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Die vorliegende Erfindung betrifft ein modifiziertes
Xanthangummi, das unmittelbar in einer wäßrigen
Salzlösung gelöst werden kann, um damit der Salzlösung eine
gewünschte Viskosität zu verleihen, sowie ein Verfahren
zum Modifizieren von Xanthangummi.
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Xanthangummi ist ein natürlich vorkommendes
hochmolekulares Polysaccharid, das durch Mikroorganismen wie
Xantomonas camprestris produziert wird; seine wäßrige
Lösung ist über einen weiten pH-Wertbereich und auch
gegenüber Salzen und Enzymen stabil. Xanthangummi kann in
wäßrigen Salzlösungen gelöst werden und dient sehr
wirksam zutn Erhöhen der Viskosität der wäßrigen Salzlösungen.
Aus diesem Grund wird Xanthangummi verbreitet auf
verschiedenen Gebieten, wie Nahrungsmittel- und
Chemieindustrie, eingesetzt. Insbesondere in der
Nahrungsmittelindustrie wird in hohem Maße angestrebt,
Xanthangummi in wäßrigen Normalsalzlösungen gleichmäßig zu
lösen.
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Sobald Xanthangummi in einer wäßrigen Salzlösung
gelöst ist, zeigt es einen stabilen Verdickungseffekt. Es
ist sehr schwierig, Xanthangummi in einem Lösungsmittel
bei einer Temperatur nicht höher als Raumtemperatur
vollständig zu lösen, wenn das Lösungsmittel eine wäßrige
Salzlösung, insbesondere eine solche mit hoher
Salzkonzentration ist. Es sind verschiedene Verfahren zum Lösen
von Xanthangummi in wäßrigen Salzlösungen bekannt.
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Ein Beispiel dafür umfaßt z.B. zweistufige
Arbeitsgänge. Insbesondere umfaßt dieses Verfahren ein Lösen von
Xanthangummi in salzfreiem Wasser und die anschließende
Zugabe eines gewünschten Salzes zur Xanthangummilösung.
Außerdem ist ein Verfahren bekannt, bei dem Xanthangummi
teilweise (etwa zur Hälfte) in einer wäßrigen Salzlösung
(auf)gelöst und dann die teilweise gelöste
Xanthangummilösung erwärmt wird.
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Neben den vorgenannten Verfahren sind bereits
verschiedene andere Verfahren zur Erleichterung des Lösens
von Xanthangummi in Wasser vorgeschlagen worden.
Beispiele hierfür sind ein Verfahren, bei dem Xanthangummi
mit einem oberflächenaktiven Mittel (Netzmittel)
behandelt wird (vorläufige JP-Patentveröffentlichung
63-230703); ein Verfahren, bei dem ein
wasserrückhaltendes Material mit Xanthanguinmi vermischt wird
(veröffentlichte JP-Fatentanmeldung 60-4214); ein Verfahren, bei
dem Xanthangummi mit hydrolisierter Gelatine überzogen
wird (veröffentlichte JP-Fatentanmeldung 1-159048); ein
Verfahren, bei dem ein Benetzungsmittel und ein
Dispergiermittel in die wäßrige Salzlösung eingearbeitet werden
(vorläufige JP-Patentveröffentlichung 63-54490); ein
Verfahren, bei dem Siliziumdioxid in die wäßrige Salzlösung
eingearbeitet wird (vorläufige JP-Patentveröffentlichung
57-3834); ein Verfahren, bei dem Xanthangummi mit Glyoxal
behandelt wird (veröffentlichte JP-Patentanmeldung
61-61800); und ein Verfahren, bei dem ein
kaltwasserlösliches Gummi in mit Glyoxal behandeltes Xanthangummi
eingearbeitet wird (vorläufige JP-Patentveröffentlichung
56-92956).
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Bei Anwendung des genannten zweistufigen Verfahrens
mit dem Schritt des Vorauflösens von Xanthangummi in
salzfreiem Wasser zwecks Erhöhung der Viskosität einer
wäßrigen Salzlösung sind unvermeidbar komplizierte
Maßnahmen
erforderlich. Außerdem kann Xanthangummi in einer
wäßrigen Salzlösung nicht gleichmäßig gelöst werden, auch
wenn eine teilweise gelöstes Xanthangummi enthaltende
Lösung über eine lange Zeit hinweg mit Rühren erwärmt
wird. Mit anderen Worten: ein Teil des Xanthangummis
bleibt immer noch in der erhaltenen Lösung in Form
ungelöster Teilchen zurück.
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Die angegebenen Verfahren mit der Zugabe dritter
Komponenten, wie oberflächenaktive Mittel,
Wasserrückhaltematerialien, Gelatine, Benetzungsmittel,
Dispergiermittel und Siliziumdioxid, zeigen nur eine Wirkung einer
Verhinderung der Bildung von ungelösten Klumpen im
Wasser, liefern jedoch in keinem Fall Xanthangummi, das
unmittelbar in einer wäßrigen Salzlösung, um diese zu
verdicken, gelöst werden kann.
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Wie oben im einzelnen erläutert, ist das
herkömmliche Xanthangummi mit dem Problem behaftet, daß es in
wäßrigen Salzlösungen sehr schwer lösbar ist.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die
Breitstellung eines modifizierten Xanthangummis, das auch
bei Raumtemperatur unmittelbar in wäßrigen Salzlösungen,
wie Kochsalzlösungen, gelöst werden und damit ohne
weiteres eine gewünschte Wirkung eines Verdickens der wäßrigen
Salzlösungen entfalten kann. Eine andere Aufgabe dieser
Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zum
Modifizieren der physikalischen Eigenschaften von Xanthangummi.
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Das modifizierte Xanthangummi gemäß dieser Erfindung
besitzt eine Viskosität von nicht weniger als 800 mPa s,
bestimmt bei einer 0,5 gew.-%igen Lösung desselben in
einer 12 gew.-%igen wäßrigen Natriumchloridlösung bei
einer Drehzahl von 30/min und 20ºC mittels eines
Brookfield-BL-Viskometers, und ein Verhältnis dieser
Viskosität
zu der bei einer 0,5 gew.%igen Lösung desselben
in destilliertem Wasser bestimmten (Viskosität) von nicht
weniger als 1,5.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Behandeln von
Xanthangummi umfaßt die folgenden Schritte: Vermischen
eines organischen, hydrophilen Lösungsmittels, das
Xanthangummi nicht löst, mit einer wäßrigen Lösung von
Xanthangummi in einem Mischer, Zerschneiden von in der
Mischlösung gebildeten Niederschlägen zusammen mit der
Mischlösung in feine faserartige Materialien mittels
einer Schneideinheit, Abtrennen und Rückgewinnen der
suspendierten feinen faserartigen Materialien aus der
Mischlösung und anschließendes Trocknen der Materialien bei
einer Temperatur nicht über 80ºC.
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Das modifizierte Xanthangummi oder das nach dem
Verfahren zum Modifizieren von Xanthangummi gewonnene
Erzeugnis kann auch bei Raumtemperatur unmittelbar in
wäßrigen Salzlösungen, wie Kochsalzlösungen, gelöst
werden und daher wirksam eine gewünschte Wirkung einer
Verdickung der wäßrigen Salzlösungen entfalten.
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Das so erfindungsgemäß modifizierte Xanthangummi
ermöglicht die Weglassung etwaiger komplizierter
Arbeitsgänge, die beim Lösen von Xanthangummi in einer wäßrigen
Salzlösung nötig sind. Zudem kann das modifizierte
Xanthangummi ebenso unmittelbar in Seewasser, um dieses
wirksam zu verdicken, gelöst werden. Diese Wirkungen
konnten mit irgendeinem herkömmlichen Xanthangummi in
keinem Fall erreicht werden. Folglich besitzt das
modifizierte Xanthangummi gemäß dieser Erfindung einen ziemlich
hohen industriellen Nutzwert.
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Fig. 1 ist eine Schnittansicht einer Pumpenmühle
(pump mill), wie sie beim Verfahren zum Reinigen von
Xanthangummi gemäß dieser Erfindung eingesetzt wird.
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Wenn ein organisches Lösungsmittel und eine wäßrige
Lösung von Xanthangummi in einer rotierenden bzw.
Kreisel-Turbine 5 vermischt werden, fällt das Xanthangummi
aus. Das ausgefällte Xanthangummi wird mittels einer
Verblockungsschneideinheit (interlocking cutter) mit einem
festen Schneidelement (Messer) 11 und einem rotierenden
Schneidelement (Messer) 9 in feine faserartige
Materialien geschnitten, um damit eine Suspension zu bilden, in
welcher die faserartigen Materialien gleichmäßig
dispergiert sind. Sodann werden die flüssigen Komponenten der
Suspension entfernt zwecks (Rück-)Gewinnung der rohen,
feinen faserartigen Xanthangummikomponente. Das
Rohprodukt wird dann bei einer Temperatur nicht über 80ºC
getrocknet; damit erhält man das angestrebte modifizierte
Xanthangummi, das unmittelbar in einer wäßrigen
Salzlösung lösbar ist, um deren Viskosität zu erhöhen.
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Das mit der wäßrigen Xanthangummilösung vermischte
organische Lösungsmittel sollte ein hydrophiles
Lösungsmittel sein, das Xanthangummi nicht (auf)löst;
spezifische Beispiele hierfür sind Alkohole, wie
Isopropylalkohol, Methanol und Ethanol, sowie andere Lösungsmittel
wie Aceton, Tetrahydrofuran und Dioxan, wobei bevorzugt
Isopropylalkohol verwendet wird.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden die aus der
Suspension abgetrennten und (rück)gewonnenen feinen
faserartigen Materialien oder Stoffe bei einer Temperatur
nicht über 80ºC getrocknet. Wenn nämlich die
Trocknungstemperatur höher ist als 80ºC, verringert sich die
Löslichkeit des erhaltenen Xanthangummis in einer wäßrigen
Salzlösung.
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Das auf diese Weise gewonnene Xanthangummi ist in
wäßrigen Salzlösungen, wie einer wäßrigen Kochsalzlösung,
in hohem Maße löslich. Das gewonnene Xanthangummi besitzt
vorzugsweise Viskosität (1) von nicht weniger als
800 mPa s, bestimmt bei 20ºC bei (mit) einer
0,5 gew.-%igen Lösung desselben in einer 12 gew.-%igen
wäßrigen Natriumchloridlösung, und ein Verhältnis dieser
Viskosität (1) zu der bei (mit) einer 0,5 gew.-%igen
Lösung desselben in destilliertem Wasser bestimmten
(Viskosität) (2), d.h. (1)/(2), von nicht weniger als
1,5.
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Die Viskosität wird bei einer Drehzahl von 30/min
mittels eines Brookfield-BL-Viskometers bestimmt.
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Im folgenden ist die vorliegende Erfindung anhand
bevorzugter Beispiele beschrieben, welche diese Erfindung
jedoch nicht einschränken sollen.
Beispiel 1
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Fig. 1 ist eine Schnittansicht einer
Pumpenmühle (pump mill), wie sie beim Verfahren zum Reinigen
von Xanthangummi gemäß dieser Erfindung eingesetzt wird.
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Die Pumpenmühle gemäß Fig. 1 umfaßt eine
Antriebszone, eine Mischzone und eine Schneidzone. Die
Antriebszone enthält einen (nicht dargestellten) Motor, der mit
einer Turbinenwelle 13 verbunden ist, die zur Außenseite
eines zylindrischen Gehäuses 17 geführt (fitted) und
durch eine mechanische Dichtung 15 vom Inneren des
zylindrischen Gehäuses 17 getrennt ist. Die Mischzone und die
Schneidzone sind im zylindrischen Gehäuse 17 angeordnet.
Das zylindrische Gehäuse 17 weist eine Ansaugöffnung 1
und eine Austragöffnung 3 auf, und die Turbinenwelle 13
ist in seinem Zentrum (auf seiner Achse) angeordnet. Die
Mischzone umfaßt eine im Bereich der Ansaugöffnung 1 an
der Turbinenwelle 13 montierte rotierende oder Kreisel-
Turbine 5 und ein der rotierenden Turbine 5
gegenüberliegend angeordnetes Leitrad (stator) 7. Die Schneidzone ist
durch eine Kopplungs- oder Verblockungsschneideinheit mit
einem rotierenden Schneidelement (Messer) 9, das an der
Turbinenwelle 13 befestigt ist, sich neben der Mischzone
befindet und sich zur Austragöffnung 3 erstreckt, sowie
einem feststehenden Schneidelement (Messer) 11 gebildet,
das in enge Berührung mit dem rotierenden
Schneidelement 9 gelangt und letzteres umschließt. Die
rotierende Turbine 5 und das rotierende Schneidelement 9
weisen jeweils eine Spiralform auf und sind zur Achse der
Turbinenwelle 13 so geneigt, daß bei Drehung der
Turbinenwelle 13 die Transport- bzw. Förderkraft erzeugt wird.
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Zwischen der rotierenden Turbine 5 und dem Leitrad 7
ist ein Spalt a vorhanden, während zwischen dem
rotierenden Schneidelement 9 und dem festen Schneidelement 11 ein
Spalt b besteht. Die Größe dieser Spalte liegt allgemein
im Bereich von 0,1 - 5 mm, vorzugsweise in der
Größenordnung von 1 mm. Wenn die Größe der Spalte 5 mm
übersteigt, werden diese beiden (genannten) Arten von
Lösungen nicht ausreichend miteinander vermischt, so daß sich
die ausgefällte oder auch abgesetzte (deposited)
Xanthangummimenge verringert. Außerdem wird (in diesem Fall) das
ausgefällte Xanthangummi in der Schneidzone nicht
ausreichend fein geschnitten.
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Innerhalb der Pumpenmühle sind Strömungswege durch
Spalte jedes Teils sowie Spalte zwischen den Teilen
gebildet, so daß auf die durch einen Pfeil angedeutete
Weise Flüssigkeiten von der Ansaugöffnung 1 über den
Strömungsweg zur Austragöffnung 3 überführt werden.
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Wenn der Motor der Antriebszone gestartet wird,
rotiert in der Pumpenmühle die Turbinenwelle 13
entsprechend
in der durch einen Pfeil angegebenen Richtung,
wobei auch die rotierende Turbine 5 und das rotierende
Schneidelement 9 rotieren. Bei der vorliegenden Erfindung
ist es ausreichend, die Drehzahl der Turbinenwelle und
mithin der rotierenden Turbine und des rotierenden
Schneidelements auf nicht weniger als 1000/min
einzustellen. Wenn der Pumpenmühle über die Ansaugöffnung 1 ein
organisches Lösungsmittel und eine wäßrige
Xanthangummilösung gleichzeitig zugespeist werden, werden diese
beiden Flüssigkeitsarten unter der Wirkung der rotierenden
Turbine 5 miteinander vermischt. Die resultierende
Mischlösung wird beim Durchgang durch den Spalt a komprimiert,
so daß sie weiter durchgemischt wird und Xanthangummi
ausfällt oder sich absetzt. Das in dieser Stufe
ausgefällte Xanthangummi liegt in Form von Fäden (strings)
vor, kann jedoch den Spalt a zusammen mit den flüssigen
Komponenten passieren und wird über den Strömungsweg zum
Spalt b der Schneidzone überführt, in welcher das
ausgefällte Xanthangummi durch die Verblockungsschneideinheit
mit dem rotierenden und dem feststehenden
Schneidelement 9 bzw. 11 zu feinen faserartigen Materialien bzw.
Stoffen geschnitten wird. Im Spalt b erhaltenes
(gebildetes) feinteiliges Xanthangummi wird mit den flüssigen
Komponenten vermischt und über die Austragöffnung 3 in
Form einer Suspension ausgetragen. Die Pumpenmühle übt
einen Saugdruck und einen Austragdruck auf die zu
behandelnden Lösungen oder Flüssigkeiten aus; infolgedessen
werden die Mischlösung und das ausgefällte Xanthangummi
ohne Zurückhalten oder Verweilen kontinuierlich von der
Ansaugöffnung 1 zur Austragöffnung 3 gefördert.
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Die angegebene Pumpenmühle wurde mit einer
Einstellung der Drehzahl der rotierenden Turbine 5 und des
rotierenden Schneidelements auf 2000/min und der Größe
des Spalts b auf 1 mm betrieben; ein Xanthangummi in
einer Konzentration von 3 Gew.-% enthaltendes
Kulturmedium
und Isopropanol mit einem Wassergehalt von
15 Gew.-% wurden gleichzeitig über die Ansaugöffnung 1 in
Zuführmengen von 1000 1/h bzw. 1500 l/h eingeleitet. Die
aus der Austragöffnung 3 ausgetragene Suspension war frei
von fadenartigem Xanthangummi und bildete eine
gleichmäßige Suspension. Die Suspension wurde zur nächsten
Stufe überführt, um feine faserartige Materialien von der
Suspension abzutrennen und zu gewinnen. Insbesondere
konnten die feinen faserartigen Materialien durch
Entwässerungs- und Trocknungsprozesse gereinigt werden, so daß
Xanthangummi hoher Reinheit erhalten wurde.
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Das ausgefällte oder niedergeschlagene Xanthangummi
(15 kg) wurde 5 h lang in einem konischen 100
L-Vakuumtrockner bei einer Trocknungstemperatur im Bereich von
40 - 65ºC und einem Trocknungsdruck im Bereich von
40 - 100 Torr getrocknet. Sodann wurde das Xanthangummi
zu einem feinteilchenförmigen modifizierten Xanthangummi
(einer Größe) von nicht weniger als 80 mesh pulverisiert.
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Das so gewonnene modifizierte Xanthangummi (1 g)
wurde in einen 300 ml-Hochbecher (tau beaker) eingegeben
und durch Zugabe von 3 g 99-%igen Ethanols zum Quellen
gebracht. Sodann wurden dem Gemisch 196 g einer auf 20ºC
gehaltenen, 12 gew.-%igen wäßrigen Natriumchloridlösung
zugesetzt und das resultierende Gemisch 2 h mit 1000/min
mittels einer Ankerschaufel mit einem Außendurchmesser,
der 1/2 des Innendurchmessers des Bechers betrug,
gerührt. Damit wurde bestätigt, daß das modifizierte
Xanthangummi gleichmäßig darin gelöst war und sich die
Viskosität der wäßrigen Natriumchloridlösung erhöht
hatte.
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Die so erhaltene Lösung wurde 1 h lang bei 20ºC
stehengelassen, worauf ihre Viskosität mittels eines
Brookfield-BL-Viskometers bestimmt wurde. Die bei einer
Drehzahl des Viskometers von 30/min und mit der Spindel
Nr. 2 ermittelte Viskosität wurde zu 1080 mPa s
(Viskosität (1)) bestimmt.
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Hierauf wurde das modifizierte Xanthangummi in
destilliertem Wasser auf eine Konzentration von
0,5 Gew.-% (auf)gelöst. Die Viskosität der erhaltenen
wäßrigen Lösung des modifizierten Xanthangummis wurde bei
einer Drehzahl von 30/min und mit der Spindel Nr. 2
mitteis eines Brookfield-BL-Viskometers ermittelt und zu
560 mPa s (Viskosität (2)) bestimmt. Das
Viskositätsverhältnis dieser beiden Lösungsarten, d.h. (1)/(2),
betrug somit 1,93.
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Nebenbei hat es sich herausgestellt, daß die
Rührgeschwindigkeit beim Lösen des modifizierten
Xanthangummis in einer wäßrigen Salzlösung vorzugsweise nicht
weniger als 800/min betragen sollte. Die Form der (des)
Rührschaufel oder -flügels ist nicht auf eine spezifische
Form beschränkt, doch sollte damit vorzugsweise die
gesamte zu rührende Lösung fluidisierbar sein. Wenn das
modifizierte Xanthangummi unter diesen Bedingungen gelöst
wurde, erreichte die Lösung innerhalb einer Rührzeit in
der Größenordnung von etwa 60 min eine stabile
Viskosität. Es wurde auch festgestellt, daß auch dann keinerlei
Viskositätsänderung zu beobachten war, wenn die Lösung
für zusätzliche 2 - 12 h weitergerührt wurde.
Vergleichsbeispiel 1
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Das auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1
gewonnene niedergeschlagene bzw. ausgefällte Xanthangummi
(1 kg) wurde 5 h lang mittels eines Luftumwälztrockners
bei einer Temperatur von über 85ºC getrocknet und dann zu
einem feinteiligen Xanthangummi (einer Größe) von nicht
weniger als 80 mesh pulverisiert. Die Viskosität des
resultierenden feinteiligen Xanthangummis wurde auf die
gleiche Weise wie in Beispiel 1 ermittelt; dabei wurden
eine Viskosität (1) von 360 mPa s (in wäßriger
Salzlösung); eine Viskosität (2) von 520 mPa s (in
destilliertem Wasser) und ein Verhältnis (1)/(2) von 0,69
festgestellt.
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Bei diesem Beispiel blieb auch nach zweistündigem
Rühren eine große Menge an Teilchen in der wäßrigen
Salzlösung ungelöst Das Rühren wurde bis zu weiteren 12 h
weitergeführt, doch wurden dabei die ungelösten Teilchen
überhaupt nicht gelöst.
Vergleichsbeispiel 2
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Verschiedene handelsübliche Xanthangummis wurden
jeweils entsprechend Beispiel 1 in einer wäßrigen
Salzlösung (auf)gelöst; ihre Viskosität (1) wurde auf die
gleiche Weise (wie vorher) bestimmt. Außerdem wurde das
Xanthangummi entsprechend Beispiel 1 auch in
destilliertem Wasser gelöst, und seine Viskosität (2) wurde
gleichfalls bestimmt. Die erzielten Ergebnisse (Viskosität (1))
und Viskositätsverhältnisse: (1)/(2) sind in der
folgenden Tabelle 1 zusammengefaßt.
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In allen untersuchten Fällen blieb auch bei
zweistündigem Rühren ein großer Anteil von Teilchen in der
wäßrigen Salzlösung ungelöst. Das Rühren wurde um bis zu
12 weitere Stunden fortgesetzt, wobei die ungelösten
Teilchen jedoch überhaupt nicht gelöst wurden.
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Es wurde auch festgestellt, daß im Handel kein
Xanthangummi mit einer Viskosität (1) von nicht weniger
als 800 mPa s und dem Viskositätsverhältnis (1)/(2) von
nicht weniger als 1,5 erhältlich ist.
Tabelle 1
Beispiel 2
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Eine 5 gew.-%ige wäßrige Lösung des in
Vergleichsbeispiel 2 verwendeten, handelsüblichen Keltrol-T
(Viskosität (1) = 280 mPa s) wurde als Ausgangsmaterial
eingesetzt. Die Lösung wurde auf die gleiche Weise wie in
Beispiel 1 mit Isopropanol vermischt, um
niedergeschlagenes bzw. ausgefälltes (deposited) Xanthangummi zu
erhalten, worauf ein Trocknen und Pulverisieren zu einem
feinteiligen modifizierten Xanthangummi (einer Größe) von
nicht weniger als 80 mesh erfolgte.
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Das erhaltene Erzeugnis besaß eine Viskosität (1)
(in wäßriger Salzlösung) von 820 mPa s, eine
Viskosität (2) (in destilliertem Wasser) von 400 mPa s und das
Viskositätsverhältnis (1)/(2) von 2,05. Hierbei zeigte es
sich ebenfalls, daß das Erzeugnis in wäßrigen
Salzlösungen in hohem Maße löslich war.