DE2037656B2 - Verfahren zum Trennen von Fruktose und Glukose einer Invertzuckerlösung - Google Patents

Description

Im folgenden wird die Erfindung an Hand einer Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt

F i g. 1 schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und F i g. 2 ein Diagramm eines Eluates.

Entsprechend F i g. 1 wird eine von einer Zuckerfabrik kommende dicke Zuckerlösung 1 in einer Stufe A mit einer Rückführungsfraktion 2, welche später näher beschrieben wird, verdünnt, und danach die verdünnte Zuckerlösung in einer Stufe B in an sich bekannter Weise invertiert. Bei Verwertung einer schon bereiteten Invertzuckerlösung wird die Rückführungsfraktion 2 in die Invertzuckerlösung direkt eingeführt. Die Invertzuckerlösung wird einer Ko- is lonne C zugeführt, wo sich das oben beschriebene Kationenaustauscherharz im Wasser befindet. Nach dem Invertzuckersatz wird der Kolonne eine bestimmte Menge Wasser 3 zugeführt und danach ein neuer Satz von Invertzucker. Somit erfolgt die Zu- ao führung der Invertzuckerlösung und des Wassers phasenweise und aufeinanderfolgend, so daß der Kolonne C nach der Invertzuckerlösung immer Wasser zugeführt wird. Die Glukose wird vom Harz schwächer gehalten als die Fruktose und fließt schneller in as den jeweils davor fließenden Wassersatz. Wenn der vor diesem Wassersatz befindliche Satz (Glukose-, Rückführungs- und Fruktosefraktion) die Ko'onne C verlassen hat, ist die Glukose bereits im erster. Teil des genannten vorhergehenden Wassersatzes vorhanden, während die Fruktose in seinem letzten Teil enthalten ist. In der Mitte befindet sich der schlechter getrennte Anteil, die Rückführungsfraktion 2. Die die Kolonne Γ verlassende Lösung wird abwechselnd in einen Glukosebehälter G, in einen Rückführungsbehälter E und in einen Fruktosebehälter F in der genannten Reihenfolge eingeleitet. Die Steuerung erfolgt mit einem Analysator D, welcher bei Erreichen eines vorbestimmten Reinheitsgrades der jeweiligen Fraktion umschaltet und z. B. auf Grund der Eigenschaft der Glukose- und Fruktoselösungen, die Polarisationsebene polarisierten Lichtes 7u drehen, oder mit Hilfe der spezifischen Gewich; oder der Brechungsindize der Lösungen arbeitet. Die erhaltenen Glukose- und Fruktoselösungen werden getrennt zu einer Abdampfungsstufe H und zu einer Kristallisationsstufe / geleitet. Die erhaltenen Kristalle werden danach abgetrennt und getrocknet.

Der Reinheitsgrad der der Kolonne C entnommenen Glukose- und Fruktoselösungen beträgt 95 bis 97 °/o Glukose bzw. Fruktose, bezogen auf den Trokkensubstanzgehalt. Wie bekannt, hat die Reinheit der Fruktose- und Glukoselösungen eine entscheidende Bedeutung für ihre Kristallisation und für die Kapazität des Verfahrens. Eine Reinheit von 95 °/o in den Lösungen ist hierbei schon als technisch befriedigend und eine Reinheit von 97 % als ausgezeichnet zu betrachten. Im Verfahren gemäß der Erfindung erreicht der Reinheitsgrad der Fruktose- bzw. Glukoselösung lOO°/o, jedoch wird in die Behälter F und G so lange jeweils fruktose- bzw. glukosereiche Lösung zugeführt, bis der durchschnittliche Reinheitsgrad der gesamten gesammelten Fraktion etwa 95 bis 97% beträgt. Außer in kristalliner Form wird Fruktose auch in Form einer Lösung in den Handel gebracht, wobei der Reinheitsgrad mindestens 95% betragen muß. Somit ist die von der Kolonne C erhaltene Fruktoselösung seine fertige Produktlösung mit kommerzieller Qualität. Fig. 2 stellt graphisch die der Kolonne C entnommenen Fraktionen dar, wobei die Ordinate den Trockensubstanzgehalt g/100 ml der verschiedenen Fraktionell und die Abszisse die Zeit in Stunden darstellen. Von der Kolonne C werden aufeinanderfolgend und wiederholt die Glukosefraktion I, die Rückführungsfraktion II und die Fruktosefraktion III in der genannten Reihenfolge erhalten. Der Nullpunkt zeigt den Beginn des Prozesses. Als Harz wird vorteilhaft ein mit Divinylbenzol vernetztes Polystyrolsulfonatkationenaustauscherharz in CaI-ciumform verwendet. Die technisch geeignete durchschnittliche Korngröße des Harzes beträgt 35 bis 30 Mesh (Tyler) bzw. 0,15 bis 0,4 mm, wobei man eine möglichst gleichmäßige Korngröße anstrebt. Die ständige Fließgeschwindigkeit in der Kolonne C beträgt 0,2 bis 1,5 nWStunde pro m² der Querschnittsfläche der Harzkolonne. Die Temperatur in der Kolonne kann 50 bis 75° C betragen, es können aber auch niedrigere Temperaturen angewendet werden, z. B. Zimmertemperaturen. Dabei sinkt allerdings die Kapazität entsprechend. Der Trockensubstanzgehalt der der Kolonne C zugeführten Zuckerlösung kann 25 bis 55 Gewichtsprozent betragen.

Es wurden Versuche durchgeführt, um festzustellen, welche Bedeutung die Höhe der Harzschicht für das Trennungsergebnis und für die Leistung hat. In den Versuchen wurde eine Kolonne mit 1 m² Querschnittsfläche verwendet. Das eingesetzte Harz war ein handelsübliches Harz der oben beschriebenen Zusammensetzung mit einer Korngröße von etwa 0,3 mm.

Wie es aus der nachstehenden Tabelle hervorgeht, beträgt die Fruktoseausbeute bei einer Harzschicht von 1,5 m Höhe 17 Gewichtsprozent und steigt bei derselben Zufuhrmenge auf 37 Gewichtsprozent, wenn die Harzhöhe auf 2,5 m vergrößert wird. Bei einer Harzhöhe von 3,5 m beträgt die Ausbeute 39 Gewichtsprozent Fruktose bei einer Zufuhr von 100 kg Trockensubstanzmenge der zugeführten Invertzuckerlösung. Bei Harzhöhen von 4,25 m und 5,0 m sowie bei Zufuhren von 125 kg ist das Ergebnis 34 Gewichtsprozent. In der Tabelle werden für dieselbe Harzhöhe als Vergleichswerte verschiedene Zufuhrmengen angegeben, welche die Richtung für das Finden der richtigen Zufuhrmenge in den gegebenen Verhältnissen aufzeigen. Die in der Tabelle angegebenen Trockensubstanzgehaltwerte (g/100 ml) der Fruktosefraktion sind deshalb von Bedeutung, weil die Abdampfkosten um so kleiner sind, je höher der Gehalt ist.

Die Leistungswerte der Kolonne wachsen auch wesentlich, wenn die Höhe der Harzschicht bis zu bestimmten Werten vergrößert wird, wie aus der letzten Spalte der Tabelle hervorgeht. Auf Grund der vorgenommenen Versuche ist festgestellt worden, daß die geeignete Höhe der Harzschicht für die Zwecke gemäß der Erfindung etwa 2,5 bis 5 m, vorzugsweise 3 bis 4 m, beträgt. In der Tabelle ist der Prozentsatz für die Glukose nicht angegeben, er kann dadurch erhalten werden, daß die Summe der Prozentsätze für die Fruktosefraktion und für die Rückführungsfraktion vom Hundert abgezogen wird. Die Erfindung ist besonders bedeutungsvoll für die Gewinnung der Fruktose aus dem Invertzucker, weil die Fruktose ein bedeutend wichtigeres Produkt ist als die Glukose, welch letztgenannte in diesem Prozeß zunächst als Nebenprodukt gewonnen wird.

Höhe der	Zufuhr Invert	Trennungsergebnis, Gewichtsprozent	Durchschnittlicher	Leistung der Kolonne
Harzschicht in m	zucker (Trocken	berechnet vom zugeführten Invert	Trockensubstanz	kg Fruktose pro Stunde
	substanzmenge)	zucker (Trockensubstanzmenge.)	gehalt der Fruktose-	mit der höchstens
	in kg	95 % reine Rückführungs-	fraktion in g/100 ml	zugelassenen Zufuhr
		Fruktose fraktion		geschwindigkeit

1,5	75	20	50	8	8
1,5	100	17	55	8	9
2,0	75	30	36	7	11
2,0	100	27	41	8	13
2,0	125	23	47	9	12
2,5	75	37	25	8	15
2,5	100	35	28	9	17
2,5	125	31	31	10	16
3,5	100	39	15	10	18
3,5	125	36	17	12	21
3,5	150	34	24	12	20
4,25	150	34	28	11	18
5,00	125	34	28	9	14
5,00	150	32	33	11	16

Wie oben dargelegt wurde, erhält man mit der beschriebenen Trennungsbehandlung die jeweils reinen Fruktose- und Glukoselösungen III und I direkt nach einmaliger Durchströmung der Kolonne mit den Invertzuckerlösungen, ohne diese Fraktionen zur Wiederbehandlung in die Kolonne rückführen zu müssen. Nur die Fraktion II zwischen der Glukose- und Fruktosefraktion wird zum Umlauf wieder rückgeführt, und zwar zur Verdünnung der dicken Zukkerlösung. Zu diesem Zweck soll die Trockensubstanzmenge der Rückführungsfraktion höchstens 35 Gewichtsprozent, vorteilhaft 25 Gewichtsprozent, bezogen auf die Menge des zugeführten Invertzuckers betragen. Falls die Trockensubstanzmenge in Prozent höher ist als die der zugeführten Invertzuckerlösung, wird zusätzliche Abdampfung verursacht, — der Trockensubstanzgehalt in der Rückführungsfraktion bleibt ungefähr unverändert, wodurch bei der Zunahme der Trockensubstanzmenge der Rückführungsfraktion auch das Volumen der Flüssigkeit entsprechend zunimmt — oder, wenn keine zusätzliche Abdampfung vorgenommen wird, erhält man dünnere Produktlösungen. Hierbei beeinflußt wieder der Trockensubstanzgehalt der Produktlösungen die Abdampfungskosten. Sollte die Trockensubstanzmenge der vom BehälterE zur Stufet kommenden Rückführungsfraktion in irgendeinem Fall kleiner als 25 bis 35 Gewichtsprozent, die Flüssigkeitsmenge alsc entsprechend kleiner, sein, kann die fehlende Wassermenge 4 bei der Verdünnung zugesetzt werden. In einem solchen Fall ist die Kapazität der Vorrichtung zu wenig benutzt worden, und durch Erhöhung dei Menge des zugeführten Invertzuckers kann die Rückführungsfraktion vergrößert werden. Dieser letztgenannte Fall verursacht also keine zusätzlichen Kosten, wie sie im erstgenannten Fall auftreten, in welchem die Trockensubstanzmenge der Rückführungsfraktion, bezogen auf die Menge des zugeführten Invertzuckers, mehr als 35 Gewichtsprozent beträgt (bei einer Harzhöhe von 1,5 m 50 bis 55 Gewichtsprozent).

Wie es aus der Tabelle hervorgeht, können die Rückführungsfraktionen 50 und 55 sowie 36, 41 und 47 Gewichtsprozent, die mit Harzschichthöhen von 1,5 und 2 m erhalten worden sind, aus den oben angegebenen Gründen nicht ohne Abdampfung zur Verdünnung verwendet werden. Dagegen können die bei Harzschichthöhen von 2,5 m (Zufuhr 75 und 100 kg), 3,5 m, 4,25 m und 5 m (Zufuhr 125 kg) erhaltenen Rückführungsfraktionen mit gutem Erfolg zur Verdünnung der dicken Zuckerlösung verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zum Trenner, von Fruktose und Glukose einer Invertzuckerlösung, wobei die Invertzuckerlösung und Wasser als Phasen in einem kontinuierlichen Prozeß durch eine Kolonne rundurchgeführt werden, welche ein Erdalkalinietallionenaustauscherharz, insbesondere ein mit Divinylbenzol vernetztes Polystyrolsulfonataustauscherharz enthält, und gleichzeitig eins Fraktionsrückführung durchgeführt whd, dadurch gekennzeichnet, daß die Invertzuckerlösung der Kolonne mit einem Trockensubstanzgehalt von 25 bis 55 Gewichtsprozent und bei einer Durchflußgeschwindigkeit von 0,2 bis 1,5 m³ pro Stunde je m² der Querschnittsfläche der Harzkolonne je nach Betriebstemperatur und Harzkorngröße zugeführt wird, daß zwischen der erhaltenen Glukosefraktion und Fruktosefraktion für eine Verdünnung der zuzuführenden Invertzuckerlösung eine einzige Rückführungsfraktion entnommen wird, deren Trockensubstanzgehalt, bezogen auf die zugeführte Invertzuckermenge, höchstens 35 Gewichtsprozent, vorzugsweise 25 Gcwie'nibpiozciit, beträgt, und daß die Harzkolonne mit einer Füllhöhe von etwa 2,5 bis 5 m, vorzugsweise 3 bis 4 m, eingesetzt wird.

   Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen von Fruktose und Glukose einer Invertzuckerlösung, wobei die Invertzuckerlösung und Wasser als Phasen in einem kontinuierlichen Prozeß durch eine Kolonne hindurchgeführt werden, welche ein Erdalkalimetallionenaustauscherharz, beispielsweise einem Calciumionenaustauscher, insbesondere ein mit Divinylbenzol vernetztes Polystyrolsulfonataustauscherharz enthält, und gleichzeitig eine Fraktionsrückführung durchgeführt wird.

   Bei einem bekannten Verfahren der genannten Gattung (vgl. US-PS 34 16 961) wird die Harzkolonne, welche vorzugsweise mit einem zu 2 bis 8°/o mit Divinylbenzol vernetzten Polystyrolsulfonataustauscherharz in Calciumform beschickt ist, mit einer Füllhöhe von etwa 1,2 m eingesetzt und daß am Fuß der Kolonne gewonnene Eluat in mindestens sechs Fraktionen getrennt. Mit Ausnahme einer mit Fruktose angereicherten Fraktion und einer mit Glukose angereicherten Fraktion werden die übrigen Fraktionen in bestimmter Folge zwischen den Invertzuckerlösungsphasen und Wasserphasen unmittelbai auf die Harzkolonne zurückgeführt. Diese Rückführung von Fraktionen unmittelbar auf das Austauscherharz muß sehr gleichmäßig erfolgen, was sehr schwierig ist, und zwar um so schwieriger, je mehr Fraktionen zurückgeführt werden, weshalb Störungen in der Eluatzusammensetzung unvermeidbar sind. Ganz abgesehen davon, ist bei diesem bekannten Verfahren die Trennung der Fruktose von der Glukose sehr unvollständig. So enthält regelmäßig die nicht zurückgeführte, mit Fruktose angereicherte Fraktion noch weit mehr Glukose und die nicht zurückgsführte, mit Glukose angereicherte Fraktion noch weit mehr Fruktose, als dem gewünschten handelsüblichen Reinheitsgrad von 95 bis 97% entspricht, weshalb weitere aufwendige Reinigungsschritte erforderlich sind. Hinzu kommt, daß die mit Fruktose bzw. Glukose angereicherten Fraktionen einen vergleichsweise niedrigen Trockensubstanzgehalt aufweisen, wodurch erhebliche Abdampfkosten entstehen. Aus den genannten Gründen ist dieses bekannte Verfahren für eine großtechnische Anwendung zu schwierig und wirtschaftlich zu aufwendig.

   Zwar ist im Zusammenhang mit einem anderen be-

   ao kannten, mit Teilkolonnen arbeitenden Verfahren zur Spaltung von Saccharose in Fruktose und Glukose und Trennung der Fruktose von der Glukose (vgl. FRPS 14 88 694), für weiches die obengenannten Nachteile in gleicher Weise gelten, bereits berichtet

   worden, daß Harzkolonnen für eine Fruktose Glukosetrennung eine ausreichende Füllhöhe aufweisen sollten. Zu einer befriedigenden Lösung der oben geschilderten, vielschichtigen Probleme hat das jedoch bisher nicht geführt.

   Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfach sowie wirtschaftlich durchführbares und damit großtechnisch lohnendes Verfahren zum Trennen von Fruktose und Glukose einer Invertzuckerlösung anzugeben.

   Die Erfindung löst diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs genannten Gattung dadurch, daß die Invertzuckerlösung der Kolonne mit einem Trokkensubstanzgehalt von 25 bis 55 Gewichtsprozent und bei einer Durchflußgeschwindigkeit von 0,2 bis 1,5 m³ pro Stunde je m² der Querschnittsfläche der Harzkolonne je nach Betriebstemperatur und Harzkorngröße zugeführt wird, daß zwischen der erhaltenen Glukosefraktion und Fruktofefraktion für eine Verdünnung der zuzuführenden Invertzuckerlösung eine einzige Rückführungsfraktion entnommen wird, deren Trockensubstanzgehalt bezogen auf die zugeführte Invertzuckermenge höchstens 35 Gewichtsprozent, vorzugsweise 25 Gewichtsprozent, beträgt, und daß die Harzkolonne mit einer Füllhöhe von etwa 2,5 bis 5 m, vorzugsweise 3 bis 4 m, eingesetzt wird.

   Die Erfindung nutzt hierbei die Erkenntnis, daß bei einer wesentlichen Vergrößerung der bisner üblichen Füllhöhe der Harzkolonne von etwa 0,6 bis 1,9 m die Trennung der Fruktose und Glukose überraschenderweise erheblich schneller und vollständiger vor sieht geht, wobei nur eine einzige Zwischenfraktion zurückgeführt werden muß, und zwar nicht wie bisher als separate Phase, sondern als Verdünnungslösung für die der Trennung zu unterwerfende Invertzuckerlösung.

   Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind darin zu sehen, daß in verfahrenstechnisch sehr einfache Weise ohne weiteres Fruktose- und Glukosefraktionen handelsüblichen Reinheitsgrades und hohen Trockensubstanzgehaltes gewonnen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich daher durch ein sehr hohes Maß an Wirtschaftlichkeit aus.