DE2302841B2 - Trennung unterschiedlicher Saccharide einer Saccharidenlösung - Google Patents
Trennung unterschiedlicher Saccharide einer SaccharidenlösungInfo
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Description
Die Erfindung beschäftigt sich mit der Trennung unterschiedlicher Saccharide einer wässerigen Saccharidenlösung.
Nach einem bekannten Verfahren (DE-OS 2037656) wird hierzu die einen Trockensubstanzgehalt
von 25 bis 55 Gewichtsprozent aufweisende Saccharidenlösung abwechselnd mit Wasser gleichmäßig
auf die Oberfläche einer eine Höhe von etwa 2,5 bis m aufweisenden Kolonne eines in Wasser versenkten,
etwa mit 2 bis 6 Gewichtsprozent Divinylbenzol vernetzten Polystyrolsulfonat-Kationenaustauscherharzes
in der Salzform mit einer gleichmäßigen durchschnittlichen Partikelgröße von etwa 0,15 bis 0,4 mm
aufgegeben sowie mit einer Durchflußgeschwindigkeit von 0,2 bis 1,5 m3/h je m2 Harzkolonnenquerschnittsfläche
durch die Harzkolonne hindurchgeführt und werden die am Fuß der Harzkolonne erscheinenden
Fraktionen separiert. Dieses Verfahren wird zum Zwecke der Trennung zweier unterschiedlicher Monosaccharide
angewendet, nämlich Fruktose und Glukose einer Oligosaccharide nicht enthaltenden Invertzuckerlösung
und nutzt offensichtlich den Unterschied in der chemischen Konstitution zwischen Fruktose
und Glukose, d. h. der Stellung der CH2OH-Gruppe
am Monosaccharidmolekül.
Im übrigen kennt man sogenannten Stärkekonvertierungssirup, der durch unter Druck durchgeführte
hydrolytische Spaltung von Stärke mittels Mineralsäuren, durch Säure- und einfache Enzymkonvertierung
oder durch Säure- und zweifache Enzymkonvertierung hergestellt wird und neben den Monosacchariden
Fruktose und Glukose noch Di-, Tri- und höhere Oligosaccharide enthält. Diese Oligosaccharide sind
bei der Weiterverarbeitung von Stärkekonvertierungssirup unerwünscht und bereiten insbesondere
bei manchen bekannten Verfahren zur Trennung von Fruktose und Glukose erhebliche Schwierigkeiten,
weil sie den Trennungwirkungsgrad stark herabsetzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aus einem Stärkekonvertierungssirup auf einfache Weise
kontinuierlich die Di-, Tri- sowie höheren Oligosaccharide zu entfernen.
Hierzu lehrt die Erfindung des für die Trennung unterschiedlicher Saccharide einer wäßrigen Saccharidenlösung
bekannten Verfahrens, bei dem die einen Trockensubstanzgehalt von 20 bis 60, insbesondere
25 bis 55 Gewichtsprozent aufweisende Saccharidenlösung abwechselnd mit Wasser gleichmäßig auf die
Oberfläche einer eine Höhe von etwa 2,5 bis 5 m aufweisenden Kolonne eines in Wasser versenkten, mit
etwa 2 bis 8 Gewichtsprozent Divinylbenzol vernetzten Polystyrolsulfonat-Kationenaustauscherharzes in
der Salzform mit einer gleichmäßigen durchschnittlichen Partikelgröße von etwa 0,15 bis 0,84 mm aufgegeben
sowie mit einer Durchflußgeschwindigkeit von 0,2 bis 4,0, insbesondere bei 1,5 m3/h je m2 Harzkolonnenquerschnittsfläche
durch die Harzkolonne hindurchgeführt wird und die am Fuß der Harzkolonne erscheinenden Fraktionen separiert werden, zum
Zwecke der Trennung von einerseits Monosaccharide η und andererseits Di-, Tri- sowie höheren Oligosacchariden
eines Stärkekonvertierungssirups mit einem Fruktosegehalt von wenigstens 15 Gewichtsprozent.
Die Erfindung nutzt hierbei die überraschende Tatsache,
daß das bekannte Verfahren zum Trennen von Fruktose und Glukose einer Invertzuckerlösung praktisch
ohne Änderung auch für die Trennung von Monosacchariden einerseits und Oligosacchariden andererseits,
d. h. sich durch die Zahl der Glukoseeinheiten voneinander unterscheidenden Verbindungen
eingesetzt werden kann. Am Fuß der Harzkolonne erscheinen zunächst die Tri- und höheren Oligosaccharide,
nachfolgend die Disaccharide und zum Schluß die Monosaccharide als Fraktionen. Die erreichten
Vorteile sind darin zu sehen, daß man so die Oligosaccharide vollständig aus einem Stärkekonvertierungssirup
entfernen kann und zu einer Hauptfraktion kommt, die in hoher Ausbeute und Reinheit die
Monosaccharide enthält.
Im Rahmen der Erfindung kann ohne weiteres von einem handelsüblichen Stärkekonvertierungssirup
ausgegangen werden. Zweckmäßigerweise wird dieser zuvor zum Entfernen von Fettsäuren, Proteinen und
anderen Verunreinigungen neutralisiert und nachfolgend noch gefiltert. Wichtig ist jedenfalls, daß der
Stärkekonvertierungssirup gleichmäßig auf die Oberfläche der Harzkolonne aufgegegeben wird, da andernfalls
die Trennvorgänge weniger genau erfolgen, d. h. Überlappungen der Fraktionen zu beobachten
sind. Ein Vermischen der abwechselnd aufzugebenden Chargen an Saccharidenlösung und Wasser an den
horizontalen Grenzflächen ist soweit wie möglich zu vermeiden. Außerdem muß das Kationenaustauscherharz
eine gleichmäßige durchschnittliche Parti-
kelgröße von etwa 0,15 bis 0,84 mm aufweisen; die
besten Ergebnisse erreicht man mit Partikelgrößen zwischen 0,2 bis 0,6 mm. Im übrigen empfiehlt es sich,
mit einer Temperatur zwischen 20 und 8öc C zu arbeiten, wobei man die höheren Temperaturen bei den r>
höherviskosen Lösungen anwendet.
Nach einer vorteilhaften Ausf ührungsform wird das
Kationenaustauscherharz in der Alkali-, vorzugsweise Natriumsalzform oder in der Erdalkali-, vorzugsweise
Kalziumsalz'orm eingesetzt. Verwendet man das u»
Austauscherharz in der Natriumsalzform, erfolgt die Trennung in die Fraktionen verhältnismäßig schnell.
Verwendet man dagegen das Austauscherharz in der Kalziumsalzform, erfordert der Trennungsvorgang
zwar mehr Zeit, läßt sich jedoch im Zuge des Abzie- ι ~>
hens der die Monosacchariden enthaltenden Fraktion eine Fraktion mit besonders hohem Fruktosegehalt
gewinnen. Tatsächlich wird nämlich auch eine gewisse Trennung zwischen der Glukose und Fiaktose erreicht, die bei Einsatz des Kationenaustauscherharzes -'"
in der Kalziumsalzform am wirkungsvollsten ist. Mit anderen Worten läuft das für Invertzuckerlösungen
bekannte Verfahren zum Trennen von Glukose und Fruktose auch bei Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahmen gleichsam selbsttätig im Zuge des -'">
Abziehens der Monosaccharidenfraktion ab. Demzufolge wird nach einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform die die Monosaccharide enthaltende Fraktion zumindest in einer glukosereichen Teilfraktion
und in einer fruktosereichen Teilfraktion abgezogen. κ>
Im folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Beispielen sowie einer Zeichnung näher erläutert.
Ausgegangen wurde von einem handelsüblichen r> Stärkekonvertierungssirup mit 71,5 Gewichtsprozent
Feststoffen, einem pH-Wert von 4,6 und einem Aschegehalt von 0,06 Gewichtsprozent. Die Trokkensubstanz umfaßte 52 Gewichtsprozent Glukose,
40,7 Gewichtsprozent Fruktose, 0,6 Gewichtsprozent -in
andere Monosaccharide, 6,4 Gewichtsprozent Disaccharide und 0,4 Gewichtsprozent Trisaccharide und
höhere Oligosaccharide. Dieser Stärkekonvertierungssirup wurde in Form einer Lösung mit 5 kp
Trockensubstanz und einer Trockensubstanzkonzen- r>
tration von 37 Gewichtsprozent eingesetzt.
Die verwendete Kolonne war mit einem Polystyrolsulfonat-Kationenaustauscherharz in der Natriumsalzform gefüllt, das mit 3,5 Gewichtsprozent Divinylbenzol gefüllt war. Die Harzhöhe betrug 3,5 m, ίο
während das ausgenutzte Harzvolumen 130 1 ausmachte. Das Harz wies eine Partikelgröße von etwa
0,30 mm auf.
Die Saccharidenlösung wurde der Kolonne aufgegeben. Die Temperatur der Kolonne lag bei etwa r>
60° C. Die Durchflußgeschwindigkeit betrug 40 l/h. Am Fuß der Harzkolonne wurde die Eluatkonzentration der Mono-, Di- und Trisacchariden gemessen.
Die Meßergebnisse sind in der Figur grafisch dargestellt, wobei die Ordinate den Trockensubstanzgehalt t>o
in Gewichtsprozent und die Abszisse die Zeit in Minuten angibt. Man entnimmt der Figur, daß die Trisaccharide die Kolonne zuerst verlassen haben und nach
etwa 30 Minuten praktisch vollständig entfernt sind. Anschließend haben die Disaccharide die Kolonne <,■>
verlassen; sie sind nebst einer kleinen Menge Monosaccharide im wesentlichen nach 60 Minuten entfernt.
Abschließend erschien der größte Teil der Monosacchariden, der in der Figur als Produktfraktion bezeichnet ist.
Die Produktfraktion könnte man in drei Teilfraktionen auffangen. Die erste, in der Zeit von 60 bis
80 Minuten erscheinende Teilfiaktion wäre eine glukosereiche Fraktion. Die zweite, in der Zeit von 80
bis etwa 90 Minuten erscheinende Teilfraktion wäre eine Zwischenfraktion, die etwa gleiche Mengen an
Fruktose und Glukose aufweisen würde und gegebenenfalls zum Kopf der Kolonne zurückgeführt werden
könnte. Die dritte, den Eluatrest darstellende Teilfraktion wäre eine fruktosereiche Teilfraktion, die einer Weiterverarbeitung zugeführt werden kann.
Je nach dem, zu welchem Zeitpunkt man die Produktfraktion beginnen läßt, kann sich der Gehalt der
Produktfraktion an Monosacchariden hundert Prozent nähern. Das verdeutlicht die nachfolgenden Tabelle, in der der Monosaccharidengehalt der Produktfraktion der Trockensubstanzausbeute sowie Monosaccharidenausbeute in Gewichtsprozent gegenübergestellt sind.
Monosacchari | Trockensub | Monosacchari- |
dengehalt der | stanzausbeute | denausbeute / |
Produktfrak- | der Produktfr./ | Gew.% |
tion/Gew.% | Gew.% | |
100 | 92,5 | 96,3 |
99,6 | 95,6 | 99,6 |
98,6 | 96,8 | 99,9 |
Die im vorangegangenen Beispiel I beschriebene Trennung wurde mit einer Kolonne, die eine Höhe
von 3,5 m sowie einen Durchmesser von 22,5 cm besaß und mit einem handelsüblichen Polystyrolsulfonat-Kationenaustauscherharz in der Natriumsalzform
gefüllt war, und unter Verwendung einer 36gewichtsprozentigen Lösung eines Stärkekonvertierungssirups, der bezogen auf den Trockensubstanzgehalt 42,2
Gewichtsprozent Fruktose, 48,8 Gewichtsprozent Glukose und 9,0 Gewichtsprozent Oligosaccharide
enthielt und der Kolonne mit 56 I/h zugeführt wurde, wiederholt. Das Eluat wurde am Fuß der Kolonne in
fünfminütigen Teilfraktionen abgezogen und die Zusammensetzung dieser Teilfraktionen gaschromatografisch bestimmt. Die Ergebnisse finden sich in der
nachfolgenden Tabelle.
Teil- Trocken- Fruktose Glukose Oligofraktion substanz (Gramm) (Gramm) saccharide
(5 min) (Gramm) (Gramm)
1 | 10,7 | _ | _ | 10,7 |
2 | • 22,4 | - | — | 22,4 |
3 | 35,0 | — | — | 35,0 |
4 | 32,2 | — | — | 32,2 |
5 | 33,6 | _ | _ | 33,6 |
6 | 27,1 | _ | _ | 27,1 |
7 | 41,1 | _ | _ | 41,1 |
8 | 53,6 | — | _ | 53,6 |
9 | 56,4 | _ | 2,1 | 54,3 |
10 | 174,9 | 5,4 | 103,2 | 66,3 |
11 | 439,9 | 58,7 | 333,5 | 47,7 |
12 | 758,5 | 203,6 | 530,5 | 24,4 |
13 | 966,6 | 476,6 | 484,6 | 5,4 |
14 | 918,1 | 470,6 | 447,5 | |
15 | 758,5 | 441,5 | 317,0 | |
16 | 541,1 | 340,4 | 200,7 |
222,5
4,1
4,1
150,2
4,1
4,1
72,3
Vereinigte man die Teilfraktionen 1 bis 9,10 bis 14 und 15 bis 18, so erhielt man eine den größten Teil der
Oligosaccharide enthaltende Fraktion α, eine glukosereiche Fraktion b und eine fruktosereiche Fraktion c
mit jeweils folgender Trockensubstanzzusammensetzung in Gewichtsprozent:
b 3258,0 p 37,3% 58,3%
c 1526,0 p 61,3% 38,7%
4,4'
Bei Vereinigung der Teilfraktionen 1 bis 13 bzw. 14 bis 18 würde maneineerste,sämtliche Oligosaccharide
sowie auch Glukose und Fruktose enthaltende Fraktion A und eine zweite, Fruktose und Glukose enthaltende,
fruktosereiche Fraktion B mit folgenden Trokkensubstanzzusammensetzungen
erhalten:
Fraktion | Trocken- Fruktose Substanz |
Glukose | Oligo saccharide |
Fraktion | Trocken substanz |
Fruktose | Glukose | Oligo saccharide |
312,1 ρ - | 0,7% | 99,3 % |
A
B |
2652,0 ρ 2444,3 ρ |
28,1 % 57,6 % |
54,8 % 42,4 % |
17,1 % | |
a | Hierzu 1 Blatt Zeichnungen | |||||||
Claims (3)
1. Anwendung des für die Trennung unterschiedlicher Saccharide einer wäßrigen Sacchari- r>
denlösung bekannten Verfahrens, bei dem die einen Trockensubstanzgehalt von 20 bis 60,
insbesondere 25 bis 55 Gewichtsprozent aufweisende Saccharidenlösung abwechselnd mit Wasser
gleichmäßig auf die Oberfläche einer eine Höhe "> von etwa 2,5 bis 5 m aufweisenden Kolonne eines
in Wasser versenkten, mit etwa 2 bis 8 Gewichtsprozent Divinylbenzol vernetzten Polystyrolsulfonat-Kationenaustauscherharzes
in der Salzform mit einer gleichmäßigen durchschnittlichen Parti- ι "> kelgröße von etwa 0,15 bis 0,84 mm aufgegeben
sowie mit einer Durchflußgeschwindigkeit von 0,2 bis 4,0, insbesondere bis 1,5 mVh je m2 Harzko-Ionnenquerschnittsfläche
durch die Harzkolonne hindurchgeführt wird und die am Fuß der Harzko- -'<
> lonne erscheinenden Fraktionen separiert werden, zum Zwecke der Trennung von einerseits Monosacchariden
und andererseits Di-, Tri- sowie höheren Oligosacchariden eines Stärkekonvertierungssirups
mit einem Fruktosegehalt von wenig- >-> stens 15 Gewichtsprozent.
2. Anwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kationenaustauscherharz
in der Alkali-, vorzugsweise Natriumsalzform oder in der Erdalkali-, vorzugsweise Kalziumsalzfomt m
eingesetzt wird.
3. Anwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Monosaccharide
enthaltende Fraktion zumindest in einer glukosereichen Teilfraktion und in einer fruktoserei- r>
chen Teilfraktion abgezogen wird.
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