DE2622316A1

DE2622316A1 - Verfahren zur herstellung einer glucose und mannose enthaltenden loesung

Info

Publication number: DE2622316A1
Application number: DE19762622316
Authority: DE
Inventors: Walter Max Kruse
Original assignee: ICI Americas Inc
Current assignee: Zeneca Inc
Priority date: 1975-05-19
Filing date: 1976-05-19
Publication date: 1976-12-02
Also published as: FR2311846A1; IT1121717B; FI761413A; JPS51141807A; GB1506534A; CA1071194A; FR2311846B1; NL7605329A; BR7602485A; BE842004A; LU74981A1; JPS5640700B2; US4029878A; AU1244476A; MX3400E

Description

-r¹ n I/ f* - Patentanwälte:

TlEDTKE - ÜÜHLING " IVlNNE - VSRUPE Dipl.-lng.Tiedtke

Dipl.-Chem. Bühling Dipl.-lng. Kinne Dipl.-lng. Grupe

8000 München 2, Postfach 202403 .2622316 Bavariaring 4

Tel.: (0 89)53 96 53-56

Telex: 5 24845 tipat

cable. Germaniapatent München

19.Mai 1976

B 7372

ICI US case 1336

ICI United States Inc.

c/o IMPERIAL CHEMICAL INDUSTRIES LIMITED London, Großbritannien

Verfahren zur Herstellung einer Glucose und Mannose enthaltenden Lösung.

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Herstellung einer Glucose und Mannose enthaltenden Lösung, z.B. als Ausgangsmaterial zur Gewinnung von Mannitol. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer Mischung von Glucose und Mannose durch katalytische Isomerisierung von Glucose mit anschließender katalytischer Hydrierung des Isomerisats zur Gewinnung von Mannitol.

Es ist bekannt, daß eine Mischung von Sorbitol und

_VIII/13 609849/0998

Dresdner Bank (München) Kto. 3939 844 Postscheck (München) Kto. 670-43-804

Mannitol in wässriger Lösung durch katalytische Hydrierung von Invertzucker hergestellt werden kann, welcher eine annähernd äquimolare Mischung von Glucose und Fructose ist. Gewöhnlich wird Invertzucker abwechselnd durch Inversion von Sucrose erhalten. Verfahren zur Hydrierung von Invertzucker sind beispielsweise in den US-Patentschriften 2 759 024, 3 329 729, 3 705 199 und 3 763 246 beschrieben. Die Mannitolausbeute liegt gewöhnlich bei etwa 24 bis 26 Gew.-%, bezogen auf die gesamten trockenen Feststoffe; diese Ausbeute kann auf etwa 30 Gew.-% durch geeignete Katalysatorwahl erhöht werden, wie in den vorstehend zitierten US-Patentschriften 3 705 199 und 3 763 246 beschrieben ist. Mannitol wird aus den wässrigen Lösungen, die sowohl Sorbitol als auch Mannitol enthalten, durch fraktionierte Kristallisation gewonnen, wie beispielsweise in der US-Patentschrift 3 632 656 beschrieben ist. Die Hydrierung von Invertzucker ist ein ansprechender, handelsüblicher Weg zur Herstellung von Mannitol _r wenn der Sucrosepreis (gewöhnlich Zucker) niedrig ist. Jedoch haben die starken Erhöhungen und Schwankungen im Sucrosepreis die Notwendigkeit für alternative Wege angezeigt.

Es ist ferner bekannt, daß Glucose unter alkalischen Bedingungen isomerisiert werden kann, um eine Mischung mit einem Gehalt an Glucose, Fructose und Mannose zu ergeben. Verschiedene alkalische Materialien sind für diesen Zweck bekannt, einschließlich Natriumhydroxid und Calciumhydroxid. Die Verhältnisse

609849/0998

26223Ί6

von Glucose, Fructose und Mannose in der Reaktionsmischung wird in Abhängigkeit von dem verwendeten alkalischen Material und den angewandten Bedingungen variieren und erhebliche Mannosenmengen werden nicht immer erzielt. Die alkalische Isomerisierung von Glucose ist in der US-Patentschrift 3 256 270 und bei G. Pigman: "The Carbohydrates: Chemistry, Biochemistry and Physiology", Academic Press, New York, Seiten 60-69 (1957) beschrieben.

Es ist ferner bekannt, daß sowohl D-Glucose als auch D-Mannose in einer wässrigen Lösung mit einem Gehalt von etwa 17 Gew.-% D-Glucose oder D-Mannose, bezogen auf das Gesamtlösungsgewicht (d.h. 20 Gew.-% Glucose, bezogen auf das Gewicht des Wassers) und einer kleinen Menge von Molybdänsäurekatalysator ₍-epimerisiert werden kann, wobei eine Lösung mit einem Gehalt · von 25 % D-Mannose mit einem Rest an D-Glucose auf trockener Basis erzeugt wird. Diese Epimerisierung ist von V. Bilik,: Chem. Zvesti, 2j5, 183-186 /1972) und in der Tschechoslowakischen Patentschrift 149 051 beschrieben. Keine Reaktion findet statt, wenn Natriummolybdat als Katalysator verwendet wird. Bilik und Mitarbeiter haben ferner gefunden, daß verschiedene andere Zucker in Gegenwart von Molybdationen in wässriger Lösung · epimerisiert werden können; Beispielsweise ergibt D-Fructose eine Mischung von D-Sorbose, D-Tagatose, und D-Psicose, und Sucrose ergibt eine Mischung von D-Mannose und D-Sorbose in einer ähnlichen Reaktion (Chemical Abstracts, 8Ό, 146433s (1974)). Ferner ergibt L-Arabinose eine Mischung von L-Arabinose und L- : ' Ribose (Tschechoslowakische Patentschrift 149 472 _r CA. 8_1_, ;

60-9849/098*

78189k (1974)); L-Mannose ergibt eine Mischung L-Glucose und L-Mannose (CA. 8J_, 91887f (1974)); und D-Galactose ergibt eine Mischung von D-Talose und D-Gulose neben D-Galactose (CA. 8J_, 152523h (1974)).

Gemäß der Erfindung wurde gefunden, daß eine gesteigerte Mannoseausbeute erzielt werden kann, indem man als Ausgangsmaterial eine Lösung mit einem Gehalt von Glucose in einer Konzentration von wenigstens etwa 50 Gew.-% verwendet. Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, daß man eine Lösung mit einem Gehalt von wenigstens etwa 50 Gew.-% Glucose oder deren Polymeren (einschließlich Mischungen vonGlucose und derer Polymeren) mit einem Katalysator, der Molybdän im 6-wertigen Zustand enthält, bei einer Temperatur von wenigstens etwa 70 C in Kontakt bringt. Eine Glucose und Mannose enthaltende Lösung wird erhalten. Diese Lösung kann katalytisch zur Erzeugung einer Sorbitol und Mannitol enthaltenden Lösung katalytisch hydriert werden * aus welcher Manni-tol durch fraktionierte Kristallisation gewonnen werden kann.

Es wurde nun gefunden, daß die durch katalytische Epimerisierung von Glucose.erzielte Mannoseausbeute unter Verwendung eines 6-wertigen Molybdänkatalysators erheblich er höht wird, Wenn die Glucosekonzentration in der Ausgangslösung bei wenigstens etwa 50 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtlösungs- gewicht liegt. Glucosekonzentrationen von etwa 67 % bis etwa 70 Gew.-% sind bevorzugt. Löslichkeitsprobleme sind bei Glucose-

609849/0998

ORIGINAL INSPECTED

konzentrationen wesentlich über 70 % anzutreffen. Beispiels-' weise · werden Ausbeuten von etwa 30-33% Mannose beim Gleichgewicht erzielt, wenn eine wässrige Lösung mit einem Gehalt von 67 Gew.-% Glucose bei einer Temperatur von etwa 90 C epimerisiert wird. Dies steht im Gegensatz zu Mannoseausbeuten von etwa 25%, wie von Bilik in der oben zitierten Chem. Zvesti, 26, 183-186 /1972) berichtet wird, wenn eine Lösung mit einem Gehalt von 17 Gew.-% Glucose unter Verwendung des gleichen Katalysators und den gleichen Bedingungen epimerisiert wird. Diese Entdeckung ist überraschend, weil gewöhnlich die durch Epimerisierung erzielte Gleichgewichtskonzentration von Zuckern wenig oder überhaupt nicht mit der Zuckerkonzentration in der Ausgangslösung variiert.. Das bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielte Verhältnis von Mannose zu Glucose liegt nahe bei 1/2, im Gegensatz zu 1/3 nach dem Stand der Technik (Bilik). Da das erzielte Verhältnis von Mannitol zu Sorbitol nach der katalytischen Hydrierung praktisch das gleiche ist, wie das Mannose/Glucoseverhältnis, ist es offensichtlich, daß die Erhöhung in der durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielten Mannoseausbeute zu einer erheblich erhöhten Mannitolausbeute und zu einem höheren Verhältnis des gewünschten Mannitols zum Nebenprodukt Sorbitol führt.

In dieser Anmeldung bezieht sich der Ausdruck "Glucose" auf D-Glucose und der Ausdruck "Mannose" auf D-Mannose.

609849/0998

Das im Verfahren der Erfindung verwendete Ausgangskohlenhydrat ist Glucose, ein Polymeres von Glucose oder eine Mischung von Glucose und deren Polymere. Glucose ist das bevorzugte Kohlenhydrat, und die Erfindung ist hauptsächlich auf Verfahren unter Verwendung von Glucose als Ausgangsmaterial gerichtet.

Das Kohlenhydrat wird in einem inerten Lösungsmittel auf eine Konzentration von wenigstens etwa 50 Gew.-% Kohlenhydrat gelöst. Wasser ist bei weitem das bevorzugte Lösungsmittel, da es ausgezeichnete Ergebnisse liefert und sehr viel billiger als andere Lösungsmittel ist. Jedoch können verschiedene inerte polare organische Lösungsmittel, wie beispielsweise Dimethylacetamid (DMA) und Dimethylsulfoxxd (DMSO) mit guten Ergebnissen verwendet werden.

Wenn Wasser als Lösungsmittel verwendet wird, ist es wesentlich, eine saure Lösung zu verwenden. Der bevorzugte pH einer erfindungsgemäß verwendeten wässrigen Lösung liegt bei etwa 3 bis etwa 5. Wenn der pH der Ausgangslösung unter 3 liegt, ist das Ausgangskohlenhydrat einer Vielzahl von unerwünschten Nebenreaktionen ausgesetzt. Wenn der pH über 5 ist, nehmen die Ausbeuten an Mannose ab. Bei einem pH größer als 7 wird praktisch keine Mannose gebildet.

609849/0998

Die Epimerisierung gemäß der Erfindung wird in Gegenwart eines Katalysators durchgeführt, der Molybdän im 6-wertigen Zustand enthält, wie beispielsweise Molybdänsäure/ Isopolymolybdänsäuren, Heteropolymolybdänsäuren und Salzen von solchen Säuren, wie beispielsweise Natriumphosphomolybdat _t und Silicomolybdänsäure oder einem Anionenaustauscherharz, in welchem die Hydroxylionen durch Molybdationen ersetzt wurden. Es wurde gefunden, daß Molybdänyl-bis-acetylacetonat ein guter. Katalysator in nicht—wässrigen Medien, wie beispielsweise Dimethylacetamid und Dimethylsulfoxid ist. Natriummolybdat ist kein geeigneter Katalysator, wenn nicht eine ausreichende Säuremenge vorhanden ist, um einen sauren pH-Wert, vorzugsweise im Bereich von etwa 3 bis 5 zu ergeben. Es wurde gefunden, daß 5-wertiges Molybdän keine katalytische Aktivität zur Epimerisierung besitzt, obwohl es scheint, daß Mischungen von 5-wertigen und 6-wertigen Molybdän katalytische Aktivität besitzen. Es ist bekannt, daß Molybdänsäure niedermolekulare Polymere oder Oligomere in saurer Lösung bildet und der Ausdruck "Molybdänsäure" schließt solche Polymeren und Oligomeren ein.

Der Katalysator kann zum Reaktionsmedium entweder.vor, mit oder nach Zugabe der Glucose hinzugefügt werden,

Die Katalysatorkonzentration sollte wenigstens etwa 0,05 Gew.-%, bezogen auf das Kohlenhydratgewicht betragen. Wenigsten 0,1 Gew.-% Katalysator sollten bei Temperaturen un-

608849/0998

ter 110⁰C verwendet werden. Höhere Katalysatorkonzentrationen, beispielsweise etwa 0,25 bis etwa 1 Gew.-% sind gewöhnlich bevorzugt. Wenn <üe Katalysatorkonzentration von 0,1 % auf 1% ansteigt, nimmt die Reaktionszeit ab. Katalysatorkonzentrationen über etwa 1 % erniedrigen die Reaktionszeit nicht erheblich, während Konzentrationen unter etwa 0,05 % zu niedrig sind, um eine wirksame Umsetzung von Glucose zu Mannose zu ergeben.

Die Reaktionstemperatur zur Epimerisierung von Glucose liegt wenigstens bei etwa 70 C. Der bevorzugte Temperaturbereich liegt bei etwa 85 C bis etwa 160 C und Temperaturen von etwa 100 C bis etwa 125°C sind besonders bevorzugt. Bei Temperaturen unter 70⁰C verläuft die Reaktion sehr langsam und gute Mannoseausbeuten werden nicht erzielt. Die Reaktion wird zunehmend schneller wenn die Temperatur erhöht wird. Die Reaktionsgeschwindigkeit erreicht ein Optimum bei Temperaturen über 100 C. Epimerisierungsprodukte mit ausgezeichneter Reinheit, die nicht mehr als etwa 1,5 Gew.-% Verunreinigungen auf trockener Basis enthalten ^werden bei Temperaturen bis zu etwa 1.25 C oder leicht darüber erzielt. Weniger als 2% Verunreinigungen werden bei 130⁰C erhalten. Die Erzeugung von Verunreinigungen nimmt allmählich zu, wenn die Reaktionstemperatur über etwa 125°C er-

° ο

h#ht wird. .Bei Temperaturen über etwa 160 C wandelt sich Glucose leicht zu Karamel um.

609849/0998

Der Druck scheint einen geringen Einfluß auf den Verlauf der Epimerisationsreaktionen zu haben. Aus wirtschaftlichen Gründen ist daher Atmosphärendruck bevorzugt.

Die zur Epimerisierung erforderliche Zeit hängt von der Temperatur und der Katalysatorkonzentration, wie vorstehend diskutiert wurde ab. Gewöhnlich werden die gewünschten Glucoseausbeuten in etwa 30 bis 120 Minuten erzielt, obwohl in einigen Fällen kürzere Zeiten verwendet werden können, insbesondere bei Temperaturen nahe bei dem oberen Ende des bevorzugten Bereiches und in anderen Fällen, beispielsweise wenn eine niedrige Katalysatorkonzentration verwendet wird, kann eine längere Zeit notwendig sein. Die Epimerisierungsreaktion ist eine Gleichgewichtsreaktion; daher erreicht die Mannoseausbeute ein Maximum, wenn das Gleichgewicht erreicht ist und ändert sich danach nicht.

Ausgangsmaterialien mit einem Gehalt an Glucosepoly-Tieren können verwendet werden, obwohl die Mannoseausbeuten in der RegelMerbei niedriger sind als diejenigen, die mit Glucose als Ausgangsmaterial erzielt werden. Die geeigneten Glucosepolymer -haltigen Ausgangsmaterialien sind diejenigen, bei denen der Polymergehalt leicht unter milden sauren Bedingungen zu Glucose hydrolysierbar ist; im großen und ganzen sind diese Materialien solche, bei denen der Polymergehalt in Form von niedermolekularen Polymeren (typischerweise · 10 Glucoseeinheiten oder weniger) vorliegt, welche gewöhnlich als Oligomere bekannt sind. Maltose, welches ein Dimeres von Glucose ist, ist ein

60 9 849/0998

geeignetes Ausgangsmaterial. Vom wirtschaftlichen Standpunkt sind Stärkehydrolysate von größerem Interesse, wie beipielsweise Getreidestärkehydrolysat, welches im wesentlichen aus Glucose und deren Oligomeren besteht und welches als ein Nebenprodukt aus der Hydrolyse von Getreidestärke erhalten wird. Eine typische Masse aus Getreidestärkehydrolysat besteht aus annähernd 63 Gew.-% Glucose und 37 Gew.-Glucoseoligomere auf trockener Basis. Getreidestärkehydrolysat ist viel billiger als Glucose. Die in dem Verfahren der Erfindung verwendete Konzentration von Getreidestärkehydrolysat (oder einem anderen Glucosepolymer-enthaltenden Ausgangsmaterial) ist etwa die gleiche wie die früher aufgeführten Glucosekonzentrationen, d.h., sie liegt wenigstens bei 50 Gew.-% und vorzugsweise bei etwa 67-70 Gew.-% Kohlenhydrat. Wasser ist das bevorzugte Lösungsmittel.

Die Reaktion von Oligomer -haltigen - Materialien, wie beispielsweise Getreidestärkehydrolysat ist tatsächlich eine kombinierte Hydrolyse und Epimerisierung, wobei beide Reaktionen wahrscheinlich gleichzeitig stattfinden. Der bevorzugte pH-Bereich (etwa 3 bis 5) für die Epimerisierung ist ebenso für die Hydrolyse von Oligomeren ausgezeichnet'. Bevorzugte Temperaturen für die kombinierte Hydrolyse und Epimerisierung von Getreidestärkehydrolysat liegen bei etwa 125 C bis etwa 160 C. Die Hydrolyse von Oligomeren bei Temperaturen unter 125 C ist unzulässig langsam, während relativ große Verunreinigungsmengen

609849/0998

bei Temperaturen über 160⁰C gebildet werden. Die Reaktionszeiten für das Getreidestärkehydrolysat sind im allgemeinen langer als dieieniqen, die für Glucose erforderlich sind. Die Hydrolyse und die Epimerisierung werden vorzugsweise als eine Stufe durchgeführt, obwohl das Getreidestärkehydrolysat in einer getrennten Stufe qewünschtenfalls vor der Epimerisierunq teilweise hydrolysiert werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren besitzt wenigstens zwei größere Vorteile gegenüber dem Verfahren nach dem Stand der Technik (Bilik), bei welchem eine ziemlich verdünnte Glucoselösung epimerisiert wird. Erstens wird die Mannoseausbeute in konzentrierteren Lösungen unerwartet höher, wie vorstehend erwähnt ist. Zweitens ist es nicht notwendig, große Wassermehgen während des Verlaufes des erfindungsgemäßen Verfahrens zu verdampfen, da die nach der Epimerisierung erhaltene Glucose- und Mannoselösung für die anschließende Hydrierung und Produktgewinnung ausreichend konzentriert ist. Falls die ziemlich verdünnte, nach dem Stand der Technik erzielte•_/ Glucose-Mannoselösung für die Mannitolherstellung verwendet würde (Bilik), würde es notwendig/sein größere Wassermengen entweder vor oder nach der Hydrierungsstufe zu verdampfen, um das Mannitolprodukt zu gewinnen.

€09849/0998

Das Epimerisierungsverfahren kann chargenweise, halbkontinuierlich oder kontinuierlich durchgeführt werden. Irgendeine geeignete Ausrüstung, welche den innigen Kontakt der Reaktionsteilnehmer und des Katalysators ermöglicht, 'kann verwendet werden.

Wenn die Epimerisierungsreaktion vollendet ist, kann der Molybdänkatalysator aus der Lösung entfernt werden, indem man vorzugsweise die Lösung mit Wasser auf etwa 50% Feststoffe verdünnt und entweder ein gemischtes Ionenaustauscherharz .(eine Mischung eines Anionenaustauscherharzes und eines Kationenaustauscherharzes) oder Aktivkohle oder beides hinzufügt. Die Verdünnung ist notwendig, da das Ionenaustauscherharz bei den für Epimerisierung verwendeten Feststoffkonzentrationen (gewöhnlich etwa 67-70%) nicht wirksam arbeitet. Aktivkohle entfernt ebenso evtl. vorhandene Spurenverunreinigungen. Der abgeschiedene Katalysator wird danach aus der Aufschlämmung, vorzugsweise durch Filtration entfernt.

Das Produkt aus dem Epimerisierungsverfahren kann danach zur Erzeugung einer Sorbitol- und Mannitollösung durch in der Technik bekannte Verfahren katalytisch hydriert werden. Nickel- und Rutheniumträgerkatlaysatoren sind gewöhnlich bevorzugt. Beispielsweise kann die Hydrierungsstufe unter Verwendung eines Nickelträgerkatalysators durchgeführt werden,

609849/0998

wie beispielsweise Nickel auf Kieseiguhr, wie in der US-Patentschrift 2 518 235 beschrieben ist oder dem phosphatierten Nickelträgerkatalysator, der in den PS-Patentschriften 3 538 019 und 3 670 035 beschrieben ist. Andere Nickelkatalysatoren sind femer in der Technik bekannt. Andererseits kann ein Rutheniumträgerkatalysator_F wie beispielsweise Ruthenium auf Kohle, wie in der US-Patentschrift 2 868 847 beschrieben ist, oder Ruthenium auf einem Aluminosilikat-Tonträger des Montmorillonittyps, wie in der US-Patentanmeldung Nr-531 972 beschrieben ist, verwendet werden.

Wenn ein Nickelhydrierungskatalysator verwendet wird, kann die Epimerisierungsproduktlösung direkt hydriert - werden, vorausgesetzt, daß eine ziemlich niedrige Molybdänkatalysatork&nzentration (etwa 0,125 Gew.-% oder weniger, bezogen auf das Kohlenhydrat) verwendet wird . Höhere Molybdänkatalysatorkonzentrationen (etwa 0,25 % oder größer) scheinen die Hydrierungsgeschwindigkeit zu verlangsamen, so daß wenigstens eine teilweise Entfernung des Molybdänkatalysators vor dem Hydrieren angezeigt ist. Wenn ein Rutheniumhydrierungskatalysator verwendet ist, muß der gesamte oder das meiste des Molybdänkatalysators vor der Hydrierung entfernt werden, da das Molybdän den Rutheniumkatalysator zu vergiften scheint. Die Molybdänentfernung kann wie vorstehend beschrieben durchgeführt werden, d.h., indem man die Epimerisierungsproduktlösung verdünnt, das Molybdän mit einem Ionenaustauscherharz und/oder Kohlenstoff entfernt und danach die Lösung (beispielsweise durch Wasserverdampfung) auf den für die Hydrierung gewünschten Gehalt konzentriert (gewöhnlich etwa 70 % Feststoffe) . Die Molybdänentfernung bei dieser Stufe ist kostspielig, weil eine kostspielige Verdampfungsstufe erforderlich ist. Dies stellt

6098*9/0998

einen deutlichen Vorteil für den Nickelkatalysator dar.

Die Glucose-und Mannoselösung aus der Epimerisierungsstufe und der Katalysator werden in einem Autoklaven eingesetzt, welcher von Stickstoff gereinigt wurde und die Autoklavenirihalte werden bei einer Temperatur, welche gewöhnlich bei etwa 100-16O⁰C liegt, (obwohl leicht höhere Temperaturen, die 200°C nicht überschreiten, verwendet werden können) und bei einem Druck von wenigstens etwa

2 2

70,3 kg/cm (Manometer druck ^. typischerweise etwa 105,5-140,7 kg/cm _/ katalytisch hydriert.. Die Konzentration der Lösung während der Hydrierung ist nicht kritisch, jedoch ist gewöhnlich eine ziemlich konzentrierte Lösung (beispielsweise etwa 70°Feststoffe) bevorzugt, um die behandelte Flüssigkeitsmenge möglichst klein zu halten und um die nachfolgende Produktgewinnung zu vereinfachen. Die Reaktion wird fortgesetzt, bis der Druck konstant bleibt. Gewöhnlich ist eine Hydrierzeit von nicht mehr als etwa 1/2 Stunde bis etwa 1 Stunde erforderlich. Da der Kohlenhydratgehalt des aus der ersten Reaktionsstufe erzielten Isomerisats ganz oder fast vollständig in Form von Monosachariden vorliegt, selbst wenn Getreidestärkehydrolisat oder ein anderes Glucosepolymer-haltigen' Ausgangsmaterial verwendet wird, können ziemlich kurze Reaktionszeiten und niedrige Temperaturen, wie ausgeführt ist bei der Hydrierungsstufe verwendet werden. Die Hydrierung ergibt eine Lösung von Sorbitol und Mannitol in etwa den gleichen Verhältnissen wie diejenige von Glucose und Mannose in dem Isomerisat, d.h. typischerweise etwa 30-33 % Mannitol mit einem Rest Sorbitol auf trockener Basis. Die Lösung enthält ferner Wasser oder ein anderes Lösungsmittel. Mannitol·, kann durch bekannte Vorrichtungen, wie durch fraktionierte Kristallisation ge-

609849/0998 COPY \

Wonnen werden.

Die Erfindung wird nun durch die folgenden Beispiele näher erläutert. Bei den Beispielen sind die Glucosekonzentrationen in Gew.-% angegeben, bezogen auf das Gesamtlösungsgewicht; die Mengen des Molybdänkatalysators sind in Gew.-% aufgeführt, bezogen auf das Glucosegewicht (oder das Getreidestärkehydrolisat); Die Mannosebestimmungen werden mit Hilfe von TLC gemacht und sind in Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Zuckerfeststoffe angegeben; die Mannitol -und Sorbitolbestimmungen wurden mit Hilfe von GLC (Gas-Flüssig-Chromatographie) gemacht und sind in Gew.-% auf trockener Basis angegeben.

Beispiel 1

Eine wässrige Lösung von 70 Gew.-% Glucose wird hergestellt, indem man 120 g Glucose zu destilliertem Wasser in einer 180 ml Druckflasche bei Atmosphärendruck und Raumtemperatur (etwa 25°C) hinzufügt. Zu diesem wird 0,30 g Molybdänsäure (0,25 Gew.-%) hinzugesetzt. Es wird gefunden, daß der pH etwa 4 beträgt.Die Flasche wird zugestöpselt und die Lösung wird in einem Bad mit konstanter Temperatur bei 120°C 30 Minuten lang magnetisch gerührt. Die Reaktion wird bei Umgebungsdruck durchgeführt, d.h. der Druck, welcher sich als Folge des Erhitzens des geschlossenen Gefäßes und seiner Inhalte entwickelt. Die Flasche, wird danach aus dem Bad mit konstanter Temperatur entfernt und der Abkühlung überlassen. Etwa 30 gMi.schbettionenaustauscherharz

(eine Kombination eines Kationenaustauscherharzes und eines Anionenaustauscherharzes) und eine genügende Wassermenge zur Verdünnung der ^l

609849/0998

;, έοργ i

Lösung auf eine etwa 50 %ige Zuckerkonzentration v/erden danach hinzugefügt und die Lösung wird abfiltriert. Die Analyse des Filtrats (durch TLC) zeigt, daß die Mischung 33,3 -Gew.-% Mannose enthält.

Beispiele 2-16

Das Verfahren von Beispiel 1 wird unter Variation der Temperatur, der Reaktionszeit und der Konzentration der Molybdänsäure, wie in nachstehender Tabelle 1 gezeigt ist, wiederholt. Die Glucosekonzentration in allen diesen Beispielen liegt bei 67 % bis 7p Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Lösung. Im allgemeinen werden 100 g Glucose verwendet. Alle Versuche werden bei Umgebungsdruck durchgeführt. Die resultierenden Prozentangaben von Mannose sind inTa"belle I aufgeführt.

609849/0998

Tabelle I

Beispiel	Temp. °C	Zeit min.	Konzentration der Molydän- säure	Mannose- produkt Gew.-%
2	75°	420	1 %	33,8 %
3	80,4°	360	0,25 %	23,2 %
4	80,5°	1020	0,2§ %	22,2 %
5	90°	60	1 %	32,4 %
6	90°	300	0,5 %	33,6 %
7	90°	120	0,25 %	20,2 %
8	90°	3 30	0,25 %	33,0 .%
9	90°	120	0,125 %	21,1 %
10	90°	420	0,125 %	21,9 %
11	90°	703	0,125 %	30,7 %
12	110°	30	0,25 %	29,6 %
13	110°	60	0,25 %	31,8 %
14	110°	90	0,25 %	31,0 %
15	130°	30	0,125 %	33,4 %
16	130°	40	0,25 %	33,7 %

609849/0998

Wie aus Tabelle I ersichtlich ist, nimmt die erforderte Reaktionszeit leicht ab, wenn die Temperatur und Katalysatorkonzentration erhöht werden. Temperaturen über etwa 85°C sind bevorzugt, weil niedrigere Temperaturen, wenn auch funktionsfähig, längere Reaktionszeiten erfordern.

Beispiel 17

Das Verfahren von Beispiel 1 wird wiederholt, außer daß der Katalysator 1 Gew.-% Natriumphosphomolybdat, bezogen auf das Glucosegewicht ist, das Reaktionsmedium einen pH von 4 besitzt und die Reaktionszeit 180 Min. beträgt. Die Temperatur liegt bei 90°C und die Glucosekonzentration beträgt 67 %. Ein Reaktionsprodukt mit einem Gehalt von 33,7 % Mannose wird erhalten.

Beispiel 18

Das Verfahren in Beispiel 1 wird mit den folgenden Ausnahmen wiederholt: 1 g H₂MoO auf 5 g "Amberlyst A-26" Styrol-Diviny!benzol, ein.quaternäres Anionenaustauscherharz (erhalten von Rohm und Haas Company, Philadelphia) wird anstelle von Molybdänsäure verwendet; die Temperatur beträgt 90°C; die Reaktionszeit beträgt 180 Min.; und die Glucosekonzentration liegt bei 50 Gew.-%. Das Produkt enthält 23,0 Gew.-% Mannose

Beispiel 19
Die Verfahrensweise von Beispiel 18 wird wiederholt, außer

609849/0998

daß die Ausgangsglucosekonzentration 55 % beträgt und ein Katalysator mit einem Gehalt von 2 g H₂MoO₄ auf 12,5 g "A-26" - Harz verwendet wird. Das Produkt enthält 29,7 Gew.-f% Mannose.

Beispiel 20

Die Verfahrensweise von Beispiel 1 wird wiederholt, außer daß der Katalysator 0,25 % Molybdän (VI) kobaltat ist und die Reaktionszeit 75 Min. beträgt. Die Reaktionstemperatur liegt bei 120°C wie in Beispiel 1. Die Analyse des Produkts (durch. TLC) zeigt 38 % Mannose.

Beispiel 21

Eine Lösung mit einem Gehalt von 2 g Glucose und 40 .mg Molybdänyl-bis-acetylacetonat in 5 ml Dimethylacetamid wird auf 100⁰C erhitzt und bei dieser Temperatur 2 Stunden lang gehalten. Die Analyse des Reaktionsproduktes nach dem Abkühlen zeigt 42,4 Gew.-% Mannose, bezogen auf die vereinigten Gewichte von Mannose und Glucose.

Beispiel 22

Eine Lösung mit einem Gehalt von 4 g Glucose und 40 mg Molybdänyl-bis-acetylacetonat in 8 ml· Dimethylsulfoxid wird auf , 90°C erhitzt und bei dieser Temperatur 2 Stunden lang gehalten. Die Analyse des Reaktionsproduktes nach dem Abkühlen zeigt 32,1 Gew.-% Mannose, bezogen auf die vereinigten Gewichte von Mannose und Glucose.

¹ " . 609849/0998

Die folgenden Beispiele beschreiben die Herstellung von Mannitol aus Glucose.

Beispiel 23

Eine wässrige Lösung mit einem Gehalt von 67 Gew.-% Glucose und 0,5 Gew.-% Molybdänsäure, bezogen auf das Glucosegewicht wird gemäß dem Verfahren von Beispiel 6 epimerisiert (d.h. bei 90°C, 300 Min. lang). Das Reaktionsprodukt wird nach Verdünnung auf 50 % Feststoffe mit einem Mischbettionenaustauscherharz, wie im Beispiel 1 beschrieben ist, und danach mit entfärbender" Kohle behandelt; beide werden durch Filtration entfernt. Das-Filtrat enthält 33,6 Gew.-% Mannose, bezogen auf das Gewicht der Zuckerfeststoffe.

3 g Katalysator, bestehend aus 1 Gew,-% Ruthenium auf einem säurebehandelten Montmorillonittonträger werden zu dem obigen FiI-trat hinzugefügt, welches 100 g Zuckerfeststoffe enthält. Der Montmorillonittonträger, welcher unter der Bezeichnung "K-10" durch Chemelron Corp. verkauft wird, ist ein Pulver, welches typischerweise etwa 64,7 Gew.-% Siliciumdioxid und 19,3 Gew.-% Aluminiumoxid enthält und welches typischerweise einen pH von etwa 3,5 in einer Ton/Wasser-Aufschlämmung von 1:10 (je Gewicht), eine Schüttdichte von etwa 373g/Liter, ein spezifisches Gewicht von etwa 2,4-2,5 und eine Oberfläche von 268 m /g aufweist. Die resultierende Aufschlämmung wird in einen 1 Liter rostfreien Stahlautoklaven eingesetzt, der mit einem Temperatursteuergerät und einem Temperatur- und Druckschreiber ausgestattet ist. Der Autoklav wird mit Stick-

609849/0398

stoff und Wasserstoff gereinigt und der Druck wird auf 109,5 kg/cm Wasserstoff druck erhöht. Die Auf schlänimung wird danach auf 160⁰C unter konstantem Rühren erhitzt; Die Reaktion wird bei 160°C 50 Minuten lang fortgesetzt und danach wird der Autoklav auf Zimmertemperatur abgekühlt. Das Reaktionsprodukt wird durch GLC (Gas-Flüssig-Chromatographie) analysiert. Ein Produkt mit einem Gehalt von 27,0 Gew.-% Mannitol und 72,0 Gew.-% Sorbitol auf trockener Basis wird erzielt.

Beispiele 24-27

Die Verfahrensweise von Beispiel 23 wird wiederholt, außer daß Epimerisierungskatalysatoren, Katalysatorkonzentrationen und Reaktionsbedingungen, wie in nachstehender Tabelle II aufgeführt ist verwendet werden. Hydrierungskatalysator und-bedingungen sind die gleichen wie im Beispiel 23. Die Epimerisierungsverfahrensweisen in Beispielen 24 und 25 sind die gleichen wie in Beispiel 17 bzw. A. Die Analysen auf Mannose, Mannitol und Sorbitol sind in Tabelle II aufgeführt.

609849/0998

Epimerisierung

Katalysator

% Katalysator

Temp.,⁰C

Zeit ,min.

% Mannose

Hydrierung: % Mannitol % Sorbitol

Katalysator: A - H₂MoO₄ B - H₂MoO₄ + H₃PO₄ C - H₂MoO₄ auf "A-26"-Anionenaustauscherharz D - Natriunphosphomolybdat

	Tabelle· II	2%	- Beisp.26	Beisp.27
Beisp	.24 Beisp.25	90	A	B
D	C	180	0,125%	0,125%
1%	4	130	110
90	29,7	30	120
180	29,7	4	3,2
4	68,5
33,7		31	31,3
29,9
67,9

Beispiele 28-30

Die Verfahrensweise von Beispiel 2 3 wird mit den folgenden Ausnahmen wiederholt: (1) Der Hydrierungskatalysator ist Nickel auf Kieseiguhr, mit einem Gehalt von etwa 20 Gew.-% Ni (2) es wird keine Analyse des Epimerisats auf Mannose durchgeführt, und (3) die Mengen des Epimerisierungskatalysators (Molybdänsäure) und die Reaktionsbedingungen für jede Stufe sind in Tabelle III nachstehend aufgeführt. Die Mengen von Mannitol, im Endprodukt sind ferner in Tabelle III angegeben.

609849/0398

Tabelle III

Epiinerisierung

% Katalysator °

Beisp.28

Beisp.29

Zeit/min. pH

Hydrierung: Iemp.°C Zeit,min. % Mannitol ·% Sorbitol

0,25 % 90	0,25 % 110
390	30
4	4

Beisp.3O

0,125 % 120

60 4

160	160	160
60	60	60
27,5	30,8	31,3
72.5	69,2	68,7

Beispiel 31

Eine wässrige Lösung mit einem Gehalt von 70 Gew.-% Glucose und 0,125 Gew.-% Molybdänsäure, bezogen auf das Glueosegewichtwird bei 120°C und umgebungsdruck 1 Stunde lang in einer zugestöpselten Flasche epimerisiert. Wach dem Abkühlen auf Zimmertemperatur wird die resultierende Lösung und 3 Gew.-%, bezogen auf das Anfangsglucosegewicht eines Nickelkatalsators auf Kieseiguhr, der 20 Gew.-% Ni enthält, in einen Autoklaven bei 30°C eingespeist. Der Autoklav wird mit Wasserstoff auf einen Druck von 109,8 kg/cm (Manometerdruck) gebracht, die Autoklaveninhalte werden danach auf 150°C und dem resultierenden Druck (142,Okg/em²) erhitzt und bei 150⁰C 90 Min. lang gehalten, Die ^ütoklaveninhalte werden danach auf Zimmertemperatur- abgekühlt und der Nickelkatalysator wird durffh Filtration abgelxennt. Der pH der Lösung beträgt 5,0. Es wird gefunden,

603849/099$

daß eine Probe des Filtrats 1,3 ppm Mo, bezogen auf das Gesamtlösungs* gewicht enthält. Das Filtrat wird danach mit einem Mischbett-, ionenaustauscherharz (ein Kationenaustauscherharz und ein Anionenaustauscherharz)behandelt. Die Analyse der ionenausgetauschten Lösung zeigt folgendes: Mannitol 33,1 %, reduzierender Zucker-0,76 %, Gesamtzucker 1,4 %. Alle Prozentangaben sind Gewichtsangaben auf
trockener Basis. Die niedrige Menge von Mo im Filtrat zeigt an, daß das meiste Molybdän auf dem Nickelkatalysatorträger abgeschieden wird. Der Valentzustand des Molybdäns wurde nicht bestimmt.

Dieses Beispiel zeigt, daß der für die Epimerisierung

verwendete,Molybdänkatalysator den Nickelhydrierungskatalysator nicht stört. Daher ist es möglich, ein Epimerisat direkt ohne Abtrennung des Molybdänkatalysators und ohne Verdünnung, wie hier dargelegt
wurde_/ zu hydrieren, faenn Ruthenium als Hydrierungskatalysator verwendet wird, ist es notwendig, den Molybdänkatalysator vor der
Hydrierung zu entfernen, wie in anderen Experimenten gezeigt ist.

Ein Versuch zur Epimerisierung und gleichzeitiger Hydrierung einer 70 %igen Glucoselösung ergab sehr wenig Mannitol.

Beispiel 32

Die Verfahrensweise von Beispiel 31 wird wiederholt, außer daß (a) die Molybdänsäurekonzentration 0,07 %, bezogen auf Glucose beträgt und (b) die Hydrierungszeit 60 Min. beträgt. Nach der Hydrierung besitzt die Lösung einen pH von 4,7. Das Produkt enthält
33,6 % Mannitol, 0,44 % reduzierender Zucker und 1,4 % Gesamtzucker auf trockener Basis.

609849/0998

Dieses Beispiel zeigt, daß niedrige Molybdänkatalysatorkonzentrationen, in diesem Fall 0,07 % verwendet werden können.

Beispiele 33-36

Diese Beispiele beschreiben die gleichzeitige Hydrolyse und Epimerisierung von Getreidestärkehydrolysat, einem Handelsnebenprodukt, das durch Hydrolyse von Getreidestärke erzielt wird, und etwa 63 % Glucose und 37 % höhere Polysasaccharide (meistens Oligomere mit 2 bis 6 Glucoseeinheiten) enthält und die anschließende katalytische Hydrierung des Epimerisierungsreaktionsproduktes zur Bildung eines Produktes mit einem Gehalt an Mannitol und Sorbitol.

In Beispielen 33, 34 und 35 ist der Epimerisierungskatalysator H₂MoO^ auf einem Anionenaustauscherharz (wie im Beispiel 18 • beschrieben ist) und im Beispiel 36 ist Molybdänsäure der Katalysator.

Ein Hydrierungskatalysator mit 1 % Ruthenium auf Montmorillonit, wie im Beispiel 23 beschrieben ist, wird bei allen 4 Beispielen verwendet. Die Hydrierung wird zuerst bei 160° durchgeführt, gefolgt von einer weiteren Zeitspanne bei 175°C.

Die Behandlungs stufen, außer V7ie vorstehend erwähnt .,werden wie in Beispiel 23 durchgeführt. Die Katalysatormengen, die Reaktionsbedingungen und die Produktanalysen sind in Tabelle IV nachstehend aufgeführt.

609849/0998

Epimerisierung

Katalysator % Katalysator Zeit, min. Temp., °C pH

Zückerkonz. Mannose

Hydrierung: Zeitdauer 160°C (min) Zeitdauer 175°C (min) Mannitol Sorbitol

A - BLMoO

Tabelle	TV	Beisp.34	Beisp.35	Beisp.36
Beisp.33	C	A	C
C	2 %	1 %	1 %
1 %	180	180	240
180	95	90	92
95	4	4.	4
4	50	66,7	66,7
50	22,0
21,2

30	45	55	50
60	45	30	30
18,5	23,4	19,5	19,9
78,1	73,4	64,4	77,3

H₂MoO₄

C - H MoO, auf "A-26" - Anionenaustauscheirharz

Die niedrigen Ausbeuten von Mannose und Mannitol aus dem Getreidestärkehydrolysat wie in TabellelV gezeigt ist, verglichen mit den Ausbeuten, die aus Glucose erhalten werden', sind wenigstens z.T. der Anwendung von Epimerisationstemperaturen zuzuschreiben, welche für eine wirksame Hydrolyse der Oligosaccharide zu Glucose zu niedrig sind. Jedoch ist es wahrscheinlich, daß Mannoseausbeuten aus Getreidestärkehydrolysat etwas niedriger als Ausbeuten aus Glucose sind, selbst wenn die Epimerisierungstemperatur optimiert wird.

609849/0398

Verglelchsbeispiel A-D

Wässrige Lösungen mit einem Gehalt von 20 Gew.-% Glucose und 1 Gew.-% Molybdänsäure, bezogen auf das Glucosegewicht, und mit einem pH von 4 werden bei 90°C epimerisiert. Die Reaktionszeiten, welche in jedem Beispiel versshieden sind, sind in nachstehender Tabelle IV aufgeführt. Die Reaktionsproduktmischungen werden der Abkühlung überlassen, der Molybdänkatalysator wird aus der Reaktionsproduktlösung wie im Beispiel 1 beschrieben abgetrennt und das Filtrat wurde auf Mannose (in Gew.-% der gesamten Zuckerfeststoffe) durch TLC analysiert. Die Ergebnisse sind in Tabelle V nachstehend aufgeführt. - .

	Tabelle V	Gew.-% Mannose
Beispiel	Zeit min.	26,5
A	60	26,2
B	120	27,3
C	180	24,6
D	360

Die in diesen Beispielen erzielten Mannoseausbeuten sind etwa die gleichen wie diejenigen, die nach dem Stand der Technik (Bilik) erzielt werden und sind erheblich niedriger als diejenigen, die durch Epimerisierung von Lösungen mit einem Gehalt von 67-70 Gew.-% Glucose bei der gleichen Temperatur und der gleichen Kata~ "

609849/0998

lysatorkonzentratxon erhalten werden.

Wie aus der vorstehenden Erläuterung ersichtlich ist, wird gemäß der Erfindung Mannose aus einer konzentrierten Lösung von Glucose oder Glucosepolymeren in Gegenwart eines Katalysators mit 6-wertigera Molybdän gewonnen. Anschließend kann durch Hydrierung des so gewonnenen Produktes Mannitol hergestellt werden.

609849/0998

Claims

Patentansprüche

1./Verfahren zur Herstellung einear Lösung mit einem Gehalt an Glucose und Mannose, wobei man eine Lösung von Glucose, Polymeren von Glucose oder einer Mischung von Glucose und deren Polymeren mit einem Katalysator, der sechswertiges Molybdän enthält, bei einer Temperatur von wenigstens etwa 70 C in Kontakt bringt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Mannoseausbeute die Glucosekonzentration in der Ausgangslösung bei wenigstens 50 Gew.-% des Gesamtlösungsgewichts liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der pH der Lösung bei etwa 3 bis etwa 5 liegt.

609849/0998