DE2658223B2

DE2658223B2 - Verfahren zur Herstellung von D-Mannit

Info

Publication number: DE2658223B2
Application number: DE2658223A
Authority: DE
Inventors: Mochihiro Kuki Iijima; Hiroyuki Okegawa Saitama Maruyama; Yuji Tokio Osada; Motohiro Soka Takemura; Yoshiaki Misato Tateno
Original assignee: Towa Chemical Industry Co Ltd
Current assignee: Towa Chemical Industry Co Ltd
Priority date: 1975-12-19
Filing date: 1976-12-20
Publication date: 1980-07-03
Also published as: IT1064331B; FR2335479A1; FI763616A; US4083881A; JPS5277007A; AU1998176A; FI66830B; FI66830C; JPS5738238B2; FR2335479B1; AU508525B2; CH616908A5; DE2658223A1; CA1085327A; GB1539457A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von D-Mannit durch Hydrierung eines Zuckergemisches.

D-Mannit findet weitverbreitete Anwendung für Arzneimittel, Nahrungsmittel und chemische Erzeugnisse. Allgemein tritt er spontan in Pflanzenkörpern, insbesondere bei Meerespflanzen, auf.

Chemisch wird D-Mannit durch Hydrierung von D-Mannose oder D-Fructose hergestellt, wobei sich das theoretische Umsetzungsverhältnis aus D-Mannose auf 100% und aus D-Fructose auf 50% beläuft. D-Mannit wird heute technisch hergestellt, indem Saccharose zu einem Gemisch aus D-Glucose und D-Fructose hydrolytisch invertiert, das erhaltene Gemisch zu einem Gemisch aus D-Sorbit und D-Mannit hydriert und D-Mannit durch Kristallisation gewonnen wird. Diese Methode hat den Nachteil, daß schließlich die Ausbeute an kristallinem D-Mannit — bezogen auf das Ausgangsmaterial — nur bei e/wa 17% liegt.

Es ist bekannt, daß D Glucose in Gegenwart eines Enzyms oder einer Base teilweise zu D-Fructose und/oder D-Mannose isomerisiert bzw. — im Falle D-Mannose — epimerisiert wird gemäß folgender Gleichung

CHO
HCOH
HOCH
HCOH

HCOH

CH₂OII D-Glucose

Enzym od. Base (od. Mo-Säure)

CH₂OH CO

HOCH
HCOH
HCOH

CH₂OH D-Fruclosc

u./od.

CHO
HOCH
HOCH
HCOH
HCOH

CH₂OH U-Munnose

Wird Glucose-isomerase zu einer wäßrigen Lösung von 100 Teilen D-Glucose gegeben und das erhaltene Gemisch 3 Tage auf 65⁰C erwärmt, bildet sich ein Gleichgewichtsgemisch aus 54 Teilen D-Glucose und 46 Teilen D-Fructose. Wenn eine 100 Teile D-Glucosc enthaltende, gesättigte Kalklösung 5 Tage bei 35"C geholten wird, bildet sich ein Gleichgewichtsgemisch aus 63,5 Teilen D-Glucose, 31,0 Teilen Fructose, 2,5 Teilen D-Mannose und 3,0 Teilen Verunreinigungen, wobei ein Anstieg der Temperatur das Verhältnis zuungunsten der D-Fructose verschiebt.

Rs wurde berichte' (Ang. Chem. 83.9G7. 197!: CS-PS 1 49 051), daß ein Gleiehgcwichtsgemisch aus 75 Teilen D-Glucose und 25 Teilen D-Mannosc ohne D-Fructosc-Bildung entsteht, wenn man I Teil Molybdänsäure zu einer etwa I /%igen wäßrigen Lösung von 100 Teilen D-Glucose gibt und 5 bis IO Stunden bei pH 7,0 oder darunter auf 70 bis 100°C erhitzt. Das Arbeits-pll dieser Methode liegt bei etwa pH 5.

Mit den nach bekannten Methoden zugänglichen Gleichgewichtsgemischen aus D-Glucose, D Fructose und/oder D-Mannose würde man zur Herstellung von D-mannit in bezug auf den hydrierbaren Gehalt an D-Fructose und/oder D-Mannose allenfalls ein Ausgangsgemisch zur Verfugung haben, das bestenfalls dem im technischen Verfahren eingesetzten Gemisch von G-Glucose/D-Fructose äquivalent ist.

In der DE-OS 20 25 314 wird ein Verfahren zur Herstellung von Mannit beschrieben, bei dem invertier te Saccharose in zwei Schritten hydriert wird, d. h., die gesamte Fructose im ersten Hydrierungsschritt bei pH 8 Dis 12 und 100 bis 190°C und eic anderen Saccharide bei saurem pH untei 6 im zweiten llydrieriingsschrilt. Die maximalen Mannitaur.bctilcn (bezogen auf kristallisierten Mannit) liegen dabei bei etwa 17%. Durch Hydrierung des Saccharids in alkalischer Lösung werden dunkelfärbencle Zersctziingsprndiiktc gebildet, die die Kristallisierung des Mannils stören.

Beim Verfahren der DE-OS 16 92 72t wird ein geeigneter Zuckerersatz in Sirup- oder Pulverform vorgeschlagen, wobei Polysaccharide partiell mit Säure oder Ä-Amylase hydrolysiert und dann fermentativ vergärt werden mit dem Ziel, den Gehalt an reduzierenden Zuckern zu vermindern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von D-Mannit anzugeben, das mit hohen Ausbeuten in relativ kurzer Zeit, ausgehend von hohen D-Glucose-Konzentrationen und unter Einsatz einer kleinen Menge an Molybdänsäure-Verbindung, ausführbar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ist das durch den Patentanspruch gekennzeichnete Verfahren.

Die Isomerisierung von D-Glucose, insbesondere die Epimerisierung von D-Glucose, die bei pH 2,0 bis 4,5 und Temperaturen von 110 bis 160⁰C durchgeführt wird, ergibt D-Mannose in einem Verhältnis, bezogen auf eingesetzte D-Glucose, das mit bis zu 30 bis 36% merklich verbessert ist und das kritische Verhältnis von 75 :25. wie es nach herkömmlichen Verfahren erhalten wird, überschreitet Unter den im Anspruch angegebenen Bedingungen kann die Epimerisierung mit einer D-Glucoselösung hoher Konzentration und einer kleinen Menge an Molybdänsäureverbindungen durchgeführt werden. Außerdem ist die Reaktionszeit sehr kurz; sie beträgt weniger als 40 Minuten. Das epimerisierte Gemisch aus D-Glucose und D-Mannose wird erfindungsgemäß in Gegenwart von Glucose-isomerase bei 65 bis 75°C gehalten und dann das erhaltene Gemisch aus D-Glucose, D-Fructose und D-Mannose einer katalytischen Hydrierung unterworfen, wobei D-Mannit in hoher Ausbeute, bezogen auf eingesetzte D-Glucose, gebildet wird, was zu hohen Ausbeuten an kristallinem D-Mannit führt

Das Verfahren der Erfindung erreicht diese hohen Ausbeuten mit einer einfachen Verfahrensführung.

Fig. 1 erläutert die Beziehung zwischen der D-Mannosebildung, bezogen auf eingesetzte D-Glucose, und der Reaktionszeit wieder für eine Verfahrensgestaltung, bei der 0,2% Ammoniummolybdat — bezogen auf D-Glucose — zu einer wäßrigen 60%igen D-Glucoselösung gegeben und das erhaltene Gemisch auf 130° C erhitzt wird unter Variieren des pH von 1 bis 7;

Fi g. 2 zeigt die Beziehung zwischen der D-Mannosebildung und Reaktionszeit, wenn das Gemisch aus 60%iger wäßriger D-Glucoselösung und 0,2% Ammoniummolybdat (wie oben) mit verdünnter Schwefelsäure auf pH 3,0 eingestellt und auf eine Reaktionstemperatur erhitzt wird, die von 95 bis 160⁰C variiert.

Zur Epimerisierung wird das aus der wäßrigen D-Glucoselösung und Molybdänsäureverbindung gebildete Gemisch auf pH 2,0 bis 4,5, vorzugsweise 3,0 bis 4,0, eingestellt und auf eine Temperatur von 110 bis 160⁰C erhitzt, wodurch die Umsetzung innerhalb S'ihr kurzer Zeit, z. B. in etwa 40 Minuten, unter hohem Umsetzungsverhältnis von D-Mannose, bezogen auf das verwendete D-Glucosematerial, abläuft. Die Umsetzung wird wirksam weitergeführt, selbst wenn eine hochkonzentrierte Lösung von D-Glucose (40 bis 80%) und eine geringe Menge an Mp'ybdärtsäiireverbinrliing verwendet wird.

Die Epimerisierung hängt ab vom Zusammenwirken des pH mit der Temperatur des Reaktionssystems, so daß sich ein hohes Bildungsverhältnis der D-Mannose crpibt. I3ci Anstieg der Reaktionstemperatur <uif den Bereich von 110 his lf>G°^r.' nimmt das Biklungsverhaltnis von D-Mannose zu. und die Reaktionszeit sinkt hierzu proportional ab. In Fig,2 steigt beispielsweise das Bildungsverhältnis von D-Mannose auf etwa 32% in etwa 30 Minuten bei einer Reaktionstemperatur von 120°C; auf etwa 34% in etwa 7 Minuten bei 140°C und auf etwa 36% in etwa 4 Minuten bei 160⁰C. Wenn jedoch die Temperatur 16O⁰C übersteigt, wird das

Reaktionssystem durch Zersetzung der Zucker tief gefärbt

Die erforderliche Zeit für die Epimerisierung ist so

ίο bedeutend herabgesetzt, daß die Reaktion kontinuierlich durchgeführt werden kann. Zum Beispiel wird eine mit einer Molybdänsäureverbindung versetzte D-Glucoselösung kontinuierlich unter Druck von einer Seite in ein Reaktionsrohr von vorbestimmter Länge gepumpt und unter Druck erhitzt und die umgesetzte Lösung kontinuierlich aus der anderen Seite des Reaktionsrohres abgezogen.

Die pH-Werte der Epimerisierung beeinflussen ebenfalls die Bildung von D-Mannose, wie man aus F i g. 1 ersieht Wenn die pH-Werte über 4,5 hinausgehen, ergibt sich eine Erniedrigung ΛΓ D-Mannosebildung, während man bei einem pH unter 2,0 beobachtet daß die Lösung tief gefärbt wird durch Zersetzung von Zuckern. Um den pH-Wert des Reaktionssystems

>> einzustellen, wird entweder eine anorganische Säure,

• wie Cl-Jorwasserstoffsäure, Schwefelsäure oder Phosphorsäure, oder eine organische Säure, wie Oxalsäure, verwendet.

Nach dem in der CS-PS 149 051 beschriebenen

Mi Verfahren wurde das Reaktionssystern demgegenüber auf eine Temperatur unter 100⁰C 5 bis 10 Stunden, vermutlich bei pH 5 bis 7, erwärmt.

Die für die Epimerisierung verwendete Molybdänsäureverbindung ist zweckmäßigerweise Ammoniummo-

i) lybdat oder Natriummolybdat oder Kaliummolybdat oder Molybdäntrioxid oder Molybdänsäure. Bei Zunahme der zuzugebenden Menge an Molybdänsäureverbindung wird die Reaktionsgeschwindigkeit größer, während das D-Glucosematerial stärker durch Nebtmreaktionen zersetzt wird. Erfindungsgemäß wird die Molybdänsäureverbindung in einer Menge von 0,05 bis 0,20%, bezogen auf die Start-D-Glucose, eingesetzt, was etwa 1/20 bis '/s der verwendeten Molybdänsäuremenge beim herkömmlichen Verfahren entspricht. (Wenn ein

r> D-Glucosematerial verwendet wird, das «iel Verunreinigungen enthält, wird die Menge — in %o — der Molybdänsäureverbindung auf die getrocknete Gesamtmaterie des D-GIucoseinaterials bezogen.)

Eine Herabsetzung der verwendeten Katalysatoren menge ist auch insofern von Vorteil, als die Reinigungsbehandlung danach sehr einfach wird.

Geeignete D-Glucosematerialien für die Epimeriskrung sind zweckmäßigerweise kristalline D-GIucosr, S.arkehydrolysat und »Hydroi«, ein Konzentrat von

.ι Stärkehydrolysat, aus welchem kristalline D-Glucose abgetrennt worden ist. Für unreines D-Glucesematcrial, d. h. bei Verunreinigungen im »Hydroi«, wird die Verwendung eines Dextroseäquivalents (nachfolgend mit DE abgekürc t) über 80 bevorzugt.

w) Das epimerisierte Gemisch ist von gelber oder leicht brauner Farbe und enthält beispielsweise 10 bis 36% D-Mannose, bezogen auf die verwendete D-Glucose. Das epimerisierte Gemisch wird z. H. mit einer kleinen Menge Aktivkohle entfärb! und weiter durch loncn-

i·"» atistnuscherbehandlrng gereinigt, um eine farblose klare Lösung zu erhalten. Diese gereinigte Lösung /.eig! ein pH von 5,0 bis 7,0. Manchmal ist es zweckmäßig d;:s epimerisierte Gemisch dem folgenden Schritt (B) ohne

Reinigungsbehandlung, jedoch unter pH-tinstelliing zu unterwerfen.

Die enzymatische Isomerisierung wird beispielsweise so ausgeführt, daß das epimerisierte Gemisch auf pH 6,5 bis 8,5 eingestellt wird, einen Gehalt an Trockenmaterie von 50 bis 65% aufweist und mit einer vorbestimmten Menge an Glucose-isomerase versetzt und nachfolgend das erhaltene wäßrige Gemisch bei der Temperatur von 65 bis 75°C 48 bis 72 Stunden erwärmt wird, während man leicht rührt und ein pH von 6,5 bis 8,5 einhält. Das isomerisierte Gemisch wird filtriert, um das Enzym abzutrennen, mit Aktivkohle und weiter mit einem Ionenaustauscherharz behandelt, um eine farblose klare Lösung zu erhalten. Die gereinigte Lösung zeigt ein pH von 5,0 bis 7,0; ihre Trockenmaterie enthält, wenn kristalline D-Glucose im Schritt (A) eingesetzt wird, beispielsweise 39 bis 35% D-Glucose, 31 bis 29% D-Fructose und 30 bis 36% D-Mannose.

sierten Enzymsystom ausgeführt werden. Zum Beispiel wird Glucose-isomerase auf einem geeigneten Träger adsorbiert, mit dem dann eine Säule von vorbestimmter Länge gefüllt wird; dann läßt man das epimerisierte Gemisch kontinuierlich durch die Säule mit geeigneter Geschwindigkeit fließen, wobei die verbliebene D-Glucose in dem epimerisierten Gemisch enzymatisch isomerisiert wird.

Für die Glucose-isomerase stehen Enzympräparationen des Handels zur Verfügung, die aus den Kulturen von Mikroorganismen der Gattung Streptomyces, Pseudomonas und Aerobacter hergestellt worden sind. Bei Zunahme der Menge an Glucose-isomerase wird die Reaktionsgeschwindigkeit der Isomerisierung größer und das Bildungsverhältnis von D-Fructose verbessert. Für industrielle Anwendungen wird es jedoch bevorzugt, O^ bis 2,0%, bezogen auf die Trockenmaterie des D-Glucosematerials für die Epimerisierung, einer Enzympräparation mit einer Enzymaktivität von etwa lOOOGlU/g zu verwenden, wobei 1 GIU definitionsgemäß die Enzymaktivität angibt, die bei einer Temperatur von 70'C in 60 Minuten I mg D-Fructose produziert.

Nach Schritt (B) des Verfahrens wird das Gemisch oder dessen gereinigte Lösung der katalytischen Hydrierung unter hohem Druck unterworfen. Zum Beispiel wird die gereinigte Lösung auf einen Gehalt von 50 bis 70% Trockenmaterie eingestellt, mit einem Hydrierungskatalysator wie einem Nickelkatalysator (z. B. Raneynickel) oder einem Katalysator der Platingruppe (z. B. Platin, Ruthenium oder Palladium) versetzt und unter Rühren bei einer Temperatur von 110 bis 160° C I bis 24 Stunden unter einem Wasserstoffdruck von 100 bis 200 bar erhitzt. Die Zusammensetzung der Trockenmaterie des hydrierten Gemisches enthält, wenn kristalline D-Glucose als Material zur Epimerisierung verwendet worden ist, beispielsweise 70 bis ö4% D-Sorbit und 30 bis 36% D-Mannit ohne den Isomerisierungsschritt B und 54 bis 50% D-Sorbit und 46 bis 50% D-Mannit nach dem Verfahren der Erfindung mit Schritt (B). Nach Reinigung und Konzentrierung des hydrierten Gemisches wird erfindungsgemäß kristalliner D-Mannit in einer hohen Ausbeute von 40 bis 45% erhalten, bezogen auf die Ausgangs-D-Glucose.

Wenn das epimerisierte Gemisch nicht gereinigt worden ist, erhöht sich bei der katalytischen Hydrierung die Menge des Hydrierungskataiysators ein wenig, wodurch ein D-Mannit-Bildungsverhältnis erreicht wird, das fast demjenigen gleichkommt, das mit einem gereinigten epimerisierten Gemisch erhalten wird.

Das Hydrierungsgemisch wird z. B. filtriert, um der Katalysator zu entfernen, mit Aktivkohle entfärbt, mil lonenaustauscherharzen behandelt und im Vakuum ?x > einem Sirup konzentriert, wonach zwecks Kristallisierung des D-Mannits abgekühlt wird. Die Ausbeute ar kristallinem D-Mannit ist hoch und liegt beachtlich höher als die Ausbeute von ca. 17% beim herkömmli chen Verfahren, jedoch auch noch erheblich höhet

ίο gegenüber einem Verfahren, das ohne den Isomerisierungsschritt durchgeführt wird.

Wenn ein unreines D-Glucosematerial, wie Oligosac charide enthaltendes »Hydrol«, zur Epimerisierung verwendet wird, führt man die Hydrierung vorteilhaft

i> bei niedrigem pH, wie pH 2 bis 3, und einer hoher Temperatur von 160 bis 18O⁰C aus, wodurch eint Hydrierung und Hydrolyse der Oligosaccharide eintritt so daß die Viskosität des gebildeten hydrierter r.Bm»n|iaf ubsi"^* W* Zu «ϊΓίνΓ VSrb?55£f ϋΓί" Αί*\

>n Ausbeute an kristallinem D-Mannit führt.

Es wurde außerdem gefunden, daß die enzymatischc Isomerisierung, wenn die Menge der Molybdänsäure verbindung in dem epimerisierten Gemisch unter 0,4°Λ liegt, bezogen auf die Trockenmaterie des Gemisches normalerweise bis zu maximal 46% abläuft, bezogen aiii die im epimerisierten, in D-Fructose zu überführender Gemisch verbliebene D-Glucose, ohne daß die Umset zung i*i;rch die D-Mannose beeinflußt wird. Wenr dagegen die Menge der Molybdänsäureverbindung übei

jo 0,4% hinausgeht, tritt eine Herabsetzung des D-Fructo sebildungsverhältnisses und eine Verlängerung dei Dauer der Isomerisierung ein. Daher kann dit enzymatische Isomerisierung erfindungsgemäß aucf wirksam ausgeführt werden, wenn man das epimerisier

jj te Gemisch ohne Reinigungsbehandlung, jedoch untei Einstellung des pH einsetzt, solange die Menge ar Molybdänsäureverbindung in dem epimerisierten Ge misch unter 0,4% liegt.

Die entsprechenden Zusammensetzungen des epime risierten Gemisches, des enzymatisch isomerisierter Gemisches und des hydrierten Gemisches werdet quantitativ mittels Gas-Flüssig-Chromatographie be stimmt. D-Sorbit und D-Mannit werden in den hydrierten Gemisch bestimmt, nachdem sie in ihn

4) Hexaacetylester umgewandelt worden sind jedoch sine D-Glucose und D-Mannose in dem epimerisiertei Gemisch wie auch D-Glucose, D-Mannose und D-Fruc tose in dem isomerisierten Gemisch schwierig getrenn zu bestimmen, da die Kurvengipfel sowohl diese Zucker als auch ihrer Derivate im Gaschromatogramn sich gegenseitig stören. Daher werden die Zusar men Setzungen solcher Zuckergemische durch Rückschluf aus den entsprechenden Mengen an D-Sorbit um D-Mannit ermittelt, die durch Gaschromatographii bestimmt worden sind, nachdem diese Zuckergemischi hydriert worden sind, unter Anwendung der entspre chenden theoretischen Bildungsverhältnisse von D-Sor bit und/oder D-Mannit aus D-Glucose, D-Mannose ode D-Fructose.

K) Die Trockenmaterie der stärkere Venmreinigungei enthaltenden D-GIucosematerialien, wie »Hydrol· enthaltende Materialien, bezieht sich auf eine in Vakuum bei einer Temperatur von 95 bis 100° C Ii Stunden getrocknete Materie.

Ein Fließschema der Reaktionsschritte des Verfah reis der vorliegenden Erfindung unter Verwendung voi kristalliner D-Glucose als Material ist nachfolgen! wiedergegeben:

D-Olucose 100 Teile Epimerisierung D-Glucose 65 Teile D-Mannose 35 Teile

I Hydrierung	I Enzymatisch^ Isomerisierung \|	■	D-Fructose 30 Teile	D-Mannose 35 Teile
		D-Glucose 35 Teil«

Hydrierung D-Sorbit 35 Teile

>L

D-Sorbit 15 Teile D-Mannit 35 Teile D-Mannit 15 Teile

D-Sorbit	50	Teile	Kristallisation	45	Teile
D-Mannit	50	Teile
			D-Mannit

D-Sorbit 65 Teile D-Mannit 35 Teile Kristallisation D-Mannit 30 Teile Beispiel t

3,3 kg kristalline D-Glucose (mit 9% Kristallwassergehalt, im folgenden immer gleich), ein Handelsprodukt des Marktes, wird in 1,7 kg entionisiertem Wasser gelöst. Die erhaltene Lösung wird mit 6,0 g Ammoniummolybdat (NH₄^ · MO7O24 · 4 H₂O versetzt (entsprechend 0,20%, bezogen auf die D-Glucose), mit verdünnter Schwefelsäure auf pH 2,5 eingestellt und in einem Autoklav von 10 Liter Fassungsvermögen unter Rühren bei einer Temperatur von 115° C 40 Minuten erhitzt, um die Epimerisierung der D-Glucose auszuführen. Das erhaltene epimerisierte Gemisch zeigt ein pH von 22 und ist leicht gelb gefärbt Nach Abkühlen wird dieses Gemisch mit einer kleinen Menge Aktivkohle entfärbt und wiederum durch zwei Säulen geschickt, weiche entsprechend mit 200 ml Kationenaustauscherharz (H⁺) und mit 400 ml Anionenaustauscherharz (OH-) gefüllt war. Das aus der zweiten Säule ausfließende Material (oder die gereinigte Lösung) zeigte ein pH von 6,2 und wurde auf 60% Trockenmaterie eingestellt.

600 g der gereinigten und eingestellten Lösung wurden abgenommen, mit 15 g 5%-Ru-Kohle versetzt und in einem Autoklav von 1 Liter Fassungsvermögen unter Rühren bei einer Temperatur von 130⁰C 120 Minuten unter einem Wasserstoffdruck von 150 bar erhitzt, um die Hydrierungsreaktion der Zucker auszuführen.

Das erhaltene Hydrierungsgemisch wird filtriert, um den Katalysator zu entfernen, mit Aktivkohle entfärbt und weiter durch Hindurchschicken durch zwei mit 50 ml Kationenaustauscherharz (H⁺) und mit 100 ml Anionenaustauscherharz (OH-) entsprechend gefüllte Säulen geschickt. Die Zusammensetzung der gereinigten Lösung wurde quantitativ durch Gaschromatographie bestimmt Die Prozedur wurde wie folgt ausgeführt:

50

55

60

65

(a) Herstellung der Probe: Eine vorbestimmte Menge der gereinigten Lösung wird verdampft und im Vakuum zwecks Entfernung ihrer Feuchtigkeit vollständig getrocknet, danach werden Acetanhydrid and Pyridin zugesetzt, und nachfolgend wird das erhaltene Gemisch unter Rückfluß eine Stunde erhitzt, um die Zuckeralkohole in deren Hexaacetatester zu überführen. Zu diesen Hexaacetatestern wird eine vorbestimmte Menge Di-2-äthylhexyIadipat als innerer Standard gegeben, mn hierdurch eine in den Gaschromatographen zu injizierende Probe herzustellen.

(b) Verfahrensbedingungen: Säule, bestehend aus nichtrostendem Stahlrohr von 3 m χ 3 nun 0, das mit 1,5% QF-I auf Chromosorb W von 0,177—0,25 mm bepackt ist; Säulentemperatur 200⁰C; Detektortemperatur 250⁰C; Trägergas-

strom 70 ml/Min.; FVStrom 50 ml/Min.; Luftstrom 1,0 l/Min.

(c) Aufstellung der Standardkurve: Proben von genau abgewogenem reinem D-Sorbit und D-Mannit werden entsprechend acetyliert und in der gleichen Weise wie oben erwähnt durch Gaschromatographie analysiert, hierdurch werden Standardkurven erhalten, .'ie die Beziehung zwischen den Kurvengipfelfläclien auf den entsprechenden Gaschromatogrammen und den entsprechenden Gewichten der verwendeten Zuckeralkohole zeigen.

(d) Bestimmung der Zuckeralkohole: Die unter (a) hergestellte Probe wird der Gaschromatographie mit den unter (b) genannten Parametern unterzogen, die entsprechenden Kurvengipfelflächen auf dem Gaschromatogramm 'werden gemessen, danach diese Flächenwerte mit denen auf den unter (c) erhaltenen Standardkurven verglichen; hierdurch werden die Mengen an D-Sorbit und D-Mannit in der Probe bestimmt.

Das Bildungsverhältnis von D-Mannit in dem hydrierten Gemisch ist 31,2%, bezogen auf die Ausgangs-D-Glucose, und das des D-Sorbits 68,8%.

Die gereinigte Lösung des hydrierten Gemisches wird im Vakuum zu einem Sirup konzentriert, der dann gekühlt wird, um D-Mannit zu kristallisieren; der Schmelzpunkt der Kristalle beträgt 166,2°C. Ausbeute 88,6 g, entsprechend 24,6%, bezogen auf die Ausgangs-D-Glucose.

Beispiel 2

Eine wäßrige Lösung von kristalliner Glucose wird in gleicher Weise wie in Beispiel 1 hergestellt. Zu dieser Lösung werden 4,5 g (0,15%, bezogen auf die D-Glucose) Ammoniummolybdat gegeben; dann wird die erhaltene Lösung auf pH 3,5 mit verdünnter Schwefelsäure eingestellt, nachfolgend in einem Autoklav von 101 Fassungsvermögen unter Rühren bei einer Temperatur von 120⁰C 30 Minuten erhitzt. Das erhaltene epimerisierte Gemisch zeigt ein pH von 3,2 und ist leicht gelb gefärbt.

500 g des epimerisierten Gemisches werden abgenommen und der Reinigungsbehandlung in ähnlicher Weise wie in Beispiel 1 unterzogen. Die erhaltene gereinigte Lösung wird der katalytischen Hydrierung, wie in diesem Beispiel nachfolgend beschrieben, unterworfen, der gebildete D-Mannit wird in gleicher Weise wie in Beispiel 1 quantitativ bestimmt. Es zeigt sich, daß das Bildungsverhältnis von D-Mannit in dem hydrierten Gemisch 31$% ist, bezogen auf die Ausgangs-D-Glucose, wobei dieser Wert andererseits als Anzeige für das Bildungsverhältnis der D-Mannose in dem epimerisierten Gemisch betrachtet werden kann.

Der Rest des epimerisierten Gemisches wird auf pH 7,0 mit einer verdünnten Natriumhydroxidlösung eingestellt, hierzu werden 30 g einer Glucose-isomerase-Enzympräparation mit einer Enzymaktivität von lOOOGIU/g gegeben und unter leichtem Rühren erwärmt und bei pH 63 bis 7,0 während der Umsetzung bei einer Temperatur von 70° C 50 Stunden gehalten, um die enzymatische Isomerisierung der in dem epimerisierten Gemisch verbliebenen D-Glucose zu erreichen.

Das erhaltene isomerisierte Gemisch wird zwecks Abtrennung des Enzyms filtriert, mit Aktivkohle entfärbt und durch zwei Säulen geschickt, die entsprechend mit 200 ml Kationenaustauscherhan; (H⁺) und mit 400 ml Anionenaustauscherharz (OH-) gefüllt sind.

Die erhaltene gereinigte Lösung zeigt ein pH von 6,2 und wird auf 60°/.' Trockenmaterie eingestellt.

550 g dieser gereinigten und eingestellten Lösung

werden abgenommen, mit 20 g Raneynickel versetzt;

> das erhaltene Gemisch wird in einem Autoklav von 1 Liter Fassungsvermögen erhitzt, während gerührt wird, und zwar bei einer Temperatur von 120°C für 120 Minuten unter einem Wasserstoffdruck von 150 biar.

Das erhaltene Hydrierungsgemisch wird in gleicher

in Weise wie im Beispiel I filtriert und gereinigt, gefolgt von der quantitativen Bestimmung der Zuckeralkohole durch Gaschromatographie; es ergab sich ein Bildungsverhältnis von D-Mannit, bezogen auf die Ausgangs-D-Glucose, von 46,4%, während das des D-Sorbits 53,6% betrug. Die gereinigte Lösung wird im Vakuum konzentriert, um D-Mannit zu kristallisieren, eier Schmelzpunkt der Kristalle ist 166,0°C. Ausbeute 133,0 g, entsprechend 403%, bezogen auf die Ausgangs-D-Glucose.

»o Andererseits wird das Bildungsverhältnis der D-Fructose in dem enzymatisch isomerisierten Gemisch durch Rückschluß zu 29,2% berechnet, und zwar aus den Werten von 46,4% des D-Mannit-Bildungsverhältnisses in dem hydrierten Gemisch und 31,8% des D-Mannose-Bildungsverhältnisses in dem epimerisierten Gemisch.

Beispiel 3

3,8 kg kristalline D-Giucose (Handelsprodukl) werden in \2 kg entionisiertem Wasser gelöst. Die

ίο erhaltene Lösung wird mit 3,5 g (0,10%, bezogen auf die D-Glucose) Natriummolybdat Na₂MoO? · 2 H₂O versetzt, das pH wird mit verdünnter Schwefelsäure auf 3,5 eingestellt, dann wird in einem Autoklav von tu Liter Fassungsvermögen unter Rühren bei einer Temperatur

r> von 130° C 15 Minuten erhitzt. Das epimeirisierte Gemisch zeigt ein pH von 3,2 und ist leicht gelb gefärbt.

Dieses Gemisch wird auf pH 7,0 eingestellt, mit 35 g

Glucose-isomerase vei setzt und unter Rühren leicht erwärmt und bei pH 6,5 bis 7,0 während der Umsetzung

■to bei einer Temperatur von 65°C 64 Stunden gehalten. Das erhaltene isomerisierte Gemisch wird der Reinigungsbehandlung in analoger Weise wie das isomerisierte Gemisch in Beispiel 2 unterzogen. Die gereinigte Lösung zeigt ein pH von 6,2 und wird auf 60% Trockenmaterie eingestellt.

600 g der gereinigten und eingestellten Lösung werden abgenommen, mit 20 g Raneynickel versetzt und unter Rühren in einem Autoklav von 1 Liter Fassungsvermögen bei einer Temperatur von 130° C 120 Minuten unter einem Wasserstoffdruck von 150 bar erhitzt Das hydrierte Gemisch wird dann in gleicher Weise wie in Beispiel 1 filtriert und gereinigt, dann folgt die quantitative Bestimmung der Zuckeralkohole, wobei sich ergibt, daß das D-Mannit-Bildungsverhältnis, bezogen auf die Ausgangs-D-Glucose, bei 47,5% liegt Die gereinigte Lösung wird im Vakuum konzentriert, um D-Mannit zu kristallisieren, wobei der Schmelzpunkt der Kristalle 165,8° C ist Ausbeute 147,6 g, entsprechend 41,0%, bezogen auf die Ausgangs-D-GIucose.

Beispiel 4

Eine wäßrige Lösung kristalliner D-Glucose, die wie in Beispiel 1 hergestellt worden ist, wird mit 3,0 g (0,10%, bezogen auf D-G!ucose) Ammoniummolybdat versetzt und auf pH 3,2 mit verdünnter Schwefelsäure eingestellt Die erhaltene Lösung wird kontinuierlich mit einer Pumpe in einer Menge von 20 ml/Min, in ein Reaktionsrohr aus nichtrostendem Stahl von 0,8 cm

Innendurchmesser und 3 m Länge gepumpt (d. h. etwa 15OmI Fassungsvermögen), das mit einem Manometer sowie einem Auslaßventil versehen ist; es wird erhitzt, während die Lösung durch das Rohr fließt, und zwar auf eine Temperatur von 140⁰C unter einem Druck von 3,0 bar, um die kontinuierliche Epimerisierung der D-Glucose durchzuführen. Die Verweilzeit der Materiallösung in dem Rohr beträgt etwa 7,5 Minuten. Die umgesetzte Lösung (oder epimerisierte Mischung) wird kontinuierlich aus dem Auslaßventil entnommen; sie zeigt ein pH von 2,9 und ist leicht gefärbt. Das epimerisierte Gemisch wird auf pH 6,0 mit verdünnter Natriumhydroxidlösung eingestellt und erhält einen Gehalt an Trockenmaterie von 60%.

550 g des eirgestellten Gemisches werden abgenommen und der katalytischen Hydrierung in analoger Weise wie das gereinigte isomerisierte Gemisch in Beispie! 3 unterzogen. Das erhaltene hydrierte Gemisch wird gereinigt und nachfolgend quantitativ auf D-Mannit analysiert. Das Bildungsverhältnis von U-Mannit beträgt 33,'»%, bezogen auf die Ausgangs-D-Glucose. Die gereinigte Lösung wird im Vakuum konzentriert, um D-Mannit zu kristallisieren; der Schmelzpunkt der Kristalle ist I65,8°C, Ausbeute 87,5 g, was 26.5%, bezogen auf die Ausgangs-D-Glucose, entspricht.

Beispiel 5

Eine wäßrige D-Glucoselösung, die in gleicher Weise wie in Beispiel 1 hergestellt wc.den ist, wird mit 1,5 g (ΰ,05%, bezogen auf D-Glucose) Ammoniummolybdat versetzt; das pH wird mit verdünnter Schwefelsäure auf 3,5 eingestellt. Die erhaltene Lösung wird einer kontinuierlichen Epimerisierung der D-Glucose unterworfen, wobei die gleiche Apparatur wie in Beispiel 4 angewendet wird, während als Reaktionsbedingungen eine Temperatur von 160°C, eine Lösungspumpgeschwindigkeit von 35 ml/Min., Verweilzeit der Lösung von etwa 4,3 Minuten und ein Druck im Reaktionsrohr von 6,2 bar angewendet wird. Das aus dem Reaktionsrohr kontinuierlich entnommene epimerisierte Gemisch zeigt ein pH von 3,1 und ist leicht braun gefärbt. Dieses Gemisch wird auf pH 6,0 und 60% Trockenmaterie eingestellt.

550 g dieses eingestellten Gemisches werden abgenommen und der katalytischen Hydrierung in gleicher Weise wie das gereinigte isomerisierte Gemisch in Beispiel 3, jedoch unter Verwendung von 30 g Raneynickel unterzogen. Das hydrierte Gemisch wird gereinigt, danach wird sein D-Mannit-Bildungsverhält-.iis bestimmt, das 35,4%, bezogen auf die Ausgangs-D-Glucose, beträgt Die gereinigte Lösung wird im Vakuum konzentriert, um D-Mannit zu kristallisieren, der Schmelzpunkt der Kristalle ist 165,6°C, Ausbeute 93,1 g, entsprechend 28,2%, bezogen auf die D-Glucose.

Beispie! 6

4,12 kg kristalline D-Glucose (Handelsprodukt) werden in 0,88 kg entionisiertem Wasser gelöst Die Lösung wird mit 3,8 g (0,10%, bezogen auf die D-Glucose) Ammoniummolybdat versetzt und mit verdünnter Schwefelsäure auf pH 3,2 eingestellt Die erhaltene Lösung wird der kontinuierlichen Epimerisierung mit der gleichen Apparatur und in gleicher Weise wie in Beispiel 4 unterworfen. Das entnommene epimerisierte Gemisch zeigt ein pH von 23 und ist leicht braun gefärbt Dieses Gemisch wird auf ein pH von 6,2 und einen Trockenmateriegehalt von 60% eingestellt

550 g des eingestellten Gemisches werden entnom men und der katalytischen Hydrierung in analoger Weise wie das gereinigte isomerisierte Gemisch in Beispiel 3, jedoch unter Anwendung einer Reaktionszeit

ί von 150 Minuten unterworfen. Das erhaltene hydrierte Gemisch wird gereinigt, nachfolgend wird r'as D-Mann^:i-Bildungsverhältnis bestimmt, welrhes J3,0%, bezogen auf die Ausgangs-D-Glucose, beträgt. Diese gereinigte Lösung wird im Vakuum konzentriert, um

in D-Mannit zu kristallisieren, der Schmelzpunkt der Kristalle beträgt 165,7⁰C, die Ausbeute 85.2 g, w;-.s 25,8% entspricht, bezogen auf die Ausgangs-D-Glucose.

Beispiel 7

i> 5,0 kg Stärkehydrolysat (DE 97; 40% Wassergehalt) werden mit 6,0 g (0,20%, bezogen auf die Trockenmaterie des Stärkehydrolysate) Natriummolybdat versetzt, das pH wird auf 3,2 eingestellt; unter Rühren wird in einem Autoklav von 10 Liter Fassungsvermögen bei einer Temperatur von i2(rC 35 fviinuien eriiiUi. Das epimerisierte Gemisch zeigt ein pH von 2,9 und ist leicht braun gefärbt.

500 g des Gemisches werden entnommen und der Bestimmung des D-Mannose-Bildungsverhältnisses urterworfen, wobei in entsprechender Weise die Bestimmungsmethode für das D-Mannose-Bildungsverhältnis in dem epimerisierten Gemisch in Beispiel 2 angewendet wird; das Verhältnis ergibt sich zu 29,8%, bezogen auf die Trockenmaterie des verwendeten Stärkehydrolysate.

Der Rest des epimerisierten Gemisches wird auf pH 6,6 eingestellt, mtt 50 g Glucose-isomerase versetzt und auf eine Temperatur von 70°C 48 Stunden erhitzt, während leicht gerührt und bei pH 6,5 bis 7,0 während der Umsetzung gehalten wird. Das erhaltene isomerisierte Gemisch wird einer Reinigungsbehandlung ähnlich wie das isomerisierte Gemisch in Beispiel 2 unterworfen. Die gereinigte Lösung zeigt ein pH von 6,2 und wird auf einen 1 rockenmateriegehalt von 60% eingestellt.

600 g der gereinigten und eingestellten Lösung werden einer katalytischen Hydrierung in analoger Weise wie das gereinigte isomerisierte Gemisch in Beispiel 3 unterzogen. Nach Reinigung /■ <gt das hydrierte Gemisch ein D-Mannit-Bildungsverhältnis von 42,7%, bezogen auf die Trockenmaterie des verwendeten Stärkehydrolysate, an. Diese gereinigte Lösung wird im Vakuum konzentriert, um D-Mannit zu kristallisieren, der Schmelzpunkt der Kristalle ist 166,2°C, die Ausbeute '.24,Og, was 34,4% entspricht, bezogen auf die Trockenmaterie des Ausgangsmaterials.

Das D-Fructose-Bildungsverhältnis wird in dem enzymatisch isomerisierten Gemisch durch Rückrechnung als 25,8%, bezogen auf die Trockenmaterie des Ausgangsmaterials, aus den Werten yon 42,7% D-Mannit-Bildungsverhältnis in dem hydrierten Gemisch und 29,8% D-Mannose-Bildungsverhältnis in dem epimerisierten Gemisch berechnet.

Beispiel 8

5,0 kg Stärkehydrolysat der gleichen Zusammensetzung wie in Beispiel 7 werden mit 6,0 g (0,20%, bezogen auf die Trockenmaterie des Stärkehydrolysate) Ammoniummolybdat versetzt auf pH 3,0 eingestellt und unter Rühren in einem Autoklav von 10 Liter Fassungsvermögen bei einer Temperatur von 140⁰C10 Minuten erhitzt Das epimerisierte Gemisch zeigt ein pH von 2,7 und ist

leicht braun gefärbt Das Gemisch wird der Reinigungsbehandlung in analoger Weise wie das epimerisierte Gemisch in Beispiel 1 unterworfen. Die gereinigte Lösung zeigt ein pH von 6,2 und wird auf 60% Trockenmaterie eingestellt

600 g der gereinigten und eingestellten Lösung werden in analoger Weise wie das isomerisierte gereinigte Gemisch in Beispiel 3, jedoch unter Verwendung von 20 g eines 2^%-Ru-2£%-Rh-Kohle-Hydrierungskatalysators katalytisch hydriert Die Trokkenmateriezusammensetzung des erhaltenen hydrierten Gemisches zeigt 31,6% Mannit, 673% Sorbit und 0,5% Verunreinigungen. Die gereinigte Lösung des Gemisches wird im Vakuum konzentriert, um D-Mannit zu kristallisieren. Der Schmelzpunkt der Kristalle ist 166,1° C die Ausbeute 86,2 g, was 233% entspricht, bezogen auf die Trockenmaterie des Ausgangsmaterials.

Beispie! 9

5,0 kg »Hydrol« (DE 91, 40<¥) Wassergehalt) werden mit 6,0 g (0,20%, bezogen auf die Trockenmaterie des »Hydrols«) Ammoniummolybdat versetzt, das pH auf 3,0 eingestellt und unter Rühren in einem Autoklav von 10 Liter Fassungsvermögen bei einer Temperatur von 140⁰C 10 Minuten erhitzt Das epimerisierte Gemisch zeigt ein pH von 2,7 und ist leicht braun gefärbt

500 g des Gemisches werden abgenommen und der Bestimmung des D-Mannose-Bildungsverhältnisses unter entsprechender Anwendung der Bestimmungsmethode für das D-Mannose-Bildungsverhältnis im epimerisierten Gemisch in Beispiel 2 unterzogen, wonach dieses Verhältnis 27,2%, bezogen auf die Trockenmaterie des verwendeten »Hydrols«, beträgt

Der Rest des epimerisierten Gemisches wird auf pH 6,8 eingestellt, mit 50 g Glucose-isomerase versetzt und 48 Stunden auf eine Temperatur von 65° C unter leichtem Rühren und Halten des pH bei 6,5 bis 7,0 während der Umsetzung erhitzt. Das isomerisierte Gemisch wird einer Reinigungsbehandlung in analoger Weise wie das isomerisierte Gemisch in Beispiel 2 unterzogen. Die gereinigte Lösung zeigt ein pH von 6,2 und wird auf einen Trockenmateriegehalt von 60% eingestellt

600 g der gereinigten und eingestellten Lösung werden abgenommen, mit 30 g Raneynickel versetzt, mit verdünnter Schwefelsäure auf pH 3,0 eingestellt und unter Rühren in einem Autoklav von 1 "Lrter Fassungsvermögen bei einer Temperatur von 175°C 120 Minuten unter einem Wasserstoffdruck von 150 bar erhitzt Das hydrierte Gemisch wird gereinigt nachfolgend auf D-Mannit-BüdungsverhäJtnis analysiert das sich zu 39,1% ergibt Die gereinigte Lösung wird im

ίο Vakuum konzentriert, um D-Mannit zu kristallisieren.

Der Schmelzpunkt der Kristalle ist 165,5° C, die Ausbeute 108,6 g, was 30,2% entspricht bezogen auf die Trockenmaterie des Ausgangsmaterials. Des weiteren wird aus den Werten von 39,1%

D-Mannit-Bildungsverhältnis in dem hydrierten Gemisch und 27,2% D-Mannose-BOdungsverhältnis in dem epimerisierten Gemisch das D-Fructose-Bildungsverhältnis in dem isomerisierten Gemisch durch Rückrechnen zu 233%, bezogen auf die Trockenmaterie des verwendeten »Hydrols«, ermittelt

Beispiel 10

5,0 kg »Hydrol« der gleichen Zusammensetzimg wie in Beispiel 9 werden mit 6,0 g (0,20%, bezogen auf die Trockenmaterie des »Hydrols«) Molybdäntrioxid MoO₃ versetzt, auf pH 2J5 eingestellt mit verdünnter Salzsäure und unter Rühren in einem Autoklav von 10 Liter Fassungsvermögen bei einer Temperatur von 130° C 20 Minuten erhitzt Das epimerisierte Gemisch zeigt ein pH von 2,1 und ist leicht braun gefärbt Das Gemisch wird auf 60% Trockenmaterie eingestellt während das pH nicht eingestellt wird.

600 g des eingestellten Gemisches werden abgenommen, mit 100 g eines Nickelkatalysators versetzt und unter Rühren in einem Autoklav von 1 Liter Fassungsvermögen bei einer Temperatur von 180° C120 Minuten unter einem Wasserstoff druck von 150 bar erhitzt Zusammensetzung der Trockenmaterie des hydrierten Gemisches: 26,7% Mannit, 713% Sorbit und 2,0% Verunreinigungen. Die gereinigte Lösung des hydrierten Gemisches wird im Vakuum konzentriert, um D-Mannit zu kristallisieren. Der Schmelzpunkt der Kristalle ist 165,7° C, die Ausbeute 653 g, entsprechend 18,1%, bezogen auf die Trockenmaterie des verwende ten »Hydrols«.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Herstellung von D-Mannit durch Hydrierung eines Zuckergemisches, dadurch gekennzeichnet, daß man

(A) eine wäßrige Glucoselösung mit einer Konzentration an Trockenmaterie von 40 bis 80% bei einer Temperatur von 110 bis 160° C und einem pH von 2,0 bis 4,5 in Gegenwart von 0,05 bis 0,20% einer Molybdänsäureverbindung, bezogen auf die Trockenmaterie der wäßrigen D-Glucoselösung, epimerisiert, wobei man die

ι ο

Reaktionsdauer des Schrittes (A) auf weniger als 40 Minuten hält,

(B) das nach (A) erhaltene Gemisch aus D-Glucose und D-Mannose in Gegenwart von Glucose-isomarase bei einer Temperatur von 55 bis 75° C hält.

(C) das nach (B) erhaltene Gemisch aus D-Glucose, D-Fructose und D-Mannose unter hohem Wasserstoffdruck katalytisch hydriert und

(D) aus der nach (C) erhaltenen Lösung den D-Mannit durch Kristallisierung gewinnt