DE4008944C2 - Verfahren zur Gewinnung von durch Bakterien der Gattung Xanthomonas bzw. Arthrobacter gebildeten Polysacchariden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von durch Bakterien der Gattung Xanthomonas bzw. Arthrobacter gebildeten Polysacchariden in körniger, fließfähiger Form, bei dem die Polysaccharide durch Zusatz einer Fällflüssig­ keit zum Fermentationsmedium ausgefällt, abgetrennt, mit einer organischen Waschflüssigkeit, die vorzugsweise auch aus Fällflüssigkeit eingesetzt wird, gewaschen, abgetrennt und anschließend getrocknet werden.

Derartige Verfahren sind bekannt und z. B. in der AT-PS 330 121, allerdings nicht als deren Erfindungsgegenstand, beschrieben. In der US-Patentschrift 4,053,699 ist die Schnelltrocknung von Xanthan-Gummi und ein daraus hergestelltes granuläres Produkt beschrieben. Weiterhin beschreibt die CH-383 933 ein Verfahren zur Umwandlung von (körnigen) schwer dispergierbaren Stoffen in eine leicht dispergierbare Form.

Die durch Xanthomonas und Arthrobacter fermentativ gebildeten Polysaccharide sind Exopolysaccharide; die Xanthomonas-Produkte werden als Xanthan bezeichnet und sind ein großtechnisches Produkt, das wegen seines rheologischen Verhaltens als Regulator der Fließeigenschaften wässeriger Systeme und als Stabilisator von Emulsionen und Suspensionen verwendet wird. Seine hohe Thermostabilität, die weitgehende pH-Resistenz und die ungewöhnlich gute Verträglichkeit mit Salzen haben für Xanthan ein breites industrielles Anwendungsgebiet eröffnet. So ist von Xanthomonas campestris gebildetes Xanthan als Verdicker und Stabilisator in Lebensmitteln zugelassen.

Industriell wird Xanthan durch aerobe Fermentation einer glucosehaltigen Fermentationsbrühe erzeugt. Nach der Erschöpfung der Kohlenstoffquelle wird die xanthanhaltige Maische pasteurisiert und das Xanthan durch Zugabe einer organischen Flüssigkeit, meist eines niedrigen Alkohols wie Isopropanol, ausgefällt. Bei Verwendung von Isopropanol liegt die Fällungskonzentration zwischen 45 und 60 Gew.-% Alkohol. Die Fällungskonzentration wird vom Elektrolytgehalt der Maische beeinflußt und kann durch Zugabe von Salzen vor der Fällung verringert werden. In der Folge wird das gefällte und abgetrennte Xanthan zur weiteren Reinigung in einer geeigneten organischen Flüssigkeit aufgenommen, jedoch nicht gelöst. Üblicherweise ist die Waschflüssigkeit mit der zur Ausfällung eingesetzten Flüssigkeit ident, also meist Isopropanol. Nach der Abtrennung des gewaschenen und daher reineren Xanthans wird dieses getrocknet und gemahlen.

In seiner üblichen Handelsform ist Xanthan ein pulverförmiges, fließfähiges Produkt. Da die Fließfähigkeit des Pulvers durch die Struktur der einzelnen Teilchen bedingt wird, sind Teilchen mit körnigem Aussehen erwünscht, während faserförmige, flaumige Teilchen bei der Mahlung, Verpackung und schließlich bei der Dosierung Schwierigkeiten verursachen.

Mit der Aufgabe, Xanthan mit körnigen und nicht mit faserförmigen Teilchen zu erhalten, setzt sich die AT-PS 330 121 auseinander und schlägt zur Lösung dieses Problems vor, eine Waschflüssigkeit einzusetzen, deren organischer Anteil nicht über (ergibt Faserstruktur) und nicht unter (ergibt klebriges Produkt) einem gewissen Bereich liegen soll, der durch Versuche zu ermitteln ist. So z. B. wird für Isopropanol/Wassser als Waschflüssigkeit angegeben, daß der Isopropanolgehalt um 8 bis 25 Gew.-% höher sein soll als der zur Lösung des Xanthans gerade noch geeignete Isopropanolgehalt; für tert.Butanol/Wasser wird dafür ein Bereich von 9 bis 28 Gew.-% angegeben. Die üblichen azeotropen Destillate, d. h. 87,8% Isopropanol bzw. 96,5% tert.Butanol ergeben sieh aus der AT-PS 330 121 ausdrücklich als zur Erzielung einer körnigen Struktur ungeeignete Waschflüssigkeiten; diese Alkohole müssen stets mit Wasser verdünnt werden.

Dadurch ergibt sich jedoch u. a. der Umstand, daß man die Waschflüssigkeit anschließend nicht ohne weiteres als Fällflüssigkeit verwenden kann, weil sie dafür eine zu geringe Alkoholkonzentration aufweist; sowohl Fällflüssigkeit als auch Waschflüssigkeit müssen aufgearbeitet werden.

Es wurde nunmehr überraschenderweise gefunden, daß es auch beim an sich anzustrebenden Einsatz von hochprozentigen organischen Waschflüssigkeiten trotz der sich dabei primär ausbildenden Faserstruktur des Xanthans möglich ist, ein körniges, fließfähiges Endprodukt zu erhalten.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man die Polysaccharidteilchen nach dem Waschen von der Wasch­ flüssigkeit grob abtrennt, unter Wasserzugabe in Bewegung hält, wobei man Wasser in einer Menge von 8 bis zu etwa 40%, bezogen auf das Trockengewicht, in fein verteilter Form zudosiert, und an­ schließend unter fortgesetzter Bewegung trocknet.

Mit anderen Worten werden die Xanthanfasern vor dem Trocknen befeuchtet, wobei eine möglichst gleichmäßige Verteilung der zugegebenen Wassermenge angestrebt wird, also ein intensives Mischen erfolgen soll.

Dabei soll nicht die gesamte Wassermenge auf einmal zugegeben werden, um Klumpenbildung zu vermeiden; vorteilhaft wird das Wasser innerhalb eines Zeitraums von bis zu 1 h, insbesondere innerhalb von 10 bis 30 min, vorzugsweise kontinuierlich, zugegeben.

Es wird angenommen, daß beim erfindungsgemäßen Verfahren ein Anlösen und anschließend ein Agglomerieren der Xanthanfasern erfolgt; es wird ein körniges, frei fließendes und gut handhabbares Endprodukt erhalten.

Durch das Inbewegunghalten des Materials wird die Ausbildung größerer Aggregate vermieden.

Da beim anschließenden Trocknen zuerst das noch vorhandene Waschmittel verdampft, d. h. die H₂O-Konzentration örtlich ansteigt, wird das Material auch während des Trocknens bewegt.

Am günstigsten erfolgt die Befeuchtung des gewaschenen Materials im Trockner selbst, insbesondere in einem Trommeltrockner bei rotierender Trommel.

Eine bevorzugte Durchführungsweise der erfindungsgemäßen Wasch/Trocknungsbehandlung wird wie folgt beschrieben:

Das gefällte Xanthan wird in durch industrielle Destillation gewonnenem (etwa 87%) Isopropanol aufgenommen und unter Rühren bei Raumtemperatur gewaschen. Die Verweilzeit beträgt 10 bis 30 min. Die Isopropanolmenge beträgt dabei das. 10- bis 100-fache, vorzugsweise das 45- bis 55-fache, der Xanthanmenge. Nach diesem Waschvorgang hat das Xanthan faserförmige Struktur und wird nach Abtrennen der Waschlösung in einen Vakuumtrommeltrockner eingebracht. Dieser Trockner ist zur intensiven Durchmischung, des Produktes mit einem Schleuderwerk ausgestattet. Vor Trocknungsbeginn wird im Trockner Wasser unter intensivem Durchmischen auf das faserige Xanthan aufgesprüht. Zur Vermeidung einer etwaigen Klumpenbildung muß das Wasser fein verteilt werden. Dies wird durch langsame Zugabe über Düsen während des Durchmischens erreicht. Die Zugabezeit liegt zwischen 10 und 30 min. Die zudosierte Wassermenge beträgt 8-30%, vorzugsweise 10-15%, der im Trockner vorgelegten Trockensubstanzmenge. Wird zuwenig Wasser zudosiert, bleibt das Produkt faserförmig. Zu hohe Wassermengen führen zur Bildung schwer zu vermahlender Körner. Die anschließende Trocknung unter Weiterführung der intensiven Durchmischung erfolgt auf übliche schonende Art unter Vakuum und soll einen ausreichend geringen Restisopropanol-Gehalt im Endprodukt (< 500 ppm) gewährleisten. Vor der Wasserzugabe wird soviel Waschflüssigkeit aus der Polysaccharidteilchen/Waschmittelphase abgetrennt, z. B. abgepreßt, daß anschließend ein Feststoffgehalt von mindestens etwa 40, vorzugsweise von 50 bis 55 Masse-%, vorliegt. Die Trocknung selbst erfolgt in einem Temperaturbereich von 50 bis 120°C, vorzugsweise bei 60 bis 80°C, und vorteilhaft unter Anlegen von Unterdruck. Insbesondere wird ein Restvakuum von etwa 100 mbar eingestellt.

Durch die intensive Bewegung des Gutes unter Wasserzusatz mit Hilfe des Schleuderwerkes werden die Fasern in kugelige Partikel umgeformt. Da während der Trocknung zuerst das flüchtige Isopropanol wegtrocknet, erleichtert der höhere Wassergehalt des Trockengutes das Anlösen der Xanthanfasern. Es entstehen auch dadurch Xanthanpartikel mit dichterer körniger Struktur.

Da das Isopropanol zur Waschung nicht verdünnt werden muß, liegt u. a. der Vorteil dieser Verfahrensweise darin, daß die gebrauchte Waschlösung nicht regeneriert werden muß, sondern kostengünstig direkt zur Fällung des Xanthans aus der Maische verwendet werden kann. Somit können Betriebs- und Anlagekosten für eine Waschflüssigkeitsregeneration gespart werden. Es ist nur eine einzige Isopropanol-Reinigungs- und Wiedergewinnungsanlage notwendig. Der kostengünstige Einsatz der Waschlösung zur Fällung des Xanthans aus der Maische wird durch die hohe Isopropanolkonzentration der Waschlösung möglich. Bei gegebener Maischemenge und gegebener Fällungskonzentration hängt die zu regenerierende Alkoholmenge nämlich von der Isopropanolkonzentration des Fällungsmittels ab. Da die Erhöhung der Isopropanolkonzentration im Fällungsmittel zu einer Verringerung der zu regenerierenden Isopropanolmenge führt, werden die Regenerierungskosten verringert.

Das Gesamtverfahren ergibt sich aus dem folgenden praktischen Beispiel:

Beispiel

Durch aerobe Fermentation einer glucosehaltigen Nährlösung (40 g/l), beimpft mit Xanthomonas campestris, wurde eine Fermentationsbrühe erhalten. Die Fermentation wurde bei einem Restzuckergehalt von < 0,1% abgebrochen. Die Fermentationsbrühe wird pasteurisiert und anschließend das Xanthan durch Zugabe von etwa 86 Gew.-% Isopropanol kontinuierlich gefällt. Die Fällung erfolgte in einem mit einem Turbinenrührer ausgerüsteten Gefäß mit einem Volumen von 100 l durch paralleles Zupumpen von Maische und etwa 86 Gew.-% Isopropanol. Gleichzeitig wird das ausgefällte Xanthan mit dem suspendierenden Alkohol-Wassergemisch abgepumpt. Das Verhältnis von Maischemenge zu Alkoholmenge wird durch die Fällungskonzentration bestimmt, die bei etwa 50 Gew.-% Isopropanol liegt. Um einen intensiven Kontakt zwischen Maische und Isopropanol sicherzustellen, wird mit dem Turbinenrührer bei 1000 UpM gerührt. In der Folge werden die Xanthanfasern vom Überstand getrennt, in der 50-fachen Isopropanolmenge (85 Gew.-%) suspendiert und unter intensivem Rühren (Turbinenrührer 1000 UpM) 10 min lang gewaschen. Sowohl die Fällung als auch das Waschen erfolgt bei etwa 20°C. Das gewaschene faserige Xanthan wird über ein feinmaschiges Sieb abgetrennt und manuell abgepreßt.

a) Nicht erfindungsgemäße Weiterbehandlung

30 kg feuchtes Produkt (diese Menge entspricht etwa 15 kg Xanthantrockensubstanz) werden in einem Technikumsvakuumtrommeltrockner eingebracht. Der Trommeltrockner ist mit einem Schleuderwerk zur Durchmischung des Trockengutes ausgestattet. Nach dem Anlegen des Vakuums erhitzt man bei laufendem Schleuderwerk (300 UpM) so lange, bis eine Endtemperatur von 80°C und ein Restvakuum von 100 mbar erreicht ist. Das getrocknete Xanthan hat einen Trockensubstanzgehalt von etwa 93% und weist faserige bzw. flaumige Struktur auf. Der zu vermahlende Anteil (Korngröße 95% < 180 µm) hat ein Schüttgewicht von 0,41. Das vermahlene Produkt hat bei 50-facher Vergrößerung das in Fig. 1 dargestellte Aussehen.

b) Erfindungsgemäße Weiterbehandlung

Der Trommeltrockner wird wie unter a) angegeben beschickt. Dann wird das Schleuderwerk eingeschaltet (300 UpM) und über eine Düse werden innerhalb von etwa 10 min 2 l Wasser auf das sich bewegende Xanthan gesprüht. Der Trocknungsvorgang erfolgt wie unter a) beschrieben. Das erhaltene Xanthan liegt in Form von runden Körnern und Körnchen vor. Die Restfeuchte liegt bei etwa 7%, der Rest-Isopropanol-Gehalt liegt unter 500 ppm. Nach der Vermahlung besteht das Pulver aus Körnern (siehe Fig. 2), hat ein höheres Schüttgewicht als ohne Wasserzusatz getrocknetes Produkt und fließt besser. Das Schüttgewicht liegt nach der Vermahlung (Korngröße 95% < 180 µm) bei etwa 0,7 (Mittelwert). Das vermahlene Produkt hat bei 50-facher Vergrößerung das in Fig. 2 dargestellte Aussehen.

Claims (12)

1. Verfahren zur Gewinnung von durch Bakterien der Gattung Xanthomonas oder Arthrobacter gebildeten Polysacchariden in körniger, fließfähiger Form, bei dem man die Polysaccharide durch Zusatz einer Fällflüssigkeit zum Fermentationsmedium ausfällt, abtrennt, mit einer organischen Waschflüssigkeit wäscht, abtrennt und anschließend trocknet, dadurch gekenn­ zeichnet, daß man die Polysaccharidteilchen nach dem Waschen von der Waschflüssigkeit grob abtrennt, unter Wasserzugabe in Bewegung hält, wobei man Wasser in einer Menge von 8 bis zu etwa 40%, bezogen auf das Trockengewicht, in fein verteilter Form zudosiert, und anschließend unter fortgesetzter Bewegung trocknet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die organische Waschflüssigkeit auch als Fällflüssigkeit ein­ gesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß den Polysaccharidteilchen 10 bis 15% Wasser, bezogen auf ihr Trockengewicht, zugegeben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß das Wasser innerhalb eines Zeitraums von bis zu 1 h, vorzugsweise innerhalb von 10 bis 30 min, zugegeben wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserzugabe kontinuierlich erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Wasserzugabe in einem Trommeltrockner bei rotierender Trommel erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Waschflüssigkeit azeotrope technische Destillate von Alkoholen mit niedrigem Molekulargewicht, vor­ zugsweise von Äthanol, Isopropanol und/oder tert.Butanol ein­ gesetzt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Waschflüssigkeit etwa 87,8 Vol.-%iges Isopropanol einge­ setzt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Waschflüssigkeitsmenge das 10- bis 100- fache, vorzugsweise das 45- bis 55-fache, der Polysaccharid­ menge eingesetzt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Waschflüssigkeit soweit abgetrennt wird, daß im Polysaccharidsubstrat vor der Wasserzugabe ein Trocken­ substanzgehalt von mindestens etwa 40, vorzugsweise von 50 bis 55 Masse-%, vorliegt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Trocknung in einem Temperaturbereich von 50 bis 120°C, vorzugsweise bei 60 bis 80°C, durchgeführt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Trocknung unter Anlegen von Unter­ druck, vorzugsweise unter Einstellung eines Restvakuums von etwa 100 mbar, durchgeführt wird.