FR2742673A1 - Systeme et procede a membrane multi-etage - Google Patents

Abstract

L'invention fournit un système à membrane multi-étage pour la récupération de solvants et de solutés provenant de systèmes chromatographiques, comprenant un premier moyen pour envoyer un premier flux liquide d'une fraction principale d'élution, contenant des molécules-cibles à concentrer et du solvant, sur une première unité de filtration à membrane pour effectuer la concentration et la récupération des molécules-cibles côté arrivée de ladite première membrane; un deuxième moyen pour envoyer des flux liquides d'autres fractions d'élution du processus chromatographique, contenant des contaminants et du solvant, sur une seconde unité de filtration à membrane pour concentrer et recueillir lesdits solutés de contaminant côté arrivée de ladite seconde unité à membrane; et un troisième moyen pour envoyer le solvant filtré, provenant du côté permeat de la première unité de filtration, du côté arrivée de ladite seconde unité de filtration à membrane, ledit solvant filtré se mélangeant audit flux liquide des autres fractions d'élution.

Description

SYSTEME ET PROCEDE A MEMBRANE MULTI-ETAGE

Domaine de l'invention La présente invention concerne un système et un procédé à membrane multi-étage pour la concentration de solutés coûteux et la purification de solvants usagés, générés dans des processus chromatographiques, en particulier en HPLC de

préparation.

Contexte de l'invention Dans les industries chimiques, alimentaires et surtout pharmaceutiques, la chromatographie de préparation de type HPLC est une méthode de choix pour la séparation et la purification de molécules biologiquement actives. Ces molécules peuvent aller des espèces à faible poids moléculaire (50 à 500 daltons) aux molécules intermédiaires (500 à 2 000 daltons) et jusqu'aux biopolymères à poids moléculaire élevé, comme les polysaccharides, les polypeptides ou les nucléotides. La valeur de ces

produits peut varier entre 5 et 10 000 $ US/kg.

La chromatographie est un processus dans lequel une colonne chromatographique ou un lit chromatographique est chargé(e) avec un échantillon à purifier, un flux de solvant étant ensuite passé dans la colonne. Les fractions de solvant d'élution sont recueillies, ces fractions pouvant être classifiées en tant que flux éluant contenant le composé-cible purifié et en flux éluants contenant des impuretés

éluées avant et après l'éluant contenant le composé-

cible.

2- Dans ce contexte, la présente invention a différents objectifs et présente en particulier différents aspects et formes de réalisation, afin: a) de concentrer encore plus le composé-cible qui élue normalement avec une concentration inférieure à 5 % et de récupérer les solvants dans ce flux en vue de leur réutilisation; b) de purifier les solvants à partir des flux d'éluant contaminés qui éluent avant et après l'éluant contenant le composé-cible, afin de réutiliser ces solvants dans le même processus ou dans d'autres; c) de fournir des sous-systèmes qui concentrent les molécules- cibles et récupèrent le solvant pour le réutiliser dans le même cycle de fonctionnement; et d) de fournir un système dans lequel les mélanges d'élution chromatographique sont préparés selon des proportions données, ces mélanges étant

récupérés avec les mêmes proportions de solvants.

Ceci est important car les systèmes chromatographiques sont optimisés pour travailler avec une composition d'élution donnée et les molécules-cibles ont également une stabilité optimale pour ces compositions. Les solvants récupérés peuvent ainsi être utilisés avec un ajustement, en

économisant du temps, du solvant et donc de l'argent.

Résumé de l'invention En gardant à l'esprit ces objectifs, la présente invention prévoit un système à membrane multi-étage pour la récupération de solvants et de solutés provenant de systèmes chromatographiques, comprenant: a) un premier moyen pour envoyer un premier flux liquide d'une fraction principale d'élution, contenant des molécules-cibles à concentrer et du solvant, sur une première unité de filtration à membrane pour effectuer la concentration et la récupération desdites molécules-cibles côté arrivée de ladite première membrane; b) un deuxième moyen pour envoyer des flux liquides d'autres fractions d'élution du processus chromatographique, contenant des contaminants et du solvant, sur une seconde unité de filtration à membrane pour effectuer la concentration et la collecte desdits solutés de contaminant côté arrivée de ladite seconde unité à membrane; et c) un troisième moyen pour envoyer le solvant filtré, provenant du côté permeat de ladite première unité de filtration à membrane, du côté arrivée de ladite seconde unité de filtration à membrane, ledit solvant filtré se mélangeant audit flux liquide des autres fractions d'élution pour diluer celles-ci et favoriser leur filtration par ladite seconde membrane. Dans des formes de réalisation préférées de la présente invention, ledit système comprend également un quatrième moyen permettant d'envoyer le solvant filtré, provenant du côté permeat de ladite seconde unité à membrane de filtration, afin de le recycler

dans le système de chromatographie HPLC.

4- Le présent système traite les flux de solvant provenant d'une colonne d'HPLC, dont un flux au moins contenant la molécule-cible, qui a été purifiée par l'HPLC, et un flux au moins de solvant contenant des impuretés. Les solvants des deux types de flux sont récupérés de façon continue, semi-continue, ou par lots, sans modifier la composition du solvant qui peut ainsi être réutilisé. L'invention répond aux problèmes suivants que posent les systèmes chromatographiques de préparation (en particulier l'HPLC): Comment peut-on, de façon économique et par un procédé par lots ou en ligne, 1) récupérer et réutiliser de grandes quantités de solvant, de préférence sans modifier sa composition, 2) concentrer le flux dilué des composés-cibles et 3) utiliser moins de solvant dans un processus d'HPLC en purifiant en continu les flux d'élution de la membrane et en renvoyant les flux purifiés sur les

colonnes d'HPLC.

Tel que décrit ici, le système à membrane

multi-étage comporte deux sous-systèmes à membrane.

Dans le premier sous-système, appelé "SelRO I", le composé-cible est concentré et le solvant purifié par une unité à membrane et dans le second sous-système, appelé "SelRO II", les flux de solvant contenant des contaminants chromatographiques sont également purifiés par une autre unité à membrane. Les deux sous-systèmes sont reliés par une circulation de solvant purifié allant du premier système au second système, la molécule-cible concentrée étant prélevée dans "SelRO I" tandis que le solvant purifié est prélevé dans "SelRO II". Chaque sous- système comprend au moins une unité à membrane qui peut comporter plusieurs éléments à membrane en parallèle, plusieurs -5- unités à membrane pouvant également être reliées en série pour obtenir la pureté requise pour le solvant

et pour la récupération de la molécule-cible.

Dans une première forme de réalisation préférée de la présente invention, lesdites membranes sont des membranes de nanofiltration (NF) ayant une

limite de blocage comprise entre 80 et 150 daltons.

Dans une deuxième forme de réalisation préférée de la présente invention, lesdites membranes sont des membranes de nanofiltration (NF) ayant une

limite de blocage comprise entre 150 et 400 daltons.

Dans une troisième forme de réalisation préférée de la présente invention, lesdites membranes sont des membranes de nanofiltration (NF) ayant une limite de blocage comprise entre 400 et 000 daltons. De préférence, lesdites membranes de

nanofiltration (NF) sont résistantes au solvant.

Il est particulièrement préférable que les membranes de nanofiltration (NF) aient une configuration, au choix, en forme de spirale, de

tube, de tubes capillaires ou de fibres creuses.

Selon la description ci-après, lesdites unités

à membranes peuvent être des membranes asymétriques supportées, traitées par modification ou par enduction pour les transformer en membranes de nanofiltration. L'invention fournit également un procédé de récupération de solvants et de solutés provenant de -6- systèmes chromatographiques, comprenant les étapes suivantes: a) l'envoi d'un premier flux liquide d'une fraction principale d'élution, contenant des molécules-cibles à concentrer et du solvant, sur une première unité à membrane de filtration pour effectuer la concentration et la récupération desdites molécules-cibles côté arrivée de ladite première membrane; b) l'envoi de flux liquides d'autres fractions d'élution du processus chromatographique, contenant des contaminants et du solvant, sur une seconde unité à membrane de filtration pour effectuer la concentration et la collecte desdits solutés de contaminant côté arrivée de ladite seconde unité à membrane; et c) l'envoi du solvant filtré, provenant du côté permeat de ladite première unité à membrane de filtration, du côté arrivée de ladite seconde unité à membrane de filtration, ledit solvant filtré se mélangeant alors audit flux liquide des autres fractions d'élution pour 1) diluer celles-ci et favoriser leur filtration par ladite seconde membrane et/ou 2) récupérer les solvants d'élution de tous les flux, en un flux unique, en vue de leur réutilisation. Dans un mode de fonctionnement préféré, le système à membrane traite les flux de solvant directement à leur sortie des colonnes de chromatographie et renvoie les solvants purifiés sur les colonnes, de façon continue. Dans un autre mode -7- de fonctionnement, la chromatographie ou l'HPLC sont effectuées et les fractions de solvant sont recueillies en une journée puis purifiées par le système à membrane le jour même ou un jour suivant, sans réutilisation immédiate des solvants pour la chromatographie. Dans un troisième mode de fonctionnement, o le système à membrane est utilisé pour purifier des solvants, les solvants recueillis lors d'un cycle chromatographique précédent sont repris en sortie pour être réutilisés en ligne dans

le cycle de chromatographie en cours.

Bien que la chromatographie soit un traitement par lots, la vitesse d'injection de l'échantillon et de production d'éluant peut être suffisante pour que le processus soit considéré comme étant continu, pour le traitement consécutif en aval, c'est-à-dire la

purification et la récupération du solvant.

Ainsi, dans la présente invention, la concentration de la molécule-cible et la récupération du solvant peuvent, du point de vue du fonctionnement de 1'HPLC, s'effectuer selon le système de l'invention soit par lots, soit en mode continu ou semi-continu, mais de préférence de façon continue et

en ligne avec le processus chromatographique.

L'invention va maintenant être décrite à partir de certaines formes de réalisation préférées, en se référant aux dessins d'accompagnement, de façon

à en faciliter la compréhension.

Si l'on se réfère à présent aux dessins, il y a lieu d'insister sur le fait que les détails représentés ne sont pas exhaustifs et ne servent qu'à - 8 -

illustrer la description des formes de réalisation

préférées de la présente invention, leur représentation n'ayant pas d'autre objet que de

fournir ce que nous pensons être la description la

plus utile et la plus compréhensible des principes et des concepts de l'invention. Dans cette optique, nous n'avons pas cherché à représenter les détails de structure de l'invention plus qu'il n'est nécessaire

pour comprendre les fondements de l'invention.

L'homme du métier comprendra, à partir de cette

description et des dessins qui l'accompagnent, les

différentes formes sous lesquelles l'invention peut

être concrètement mise en pratique.

Brève description des dessins

Dans les dessins: la Fig. 1 est une représentation schématique d'un système; et la Fig. 2 est une représentation schématique

d'une modification du système de la Fig. 1.

Description détaillée des formes de

réalisation préférées Si l'on observe maintenant les figures en détail, on peut noter que la Fig. 1 concerne un système dans lequel les flux élémentaires sont traités de façon simultanée ou en ligne, le solvant provenant de chaque flux étant renvoyé au HPLC pour être réutilisé, le flux concentré du produit purifié obtenu étant extrait du système à la fin du cycle. Le système est représenté, de façon générale, sur la

Fig. 1.

-9- L'échantillon Q1 est injecté en même temps que le flux d'élution Q5. A la sortie de l'HPLC, des fractions du flux de solvant sont recueillies à différents moments, chacune d'elles contenant des fractions différentes de la matière injectée. La fraction de solvant Q2 contenant la molécule-cible est envoyée au sous-système SelRO I du système de

l'invention qui concentre la molécule-cible. Ce sous-

système comporte une cuve de stockage en amont de la première unité à membrane, le concentré étant renvoyé dans cette première cuve, le permeat étant dirigé sur une autre cuve alimentant la seconde unité à membrane, dont le permeat est envoyé par la ligne Q9 dans la première cuve du sous-système SelRO II de traitement du solvant, le concentré retournant par la ligne Q8 aux première et seconde cuves du SelRO I. Un flux concentré de molécule-cible purifiée est extrait de la première cuve par la ligne Q10, normalement à

la fin du cycle, mais pas nécessairement.

Les flux contenant des impuretés provenant de 1'HPLC sont envoyés sur la ligne Q3 au sous-système qui purifie les solvants de leurs contaminants, en combinant le solvant venant du sous-système SelRO I, sur la ligne Q5 allant sur 1'HPLC pour leur réutilisation. Le flux contenant les impuretés est ainsi envoyé par la ligne Q3 dans la première cuve du sous-système SelRO II, puis sur la première unité à membrane, le concentré étant renvoyé dans cette même cuve et le permeat envoyé par la ligne Q4 dans une

seconde cuve puis sur une seconde unité à membrane.

Le concentré de cette unité à membrane est envoyé par la ligne Q6, à la fois sur la première et sur la seconde des cuves de ce sous-système, le permeat étant envoyé au HPLC par la ligne Q5. Des moyens sont

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prévus pour ajouter des solvants de complément via Q12. Des moyens sont également prévus pour ajouter un volume de démarrage dans la première cuve T2.1 du

sous-système de récupération du solvant via Q13.

Le nombre de membranes, de cuves et d'équipements de mise en circulation et de mesure associés dépend du volume de solvant à traiter dans un cycle de fonctionnement. Ainsi, pour maintenir un certain débit horaire correspondant à Q7 et Q9, sur les membranes du sous-système de récupération de produit, il peut s'avérer nécessaire de prévoir, par exemple, un étage avec un élément à membrane et une cuve à chaque étage de membrane. De même, pour le sous-système de récupération du solvant, le maintien de débits donnés correspondant à Q4 et Q5 peut nécessiter, par exemple, un étage à trois éléments à

membrane pour chaque flux.

La fraction principale Q2 recueillie en sortie de 1'HPLC est envoyée dans la cuve T1.1. Le solvant

contaminé recueilli Q3 est envoyé dans la cuve T2.1.

Un complément de solvant est ajouté en quantité égale à la quantité prélevée en Q10 (extraction du produit) et Qll (extraction des contaminants). Cet apport est constitué de la fraction Q13 (volume de démarrage) placée initialement dans les cuves T2.1 et de la fraction complémentaire Q12 (complément) ajoutée au cours du processus. L'apport d'une quantité initiale a pour fonction, dans le cas d'un fonctionnement continu en ligne, avec traitement des solutions dès leur sortie de 1'HPLC, de disposer d'une quantité de solvant immédiatement disponible en entrée de 1'HPLC, par Q5, et dans le cas d'un traitement par lots utilisant les produits obtenus les jours précédents,

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de diluer la solution contaminée de telle sorte que le solvant récupéré, destiné à l'unité d'HPLC, ait une plus faible teneur en contaminants. Lorsque le processus est en fonctionnement, une quantité complémentaire de solvant Q12 est ajoutée, de telle sorte que Q1 + Q12 + Q13 = Q10 + Qll. (Q1 étant la quantité qui est ajoutée au HPLC lors de l'injection de l'échantillon.) Par exemple, si Q10 + Qll = 800 litres et Q13 = 300 litres, Q1 = 400 litres et la quantité Q12 de complément ajoutée en cours de

fonctionnement est de 100 litres.

Dans un mode de fonctionnement spécifique, la solution de la cuve Tl.1 est pompée par le premier étage de NF, le concentré retourne dans T1. 1 et le permeat est envoyé par la ligne Q7 dans la cuve T1.2, puis de là, au second étage de NF, d'o le concentré est renvoyé en partie dans T1. 2 et en partie dans Tl.l par la ligne Q8. Le rapport instantané des flux de concentré renvoyés dans la cuve T1.2 et dans la cuve Tl.l peut prendre une valeur quelconque entre et 0 %. Dans un exemple, la totalité du concentré retourne dans T1.2 pendant la durée du cycle. A la fin du cycle, le solvant et le produit que contient Tl.1 sont pompés et envoyés par Q10 en tant que produit. Le contenu de T1.2 est ensuite envoyé par

pompage dans Tl.l en vue du cycle suivant.

Le permeat provenant du second module de NF de l'unité de concentration de produit (SelRO I sur la Fig. 1) est envoyé par la ligne Q9 dans la cuve T2.1 de l'unité de récupération de solvant (SelRO II sur la Fig. 1). Selon le mode de fonctionnement, la cuve T2.1 peut contenir un mélange solvant de complément, plus une quantité Q3. Le solvant à récupérer est

envoyé sur la première unité NF.

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Le concentré est renvoyé dans la cuve T2.1 et le permeat Q4 dans la cuve T2.2. Le contenu de T2.1 est envoyé par pompage sur le second étage NF et le concentré est renvoyé en partie dans T2.2 et en partie dans T2. 1. Le rapport instantané des flux de concentré renvoyés dans la cuve T2. 1 et dans la cuve T2.2 peut avoir une valeur quelconque entre 100 et O %. Dans un mode de fonctionnement, la totalité du concentré retourne dans T2.2. A la fin du cycle, tout le contenu de T2.1 est pompé par la ligne Qll et le contenu de T2.2 envoyé par pompage dans T2.1 pour être utilisé lors du cycle suivant. Les rejets sont ainsi évacués de la cuve T2.1 par la ligne Qll, à la

fin du cycle de fonctionnement.

Les réjections de molécule-cible et de contaminant requises pour la membrane dépendent des paramètres suivants: a) la perte admissible pour la molécule-cible, qui est fonction du facteur de concentration volumique requis (plus celui-ci est élevé, plus la perte est importante pour une réjection donnée); et b) la pureté requise pour le solvant à réutiliser. Des modifications au système ci-dessus sont possibles, étant donné que chaque sous-système de la Fig. 1 comporte deux unités à membrane, ce qui permet d'obtenir une rétention maximale des solutés, une purification économique du solvant destiné à être réutilisé et/ou la récupération du soluté-cible avec une perte minimale. Ces modifications sont les suivantes:

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1) Avec des membranes ayant une sélectivité suffisamment élevée pour que les premières unités à membrane de chaque sous-système soient en mesure de séparer les flux de solvant de la molécule-cible ou des impuretés, les secondes cuves ainsi que les

secondes unités à membrane de chacun des sous-

systèmes ne sont alors plus nécessaires. Une "sélectivité suffisamment élevée" signifie que la réjection du soluté est suffisamment importante pour pouvoir utiliser directement le flux de permeat résultant pour alimenter l'HPLC. Dans le cas de la concentration de la molécule-cible (en plus de la récupération du solvant), la réfection doit être suffisamment élevée pour que, lors du processus de concentration, la perte de soluté ne soit pas significative, du point de vue de la rentabilité

économique du processus et du produit.

2) Si les prescriptions de pureté du solvant sont inférieures aux prescriptions relatives à la perte de produit-cible et si une seule unité à membrane satisfait aux premières prescriptions et non aux secondes, il est alors possible d'éliminer la

seconde unité à membrane et la seconde cuve du sous-

système B, tout en les conservant pour le sous-

système SelRO I (tel que représenté par exemple sur

la Fig. 2).

Les membranes utilisables doivent, en plus d'être résistantes au solvant, avoir une limite de blocage de poids moléculaires comprise entre 80 et 000 daltons, et de préférence entre 100 et 1 000 daltons. Les membranes de cette gamme sont appelées membranes de nanofiltration. Les membranes utilisées dans la présente invention, pour le

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traitement de flux contenant des molécules-cibles et des contaminants dans la plage de poids moléculaires susdite, sont prises dans la classe des membranes de NF stables ou résistantes aux solvants. Si les molécules à filtrer sont trop grosses pour être traitées par nanofiltration, il est alors possible d'utiliser des membranes d'ultrafiltration (UF)

stables au solvant.

Dans un autre mode de fonctionnement, moins préférable toutefois, les présents systèmes peuvent fonctionner sur des fractions de flux d'élution d'HPLC recueillies au préalable et peuvent ne pas

fonctionner en même temps que le système HPLC.

Le présent système peut être utilisé avantageusement, en particulier dans des systèmes d'HPLC de préparation dans lesquels de grandes quantités de solvant doivent être mises en oeuvre, pour les raisons suivantes: A) En tant qu'alternative à l'évaporation de solutions contenant la molécule-cible. Les solutés thermosensibles peuvent se dégrader dans ce type de processus, rendant cette étape inefficace du fait de la perte de produit. Dans des processus à concentration plus modérée, tels que la distillation sous vide ou la lyophilisation, de grands volumes de solvant sont mis en oeuvre. La nanofiltration reste le moyen le plus économique pour concentrer et purifier des matières thermosensibles, car ce processus ne requiert aucun changement de phase et la

température peut être maintenue basse.

B) L'utilisation de membranes de nanofiltration présente un autre avantage important,

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en ce que le mélange solvant de perméation a la même composition que le solvant utilisé en entrée. Ce point est important car: i) après le fonctionnement de la membrane, les molécules filtrées se retrouvent dans la solution sous une forme plus concentrée, mais dans un mélange de solutés de même composition. Cette composition est souvent optimisée pour empêcher sa dénaturation, sa précipitation ou sa cristallisation, comme cela peut se produire si la proportion de solvant varie; et ii) on évite ainsi d'avoir à surveiller et à ajuster la composition du solvant, ce qui est essentiel pour un fonctionnement fiable du processus chromatographique. La composition de l'éluant est en général optimisée pour obtenir des séparations

rapides et sélectives.

C) La récupération du solvant ou l'élimination des déchets peut représenter 70 % des coûts de production en HPLC de préparation. La purification des flux de solvant avec le présent système mettant en oeuvre des membranes de nanofiltration peut

réduire ces coûts.

La concentration et la purification du produit obtenu par ce processus, et qui se présente sous forme concentrée, peuvent être poursuivies par une distillation sous vide, une lyophilisation, une cristallisation ou un processus à membrane supplémentaire. La valeur commerciale du produit final pouvant être élevée, en particulier dans le cas de produits

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pharmaceutiques, le traitement de matières thermosensibles par nanofiltration peut être économiquement plus important que le recyclage des solvants utilisés. Toutefois, ce recyclage est important pour de nombreux solvants et mélanges difficiles à distiller et prend en général plus d'importance du fait de la réglementation relative au respect de l'environnement qui s'impose à l'industrie. De plus, l'HPLC de préparation nécessite de grandes quantités de solvant. Ces systèmes prenant de l'importance, les quantités de solvant utilisées augmentent et le processus ne serait pas rentable

sans recyclage.

Les flux liquides de solvant contiennent généralement 20 à 95 % de solvant tels que l'acétonitrile, l'acétone, le méthanol ou l'éthanol, ces solvants pouvant être utilisés à l'état pur ou en mélanges. Des solvants et des mélanges non aqueux peuvent être utilisés, par exemple le chlorure de méthylène, l'hexane, l'éther de butyle méthyle tertiaire, l'acétone, la cétone d'éthyle méthyle, le tétrahydrofurane, le toluène, l'hexane et leurs mélanges. Le système à membrane de la présente invention peut être utilisé dans les domaines suivants: les antibiotiques, les stéroïdes, les peptides à poids moléculaire faible ou élevé, les hormones et hormones antagonistes, les prostaglandins, les analgésiques, les médicaments cardiovasculaires, la chimiothérapie des maladies du néoplasme, les agents affectant les

fonctions rénales et les agents antimicrobiens.

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La présente invention peut également être utilisée dans le domaine des séparations chirale ou énantiomère pour lesquelles des colonnes chromatographiques sont utilisées pour purifier des compositions chirales et/ou pour dissoudre des mélanges racémiques. La récupération des solvants, généralement très importante, devient critique pour un processus économique lorsque des solvants de type chiral sont utilisés ou lorsque le processus passe à

une grande échelle.

Des membranes utilisables pour cette application sont disponibles dans le commerce, par exemple les membranes de nanofiltration de la société Membrane Products Kyriat Weizman (MPW). Par exemple, pour des mélanges aqueux et des solvants polaires, des membranes MPF 44, ayant une limite de blocage de poids moléculaire de 200 MW, et des éléments spiralés ou tubulaires de ces membranes, donnent de bons

résultats.

Pour les solvants hydrophobes et leurs mélanges, des membranes et modules MPF 50 de MPW peuvent être utilisés pour des molécules à poids moléculaire MW > 600. Pour des solutions à solutés < 600, il y aurait lieu d'utiliser des membranes

MPF 60 de MPW.

La présente invention n'est pas limitée aux membranes susdites, celles-ci n'étant qu'une indication des membranes susceptibles d'être utilisées. I1 est également possible d'utiliser de la céramique, du verre, du carbone ou des membranes inorganiques. En plus des feuilles planes et des éléments spiralés, il est possible d'utiliser des

éléments tubulaires ou à fibres creuses.

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Les membranes sont de préférence des supports d'ultrafiltration asymétriques (UF) modifiés ou enduits pour obtenir des membranes de nanofiltration (NF). Dans le cas des feuilles planes ou des membranes tubulaires, celles-ci sont supportées par des matériaux tissés ou non tissés constitués par des polyoléfines à la fois homopolymères, copolymères et terpolymères, des polysulfones, des cétones de polyéther, des sulfures de polyphénylène, des polyamides, du métal, de la céramique, du verre, des matières carbonées, du carbone poreux, du graphite

poreux ou des matières inorganiques.

Des composites asymétriques dans une configuration en fibre creuse ou tubes capillaires ne nécessitent pas d'autre support et sont par

conséquent utiles pour le présent système.

Les éléments de membrane peuvent être disposés dans le système de différentes façons: A) En série, en parallèle, ou en combinant ces

deux modes.

B) Les éléments peuvent, en outre, être disposés de façon symétrique ou selon une

configuration pyramidale ou tronquée.

Exemple 1

Un traitement par lots est effectué avec pour

cible une molécule de pentaéther de MW = 400.

Une colonne d'HPLC, LC-300, de 300 mm de diamètre est utilisée pour purifier une solution à 5 % de molécule-cible de pentaéther, selon le

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processus suivant. Dix litres d'une solution à 14 % (140 g de composé brut) sont injectés (Q1) toutes les 0,5 h pendant 20 h. La quantité totale injectée est de 400 litres de solution à 14 %. En même temps que cette solution, un mélange de solvant d'élution MeOH / H20, dans un rapportvolumique de 85:15, est envoyé dans la colonne (par Q5 sur la Fig. 1) avec un

débit de 280 l/h, soit un total de 5 600 litres.

On obtient, en sortie du LC-30, un flux de produit (Q2) ayant un débit de 65 1/h avec une concentration en molécule-cible de 4,44 % et un flux d'éluant de 235 1/h ayant une concentration en

contaminants de 0,34 %.

Selon la Fig. 1, les flux Q2 et Q3 sont recueillis pendant un cycle de fonctionnement de h, et traités le jour suivant. La quantité totale de Q2 est de 1 300 litres, contenant 4,4 % de produit. La quantité totale de Q3 est de

4 700 litres, contenant 0,34 % de contaminants.

Le processus fonctionne ainsi en prenant les flux Q2 et Q3 et au moyen de membranes NF, en extrayant un flux de produit Q10 et un flux de solvant contaminé Qll qui est rejeté. La quantité extraite (Q10 + Qll) est compensée par un apport de mélange de solvant pur Q13 et Q12 ajouté au cours du processus, de telle sorte que le volume Q5 d'élution nécessaire au fonctionnement de l'HPLC reste le même,

avec la relation: Q10 + Qll = Q1 + Q12 + Q13.

Le sous-système de récupération du produit se compose d'une cuve T1.1 de 2 m3 et d'une cuve T1.2 de 2 m3 et de deux éléments 4040 MPS 44 enroulés en

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spirale, un à chaque étage. La surface de la membrane

est de 8 m pour chaque élément.

Le sous-système de récupération de solvant se compose d'une cuve T2.1 de 5,02 m3 et d'une cuve T2.2 de 5 m et de deux éléments 4040 MPS 44 enroulés en spirale. Le nombre de membranes à utiliser dépend du volume de solvant à traiter pendant la durée de fonctionnement, dans le cas présent 20 heures. Ainsi, pour que le sous-système de récupération de produit assure un débit horaire sur la membrane correspondant à Q7 et Q9, il est nécessaire de prévoir un étage avec un élément 4040 à chaque étage de membrane. De même, pour que le sous- système de récupération de solvant assure les débits correspondant à Q4 et Q5, il est nécessaire de prévoir un étage de trois

éléments 4040 à chaque étage de membrane.

La fraction principale Q2, soit 1 300 litres, recueillie en sortie de l'HPLC, est envoyée dans la cuve T1.l. Le solvant contaminé recueilli Q3, soit 4 700 litres, est envoyé dans la cuve T2.1. Une quantité de solvant égale à la quantité enlevée en Q10 (extraction du produit) et en Qll (rejet des contaminants) est ajoutée. Cet apport se compose d'une partie Q13 (volume de démarrage) qui est placée initialement dans la cuve T2.1 et d'une partie supplémentaire Q12 (complément) qui est ajoutée au cours du processus. L'apport de cette quantité initiale a pour fonction de diluer la solution de contaminants de telle sorte que le solvant récupéré retournant à l'unité d'HPLC ait une plus faible teneur en contaminants. Au cours du fonctionnement du

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processus, une quantité de solvant Q12 est ajoutée, de telle sorte que Q1 + Q12 + Q13 = Q10 + Qll (Q1 étant la quantité qui est introduite dans l'HPLC

lorsque l'échantillon est injecté).

En fonctionnement, la solution contenue dans la cuve Tl.1 est envoyée par pompage sur le premier étage de nanofiltration, le concentré retournant dans la cuve T1.1, tandis que le permeat est envoyé par Q7 dans la cuve T1.2 puis sur la seconde unité de nanofiltration, d'o le concentré est envoyé en partie dans la cuve T1.2 et en partie dans la cuve Tl.1 par Q8. Dans cet exemple, tout le concentré est renvoyé dans T1.2 en cours de fonctionnement. A la fin du cycle, le solvant et le produit que contient Tl.1 sont pompés et envoyés par Q10 en tant que produit. La quantité que contient T1.2 est ensuite transférée dans Tl.1 par pompage, pour le cycle de

fonctionnement suivant.

Le permeat provenant du second module de nanofiltration de l'unité de concentration de produit (SelRO I sur la Fig.) est envoyé par la conduite Q9 dans la cuve T2.1 de l'unité de récupération de solvant (SelRO II sur la Fig.). Dans T2.1 se trouvent 300 litres de mélange solvant de complément, plus la quantité Q3 (4 700 litres). Le solvant à récupérer est envoyé sur la première unité de nanofiltration (ayant un taux de réjection de 94 % des contaminants et des molécules-cibles) d'o le concentré est renvoyé dans T2.1 et le permeat Q4 dans T2. 2. Le contenu de T2.1 est envoyé par pompage sur le second étage NF et le concentré est envoyé en partie dans T2.2 et en partie dans T2.1. Le rapport instantané des flux de concentré renvoyés dans la cuve T2.1 et

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dans la cuve T2.2, peut prendre une valeur quelconque entre 100 et O %. Dans cet exemple, la totalité du concentré va dans T2.2 pendant la durée du cycle. A la fin du cycle de fonctionnement, tout le contenu de T2. 1 est pompé et envoyé par la conduite Qll et le contenu de T2.2 est ensuite envoyé par pompage dans T2.1, en vue du cycle suivant. Les rejets sont ainsi extraits de la cuve T2.1 par la conduite Qll, à la

fin du cycle de fonctionnement.

La quantité de produit sortant de l'unité d'HPLC est de 1 300 litres à 4,4 %. Dans ce processus, le produit a été concentré pour donner 400 litres à 14 %, avec un taux de récupération de 98,91 %. Le solvant récupéré avait la même composition que le solvant de départ, soit 85:15 de

méthanol / eau.

Les performances et le fonctionnement de

l'unité sont indiqués dans le Tableau 1.

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Tableau I

Bilan matière pour la récupération du produit d'HPLC et du solvant Récuperation de solvant SelRO II (entièrement par lots) Débit = 280 1/h, 20 h/jour Taux de réjection = 0,94 Flux Débit Contam. Contam. Volume Concent. 1/jour % g mesuré mesurée

Q3 HPLC 4700 0,3400 15980

Q9 SeIRO I 940 0,0668 627 Q12 Complément 400 0,0000 0 6228 0,3029 SelRO Il 6040 0,2750 16607 Arrivée 622 0,3029 18865 Qll conc. 1.1 439 3,6633 16090 Q4 perm. 1.2 5789 0, 0479 2775 Q6 conc. 2.2 188,36 1.1983 2260 Q5 perm. 2.2 5600 0,0092 515 Rendement du recyclage du solvant: 93,33 Volume recyclé: 5600 Rejet Volume (litres): 439,21 Concentration (%): 3,66 Récupération de produit SelRO I (entièrement par lots) Débit = 45 l/h, 20 h/jour 2 0 Taux de réjection = 0,94

Volume Produit Produit Volume Concent.

Flux l/jour % g mesuré. mesurée

Q2 HPLC 1300,00 4,4444 57777

Alim. 1.1 1404,43 4,4155 62012 1404,43 4,415475 Q10 conc. 1.1 360,11 15,8700 57150 Q7 perm. 1.1 1044,32 0,4656 4863 Q8 conc. 1.2 104,43 4,0554 4235 Q9 perm. 1.2 939,89 0,0668 627 Rendement du recyclage du produit: 98,91 % Résumé du processus

ENTREE

litres % QI Echantillon injecté 400 14 Q12 Solvant de complément 400 0 SORTIE Bilan en volume litres % Q1 + Q12 = Q10 + Qll

3 5 800 799,32

Q1O Produit 360 15,87 Qll Contaminants 439 3,66

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Exemple 2

Un traitement par lots est effectué avec pour

cible une molécule de pentaéther de MW = 700.

Une colonne HPLC, LC-300, de 300 mm de diamètre, est utilisée pour purifier une solution à

18 % du composé-cible, selon le processus suivant.

Cinq litres d'une solution à 18 % (90 g de composé brut) sont injectés (Q1) toutes les 0,5 h, pendant h. La quantité totale injectée est de 100 litres

de solution à 18 %.

En même temps que cette solution, un mélange de solvant d'élution MeOH / H20, dans un rapport volumique de 90:10, est envoyé dans la colonne (par Q4 sur la Fig. 2) à un débit de 750 l/h, soit un

total de 15 000 litres.

On obtient, en sortie du LC-30, un flux de produit (Q2) à un débit de 155 1/h avec une concentration en molécule-cible de 0,5 % et un flux d'éluant de 600 1/h ayant une concentration en

contaminants de 0,025 %.

Les flux Q2 et Q3 sont recueillis pendant un cycle de fonctionnement de 20 h et traités le jour suivant. La quantité totale de Q2 est de 3 100 litres, contenant 0,5 % de produit. La quantité totale de Q3 est de 12 000 litres, contenant 0,025 %

de contaminants.

Les deux quantités sont traitées le jour

suivant par le système représenté sur la Fig. 2.

Toutes les unités de nanofiltration sont des éléments

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spiralés, modèle 4040 MPS 44, ayant une surface de membrane de 6 m par spirale et caractérisées par un flux d'eau de 1 000 lmd et un taux de réjection de 98 % de molécule de sucrose. Le taux de réjection sur la molécule-cible est de 98 % et le débit de la solution à 90:10 de méthanol / eau est de 81 mh, à

bar et 30 OC.

Le processus fonctionne ainsi en prenant les flux Q2 et Q3 et au moyen de membranes NF, en extrayant un flux de produit Q10 et un flux de solvant contaminé Qll qui est rejeté. La quantité extraite (Q10 + Qll) est compensée par un apport de mélange de solvant pur Q13 et Q12 ajouté au cours du processus, de telle sorte que le volume Q4 d'élution nécessaire au fonctionnement de l'HPLC reste le même,

avec la relation: Q10 + Qll = Q1 + Q12 + Q13.

Le sous-système de récupération du produit se compose des cuves T1.1 et T1.2 de 5 m3 chacune, d'une cuve T2.1 de 13 m3 et de deux unités 4040 MPS 44 enroulées en spirale, comprenant 4 éléments (à 6 m de surface de membrane chacun) au premier étage et 3 éléments (à 6 m2 de surface de membrane chacun) au

second étage.

Le sous-système de récupération de solvant se compose d'une cuve T2.1 de 31 m3 et de 15 éléments enroulés en spirale (à 6 m de surface de membrane

chacun).

Le nombre de membranes (indiqué ci-dessus) dépend du volume de solvant à traiter pendant la durée de fonctionnement, qui est dans le cas présent de 20 heures. Ainsi, pour que le sous-système de

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récupération de produit assure un débit horaire sur la membrane correspondant à Q7 et Q9, il est nécessaire de prévoir une unité ayant un premier étage à quatre éléments 4040 et un second étage à trois éléments 4040. De même, pour que le sous- système de récupération de solvant assure le débit correspondant à Q4, il est nécessaire de prévoir un

étage comportant 15 éléments 4040 MPS 44.

La fraction principale Q2, soit 3 100 litres, recueillie en sortie de 1'HPLC, est envoyée dans la cuve T1.1. Le solvant contaminé recueilli Q3, soit 12 000 litres, est envoyé dans la cuve T2.1. Une quantité de solvant égale à la quantité enlevée en Q10 (extraction du produit) et en Qll (extraction des contaminants) est ajoutée. Cet apport se compose d'une partie Q13 (volume de démarrage) qui est placée initialement dans la cuve T2.1 et d'une partie supplémentaire Q12 (complément) qui est ajoutée au cours du processus. L'apport de cette quantité initiale a pour fonction de diluer la solution de contaminants de telle sorte que le solvant récupéré retournant à l'unité d'HPLC ait une plus faible teneur en contaminants. Au cours du fonctionnement du processus, une quantité de solvant Q12 est ajoutée de telle sorte que Q1 + Q12 + Q13 = Q10 + Qll (Q1 étant la quantité qui est introduite dans l'HPLC lorsque

l'échantillon est injecté).

Dans cet exemple, Q10 + Qll = 150 litres + 220 litres = 370 litres, et Q12 + Q13 = 270 litres, Q1 est égal à 100 litres et Q1 + Q12 + Q13 = 370 litres. Dans cet exemple, le volume de démarrage était de 100 litres et le reste (Q12) a été ajouté

ultérieurement.

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Lors du fonctionnement, la solution contenue dans la cuve Tl.1 est envoyée par pompage sur le premier étage de nanofiltration, le concentré retournant dans la cuve T1.1, tandis que le permeat est envoyé par Q7 dans la cuve T1.2 puis sur la seconde unité de nanofiltration, d'o le concentré est envoyé en partie dans la cuve T1.2 et en partie

dans la cuve Tl.1 par Q8.

Le permeat provenant du second module de nanofiltration de l'unité de concentration de produit (SelRO I sur la Fig. 2) est envoyé par Q9 dans la cuve T2.1 de l'unité de récupération de solvant (SelRO II sur la Fig.). Dans T2.1 se trouvent 100 litres de mélange solvant de complément, plus la quantité Q3 (12 000 litres). Le solvant à récupérer est envoyé sur l'unité de nanofiltration (ayant un taux de réjection de 98 % des contaminants et des molécules-cibles), d'o le concentré est renvoyé dans T2.1, le permeat Q4 étant recyclé sur 1'HPLC en tant que mélange solvant purifié. A la fin du cycle de fonctionnement, la totalité du contenu de T2.1 est

pompée par la conduite Qll en tant que rejet.

La quantité de solvant perdue par le rejet Qll est de 220 litres, la quantité récupérée étant de 000 litres. Le solvant récupéré a la même composition que le solvant de départ, soit 90:10 de

méthanol / eau.

La quantité de produit sortant de l'unité d'HPLC est de 3 100 litres à 0,5 %. Dans ce processus, le produit a été concentré pour donner litres à 10,29 %, avec un taux de récupération de

99 %.

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Les performances et le fonctionnement de

l'unité sont indiqués dans le Tableau 2.

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Tableau 2

Bilan matière pour la récupération du produit d'HPLC et du solvant Récupération de solvant SelRO II (entièrement par lots) Débit = 750 l/h, 20 h/jour Taux de réjection = 0,98 Flux Débit Contam. Contam. Volume Concent. l/jour % g mesuré mesurée

Q3 HPLC 12000 0,0250 3000

Q9 SelRO I 2950 0,0018 53 Q12 Complément 270 0,0000 0 15220 0,0201 SelRO II 15220 0,0201 3053 Arrivée 15220 0.0201 3053 1 Qll conc. 1 220 1,2770 2805 Q4 perm. 1 15000 0,0017 248 Q6 conc. 2.2 188,56 1,1983 2260 Q5 perm. 2.2 5600 0,0092 515 Rendement du recyclage du solvant: 98,20 Volume recyclé: 15000 1 5 Rejet Volume (litres): 219,62 Concentration (%): 1,28 Récupération de produit SelRO I (entièrement par lots) Débit = 150 l/h, 20 h/jour Taux de réjection = 0,98

Volume Produit Produit Volume Concent.

Flux l/jour % g mesuré. mesurée

Q2 HPLC 1300,00 0,5000 15500

Alim. 1.1 3302,05 0,4976 16432 3302,05 0,497644 Q10 conc. 1.1 150,09 10,2918 15447 Q7 perm. 1.1 3151,96 0,0313 985 Q8 conc. 1.2 202,85 0,4615 932 Q9 perm. 1.2 2949,91 0,0018 53 Rendement du recyclage du produit: 99,66 % Résumé du processus

ENTREE

litres % Q1 Echantillon injecté 100 18 Q12 Solvant de complément 270 0 SORTIE Bilan en volume litres % Q1 + Q12 = QIO + Qll

3 5 370 370

Q10 Produit 150,09 10,29 Qll Contaminants 219,62 1,46

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Exemple 3

La procédure de l'exemple 2 (Fig. 2) est reprise, mais en reliant directement la sortie de 1'HPLC au système à membrane. Il en résulte que le flux Q2 contient la fraction principale avec la molécule- cible sortant de 1'HPLC, qui est envoyée dans la cuve T1.2, et le flux Q3 sortant de 1'HPLC est envoyé dans la cuve T2.1. Le débit de Q2 étant de 155 l/h, le volume des cuves T1.1 et T1.2 peut être

3 3

de 0,5 m3, au lieu de 5 m comme dans le traitement par lots et puisque le débit horaire de Q3 est de 600 l/h, le volume de la cuve 2.1 peut être 1,0 m3 au lieu des 13 m3 du traitement par lots. Le débit d'injection de Q1 dans l'HPLC est identique, en fonctionnement continu, à celui décrit dans l'exemple 2, soit 5 l/h, l'apport d'éluant se faisant à raison de 750 l/h, également comme dans l'exemple 2. La quantité initiale Q3 dans T2.1 est de 370 litres et la quantité Q12 (complément ajouté au cours de fonctionnement) est nulle dans le cas d'un processus continu. Hormis ces différences, le système fonctionne comme dans le cas du traitement par lots de l'exemple 2. Ainsi, le processus continu, dans lequel la sortie est directement traitée par le système à membrane, présente un avantage en ce que les cuves de stockage peuvent être considérablement réduites et que le volume total de solvant présent à

tout instant dans le système est fortement réduit.

Il apparaît évident pour l'homme du métier que l'invention ne se limite pas aux détails des exemples illustratifs ci-dessus, et que la présente invention peut être réalisée selon d'autres formes spécifiques, tout en gardant ses caractéristiques essentielles et

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il est bien entendu que les présentes formes de réalisation et exemples doivent être considérés, sous tous leurs aspects, comme étant donnés à titre d'illustration et sans caractère limitatif et qu'il y

a lieu de se référer aux revendications ci-annexées

plutôt qu'à la description ci-avant, toute variante

* entrant dans l'esprit et dans l'étendue d'équivalence

des revendications étant ainsi réputée faire partie

de la présente invention.

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Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Système à membrane multi-étage pour la récupération de solvants et de solutés provenant de systèmes chromatographiques, comprenant: a) un premier moyen pour envoyer un premier flux liquide d'une fraction principale d'élution, contenant des molécules-cibles à concentrer et du solvant, sur une première unité de filtration à membrane pour effectuer la concentration et la récupération desdites molécules-cibles côté arrivée de ladite première membrane; b) un deuxième moyen pour envoyer des flux liquides d'autres fractions d'élution du processus chromatographique, contenant des contaminants et du solvant, sur une seconde unité de filtration à membrane pour effectuer la concentration et la collecte desdits solutés de contaminant côté arrivée de ladite seconde unité à membrane; et c) un troisième moyen pour envoyer le solvant filtré, provenant du côté permeat de ladite première unité de filtration à membrane, du côté arrivée de ladite seconde unité de filtration à membrane, ledit solvant filtré se mélangeant audit flux liquide des

autres fractions d'élution.

2. Système à membrane multi-étage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un quatrième moyen pour envoyer le solvant filtré, provenant du côté permeat de ladite seconde unité à membrane de filtration, afin de le recycler

dans le système chromatographique HPLC.

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3. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les membranes sont des membranes de nanofiltration (NF) ayant une limite de

blocage comprise entre 80 et 150 daltons.

4. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les membranes NF ont une limite

de blocage comprise entre 150 et 400 daltons.

5. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les membranes NF ont une limite

de blocage comprise entre 400 et 5 000 daltons.

6. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les membranes sont résistantes

au solvant.

7. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les membranes ont une configuration, au choix, en forme de spirales, de

tubes, de petits tubes ou de fibres creuses.

8. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les membranes sont des membranes asymétriques supportées, traitées par modification ou par enduction pour les transformer en

membranes de nanofiltration.

9. Procédé de récupération de solvants et de solutés provenant de systèmes chromatographiques, comprenant les étapes suivantes: a) l'envoi d'un premier flux liquide d'une fraction principale d'élution, contenant des molécules-cibles à concentrer et du solvant, sur une

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première unité à membrane de filtration pour effectuer la concentration et la récupération desdites molécules-cibles côté arrivée de ladite première membrane; b) l'envoi de flux liquides d'autres fractions d'élution du processus chromatographique, contenant des contaminants et du solvant, sur une seconde unité à membrane de filtration pour concentrer et recueillir lesdits solutés de contaminant côté arrivée de ladite seconde unité à membrane; et c) l'envoi du solvant filtré, provenant du côté permeat de ladite première unité à membrane de filtration, du côté arrivée de ladite seconde unité à membrane de filtration, ledit solvant filtré se mélangeant alors audit flux liquide des autres

fractions d'élution.