DE2726535A1 - Verfahren zur abtrennung von zuckern aus ionenhaltigen mischungen - Google Patents

Description

T D^ l£ Γ* Patentanwälte:

TlEDTKE - ÜÜHLING - KlNNE - LlRl-°E Dipt-Ing Tiedtke

Dipl.-Chem. Bühling Dipl.-lng. Kinne 27 26 5 35 Dipl.-lng. Grupe

Bavariarlng 4, Postfach 20 24 03

8000 München 2

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Telex: 5 24 845 tipat

cable. Germaniapatent München

13.Juni 1977

B 8226/case B 28851

IMPERIAL CHEMICAL INDUSTRIES LIMITED
London, Großbritannien

Verfahren zur Abtrennung von Zuckern aus
ionenhaltigen Mischungen

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

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-H-

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Abtrennung eines Zuckers oder einer Zuckermischung, insbesondere einer Aldose wie Glucose oder einer Ketose wie Fructose oder einer Mischung derselben von einer ionenhaltigen Mischung, die den Zucker oder die Zuckermischung und Oxyanionen (wie im Nachfolgenden definiert) aufweist.

Es sind einige, Kohlehydrate betreffende, enzymkatalysierte Reaktionen bekannt, bei denen die Gleichgewichtslage und damit die relativen Anteile Substrat und Produkt in der Gleichgewichtsmischung in Anwesenheit von Oxyanionen verändert werden. Diese Veränderung der Gleichgewichtslage steht primär mit der selektiven Bildung eines anionischen Komplexes entweder mit dem Substrat oder dem Produkt in Beziehung. Die Bildung eines solchen Komplexes kann bisweilen durch Auswahl eines geeigneten Oxyanions und eine mit dem optimalen pH-Wert für das Enzym verträgliche pH-Veränderung recht

20 spezifisch gemacht werden. Ein Beispiel für diese Wirkung ist die Anwendung von Germanationen bei der durch Glucoseisomerase katalysierten Umwandlung von Glucose in Fructose, die in der GB-Patentanmeldung 25757/75 der Anmelderin beschrieben wird. Ein weiteres Beispiel

ist die Anwendung von Borationen bei der gleichen Umwandlung, wie sie in der US-PS 3 689 362 angegeben ist. Die Bildung von Fructose unter Verwendung von Glucoseisomerase ist von großer industrieller Bedeutung, jedoch war die Prozeßentwicklung auf die Reaktion in Ab-Wesenheit von Oxyanionen beschränkt, da eine wirksame und wirtschaftliche Methode zur Abtrennung und Rückführung des Oxyanions (allein, oder komplexgebunden oder vermischt mit einer der Kohlehydratkomponenten der Reaktionsmischung) bislang nicht existierte. Ähnliche Probleme treten auf, wenn die Umwandlung von Glucose in Fructose bei einem alkalischen pH-Wert in Gegenwart

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eines Oxyanions wie eines solchen von Benzolboronat durchgeführt wird, wie es in der GB-PS 1 369 175 beschrieben wird. Potentiell wichtige Prozeße unter Verwendung von Molybdänsäure zur Umwandlung zwischen D-5 Glucose und D-Mannose oder D-Galactose und D-Talose haben aus dem gleichen Grunde keine industrielle Bedeutung außer für die Bereitstellung von Chemikalien für Forschungszwecke.

10 Gemäß der Erfindung wird nun ein Verfahren zur

Abtrennung eines Zuckers oder einer Zuckermischung aus einer ionenhaltigen Mischung vorgesehen, die den Zucker oder die Zuckermischung und Oxyanionen aufweist, das gekennzeichnet ist durch einen Verfahrensschritt, bei dem die ionenhaltige Mischung in einem System behandelt wird, das ein Ionenaustauscherharz gemäß (A) oder (B) oder eine Kombination von Ionenaustauscherharzen gemäß (C) umfaßt, wobei (A) ein Kationenaustauscherharz mit zweiwertigen kationischen Gegenionen im Geraisch mit

20 Wasserstoffionen und (B) ein Kationenaustauscherharz

mit einwertigen kationischen Gegenionen, von denen Wasserstoff ionen (soweit vorhanden) einen geringeren Anteil bilden, darstellt und gemäß (C) zuerst mit einem Kationenaustauscherharz behandelt wird, dessen Gegenionen insgesamt oder zum Hauptteil aus Wasserstoffionen bestehen und zweitens mit einem Anionenaustauscherharz mit einwertigen oder zweiwertigen anionischen Gegenionen.

Bei dem Verfahren werden ein Zucker-Anionenkomplex durch Ausschluß von der Harzmatrix, ein Zucker durch Wechselwirkung mit einer Harzkomponente oder Oxyanionen durch Wechselwirkung mit dem Harz entfernt bzw. abgetrennt .

35 Ferner wird gemäß der Erfindung eine Abtrennung

eines Zuckers oder einer Zuokermischung von einer ionen-

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haltigen Mischung vorgesehen, die mit einem Kationenaustauscherharz behandelt wird, das mit zweiwertigen Kationen im Gemisch mit Wasserstoffionen oder mit einwertigen Kationen beladen ist; bei dieser Trennung wird ein Zucker-5 Oxyanionenkomplex durch Ausschluß von der Harzmatrix oder ein Zucker durch Wechselwirkung mit einer Harzkomponente entfernt.

Bei der Verfahrensvariante, bei der die zu trennende Mischung zuerst mit einem mit Wasserstoffionen beladenen Kationenaustauscherharz behandelt wird, schließt sich zweitens eine Behandlung mit einem Anionenaustauscherharz an, das insbesondere mit Carbonsäureanionen beladen ist; hier werden die Oxyanionen durch Wechselwirkung mit dem Anionenaustauscherharz entfernt bzw. abgetrennt.

In der vorliegenden Beschreibung soll die Bezeichnung "Oxyanionen" Oxyanionen, gemischte komplexe Oxyanionen oder Oxyanionen bedeuten, die Zucker enthalten, wobei die besagten Oxyanionen Bor oder ein Element aus einer der Gruppen IV, V oder VI des Periodensystems mit einer Ordnungszahl von zumindest 14 enthalten.

Der Zucker ist geeigneterweise eine Aldose, eine Ketose, ein neutrales Derivat einer Aldose oder einer Ketose oder irgendeine Mischung derselben. Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders zweckmäßig in Verbindung mit Verfahren zur Umwandlung von Aldosen in Ketosen in Gegenwart von Oxyanionen. Solche Umwandlungen können durch chemische oder enzymatische Methoden bewirkt werden. Zu Beispielen für solche Umwandlungen gehören die Umwandlung von Xylose in Xylulose und insbesondere die Umwandlung von Glucose in Fructose. Bei der Anwendung in Verbindung mit solchen Umwandlungen liefert das erfindungsgemäße Verfahren eine zufriedenstellende Ab-

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trennung der Zucker von den Oxyanionen und Zucker-Oxyanionenkomplexen.

Zu Oxyanionen, die nach dem erfindungsgemäßen Ver-5 fahren brauchbar von Zuckern abgetrennt werden können, gehören Oxyanionen, die Zinn, Bor, Molybdän, Wolfram und insbesondere Germanium enthalten.

Das Ionenaustauscherharz kann ein mit geeigneten 10 Gegenionen beladenes Anionen- oder Kationenaustauscherharz sein.

Angewandt werden können irgendwelche geeigneten Kationenaustauscherharze wie z.B. kern-carboxylierte

15 oder kern-sulfurierte vernetzte Polystyrol-Kationenaustauscherharze, wobei die kern-sulfurierten Harze besonders geeignet sind. Beispiele für solche geeigneten Harze sind Dowex 50 WXA der Dow Chemical Company, USA, Zerolite 225 der Permutit Company, London und die ent-

sprechende "Lewatit"-Sorte der Bayer AG (BRD) in der geeigneten Gegenion-Form.

Irgendein geeignetes Anionenaustauscherharz kann angewandt werden wie z.B. eine geeigneterweise vernetzte 25 Anionenaustauschermatrix mit quaternärem Ammonium. Beispiele für solche geeigneten Harze sind Dowex 1x2 und 1x8 der Dow Chemical Company, USA und Amberlite IRA 400 der Röhm und Haas Company.

Wenn ein Kationenaustauscherharz mit einwertigen Gegenionen benutzt wird, werden letztere vorzugsweise durch Na -Ionen gebildet. Wenn H -Ionen zusätzlich zu den Na⁺-Ionen oder anderen einwertigen Ionen auf dem Harz anwesend sind, ist es besser, wenn sie einen geringeren Anteil ausmachen und vorzugsweise wird der H⁺-Ionenanteil auf einem Minimum gehalten. Bei An-

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Wesenheit von zweiwertigen Gegenionen auf dem Harz sind diese vorzugsweise mit H -Ionen in solchen Mengenverhältnissen gemischt, daß die Wasserstoffionen als geringerer Anteil vorhanden sind. Die verbleibenden Gegenionen sind zweiwertige Ionen, die mit einer oder mehreren Kohlehydrat-Komponenten der Mischung von Zuckern und Oxyanionen Komplexe eingehen. Bevorzugte zweiwertige Gegenionen sind Ca -Ionen.

Wenn ein Anionenaustauscherharz benutzt wird, sind die Gegenionen vorzugsweise Carbonsäure-Anionen. Zu Beispielen für geeignete Gegenionen gehören einwertige Carbonsäure-Anionen, speziell Formiationen und Acetationen und zweiwertige Carbonsäure-Anionen wie Succinat-Anionen. Weitere geeignete anionische Gegenionen sind Anionen, die sich von starken anorganischen Säuren ableiten wie z.B. Sulfationen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders geeignet in Verbindung mit einem Verfahren, wie es in der anhängigen GB-Patentanmeldung 25 757/75 der Anmelderin beschrieben wird, nach dem eine Aldose in Gegenwart von Oxyanionen oder gemischten komplexen Anionen der Elemente Germanium oder Zinn in eine Ketose umgewandelt wird. Diese Umwandlung ist speziell auf die Umwandlung von Glucose in Fructose in Gegenwart von Germanationen anwendbar und das erfindungsgemäße Verfahren wird daher unter Bezugnahme auf diesen Umwandlungsprozeß mehr im Detail beschrieben.

Drei Ausführungsarten der Erfindung werden in Verbindung mit der Behandlung einer Glucose/Fructose/Germanat-Mischung beschrieben, die von einem Enzym-Reaktor beim Verfahren nach der GB-Patentanmeldung 25 757/75 herkommt. Diese Ausführungsarten können bei in einen weiten Bereich fallenden Temperaturen wie zwischen

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Zimmertemperatur (z.B. 2O⁰C) und 85⁰C, vorzugsweise zwischen Zimmertemperatur und 6O⁰C durchgeführt werden. Sehr geeigent sind Temperaturen für die Durchführung, die bei der Enzym-Reaktortemporatur (z.B. 60 C) oder bei Zimmertemperatur (z.B. 20⁰C) liegen. Bei jeder Ausführungsart wird vom Enzym-Reaktor herkommende Produktmischung mit oder ohne vorherigen Ionenaustausch in eine Säule in Schüben eingespeist, die das trennende Ionenaustauscherharz enthält, wobei das optimale Produktvolumen bei irgendeinem Schub und das optimale Intervall zwischen aufeinanderfolgenden Schüben von den Abmessungen der Ionenaustauscherharzsäule abhängen. Die prozentuale Vernetzung des trennenden Ionenaustauscherharzes liegt vorzugsweise bei 4 % (Ca /H ),

15 2 % (Na⁺) bzw. 8 % (HCOO" oder CH₃COO") für die verschiedenen Gegenionen.

Gemäß einer ersten Ausführungsart bewirkt ein als Gegenionen Ca⁺⁺-Ionen im Gemisch mit H⁺-Ionen auf-

20 weisendes Kationenaustauscherharz eine Trennung in

Glucose plus Germanat, die zuerst von der Kationenaustauscherharzsäule austreten, wenn ein Produktmischungsschub durch diese geschickt wird, während Fructose sekunder aus der Säule austritt. Überraschenderweise

25 ist die Komplexbildungsfähigkeit von Ca nur dann

zur Trennung des Komplexes zwischen Fructose und Germanat ausreichend, wenn H -Ionen ebenfalls auf der Matrix anwesend sind. Die (Glucose + Germanat)-Fraktion kann in den Speisestrom für das Verfahren gemäß GB-Patentanmeldung 25 757/75 zurückgeführt werden, während die Fructose als Produkt der kombinierten Verfahren entnommen wird. Beim Betrieb verursachen Na -Ionen im vom Enzymreaktor kommenden Sirup einen fortschreitenden Trennverlust durch den Ersatz von Ca und/oder

35 H⁺ auf dem Harz. Dieser Effekt kann vermieden werden, wenn man vorangehend ein Entionisierungs-Kationenaus-

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tauscherharz in der H⁺-Form vor dem Ca ⁺/H -Harz anwendet. Die Natriumionen können in dem rückgeführten (Glucose + Germanat)-Strom durch Hindurchleiten durch ein Kationenaustauscherharz in der Na -Form ersetzt werden.

Gemäß einer zweiten Ausführungsart bewirkt ein Kationenaustauscherharz mit Na -Gegenionen eine Trennung in mit Germanat komplexierte Fructose, die als erstes austritt und eine Glucose/Fructose-Mischung, die aus der das Harz enthaltenden Säule als zweites austritt. Die die Glucose begleitende Fructose ist das bei der Enzymreaktion nicht mit Germanat komplex gebundene Material, überraschenderweise wird der Fructose/Germanat-Koraplex von der Harzmatrix als ein definierter Komplex ausgeschlossen. Zur Extraktion der gesamten nach dem Verfahren der GB-Patentanmeldung 25757/75 erzeugten Fructose kann die (Fructose + Germanat)-Fraktion gemäß der ersten Ausführungsart zur Erzeugung von Fructose und Germanat behandelt werden, welch letzteres zum Enzymreaktor zurückgeschickt wird. Bei Anwesenheit von Germanat bei der Enzymreaktion wird der gegenüber der Arbeitsweise ohne Germanat erzielte Fructoseüberschuß in Form eines definierten Komplexes von Fructose mit Germanat gewonnen.

Bei einer dritten Ausführungsart wird der pH-Wert der Produktmischung von einer Glucose-Fructose-Umwandlung in Gegenwart von Germanationen herabgesetzt, um den Fructose/Germanat-Komplex aufzubrechen. Dies kann durch kontinuierliches Hindurchleiten des Produkts durch ein mit Wasserstoff ionen beladenes Kationenaustauscherharz erfolgen. Nach der Behandlung zur Zerstörung des Fructose/Germanat-Komplexes bewirkt ein Anionenaustauscherharz mit Formiat-, Succinat- oder Acetationen als Gegenionen eine Trennung in Glucose + Fructose, die

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zuerst aus der dieses Anionenaustaur,cherharz enthaltenden Säule austreten, wenn ein Schub der behandelten Produktmischung durch die Säule geschickt wird und Germanationen (entweder als solche oder als Germaniumsäure), die als zweites aus der Säule austreten. Germanat bzw. Germaniumsäure können zum Enzymreaktor zurückgeschickt werden.

Die drei vorstehend speziell beschriebenen Ausführungsarten stellen drei Hauptausführungsformen der Erfindung dar. Andere Ausführungsarten und Abwandlungen der obigen Ausführungsarten sind möglich, ohne daß dadurch der Rahmen der Erfindung verlassen wird. Die drei beschriebenen Ausführungsarten werden durch die Figuren 1 bis 3 der angefügten Zeichnungen veranschaulicht. Diese zeigen Fließbilder für mögliche Formen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Das in Fig.1 gezeigte System umfaßt einen Enzym-

reaktor 1, einen vorangehenden Entionisierungs-Kationenaustauscher 2 in H -Form, einen Trennungs-Kationenaustauscher 3 mit gemischten Ca⁺⁺- und H⁺-Gegenionen und einen Kationenaustauscher 4 in der Na -Form. Beim Betrieb gelangt im Enzymreaktor 1 erzeugter, Glucose/ Fructose/Germanat enthaltender Sirup in Schüben zum vorangehenden Entionisierungsharz 2. Durch die Behandlung in diesem Harz 2 werden Na -Ionen im Produkt des Reaktors 1 ersetzt bzw. ausgetauscht. Von dem Entionisierungsharz 2 her gelangen Sirupschübe über einen pH-Monitor 5 (dessen Funktionsweise unten beschrieben wird) zum Trennharz 3· Vom Trennharz 3 wird zuerst eine Glucose + Germanatfraktion eluiert und als zweites eine Fructosefraktion. Die Fructosefraktion wird aus dem System bei 12 als Produkt entfernt. Einige Ca

35 Ionen werden vor der (Glucose + Germanat)-Fraktion

eluiert und entfernt. Das Ausmaß der Ca -Ionenelution

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die auf den im Ausgang vom Entionisierungsharz 2 erzeugten geringen pH-Wert zurückzuführen ist, kann durch selektives "Beschneiden" bzw. Eingrenzen der Säurefraktion geringstmöglich gehalten werden. Die (Glucose + Germanat)-Fraktion gelangt vom Trennharz 3 zum Harz k in Na⁺-Form zum Ersatz der H -Ionen im Glucose + Germanat-Strom durch Na -Ionen. Auf diese Weise ist das Harz 4, wenn es erschöpft ist, gegen das Harz 1 austauschbar. Nach dem Durchtritt durch das Harz 4 wird die (Glucose + Germanat)-Fraktion zum Enzymreaktor 1 über eine pH-Korrekturstelle 6 zurückgeführt, bei welcher der pH-Wert auf den korrekten Wert für das Verfahren gemäß GB-Patentanmeldung 25757/75 eingestellt wird. Die Glucoseeinspeisung in das System erfolgt bei 11.

Fig.2 zeigt ein System mit den gleichen Einheiten wie in Fig.1, jedoch ohne den pH-Monitor 5. Zusätzlich ist jedoch im System gemäß Fig.2 zwischen dem Enzymreaktor 1 und dem Entionisierungsharz 2 ein alternatives Trennharz 7 in der Na -Form vorgesehen. Dieses Harz bewirkt eine Trennung zwischen mit Germanat komplex gebundener Fructose, die als erstes eluiert wird und in gleicher Weise wie das Reaktorprodukt als Ganzes im System gemäß Fig.1 behandelt wird und einer Mischung von Glucose und Fructose, die bei 13 als Produkt entfernt wird. Die Fraktion der mit Germanat komplex gebundenen Fructose wird durch ein Trennharz 3 in Germanat, das zuerst eluiert wird und dann wie beim System von Fig.1 zurückgeschickt werden kann und Fructose aufgetrennt, die bei 14 als ein Produkt entfernt wird.

Fig.3 zeigt ein System für die Durchführung der dritten oben beschriebenen Ausführungsart. Dieses System umfaßt einen Enzym-Reaktor 1, einen Kationenaustauscher 8 in der H -Form, einen Anionenaustauscher 9 in der Formiat-, Succinat- oder Acetat-Form und einen

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Kationenaustauscher 10 in der Na -Form. Beim Betrieb passiert im Enzym-Reaktor 1 erzeugter, Glucose /Fructose/ Germanat enthaltender Sirup entweder kontinuierlich oder in Schüben den Kationenaustauscher 8 in der H -Form. Er durchläuft dann in Schüben den Anionenaustauscher 9. Vom Anionenaustauscher 9 tritt zuerst ein Glucose und Fructose enthaltender Sirup aus und wird aus dem System bei 15 als Produkt entfernt. Eine Germanat enthaltende Fraktion, die als zweites aus dem Anionenaustauscher 9 austritt, wird über den Kationenaustauscher 10 in Na Form zum Enzym-Reaktor 1 zurückgeführt. Wenn der Kationenaustauscher 10 in der Na -Form erschöpft wird, ist er gegen den Kationenaustauscher 8 in der H -Form austauschbar.

Bei den vorstellend angegebenen drei Ausführungsarten kann der zurückgeleitete Speisestrom auf unterschiedliche '.Veise gebildet werden:

a) Gemäß Ausführungsart 1 erhält man eine verdünnte Glucose/Germanat-Mischung, die mit fester Glucose angereichert oder eingeengt werden kann, bevor sie mit dem konzentrierten Glucosesirup gemischt und der pH-Wert dann eingestellt wird.

b) Gemäß der Ausführungsart 2 erhält man eine verdünnte Natriumgermanatlösung mit geringeren Verunreinigungen, die vor dem Vermischen mit Glucosesirup oder der Zugabe von fester Glucose eingeengt werden kann.

c) Die Ausführungsart 3 liefert eine verdünnte Natriumgermanatlösung mit geringeren Verunreinigungen, die wie in (b) behandelt werden kann.

d) Die Ausführungsart 3 bietet auch die Möglichkeit, auf die abschließende Säule in Na -Form zu verzichten und eine Fraktion einzuengen,· die effektiv eine Lösung

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von Germaniumsäure ist, die beim Einengen als festes
Germaniumoxid ausfällt und zwar in einer Form, die für
ein Vermischen mit einem Glucose-Einspeisungssirup oder
fester Glucose bei angemessener pH-Einstellung geeignet
ist.

Gemäß a) bis d) werden irgendwelche Spurenionen wie von Magnesium oder sogar Kobalt im rückgeführten Speisestrom auf ihre erforderlichen Pegel eingestellt. Bei den Ausführungsarten 1, 2 und 3 kann der Glucosesirup durch
einen partiell in Fructose umgewandelten Sirup ersetzt
werden. Die bevorzugte molare Konzentration des Germanats liegt bei ein halb von derjenigen der Gesamtzuckermolarität zu irgendeinem Zeitpunkt während der Um-Wandlung. Infolge der hohen molaren Germanationenkon-

zentration, die beständig durch die Formiat- oder Acetat-Säulen hindurchgeht, kann ein gewisser Ersatz dieser
Ionen durch Germanat enthaltende Ionen auftreten.

Die drei Ausführungsarten veranschaulichen die
drei Näherungen der Trennung eines Zuckers oder einer
Zuckermischung von einer' ionenhaltigen Mischung, die
den Zucker oder die Zuckermischung und Oxyanionen aufweist, d.h.

Ausführungsart 1 veranschaulicht die Entfernung des Zuckers durch Wechselwirkung mit einer Harzkomponente,
z.B. Ca⁺⁺-Ionen.

Ausführungsart 2 veranschaulicht die Entfernung des Zucker/Oxyanionenkomplexes durch Ausschluß von der Harzmatrix.

Ausführungsart 3 veranschaulicht die Entfernung der Oxyanionen durch vorangehende Wechselwirkung mit an Harz gebundenem H⁺ mit nachfolgender Wechselwirkung mit einer Harzkomponente.

Die Ausführungsarten 1·und 3 könnten mit den Säulen

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und 3 oder 8 und 9 als Einzelsäule, die beide Harze in einer geeigneten Konfiguration enthält, durchgeführt werden.

Die drei vorstehend beschriebenen Ausführungsarten können den gleichen Typen von Säulen angepaßt werden, die eher eine kontinuierliche als eine schubweise Einspeisung erhalten und/oder wenn die Trennung kontinuierlich erreicht wird, wie nach der Technik von P.E.Barker und R.E. Deeble, (Chromatographia, Bd.8, 1975, S.67-9 und GB-PS 141850). Ein Kreislaufsystem kann ebenfalls angewandt werden und die von Simpson und Bauman (Ind. & Eng. Chem., 46 (195M 1958-62) angegebene Verfahrensweise dem angepaßt werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Beispielen erläutert:

Beispiel 1

Die folgenden Trennungen wurden an einer mit "Lewatit"-Kationenaustauscherharz (Bayer AG, BRD) gepackten Säule (mit 71 cm Länge und 1,5 cm Durchmesser) mit Ca - und H -Gegenionen, regeneriert aus der H -Form durch Behandlung mit CaCIp.6HpO (10 gew./vol.%ig) durchgeführt:

25 a) Glucose und Fructose von einer Mischung derselben;

b) Glucose/Germanat und Fructose von einer 25 Gew./Vol. % Glucose, 25 Gew./Vol.% Fructose und 600 mM Germanat in Wasser bei pH 8,5 aufweisenden Mischung;

30 c) Glucose und Fructose von einer Mischung derselben.

Eine Strömungsgeschwindigkeit von 0,6 ml/min wurde bei 60⁰C angewandt und aufeinanderfolgende Schübe von Kohlehydratsirup (2 ml) wurden in 65 min Intervallen aufgegeben. Die Trennungen erfolgten nacheinander, wo-

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bei die Trennung (b) zweimal durchgeführt wurde. Alle Trennungen waren erfolgreich; das Eluat aus der Säule wurde in einen Analysator zur Bestimmung von Kohlehydrat, Fructose und Germanat geschickt. Die Analyse zeigte die Erzielung einer ausgezeichneten Peaktrennung. Bei der Trennung (b) wurde zuerst Glucose/Germanat aus der Säule eluiert mit etwas der Glucose voraneilendern Germanat. Ähnliche Ergebnisse wurden erzielt, wenn "Dowex" 50 WX4 oder Zerolite 225 anstelle von "Lewatit" verwendet wurden. Die Kohlehydrate wurden mit Cystein-Schwefelsäure, die Fructose mit Carminsäure-Schwefelsäure bestimmt.

Beispiel 2

Das Glucose/Fructose/600 mM Germanat-Eluat aus

15 einem nach dem Verfahren gemäß GB-Patentanmeldung 25757/75 arbeitenden Enzym-Reaktor wurde schubweise nacheinander auf zwei "Lewatit^M-Harz enthaltende Säulen gegeben. Die erste Säule (Packungsvolumen = 70 ml) enthielt das Harz in der H -Form und absorbierte störende Na -Ionen aus

dem vom Enzym-Reaktor herkommenden Sirup. Nach Durchlaufen der ersten Säule wurde der austretende Sirup auf eine zweite Säule gegeben, die der in Beispiel 1 benutzten entsprach. Die zweite Säule bewirkte eine kontinuierliche Trennung des Glucose/Germanats von der Fructose über längere Zeitdauer hinweg ohne Regenerierung (getestet für 10 Schübe von je 5 ml Sirup, die auf die erste Säule gegeben wurden, wobei 1/4 kontinuierlich für eine Trennung an der zweiten Säule genommen wurde). Ein letzter Schub von 10 ml Sirup wurde hervorragend getrennt und chromatographisch analysiert und zwar sowohl beim Austritt aus der ersten als auch aus der zweiten Säule. Die erzielten chromatographischen Ergebnisse zeigten, daß Wasserstoffionen aus der ersten Säule verdrängt wurden und Ca -Ionen beim Durchlaufen des Harzes der zweiten Säule ersetzten, wobei die ersetzten Ca⁺ Ionen voraneilten und deutlich von einer sich über-

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läppenden Folge von Germanat und Glucose trennbar waren. Diese sich überlappende Folge war deutlich von der Produkt-Fructose abgesondert.

5 Beispiel 3

Eine Säule von 140 cm Länge mit einem Innendurchmesser von 6 mm mit "Lewatit" in der Na -Form wurde zur Trennung des Produkts von einer Germanat-katalysierten Glucoseisomerase-Reaktion verwendet, das kontinuierlich

10 auf die Säule "eingepulst¹¹ wurde. Eine gute Trennung

wurde über 20 A^fgabeschübe von 0,25 ml hinweg aufrechterhalten. Das Eluat der Säule wurde chromatographisch untersucht: Der erste Peak bestand hauptsächlich aus Fructose mit allem Germanat, während der zweite Peak durch Fructose (26,71) bis Glucose (28,98) gebildet wurde. Diese beiden Hauptpeaks zeigten eine ausgezeichnete Trennung.

Beispiel 4

Eine 140 cm lange Säule mit einem Innendurchmesser von 4 mm mit "Lewatit"-Harz in der Na -Form wurde zur Fraktionierung einer Probe aus Glucose (0,74 M), Fructose (0,74 M) und Borat (1,1 M ; bezogen auf Bor; abgeleitet von BpO,) mit einem eingestellten pH-Wert von 8,5 ver-

wendet. Gute Trennungen in zwei Komponenten wurden bei einer Beladung mit 0,25 ml erzielt. Der erste eluierte Peak stammte hauptsächlich von Fructose und dem gesamten Borat, während der zweite Peak hauptsächlich auf Glucose zurückging.

Beispiel 5

Dieses Beispiel zeigt 6 Versuche A bis F, bei denen nach dem Verfahren der GB-Patentanmeldung 25757/75 erzeugter Reaktorsirup mit Glucose, Fructose und Germanat

.35 durch Ionenaustauscherharze enthaltende Säulen geschickt wurde. Die erzielten Trennungen sind in den Figuren 4 bis

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9 der angefügten Zeichnungen wiedergegeben. In allen Figuren sind die Kurven für Glucose, Fructose und Germanat wie folgt gezeichnet:

Germanat ____________ Fructose Glucose

Folgende Analysenverfahren wurden benutzt: Germanat - Carminsäure - Schwefelsäure Fructose - Resorcin - Salzsäure Glucose - Glucose-Oxidase

Versuch A

Anwendung von Anionenaustauscherharz mit Acetat-Gegenionen

Säule - 39 x 0,6 cm

Harz - "DOWEX" 1x8, 200-400 mesh (75-150 μ)

3 -1 Elution mit Wasser mit 0,33 cm min Temperatur - 40⁰C

Beladung - Reaktor-sirup nach Durchgang durch ein

?Ω +

Kationenaustauscherharz in der H -Form

Die erzielte Trennung wird in Fig.4 wiedergegeben, in der die Extinktion bei den für die speziellen Komponenten im Rahmen der Analyse charakteristischen speziellen Wellenlängen im sichtbaren Bereich (Ordinate) gegen die Elutionszeit aus der Säule in Minuten (Abszisse) aufgetragen ist. Wie daraus ersichtlich ist, werden Glucose und Fructose gemeinsam aus der Säule eluiert

und zwar vor und ziemlich abgesondert vom Germanat. 30

Versuch B

Anwendung von Anionenaustauscherharz mit Formiat-Gegenionen

Die Reaktionsbedingungen entsprachen dem Versuch A. Die Ergebnisse sind in Fig.5 wiedergegeben, in der die gleichen Größen längs der Ordinate und der Abszisse wie beim Versuch A aufgetragen sind. Mit Succinat als Gegen-

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ion wurde bei einem ähnlichen Versuch eine Trennung erzielt, die eine Zwischenstellung zwischen dem Ergebnis von Versuch A und Versuch B einnimmt.

Versuch C

Anwendung von Kationenaustauscherharz mit Ca -Gegenionen

Säule - 131 x 0,6 cm

Harz - "LEWATIT" Kationenaustauscher, regeneriert bei 60°C mit einer mit HCl auf pH 8 einge-

¹⁰ stellten Lösung von CaO (3,9 Gew. /Vol.%);

Elution mit Wasser mit 0,33 cm min" Temperatur - 20⁰C

Beladung - 100 pl Reaktor-sirup (nach Durchgang durch ein Kationenaustauscherharz in der H -Form)

¹⁵ mit 32,7 Gew./Vol.% Fructose, 1,6 Gew./Vol.96

Glucose und 0,1 M an Germanium.

Die erzielte Trennung wird in Fig.6 wiedergegeben, in der längs der Koordinaten folgende Größen aufge^tv tragen sind:

linke Ordinate - μ Mol Fructose

rechte Ordinate - μ Mol (Glucose oder Germanat)

Abszisse - Elutionsdauer (Minuten)

Versuch D

Anwendung von Kationenaustauscherharz mit Ca - und H -Gegenionen

Säule - 131 x 0,6 cm

Harz - "LEWATIT" Kationenaustauscher, regeneriert

mit CaCl₀.6H_o0, (10 Gew./Vol.%)

3-1 Elution mit Wasser mit 0,33 cm min

Beladung - 50 μΐ Reaktor-sirup mit 36,3 Gew./Vol.% Fructose, 2,7 Gew./Vol.% Glucose, 1,2 M an Germanium

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Die erzielte Trennung ist in Fig.7 wiedergegeben, bei der längs der Koordinaten.folgende Größen aufgetragen sind:

linke Ordinate - μ Mol (Fructose oder Germanat) 5 rechte Ordinate - μ Mol (Glucose)

Abszisse - Elutionsdauer (Minuten)

Wie aus Fig.7 ersichtlich ist, ergibt die Anwendung von Ca -Ionen zusammen mit H -Ionen als Gegenionen eine Trennung von Germanat von F_ructose, wobei die Fructose durch Wechselwirkung mit dem Harz verzögert ist. Wichtig ist, daß der Fructose-Germanat-Komplex,wie aus Fig.6 hervorgeht, nicht aufgelöst wird, wenn eine angesäuerte Probe an einer Säuli

Gegenionen enthält.

Versuch E

Probe an einer Säule fraktioniert wird, die nur Ca

Anwendung von Kationenaustauscherharz mit Na - & H -Gegenionen

Säule - 130 χ 0,6 cm

Harz - AG 50 W χ 2; regeneriert mit NaCl; mit HCl

auf pH U_t0 eingestellt;

"5 -1 Elution mit Wasser mit 0,37 cm min

Temperatur - 20⁰C
²^ Beladung - 500 μΐ Reaktor-sirup mit 28 Gew./Vol.%

Glucose, 25 Gew./Vol.% Fructose, 0,6 M an Germanium.

Die erzielte Trennung wird in Fig.8 wiedergegeben, ^⁰ bei der längs der Ordinate die mMol der Komponente und längs der Abszisse die Zeit in Minuten für die Elution aus der Säule aufgetragen sind.

Versuch F

" Anwendung von Kationenaustauscherharz mit Na⁺-Gegenionen Die Reaktionsbedingungen entsprachen denen von

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Versuch E, nur daß als Beladung 500 μΐ Reaktor-sirup mit 20 Gew./Vol.% Glucose, 30 Gew./Vol.% Fructose und 0,6 M an Germanium vorgesehen wurden und das Harz mit 1,0 M NaOH regeneriert war.
5

Die erzielte Trennung wird in Fig.9 wiedergegeben, deren Koordinaten denen von Fig.8 entsprechen. Wie aus den Fig.8 und 9 hervorgeht, führt die Anwesenheit von sowohl H⁺- als auch Na⁺-Ionen am gleichen Harz zu einer 10 unvollständigen Auflösung des Fructose-Germanat-Komplexes, während mit Na⁺-Ionen allein am Harz eine vollständige Auflösung der Fructose-Germanat-Komponente erzielt wird.

Beispiel 6

¹5 Eine Kationenaustauscherharz-Säule (BIORAD) AG 5OW, 200-400 mesh (37 bis 75 μ) mit 2 - 12 % Vernetzung wurde durch Waschen mit 2 η NaOH und nachfolgend mit destilliertem Wasser in die Na⁺-Form umgewandelt und in eine 130 cm lange Säule von 0,7 cm Durchmesser gepackt. Die

20 Elution erfolgte mit destilliertem Wasser (0,37 cm min" ), wobei die Säule bei 20 bis 85 C gehalten wurde. Das Säuleneluat wurde durch die herkömmlichen Glucoseoxidase-, Resorcin- und Carminsaure-Analysenmethoden für Glucose, Fructose bzw. Germanat überwacht. Die Aufgabeproben

stammten jeweils von einem Enzym-Reaktorprodukt aus 30 Gew./Vol.% Fructose, 20 Gew./Vol.% Glucose und Germanat (0,6 M; bezogen auf Ge) und hattei einen pH von 8,5 sowie einen MgCl₂-Gehalt von 4 mM. Die Wirkung der Beladungsprobe, Temperatur und prozentualen Vernetzung mit Divinylbenzol (DVB) sind in Tabelle 1 angegeben.

Gute Trennungen wurden zwischen dem Fructose-Germanat-Komplex (Peak I) und nicht komplex gebundener Fructose und Glucose (Peak II) an der zu 2 % DVB-vernetzten Matrix erzielt, die beträchtlich besser waren als an einer zu 4 % DVB-verhetzten Matrix. Eine Er-

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höhung der Vernetzung auf 8 oder 12 % DVB ergibt eine unvollständige Auflösung der komplex gebundenen und nicht komplex gebundenen Fructose.

Bei geringen Probebeladungen erfolgt eine gewisse Degenerierung der Auflösung und das Verhältnis von komplex gebundener Fructose zur nicht komplex gebundenen ist von der Beladung abhängig. Bei Beladungen von ca. 500 μΐ werden so gut wie theoretische Fructose-Germanat-Komplexzusammensetzungen von der Matrix ausgeschlossen. Das Verhältnis von komplex gebundener zur nicht komplex gebundenen Fructose ist auch temperaturabhängig, wobei ein größerer Anteil nicht komplex gebundener Fructose bei höheren Temperaturen erhalten wird.

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Trennungsparameter für die Auflösung von Fructose-Germanat von Tabelle I Fructose und Glucose an AG 5OW Kationenaustauscherharz in Na -Form

	Temperatur (0C)	Proben beladung (pi)	** Rf Peak I	** Rf Peak II	Verhältnis von kom plexer zu nicht tan plex gebundener Fructose
	20	10	0,44	0,85	0,42
	20	50	0,59	0,85	0,86
	20	100	0,42	0,85	1,1C
	20	500	0,44	0,89	2,25
	20	1000	0,45	0,92	1,95
	40	500	0,42	0,75	1,57
	60	500	0,49	0,84	1,30
	70	500	0,51	0,81	1,04
	■ 85	500	0,55	0,88	0,64
	20	500	0,45	0,89	1,71
	20	1000	0,45	0,88	1,80
	60	500	0,47	0,83	1,29
	60	1000	0,55	0,83	1,54
	20	1000
				*	*
	20	1000
Vernetzung (% DVB)
2
2
2
2
2
2
2
2
2
4
4
4
4
8
12

ercn

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Bemerkungen zu Tabelle 1

* keine Auflösung von komplex und nicht komplex gebundener Fructose;

** Rf = Retentionsfaktor gemäß Definition von S.A. Barker, B.W. Hall, J.F. Kennedy und P.J.Somers; Carbohydrate Research, 9 (1969) 327.

Beispiel 7

Eine 135 cm lange Säule von 0,6 cm Durchmesser mit "Lewatif'-Kationenaustauscherharz in der (Ca /H )-Form (regeneriert von der H -Form durch Behandlung mit 10 gew./völligem CaCl₅.6H₉O) wurde mit Wasser mit

3-1
0,32 cm min bei Zimmertemperatur eluiert. Eine gute Trennung einer 25 μΐ Probe eines Produkts von einem Glucoseisomerase-Reaktor, der mit einer Einspeisung von Glucose (40 Gew./Vol.%) mit Na₂B^O₇ . 10H₂O (0,6 M bezogen auf Bor) und MgCl₂ (4 mM), eingestellt auf pH 9,0, betrieben wurde, konnte erreicht werden. Glucose wurde als erstes (Rf 0,55) eluiert,eng gefolgt von Borat (Rf 0,61) und schließlich Fructose (Rf 0,73).

Beispiel 8

Eine 140 cm lange Säule mit einem Durchmesser von

0,6 cm mit "Lewatit"-Harz in der Na⁺-Form wurde bei 3 -1 Zimmertemperatur mit 0,32 cm min Wasser eluiert. Es

wurde eine gute Trennung von komplex gebundenen und nicht komplex gebundenen Zuckern mit einer 0,25 cm Probe eines Produkts von einem Glucoseisomerase-Reaktor erhalten, der mit einer Einspeisung von Glucose (30 Gew./Vol.%) 30 mit Na₂B^O₇ . 10H₂O(0,6 M bezogen auf Bor) und MgCl₂

(4 mM), eingestellt auf pH 7,5_t betrieben wurde. Glucose-Borat und Fructose-Borat (Rf 0,39) wurden zuerst eluiert, gefolgt von Glucose (Rf 0,62) und Fructose (Rf 0,67).

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2Γ

Leerseite

Claims (1)

1. Patentansprüche

   haltigen Mischung, gekennzeichnet durch einen Verfahrensschritt, bei dem die ionenhaltige Mischung in einem System behandelt wird, das ein Kationenaustauscherharz in der mit zweiwertigen Kationen im Gemisch mit Wasserstoffionen (A) oder mit einwertigen Kationen und ggf. geringeren Anteilen Wasserstoffionen (B) beladenen Form oder (C) eine Kombination von einem Kationenaustauscherharz, das zum Hauptteil oder insgesamt mit Wasserstoffionen beladen ist und zweitens einem

   15 mit einwertigen oder zweiwertigen Anionen beladenen Anionenaustauscherharz aufweist.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ionenhaltige Mischung mit einem Kationenaus-

   20 tauscherharz behandelt wird, das mit zweiwertigen Kationen gemischt mit Wasserstoffionen oder mit einwertigen Kationen beladen ist.

   3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ionenhaltige Mischung zuerst mit einem mit Wasserstoff ionen beladenen Kationenaustauscherharz und 2. mit einem mit Carbonsäureionen beladenen Anionenaustauscherharz behandelt wird.

   ^. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Glucose, Fructose oder Mischungen derselben von einer ionenhaltigen Mischung abgetrennt werden, die Glucose, Fructose und Oxyanionen umfaßt.

   7 0 S ^c - / Π « R 2

   INSPECTED

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   5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxyanionen Bor oder Germanium enthalten.

   6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kationenaustauscherharz ein kern-carboxyliertes oder kern-sulfoniertes Kationenaustauscherharz ist und eine vernetzte Matrix aufweist.
   10

   7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kationenaustauscherharz mit Calciumionen im Gemisch mit Wasserstoffionen oder mit Natriumionen beladen ist.

   8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Anionenaustauscherharz durch ein quaternäres Ammoniumharz mit einer vernetzten Matrix gebildet wird.

   9. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Carbonsäureanionen durch Formiat-,Acetat- oder Succinationen gebildet werden.

   7 0 9 ^r ■' DRB?