专利名称：活性碳处理的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过采用活性碳处理来纯化化合物的方法。
多年以来，在纯化有用化合物的方法中采用活性碳处理，其中大量的活性碳粉末用于从有用化合物中去除如有色物质的杂质。然而，使用大量碳粉末时的问题是活性碳颗粒通常会向下游迁移，导致后续回收步骤中的碳污染。而且，在工业规模的纯化方法中使用大量的碳对健康和安全无益。最近，开发了克服这些问题的活性碳滤芯(cartridge)。在这些滤芯内，活性碳被固定在过滤介质中。活性碳滤芯的使用在对青霉素V的纯化中有所描述(R.Jansson和M.Weaver，Manufacturing chemist，2002年3月，第29-30页)。然而，虽然碳滤芯的使用避免了耗时的回收过程并改善了最终产品的质量，但是滤芯并未在工业方法中得到广泛的应用，尽管对改进传统碳处理的需求由来已久。
一个问题是，对于在商业化高效的工业规模下用活性碳滤芯来进行纯化来说，所需化合物的收率并不总是足够的。
本发明的目的是克服所需化合物的收率不足的问题。此问题由本发明通过使含所需化合物的进料通过在串联和逆流方式下操作的一系列含活性碳过滤器单元来解决的。
因而，本发明涉及纯化化合物的方法，所述方法包括使用包含固定在基体中的活性碳的过滤器单元的活性碳处理，该处理包括a)使适当体积的含所述化合物的进料通过具有串联操作的n个相连的过滤器单元的第一序列以获得流出液，其中n至少为2，所述过滤器单元在序列中被赋予位置序号1至n，位置序号1被首先供给进料，b)在适当体积的进料通过之后，在1至n-1之间的任何位置序号处将过滤器单元从过滤器单元第一序列脱离，并在位置序号高于脱离的过滤器单元的位置序号的任意位置连接新的过滤器单元，得到过滤器单元下一序列，
c)使下一适当体积的含所述化合物的进料通过所述过滤器单元下一序列以获得下一流出液，d)可选地，合并a)和c)中所得的流出液，和e)从流出液中回收化合物。
本发明所使用的碳处理可提高经纯化的化合物的收率。而且，本发明所使用的碳处理还使活性碳的有效吸附容量完全或几乎完全利用。此外，应用根据本发明的活性碳处理提供了高处理量的纯化体系。高处理量意味着处理时间短并且使流程得以改善。这导致容量提高，从而可在工业规模下生产更多的有用化合物。而且，特别是对于纯化不稳定化合物的方法来说，纯化的化合物的收率得以提高。
根据本发明的碳处理适用于任何其中使用传统活性碳处理的纯化所需化合物的方法。
有利的是，在本发明中，需纯化的化合物可以是不稳定化合物，即随着处理和/或存储时间增长而分解和/或降解的化合物。
所述化合物可以包含二次代谢物或蛋白质。二次代谢物可以包括抗生素、维生素、类胡萝卜素或多不饱和脂肪酸(PUFA)。蛋白质可以包括酶，如蛋白酶、淀粉酶、纤维素酶、木聚糖酶、乳糖酶，或其前体。抗生素可以包括链霉素、氯霉素、放线菌素、四环素、游霉素、β-内酰胺化合物如棒酸、青霉素G、青霉素V、头孢菌素C、头霉素、6-氨基青霉素酸(6-APA)、7-氨基去乙酰氧基头孢烷酸(7-ADCA)、7-氨基头孢烷酸(7-ACA)、半合成青霉素如羟氨苄青霉素、氯苯唑青霉素、氟氯青霉素、二甲氧基苯青霉素、苯唑青霉素、羧苄青霉素、氨苄青霉素和半合成头孢菌素如头孢氨苄、cephadrin、头孢噻啶、头孢噻吩、头孢克洛、头孢羟氨苄。类胡萝卜素可以包括β-胡萝卜素。
在本发明的一个具体实施方式
中，化合物是通过用微生物发酵来制备的。微生物可以是源自哺乳动物或植物的能够在发酵时产生所需化合物的原核或真核细胞或细胞线。优选地，微生物是细菌、真菌或酵母。细菌可以是大肠杆菌(E.coli)、链酶菌(Streptomyces)、杆菌(Bacillus)或丙酸杆菌(Propionibacterium)属。真菌可以是青霉菌(Penicillium)、曲霉菌(Aspergillus)或毛霉菌(Mucor)属。酵母可以是酿酒酵母(Saccharomyces)、克鲁维酵母(Kluyveromyces)或毕赤酵母(Pichia)属。
在本发明的一个优选实施方式中，化合物是通过用链霉菌种作为微生物发酵而获得的。因为由链霉菌种得到了发酵液，而且制备的化合物含有可明显显示为黄-红/棕色的有色物质和其它杂质，所以通过链霉菌种发酵获得的化物特别适合用根据本发明的碳处理来纯化。根据本发明，这些有色物质及其它杂质可十分有效地从化合物中去除，而且纯化的化合物的收率令人惊讶地高。优选的链霉菌种可以是棒状链霉菌(Streptomycesclavuligerus)、天蓝色链霉菌(S.coelicolor)、灰色链霉菌(S.griseus)、委内瑞拉链霉菌(S.venezuela)、金色链霉菌(S.aureofaciens)。由这些菌属制备的化合物可以是棒酸、链霉素、头孢霉素、氯霉素、四环素、放线菌素、β-胡萝卜素。优选地，化合物是棒酸。
可以通过过滤将包含所需化合物的发酵液与发酵液中的生物质分离。可选地，在用活性碳处理之前，可以使用本领域已知的技术来浓缩包含化合物的发酵液和/或沉淀或纯化化合物。进行根据本发明的活性碳处理的进料含有所述化合物并包含溶剂。通常依据所需的化合物来使用溶剂。溶剂可以是水、醇、酮、酯、醚或其混合物。优选地，溶剂包含酯如乙酸烷基酯，更优选乙酸乙酯或乙酸甲酯。
过滤器单元包含固定在基体中的活性碳。基体可以是任何可渗透含化合物的进料的多孔过滤介质。优选地，基体包含载体材料和/或粘合材料。基体中的载体材料可以是合成聚合物或天然聚合物。合成聚合物可以包括聚苯乙烯、聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯。天然聚合物可以包括纤维素、多糖、葡聚糖、琼脂糖。优选地，聚合物载体材料是纤维网络形式的，从而提供足够的机械刚度。粘合材料可以是树脂。基体可以具有膜片(membrane sheet)的形式。
优选地，固定在基体中的活性碳可以是滤芯的形式。滤芯是自备式和易更换部件，其包含固定在基体中并制成膜片形式的粉末状活性碳。膜片可以装于塑性可渗透载体中以形成盘。或者，膜片可以是螺旋缠绕式的。为了提高过滤器的表面积，可以堆积数个盘。优选地，彼此堆积的盘具有中心管道，用来收集和去除来自过滤器单元的经碳处理的进料。堆积盘的构形可以是双凸镜状的。通过将额外的滤芯放置在收集器轴线上(并由此增大堆积高度)，或者通过在同一过滤器单元中平行排列滤芯堆叠，并可选地在过滤器外壳底部的一个出口中将分立的收集器的轴相连，还可以对现有的过滤器单元添加额外的滤芯。
所使用的碳可来源于不同的原材料，如泥煤、褐煤、木材或椰壳。碳源的选择取决于要分离的化合物，并可根据本领域的已知方法来确定。可以对活性碳进行如蒸汽或化学处理的本领域已知的任何方法。
在本发明中，固定在基体中的活性碳可以放置在外壳中以形成独立的过滤器单元。每个过滤器单元具有含要纯化的化合物的进料的进口和出口。适用于本发明的过滤器单元的例子是得自Cuno Inc.(Meriden，USA)或Pall Corporation(East Hill，USA)的碳滤芯。
在本发明的方法中，在通过适当体积的进料之后，在1至n-1之间的任何位置序号的过滤器单元从1至n相连的过滤器单元序列脱离，并在位置序号高于脱离的过滤器单元的位置序号的任意位置连接新的过滤器单元(过滤器单元交换)。“适当体积的进料”的大小(或过滤器单元交换的时刻)取决于各种参数并可通过标准的工艺优化来确定。例如，进料体积可依赖于流出液的所需质量和/或所用过滤器单元的数量。因此，过滤器单元交换可以发生在所用过滤器单元基本上对杂质饱和的时刻。所用过滤器单元基本上对杂质饱和的时刻可以例如通过流出液达到无法接受的色度值而看出。
在一个优选实施方式中，通过具有n个相连的过滤器单元第一序列的进料体积与通过过滤器单元下一序列的下一进料体积相同。以此方式，工艺流程尽可能保持简单与可再生。
在另一个优选实施方式中，过滤器单元可以在位置序号1处脱离，新过滤器单元可在位置序号n+1处连接。
为了降低所需化合物的损失，可在过滤器单元交换之前用溶剂对其进行清洗，优选使用与化合物溶解于其中的溶剂相同的溶剂。用溶剂清洗之前和/或之后可以用气体优选氮气进行净化。这样，吸附至碳的残留产品和/或留在基体内的进料中的残留产品可以被回收。
在根据本发明的方法中，含化合物的进料通过串联操作的至少2个相连的过滤器单元，即n至少为2。优选n为2至10。更优选地，n为2至4，最优选n为3。另外，一些串联操作的过滤器单元可以额外并联相连以对包含化合物的大的进料流进行纯化处理。
在本发明的一个具体实施方式
中，使用了具有2个相连的过滤器单元的序列，向位置序号1即序列前端的过滤器单元供给含要纯化的化合物的进料，此过滤器单元1的流出液通过位置序号2的第二过滤器单元。当适当体积的进料通过过滤器单元时，通过脱离位置序号1的过滤器单元并在位置序号3连接新的过滤器单元来进行过滤器单元交换，得到重新编号的位置序号，原因是最初的位置序号2处的过滤器单元现在首先被进料并赋予位置序号1，先前位置序号3处的过滤器单元现在被赋予位置序号2。
在本发明的另一个实施方式中，当使用具有3个相连的过滤器单元的序列时，向位置序号1即序列前端的过滤器单元供给含要纯化的化合物的进料，此过滤器单元1的流出液通过位置序号2的第二过滤器单元，此过滤器单元2的流出液通过位置序号3的第三过滤器单元。当适当体积的进料已经通过这三个过滤器单元时，通过脱离位置序号1的过滤器单元并在位置序号4连接新的过滤器单元来进行过滤器单元交换，得到随后重新编号的位置序号，原因是最初的位置序号2处的过滤器单元现在首先被进料并赋予位置序号1，先前位置序号3处的过滤器单元现在被赋予位置序号2，连接在位置序号4的新过滤器单元现在被赋予位置序号3。或者，不脱离第一过滤器单元，而是可以脱离第二过滤器单元(即在位置序号2处)，结果由于位置序号1的过滤器单元仍首先被进料使其保持原号，位置序号3的过滤器单元现在被赋予位置序号2，连接在位置序号4的新过滤器单元在第二序列中被赋予位置序号3。
从序列中脱离的过滤器单元含有已使用的活性碳，即含要被纯化的化合物的进料已通过此活性碳。连接至序列的新的过滤器单元可以含有未使用的活性碳(即之前未被使用过的活性碳)或含有之前用过但已再生的活性碳。新的过滤器单元在使用之前，可以用溶剂对其进行润湿，然后用氮气净化。
再生的活性碳已经历再生处理以恢复活性碳的吸附容量。再生可以通过采用根据本领域中已知方法用溶剂进行清洗来完成。典型的再生溶剂可以是甲醇、乙醇、丙酮或乙酸乙酯。再生可在原地进行。原地是指用溶剂对含要再生的活性碳的过滤器单元进行清洗，而不需要物理移动过滤器单元使其离开序列中的位置或者物理移动活性碳使其离开过滤器单元。在再生过程中，可对活性碳进行以下操作用之前的进料中存在的溶剂进行清洗，和/或用再生溶剂进行清洗，和/或用下一进料中存在的溶剂进行润湿。在清洗和/或润湿操作中间可以用气体(优选氮气)对活性碳进行净化。
在根据本发明的方法中，每个过滤器单元均可以通过物理移动该单元从过滤器单元序列相连和脱离。优选地，不通过对该单元进行物理移动而将过滤器单元与过滤器单元序列连接和脱离。这可以通过流动分布系统来实现。此流动分布系统可以是全自动的。优选地，流动分布系统可以包括多功能阀和多通阀，优选断-泄型阀。可以通过软件来控制所述阀的操作。更优选地，过滤器单元的连接和脱离在同时发生。
在本发明中，本方法可以在间歇、半连续或连续模式下操作。
以间歇模式操作是指这样的方法，其中适当体积的进料通过多个串联操作的相连的过滤器单元，并且其中所述进料在过滤器单元脱离和/或新过滤器单元连接至序列之时终止。随后，在脱离和连接(过滤器单元交换)发生之后，继续下一适当体积的进料流。
以连续模式操作是指这样的方法，其中在过滤器单元脱离和新过滤器单元连接之时，进料流不中断，即在过滤器单元交换之时不中断。因此，适当体积的进料和下一适当体积的进料连续地通过具有n个相连的过滤器单元的序列，而过滤器单元交换发生在合适的时间间隔。在连续模式下操作优选在其中在过滤器单元交换必须发生之前有多少体积的进料可以通过过滤器单元序列是已知的情况下进行。可由经验或通过例如在线测量来获得此知识。以连续模式进行操作的前提条件是过滤器单元交换操作所需的时间应当短于过滤器单元对杂质基本上饱和所需的时间。当例如需要改变成新(间歇)的操作方式时或者出于清洁或维护的原因，连续过程可以结束。
以半连续模式操作是指这样的方法，其中在过滤器单元脱离和新过滤器单元连接之时，进料流不中断，即在过滤器交换之时不中断，但是其中进料被中断以防止过滤器单元对杂质基本上饱和。当过滤器单元交换操作所需的时间长于过滤器单元对杂质基本上饱和所需的时间时，上述后一种情况可能发生。
根据本发明的方法可以以各种实施方式进行，所有实施方式均旨在提高化合物的收率。
在第一个实施方式中，进料的流率为0.05至400L/min，优选20至100L/min，更优选30至40L/min。进料的流率至少为0.05L/min。优选流率至少为20L/min，更优选流率至少为30L/min。流率可以具有的最大值为400L/min。优选地，流率不高于100L/min，更优选地，流率不高于40L/min。
在另一个实施方式中，当固定在基体中的活性碳是具有以平方米(m2)给出的表面积的膜片形式时，进料的通量为1至50L/m2/min，优选1.5至20L/m2/min，更优选1.5至10L/m2/min。优选地，通量至少为1L/m2/min。更优选地，通量至少为1.5L/m2/min。通量可以具有的最大值为50L/m2/min，优选地，通量不高于20L/m2/min，更优选地，通量不高于15L/m2/min。通量是指每平方米膜片表面积的进料流率。
在另一个实施方式中，含化合物的进料在单个过滤器单元中的停留时间至少为15秒，最长60分钟。含化合物的进料在单个过滤器单元的停留时间至少为15s，优选至少30s，更优选至少60s，最优选2min。化合物在单个过滤器单元中的停留时间最长为60min，优选不超过30min，更优选不超过15min。含化合物的进料在单个过滤器单元中的停留时间可以通过测量进料进出单个过滤器单元的时间差来确定。当含化合物的进料通过n个串联的过滤器单元时，进料在序列中的总停留时间在单个过滤器单元中的停留时间的n倍。
在另一个实施方式中，本方法可以在-10至+40℃的温度下操作。显然，选择温度以使含化合物的进料在通过过滤器单元之前和之后均为液相。温度可以依赖于进料中存在的溶剂的类型，以及化合物的热稳定性。温度至少为-10℃，优选至少-2℃，更优选至少5℃。温度可以不高于40℃，优选不高于25℃，更优选不高于15℃。
在应用根据本发明的活性碳处理之后，根据本领域技术人员已知的方法从流出液中回收化合物。用于回收的方法通常取决于化合物的类型和/或预定用途。回收可以包括以下操作之一或至少两个的组合用合适的稳定剂稳定流出液中的化合物；浓缩流出液；干燥流出液；对流出液进行粒化处理；通过例如结晶和/或柱色谱从流出液中提纯化合物。
经回收的化合物可以进一步转化成药学上可接受的盐或食品等级的产品。
实施例1在活性碳处理之前，将通过发酵棒状链霉菌而获得的棒酸发酵水溶液进行过滤、提取并浓缩至30g/l。将500ml的浓缩提取液添加至装有50g粉末状活性碳和磁搅拌器的烧杯中。反应90分钟之后，通过使用布氏漏斗将活性碳与提取液分离。通过用色度计测量活性碳处理之前和之后的提取液的消光差异来确定脱色率。脱色率为90％。活性碳处理后的棒酸收率为86％。
实施例2在活性碳处理之前，将发酵得到的棒酸发酵水溶液过滤、提取并浓缩至30g/l。将500ml浓缩提取液通过含有效表面积约为0.0057m2的活性碳过滤板的单个过滤器单元(得自CUNO Ltd.的ZetacarbonR35，φ90mm)。通过过滤器单元的含浓缩提取液的进料的流率设定为0.03L/min。通量为5.0L/min/m2。脱色率为90％。碳处理后的棒酸收率为90％。
实施例3将37.5升含浓缩棒酸提取液(25g/L)的进料通过串联操作的3个相连的过滤器单元，每个过滤器单元含有新鲜的有效表面积约为0.29m2的活性碳滤芯(得自CUNO Ltd.的ZetacarbonC08DB；R35S)。进料的流率为1.0L/min，通量为3.5L/min/m2。将含不纯提取液的进料首先给料至位置序号1的过滤器单元。位置序号2的过滤器单元与来自过滤器单元1的流出液接触。位置序号3的过滤器单元与来自过滤器单元2的流出液接触。额外的第四过滤器单元排列在序列的位置序号4的位置上，但因其并未与具有3个过滤器单元的序列相连，所以并未使用。
在将37.5升提取液通过3个过滤器单元之后，将首先进料的1号过滤器单元从序列中脱离，然后将先前位于位置序号4的额外过滤器单元连接至序列，得到新指定的位置序号先前位于位置序号4的单元现在被赋予位置序号3；先前位于位置序号3的单元现在被赋予位置序号2；先前位于位置序号2的单元现在被赋予位置序号1，从而形成具有串联操作的3个相连过滤器单元的第二序列，其中该序列中的第一和第二过滤器单元均已使用一次，而该序列中的第三过滤器单元是新的。在脱离过滤器单元并连接新过滤器单元之后，通过将37.5升未碳处理的含浓缩棒酸提取液的进料通过此3个相连过滤器单元的第二序列而继续进料。在此第二过滤过程中，脱色率为94％。棒酸的总收率为94％。
实施例4重复实施例3的活性碳处理，除了下述区别具有3个相连过滤器单元的第一和第二序列中的过滤器单元分别包含位置序号1处的已使用两次的滤芯、位置序号2处已使用一次的滤芯和位置序号3处的新滤芯。在第二过滤过程中，脱色率为93％。收集的全部脱色提取液中的棒酸的收率为97％。
实施例5如实施例4来进行活性碳处理。在将含棒酸的进料通过过滤器单元第二序列之后，通过将21公升乙酸乙酯通过过滤器单元来对其中包含的活性碳滤芯进行洗涤。脱色率为94％。收集的全部脱色提取液中的棒酸的收率为98％。
权利要求
1.纯化化合物的方法，包括使用含固定在基体中的活性碳的过滤器单元的活性碳处理，所述处理包括a)使适当体积的含所述化合物的进料通过具有串联操作的n个相连的过滤器单元的第一序列以获得流出液，其中n至少为2，所述过滤器单元在序列中被赋予位置序号1至n，位置序号1被首先供给进料，b)在适当体积的进料通过之后，在1至n-1之间的任何位置序号处将过滤器单元从过滤器单元第一序列脱离，并在位置序号高于脱离的过滤器单元的位置序号的任意位置连接新的过滤器单元，得到过滤器单元下一序列，c)使下一适当体积的含所述化合物的进料通过所述过滤器单元下一序列以获得下一流出液，d)可选地，合并a)和c)中所得的流出液，和e)从流出液中回收化合物。
2.根据权利要求1的方法，其中所述过滤器单元在1至n-1之间的位置序号处脱离，并且其中所述新的过滤器单元在位置序号n+1处连接。
3.根据权利要求1的方法，其中所述过滤器单元在位置序号1处脱离，并且其中所述新的过滤器单元在位置序号n+1处连接。
4.根据权利要求1至3中任何一项的方法，其中所述串联操作的相连过滤器单元的个数n为2至10。
5.根据权利要求1至4中任何一项的方法，其中所述处理是在间歇、半连续或连续模式下操作的。
6.根据权利要求1至5中任何一项的方法，其中所述进料的流率为0.05至400L/min，优选20至100L/min，更优选30至40L/min。
7.根据权利要求1至6中任何一项的方法，其中所述固定在基体中的活性碳是膜片形式的。
8.根据权利要求7的方法，其中所述膜片上的通量为1至50L/m2/min，优选1.5至20L/m2/min，更优选1.5至10L/m2/min。
9.根据权利要求1至8中任何一项的方法，其中所述含化合物的进料在单个过滤器单元中的停留时间至少为15秒，最长60分钟。
10.根据权利要求1至9中任何一项的方法，其中所述方法在-10℃至40℃的温度下操作。
11.根据权利要求1至10中任何一项的方法，其中至少一个脱离的过滤器单元通过用溶剂清洗而原地再生。
12.根据权利要求1至11中任何一项的方法，其中所述化合物是不稳定化合物。
13.根据权利要求1至12中任何一项的方法，其中所述化合物是二次代谢物或蛋白质。
14.根据权利要求13的方法，其中所述二次代谢物选自抗生素、维生素、类胡萝卜素或多不饱和脂肪酸。
15.根据权利要求1至14中任何一项的方法，其中所述化合物是通过用微生物发酵获得的。
16.根据权利要求14的方法，其中所述微生物是链霉菌属。
17.根据权利要求15的方法，其中所述链霉菌属选自棒状链霉菌、天蓝色链霉菌、灰色链霉菌、委内瑞拉链霉菌、jumonjinensis链霉菌、桂滨链霉菌或金色链霉菌。
18.根据权利要求14-17的方法，其中所述化合物选自棒酸、链霉素、氯霉素、四环素或β-胡萝卜素。
19.根据上述权利要求中任何一项的方法，所述方法进一步包括将所述化合物转化成药学上可接受的盐或食品等级产品的步骤。
全文摘要
本发明涉及用活性碳处理来纯化化合物的方法。在根据本发明的方法中，在逆流模式下对一些含固定在基体中的活性碳的过滤器单元进行串联操作。在通过适当体积的进料之后，过滤器单元在特定位置序号处从过滤器单元序列中脱离，然后额外的过滤器单元在另一个特定位置序号处连接，从而得到过滤器单元的下一序列，下一体积的进料继续通过其中。此方法克服了在传统活性碳处理中产生的纯化的化合物的收率下降的问题。
文档编号B01J20/34GK1863592SQ200480028772
公开日2006年11月15日 申请日期2004年10月7日 优先权日2003年10月10日
发明者彼得·弗努克沃斯克, 罗伯特·蒂格弗兰克, 阿尔夫·托马斯·米卡埃尔·荣松 申请人:帝斯曼知识产权资产管理有限公司