CH622553A5 - - Google Patents

Description

La présente invention est relative à la préparation de certaines gommes de Polysaccharides solubles dans l'eau et obtenues par voie biologique. Elle vise plus spécifiquement une technique nouvelle et perfectionnée pour isoler un tel polymère d'un bouillon de fermentation dans lequel il prend naissance.

Dans les récentes années, des efforts considérables ont été déployés dans la recherche du perfectionnement et de l'optimisation des procédés pour la préparation des gommes de Polysaccharides par fermentation. On peut citer en particulier l'hétéropoly-saccharide préparé par fermentation aérobie des bactéries du genre Xanthomonas. Des espèces représentatives du genre Xanthomonas grâce auxquelles on obtient ce Polysaccharide sont le X. bt'goniae, le X. carotae, le X. hederae, le X. incari, le X. malva-cearum, le X. phaseoli et en particulier le X. campestris. Le Polysaccharide auquel on a donné le nom de xanthane ou de gomme xanthane est un hétéropolysaccharide complexe contenant du glucose, du mannose et des groupes acides glucuroniques dans la chaîne polymère.

L'exploitation commerciale de la gomme xanthane a été freinée par son prix de revient relativement élevé par rapport aux autres gommes solubles dans l'eau avec lesquelles elle doit entrer en compétition pour la vente en grande quantité. Bien que la préparation d'une gomme par fermentation soit en elle-même coûteuse, une fraction importante du prix total de la gomme xanthane doit être directement attribuée à la récupération de la gomme dans le bouillon de fermentation brut.

Le bouillon de fermentation brut est une solution très visqueuse, hautement pseudo-plastique, contenant environ 0,5 à 4% de gomme xanthane en poids en même temps que de petites quantités de sels, de cellules de Xanthomonas et de débris insolubles. Dans le procédé classique de récupération, on dilue le bouillon avec de l'eau pour réduire sa viscosité, ce qui facilite ainsi sa manipulation dans les étapes ultérieures de précipitation. Si on le veut, on peut centrifuger ou filtrer la solution diluée en ce point du processus pour éliminer les matières indésirables solides et insolubles. On ajoute alors au floculat du méthanol ou un autre non-solvant et du chlorure de potassium pour floculer la gomme sous la forme du sel de potassium que l'on récupère alors par centrifugation ou par toute autre technique de séparation solide-liquide. On emploie ultérieurement d'autres étapes de dissolution, de reprécipitation et de lavage, selon le degré de pureté nécessité. Plus récemment, le brevet US N° 3382229 a décrit une précipitation par action de cations polyvalents (principalement divalents) à des pH supérieurs à environ 8,5. Comme la gomme xanthane est un hétéropolymère carboxylé, il existe des situations dans lesquelles il est désirable de conduire les opérations de récupération en milieu acide. Cependant, la technique telle qu'elle est illustrée par le brevet US précité indique que les sels métalliques polyvalents sont solubles au-dessous du pH 8,5. Une autre technique, celle par exemple du brevet US N° 3383307, consiste à employer certains sels trivalents, à savoir notamment le sulfate d'aluminium, en présence d'un métal libérant de l'hydrogène libre pour former des gels de gomme xanthane. Un tel gel n'est cependant pas facilement séparé de la phase aqueuse.

Selon l'invention, une nouvelle technique consiste à utiliser certains sels d'aluminium pour insolubiliser et précipiter la gomme xanthane dans un bouillon de fermentation sous une forme facilement récupérable. La technique selon l'invention consiste à ajouter à une solution de gomme xanthane un sel d'aluminium choisi entre le chlorure d'aluminium, le nitrate d'aluminium et l'acétate d'aluminium, puis à accroître le pH de la solution jusqu'à un point situé entre 3,5 et 4,5.

Le pH d'une solution de xanthane telle qu'elle est obtenue à l'achèvement de la phase de fermentation est d'environ 5 à 8,5. L'addition de la quantité stœchiométrique des sels d'aluminium précités réduit ce pH jusqu'à environ 3 ou moins. A pH 3, le sel d'aluminium ou le complexe d'aluminium est à la limite de la solubilité en milieu aqueux de sorte qu'il en résulte soit une solution limpide, soit une solution contenant une petite quantité de structure. Si l'on considère les connaissances acquises antérieurement et concernant le comportement des autres xanthanates de métaux polyvalents à pH acide et du xanthanate d'aluminium à pH élevé, ce comportement ne pouvait pas être prévisible. Une autre caractéristique surprenante de l'invention est que la réduction du pH de la solution de xanthane au bas niveau indiqué ci-dessus par addition du sel d'aluminium entraîne souvent une réduction de la viscosité de la solution sans affecter le xanthane, c'est-à-dire sans provoquer une dégradation quelconque de la longueur de la chaîne polymère. Par exemple, un bouillon de fermentation ayant une viscosité d'environ 1000 cPo au pH réactionnel se trouve réduit à environ 500 cPo à pH 2,5 en présence de l'ion aluminium.

Comme indiqué précédemment, il a été nécessaire, dans le cas des procédés antérieurs, de diluer le bouillon de fermentation brut jusqu'à un degré considérable pour réduire sa viscosité à un point où l'on peut réaliser les opérations de récupération. Le degré de dilution requis quand on procède selon la présente invention est réduit. En fait, il est possible d'effectuer la précipitation au moyen des sels d'aluminium précités pratiquement sans dilution des solutions obtenues dans la fermentation. La mise en œuvre du procédé selon la présente invention de telle manière que le pH soit réduit jusqu'au point indiqué assure que l'on évite la gélification, ou bien, si un gel se forme, assure qu'il se brise et que la gomme xanthane passe en solution comme décrit ci-dessus. Des résultats insatisfaisants sont réalisés, en ce sens que l'on n'obtient pas un produit facilement séparable, quand le pH de la fermentation n'est pas réduit, puis ajusté à l'intervalle dans lequel le xanthane est insoluble et non gélifiant.

A la suite de l'addition des sels d'aluminium précités et de l'abaissement résultant du pH, on réalise la précipitation de la gomme xanthane en accroissant le pH jusqu'à un point situé entre environ 4 et 4,5. Cet intervalle de pH paraît être critique. A l'extérieur de cet intervalle, ou bien la matière est à peine soluble, de sorte qu'elle ne précipite pas, ou elle forme vraisemblablement un gel. Comme l'indique l'enseignement de la technique, le sel d'aluminium commence à approcher de l'état de solubilité à mesure que le pH augmente en milieu aqueux. La limite supérieure d'environ 4,5 est critique pour éviter la solubilité sur place et la gélification qui intervient en ce point en milieu aqueux.

Comme indiqué précédemment, un des avantages de la présente invention est que l'on peut réaliser la précipitation de la gomme xanthane sans diluer de façon considérable le bouillon de fermentation, comme c'était l'habitude dans la technique antérieure. On peut précipiter la gomme de solutions même relative5

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ment visqueuses. Si l'on désire séparer la matière insoluble telle que les parois cellulaires qui subsistent de la fermentation avant la phase de précipitation, on peut diluer le bouillon de la manière usuelle pour réduire sa viscosité à un état plus facilement filtrable. Dans de nombreux cas, sinon la plupart, cependant, l'élimination des insolubles n'est pas nécessaire et on peut omettre cette étape.

Les sels d'aluminium que l'on a trouvés utilisables dans la mise en œuvre du procédé selon l'invention sont les sels solubles dans l'eau avec des anions monovalents, à savoir le chlorure d'aluminium, le nitrate d'aluminium et l'acétate d'aluminium. Les sels avec des anions polyvalents qui ont été essayés, tels que le sulfate d'aluminium et le citrate d'aluminium, ont été trouvés inefficaces et conduisent à la formation de gel ou d'autres formes difficilement séparables.

Le sel d'aluminium est de préférence utilisé en léger excès par rapport à la quantité stœchiométrique requise pour réagir avec la totalité des groupes carboxyles libres de la gomme. La quantité stœchiométrique est habituellement de l'ordre d'environ 0,18 g d'aluminium par gramme de gomme à récupérer. Normalement, un excès d'environ 10% sur la quantité stœchiométrique suffit. Des quantités plus élevées ne sont pas nuisibles, mais l'emploi de plus grandes quantités est un gâchis et exige de plus grands volumes de réactifs dans les phases ultérieures du procédé quand on élimine l'aluminium.

La quantité optimale de sel d'aluminium requis peut facilement être déterminée en réalisant une précipitation par l'aluminium sur de petites portions d'essai du ferment, en utilisant des quantités croissantes de sel d'aluminium. Au niveau optimal des sels d'aluminium, on obtient un floc dense de xanthanate d'aluminium que l'on récupère aisément par tamisage et que l'on peut facilement compacter jusqu'à une teneur en solides d'environ 20%. Une concentration optimale en ions aluminium est habituellement d'environ une partie d'ion aluminium pour 5 parties de gomme sèche (base pondérale).

Le sel d'aluminium ou le complexe d'aluminium insoluble est ensuite délayé dans un milieu liquide qui soit un non-solvant pour la gomme xanthane, dans lequel il est traité avec un acide fort pour éliminer l'aluminium. Un milieu non solvant typique est un mélange d'un alcool à bas poids moléculaire par exemple un alcool en C1-C4 et d'eau. On préfère l'isopropanol. On peut utiliser également d'autres agents organiques tels que l'acétone ou autres cétones à bas poids moléculaire selon leur disponibilité ou autres facteurs. Il est désirable qu'un peu d'eau soit présente dans ce milieu, car l'eau est le meilleur solvant pour le sel d'aluminium qui résulte du traitement acide du xanthanate d'aluminium. Pratiquement on peut utiliser n'importe lequel des acides minéraux forts qui forment des sels d'aluminium solubles dans l'eau dans la phase de purification, par exemple les acides sulfurique, chlorhydrique et nitrique.

Le produit est soumis à des lavages répétés à l'alcool jusqu'à ce que pratiquement tous les résidus d'aluminium soient éliminés. La gomme exempte d'aluminium est alors séchée à température légèrement élevée et broyée pour donner une poudre dense fluide qui se disperse facilement dans l'eau en formant une solution visqueuse homogène.

Exemple 1 :

On dilue 1 1 de bouillon de fermentation de Xanthomonas campestris contenant environ 1,8% de gomme xanthane avec deux fois son volume d'eau de robinet. On ajoute 15 ml d'une solution aqueuse à 28% de chlorure d'aluminium, ce qui réduit le pH à environ 3. On centrifuge alors le bouillon dilué à 25-30000 t/mn dans une centrifugeuse à débit continu pour éliminer les cellules et débris. Le pH du bouillon clarifié est alors élevé à 4 par addition lente d'environ 75 ml d'une solution à 10% de soude. A mesure que le pH se rapproche de 4, la gomme xanthane se sépare de la solution sous la forme d'un floc ferme et cohérent.

On filtre le précipité à travers un tamis de Nylon de 100 mailles et on le compacte pour obtenir un gâteau contenant environ 20% de matières solides. Pour éliminer l'aluminium, on met en suspension ce gâteau dans 400 ml d'isopropanol contenant 20 ml d'acide chlorhydrique concentré et on le mélange dans un mélangeur pour obtenir une suspension uniforme. On laisse reposer cette suspension pendant environ 15 mn et on recueille la gomme insoluble sur un tamis de Nylon de 100 mailles que l'on essore pour en chasser l'excès de solvant, ce qui donne un gâteau à environ 40% de matières solides. On répète ce processus en utilisant 250 ml d'un mélange isopropanol:eau:acide chlorhydrique (14:5:1, v/v). On met alors le gâteau en suspension dans 250 ml d'isopropanol aqueux à 70% dans un mélangeur et on neutralise à pH 7-8 par addition d'environ 10 ml dans une solution à 20% de soude. On recueille le produit sur un tamis en Nylon de 100 mailles, on le compacte pour donner un gâteau d'environ 45% de solides et on le sèche dans un four à vide à 50° C.

On recueille environ 18 g d'une gomme xanthane pulvérulente colorée en bistre clair. L'analyse indique moins de 1 % d'azote et moins de 0,3% d'aluminium résiduel. Le produit se dissout très facilement dans l'eau de robinet en donnant une solution translucide très visqueuse.

Exemple 2:

A 11 de bouillon de fermentation de Xanthomonas campestris contenant environ 1,8% de gomme xanthane, on ajoute 30 g de nitrate d'aluminium dissous dans un petit volume d'eau. Après mélange soigné, on élève le pH à environ 4 par addition de 75 ml d'une solution à 10% de soude. A mesure que le pH approche de 4, la gomme xanthane précipite sous la forme d'un floc ferme et cohérent. On le recueille sur un tamis de Nylon de 100 mailles et on le compacte pour obtenir un gâteau contenant environ 20% de solides. On sèche le gâteau dans un four à circulation forcée à 60-70° C, et on le broie pour qu'il passe au tamis de 20 mailles. La poudre séchée est mise en suspension dans 200 ml d'un mélange isopropanol:eau:acide chlorhydrique (14:5:1, v/v) et on agite pendant 15 mn, puis on le filtre en utilisant un entonnoir en verre fritté à porosité moyenne et sous pression réduite. Le résidu est remis en suspension dans 150 ml du mélange ci-dessus et on répète la filtration. On met alors en suspension le résidu dans 150 ml d'isopropanol aqueux à 70%, on le filtre, on le remet en suspension dans 150 ml d'isopropanol aqueux à 70% et on neutralise à pH 7-8 par addition d'une solution de potasse. On filtre la suspension et on sèche le résidu dans un four à vide à 50° C.

On broie le produit sec pour donner une poudre brun clair qui se dissout facilement dans l'eau en donnant une solution translucide très visqueuse. On trouve que la matière contient moins de 1% d'azote et moins de 0,05% d'aluminium résiduel.

Exemple 3 :

A 1 1 de bouillon de fermentation de Xanthomonas campestris contenant environ 1,8% de gomme xanthane, on ajoute 6 g d'acétate d'aluminium dissous dans un petit volume d'eau. Après mélange intime du sel d'aluminium avec le bouillon, on élève le pH jusqu'à environ 4 par addition de 75 ml d'une solution à 10% d'une solution de soude. A mesure que le pH approche de 4, le xanthane précipite sous la forme d'un floc ferme et cohérent. On recueille ce dernier sur un tamis de Nylon de 100 mailles et on le compacte pour obtenir un gâteau contenant environ 20% de solides.

On met le gâteau en suspension dans 400 cm3 d'isopropanol contenant 20 cm3 d'acide chlorhydrique concentré et on mélange dans un mélangeur pour obtenir une dispersion uniforme. On laisse reposer la dispersion pendant environ 15 mn, à la suite de quoi on recueille la gomme insoluble sur un tamis de Nylon de 100 mailles et on la compacte pour obtenir un gâteau à environ 40% de solides. On répète ce processus en utilisant 250 cm3 d'un mélange isopropanol:eau:acide chlorhydrique (14:5:1 v/v). On met alors le gâteau en suspension dans 250 cm3 d'isopropanol

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aqueux à 70% dans un mélangeur et on neutralise jusqu'à pH 7-8 par addition d'environ 10 cm3 d'une solution à 20% de soude. On recueille le produit sur un tamis de 100 mailles en Nylon, on le compacte pour obtenir un gâteau à environ 45% de solides et on le sèche dans un four à vide à 50° C.

On recueille environ 18 g d'une gomme xanthane poudreuse de couleur bistre clair. L'analyse indique moins de 1 % d'azote et moins de 0,3% d'aluminium résiduel. Le produit se dissout facilement dans l'eau du robinet en donnant une solution translu-s cide et très visqueuse.

Claims (4)

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1. Procédé pour la précipitation de la gomme xanthane à partir d'une solution aqueuse, caractérisé en ce qu'il consiste à ajouter à cette solution un sel d'aluminium, puis à porter le pH de la solution à un point situé entre 3,5 et 4,5, ce sel d'aluminium étant choisi entre l'acétate d'aluminium, le chlorure d'aluminium et le nitrate d'aluminium.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la solution aqueuse consiste en un bouillon de fermentation d'une bactérie du genre Xanthomonas.

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REVENDICATIONS

3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on élimine les matières insolubles de la solution aqueuse avant la précipitation de la gomme.

4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la bactérie du genre Xanthomonas est le Xanthomonas campestris.