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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
die Herstellung einer süßenden Substanz,
insbesondere die Isolierung von α-L-Aspartyl-L-phenylalaninmethylester-Kristallen.
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Hintergrund
der Erfindung
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α-L-Aspartyl-L-phenylalaninmethylester,
nachfolgend als Aspartam bezeichnet, ist ein Zuckerersatz mit wenigen
Kalorien. Das Aspartam wird industriell in mehreren verschiedenen
Verfahren, die auf dem Gebiet gut bekannt sind, synthetisiert. Das
synthetisierte Aspartam wird dann unter Bereitstellung einer handelsüblich geeigneten
Form isoliert und manchmal unter Bereitstellung verschiedener Endverbraucherprodukte,
wie granuliertem Aspartam oder pulverförmigem Aspartam, weiter verarbeitet.
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Die Isolierung des Aspartams umfaßt Kristallisieren
des Aspartams aus einer Aspartamlösung, wobei die Lösung zu
einer Suspension von Aspartamkristallen und Lösungsmittel wird. Die Kristallisation
wird entweder durch Kühlen
der Aspartamlösung
oder durch Verdampfen des Lösungsmittels
durchgeführt. Üblicherweise
trennt eine Entwässerungs-
oder Trennstufe die festen Aspartamkristalle von dem Lösungsmittel,
und es folgt eine Trocknungsstufe, um das Lösungsmittel weiter aus den
Kristallen zu entfernen.
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Zentrifugation wird häufig bei
der Trennung der festen Kristalle von der Suspension angewendet.
Jedoch erfordert die Zentrifugation viel Wasser zum Waschen der
Festphasenkristalle, und dies ist wirtschaftlich nicht erwünscht. Darüber hinaus
können
einige Aspartamkristalle in dem Waschwasser erneut gelöst werden, was
die Ausbeute des Aspartams herabsetzen kann.Alternativ ist auf dem
Gebiet die Vakuumfiltration bekannt, bei der das Lösungsmittel
durch die Wirkung des Vakuums abfließt und die Aspartamkristalle
auf dem Filterbett zurückbleiben.
Diese Methode erfordert eine relativ geringe Menge an Wasser.
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Es ist auf dem Gebiet bekannt, daß die Entfernung
von Wasser in diesen Entwässerungs-
oder Trennungstechniken erheblich von den Kristallstrukturen abhängt, welche
wiederum von den Bedingungen der Kristallisation bestimmt werden.
Einige Kristalle, welche nadelartige Formen aufweisen, zeigen eine
schlechte Entwässerbarkeit
und erfordern bei der Zentrifugations- oder Vakuumentwässerung
einen längeren
Zeitraum. Darüber
hinaus ist der Feuchtigkeitsgehalt in den durch die Entwässerung
getrennten Kristallen hoch, was einen längeren Trocknungsprozeß erfordert.
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Es wird in den US-Patenten Nr. 5
041 607, 5 097 060, 5 543 554 und 5 744 632 vorgeschlagen, daß bei der
Kristallisation durch Kühlung
ein Aufheben der erzwungenen Strömung
oder des Rührens
der Aspartamlösung,
was üblicherweise
praktiziert wird, um die Lösung
homogen zu kühlen,
Aspartamkristalle mit guter Entwässerbarkeit
liefert. Jedoch benötigt
eine Kühlkristallisation
ohne erzwungene Strömung
oder Rühren eine
längere
Zeit als mit erzwungener Strömung
und erzeugt einen Temperaturgradienten innerhalb der Lösung, welcher
eine gleichmäßige Kristallisation
des Aspartams hemmen kann. Darüber
hinaus ist es ohne die erzwungene Strömung der Lösung schwierig, die Kristallisation
in einem kontinuierlichen Modus durchzuführen.
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Daher besteht ein Bedarf nach einem
Verfahren zur Trennung von Aspartamkristallen mit niedrigem Feuchtigkeitsgehalt,
unabhängig
von dem Kristallisationsverfahren und dessen Bedingungen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Der vorgenannte Bedarf wird durch
die verschiedenen Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung erfüllt.
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Die vorliegende Erfindung liefert
ein Verfahren zur Isolierung von α-L-Aspartyl-Lphenylalaninmethylester-(Aspartam)-Kristallen
aus einer Suspension, welche eine Flüssigkeit und die Aspartamkristalle
darin suspendiert enthält.
Gemäß dem Verfahren
wird die Aspartamsuspension durch Kristallisieren der wäßrigen Aspartamlösung hergestellt
und in einen von einem Filtertuch eingeschlossenen Bereich innerhalb
einer festen Kammer bei einem ersten Druck eingebracht. Das Filtertuch
hat eine große
Anzahl von durchlässigen
Perforationen, durch welche ein Teil der Flüssigkeit der Suspension vorab
entfernt wird. Ein elastischer Schlauch ist in der festen Kammer
vorgesehen und wird aufgebläht,
um den Filterkuchen bei einem zweiten Druck zusammenzudrücken und
die in dem Filterkuchen zurückgebliebene
Flüssigkeit
durch die Perforationen des Filtertuches zu entfernen. Der Filterkuchen
wird schließlich
aus der Kammer entnommen.
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Diese und andere Merkmale der vorliegenden
Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den Patentansprüchen vollständig klar.
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Kurze Beschreibung
der Figuren
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1 zeigt
eine Querschnittsansicht eines beispielhaften Filters gemäß der vorliegenden
Erfindung. Die Zeichnung soll eine Art und Weise der Trennung der
Aspartamkristalle der vorliegenden Erfindung erläutern und die Endung nicht
beschränken.
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Ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Aspartam wird nach irgendeinem auf
dem Gebiet bekannten Verfahren synthetisiert und eine wäßrige Aspartamlösung hergestellt.
Das Aspartam wird aus der wäßrigen Aspartamlösung nach
irgendeinem bekannten Kristallisationsverfahren kristallisiert.
Das Aspartam wird entweder durch Anwendung von Kühlung oder Verdampfung kristallisiert.
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Vor der Kristallisation wird die
wäßrige Aspartamlösung im
allgemeinen erwärmt,
um die Konzentration hoch genug einzustellen, um bei der Kristallisation
eine angemessene Menge an Aspartamkristallen zu erhalten. Die Aspartamlösung wird
erwärmt,
bis das Aspartam zu zerfallen beginnt und Benzyl-3,6-dioxo-2-piperazin-Essigsäure oder α-L-Aspartyl-L-phenylalanin
bildet, was bei etwa 70°C
stattfindet. Die anfängliche
Temperatur der Aspartamlösung,
welche der Kristallisation zugeführt
wird, beträgt
vorteilhafterweise von etwa 30°C bis
etwa 70°C.
Zweckmäßigerweise
wird die Lösung
bei etwa 40°C
bis etwa 60°C
dem Einlaß zugeführt.
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Wenn die Kühlkristallisation angewendet
wird, kann erzwungene Strömung
oder Rühren
der wäßrigen Aspartamlösung angewendet
oder nicht angewendet werden. Wenn der Kristallisationsprozeß zum Abschluß kommt,
wird die Aspartamlösung
eine Suspension, in weicher die Aspartamkristalle in der verbleibenden
Lösung
suspendiert sind.
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Die Trennung der Aspartamkristalle
von dem Wasser gemäß der vorliegenden
Erfindung wird durch Filtern der Suspension unter Anwendung von
hohem Druck auf die zu filternde Suspension durchgeführt. 1 erläutert schematisch einen im
Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung zu verwendenden Filter 10.
Der Filter 10 weist ein Paar von zueinander passenden Gefäßen 12, 14 auf,
welche innen eine Kammer 16 ausbilden, wenn sie miteinander
verbunden sind. Die oberen und unteren Gefäße 12, 14 werden
vorteilhafterweise wasserdicht miteinander verbunden, um jedes Auslaufen
der Suspension oder wäßrigen Lösung während der
Druckfiltration der vorliegenden Erfindung zu vermeiden.
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Innerhalb der Kammer 16 ist
ein Filtertuch 18 vorgesehen, welches vorteilhafterweise
die innere Oberfläche
des unteren Gefäßes 12 bedeckt.
Der Umfangsrand des Filtertuches 18 ist vorteil hafterweise
zwischen den zueinander passenden Bereichen der unteren und oberen
Gefäße 12, 14 angeordnet,
welche das Filtertuch 18, das die innere Oberfläche des
unteren Gefäßes 12 bedeckt,
zum Filtern der Aspartamsuspension in der Kammer 16 hält, wie
es nachfolgend beschrieben werden wird. Das Filtertuch 18 hat
Perforationen (nicht dargestellt) von weniger als etwa 3 m3/m2 min bei dem
Druck von 200 Pa.
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Ein Einlaßdurchgang 20 ist
zum Einbringen der Aspartamlösung
in die Kammer 16 vorgesehen. Der Einlaßdurchgang 20 ist
vorteilhafterweise durch die Seitenwand des oberen Gefäßes 14 ausgebildet,
um die Aspartamlösung über dem
Filtertuch 18 zuzuführen.
Ein Auslaßdurchgang 22 zum
Austragen des Filtrates, d. h. der Flüssigkeit, in welcher die Aspartamkristalle
vor der Filtration suspendiert sind, ist an dem unteren Gefäß 12 vorgesehen.
Der Auslaßdurchgang 22 ist
vorteilhafterweise an dem Boden der Kammer 16 ausgebildet,
um den Abfluß des
Filtrates zu erleichtern.
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In der Kammer 16 ist ein
Diaphragmaschlauch 24 vorgesehen, der durch unter Druck
gesetztes Wasser oder Luft aufgebläht wird, und er ist verbunden
mit einem Durchgang 26, der durch das obere Gefäß 14 ausgebildet
ist. Der Diaphragmaschlauch 24 erzeugt Druck, wenn unter
Druck stehendes Wasser oder Luft durch den Durchgang 26 in
den Diaphragmaschlauch 24 zugeführt wird. Der von dem Diaphragmaschlauch 24 erzeugte
Druck drückt
abwärts
und filtriert die Aspartamsuspension durch das Filtertuch 18.
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Die Aspartamsuspension wird durch
den Einlaßdurchgang 20 in
die Kammer 16 des Filters 10 zugeführt. Die
wäßrige Lösung, in
welcher die Kristalle suspendiert sind, beginnt durch das Filtertuch 18 zu
strömen, und
in der Kammer 16 wird ein Filterkuchen (nicht dargestellt)
gebildet. Wenn die Filterkammer 16 mit dem Filterkuchen
gefüllt
ist, wird die Zuführung
der Suspension gestoppt. Ein undurchlässiges Dichtungsmaterial (nicht
dargestellt), wie Gummi, Silikon oder eine Teflonscheibe, dichtet
vorteilhafterweise die zueinander passenden Bereiche der unteren
und oberen Gefäße 12, 14 ab,
um den Ausfluß der
Suspension zu unterbinden.
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Alternativ kann die Aspartamsuspension
in die Kammer 16 gepumpt werden. Der Druck des Pumpens der
Suspension beträgt
vorteilhafterweise wenigstens etwa 0,5 bar und besonders vorteilhaft
von etwa 1 bar bis etwa 12 bar. Wenn der Pumpdruck zunimmt, wird
die wäßrige Lösung zum
Strömen
durch das Filtertuch 18 gezwungen und fließt durch
den Auslaßdurchgang 22 ab.
Wenn die Filterkammer 16 mit dem Filterkuchen gefüllt ist,
wird die Zuführung
der Suspension gestoppt.
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Hoher Druck wird darauf aufgebracht
und drückt
den Filterkuchen durch Aufblähen
des Diaphragmaschlauches 24 aus, wie es oben beschrieben
ist. Der auf die Filterkuchen angewendete Druck beträgt vorteilhafterweise
von etwa 2 bar bis etwa 20 bar und bevorzugt von etwa 4 bar bis
etwa 12 bar. Durch dieses Ausdrücken
des Filterkuchens unter Druck wird die in dem Filterkuchen zurückgehaltene
wäßrige Lösung durch das
Filtertuch 18 gefiltert. Ein Gitter 28 mit einer
großen
Anzahl kleiner Öffnungen 30 kann
am Boden der Kammer 16 zur Verbesserung der Filtration
vorgesehen sein. Das durch das Filtertuch 18 filtrierte
Filtrat läuft über den
Auslaßdurchgang 22 ab.
Der auf diese Weise entwässerte
Filterkuchen des Aspartams wird aus der Filterkammer entnommen und
den nachfolgenden Verfahren zugeführt, einschließlich Trocknen.
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Vor der Entnahme des Kuchens wird
der Filterkuchen mit einem Lösungsmittel
gewaschen, welches vorteilhafterweise durch den Suspensionseinlaßdurchgang 20 des
Filters 10 zugeführt
wird. Der Filterkuchen kann mit dem während der Druckfiltration gemäß der vorliegenden
Erfindung gesammelten Filtrat gewaschen werden. Vorteilhafterweise
wäscht
sterilisiertes Wasser die Filterkuchen unter Verminderung der Verunreinigungen
innerhalb der Kuchen. Das Waschwasser verteilt sich vorteilhafterweise
auch gleichmäßig über den Kuchen,
was zu einem gleichmäßigen Waschen
und gleichmäßiger Reinheit
des Kuchens führt.
Eine zusätzliche
Druckfiltration wird vorteilhafterweise angewendet, um Wasser innerhalb
des Filterkuchens weiter zu entfernen.
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Weiterhin kann mit Vorteil unter
Druck stehende trockene Luft entweder vor oder nach dem Entnehmen
des Kuchens aus der Kammer 16 auf den Kuchen geblasen werden.
Bevorzugt wird die unter Druck stehende Luft vor dem Aufblasen erwärmt. Wenn
sie vor der Entnahme des Kuchens aufgeblasen wird, wird die trockene
Luft vorteilhafterweise durch die Einlaßdurchgänge 20 des Filters 10 hindurchgeblasen.
Die unter Druck stehende trockene Luft bläst die in dem Kuchen zurückgebliebene
Feuchtigkeit weg und erlaubt, daß der Feuchtigkeitsgehalt minimiert
wird. Die unter Druck stehende Luft wird mit einem Druck von etwa
0,5 bar bis etwa 10 bar für wenigstens eine Minute aufgeblasen.
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Die vorliegende Erfindung wird nun
anhand der folgenden Beispiele weiter beschrieben, welche zur Erläuterung
und nicht zur Beschränkung
der vorliegenden Erfindung vorgesehen sind.
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Kristallisation von Aspartam Beispiel
1
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Eine wäßrige Aspartamlösung wurde
für die
Kristallisation hergestellt, und die anfängliche Konzentration des in
der Lösung
gelösten
Aspartams wurde auf 5 Gew.-% bei 60°C eingestellt. 100 I der vorbereiteten Aspartamlösung wurden
in einen Kristallisierer eingebracht, der ein Kristallisiergefäß, mehrere
Platten innerhalb des Gefäßes und
mehrere Mäntel
um das Gefäß herum
aufwies. Wasser von 5°C
wurde den Platten und den Mänteln
zugeführt,
um die in dem Gefäß enthaltene
Aspartamlösung
durch leitenden Wärmeaustausch
zu kühlen.
Die Aspartamlösung
wurde ohne jede erzwungene Strömung
oder Bewegung der Lösung
auf 25°C
gekühlt,
wobei das in der Lösung
gelöste
Aspartam kristallisierte. Das kristallisierte Aspartam und die restliche Lösung wurden
in ein anderes Gefäß überführt, in
welchem sie mittels eines Rührers,
der mit 10 U. p. M. rotierte, unter Zwang gerührt wurden, um das Aspartam
in der restlichen Lösung
weiter zu kristallisieren und um die Trennung von festen und flüssigen Phasen
in der nachfolgenden Stufe zu erleichtern, während sie weiter auf 8°C gekühlt wurden.
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Beispiel 2
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Eine wäßrige Aspartamlösung wurde
für die
Kristallisation hergestellt, und die anfängliche Konzentration von in
der Lösung
gelöstem
Aspartam wurde auf 5 Gew.-% bei 60°C eingestellt. 100 l der vorbereiteten Aspartamlösung wurden
in einen Kristallisieren eingebracht, welcher ein Kristallisiergefäß, mehrere
Mäntel
um das Gefäß herum
und einen in dem Gefäß vorgesehenen
rotierenden Rühren
aufwies. Wasser von 5°C
wurde den Mänteln
zugeführt,
um die in dem Gefäß enthaltene
Aspartamlösung
durch leitenden Wärmeaustausch
zu kühlen.
Die Aspartamlösung
wurde unter erzwungener Strömung
oder Bewegung durch den Rührer,
der mit 30 U. p. M. rotierte, gekühlt, wobei in der Lösung gelöstes Aspartam
kristallisierte.
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Entwässerung
von Aspartamkristallen
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Beispiel 3
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Dieses Experiment wurde unter Verwendung
eines "automatischen Druckfilters", Larox PF 0.1 H2, erhältlich von
LAROX Oy, Lappeenranta, durchgeführt.
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100 l der in Beispiel 1 hergestellten
Aspartamsuspension, welche 5 Gew.-% Aspartam enthielt, wurden bei
7 bar für
30 Minuten in eine Kammer des Filters gepumpt, welcher in der Kammer
einen Aspartamfilterkuchen ausbildete. Unter Druck stehendes Wasser
wurde in einen Diaphragmaschlauch des Filters eingebracht. Der Diaphragmaschlauch
blähte
sich auf und preßte den
Filterkuchen mit 5 bar für
2 Minuten nach unten. Das Filtrat der Filtration wurde gesammelt,
und 1 l des gesammelten Filtrates wurde zum Waschen des Filterkuchens
in die Kammer eingeleitet. Wiederum wurde unter Druck stehendes
Wasser in den Diaphragmaschlauch eingeleitet und erzeugte den Druck
von 5 bar auf dem gewaschenen Filterkuchen für 1 Minute. Sterilisierte Luft mit
einer Temperatur von 25°C
wurde mit 4 bar für
3 Minuten auf den Kuchen geblasen. Der Filterkuchen wurde schließlich aus
der Kammer entnommen und zur weiteren Entfernung von Feuchtigkeit
getrocknet.
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Die Filterkapazität auf der Grundlage des getrockneten
Feststoffs betrug 76 kg/m2h. Der Feuchtigkeitsgehalt
des entnommenen Kuchens betrug 28 Gew.-%, und die Verunreinigungen
in dem Kuchen betrugen 0,21 Gew.-%.
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Beispiel 4
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Das gleiche Experiment wie in Beispiel
3 wurde wiederholt mit der Ausnahme, daß die Temperatur der sterilisierten
Luft 35 °C
betrug. Die Filterkapazität
auf der Grundlage des getrockneten Feststoffs betrug 75 kg/m2h. Der Feuchtigkeitsgehalt des entnommenen
Kuchens betrug 24,5 Gew.-%. Die Verunreinigungen in dem Kuchen betrugen
0,2 Gew.-%. 6 Minuten und 40 Sekunden wurden benötigt, um das getrocknete Aspartam
in Wasser von 25 °C
unter Herstellung einer 0,6%-igen Aspartamlösung zu lösen.
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Beispiel 5
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Das gleiche Experiment wie in Beispiel
3 wurde wiederholt mit der Ausnahme, daß die verwendete Aspartamlösung gemäß Beispiel
2 hergestellt wurde. Die Filterkapazität auf der Grundlage des getrockneten Feststoffs
betrug 60 kg/m2h. Der Feuchtigkeitsgehalt
des entnommenen Kuchens betrug 34,3 Gew.-%. Die Verunreinigungen
in dem Kuchen betrugen 0,34 Gew.-%. 8 Minuten und 10 Sekunden wurden
benötigt,
um das getrocknete Aspartam in Wasser von 25°C unter Herstellung einer 0,6
%-igen Aspartamlösung
zu lösen.
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Beispiel 6
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Das gleiche Experiment wie in Beispiel
4 wurde wiederholt mit der Ausnahme, daß die verwendete Aspartamsuspension
gemäß Beispiel
2 hergestellt wurde. Die Filterkapazität auf der Grundlage des getrockneten Feststoffs
betrug 60,5 kg/m2h. Der Feuchtigkeitsgehalt
des entnommenen Kuchens betrug 30,1 Gew.-%. Die Verunreinigungen
in dem Kuchen betrugen 0,32 Gew.-%. 8 Minuten und 15 Sekunden wurden
benötigt,
um das getrocknete Aspartam in Wasser von 25°C unter Herstellung einer 0,6
%-igen Aspartamlösung
zu lösen.
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Beispiel 7
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100 l der in Beispiel 1 hergestellten
Aspartamsuspension, welche 5 Gew.-% Aspartam enthielt, wurden bei
600 × g
mit einem Zentrifugator, der das gleiche Filtertuch wie in Beispiel
3 aufwies, zentrifugiert. Die zentrifugierten Aspartamkristalle
wurden mit 1 l abgeflossenem Filtrat, welches während der Zentrifugation gesammelt
wurde, sprühgewaschen.
Die durch die Zentrifugation entwässerten Aspartamkristalle wurden
entnommen. Die Kapazität
der Aspartamsuspension, bezogen auf getrocknete feste Kristalle,
betrug 20,2 kg/m2h. Der Feuchtigkeitsgehalt
des entnommenen Kuchens betrug 39,2 Gew.-%. Die Verunreinigungen
in dem Kuchen betrugen 0,7 Gew.-%. Die Zeit, die zum Lösen des
Aspartams nach dem Trocknen in Wasser unter Herstellung einer 0,6
%-igen Lösung
bei 25°C
benötigt
wurde, betrug 14 Minuten und 30 Sekunden.
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Beispiel 8
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Das gleiche Experiment wie in Beispiel
7 wurde wiederholt mit der Ausnahme, daß die verwendete Aspartamsuspension
gemäß Beispiel
2 hergestellt wurde. Die Kapazität
der Aspartamsuspension, bezogen auf getrocknete feste Kristalle,
betrug 14,3 kg/m2h. Der Feuchtigkeitsgehalt
des entnommenen Kuchens betrug 48,1 Gew.-%. Die Verunreinigungen
in dem Kuchen betrugen 1,03 Gew.-%. Die Zeit, die zum Lösen des
Aspartams nach dem Trocknen in Wasser zur Herstellung einer 0,6
%-igen Lösung
bei 25 °C
benötigt
wurde, betrug 18 Minuten und 10 Sekunden.
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Die nachfolgende Tabelle 1 faßt die Entwässerungsbeispiele
3 bis 8 zusammen. In den Beispielen 3 bis 6 wurde Wasser durch Druckfiltration
gemäß der vorliegenden
Erfindung entfernt. In den Beispielen 7 und 8 wurde Zentrifugation
beim Entfernen des Wassers aus der Suspension angewendet. Die Beispiele
5, 6 und 8 wendeten während
der Kristallisation erzwungene Bewegung an, und bei den Beispielen
3, 4 und 7 war dies nicht der Fall.
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Die Filterkapazitäten von Kristallen, die durch
die Druckfiltration gemäß der vorliegenden
Erfindung (Beispiele 3 bis 6) erhalten werden, betragen mehr als
oder etwa das Dreifache von denjenigen, die durch Zentrifugation
erhalten werden (Beispiele 7 und 8). Die Feuchtigkeitsgehalte der
Kuchen, die nach der vorliegenden Erfindung entwässert wurden, sind alle geringer
als von denjenigen, die zentrifugiert wurden. Da die Verunreinigungen
in der Suspension meistens in der Flüssigkeit gelöst sind,
sind sie in hohem Maße
von den Feuchtigkeitsgehalten abhängig. Dementsprechend sind
die Verunreinigungsgehalte in den nach der vorliegenden Erfindung
erhaltenen Kristallen ebenfalls geringer. Die Löslichkeit der Aspartamkristalle
bei Raumtemperatur wurde durch Entwässern gemäß der vorliegenden Erfindung
dramatisch verbessert.
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Die Eigenschaften der Aspartamkristalle
der Beispiele 3 bis 6 sind viel vorteilhafter als diejenigen der Beispiele
7 und 8, unabhängig
von der Anwendung von erzwungener Bewegung während der Kristallisation.
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Obwohl die vorliegende Erfindung
anhand von Ausführungsformen
beschrieben wurde, werden dem Fachmann auf dem Gebiet vor dem Hintergrund
der Offenbarung hierin andere Ausführungsformen deutlich werden.
Dementsprechend soll die vorliegende Erfindung durch die Beschreibung
der Ausführungsformen nicht
beschränkt,
sondern statt dessen alleine unter Bezugnahme auf die anhängenden
Patentansprüche
definiert sein.