DE102004047722B4 - Process for isolating and separating carbohydrates from aqueous media and use of ionic liquids for the extraction of carbohydrates - Google Patents
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Abstract
Verfahren
zum Isolieren von Kohlenhydraten aus wässrigen Medien, dadurch gekennzeichnet, dass
man
(a) eine Extraktion des wässrigen Mediums mit einem organischen
Lösungsmittel
oder einer ionischen Flüssigkeit durchführt, wobei
das organische Lösungsmittel
oder die ionische Flüssigkeit
ein Amin enthält,
das man in einem molaren Amin-Zucker-Verhältnis
von 2-25 einsetzt,
(b) aus dem organischen Lösungsmittel
oder der ionischen Flüssigkeit
das/die Kohlenhydrat(e) mit Wasser extrahiert.A process for isolating carbohydrates from aqueous media, characterized in that
(a) carrying out an extraction of the aqueous medium with an organic solvent or an ionic liquid, the organic solvent or the ionic liquid containing an amine which is used in a molar amine-sugar ratio of 2-25,
(b) extracting the carbohydrate (s) with water from the organic solvent or ionic liquid.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Isolieren und Trennen von Kohlenhydraten, insbesondere von Monosacchariden, Disacchariden und/oder Oligosacchariden, aus wässrigen Medien, bei dem man mit einem organischen Lösungsmittel oder einer ionischen Flüssigkeit, die jeweils ein Amin enthalten, eine Extraktion durchführt und man das/die Saccharid(e) anschließend durch Rückextraktion gegen Wasser isoliert. Die Erfindung betrifft auch die Verwendung von ionischen Flüssigkeiten zur Extraktion von Kohlenhydraten.The The present invention relates to a method of isolation and separation of carbohydrates, in particular of monosaccharides, disaccharides and / or oligosaccharides, from aqueous Media in which one uses an organic solvent or an ionic Liquid, each containing an amine, performs an extraction and the saccharide (s) are then re-extracted isolated against water. The invention also relates to the use of ionic liquids for the extraction of carbohydrates.
Die Aufarbeitung von Wertstoffen aus einer Reaktionslösung, aus Roh- oder Abfallstoffen macht in der Regel einen großen Anteil der Verfahrenskosten aus. Aus diesem Grund wird häufig versucht, möglichst hohe Konzentrationen zu erreichen, um die einzelnen Prozessabschnitte möglichst effektiv zu gestalten. Dies ist im Einzelfall nicht immer möglich, z.B. bei der Gewinnung von Inhaltsstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen oder aus biotechnologischen Produktionsprozessen. Schwierigkeiten treten auch dann auf, wenn gut wasserlösliche Substanzen wie Kohlenhydrate aus wässrigen Lösungen gewonnen werden sollen, ohne daß durch Veränderung der äußeren Gegebenheit eine z.B. selektive Extraktion nach pH-Einstellung mit organischen Lösungsmitteln möglich ist.The Processing of valuable substances from a reaction solution, from Raw or waste materials usually make up a large proportion the procedural costs. Because of this, people often try preferably reach high concentrations around the individual process sections preferably effective. This is not always possible in individual cases, e.g. in the extraction of ingredients from renewable raw materials or from biotechnological production processes. Difficulties occur even if it is very soluble in water Substances like carbohydrates should be extracted from aqueous solutions, without change the external condition a e.g. selective extraction after pH adjustment with organic solvents possible is.
In den letzten 30 Jahren stieg das Interesse, nachwachsende Rohstoffe industriell zu nutzen. Kohlenhydrate eignen sich besonders gut als Ausgangsverbindungen, da diese zum einen die größte Verfügbarkeit aufweisen und zum anderen in hoher Reinheit zugänglich sind. Ein wichtiger Rohstoff ist die Glucose, die weltweit in einem Maßstab von ca. 5 Mio. t/a produziert wird. Glucose wird großtechnisch durch enzymatische Hydrolyse aus Stärke hergestellt. Die Hauptanwendungen liegen im Ernährungssektor, als Kohlenstoffquelle für industrielle Fermentation sowie als Rohstoff zur Synthese von Sorbitol [1].In For the past 30 years, interest has been increasing, renewable resources to use industrially. Carbohydrates are particularly good as Output connections, as these have the one the greatest availability and the other accessible in high purity are. An important raw material is glucose, which is worldwide in one scale of about 5 million t / a is produced. Glucose is becoming industrial produced by enzymatic hydrolysis of starch. The main applications are in the food sector, as a carbon source for industrial Fermentation and as a raw material for the synthesis of sorbitol [1].
Die Gewinnung von Kohlenhydraten aus wässrigen Medien (Fermentationsbrühen) stellt aufgrund der großen, irregulären und multivalenten Struktur und der geringen Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln ein Problem dar.The Recovery of carbohydrates from aqueous media (fermentation broths) provides because of the big, irregular and multivalent structure and low solubility in organic solvents a problem.
Bisherige Arbeiten beschäftigten sich hauptsächlich mit der Extraktion von Kohlenhydratcarbonsäuren wie zum Beispiel die Gluconsäure oder die Milchsäure [Ref. 1-4]. Hier konnte durch Zusatz eines Carriers zum organischen Lösungsmittel gezeigt werden, dass eine extraktive Gewinnung der Carbonsäuren möglich ist. Kida et al zeigten den selektiven Transport von Monosacchariden durch eine Bulkmembran unter Hilfenahme eines Carriers. Ähnliches stellten Ryan et al in ihren Arbeiten vor. Sie extrahierten verschiedene Zucker unter Zuhilfenahme eines aufwendig zu synthetisierenden zyklischen Rezeptor. Der selektive Transport von Monosacchariden durch eine Lipid-Doppelschicht-Membran unter Nutzung von Phenylboronsäure als Carrier zeigten Westmark et. al. Bei diesen Arbeiten konnten Monosaccharide aus der wässrigen Phase abgetrennt werden. Der Nachteil dieser Arbeiten liegt zum einen im hohen Zeitaufwand (teilweise bis zu 4 Tagen) und zum anderen an der niedrigen Konzentration der gewonnenen Substanzen [Ref. 5-7].Previous Working employed mainly with the extraction of carbohydrate carboxylic acids such as gluconic acid or the lactic acid [Ref. 1-4]. Here could by adding a carrier to the organic solvent be shown that an extractive extraction of carboxylic acids is possible. Kida et al. demonstrated the selective transport of monosaccharides a bulker membrane with the aid of a carrier. something similar Ryan et al presented in their work. They extracted different ones Sugar with the help of a complex to be synthesized cyclic Receptor. The selective transport of monosaccharides by a Lipid-bilayer membrane using phenylboronic acid as carrier Westmark et. al. In this work could Monosaccharides from the aqueous Phase are separated. The disadvantage of this work is the one in high expenditure of time (partly up to 4 days) and on the other hand at the low concentration of the recovered substances [Ref. 5-7].
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein einfaches und effizientes Verfahren zur Isolierung und/oder Trennung von Kohlenhydraten aus wässrigen Medien bereitzustellen, das vorzugsweise innerhalb kurzer Zeiträume durchführbar ist.task The present invention is therefore a simple and efficient Process for the isolation and / or separation of carbohydrates aqueous Provide media that is preferably feasible within a short period of time.
Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren der Ansprüche 1 bis 14 bzw. die Verwendung nach den Ansprüchen 15 bis 17 vorgeschlagen.to solution The object is the method of claims 1 to 14 or the use according to the claims 15 to 17 proposed.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Isolieren von Kohlenhydraten (Sacchariden) aus wässrigen Medien, bei dem man
- (a) eine Extraktion des wässrigen Mediums mit einem organischen Lösungsmittel oder einer ionischen Flüssigkeit durchführt, wobei das organische Lösungsmittel oder die ionische Flüssigkeit ein primäres, sekundäres und/oder tertiäres Amin enthält, das man in einem molaren Amin-Zucker-Verhältnis von 2-25 einsetzt, und man
- (b) aus dem orgänischen Lösungsmittel oder der ionischen Flüssigkeit das/die Kohlenhydrat(e) mit Wasser extrahiert.
- (a) carrying out an extraction of the aqueous medium with an organic solvent or an ionic liquid, wherein the organic solvent or the ionic liquid contains a primary, secondary and / or tertiary amine which is obtained in a molar amine-sugar ratio of 2 25 uses, and one
- (b) extracting the carbohydrate (s) with water from the organic solvent or ionic liquid.
Bei dem Kohlenhydrat bzw. den Kohlenhydraten handelt es sich vorzugsweise um ein Monosaccharid/Monosaccharide und/oder ein Disaccharid/Disaccharide und/oder ein Oligosaccharid/Oligosaccharide.at the carbohydrate or carbohydrates are preferably a monosaccharide / monosaccharide and / or a disaccharide / disaccharide and / or an oligosaccharide / oligosaccharide.
Bei dem wässrigen Medium handelt es sich vorzugsweise um eine wässrige Lösung, es kann aber auch eine Aufschlämmung oder Rohextrakt sein.at the aqueous Medium is preferably an aqueous solution, but it can also be a slurry or raw extract.
Gegebenenfalls unterzieht man die in Stufe (b) erhaltene wässrige Lösung einer weiteren Aufreinigung und/oder Trennung, beispielsweise durch Chromatographie, Membranverfahren, Eindampfen oder Adsorption.Possibly subjecting the aqueous solution obtained in step (b) to further purification and / or Separation, for example by chromatography, membrane processes, Evaporation or adsorption.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform unterzieht man die in Stufe (b) erhaltene wässrige Lösung nochmals dem vorgenannten, erfindungsgemäßen Verfahren, um eine weitere Trennung/Aufreinigung zu erzielen.According to one particular embodiment subjecting the aqueous solution obtained in step (b) again to the abovementioned inventive method, to achieve further separation / purification.
Vorteilhafterweise entfernt man aus der in Stufe (b) erhaltenen wässrigen Lösung das Wasser. Geeignete Verfahren, wie z.B. Dünnschichtverdampfung, Rotationsverdampfung, Sprühtrocknung und Gefriertrocknung, sind dem Fachmann gut bekannt.advantageously, the water is removed from the aqueous solution obtained in step (b). suitable Methods, e.g. Thin film evaporation, Rotary evaporation, spray drying and lyophilization are well known to those skilled in the art.
Das vorgenannte Verfahren wird bei einer Temperatur von bis zu etwa 40°C, wie z.B. bei etwa 20°C, etwa 30°C oder etwa 40°C, durchgeführt. Vorteilhaft ist eine Temperatur von 40°C. Die Selektivität steigt durch niedere Temperaturen, so dass hierfür auch eine Temperatur von 20°C bevorzugt wird.The The aforementioned method is carried out at a temperature of up to about 40 ° C, like e.g. at about 20 ° C, about 30 ° C or about 40 ° C, carried out. A temperature of 40 ° C is advantageous. The selectivity increases due to low temperatures, so that a temperature of 20 ° C preferred becomes.
Das organische Lösungsmittel wird aus der Gruppe unverzweigter Aliphaten, aliphatischer Alkohole, Ethern, Aromaten oder Mischungen derselben ausgewählt.The organic solvents is selected from the group of unbranched aliphatics, aliphatic alcohols, ethers, Aromatics or mixtures thereof selected.
Die Gruppe unverzweigter Aliphaten umfasst beispielsweise, n-Hexan, n-Heptan, n-Decan, n-Pentan, n-Butan, Isooctan, Octadecan, 2-Methylpentan, Hexadecan und Heptadecan.The Group of unbranched aliphatics includes, for example, n-hexane, n-heptane, n-decane, n-pentane, n-butane, isooctane, octadecane, 2-methylpentane, Hexadecane and Heptadecan.
Auch verzweigte Aliphaten und Cycloaliphaten, wie z.B. Cyclohexan kommen in Betracht, ebenso wie cyclische Ketone (z.B. Cyclohexanon). Dem Fachmann sind entsprechende Lösungsmittel aus den vorgenannten Klassen gut bekannt, und deren Eignung im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich leicht überprüfen.Also branched aliphatics and cycloaliphatic, e.g. Cyclohexane come as well as cyclic ketones (e.g., cyclohexanone). the Professional are appropriate solvents well known from the aforementioned classes, and their suitability in the context the method according to the invention is easy to check.
Aliphatische Alkohole sind beispielsweise Ethanol, n-Propanol, iso-Propanol, n-Butanol, sek-Butanol, tert-Butanol, Pentanol, Hexanol, Heptanol, Octanol, Methanol, 2-Octanol, 3-Octanol, Isoamylalkohol und Isooctanol einschließlich aller Isoformen.aliphatic Alcohols are, for example, ethanol, n-propanol, isopropanol, n-butanol, sec-butanol, tert-butanol, pentanol, hexanol, heptanol, Octanol, methanol, 2-octanol, 3-octanol, isoamyl alcohol and isooctanol including all isoforms.
Ether sind beispielsweise Dimethylether, Diethylether, Dipropylether, Dibutylether, Dipentylether, Dihexylether, Dibenzylether, n-Butylethylether, Diisopropylether, Diisoamylether, einschließlich aller in Bezug auf den Alkylrest denkbaren Isoformen. Auch asymmetrische Ether kommen in Betracht, wie z.B. Methylethylether, Methylpropylether, Methylbutylether, Ethylpropylether, Ethylbutylether, tert. Butylethylether, ebenfalls einschließlich aller in Bezug auf den Alkylrest denkbaren Isoformen, wie z.B. tert-Butylmethylether (MTBE).ether are, for example, dimethyl ether, diethyl ether, dipropyl ether, Dibutyl ether, dipentyl ether, dihexyl ether, dibenzyl ether, n-butyl ethyl ether, Diisopropyl ether, diisoamyl ether, including all in relation to the Alkyl radical conceivable isoforms. Also asymmetric ethers come in Consider such as Methyl ethyl ether, methyl propyl ether, methyl butyl ether, Ethyl propyl ether, ethyl butyl ether, tert. Butyl ethyl ether, also including all isoforms conceivable with respect to the alkyl radical, such as e.g. tert-butyl methyl ether (MTBE).
Aromatische Kohlenwasserstoffe, die vorliegend in Betracht kommen, sind Toluol, p-Xylol, m-Xylol und o-Xylol.aromatic Hydrocarbons contemplated herein are toluene, p-xylene, m-xylene and o-xylene.
Erfindungsgemäß geeignet sind auch perfluorierte Kohlenwasserstoffe, wobei sich deren Eignung im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens vom Fachmann leicht überprüfen lässt.Suitable according to the invention are also perfluorinated hydrocarbons, where their suitability in the context of the method according to the invention easily checked by a specialist.
Insbesondere kommen als organische Lösungsmittel aufgrund ihrer Verfügbarkeit und Praktikabilität n-Butanol, MTBE, n-Hexan oder Toluol in Frage, sind jedoch nicht darauf beschränkt.Especially come as organic solvents due to their availability and practicability of n-butanol, MTBE, n-hexane or toluene in question, but are not limited thereto.
Die Erfindung betrifft gemäß einer erfindungsgemäßen Alternative die Verwendung von ionischen Flüssigkeiten zur Extraktion von Kohlenhydraten, bevorzugt von Monosacchariden und/oder Disacchariden, aus wässrigen Medien, insbesondere unter Anwendung des hierin beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die ionische Flüssigkeit ein primäres, sekundäres und/oder tertiäres Amin enthält.The Invention relates according to a inventive alternative the use of ionic liquids for the extraction of carbohydrates, preferably monosaccharides and / or disaccharides, from aqueous Media, in particular using the method according to the invention described herein, the ionic liquid a primary, secondary and / or tertiary Contains amine.
Unter ionischen Flüssigkeiten versteht man bei niedrigen Temperaturen (< 100°C) schmelzende Salze, die eine neuartige Klasse von Lösungsmitteln mit nicht-molekularem, ionischem Charakter darstellen. Auch wenn erste Vertreter bereits seit 1914 bekannt sind, werden ionische Flüssigkeiten erst in den letzten 15 Jahren intensiv als Lösungsmittel für chemische Umsetzungen untersucht. Ionische Flüssigkeiten besitzen keinen messbaren Dampfdruck. Dies ist aus verfahrenstechnische Hinsicht ein großer Vorteil, da auf diese Weise die destillative Trennung eines Reaktionsgemisches als effektive Methode zur Produktabtrennung möglich ist. Die bekannten Probleme durch Azeotropbildung zwischen Lösungsmittel und Produkten treten nicht auf. Ionische Flüssigkeiten sind bis über 200°C temperaturstabil. Durch eine geeignete Wahl von Kationen und Anionen ist eine stufenweise Einstellung der Polarität und damit eine Abstimmung der Löslichkeitseigenschaften möglich. Die Bandbreite reicht dabei von wassermischbaren ionischen Flüssigkeiten über wassernichtmischbare bis hin zu solchen, die selbst mit organischen Lösungsmitteln zwei Phasen bilden. Ionische Flüssigkeiten, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können sind beispielsweise in den Publikationen Ref 9-13 genannt, auf die hierin ausdrücklich Bezug genommen wird. Ferner wird noch auf die Datenbanken von Merck (www.ionicliquids-merck.de) und von Solvent Ionnovation (www.solvent-innovation.com) verwiesen.At low temperatures (<100 ° C), ionic liquids are melting salts that are a novel class of solvents with non-molecular, ionic character. Although first representatives have been known since 1914, ionic liquids have been intensively studied as solvents for chemical reactions only in the last 15 years. Ionic liquids have no measurable vapor pressure. This is a great advantage from a procedural point of view, since in this way the distillative separation of a reaction mixture is possible as an effective method for product separation. The known problems of azeotrope formation between solvent and products do not occur. Ionic liquids are temperature stable up to over 200 ° C. By a suitable choice of cations and anions, a stepwise adjustment of the polarity and thus a matching of the solubility properties is possible. The spectrum ranges from water-miscible ionic liquids through water-immiscible to water-soluble to those that form two phases even with organic solvents. Ionic liquids that can be used in the present invention are mentioned, for example, in the publications Ref 9-13, to which reference is expressly made herein. Furthermore, reference is made to the databases of Merck (www.ionicliquids-merck.de) and Solvent Ionnovation (www.solvent-innovation.com).
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kommen solche ionischen Flüssigkeiten in Betracht, die mit Wasser nicht oder nur wenig mischbar sind und die im oben genannten Temperaturbereich, vorzugsweise bei etwa 40°C, flüssig sind. Bevorzugt sind ionische Flüssigkeiten (IL), vor allem auf Basis des N-Alkylimidazolium Kations [Ref. 8]. Beispielhafte Vertreter sind 1-Butyl-3-methyl-imidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imid (BMIM[(CF3SO2)2N]), 1-Ethyl-3-methyl-imidazolium-bis(trifluoromethyl-sulfonyl) imid ([EMIM][(CF3SO2)2N]), 1,10-Di-(4'-methyl-imidazolium)-decanyl-bis(trifluoromethylsulfonyl)imid ([(MIM)2Dec][(CF3SO2)2N]), 1-Butyl-3-methyl-imidazoliumhexafluorophosphat ([BMIM][PF6]), TerrasailTM (von Sachem, Inc., Austin (TX), USA), sowie Mischungen derselben, wobei BMIM[(CF3SO2)2N], sowie Mischungen derselben besonders bevorzugt sind.In the context of the present invention are those ionic liquids into consideration, which are not or only slightly miscible with water and which are liquid in the above-mentioned temperature range, preferably at about 40 ° C. Preference is given to ionic liquids (IL), especially based on the N-alkylimidazolium cation [Ref. 8th]. Exemplary representatives are 1-butyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide (BMIM [(CF 3 SO 2 ) 2 N]), 1-ethyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide ([ EMIM] [(CF 3 SO 2 ) 2 N]), 1,10-di (4'-methyl-imidazolium) -decanyl-bis (trifluoromethylsulfonyl) imide ([(MIM) 2 Dec] [(CF 3 SO 2 ) 2 N]), 1-butyl-3-methyl-imidazolium hexafluorophosphate ([BMIM] [PF 6 ]), Terrasail ™ (from Sachem, Inc., Austin (TX), USA), and mixtures thereof, where BMIM [( CF 3 SO 2 ) 2 N], as well as mixtures thereof are particularly preferred.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es wichtig, dass sich die Carrier (Amine) vollständig in der Ionischen Flüssigkeit lösen. Desweiteren sind die üblichen Bedingungen für eine Extraktion, d.h. eine gute Phasentrennung und eine Nichtmischbarkeit mit Wasser, von der Ionischen Flüssigkeit zu erfüllen.in the Framework of the method according to the invention it is important that the carriers (amines) are completely in the ionic liquid to solve. Furthermore, the usual Conditions for an extraction, i. good phase separation and immiscibility with water, from the ionic liquid to fulfill.
Bei dem eingesetzten Amin handelt es sich um ein alicyclisches Amin, ein aliphatisches Amin oder eine Mischung derselben. Das heisst, dass ein oder mehrere Amine zum Einsatz kommen, wobei es sich um Amine gleichen Typs (z.B. primäre Amine) oder verschiedenen Typs (z.B. Mischung primärer und sekundärer Amine) handeln kann.at the amine used is an alicyclic amine, an aliphatic amine or a mixture thereof. This means, that one or more amines are used, which are amines of the same type (e.g., primary Amines) or various types (e.g., primary and secondary amines) can act.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete primäre Amine schließen alicyclische primäre Amine (wie z.B. Cyclooctylamin, Cyclohexylamin, Cyclopentylamin, Cyclopropylamin und Cycloheptylamin), aliphatische primäre Amine (wie z.B. 2-Aminooctan, 2-Aminoheptan, Dodecylamin, Laurylamin, Octylamin, Butylamin, Ethylamin, Hexylamin und 2-Pentylamin) oder Mischungen derselben ein. Sekundäre Amine schließen Amine wie Dicyclohexylamin, Dibenzylamin, Dibutylamin, Diethylamin, Diisopropylamin, Dimethylamin, N-Methylbutylamin oder N-Methylcyclohexylamin sowie Mischungen derselben ein. Tertiäre Amine schließen Amine wie Trioctylamin, Tridodecylamin, Tributylamin, Triethylamin, Trimethylamin, N,N-Dimethylcyclohexylamin, N-Methyldioctylamin, N,N-Dimethylisopropylamin oder N,N-Dimethyloctylamin sowie Mischungen derselben ein. Es kommen auch Mischungen von primären, sekundären und/oder tertiären Aminen untereinander in Betracht.in the Framework of the method according to the invention used primary Close amines alicyclic primary Amines (such as cyclooctylamine, cyclohexylamine, cyclopentylamine, Cyclopropylamine and cycloheptylamine), aliphatic primary amines (such as 2-aminooctane, 2-aminoheptane, dodecylamine, laurylamine, octylamine, butylamine, ethylamine, Hexylamine and 2-pentylamine) or mixtures thereof. Secondary amines include amines such as dicyclohexylamine, dibenzylamine, dibutylamine, diethylamine, diisopropylamine, Dimethylamine, N-methylbutylamine or N-methylcyclohexylamine as well Mixtures thereof. tertiary Close amines Amines such as trioctylamine, tridodecylamine, tributylamine, triethylamine, Trimethylamine, N, N-dimethylcyclohexylamine, N-methyldioctylamine, N, N-dimethylisopropylamine or N, N-dimethyloctylamine, as well as mixtures thereof. It come also mixtures of primary, secondary and / or tertiary Amines under consideration.
Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens setzt man das primäre Amin in einem molaren Amin-Zucker-Verhältnis von 2-25 (d.h. 1 mol Zucker, 2 mol Amin etc.) ein. Die tatsächlich verwendeten Mengen variieren je nach Lösungsmittel und Carrier (Amin). Die einzelnen Verhältnisse sind nachfolgend beispielhaft in Tabelle 4 zusammengefaßt.at execution the method according to the invention you put the primary Amine in a molar amine-sugar ratio of 2-25 (i.e., 1 mol Sugar, 2 moles of amine, etc.). The actual amounts used vary depending on the solvent and carrier (amine). The individual conditions are exemplified in the following Table 4 summarized.
Sollte die vorhandene Kohlenhydratmenge in der wässrigen Phase nicht bekannt sein, so ist es erforderlich mittels geeigneter Analysenmethoden wie z.B. HPLC die Konzentration der vorhandenen Zucker zu Bestimmen. Vorraussetzung hierfür ist die Kenntnis über die in der wässrigen Phase befindlichen Kohlenhydrate. Danach ist es möglich die entsprechende Aminmenge zu ermitteln.Should the amount of carbohydrate present in the aqueous phase is unknown so it is necessary by means of suitable analytical methods such as. HPLC to determine the concentration of sugar present. Prerequisite for this is the knowledge about which in the aqueous Phase carbohydrates. After that it is possible the to determine the appropriate amount of amine.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung dient zum Isolieren von Kohlenhydraten aus wässrigen, kohlenhydrathaltigen Medien. Es ist auch zum Trennen von Monosacchariden und Disacchariden geeignet, da sich im Rahmen der durchgeführten Versuche zeigte, dass sich bei geeigneter Wahl von organischem Lösungsmittel bzw. ionischer Flüssigkeit und primärem Amin sowie der Verfahrensbedingungen (Temperatur, Amin-Anteil) Mono- und Disaccharide unterschiedlich in die nicht-wässrige Phase extrahieren und anschließend bei der Rückextraktion in die wässrige Phase überführen lassen. Auf diese Weise kann eine nahezu quantitative Trennung der Mono- und Disaccharide erreicht werden. Der Fachmann ist aufgrund seines Fachwissens und Fachkönnens in der Lage, im Rahmen von Routineversuchen geeignete Bedingungen für die vorzugsweise quantitative Trennung der im jeweils vorliegenden wässrigen Medium vorhandenen Mono- und Disaccharide zu ermitteln.The Method of the present invention is for isolating carbohydrates from aqueous, carbohydrate-containing Media. It is also for separating monosaccharides and disaccharides suitable, as it was shown in the experiments carried out that with a suitable choice of organic solvent or ionic liquid and primary Amine and the process conditions (temperature, amine content) mono- and disaccharides extract differently into the non-aqueous phase and subsequently in the back extraction into the watery Phase. In this way, a nearly quantitative separation of the mono- and disaccharides are achieved. The expert is due to his Expertise and Skills able to perform in routine tests appropriate conditions for the preferably quantitative separation of the aqueous present in each case Medium existing mono and Determine disaccharides.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann im Labormaßstab, beispielsweise unter Verwendung herkömmlicher Schütteltrichter durchgeführt werden. Im technischen bzw. großtechnischen Maßstab sind dem Fachmann geeignete Vorrichtungen und Apparaturen zur automatisierten flüssig-flüssig-Extraktion bekannt. Die Extraktion kann diskontinuierlich, d.h. unter Isolierung des in Stufe (a) erhaltenen nicht-wässrigen Extrakts, oder kontinuierlich, d.h. unter sofortiger Weiterverarbeitung des in Stufe (a) erhaltenen nicht-wässrigen Extrakts, durchgeführt werden. Besonders bevorzugt sind Gegenstromverfahren in Membranzellen, da sie einen kontinuierlichen Verfahrensbetrieb ermöglichen. In diesem Fall wird das Lösungsmittel oder die ionische Flüssigkeit auf eine inerte Membran aufgezogen (supported liquid membrane) [9,10]The process according to the invention can be carried out on a laboratory scale, for example using conventional separatory funnels. On a technical or industrial scale, suitable devices and apparatuses for automated liquid-liquid extraction are known to those skilled in the art. The extraction may be carried out batchwise, ie by isolating the nonaqueous extract obtained in step (a), or continuously, ie with immediate further processing of the non-aqueous extract obtained in step (a). Particularly preferred are countercurrent processes in membrane cells, since they allow a continuous process operation. In this case, the solvent or the ionic liquid is applied to an inert membrane (supported liquid membrane) [9,10].
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung kann das Verfahren in einer Membranzelle durchgeführt werden, die im Gegenstrom betrieben werden kann und in Beispiel 6 näher erläutert ist.According to one particular embodiment According to the invention, the process can be carried out in a membrane cell, which can be operated in countercurrent and is explained in more detail in Example 6.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen näher beschrieben, ohne darauf beschränkt zu sein.The The present invention will be further described by way of examples below. without limitation to be.
BEISPIELEEXAMPLES
Beispiel 1example 1
200 μl der organischen Lösungsmittel (n-Butanol, MTBE, n-Hexan, Toluol) und die Ionische Flüssigkeit (BMIM[CF3SO2)2N]), nachfolgend auch mit "IL" abgekürzt, wurden mit je 160 μl Cyclooctylamin bzw. 2-Aminooctan versetzt. Die Extraktion wurde in einem Reaktionsgefäß durchgeführt. Die zuckerhaltige (Lactose, Glucose, Galactose) wässrige Phase (0,1 mol/l) wurde zur Amin-Lösungsmittel-Phase gegeben und bei 40°C, 30 min in einem Thermoschüttler extrahiert. Die wässrige Phase wurden abgetrennt und zur Analyse in die HPLC (High Performance Liquid Chromatography) eingespritzt. Die Versuche wurden sowohl mit den Einzelsubstanzen als auch mit dem Kohlenhydratgemisch durchgeführt. Des weiteren wurden verschiedene Temperaturen (20°C, 30°C, 40°C) und pH-Werte für die Extraktion mit BMIM[CF3SO2)2N] gewählt.200 .mu.l of the organic solvent (n-butanol, MTBE, n-hexane, toluene) and the ionic liquid (BMIM [CF 3 SO 2) 2 N] hereinafter), hereinafter also referred to as "IL", were synthesized with 160 ul cyclooctylamine 2-aminooctane was added. The extraction was carried out in a reaction vessel. The sugar-containing (lactose, glucose, galactose) aqueous phase (0.1 mol / l) was added to the amine solvent phase and extracted at 40 ° C for 30 min in a thermoshaker. The aqueous phase was separated and injected for analysis in the HPLC (High Performance Liquid Chromatography). The experiments were carried out both with the individual substances and with the carbohydrate mixture. Furthermore, different temperatures (20 ° C, 30 ° C, 40 ° C) and pH values for extraction with BMIM [CF 3 SO 2 ) 2 N] were chosen.
Um die Substanzen wieder aus der Lösungsmittelphase zurückzugewinnen, wurde zuerst die wässrige Phase abgetrennt und mit 1000 μl Wasser die Substanzen rückextrahiert. Dies wurde wieder bei 40 °C und 1000 rpm im Thermoschüttler durchgeführt. Die obere wässrige Phase wurde abgenommen und direkt in die HPLC eingespritzt.Around the substances again from the solvent phase recover, first became the watery Phase separated and with 1000 ul Water back-extracts the substances. This became again at 40 ° C and 1000 rpm in a thermo shaker carried out. The upper aqueous Phase was removed and injected directly into the HPLC.
Beispiel 2Example 2
Die Ergebnisse der folgenden Versuche sind in den nachfolgend wiedergegebenen und in Bezug genommenen Tabellen und Graphiken dargestellt. Tab. 1: Ergebnisse der Extraktion von Kohlenhydraten Tab. 2: Ergebnisse der Extraktion von Lactose, Glucose und Galactose mit Dicyclohexylamin und Trioctylamin The results of the following experiments are presented in the tables and graphs reproduced below and in reference. Tab. 1: Results of the extraction of carbohydrates Tab. 2: Results of the extraction of lactose, glucose and galactose with dicyclohexylamine and trioctylamine
Die Abnahme in % bezieht sich auf die Abnahme an Substanz aus der wässrigen Phase.The Decrease in% refers to the decrease in substance from the aqueous Phase.
Anhand der Figuren ist ein deutlicher Unterschied sowohl bei der Wahl des Lösungsmittels, als auch des Amins zu erkennen. Während sich die Galactose sehr gut mit Butanol, n-Hexan und Toluol (versetzt mit Cyclooctylamin) aus der wässrigen Phase extrahieren läßt, bleibt die Lactose und Glucose unter Verwendung von n-Butanol und MTBE (versetzt mit Cyclooctylamin) als Extraktionsmittel, zu großen Teilen in der wässrigen Phase zurück. Extrahiert man mit BMIM[(CF3SO2)2N] (versetzt mit Cyclooctylamin), so gewinnt man Lactose, Glucose und Galactose zu fast gleichen Anteilen.The figures show a clear difference in both the choice of solvent and of the amine. While the galactose can be extracted very well with butanol, n-hexane and toluene (mixed with cyclooctylamine) from the aqueous phase, the lactose and glucose using n-butanol and MTBE (mixed with cyclooctylamine) as extractant remains in large parts back in the aqueous phase. Extraction with BMIM [(CF 3 SO 2 ) 2 N] (mixed with cyclooctylamine) gives lactose, glucose and galactose almost equal proportions.
Unter
Verwendung von 2-Aminooctan als Carrier (
Während durch den Zusatz von Cyclooctylamin die Zucker zu fast gleichen Teilen extrahiert werden können, wird durch Zusatzt von 2-Aminooctan die Lactose besser extrahiert als die Glucose und die Galactose bleibt zum größten Teil in der wässrigen Phase zurück.While through the addition of cyclooctylamine the sugars almost equally can be extracted By adding 2-aminooctane, the lactose is better extracted as the glucose and the galactose remain for the most part in the aqueous Phase back.
In
Um
die Substanzen aus der Lösungsmittelphase
zurückzugewinnen,
wurde mit Wasser eine Rückextraktion
durchgeführt.
Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass eine Rückextraktion der Kohlenhydrate möglich ist. Während Lactose und Glucose zu ca. 15% aus BMIM[(CF3SO2)2N mit Cyclooctylamin zurückgewonnen wurde, konnte die Galactose zu ca. 60% in die wässrige Phase rückextrahiert werden. Geringere Kohlenhydratmengen konnten aus BMIM[(CF3SO2)2N] mit 2-Aminooctan zurückgewonnen werden. Die Galactose erreichte jedoch auch hier etwa 25%.The results clearly show that a back extraction of carbohydrates is possible. While about 15% of lactose and glucose were recovered from BMIM [(CF 3 SO 2 ) 2 N with cyclooctylamine, about 60% of galactose could be back-extracted into the aqueous phase. Lower carbohydrate levels could be recovered from BMIM [(CF 3 SO 2 ) 2 N] with 2-aminooctane. However, galactose reached about 25% here as well.
Beispiel 3Example 3
Die Extraktion verschiedener Zucker wurde über unterschiedliche Zeiträume getestet. Über einen Zeitraum von 180 Minuten wurde der Zuckergehalt nach 5, 10, 30, 60, 120 und 180 Minuten in der wässrigen Phase bestimmt. Dies wurde bei 20°C, 30°C und 40°C durchgeführt. Als geeignet stellt sich im vorliegenden Experiment eine Extraktionszeit von 30 und 60 Minuten heraus.The Extraction of various sugars was tested over different periods of time. About one Period of 180 minutes, the sugar content was after 5, 10, 30, 60, 120 and 180 minutes in the aqueous Phase determined. This was at 20 ° C, 30 ° C and 40 ° C performed. When suitable in the present experiment, an extraction time out of 30 and 60 minutes.
Beispiel 4Example 4
Extraktion weiterer Mono- und DisaccharideExtraction of further mono- and disaccharides
Analytik: Die Analytik der Proben nach der Extraktion der Zucker wurde mittels HPLC durchgeführt. Es wurde die Abnahme der einzelnen Zuckerkonzentrationen in der wässrigen Phase bestimmt und prozentual berechnet. Die Analytik bezieht sich auf alle beschriebenen Versuche. Tab. 3:
- - < 10%
- + 10-30%
- + + 30-70% aus der Wasserphase entfernt
- + + + > 70%
- - <10%
- + 10-30%
- + + 30-70% removed from the water phase
- + + +> 70%
Beispiel 6:Example 6:
Membranzelle zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Gegenstrom.cell membrane to carry out the method according to the invention in countercurrent.
Die Filtrationszelle ist ein Thin-Channel-Modul, in dem die Flüssigkeit sowohl auf der Retentat- als auch Permeatseite in einem spiralförmigen Kanal entlang der Membran strömt. Die beiden Platten wurden mittels O-Ring und zusätzlich durch Verschraubungen, welche die Boden- und Deckelplatte zusammenpressen, abgedichtet. Das Permeat wird über eine Schlauchpumpe in den Deckel des Moduls gepumpt, wo es dann durch den spiralförmigen Kanal entlang der beschichteten Membran geführt wird. Das Retentat wird dann über einen seitlichen Ausgang aus der Zelle herausgepumpt.The Filtration cell is a thin-channel module in which the liquid on both the retentate and permeate sides in a spiral channel flows along the membrane. The two plates were made by O-ring and additionally by screwing, which compress the bottom and top plate, sealed. The permeate is over pumped a peristaltic pump into the lid of the module, where it then through the spiral Channel is guided along the coated membrane. The retentate will then over one side outlet pumped out of the cell.
Um die in der beschichteten Membran vorhandenen Stoffe rückzugewinnen, wird ein entsprechendes Lösungsmittel über eine Kolbenpumpe in den Boden des Moduls gepumpt, wo es dann durch den Kanal entlang der Membran geführt wird und die in der Membran befindlichen Stoffe herauszieht. Das substanzhaltige Lösungsmittel wird ebenfalls über einen seitlichen Ausgang aus der Zelle befördert.Around to recover the substances present in the coated membrane, is a corresponding solvent over a Piston pump pumped into the bottom of the module, where it then through the Channel guided along the membrane and pull out the substances in the membrane. The substance-containing solvents is also over a side exit out of the cell.
Eine
bevorzugte Membranzelle der Erfindung ist in
Referenzen:References:
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