Hintergrund der Erfindung:
1. Bereich der Erfindung:
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein
Kristallisationsverfahren des
L-α-Aspartyl-L-phenylalaninmethylesters, welches in Bezug auf die Filtrations- und
Dehydratisierungs-Operationen leicht durchzuführen ist.
2. Beschreibung des zugehörigen Standes der Technik:
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L-α-Aspartyl-L-phenylalaninmethylester (nachfolgend der
Einfachheit halber als APM bezeichnet) ist eine Substanz,
die aufgrund ihrer ausgezeichneten Süßkraft als Süßmittel
mit geringem Kaloriengehalt weit verbreitete Anwendung
findet. Es sind bereits eine Vielzahl von Verfahren bekannt,
um APM industriell herzustellen. Bei der Durchführung dieser
Verfahren ist jedoch eine Kristallisationsstufe unerläßlich,
um APM aus der Reaktionslösung zu isolieren und als Produkt
zu erzeugen.
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Ganz allgemein wird in der Kristallisationsstufe ein rohes
Produkt in Wasser, einem organischen Lösungsmittel oder
einem hydratisierten organischen Lösungsmittel wieder
aufgelöst und die resultierende Lösung durch Wärmeaustausch mit
einem Kühlmittel oder durch partielle Verdampfung des
Lösungsmittels unter verringertem Druck abkühlen gelassen,
um die Kristalle in einer Kristallisationsvorrichtung, die
mit Rührblättern versehen ist, abzuscheiden, worauf dann
die Kristalle mittels einer Zentrifuge oder dergleichen
filtriert oder dehydratisiert werden. Es ist ebenfalls ein
Verfahren zur Erzeugung der Kristalle bekannt, welches das
Abkühlen einer wäßrigen APM-Lösung einer bestimmten
Konzentration oder höheren Konzentration durch Wärmeübertragung
bekannt, bei dem keine erzwungene Bewegung wie durch
mechanisches Rühren Anwendung findet, um einen anscheinend
eiscremartigen Pseudofeststoff zu erhalten, wobei dieser
so gebildete Pseudofeststoff falls notwendig weiter
abgekühlt wird.
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Im Falle der Verwendung einer Kristallisations-Apparatur,
die mit herkömmlichen Rührern versehen ist, wird jedoch
das APM beispielsweise in einer Kristallisations-Apparatur
mit einem paddel- oder turbinenartigen Rührer als feiner
nadelartiger Kristall erhalten, so daß seine
Feststoff-Flüssigabtrennung durch Filtrieren oder Dehydratisieren sehr
unzureichend ist und in der Praxis zu ernsten Problemen führt.
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Weiterhin wird dann, wenn die
Feststoff-Flüssigkeitstrennung wiederholt wird, die Grundschicht des Filterkuchens
wegen der Kompression hart und ihre Entfernung erfordert
einen großen Teil der "Mann-Stunde". Des weiteren führt in
der sich an die Kristallisationsstufe anschließenden
Trocknungsstufe der größere Feuchtigkeitsgehalt des Kuchens zu
einer höheren Trocknerbelastung und der größere Rauminhalt
des resultierenden trockenen Pulvers verursacht ebenfalls
große Schwierigkeiten.
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Ein Verfahren bei dem die Kühlung nur durch
Wärmeübertragung erfolgt, ohne daß eine Rührung des Systems stattfindet,
erfordert eine lange Betriebs zeit und kann daher in der
industriellen Praxis kaum Anwendung finden.
Zusammenfassung der Erfindung:
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, bei dem
die Kristallisation des APM aus seiner Lösung durch
Verwendung einer Kristallisations-Apparatur mit einer speziellen
Struktur durchgeführt wird.
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Die spezielle Struktur der Kristallisations-Apparatur ist
in dem Anspruch definiert. Grob gesprochen, setze sich die
Kristallisations-Apparatur aus einem Gefäß, einem Rührer
mit einer Drehwelle und Rührblättern zusammen, wobei jedes
Blatt ein bandartiges Plattenglied umfaßt, welches in der
Lage ist den Boden des Gefäßes zu reinigen, und stab- und
bandartige Plattenglieder darauf angeordnet sind, welche
sich horizontal und vertikal erstrecken, sowie
Prallplatten.
Beschreibung der Zeichnungen:
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Figur 1 bis 5 zeigen Kristallisations-Apparaturen mit einem
Gefäß und Rührer mit Rührblättern, die bei der praktischen
Durchführung der vorliegenden Erfindung brauchbar sind, und
Figur 6 bis 8 veranschaulichen verschiedene Rührblätter,
die in der vorliegenden Erfindung nicht verwendet werden.
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Die Bezugszeichen 1, 2, 3 und 4 stehen für ein erstes Glied,
ein zweites Glied, ein drittes Glied und eine
Drehwelle, weiter steht 5 für ein Gefäß, 6 für ein Rührblatt,
7
für einen Mantel und 8 für eine Prallplatte.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung:
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In der vorliegenden Erfindung wird APM unter Rühren einer
APM-Lösung mittels einer speziellen
Kristallisations-Apparatur, wie sie im Anspruch definiert ist,
auskristallisiert.
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Die Innenwände des Kristallisators sind mit einer Mehrzahl
von vertikal angeordneten Prallplatten versehen, die sich
in axialer Richtung vom Boden bis zum oberen Ende
erstrekken. Die APM-Lösungen, die behandelt werden können, haben
einen weiten Konzentrationsbereich. So kann beispielsweise
die Konzentration des APM im wäßrigen Zustand von 2 Gew.-%
bis zur wäßrigen gesättigten Lösung betragen. Die
Konzentrationen von 3,5 bis 4 Gew.-% werden bevorzugt genannt.
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Die Kristallisationstemperatur kann im Bereich von 80ºC bis
0ºC, vorzugsweise 60ºC bis 5ºC betragen. Bei der
Kristallisation von APM kann die Lösung langsam abkühlen gelassen
werden, wobei die Umfangsgeschwindigkeit des vorerwähnten
Rührblattes 0,1 bis 1,2 m/s, vorzugsweise 0,3 bis 0,6 m/s
beträgt.
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Das Kühlen der Kristallisationslösung wird mittels eines
durch einen Mantel, der auf der Außenseite des Gefäßes
angeordnet ist, umlaufenden Kühlmittels, durch Vakuumverdampfung
oder eine Kombination dieser Mittel bewirkt.
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Nunmehr wird das Rührblatt, welches in der vorliegenden
Erfindung verwendet wird, näher erläutert. Rührblätter sind
an einer Drehwelle befestigt, die im Zentrum des Gefäßes
an einem Ende jeder Platte installiert ist. Der Rührer kann
eine ungerade Zahl, ausgenommen eins, von Rührblättern
aufweisen, vorausgesetzt, daß eine glatte Rotation der Welle
sichergestellt ist. Es wird indessen empfohlen, daß der
Rührer zwei Rührblätter besitzt, die im Hinblick auf die
Leichtigkeit der Herstellung symmetrisch zueinander
angeordnet sind.
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Ein erstes Glied, das eine bandartige Platte ist, reinigt
den Boden des Gefäßes. Der Raum zwischen dem unteren Ende
der Platte und dem Boden des Gefäßes ist vorzugsweise so
klein wie möglich. Obgleich der Grund nicht ersichtlich
ist, so scheint es bevorzugt zu sein, wenn der
Flüssigkeitsstrom zum Boden des Gefäßes hin nicht groß ist.
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Es ist wünschenswert, wenn ein gewisser Freiraum zwischen
dem Ende eines jeden Rührblattes und der Innenwandung des
Gefäßes vorgesehen ist. Dies ist für die Bildung eines
Flüssigkeitsstromes in Richtung auf die Innenwand günstig.
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Ein zweites Glied ist praktischerweise ein stabartiges
Glied, das oberhalb des ersten Gliedes angeordnet ist und
sich von der Drehwelle zu den Innenwandungen des Gefäßes
erstreckt. Mit anderen Worten, es ist ein Arm, der sich von
der Drehwelle aus erstreckt. Die Zahl dieser Glieder ist
nicht notwendigerweise auf eins begrenzt und daher kann
eine Mehrzahl der Glieder horizontal parallel zueinander
in vertikaler Ebene angeordnet sein. Die Beschränkung der
Länge ist die gleiche wie für das erste Glied und sie kann
kürzer gemacht werden. Die Richtung, in der sich das
stabartige Glied erstreckt, muß nicht besonders parallel zur
Flüssigkeitsoberfläche sein, sie kann vielmehr schräg
verlaufen,
so lange das Glied so angeordnet ist, daß es die
Flüssigkeit im wesentlichen horizontal schneidet.
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Ein drittes Glied ist ein Stab- oder Bandplattenglied, das
sich im wesentlichen vertikal in der Flüssigkeit erstreckt
und die Flüssigkeit bewegt. Es kann an nur einem oder an
beiden ersten und zweiten Gliedern befestigt sein, so lange
die mechanische Festigkeit für die Bewegung der
Flüssigkeit beibehalten wird. Es besteht keine Beschränkung in
Bezug auf die Richtung des Gliedes und es ist ausreichend,
wenn das Glied praktisch vertikal angeordnet ist. Des
weiteren ist es ausreichend, wenn das Glied in einer solchen
Weise über das erste und/oder zweite Glied so angeordnet
ist, daß es die Flüssigkeit schneidet, welche von den
inneren Wänden des Gefäßes zu der Drehwelle fließt. In einer
Rührblatteinheit sind eine Mehrzahl von Gliedern erlaubt.
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Die am meisten übliche Anordnung der vorerwähnten drei
Glieder ist so, daß sie in der gleichen vertikalen Ebene
angeordnet sind, um als Ganzes eine Gitterplatte mit Öffnungen
(Löchern) darin zu ergeben. Es ist jedoch auch ebenfalls
möglich, daß die Platte als Ganzes eine schraubenförmig
gekrümmte Oberfläche bildet.
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Die Konfigurationen der Rührblätter der vorliegenden
Erfindung sind in den Figuren 1 bis 5 erläutert. Solche, die in
den Figuren 6 bis 8 gezeigt sind, werden nicht in der
vorliegenden Erfindung verwendet.
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Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung ist es
möglich, die Kristalle mit guter Filtrierbarkeit unter Rühren
der Kristallisationslösung zu erhalten. Mit anderen Worten,
die Kristalle von APM werden kontinuierlich abgeschieden,
wobei die Fließfähigkeit der Flüssigkeit zufriedenstellend
ist und die so erhaltenen Kristalle gute
Verarbeitungseigenschaften in den nachfolgenden Stufen des Transportes,
der Abtrennung, des Trocknens usw. aufweisen und in Bezug
auf die physikalische Schlagfestigkeit große Festigkeit
besitzen.
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Im allgemeinen haften die abgeschiedenen Kristalle an der
wärmeübertragenden Oberfläche unter Bildung sogenannter
"Abblätterungen", die häufig große Schwierigkeiten in Bezug
auf ihre Entfernung verursachen. Bei der Kristallisation
des APM gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung ist
es jedoch sehr leicht, die kristalline Schicht von der
kühlen Oberfläche zu entfernen oder abzunehmen.
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Da APM-Kristalle mit guter Filtrierbarkeit nach dem
Verfahren der vorliegenden Erfindung erhalten werden können,
werden bemerkenswerte Verbesserungen nicht nur in der Fest-
Flüssigabtrennung des Produktes sondern auch in der
Miniaturisierung der Apparatur auf Kosten der
Kristallisationszeit in der Verminderung der Belastung des Trockners und
in der Durchführbarkeit einer jeden Stufe erzielt. Selbst
wenn weiterhin das Verfahren der vorliegenden Erfindung
auf eine APM-Lösung Anwendung findet, die Verunreinigungen
wie Diketopiperazin (DKP), das ist das Cyclisierungsprodukt
von APM, und L-α-Aspartyl-L-phenylalanin enthält, ist es
möglich, APM-Kristalle zu erhalten, die diese
Verunreinigungen nicht aufweisen wegen der Reduktion der Menge der
verbleibenden Mutterlauge und der Verbesserung in der
Filterkuchen-Waschbarkeit in der Fest-Flüssig-Separationsstufe.
Die vorliegende Erfindung schafft somit ein
APM-Kristallisationsverfahren,
welches auch vom wirtschaftlichen
Standpunkt aus betrachtet wesentliche Fortschritte erbringt.
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Mit Rührern, die herkömmliche Rührblätter aufweisen, wie
sie in den Figuren 6 bis 8 gezeigt sind, wird die
Rührgeschwindigkeit gesteigert und die Kristalle des APM werden
kleiner. Andererseits, wenn die Geschwindigkeit herabgesetzt
wird, dann wird die Fließfähigkeit verschlechtert, was dazu
führt, daß die Kristalle an der Kristallisiervorrichtung
fest-haften und Schwierigkeiten erzeugen.
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Die vorliegende Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf
die folgenden Beispiele näher beschrieben.
Beispiel 1:
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Dieses Beispiel wurde unter Verwendung eines Rührers
durchgeführt, bei dem in einem Kristallisationsgefäß Rührblätter
der Figur 1 verwendet wurden. Das Kristallisiergefäß 1 ist
ein vertikal zylindrischer ummantelter Behälter mit einer
Kapazität von 300 Litern, der einen Innendurchmesser von
700 mm und eine Höhe von 850 mm aufwies und mit vier
Prallplatten in seinem Inneren versehen war.
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Die verwendeten Rührblätter hatten einen Durchmesser von
420 mm und eine Höhe von 760 mm.
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In den Kristallisator wurden 250 Liter einer Ausgangslösung
gegeben, in welcher 9,5 kg APM, die 3% DKP enthielten,
aufgelöst war (60ºC; die Anfangskonzentration von APM war
3,6 Gew.-%). Dann wurde die Drehzahl der Rührblätter auf
30 Umdrehungen pro Minute eingestellt und der Kühlstrom
von 10ºC wurde durch den Mantel 7 hindurchgeleitet. Auf
diese Weise wurde die Kristallisation durchgeführt, indem
die Lösung aus dem Inneren abgekühlt wurde, das heißt
durch Steuerung der Temperatur und des Vakuums im Inneren
des Kristallisators unter dem Druck der Vakuumpumpe 4.
Nach etwa 40 Minuten begannen die Kristalle sich in der
Lösung abzuscheiden. Die Temperatur der Lösung betrug zu
diesem Zeitpunkt 40ºC. Nach Verlauf einer Stunde war die
Lösung vollständig gefüllt mit den Kristallen. Anschließend
wurde die Lösung auf 7ºC durch umlaufendes Kühlmittel von
0ºC abgekühlt. Die Kristallisation wurde drei Stunden nach
Beginn des Experiments beendet.
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Die so erhaltene Aufschlämmung wurde filtriert und mittels
einer Zentrifuge dehydratisiert mit dem Ergebnis, daß der
Feuchtigkeitsgehalt des Kuchens nach 20 Minuten auf 40%
reduziert wurde. Die Ausbeute betrug 12,5 kg (auf feuchter
Basis), der Anteil des gewonnenen Materials betrug 80%,
und der Gehalt an DKP betrug 0,1%.
Vergleichsbeispiel 1:
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Dieses Vergleichsbeispiel wurde unter Verwendung eines
Rührers mit Blättern gemäß Figur 6 durchgeführt, d.h. die
Blätter des Flachblatt-Turbinenrührers hatten einen Durchmesser
400 mm. Die Kristallisation wurde in der gleichen Weise wie
in Beispiel 1 durchgeführt mit der Ausnahme, daß im Hinblick
auf die Eigenschaften der Rührblätter die Drehzahl auf
100 Umdrehungen pro Minute eingestellt wurde. Im Verlauf
der Kristallisation wurde ein Teil der Aufschlämmung, der
keine Fließfähigkeit zeigte, ausgeschieden, und eine Menge
von Anhaftungen an den Innenwänden wurden bei der Entleerung
festgestellt. Der Feuchtigkeitsgehalt betrug 60% oder mehr,
selbst nach zweistündiger Filtration und Dehydratisierung.
Die Gewinnungsrate betrug 60% wegen
Filtrations-Undichtigkeit.
Beispiel 2:
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Unter Verwendung der gleichen Rührblätter (D : 420 mm, H:
760 mm) und einer APM-Lösung wie die in Beispiel 1
verwendete wurde die Kristallisation unter Atmosphärendruck
durchgeführt, indem die Umdrehungen der Rührblätter auf
50 Umdrehungen pro Minute eingestellt wurden, und die
Kühlflüssigkeit wurde durch den Mantel geleitet. Die
Temperatur des Kühlmittels betrug 10ºC bis die Kristalle
abzuscheiden begannen, und anschließend wurde Kühlmittel mit
0ºC umgepumpt. Die Kristallisation wurde dann beendet,
nachdem die Lösung auf 7ºC abgekühlt war. Die Gesamtzeit
der Kristallisation betrug etwa 4 Stunden.
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Die so erhaltene Aufschlämmung wurde filtriert und mittels
einer Zentrifuge dehydratisiert mit dem Ergebnis, daß der
Feuchtigkeitsgehalt des Filterkuchens nach 20 Minuten 40%
betrug, die Ausbeute lag bei 12,5 kg (auf feuchter Basis)
und die Rückgewinnungsrate betrug 80%.
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Obgleich in allen vorstehend beschriebenen Beispielen der
Betrieb chargenweise durchgeführt wurde, so ist doch für
industrielle Zwecke ein kontinuierlicher Betrieb ebenfalls
möglich.
Vorteile der Erfindung:
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Aus der vorstehenden Beschreibung und den Beispielen ist
ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung in Bezug auf
die Stufen der Kristallisation und der Abtrennung von APM
verdienstvoll ist.
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(1) Es ist möglich ein konventionelles
vertikal-zylindrisches Gefäß zu verwenden, ohne daß mit Ausnahme der
Rührblätter spezielle Vorrichtungen notwendig sind.
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(2) Mit der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
erhaltenen Aufschlämmung, welche APM-Kristalle enthält, kann
eine Fest-Flüssigtrennung in einer kürzeren Zeit
durchgeführt werden als mit einem herkömmlichen Verfahren.
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(3) Da die Abtrennbarkeit der Kristalle merklich verbessert
wird, wird ein besserer Wascheffekt erzielt, und
dadurch werden Produkte mit wenig Verunreinigungen
erhalten.
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(4) Die Belastung der Trockenstufe kann reduziert werden,
und es können gute Verarbeitungseigenschaften des
trocknen Pulvers erwartet werden.