Способ извлечения исходных материалов в процессе изготовления аспартама и устройство для его осуществления - RU2128187C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к способу извлечения исходных материалов в процессе изготовления аспартама путем использования процесса мембранной нанофильтрации водных потоков процесса, также содержащих растворенную соль. Изобретение также относится к устройству для осуществления этого способа.

Аспартам, альфа-дипептидный эфирL-аспартил-L-фенилаланинметиловый эфир ("АРМ") является важным синтетическим низкокалорийным подсластителем, который в 200 раз слаще сахара и обладает при этом исключительно приятным вкусом без, например, горького привкуса, остающегося во рту после еды. Подсластитель используют как таковой в широком диапазоне продуктов, например в безалкогольных напитках, сладостях, столовых подсластителях, лекарствах и т.п. Аспартам можно получить различными известными путями. Существуют, например, способы, в которых химически соединяют /N-защищенную/L-аспартовую кислоту или ее ангидрид и (L)-фенилаланин или его метиловый эфир, при этом защитная группа возможно позже отщепляется и посредством этерификации получают аспартам. Примеры таких способов раскрыты, например в патенте США N 3786039.

Существуют также ферментативные способы, посредством которых селективно соединяют, например, N-защищенную L- аспартовую кислоту и (DL-)фенилаланинметиловый эфир для образования производной LL-дипептида и затем превращения этого соединения в АРМ. Такой способ описан, например, в патенте США N 4116768.

Таким образом, в способах получения аспартама в качестве исходных материалов часто используют, например, L-аспартовую кислоту ("Asp"), L-аспартовый ангидрид ("Asp Anh"), его N - защищенные производные с защитными группами, например формилом ("F") и бензилоксикарбонилом ("Z"), например F-Asp Anh и Z-Asp, L-или DL-фенилаланин ("Phe") и его метиловый эфир ("РМ"). Эти исходные материалы не все полностью превращаются в различных способах получения аспартама или они образуются опять при разложении на промежуточных стадиях получения в дополнение к другим продуктам разложения, таким как 3-бензил-6-карбоксиметил-2,5-дикетопиперазин ("ДКР") или α-аспартил-α-фенилаланин ("АР"), а также в дополнение к других нежелательным побочным продуктам, таким как бета-форма АРМ (β-АРМ), и продуктам, в которых этерифицируют свободную карбокси-группу аспартильной части дипептида или дипептидного эфира, которые также относятся к АР(М) и АРМ₂. Как правило, из соображений экономики, способы получения аспартама включают большое количество рециркуляционных потоков.

Во время получения аспартама, особенно при его извлечении, потоки процесса, содержащие потоки, вовлеченные в процесс получения исходных материалов или промежуточные продукты процесса получения аспартама, будут иметь различные значения pH, что является результатом, помимо других причин, добавления кислот и оснований, например для удаления защитных групп, очистки, осаждения, например, продуктов присоединения Z-АРМ.PM или соли АРМ.HCl или любого другого продукта присоединения или кристаллизационной соли, и извлечения АРМ посредством кристаллизации при pH 4,0 - 5,5. Эти процессы происходят в различных, обычно водных потоках, которые помимо количеств одного или нескольких исходных материалов и/или упомянутых продуктов разложения, содержат неорганическую соль или неорганические соли. Водные потоки могут также содержать незначительные количества органических растворителей. В таких потоках часто присутствует, например, хлорид натрия в количествах более 1% по весу, и очень часто в количествах от 10 до 25 вес.%. Некоторые потоки от ферментативных способов могут, кроме того, содержать небольшие количества фермента.

Описаны различные способы извлечения исходных материалов и/или удаления продуктов разложения из потоков процесса при получении аспартама.

В ЕР-А-0476875 раскрыты способы очистки и концентрирования биологически активных материалов из смесей, содержащих органические растворители при использовании мембран, устойчивых к растворителю. В нем представлены мембранные способы, которые, если использовать современную терминологию, можно рассматривать как способы мембранной нанофильтрации (хотя такой термин не используется в описании) и как таковой не относится к способам выделения низкомолекулярных органических соединений из солей, и поэтому их рассматривают как ближайшие в данной области. Хотя в этом документе также представлены примеры концентрации входных растворов АРМ (очень низкой концентрации) в нем не содержится сведений или предположения о том, что такой способ можно удобно использовать для обработки таких растворов АРМ или даже более высокой концентрации, которые содержат соль в количестве гораздо большем чем 2000 млн^-1. В действительности, в документе не представлен эффективный способ обработки растворов аспартама в присутствии больших количеств соли. Представленные мембраны имеют высокое удержание солей (около 80%, как было вычислено из примеров), которое является неподходящим для снижения количества соли в объеме ретентата.

Более того, следует отметить, что как следует из примеров очистки пенициллина G эксплуатационные качества мембран, устойчивых к растворителю, не изменяются в широком диапазоне значений pH (от 0,5 до 12), но резко ухудшаются при более высоких значениях pH.

Что касается аспартама, могут быть также упомянутые другие мембранные процессы. Например, в EP-A-0313100 описан способ электродиализа, посредством которого, в частности могут быть удалены органические кислоты, например ДКР и АР. В патенте Японии A-62-153298 указывается, что аспартам может быть очищен от низкомолекулярных электролитов, присутствующих в нем, путем растворения АРМ в воде и контактирования раствора в процессе диализа при pH 3-7 и при температуре 0-80^oC с амфотерной ионообменной мембраной, обеспечивающей прохождения низкомолекулярных электролитов и удержание первоначального раствора.

В таком способе увеличение давления не приводит к увеличению концентрирования, а к тому же приводит к нежелательным потерям органических продуктов при проницании. Более того, в процессе диализа диализат всегда необходимо заменять. В ЕР-В-0248416 также раскрыт способ удаления соли, который при повышенном давлении действует по принципу обратного осмоса. В этом способе используют нейтральные мембраны, например полиамидацетатные, полисульфонацетатные и целлюлозоацетатные мембраны с 30-80% удержанием соли. При более низком удержании соли такие мембраны являются неподходящими, потому что будет переноситься слишком большое количество органических веществ и не будет фракционирующего воздействия в отношении молекул больших чем 1000Д (1Д (1 Дальтон) соответствует 1/16 массы изотопа кислорода-16). Более того, в таком способе обратного осмоса предел, до которого может быть сконцентрирован исходный раствор, ограничен, в виду того, что во время процесса сильно возрастает осмотическое давление.

Исходные материалы и прочее, что необходимо извлечь, часто присутствуют в относительно разбавленных потоках. Однако присутствие соли в потоках делает затруднительным значительное концентрирование потоков путем выпаривания, потому что выпаривание происходит в присутствии соли, при этом соль при неблагоприятном весовом отношении органических компонентов и соли связывают при кристаллизации или со-кристаллизации с органическими компонентами, и, кроме того, могут происходить нежелательные побочные реакции, вызывающие, например, сильное обесцвечивание.

Обнаружено, что ни один из описанных действующих до сих пор способов является подходящим для извлечения исходных материалов из таких водных потоков в способах получения аспартама, которые содержат большие количества соли, по меньшей мере 1% по весу. Кроме того, процессы, например диализ и электродиализ, обратный осмос и обработка ионообменником являются относительно громоздкими и менее желательными в промышленном масштабе. Более того, в большинстве предшествующих способов данной области исходный раствор может быть сконцентрирован только до определенной степени. Как следствие, существует необходимость в способе, который не имеет этих недостатков и который бы дал возможность легко и эффективно извлекать рассматриваемые исходные материалы в способе, включающем одновременное удаление соли из потоков процесса и концентрирование органических компонентов в них.

Целью изобретения является обеспечение способа, посредством которого легко и эффективно извлекают исходные материалы из различных потоков процесса в способах получения аспартама, при этом одновременно концентрируют в потоке или потоках процесса органические компоненты.

Эта цель достигается посредством изобретения, в котором каждый из водных потоков или сочетание двух или нескольких таких потоков, имеющих содержание соли по меньшей мере 1% по весу, подвергают нанофильтрации с помощью композиционной (слоистой) мембраны с удержанием от 50 до 100% для компонентов, имеющих молекулярный вес более 100Д, и с удержанием от +20 до -40% для одновалентных солей, при этом исходные материалы, присутствующие в регентате, полученном таким образом, извлекают способом, известным в данной области или удержание возвращают в способ получения аспартама без дополнительной обработки. Для целей настоящего изобретения под нанофильтрацией следует понимать использование мембран, обладающих свойствами обратного осмоса и фракционирующими свойствами в отношении молекул больше чем 100Д. Это означает, что мембраны, используемые в контексте изобретения, будут обладать такими свойствами, которые делают их подходящими для использования в обратном осмосе и для использования во фракционированных молекулах более чем 100Д.

Процент удержания компонента i (R_i) представлен формулой
R_i = (1 - C_ip/С_ir) х 100%,
в которой С_ip - концентрация компонента i в объеме пермеата;
C_ir - концентрация компонента i в объеме ретентата, также выраженная в вес.%.

Предпочтительно используют композиционные мембраны, которые по существу имеют отрицательно заряженный избирательный верхний слой, который используют для ультрафильтрационной мембраны в качестве несущего слоя.

Такие мембраны являются коммерчески доступными. Мембранами, подходящими для целей настоящего изобретения, являются, например, мембраны типа

Тип, упомянутый последним, в настоящее время усовершенствуют. Для специалистов в данной области ясно, что кроме аспартама, на который ссылаются в данной заявке, в общем могут быть использованы другие дипептидные подсластители, например L -аспартил-D- аланинил-2,2,4, 4-тетраметилтиетаниламид (алитам) и дипептиды. Более того, что касается извлекаемых исходных материалов, изобретение строго не ограничено такими исходными материалами, которые используют в известных способах получения аспартама, а к тому же перекрывает такие исходные материалы, которые не используют в качестве компонентов для аспартама, а которые можно использовать для других дипептидов. Изобретение в равной степени включает извлечение исходных материалов для получения аспартама из рециркуляционных потоков или отработанных потоков, которые встречаются в способах получения тех же самых исходных материалов, например Phe, Z-Asp, РМ и т.п. Когда потоки содержат значительные количества АРМ, рекомендуется сначала извлечь АРМ. Ясно также, что изобретение относится не только к потокам, содержащим незначительные количества растворенного АРМ - во всяком случае после удаления основного объема АРМ, - но также к потокам, лишенным или почти лишенным АРМ. Однако АРМ, присутствующий в потоках процесса, можно рассматривать как продукт, который можно извлечь так или иначе путем превращения в исходные материалы.

Излишне говорить о том, что способу извлечения в соответствии с изобретением не могут быть подвергнуты потоки, содержащие только очень незначительные количества исходных материалов. Как правило, нет необходимости в том, чтобы потоки пермеата, которые получают при использовании способа и которые содержат гораздо более низкие концентрации исходных материалов, чем обрабатываемые потоки, подвергали второй обработке в соответствии с изобретением.

Полученные потоки ретентата, если они имеют приемлемое качество, можно возвратить в способ получения, во всяком случае, после регулирования, например, pH и/или температуры, но обычно без любой дальнейшей обработки, или можно использовать для извлечения желательных компонентов обычно известными способами.

Специалисты в данной области в состоянии установить, потоки какого процесса являются и потоки какого процесса не являются подходящими для нанофильтрационной обработки, в зависимости от желательной экономичности всего способа.

Способ в соответствии с изобретением является в особенности подходящим для извлечения Z-Asp, F-Asp, Asp, Asp Anh, Phe и РМ из водных потоков способа получения аспартама. Выбор pH, при котором выполняют нанофильтрацию, может влиять на состав потоков. Например, при pH > 7 РМ будет гидролизоваться и можно извлечь Phe.

Способ можно выполнять периодически или непрерывно. Его можно осуществить в известном по существу устройстве, например таком, которое используют для обратного осмоса и ультрафильтрации.

Такое устройство обычно содержит один или несколько мембранных модулей, через которые под давлением качают жидкость одним или несколькими насосами.

Способа получения аспартама включают много потоков, которые можно обрабатывать в соответствии с настоящим изобретением. Примеры компонентов, которые могут встретиться в таких потоках, уже были упомянуты выше (например, РМ, АР, ДКР, Z-Asp, Asp, АР/М/, АРМ₂ , АРМ, F-Asp, Phe и т.д.). Концентрации, при которых встречаются эти вещества, изменяются в зависимости от способа или части способа, в котором присутствует поток, и могут изменяться в широком диапазоне в зависимости от растворимости, температуры, pH и так далее.

Обычными являются концентрации 0,1-5%. Некоторые потоки, в особенности в ферментативных способах, могут также содержать некоторое количество фермента.

В способе по изобретению обрабатываемый(е) поток(ки) подают отдельно или вместе на одну сторону мембранного модуля, в котором нанофильтрирующая мембрана осуществляет разделение между этой стороной модуля и другой стороной, откуда можно выгрузить объем пермеата, который прошел через мембрану и который в значительной степени очищен от органических веществ с M_W≥100Д. Если используют трубчатую мембрану, обрабатываемый(е) поток(ки) подают на внутреннюю, сторону трубы, и выгружают на внешней стороне или другим путем. Могут также быть использованы мембраны, намотанные по спирали, мембраны из полых волокон, капиллярные или плоские мембраны.

Таким образом, на впускной стороне получают ретентат, в котором в значительной степени сконцентрированы органические компоненты и в котором отношение органических компонентов и соли значительно улучшено, из которого исходные материалы могут быть извлечены простыми, обычно известными способами, часто можно также возвратить ретентат в процесс. Если органические компоненты присутствуют в относительно высоких концентрациях, один или несколько таких компонентов могут кристаллизоваться до некоторой степени, когда ретентат сконцентрирован.

Обнаружено, что это не ухудшает эффективность способа по изобретению, что также видно из экспериментальной части. Поток пермеата и/или эффективность разделения могут быть усовершенствованы, кроме того, соответствующим регулированием pH и давления на впускной стороне нанофильтрующей мембраны. Предпочтительно выбирают pH ≥ 4, и система работает при давлении на впускной стороне выше атмосферного, предпочтительно выше 1 МПа. Верхние пределы pH, температуры и давления зависят частично от свойств мембраны. Что касается pH, то изобретение дает превосходные результаты, в особенности при pH 8-11.

Температура, при которой осуществляют нанофильтрацию, обычно не является решающей, и большей частью находится в диапазоне от 0 до 80^oC в зависимости от выбранной мембраны.

В особенности подходящей является окружающая температура. Однако при повышенных температурах добиваются усиленного потока из-за подходящей вязкости потоков, и это может быть также выгодным.

Надлежащая производительность способа нанофильтрации в соответствии с изобретением может быть установлена путем определения: 1) фактора концентрирования С_f, который означает частное от количеств исходного материала и ретентата; 2) удержания каждого из желательных компонентов R_i и 3) потока пермеата F_p в кг/(м²ч), который представляет количество пермеата, прошедшего через единицу поверхности мембраны в единицу времени.

После использования или когда проницаемость мембраны ослабевает, мембраны можно легко очистить, по желанию при слегка повышенной температуре, путем промывки водой или каустическим раствором, или если обрабатываемые потоки содержат незначительные количества фермента, путем промывки в присутствии небольших количеств поверхностно-активного вещества, например Ultrasil^® .

Чем выше давление, тем будет больше поток пермеата. Увеличение pH также приводит к увеличению потока. Увеличение pH от 4-6 до значения pH, равных приблизительно 8-9, приводит к увеличению значений удержания R_i органических компонентов и уменьшению удержания солей. При значениях pH > 9,9 какое-либо влияние на удержание наблюдается с трудом. Увеличение давления также приводит к увеличению удержания исходных материалов.

Чем выше значение выбранного C_f (путем регулирования условий процесса), тем больше (в абсолютных пределах) доля исходных материалов, которые будут выгружены с потоком пермеата, с тем, чтобы уменьшить количество исходных материалов, регенерированных из удержания.

Следовательно, если необходимо извлечь большее количество исходного материала с ретентатом, следует выбрать более низкий фактор концентрирования.

В таком случае площадь мембраны может быть меньше той, которая необходима для достижения более высокого значения C_f.

Специалисты в данной области могут легко определить подходящие условия, позволяющие достигнуть желаемых результатов и экономичности способа. Было найдено, что природа любой соли или солей, при существующих в потоках, также влияет на удержание. В общем удержание меньше для одновалентных солей.

Так как природа соли в потоках процесса зависит от кислот и оснований, используемых на различных стадиях способа получения аспартама, предпочтительно использовать однозарядные ионы радикала кислоты и ионы металла, с тем, чтобы в качестве соли образовался, например, хлорид натрия.

Можно также рециркулировать полученный поток пермеата и добавить его к потоку, подвергаемому нанофильрации, или подвергнуть его опять отдельной нанофильтрационной обработке. При таком способе количество извлекаемых исходных материалов может быть затем увеличено. Было найдено, что если даже концентрирование исходных материалов в потоках, подвергаемых нанофильтации в соответствии с изобретением, становится таким сильным во время нанофильтрации, что один или несколько таких исходных материалов кристаллизуется, при этом не оказывается влияние на производительность нанофильтрации с точки зрения эффекта удержания. Однако поток пермеата будет уменьшаться в результате осаждения кристаллов на поверхности мембраны. При продолжении нанофильтрации можно удалить дополнительные количества соли без уменьшения потока пермеата путем добавления воды или буферного раствора на впускную сторону почти перед кристаллизацией. В таком случае используют сочетание нанофильтрации и диафильтрации. Даже когда не существует проблемы, связанной с кристаллизацией, этот способ может быть использован для дополнительного удаления соли из ретентата.

Изобретение иллюстрируется следующими неограничивающими примерами. Все примеры, описанные ниже, осуществляли на оборудовании, показанном на фиг. 1, на котором:
1. (20-литровый) бак для хранения обрабатываемого раствора, снабженный мешалкой. Содержимое этого бака хранили при температуре около 40^oC. Полученный остаток раствора всегда возвращали в этот бак и смешивали с содержимым.

2. Питающий насос для подачи исходных материалов (с максимальной пропускной способностью 100 л/ч), который создает и поддерживает давление в жидкости совместно с клапаном 6.

3. Циркуляционный насос, пропускная способность которого может регулироваться до максимальной 1800 л/ч и который подает исходное сырье внутрь трубчатых мембран.

4. Система мембранного модуля с размещенными в два ряда трубчатыми композиционными мембранами и отдельные потоки пермеата и ретентата.

5. Сборник потока пермеата.

6. Клапан для регулирования давления.

Для каждого из последующих опытов приготовили 10-20 л водного солесодержащего характерного потока процесса путем добавления одного или нескольких органических компонентов, получили раствор, содержащий 22% NaOH и NaCl с концентрациями, представленными в таблицах 1 и 3. Концентрации органических компонентов определяли с помощью HPLC (жидкостной хроматографии высокого давления), а концентрацию хлорида определяли с помощью ионной хроматографии. РН измеряли при температуре раствора.

Во всех экспериментах исходный раствор загружали в бак для хранения при 40^oC, после чего пускали в ход питающий и циркуляционный насос. Для большинства опытов поддерживали давление 30 бар. Однако в некоторых случаях использовали другое давление.

I. Применение мембраны SelRo MPT 10^®.
Первый ряд опытов осуществляли с помощью модуля PCI Microlab 80 (фиг. 1, поз. 4), в котором были последовательно установлены трубчатые мембраны SelRo MPT 10^® диаметром 12,5 мм и длиной 1,2 м.

Исходные растворы, использованные в опытах 1-6, приведены в таблице 1. Все опыты проводили при давлении 30 бар, 40^oC и максимальной производительности насосов.

В таблице 1 также представлен состав для сравнительного опыта А, который описан в конце экспериментальной части.

Во время опытов изменения значений pH не наблюдались. Результаты опытов с точки зрения состава пермеата и ретентата после того момента, когда достигали бессистемно выбранного фактора концентрирования С_f (также указан), представлены в таблице 2, в которую также включены значения R_i, С_f и F_p для конечного состояния. Включены также результаты сравнительного опыта А (см. ниже).

II. Применение мембраны WFN 0505
Тем же образом, как описано выше для мембраны SelRo MPT 10^®, осуществляли опыты с мембранным модулем, который слегка был видоизменен из-за другого диаметра и длины мембран (фиг. 1, N 4). Каждая из трубчатых мембран WFN имела диаметр 14,4 мм и длину 1,8 м.

Исходные растворы для этих опытов представлены в таблице 3. Результаты опытов даны в таблице 4. Эти опыты также проводили при давлении 30 бар и 40^oC.

III. Опыты, включающие сочетание нанофильтрации и диафильтрации
Опыты проводили аналогично опытам 1 и 2 за исключением того, что составы были немного другими и что опыты частично осуществляли при других давлениях, при этом концентрирование Phe поддерживали относительно низким путем добавления воды при температуре 40^oC. Phe мог кристаллизоваться приблизительно на 2% в зависимости от состава раствора. Количество воды, добавленной в этих опытах, составляет 50 вес.% относительно количества ретентата, присутствующего в то время, когда производили добавление.

Результаты опытов, которые начинали с составов, перечисленных в таблице 5, представлены в таблице 6 для состояний до и после добавления воды, а также для конечного состояния (соответственно а, в и с). Опыт 10 проводили при давлении 30 бар и 40^oC, опыт II - при давлении 20 бар и 40^oC.

В опыте II перед добавлением воды происходила кристаллизация в незначительной степени. Благодаря разбавлению кристаллы могли раствориться вновь. В конце достигали С_f, равного 2, без присутствия кристаллов.

Сравнительный пример А: обратный осмос
С целью сравнения осуществляли опыт, в котором использовали нейтральную полиамидную мембрану AFC 30 или PCI в эксперименте обратного осмоса в BUF ячейке, содержащей 18 таких трубчатых мембран, размещенных в 2 ряда, в каждом из которых установлены параллельно 9 мембран, при этом общая длина составила 1,2 м, а диаметр 12,5 мм (общая площадь поверхности мембраны 0,9 м²).

Составы в начале и конце опытов представлены в таблицах 1 и 2.

Реферат

Изобретение относится к способу извлечения исходных материалов в процессе получения аспартама с использованием мембранной нанофильтрации водных процессовых потоков, содержащих также растворенную соль, путем обработки каждого из водных процессовых потоков или сочетания двух или нескольких таких потоков, нанофильтрацией с помощью композитной мембраны с удельным удержанием компонентов выше 100Д и одновалентных солей, при этом исходные материалы, присутствующие в ретентате, полученном таким образом, извлекают способами, известными в данной области, или ретентат возвращают в процесс получения аспартама без дополнительной обработки. Изобретение также относится к устройству для осуществления этого способа. Техническим результатом является изыскание способа, посредством которого легко и эффективно извлекают исходные материалы из различных потоков процесса в способах получения аспартама, при этом одновременно концентрируют в потоке или потоках процесса органические компоненты. 2 с. и 10 з.п.ф-лы, 1 ил., 6 табл.

Формула