this product contained 91% EPA.

Eksempel 5. Example 5.

Kolonne, pakkemateriale og føde var som i eksempel 3. Temperaturen var øket til 40'C og inngangstrykket redusert til 120 bar. Elueringsmiddelet var C02 hvortil det var tilsatt inntil 10% (vekt) etanol. Column, packing material and feed were as in example 3. The temperature was increased to 40°C and the inlet pressure reduced to 120 bar. The eluent was CO2 to which up to 10% (weight) ethanol was added.

Det ble fortsatt produsert et kutt tilsvarende 25% av føden, men mengden av dette produktet var nå øket til mer enn det firedoble, dvs. 90 g/dag, og konsentrasjonen ble bestemt til 89% EPA, en forskjell som ikke er signifikant sammen-lignet med eksempel 3 og 4. A cut corresponding to 25% of the feed was still produced, but the amount of this product had now been increased to more than fourfold, i.e. 90 g/day, and the concentration was determined to be 89% EPA, a difference which is not significant together similar to examples 3 and 4.

Eksemplene ovenfor er ikke uttømmende med hensyn til hvilke konsentrattyper som kan produseres. For den som er kjent med teknikken vil det være innlysende at sammensetningen av konsentratene kan varieres slik at man også oppnår konsentrater med en viss kombinasjon av to eller flere n-3 fettsyrer eller deres derivater. The examples above are not exhaustive with regard to the types of concentrate that can be produced. For those familiar with the technique, it will be obvious that the composition of the concentrates can be varied so that concentrates are also obtained with a certain combination of two or more n-3 fatty acids or their derivatives.

For eksempel kan produktiviteten økes ved å benytte et pakkemateriale med uniform (monodisperse) partikkelstørrelse. For example, productivity can be increased by using a packaging material with a uniform (monodisperse) particle size.

Elueringsmiddelet er fortrinnsvis C02 og aktiviteten kan økes og retensjonstiden reduseres ved tilsetting av små mengder av alkohol slik som etanol eller metanol. The eluent is preferably CO2 and the activity can be increased and the retention time reduced by adding small amounts of alcohol such as ethanol or methanol.

Når man benytter superkritisk fluid C02' må temperatur og trykk være over det kritiske punkt (304,2 K og 73,9 bar). Imidlertid (som vist i eksempel 3), kan verdifulle resultater også oppnås ved lavere temperaturer. Når man benytter andre elueringsmidler, f.eks.lavere hydrokarboner, må temperatur og trykk varieres i henhold til det kritiske punkt for disse elueringsmidlene. When using supercritical fluid C02', temperature and pressure must be above the critical point (304.2 K and 73.9 bar). However (as shown in Example 3), valuable results can also be obtained at lower temperatures. When using other eluents, eg lower hydrocarbons, temperature and pressure must be varied according to the critical point for these eluents.

Claims

1. Process for the production of n-3 polyunsaturated fatty acids or fatty acid derivatives, in particular lower alkyl esters of n-3 polyunsaturated fatty acids, such as 20:5 eicosapentaenoic acid (EPA) and/or 22:6 docosahexaenoic acid (DHA) with high purity, using supercritical fluid extraction on a previously concentrated feed, which contains at least 55% n-3 polyunsaturated compounds characterized by the fact that the n-3 fatty acid products are isolated by means of preparative supercritical fluid chromatography, and includes injection of the feed or mixture to be fractionated at the inlet to the column, collecting and detecting fractions of the said feed at the outlet of the column, and directing the said fractions to a separator where the eluent is separated, the said components are collected from one end of the separator, and the said eluent is separated at the other end of the separator, and the purifying eluent is recycled to the inlet of the chromatographic column, and where the aforementioned k olonne is packed with material such as porous silica-gel particles or particles with a bound organic phase, whose absorption and retention capacity depends on the number of carbon atoms and the number of double bonds in the fatty acid chain.

2. Process for the production of n-3 polyunsaturated fatty acids or fatty acid derivatives according to claim 1, characterized in that the stationary phase in the chromatography column consists of particles with a particle size of less than nn 100 pm, preferably 10 μm or less.

3. Process for the production of n-3 fatty acids or fatty acid derivatives according to claim 1, characterized in that the feed is passed through a chromatographic column packed with bound phase silica at an inlet pressure of 70-250 bar and a temperature of 25-80°C.

4. Method according to claim 2, characterized in that the feed is passed through a chromatographic column packed with silica as stationary phase with C02 as eluent, at a temperature of 25-80 °C and an inlet pressure of 70-250 bar.

5. Method according to any one of claims 1-4, characterized in that, before injection onto the chromatographic column, a pre-column with a small volume is used with a corresponding stationary phase as the chromatographic column.