Un sistema de lecho móvil simulado.

Un sistema SMB para fraccionar una disolución en dos o más fracciones,

comprendiendo el sistema al menos doscompartimentos, que comprenden un dispositivo de distribución, un lecho de resina y un dispositivo de recogida, endonde al menos uno de los compartimentos sirve como compartimento de alimentación, caracterizado por que eldiámetro de los compartimentos es al menos aproximadamente un metro y la altura de los compartimentos es deaproximadamente 0,2 a aproximadamente 2,0 m, los compartimentos están uniformemente y totalmente rellenos conuna resina de intercambio iónico basada en un polímero con un tamaño de perla en el intervalo de aproximadamente50 a aproximadamente 250 μm, y la resina tiene una distribución de tamaños uniforme, y en donde el volumen demezcla de los gradientes de concentración entre diferentes componentes causados por los dispositivos dedistribución y recogida en los compartimentos y las tuberías intermedias entre los lechos de resina de doscompartimentos adyacentes no es más que 5% del volumen de cada uno de los compartimentos adyacentes, y elvolumen de mezcla de los gradientes de concentración se mide inyectando en el sistema un gradiente deconcentración que tiene un volumen de gradiente original, que es el volumen en el que la concentración de laalimentación en el sistema aumenta de 1 g/100 ml a 45 g/100 ml, midiendo la cantidad de volumen que hace faltapara que aumente la concentración hasta el valor del gradiente de concentración inyectado en la salida del sistemamedido, determinando el volumen de mezcla descontando el volumen de gradiente original del volumen medido delgradiente de salida.

Un sistema de lecho móvil simulado.

Campo de la invención La presente invención se refiere a un sistema para fraccionar una disolución en dos o más fracciones enriquecidas ventajosamente con diferentes componentes usando resinas con un pequeño tamaño de perla. Particularmente, la presente invención se refiere a un sistema para fraccionar una disolución mediante un procedimiento cromatográfico de lecho móvil simulado (SMB, por sus siglas en inglés) usando resinas con un pequeño tamaño de perla. El sistema de la invención se puede aplicar al fraccionamiento de disoluciones como disoluciones de melazas, disoluciones de vinaza y licores de cocción al sulfito, por ejemplo. El sistema SMB puede ser continuo o secuencial, o comprender una combinación de un procedimiento continuo y un procedimiento secuencial. El sistema de la invención se aplica especialmente a fraccionamientos en columnas a escala industrial.

Antecedentes de la invención La eficacia de las columnas cromatográficas se puede expresar como el número de platos teóricos. La ecuación de van Deemter da la altura equivalente de un plato teórico (HETP, por sus siglas en inglés) , que es dependiente del tamaño de perla, la velocidad de difusión y el caudal lineal.

En el caso de la cromatografía industrial, donde se utilizan velocidades de fluido relativamente altas, se puede usar una versión simplificada de la ecuación de van Deemter:

HETP = Adp + Bdp2u Donde dp = el tamaño de perla u = velocidad lineal intersticial A = 2Am/ (udp) B = 2ε/ (1-ε) (K’i/1+K’i) ) 2/ (15DiKi) Am = coeficiente de mezcla axial Ki = coeficiente de reparto para el componente i K’i = factor de capacidad para el componente i ε = porosidad del lecho Di = coeficiente de difusión para el componente i en la fase sólida La caída de presión puede ser estimada usando la ecuación de Blake-Kozeny

∆P/L = ( ( (1-ε) 2) /ε3) (150μ/dp2) u Donde ∆P = caída de presión ε = porosidad del lecho μ = viscosidad del fluido L = longitud del lecho u = velocidad lineal intersticial A la misma velocidad lineal, la misma porosidad del lecho, la misma dispersión y el mismo número de platos teóricos, se pueden calcular los gráficos presentados en la Figura 1, que ilustran la capacidad y las caídas de presión frente al tamaño de perla. Los gráficos de la Figura 1 indican claramente que se puede alcanzar una eficacia mucho más alta con un tamaño de perla más pequeño. Se pueden usar lechos de resina más cortos con un tamaño de perla más pequeño para dar el mismo número de platos teóricos. La caída de presión aumenta al disminuir el tamaño de perla, pero este aumento es limitado por la disminución simultánea de la longitud del lecho necesitado para el mismo número de platos teóricos en un sistema. Este método se ha usado en la mejora del rendimiento de columnas a escala

analítica. Giacobello et al. han mostrado un gráfico similar en Journal of Chromatography A, 872 (2000) 23-35.

En columnas a escala industrial se ha probado este método pero con poco éxito.

Se han advertido los siguientes problemas:

-la caída de presión a través del lecho de material de relleno de la columna aumenta demasiado y limita el caudal,

-los picos cromatográficos forman cola en gran medida, causando dilución excesiva y picos que se solapan,

-la HETP no disminuye de acuerdo con lo esperado, y el lecho cromatográfico tiene que ser más largo que lo esperado,

-la capacidad conseguida es menor que la esperada como el resultado del caudal disminuido,

-con las disoluciones de alimentación concentradas y las altas cargas de alimentación usadas en la cromatografía a escala industrial los problemas anteriores han sido prohibitivos.

Se ha usado un tamaño medio de perla en el intervalo de 300-360 μm para sistemas cromatográficos en el campo de los edulcorantes. Este intervalo ha ofrecido el mejor compromiso entre el diseño actual de hardware y el rendimiento, y casi todos los proveedores de cromatografía a escala industrial usan estos tamaños de resina, con una longitud total de lecho de resina en el intervalo 14-24 metros. Sólo se conoce una compañía que usa una resina en el intervalo de 220-240 μm y, de hecho, consigue similar resolución con un lecho de resina de sólo 8 metros. Sin embargo, las altas caídas de presión a través de los lechos de resina limitan el caudal lineal en este sistema y la muy alta capacidad esperada no se ha alcanzado.

La patente de EE.UU. 4.673.507 (Brown) describe un aparato y un procedimiento para intercambio iónico. Se consigue una distribución de flujo de fluido sustancialmente uniforme a través del área de sección transversal del lecho empleando resinas de un tamaño de perla pequeño y que son mantenidas en una condición sobrerrellenada. En esta publicación de patente se muestran lechos poco profundos con una alta relación D/L.

La patente de EE.UU. 4.537.217 (Allen) describe un aparato separador de fluidos y un método de distribución de fluidos adaptado para aplicaciones cromatográficas. El aparato separador de fluidos comprende platos de distribución, que tienen canales recursivos en un lado del plato y orificios distribuidos uniformemente en el otro lado del plato. Sin embargo, hay varias desventajas relacionadas con esta realización. Una de las realizaciones es aplicable como tal sólo en una columna, que es cuadrada en sección transversal. Para columnas circulares el aparato de separación comprende aberturas de distribución, que están situadas dentro de áreas definidas por los perímetros de círculos concéntricos. Sin embargo, la aplicación para columnas con una sección transversal circular es muy difícil de aumentar a escala para usarse en columnas con un diámetro sustancialmente mayor que 0, 3 m.

La solicitud de patente internacional WO 01/54790 (Amalgamated Res. Inc.) describe un aparato de columna para un sistema de procesamiento de fluidos que contiene un lecho poco profundo de material entre los fractales transportadores de fluido de una gran área superficial activa. En dicho aparato dicho lecho poco profundo de material se ha provisto como una columna que tiene mayor diámetro que altura. Una ventaja de esta invención es que no se requiere un lecho sobrerrellenado para obtener una distribución de flujo uniforme a través del aparato.

Biressi G. et al. (Journal of Chromatography A, 876 (2000) 3-15) indican que la longitud óptima de la columna depende del tamaño de partícula de la resina usada. Cuanto más pequeño es el tamaño de partícula más corta será la longitud óptima de la columna.

Definiciones relacionadas con la invención En la presente invención, un compartimento se refiere a una sección del equipo cromatográfico que contiene un lecho de material de relleno de columna y que comprende una parte anterior para distribuir el fluido a la parte media que comprende el lecho de material de relleno, y una parte posterior para recoger el fluido de esta parte media.

Un compartimento de alimentación se refiere a una sección del equipo cromatográfico que recibe el fluido de alimentación. En un SMB secuencial, típicamente, un compartimento recibe el fluido de alimentación. También es posible construir un SMB secuencial para que la alimentación entre en más que un compartimento. En un SMB continuo todos los compartimentos reciben típicamente el fluido de alimentación una vez durante cada ciclo, y por lo tanto todos los compartimentos pueden ser también compartimentos de alimentación.

Una columna puede estar compuesta de uno o varios compartimentos.

Breve descripción de las figuras

La Figura 1 muestra la capacidad y caídas de presión frente al tamaño de perla.

La Figura 2 muestra el perfil de conductividad en la salida de la columna en el Ejemplo 4.

Descripción de la invención El sistema de separación de la invención tiene el objetivo de conseguir una HETP de un orden de magnitud más pequeño usando un tamaño de perla de resina que es mucho más pequeño que el usado actualmente en sistemas industriales. Disminuir el tamaño de perla en un 50% disminuiría la HETP teóricamente hasta en un 75%. Si se puede mantener el mismo caudal en tal sistema, la capacidad sería cuatro veces más alta que en los sistemas conocidos. En la práctica tales aumentos no son posibles debido a limitaciones técnicas, pero es posible doblar o incluso triplicar la capacidad actual. Sin embargo, esto no ha tenido éxito en sistemas de escala industrial debido a los problemas descritos anteriormente.

La presente invención se refiere a un sistema de lecho móvil simulado (SMB) para fraccionar... [Seguir leyendo]

1. Un sistema SMB para fraccionar una disolución en dos o más fracciones, comprendiendo el sistema al menos dos compartimentos, que comprenden un dispositivo de distribución, un lecho de resina y un dispositivo de recogida, en donde al menos uno de los compartimentos sirve como compartimento de alimentación, caracterizado por que el diámetro de los compartimentos es al menos aproximadamente un metro y la altura de los compartimentos es de aproximadamente 0, 2 a aproximadamente 2, 0 m, los compartimentos están uniformemente y totalmente rellenos con una resina de intercambio iónico basada en un polímero con un tamaño de perla en el intervalo de aproximadamente 50 a aproximadamente 250 μm, y la resina tiene una distribución de tamaños uniforme, y en donde el volumen de mezcla de los gradientes de concentración entre diferentes componentes causados por los dispositivos de distribución y recogida en los compartimentos y las tuberías intermedias entre los lechos de resina de dos compartimentos adyacentes no es más que 5% del volumen de cada uno de los compartimentos adyacentes, y el volumen de mezcla de los gradientes de concentración se mide inyectando en el sistema un gradiente de concentración que tiene un volumen de gradiente original, que es el volumen en el que la concentración de la alimentación en el sistema aumenta de 1 g/100 ml a 45 g/100 ml, midiendo la cantidad de volumen que hace falta para que aumente la concentración hasta el valor del gradiente de concentración inyectado en la salida del sistema medido, determinando el volumen de mezcla descontando el volumen de gradiente original del volumen medido del gradiente de salida.

2. El sistema según la reivindicación 1, en donde el tamaño de perla de la resina es de aproximadamente 100 a aproximadamente 200 μm.

3. El sistema según la reivindicación 1, en donde el tamaño de perla de la resina es de aproximadamente 125 a aproximadamente 160 μm.

4. El sistema según la reivindicación 1, en donde el 75% de las perlas están dentro del intervalo de ± 20% del tamaño medio de perla.

5. El sistema según la reivindicación 1, en donde el volumen del lecho de resina relleno corresponde al volumen del compartimento.

6. El sistema según la reivindicación 1, en donde la resina rellena uniformemente los compartimentos para que el movimiento de la resina en los compartimentos sea minimizado eficazmente.

7. El sistema según la reivindicación 1, en donde la resina es una resina de intercambio catiónico fuerte.

8. El sistema según la reivindicación 7, en donde la resina está en una forma de metal monovalente.

9. El sistema según la reivindicación 8, en donde el metal monovalente es Na+.

10. El sistema según la reivindicación 8, en donde el metal monovalente es K+.

11. El sistema según la reivindicación 8, en donde el metal monovalente es una mezcla de Na+ y K+.

12. El sistema según la reivindicación 7, en donde la resina está en una forma de metal divalente.

13. El sistema según la reivindicación 12, en donde el metal divalente es Ca++.

14. El sistema según la reivindicación 12, en donde el metal divalente es Mg++.

15. El sistema según la reivindicación 1, en donde la resina es una resina de intercambio catiónico débil.

16. El sistema según la reivindicación 1, en donde la resina es una resina de intercambio aniónico fuerte.

17. El sistema según la reivindicación 1, en donde la resina es una resina de intercambio aniónico débil.

18. El sistema según la reivindicación 1, en donde la resina está en la forma de un gel.

19. El sistema según la reivindicación 1, en donde la altura del compartimento es de aproximadamente 0, 5 a aproximadamente 1, 5 m.

20. El sistema según la reivindicación 1, en donde el tamaño de perla de la resina es de aproximadamente 100 a 160 μm y la altura del compartimento está en el intervalo de aproximadamente 0, 5 a 1, 0 m.

21. El sistema según la reivindicación 20, en donde la relación del diámetro a la altura del compartimento está en el intervalo de aproximadamente 6 a 12.

22. El sistema según la reivindicación 19, en donde la altura total de los compartimentos está en el intervalo de aproximadamente 2 a 6 m.

23. El sistema según la reivindicación 1, en donde el tamaño de perla de la resina es de aproximadamente 170 a 250 μm y la altura del compartimento es de aproximadamente 1, 0 a 2, 0 m.

24. El sistema según la reivindicación 23, en donde la relación del diámetro a la altura del compartimento está en el intervalo de aproximadamente 2 a 6.

25. El sistema según la reivindicación 23, en donde la altura total de los compartimentos está en el intervalo de aproximadamente 6 a 15 m.

26. El sistema según la reivindicación 1, en donde el volumen de mezcla de los gradientes de concentración no es más que 2% del volumen del compartimento.

27. El sistema según la reivindicación 1, en donde el compartimento de alimentación es más corto que uno o más de los otros compartimentos del sistema.

28. El sistema según la reivindicación 27, en donde el compartimento de alimentación es más corto que los otros compartimentos del sistema.

29. El sistema según la reivindicación 27, en donde el compartimento de alimentación es más corto que el siguiente compartimento del sistema.

30. El sistema según la reivindicación 27, en donde la altura del compartimento de alimentación es igual a o menor que 1/6 de la altura total de los compartimentos del sistema.

31. El sistema según la reivindicación 30, en donde la altura del compartimento de alimentación es igual a o menor que 1/8 de la altura total de los compartimentos del sistema.

32. El sistema según la reivindicación 27, en donde el volumen de mezcla de los gradientes de concentración no es más que 2% del volumen del más corto de los compartimentos adyacentes.

33. El sistema según la reivindicación 1, en donde el factor de separación está entre 0, 5-2, 0 pero difiere de 1.

34. El sistema según la reivindicación 1, en donde el sistema SMB es un sistema SMB secuencial.

35. El sistema según la reivindicación 1, en donde la disolución a ser fraccionada se selecciona de licores de cocción al sulfito, melazas, especialmente melazas B y/o melazas C, vinaza, jarabes de fructosa y/o glucosa, zumos derivados de la remolacha azucarera, mezclas de azúcar invertido, hidrolizados de almidón, hidrolizados de madera, disoluciones de suero de leche y otras disoluciones que contienen lactosa, disoluciones que contienen lactulosa, disoluciones que contienen maltosa, disoluciones que contienen maltitol o disoluciones que contienen aminoácidos.

36. El sistema según la reivindicación 35, en donde la disolución a ser fraccionada se selecciona de una disolución de melazas, una disolución de vinaza y un licor de cocción al sulfito.

37. El sistema según la reivindicación 35, en donde el producto a ser recuperado es uno o más de los siguientes: glucosa, fructosa, sacarosa, betaína, ramnosa, arabinosa, manosa, rafinosa, lactosa, lactulosa, maltosa, maltitol, inositol, manitol, glicerol, xilitol, xilosa, sorbitol, eritritol, ribosa, 6-O-α-D-glucopiranósido-D-sorbitol (1, 6-GPS) y 1-Oα-D-glucopiranósido-D-manitol (1, 1-GPM) , ácidos orgánicos o aminoácidos, tales como ácido glutámico.

38. El sistema según la reivindicación 27, en donde el volumen de mezcla de los gradientes de concentración entre dos compartimentos adyacentes no es más que 2% del volumen del más corto de los compartimentos adyacentes.

39. El sistema según la reivindicación 1, en donde el gradiente de concentración inyectado al sistema es un gradiente de concentración que aumenta de 1 a 45 g/100 ml.

40. El sistema según la reivindicación 39, en donde la cantidad de volumen que hace falta para que la concentración aumente de 1 g/100 ml a 45 g/100 ml se mide en la salida del sistema.

41. El sistema según la reivindicación 1, en donde el gradiente de concentración entre diferentes componentes es el gradiente de concentración entre la alimentación y el eluyente.