專利名稱：膜式過(guò)濾的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種從發(fā)酵液中分離所需水溶性產(chǎn)物的方法。
目前，用于制備化學(xué)物質(zhì)的發(fā)酵法在化學(xué)領(lǐng)域起著日益重要的作用。由于這種方法是高選擇性的、在環(huán)境方面有吸引力的并且導(dǎo)致高產(chǎn)物產(chǎn)率，所以甚至是工業(yè)制備也以這種方式進(jìn)行。
發(fā)酵完成后，需要從發(fā)酵液中分離所需產(chǎn)物。這在常規(guī)上是這樣進(jìn)行的首先在濾餅過(guò)濾步驟中使水相和細(xì)胞物質(zhì)分離，接著從濾液中萃取或吸附產(chǎn)物。但這種濾餅過(guò)濾步驟常伴有所需產(chǎn)物的巨大損失。這主要是由于濾餅不能被充分洗出并且在濾布中殘留很大量的產(chǎn)物。實(shí)際上，人們觀察到過(guò)濾過(guò)程的效率和生產(chǎn)能力主要取決于發(fā)酵液的性質(zhì)。此外，過(guò)濾發(fā)酵液中存在的“溶解的”蛋白質(zhì)和細(xì)胞碎片通過(guò)濾餅過(guò)濾只能從發(fā)酵液的水相不充分地脫除。這造成的后果是，隨后的下游各個(gè)過(guò)程受到蛋白質(zhì)污染的影響，而且它們的生產(chǎn)能力被降低。
為了克服發(fā)酵液處理過(guò)程中的上述問(wèn)題，已經(jīng)提出利用其它過(guò)濾方法，例如膜式過(guò)濾。用于這些目的膜通常是聚合物膜，例如聚砜膜。
膜式過(guò)濾的優(yōu)點(diǎn)是，通過(guò)設(shè)計(jì)使產(chǎn)物損失更小而且獲得更純的濾液(濾過(guò)物)。與常規(guī)濾餅過(guò)濾技術(shù)中獲得的濾液相比，該濾過(guò)物含有少得多的蛋白質(zhì)和/或細(xì)胞物質(zhì)的殘余物。結(jié)果使萃取步驟能更方便地進(jìn)行，并且該方法的總效率得以提高。
在東德專利申請(qǐng)DD-A-277 088中，描述了一種從微生物發(fā)酵液中分離芐青霉素的方法。該方法包括一個(gè)去除生物量的常規(guī)濾餅過(guò)濾步驟和一個(gè)后繼的超濾步驟，其中第一過(guò)濾的濾液中存在的蛋白質(zhì)被分離。超濾產(chǎn)物被濃縮至其體積的5％，通過(guò)萃取從其中分離所需芐青霉素。
用于發(fā)酵液過(guò)濾的膜式過(guò)濾方法通常包括三個(gè)步驟。實(shí)際上，特別是在連續(xù)法中，不能那么清楚地辨別從一步到另一步的過(guò)渡。經(jīng)常發(fā)生的是，這些步驟中的兩個(gè)或全部步驟同時(shí)進(jìn)行。然而，為清楚起見，劃清這一界線是有用的。第一步是待過(guò)濾混合物的濃縮。這一濃縮步驟可適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行，即，沿膜表面循環(huán)該發(fā)酵液同時(shí)在表面上保持壓力梯度(常稱作交叉流過(guò)濾)。在第二步中，獲得的濃縮產(chǎn)物在滲析步驟中在交叉流過(guò)濾過(guò)程中被洗滌。這意味著，向發(fā)酵液循環(huán)流中加一股溶劑流。在過(guò)濾后的產(chǎn)物是發(fā)酵液的情況下，該溶劑通常將是水。在第三步中，獲得的過(guò)濾后的濾過(guò)物在交叉流過(guò)濾過(guò)程中被進(jìn)一步濃縮至適宜程度。
在涉及膜式過(guò)濾步驟的方法中，有必要通過(guò)應(yīng)用高交叉流速度(即，與膜平面平行的線性流動(dòng)速度)來(lái)控制滯留物(過(guò)濾過(guò)程的殘留物)沿膜的流動(dòng)情況，以使該過(guò)程的通量(生產(chǎn)能力)最大化。但實(shí)際上，試圖在滯留物被濃縮后保持其快速流動(dòng)時(shí)出現(xiàn)一些問(wèn)題。在要過(guò)濾具有高含量(3-10％)的細(xì)胞碎片和蛋白質(zhì)的發(fā)酵液的情況下，特別要遇到這些問(wèn)題。
由于在高濃縮因數(shù)下觀察到的粘度升高，軸向壓降(它是該過(guò)程中所需能量的量度)也提高。在大規(guī)模應(yīng)用中，使用離心泵，而且由于軸向壓降的提高而使其生產(chǎn)能力下降。鑒于在這些條件下所涉及的物質(zhì)的假塑性，粘度增加得更多，這反過(guò)來(lái)進(jìn)一步放大了流動(dòng)的降低。此外，產(chǎn)生了大量熱，在所需產(chǎn)物在高溫下不穩(wěn)定的情況下這是不希望有的。因此，為保持溫度低并避免產(chǎn)物降解，需要巨大而昂貴的冷卻裝置。
同樣，為了防止降解和污染所需產(chǎn)物，希望把完成發(fā)酵過(guò)程所需的時(shí)間減小到最低程度?？梢岳玫氖惯^(guò)濾時(shí)間最小化的措施是增加濾膜表面，或要求增大的比生產(chǎn)能力。該比生產(chǎn)能力是指每個(gè)時(shí)間單位有多少所需產(chǎn)物濾過(guò)一定膜表面積(l/m2·h)。所述生產(chǎn)能力可通過(guò)施加高跨膜壓力(它是過(guò)濾的推動(dòng)力)來(lái)提高。施加高跨膜壓力的一個(gè)缺點(diǎn)是，這通常造成所需產(chǎn)物更高的滯留值，即，大量產(chǎn)物不能透過(guò)膜，這導(dǎo)致效率低的過(guò)濾過(guò)程。另外，在這些情況中應(yīng)用管式聚合物膜也許是不可能的，因?yàn)檫@類膜在這些條件下磨損太大。
現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，通過(guò)使用陶瓷膜和通過(guò)以出乎意料的方式控制工藝條件可以克服上述問(wèn)題。
現(xiàn)有技術(shù)中已報(bào)道過(guò)使用陶瓷膜，用于從發(fā)酵液分離所需產(chǎn)物的各種分離過(guò)程。
在EP 0 522 517A1中，使用一種α-氧化鋁微孔膜從發(fā)酵液中分離甲基葡糖苷。在第一步中，發(fā)酵液被濃縮，然后通過(guò)添加甲醇使水不溶性甲基葡糖苷溶解，之后讓含甲基葡糖苷的溶液經(jīng)過(guò)膜并回收抗生素。
美國(guó)專利No.5,616,595中描述了一種從發(fā)酵液分離環(huán)孢菌素A的相似技術(shù)。
根據(jù)俄羅斯專利公開No.2090598，陶瓷濾器元件可以用于在葡萄酒生產(chǎn)中過(guò)濾葡萄汁。
本發(fā)明涉及一種從發(fā)酵液中分離所需水溶性產(chǎn)物的方法，其中將該發(fā)酵液沿陶瓷膜循環(huán)，并且其中施加至少1.5巴的跨膜壓力，隨后含所需產(chǎn)物的水溶液通過(guò)該膜，接著被收集。
本發(fā)明的方法的優(yōu)點(diǎn)是，可以實(shí)現(xiàn)很短的過(guò)濾時(shí)間而沒有所需產(chǎn)物的高滯留值這一已知問(wèn)題。因此，本過(guò)濾方法是高效的。令人驚訝的是，在本發(fā)明方法中可以施加高跨膜壓力而不會(huì)發(fā)生所需產(chǎn)物的高滯留。同樣，溫度可以很適當(dāng)?shù)乜刂圃谙Ｍ刀粚?dǎo)致粘度問(wèn)題，也不會(huì)造成往往是熱不穩(wěn)定性的所需產(chǎn)物的降解問(wèn)題。此外，在本發(fā)明的方法中，不必象DD-A-277 088中已描述過(guò)的那樣，在對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行膜式過(guò)濾之前進(jìn)行發(fā)酵液的常規(guī)過(guò)濾。
所述發(fā)酵液可以得自任何發(fā)酵過(guò)程。在這樣的發(fā)酵過(guò)程中，通過(guò)向發(fā)酵液中添加碳源、氮源、其它營(yíng)養(yǎng)物和空氣而對(duì)適宜的微生物菌株進(jìn)行發(fā)酵。典型的操作程序和配方可在文獻(xiàn)中查到。當(dāng)發(fā)酵過(guò)程已完成到所需程度之后，該發(fā)酵液將包含細(xì)胞物質(zhì)以及蛋白質(zhì)和所需產(chǎn)物。同樣，可能存在不同的污染物。優(yōu)選的是，該發(fā)酵液得自其中制備抗感染化合物的發(fā)酵過(guò)程。這類化合物的實(shí)例有各種β-內(nèi)酰胺和化合物例如紅霉素和制霉菌素。
這方面的β-內(nèi)酰胺的例子是其中β-內(nèi)酰胺環(huán)連接到適宜側(cè)鏈上的β-內(nèi)酰胺，例如青霉素G、青霉素V、己二酰-7-氨基頭孢烷酸(adipyl-7-aminocephalosporanic acid)、己二酰-7-氨基-脫乙酸基頭孢烷酸、克拉維酸、頭孢菌素C、氨芐青霉素、阿莫西林、頭孢氨芐、頭孢克洛(Cephaclor)和頭孢羥氨芐(Cephadroxyl)。β-內(nèi)酰胺環(huán)可能也是合適的，例如6-氨基青霉烷酸(6-APA)、7-氨基頭孢烷酸(7-ACA)、3-氯-7-氨基脫乙酸基脫甲基頭孢烷酸(3-Cl，7-ACCA)、7-氨基脫乙?；^孢烷酸(7-ADAC)和7-氨基脫乙酸基頭孢烷酸(7-ADCA)。從制備青霉素G、青霉素V、頭孢菌素C、酰基-7-ADCA或?；?7-ACA的過(guò)程獲得的發(fā)酵液是最優(yōu)選的。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)酵液之一的過(guò)濾方法顯著得益于本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。盡管這些發(fā)酵液中的很多都包含熱不穩(wěn)定性產(chǎn)物，但已發(fā)現(xiàn)，在本發(fā)明的方法中，這些熱不穩(wěn)定性產(chǎn)物可以從發(fā)酵液中分離而沒有顯著的產(chǎn)物損失。
按本發(fā)明使用的膜是陶瓷膜。這意味著它包含無(wú)機(jī)物質(zhì)。優(yōu)選的物質(zhì)是金屬氧化物，例如α-氧化鋁、γ-氧化鋁和氧化鋯。使用這些物質(zhì)的膜導(dǎo)致高效過(guò)濾方法，其中只有很少量的所需產(chǎn)物被損失掉(如果有的話)，而且其中獲得很高純度的所需產(chǎn)物。
優(yōu)選使用平均孔徑為4～100nm、更優(yōu)選20～50nm的陶瓷膜。已發(fā)現(xiàn)使用孔徑在這些范圍內(nèi)的膜會(huì)導(dǎo)致高選擇性、高效的膜式過(guò)濾方法。
在發(fā)酵液沿膜循環(huán)的過(guò)程中(交叉流過(guò)濾)，它將被濃縮，因?yàn)榘l(fā)酵液中存在的更大量的流體透過(guò)該膜。適宜的濃縮程度為1.5，優(yōu)選2倍。所述濃縮可以在提高的溫度下，優(yōu)選在高于20℃的溫度下，更優(yōu)選在高于30℃的溫度下最有利地進(jìn)行。出于實(shí)際原因，濃縮過(guò)程中的溫度上限通常為50℃、優(yōu)選45℃。
按本發(fā)明，已發(fā)現(xiàn)發(fā)酵液的粘度不會(huì)達(dá)到不能接受的高值。當(dāng)濃縮因數(shù)為2時(shí)，典型的最大值為100s-1剪切下337mPa·s，500s-1剪切下197mPa·s和1000s-1剪切下156mPa·s。因此，不需要另外的昂貴設(shè)備來(lái)進(jìn)行充足交叉流速度下的循環(huán)。
可能的是，在本發(fā)明方法的過(guò)程中交叉流速度顯示稍小波動(dòng)并且達(dá)到2-4m/s的值。然而，該速度優(yōu)選保持在至少5的數(shù)值，更優(yōu)選6m/s。優(yōu)選的是，所述速度的上限是10，更優(yōu)選8m/s。當(dāng)所述速度在該規(guī)定范圍內(nèi)選擇時(shí)，過(guò)濾方法具有很高的生產(chǎn)能力。目前已證實(shí)，甚至當(dāng)濃縮進(jìn)行至很大程度時(shí)也可能保持高速度。
滯留物已濃縮至所需程度后，優(yōu)選把水添加到循環(huán)發(fā)酵液中(滲析)。優(yōu)選地，添加的水量使發(fā)酵液稀釋1.5～4倍，更優(yōu)選2～3倍。通過(guò)這樣向滯留物中添加水，使過(guò)濾過(guò)程的產(chǎn)率以及由此獲得的效率提高。通過(guò)該稀釋步驟(它包括向滯留物中添加水)還可以回收滯留物中大量的所需產(chǎn)物。
本發(fā)明方法的一大優(yōu)點(diǎn)是，可以獲得很短的處理時(shí)間，而不出現(xiàn)所需產(chǎn)物高滯留這一已知問(wèn)題。因此，按照本發(fā)明，跨膜壓力高于1.5巴。在本發(fā)明的上下文中，跨膜壓力定義為膜滯留物側(cè)的平均壓力與濾過(guò)物側(cè)的平均壓力的差值。在一優(yōu)選的實(shí)施方案中，該跨膜壓力為2.5-7.5，優(yōu)選4-6巴。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施方案，跨膜壓力最初時(shí)低于上面規(guī)定的壓力。合適的初始跨膜壓力在1～2.5巴之間選擇。施加該初始跨膜壓力的時(shí)間段較短。通常，所述時(shí)間段不會(huì)長(zhǎng)于總過(guò)濾時(shí)間的10％，優(yōu)選不長(zhǎng)于8％。在大多數(shù)實(shí)際情況中，根據(jù)待過(guò)濾發(fā)酵液的量而定，所述時(shí)間段大約為10分鐘。
該實(shí)施方案是有利的，因?yàn)榕c從過(guò)程一開始就施加最終所需的高跨膜壓力相比，膜結(jié)垢的發(fā)生要少得多。因此，提高了膜的壽命，即，其間可以使用同一膜而無(wú)需清潔的時(shí)間延長(zhǎng)了。同樣，過(guò)濾過(guò)程的生產(chǎn)能力更高，選擇性更大。不想受理論的束縛，據(jù)信，這些優(yōu)點(diǎn)是由于膜滯留物側(cè)上的蛋白凝膠層而達(dá)到的，所述凝膠層是在其中施加較低跨膜壓力的初始期過(guò)程中沉積的。
本發(fā)明方法中滯留物的入口壓力將根據(jù)該方法的階段在1和8巴之間變化。同樣，滯留物的軸向壓降也根據(jù)該方法的階段在0和3.5巴之間變化。在該方法的進(jìn)程中，比通量可以從200l/m2·h·巴到50l/m2·h·巴再回到200l/m2·h·巴這樣變化。
在膜的濾過(guò)物側(cè)，通常將保持連續(xù)流動(dòng)以收集濾過(guò)物，尤其是其中存在的所需產(chǎn)物。已收集濾過(guò)物之后，可有利地對(duì)它進(jìn)行濃縮。濾過(guò)物的優(yōu)選濃縮程度為1.5～7，更優(yōu)選2～5倍。為了回收濃縮的濾過(guò)物中存在的所需產(chǎn)物，通常將進(jìn)行常規(guī)的處理程序。這種處理程序的一個(gè)合適例子是萃取。
本發(fā)明的方法可以分批或連續(xù)地進(jìn)行。優(yōu)選以連續(xù)法方式進(jìn)行。
通過(guò)下列非限定性實(shí)施例進(jìn)一步闡釋本發(fā)明。
實(shí)施例1將156kg青霉素發(fā)酵液從攪拌進(jìn)料釜加料到膜式過(guò)濾(MF)系統(tǒng)中。所述系統(tǒng)包括表面積約為0.9m2且平均孔徑為50nm的MembranloxSCT 3P 19膜。
將該系統(tǒng)脫氣，在下列條件下開始過(guò)濾過(guò)程溫度21℃循環(huán)流動(dòng)進(jìn)料釜 2.5m3/h循環(huán)流動(dòng)過(guò)濾回路35m3/h(交叉流速度為6m/s)。
取出65l的濾過(guò)物后(α=1.67(濃縮因數(shù))，β=0.4(稀釋因數(shù)))，過(guò)濾回路的循環(huán)流動(dòng)已降低到17m3/h，這相當(dāng)于2.9m/s交叉流速度。在4巴的跨膜壓力下，該濾過(guò)物流動(dòng)降低到70l/m2h。濃縮因數(shù)為1.67。進(jìn)一步濃縮是不可能的。保持α恒定開始滲析，交叉流速度又一次提高到5.5m/s，濾過(guò)物流動(dòng)保持恒定在72l/m2·h。稀釋因數(shù)為1.72。
總處理時(shí)間為250分鐘。
實(shí)施例2將154kg青霉素發(fā)酵液從攪拌進(jìn)料釜加料到與實(shí)施例1中使用的相同的MF系統(tǒng)中。
將該系統(tǒng)脫氣，在下列條件下開始過(guò)濾過(guò)程溫度40℃循環(huán)流動(dòng)進(jìn)料釜 2.5m3/h循環(huán)流動(dòng)過(guò)濾回路35m3/h(交叉流速度為6m/s)。
取出74l濾過(guò)物之后(α=1.92,β=0.48)，過(guò)濾回路的循環(huán)流動(dòng)僅稍稍降低到26m3/h。在2.0的濃縮因數(shù)和4巴的跨膜壓力下，濾過(guò)物流動(dòng)降低到94l/m2h。
就在開始滲析之后(其中α保持恒定)，交叉流速度又一次提高到5.9m/s，濾過(guò)物流動(dòng)被控制在110l/m2h。稀釋因數(shù)為1.85。
總處理時(shí)間為180分鐘。
實(shí)施例3將177kg青霉素發(fā)酵液從攪拌進(jìn)料釜加料到與實(shí)施例1中使用的相同的MF系統(tǒng)中。
將該系統(tǒng)脫氣，在下列條件下開始過(guò)濾過(guò)程溫度36℃循環(huán)流動(dòng)進(jìn)料釜 2.5m3/h循環(huán)流動(dòng)過(guò)濾回路35m3/h(交叉流速度為6m/s)。
取出90l濾過(guò)物后(α=2.04,β=0.51)，循環(huán)流動(dòng)為6m/s。濃縮開始時(shí)的濾過(guò)物流動(dòng)511l/m2h降低到濃縮結(jié)束時(shí)的124l/m2h。濃縮因數(shù)為2.04，跨膜壓力為5巴。
開始滲析后(其中α保持恒定)，濾過(guò)物流動(dòng)很緩慢地增加并且被控制為255l/m2h。在該過(guò)程結(jié)束時(shí)跨膜壓力緩慢降低到3.8巴。稀釋因數(shù)為2.02。
總處理時(shí)間為134分鐘。
權(quán)利要求
1．一種從發(fā)酵液中分離所需水溶性產(chǎn)物的方法，其中將該發(fā)酵液沿陶瓷膜循環(huán)，并且其中施加至少1.5巴的跨膜壓力，隨后含所需產(chǎn)物的水溶液通過(guò)該膜，接著被收集。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在20-50℃的溫度下在沿膜循環(huán)的過(guò)程中濃縮所述發(fā)酵液。
3．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述溫度為30-45℃。
4．根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，其中所述交叉流速度為5-10m/s，優(yōu)選6-8m/s。
5．根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，其中所述陶瓷膜包含選自金屬氧化物的物質(zhì)。
6．根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，其中所述陶瓷膜的平均孔徑為4-100nm，優(yōu)選20-50nm。
7．根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，其中所述跨膜壓力為2.5-7.5巴，優(yōu)選3-6巴。
8．根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中所述跨膜壓力最初為1-2.5巴。
9．根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，其中一旦所述發(fā)酵液已濃縮1.5倍，優(yōu)選2倍，就把水添加到循環(huán)發(fā)酵液中。
10．根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中添加的水量使所述發(fā)酵液稀釋1.5-4倍，優(yōu)選1-3倍。
11．根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，其中，將發(fā)酵液過(guò)濾后獲得一種濾過(guò)物，該濾過(guò)物被濃縮了1.5-7倍，優(yōu)選2-5倍。
12．根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)的方法，其中，所述發(fā)酵液是從其中制備抗感染化合物的發(fā)酵過(guò)程中獲得的。
13．根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中所述抗感染化合物選自紅霉素、制霉菌素、己二酰-7-氨基頭孢烷酸、己二酰-7-氨基脫乙酸基頭孢烷酸、青霉素G、青霉素V、頭孢菌素C和異青霉素N。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種從發(fā)酵液中分離所需水溶性產(chǎn)物的方法,其中將該發(fā)酵液沿陶瓷膜循環(huán),并且其中施加至少1.5巴的跨膜壓力,隨后含所需產(chǎn)物的水溶液通過(guò)該膜,接著被收集。有利的是,在該過(guò)濾方法中,發(fā)酵液溫度保持在20—50℃、優(yōu)選30—45℃。根據(jù)本發(fā)明,獲得了過(guò)濾過(guò)程的降低的處理時(shí)間、更高的生產(chǎn)能力和效率。
文檔編號(hào)B01D29/01GK1297475SQ99805049
公開日2001年5月30日 申請(qǐng)日期1999年4月14日 優(yōu)先權(quán)日1998年4月14日
發(fā)明者G·J·科萬(wàn)特, P·J·G·迪茲瓦爾特 申請(qǐng)人:Dsm公司