DE69125166T2 - Elektrodialytisches Verfahren zur Trennung von basischen, sauren und amphoteren Aminosäuren - Google Patents

Description

Verfahren
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trennung eines Gemisches von Aminosäuren in seine Komponenten (basische, saure und amphotere) und insbesondere ein Trennverfahren mittels Elektrodialyse.
• Aminosäuren werden häufig aus Hydrolysaten tierischer und pflanzlicher Proteine extrahiert. Im industriellen Maßstab werden Proteinabfälle von der Tierfutterverarbeitung der Hydrolyse unterzogen, wodurch ein komplexes Gemisch von Aminosäuren hergestellt wird, und dieses Gemisch kann zum Beispiel durch fraktionierte Fällungs- und Ionenaustauschverfahren in die einzelnen Aminsäuren getrennt werden. Diese Verfahren sind jedoch teuer, verbrauchen große Mengen chemischer Reagenzien und erzeugen beträchtliche Mengen möglicherweise verschmutzender Abwässer.
• Es wurde nunmehr ein Verfahren entdeckt, das die Trennung eines Aminosäuregemisches in seine Komponenten durch eine Elektrodialysevorrichtung mit mehreren Kammern ermöglicht, wobei die Mengen der erforderlichen chemischen Reagenzien reduziert werden und das Abwasserproblem geringer wird.
• Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Trennung der sauren, basischen und amphoteren Komponenten eines wäßrigen Gemisches von Aminosäuren bereitgestellt, umfassend das Einführen des Gemisches in eine erste von einer Kationenaustauschermembran und einer Anionenaustauschermembran abgeschlossene Elektrodialysekammer, Anlegen eines elektrischen Potentials an die Kammer, das die basischen Komponenten dazu veranlaßt, durch die Kationenaustauschermembran in eine zweite von einer weiteren Anionenaustauschermembran abgeschlossene Elektrodialysekammer zu treten, und die sauren Komponenten dazu veranlaßt, durch die Anionenaustauschermembran in eine dritte von einer weiteren Kationenaustauschermembran abgeschlossene Elektrodialysekammer zu treten, und Halten des elektrischen Potentials, damit die basischen Komponenten und die sauren Komponenten sich in der zweiten bzw. dritten Kammer anreichern, wodurch die amphoteren Komponenten in der ersten Kammer zurückbleiben, das dadurch gekennzeichnet ist, daß alle Kammern nacheinander entleert werden und die verschiedenen Membranen einem Spülzyklus unterzogen werden, damit das Verschmutzen oder Verstopfen auf ein Minimum reduziert wird.
• Das Aminosäuregemisch umfaßt vorzugsweise ein Proteinhydrolysat und weist deshalb einen hohen Gehalt an sauren Aminosäuren, insbesondere Asparagin- und Glutaminsäure, basischen Aminosäuren, insbesondere Lysin und Arginin, und amphoteren Säuren auf, insbesondere Glycin, Serin, Prolin und Hydroxyprolin.
• Die zweite und dritte Kammer enthalten vorzugsweise eine wäßrige Lösung eines Natriumsalzes, insbesondere Natriumchlorid, als Leitmedium, und eine vierte Elektrodialysekammer, die ebenfalls ein Natriumsalz enthält, ist so neben der zweiten Kammer angeordnet, daß parallel ein Satz von vier Kammern entsteht.
• Vorzugsweise ist eine Anzahl von Sätzen von Kammern vorgesehen, wobei alle ersten Kammern miteinander in Reihe verbunden sind, und die zweite, dritte und gegebenenfalls vierte Kammer ebenfalls jeweils mit der weiteren zweiten, dritten bzw. der gegebenenfalls vierten Kammer verbunden sind.
• Diese Anordnung erlaubt, daß die Flüssigkeit in jeder ersten Kammer frei durch die restlichen ersten Kammern zirkuliert, und ähnlich gilt dies für die zweite, dritte und vierte Kammer. Geeigneterweise sind mindestens vier Sätze von Kammern vorgesehen, obwohl diese Zahl entsprechend dem Volumen des in die Komponenten zu trennenden Aminsäuregemisches erhöht werden kann.
• Gewöhnlich enthält das wäßrige Gemisch von Aminosäuren, das in die erste Kammer eingeführt wird, bereits eine bestimmte Menge Salz, wie Natriumchlorid, und vorzugsweise ist das identische Salz zu Beginn des Elektrodialyseverfahrens auch in der wäßrigen Lösung in der zweiten und dritten Kammer vorhanden. Während des Verfahrens gelangen die Salzkationen in der ersten Kammer in die zweite Kammer, wohingegen die Salzanionen in die dritte Kammer gelangen. Das führt dazu, daß praktisch das gesamte im wäßrigen Gemisch in der ersten Kammer vorhandene Salz daraus entfernt wird.
• Die Kationen- und Anionenaustauschermembranen, die die erste Kammer abschließen, sind geeigneterweise vom "lockeren" Typ, und Beispiele sind CDS 160% von Morgane für die Kationenmembran und ADP für die Anionenmembran.
• Die Membran vom "lockeren" Typ erlaubt den Durchgang großer und kleiner Ionen, so daß sowohl Aminosäure- als auch Salzionen hindurchgehen können.
• Die die zweite Kammer abschließende anionische Membran und die die dritte Kammer abschließende kationische Membran sind vorzugsweise vom "dichten" Typ, und Beispiele sind CDS, Morgane für die Kationenmembran und ADS für die Anionenmembran. Die Membran vom "dichten" Typ erlaubt nur den Durchgang kleiner Ionen, so daß die Salzionen hindurchgehen können, die Aminosäureionen jedoch nicht.
• Membranen vom "lockeren" als auch "dichten" Typ sind dadurch gekennzeichnet, daß sie eine gute Beständigkeit gegenüber Hydroxylionen aufweisen, eine starke Sperre für den Wassertransport darstellen und im Verlauf der Elektrodialyse eine geringe Neigung zur Verschmutzung oder Verstopfung zeigen.
• Es wurde festgestellt, daß eine Anfangskonzentration von etwa 10&supmin;² M Salz in der zweiten und dritten Kammer notwendig ist, damit die optimale Stromdichte für das Elektrodialyseverfahren erreicht wird, und die bevorzugte Stromdichte beträgt von 20 mAcm-² bis 40 mAcm-², stärker bevorzugt etwa 30 mAcm-².
• Die Salzkonzentration in der vierten Kammer ist gewöhnlich größer als die in der zweiten oder dritten Kammer, und eine Anfangskonzentration von etwa 0,5 M hat sich als besonders geeignet erwiesen.
• Zur Einleitung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden das wäßrige Gemisch in jede erste Kammer und die geeigneten Salze in die restlichen Kammern gepumpt. An die Kammern wird Strom angelegt, und dadurch wird jede zweite Kammer mit basischen Aminosäuren und jede dritte Kammer mit sauren Aminosäuren angereichert. Wenn praktisch alle basischen und sauren Aminosäuren aus jeder ersten Kammer entfernt worden sind, wobei nur die amphoteren Aminosäuren zurückbleiben, werden alle Kammern entleert, und die veschiedenen Membranen werden einem Spülzyklus unterzogen, damit das Verschmutzen oder Verstopfen auf ein Minimum reduziert wird. Nach dem Spülen werden ein weiteres Aminosäuregemisch und Salze in die entsprechenden Kammern gepumpt, und das Verfahren wird wiederholt. Der erfindungsgemäße Spülzyklus umfaßt das Waschen der Membranen nacheinander mit Wasser, verdünnter Salzsäurelösung, verdünnter Natriumchloridlösung, verdünnter Natriumhydroxidlösung und schließlich mit verdünnter Natriumchloridlösung.
• Die basische Aminosäurelösung, die aus jeder zweiten Kammer abgelassen wird, ist ebenfalls salzreich, und die Abtrennung des Salzes kann nach einem herkömmlichen Demineralisierungs-Elektrodialyseverfahren mit einer Elektrodialysevorrichtung mit zwei Kammern vorgenommen werden. Die saure Aminosäurelösung, die aus den dritten Kammern abgelassen wird, ist ähnlich salzreich, und die Abtrennung des Salzes kann wie bei den basischen Aminosäuren vorgenommen werden. Jede basische, saure und amphotere Komponente kann dann nach chemischen Standardtrennverfahren, wie ein fraktioniertes Kristallisations-, Umkristallisations- oder Ionenaustauschverfahren, behandelt werden, wodurch die einzelnen Aminosäuren erhalten werden.
• Wenn das ursprüngliche Aminosäuregemisch in Form eines Proteinhydrolysats vorliegt, kann dieses hergestellt werden, indem ein rohes Hydrolysatmedium, das durch Hydrolyse von Proteinabfällen hergestellt wird, zuerst entfärbt und das entfärbte Hydrolysat durch Elektrodialyse demineralisiert wird.
• Das Entfärben erfolgt vorzugsweise nach bekannten Verfahren durch Behandeln des Hydrolysats mit Aktivkohle und Regenerieren der Kohle mit einem Mikrofiltrationssytem. Das entfärbte Hydrolysat kann mit einer herkömmlichen Elektrodialysevorrichtung mit zwei Kammern demineralisiert werden, wobei vorzugsweise kompakte, dichte Ionenaustauschermembranen, wie die von Morgane hergestellten, verwendet werden.
• Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnung detaillierter beschrieben, die eine schematische Darstellung einer Elektrodialysevorrichtung für die Trennung sauerer, basischer und amphoterer Aminosäuren ist.
• Die Zeichnung zeigt eine Elektrodialysevorrichtung, die mindestens vier Sätze von vier Kammern (1, 2, 3, 4) umfaßt, von denen zwei gezeigt sind. Jede ist durch eine Reihe sich abwechselnder Kationenaustauschermembranen (5, 7, 9, 11) und Anionenaustauschermembranen (6, 8, 10, 12) abgeschlossen. Die Membranen 5 und 9 sind vom dichten Typ (CDS (Morgane)), die Membranen 6 und 10 sind ebenfalls vom dichten Typ (ADS (Morgane)), die Membranen 7 und 11 sind vom lockeren Typ (160% (Morgane)), und die Membranen 8 und 12 sind ebenfalls vom lockeren Typ (ADP (Morgane)).
• Die Kammer 11 ist durch die Leitung 15 mit der Kammer 1 des benachbarten Satzes verbunden, ähnlich sind die Kammern 2, 3 und 4 durch die Leitungen 16, 17 bzw. 18 mit den Kammern 2, 3 und 4 des benachbarten Satzes verbunden. Jede Leitung 15, 16, 17, 18 ist mit einem Ablaßhahn (nicht gezeigt) verbunden, so daß die Flüssigkeit am Ende eines Elektrodialysezyklus aus jeder Kammer abgelassen werden kann.
• Das zu trennende Gemisch von Aminosäuren in Form eines Proteinhydrolysats wird in Mischung mit etwa 1 bis 2 Gew.-% Natriumchlorid (vom vorherigen Demineralisierungsverfahren erhalten) in die Kammer 3 eingelassen, und in die restlichen Kammern wird eine Natriumchloridlösung eingeführt.
• Die Kammer 1 enthält 0,5 M Natriumchlorid, und die Kammern 2 und 4 enthalten jeweils 10&supmin;² M Natriumchlorid.
• An die Ionenaustauschermembranen wird eine Spannung angelegt und so eingestellt, daß eine Stromdichte von 30 mA/cm² erhalten wird. Dies führt dazu, daß die sauren Aminosäuren in der Kammer 3 zusammen mit Chloridionen durch die Membran 8 wandern und sich in der Kammer 4 anreichern. Eine weitere Wanderung negativer Ionen durch die Kationenaustauschermembran 9 wird verhindert, da die Bewegung der Anionen durch die Membran 9 blockiert wird. Gleichzeitig wandern basische Aminosäuren zusammen mit Natriumionen in der Kammer 3 durch die Membran 7 und reichern sich in der Kammer 2 an. Eine weitere Wanderung positiver Ionen durch die Anionenaustauschermembran 6 wird verhindert, da die Bewegung der Kationen durch die Membran 6 blockiert wird.
• Während des Stromflusses gelangen Natriumionen in jeder Kammer 1 durch die Kationenmembran 5 oder 9 in die benachbarte Kammer 4, und Chloridionen gelangen durch die Anionenmembranen 6 oder 10 in die Kammer 2, wodurch die Konzentration von Natriumchlorid in jeder Kammer abnimmt.
• Schließlich wird das gesamte restliche Natriumchlorid in der Kammer 3 entfernt, und dann wird jede Kammer 1 entleert, und der Kammer wird eine Wassermenge zugesetzt, die dem ursprünglichen Volumen des Proteinhydrolysats gleicht. Dann wird der Stromfluß wiederaufgenommen, und jeder Kammer 1 werden kleine Mengen einer 2 M NaCl-Lösung zugesetzt, so daß die Elektrodialysespannung 6 V nicht übersteigt. Die Stromdichte wird bei 5 mA/cm² gehalten. Jeder Kammer 2 werden auch kontinuierlich geringe Mengen 5 N Natriumhydroxid zugesetzt, so daß der pH-Wert 9,5 nicht übersteigt.
• Nach einem weiteren Zeitraum sind alle basischen und sauren Aminosäuren aus jeder Kammer 3 entfernt worden, es bleiben nur die amphoteren Säuren zurück. Jetzt werden alle Kammern entleert, und die Austauschermembranen werden einem Spülzyklus von etwa 20 Minuten unterzogen.
• Die Spülungen erfolgen mit nachstehenden Lösungen in der angegebenen Reihenfolge:
• reines Wasser, 0,1 M HCl-Lösung, 0,1 M NaCl-Lösung, 0,1 M NaOH-Lösung, 0,1 M NaCl-Lösung.
• Nach dem Spülzyklus werden weiters Proteinhydrolysat und Salzlösungen in die entsprechenden Kammern eingeleitet, und das Elektrodialyseverfahren wird wiederholt.
• Das beim erfindungsgemäßen Elektrodialyseverfahren verwendete Proteinhydrolysat stammt von Proteinabfällen und muß vor dem Gebrauch entfärbt und teilweise demineralisiert werden. Die bei diesem Verfahren verwendeten Hydrolysate umfassen Keramine A (von French Company, Guyomarch hergestellt) und das Proteinhydrolysat RW (von Diamalt hergestellt), und diese enthalten normalerweise etwa 15 bis 20 Gew.-% Aminosäuren und 13 bis 15 Gew.-% Natriumchlorid. Das Entfärben erfolgt mit Aktivkohle und einem Mikrofiltrationssytem, das die Regenerierung und Gewinnung der Kohle ermöglicht.
• Die Demineralisierung erfolgt mit einer herkömmlichen Elektrodialysevorrichtung mit zwei Kammern mit kompakten dichten Membranen, wie den Morgane-Membranen. Die Stromdichte wird bei 60 mA/cm² festgelegt und bei diesem Wert gehalten, bis die Konzentration von Natriumchlorid 1 mol l-¹ erreicht. Dann wird die Stromdichte bei 30 mA/cm² gehalten, bis die Konzentration von Natriumchlorid 0,2 mol l&supmin;¹ erreicht, und die Elektrodialyse wird unterbrochen.
• Das aus der Kammer 3 abgelassene amphotere Säuregemisch wird vorzugsweise mit einer standardgemäßen Elektrodialysevorrichtung mit zwei Kammern in seine Säurebestandteile getrennt.
• Zuerst wird dem Gemisch in der ersten Kammer konzentriertes Natriumhydroxid zugesetzt, damit der pH-Wert auf 8,7 bis 9,0 steigt. Die Salzlösung in der zweiten Kammer liegt am Anfang bei 10&supmin;² M.
• Bei einer Stromdichte von 30 mA/cm² werden 60 bis 80% der Glycin- und Serinkomponenten des Gemisches in die Salzlösungskammer abgetrennt. Nach dem Entleeren der Salzlösungskammer werden weitere 10&supmin;² M Natriumchlorid zugesetzt, und die Elektrodialyse wird fortgesetzt, bis eine Bewegung von Prolin in die Salzkammer festgestellt werden kann. Somit werden die erste Kammer mit Prolin angereichert und die Salzlösungskammer mit den restlichen amphoteren Säuren angereichert.

Claims (10)

1. Verfahren zur Trennung der sauren basischen und amphoteren Komponenten eines wäßrigen Gemisches von Aminosäuren, umfassend Einführen des Gemisches in eine erste von einer Kationenaustauschermembran und einer Anionenaustauschermembran abgeschlossene Elektrodialysekammer, Anlegen eines elektrischen Potentials, das die basischen Komponenten dazu veranlaßt, durch die Kationenaustauschermembran in eine zweite von einer weiteren Anionenaustauschermembran abgeschlossene Elektrodialysekammer zu treten und die sauren Komponenten dazu veranlaßt, durch die Anionenaustauschermembran in eine dritte von einer weiteren Kationenaustauschermembran abgeschlossene Elektrodialysekammer zu treten und Halten des elektrischen Potentials, damit die basischen Komponenten und die sauren Komponenten sich in der zweiten bzw. dritten Kammer anreichern, wodurch die amphoteren Komponenten in der ersten Kammer zurückbleiben, dadurch gekennzeichnet, daß alle Kammern nacheinander entleert werden und die verschiedenen Membranen einem Spülzyklus unterzogen werden, damit Verschmutzen oder Verstopfen auf ein Minimum reduziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Spülzyklus Waschen der Membranen nacheinander mit Wasser, verdünnter Salzsäure, verdünnter Natriumchloridlösung, verdünnter Natriumhydroxidlösung und schließlich verdünnter Natriumchloridlösung umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Aminosäuregemisch ein Proteinhydrolysat, basische Aminosäuren und amphotere Säuren umfaßt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zweite und die dritte Kammer eine wäßrige Lösung eines Natriumsalzes als Leitmedium enthält und eine vierte Elektrodialysekammer, die ebenfalls Natriumsalz enthält, neben der zweiten Kammer so angeordnet ist, daß parallel ein Satz von vier Kammern entsteht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Vielzahl an Sätzen von Kammern bereitgestellt wird, alle ersten Kammern miteinander in Reihe geschaltet sind und jede zweite, dritte und gegebenenfalls vierte Kammer ebenfalls jeweils an die weitere zweite, dritte bzw. gegebenenfalls vierte Kammer angeschlossen ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei mindestens vier Sätze von Kammern bereitgestellt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Kationen- und die Anionenaustauschermembran, die die erste Kammer abschließen, vom "lockeren" Typ sind, wie CDS 160 %, Morgane für die Kationenmembran und ADP, Morgane, für die Anionenmembran.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die anionische Membran, die die zweite Kammer abschließt und die kationische Membran, die die dritte Kammer abschließt, Membranen vom dichten Typ sind, wie CDS, Morgane, für die Kationenmembran und ADS, Morgane, für die Anionenmembran.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine anfängliche Konzentration von etwa 10&supmin;²M Salz in der zweiten und dritten Kammer vorliegt, und die anfängliche Konzentration an Salz in der vierten Kammer etwa 0,5 M ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Stromdichte 20 mAcm&supmin;² bis 40 mAcm&supmin;² beträgt.