DE69824868T2

DE69824868T2 - Verfahren zur herstellung von l-arabinose aus zuckerrübenpulpe

Info

Publication number: DE69824868T2
Application number: DE69824868T
Authority: DE
Inventors: Juhani Antila; Vili Ravanko; Pertti Walliander
Original assignee: Danisco Sugar Finland Oy
Current assignee: Nordic Sugar Oy
Priority date: 1997-08-26
Filing date: 1998-08-26
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2018-08-27
Also published as: WO1999010542A1; EP1012349A1; FI104500B; ES2223136T3; EP1012349B1; DK1012349T3; AU8981598A; ATE270346T1; CA2301220A1; DE69824868D1; US6506897B1; FI980119A; FI980119A0; JP2001514018A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung kristalliner L-Arabinose durch Extraktion von Zuckerrübenpulpe, aus der Zucker extrahiert worden ist, in einer stark alkalischen Lösung, durch Hydrolyse des erhaltenen rohen Araban mit einer starken Säure bei erhöhter Temperatur, durch chromatographische Abtrennung der L-Arabinose-Fraktion, durch Reinigung der so erhaltenen L-Arabinose-Lösung mittels Kationen- und Anionenaustauscher und absorbierenden Harzen, und durch Gewinnung der reinen L-Arabinose als kristallines Produkt.
Beschreibung des Standes der Technik
L-Arabinose wurde durch Säurehydrolyse aus Arabinose enthaltenden pflanzlichen Materialien, z. B. Gummi arabicum, hergestellt. Ein anderes gutbekanntes Ausgangsmaterial ist Zuckerrübenpulpe, aus der Zucker extrahiert wurden; L-Arabinose wurde aus diesem Material durch alkalische oder saure Hydrolyse, gefolgt von einer mehrstufigen Reinigung, hergestellt. Das US-Patent 4 816 078 beispielsweise lehrt ein Verfahren zur Herstellung von L-Arabinose aus Zuckerrübenpulpe durch Hydrolyse in Gegenwart von Kalk, durch Filtration und chromatographische Abtrennung der Araban-Fraktion, wonach das Araban einer Hydrolyse durch Zusatz von Säure unterworfen wird und die erhaltene L-Arabinose durch Chromatographie unter Verwendung eines Kationenaustauschers in Ca-Form abgetrennt wird. Nach einem früheren Verfahren, das in der veröffentlichten GB-Anmeldung 1 182 099 beschrieben wird, wird L-Arabinose aus einem Rübenpulpe-Hydrolysat durch Kristallisation aus einer alkoholischen Lösung hergestellt.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Es wurde nun festgestellt, daß L-Arabinose in guter Ausbeute aus Zuckerrübenpulpe, aus der Zucker extrahiert worden ist, durch einfache alkalische Extraktion, durch Säurehydrolyse und chromatographische Abtrennung unter Verwendung eines Kationenaustauschers in monovalenter Metall(Na⁺)-Form als trennendes Harz unter Erhalt einer L-Arabinose-enthaltenden Fraktion erhalten werden kann. Als letzter Schritt wird die L- Arabinose aus einer wäßrigen Lösung kristallisiert. Das Verfahren vermeidet die früheren mehreren Stufen der Trennung und Reinigung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Das Verfahren der Erfindung ermöglicht die Herstellung von reiner L-Arabinose. Gemäß der Erfindung wird Zuckerrübenpulpe, aus der Zucker extrahiert worden ist, mit einer alkalischen Lösung extrahiert, um das Araban zu lösen. Nach Filtration wird der alkalische Extrakt mit Säure hydrolysiert, wobei eine Lösung von roher L-Arabinose erhalten wird. Die rohe Arabinose-Fraktion wird einer chromatographischen Trennung durch Verwendung eines Kationenaustauscherharzes in monovalenter Metallform (Na⁺) (z. B. sulfoniertes Polystyroldivinylbenzol; 5,5% DVB) und Wasser als Elutionsmittel unterworfen. Die Lösung wird dann durch Ionenaustausch gereinigt. Die Lösung wird auf etwa 70 Gew.-% konzentriert und die reine L-Arabinose wird kristallisiert. Die Kristalle werden durch Zentrifugation abgetrennt und an der Luft getrocknet.
Das Abtrennen des Harzes, das bei der chromatographischen Abtrennung eingesetzt wird, ist vorzugsweise sulfoniertes Polystyroldivinylbenzol (5,5% DVB) in monovalenter Metallform (Na⁺, K⁺). Ein Reinigung und eine Farbentfernung werden mit Kationen- und Anionenaustauscherharzen und anderen Adsorptionsharzen durchgeführt.
Als Beschickungsmaterial wird vorzugsweise Zuckerrübenpulpe verwendet, die durch das biotechnische Verfahren gemäß der finnischen Patentanmeldung 973 501 stabilisiert worden ist. Im folgenden wird ein allgemeines Fließschema angegeben.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird Zuckerrübenpulpe, aus der Zucker extrahiert wurde, in einer stark alkalischen Lösung suspendiert und für 4 bis 5 Stunden bei einem pH von etwa 10 bis 12 und einer Temperatur von 95 bis 100°C extrahiert. Die alkalische "Lösung" ist vorzugsweise Kalkmilch, die 25 bis 40 Gew.-% Ca(OH)₂, bezogen auf die Trockensubstanz der Zuckerrübenpulpe, enthält. Gegebenenfalls können gepufferte alkalische Lösungen (KOH, NaOH) in der Extraktion verwendet werden. Das erhaltene Gemisch wird z. B. mit Kohlendioxid oder gegebenenfalls Schwefelsäure auf pH 9 oder darunter neutralisiert, um das Calciumsalz auszufällen. Nach Filtration wird die Lösung auf etwa 40 Gew.-% konzentriert und dann einer Säurehydrolyse, z. B. durch Zusatz von Schwefelsäure auf pH etwa 0,8, unterworfen. Die Hydrolyse wird bei etwa 90°C durchgeführt, wonach die Lösung auf etwa 70°C abgekühlt wird und durch Zusatz von Alkali (z. B. NaOH) auf einen pH von etwa 6 neutralisiert wird. Die neutralisierte Lösung wird einer chromatographischen Trennung unterzogen, indem ein Kationenaustauscherharz in monovalenter Metallform, vorzugsweise Na⁺-Form, verwendet wird. Die Arabinose-enthaltende abgetrennte Fraktion hat einen Trockensubstanzgehalt von 5 bis 10%, von dem 75 bis 80% L-Arabinose sind. Reine L-Arabinose-Kristalle werden durch Einengen (eine Lösung von etwa 70 Gew.-%), Impfen und Kühlungskristallisation erhalten. Die Kristalle werden durch Zentrifugation abgetrennt.
Ein weiterer vorteilhafter Weg Araban zu extrahieren und zu hydrolysieren, besteht in der Durchführung eine Säurehydrolyse nach alkalischer Hydrolyse, um das Araban in L-Arabinose abzubauen. In dieser Ausführungsform nimmt die alkalische Extraktion etwa 4 bis 5 Stunden in Anspruch, wonach der pH mit Schwefelsäure auf etwa 0,8 eingestellt wird. Der Extrakt wird bei 90°C behandelt, bis das Araban abgebaut ist, wonach die Suspension neutralisiert wird (pH 6), durch eine Filterpresse filtriert und durch Einengung zur chromatographischen Trennung konzentriert wird.
Die Wahl der Ausführungsform hängt von der Vorrichtungskapazität und der Eignung des Ausgangsmaterials ab.
Beispiel 1
Calciumhydroxid wurde in einer Menge von 30 bis 40 Gew.-% zu heißem Wasser (95 bis 100°C) gegeben. Getrocknete Zuckerrübenpulpe, aus der Zucker extrahiert worden war und die eine Grobkörnigkeit von etwa 0,5 cm aufwies, wurde in der erhaltenen Kalkmilch zu einer Lösung mit etwa 8 Gew.-% suspendiert und für 3 bis 4 Stunden bei einer Temperatur von 95 bis 100°C und einem pH von 10 bis 12 gemischt. Das Gemisch wurde auf 75°C gekühlt und durch Zusatz von Kohlendioxid bis zu pH 9 neutralisiert, um das Calciumcarbonat auszufällen. Das neutralisierte Gemisch wurde in einer Filterpresse filtriert.
Das Filtrat, das 4% Polysaccharide (rohes Arabino-Galactan) enthielt, wurde durch Verdampfung auf 40 Gew.-% konzentriert und Schwefelsäure wurde bis pH 0,8 zugesetzt. Das Araban wurde bei 90°C hydrolysiert, wonach die Lösung auf 70°C abgekühlt wurde; 10 Gew.-% Natriumhydroxid-Lösung wurde bis pH 6 zugesetzt. Die neutralisierte Lösung wurde filtriert und die L-Arabinose durch Chromatographie unter Verwendung eines sulfonierten Polystyrol-Divinylbenzol-Kationenaustauscherharzes in Na⁺-Form abgetrennt. Eine L-Arabinosefraktion, die 8% Trockensubstanz (von der 80% L-Arabinose war) enthielt, wurde gewonnen. Die L-Arabinose-Lösung wurde durch Eindampfen auf 30 Gew.-% konzentriert und durch Kationen- und Anionenaustausch, gefolgt von einer Farbentfernung mit Optipore^® (DOVex^®)-Adsorptionsharz (Hersteller Dow Chemicals, USA), gereinigt. Die gereinigte Lösung wurde auf 70 Gew.-% konzentriert, mit Arabinosekristallen beimpft und durch Abkühlen auf Raumtemperatur kristallisieren gelassen. Die Kristalle (Arabinosereinheit über 98%) wurden durch Zentrifugation abgetrennt und in einem heißen Luftstrom getrocknet. Die Ausbeute an L-Arabinose-Kristallen war 10 Gew.-% der Pulpe-Trockensubstanz.
Beispiel 2
Frische Zuckerrübenpulpe, aus der Zucker extrahiert worden war und die eine Grobkörnigkeit von etwa 0,5 cm hatte und die mit einer biochemischen Vorbehandlung vorbehandelt worden war (beschrieben in der Patentanmeldung 973 501 und in Beispiel 3), wurde in heißer (95 bis 100°C) Kalkmilch (30 bis 40% Ca(OH)₂ der Rübenpulpe-Trockensubstanz) zu einem Gemisch mit 7 Gew.-% suspendiert. Das Gemisch wurde wie in Beispiel 1 extrahiert, die extrahierte Pulpe wurde durch eine Dekantierzentrifuge von der Lösung abgetrennt und das rohe Araban wurde wie in Beispiel 1 hydrolysiert. Die L-Arabinose wurde durch Chromatographie abgetrennt und durch Ionenaustausch gereinigt und die Farbe wurde wie in Beispiel 1 entfernt. Die L-Arabinose wurde aus der konzentrierten Lösung mit einer Ausbeute von 15% der Pulpe-Trockensubstanz kristallisiert.
Beispiel 3
Frischgepreßte fast zuckerfreie Zuckerrübenpulpe (Trockensubstanz 22%) wurde in einem "Ensimax" (ein Gemisch aus Ameisensäure, Essigsäure und Lignosulfonat, Hersteller Kemira Oy, Finnland)-Säuregemisch auf pH 4 gemischt. Das Gemisch wurde in einem dichten Behälter verpackt, welcher die Inhalte vor Luft und Licht schützt. Das Gemisch wurde sich für einen Monat stabilisieren gelassen. Die Vorbehandlung entfernt Sauerstoff und freie Zucker aus dem Gemisch und die behandelte Pulpe ist anschließend für mindestens ein Jahr stabil, wenn sie nicht bei erhöhter Temperatur gelagert wird. Die vorbehandelte Pulpe wird als Ausgangsmaterial bei der L-Arabinose-Produktion eingesetzt.
Beispiel 4
Die aus Säurehydrolyse erhaltene rohe Arabinose-Lösung wurde filtriert und einer chromatographischen Trennung unterworfen, um L-Arabinose von anderen Komponenten abzutrennen.
Die Trennung wurde in einer chromatographischen Laborsäule als Chargenverfahren durchgeführt. Ein Kationenaustauscherharz (Hersteller Finex Oy, Finnland) in Na⁺-Form wurde verwendet. Das Harz war sulfoniertes Polystyrol, das mit Divinylbenzol vernetzt war; der Vernetzungsgrad des Harzes war 5,5% und durchschnittliche Partikelgröße war 0,35 mm. Der Innendurchmesser der Säule war 1,0 m und die Höhe des Harzbetts war etwa 5,2 mm, was zu einem Harzvolumen von etwa 4000 l führte. Die Abtrennung wurde bei 80°C (es wurde beheizte Säule verwendet) mit ionenausgetauschtem Wasser als Elutionsmittel durchgeführt.
Das Trennverfahren wurde wie folgt durchgeführt:
Schritt 1
Etwa 400 l Arabinose-Lösung (125 kg Trockensubstanz) wurden durch einen Wärmetauscher unter Verwendung einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 750 l/h auf die Säule aufgebracht. Der Trockensubstanzgehalt der Lösung war etwa 35 g Trockensubstanz in 100 g Lösung.
Schritt 2
Das Elutionsmittel (ionenausgetauschtes Wasser) wurde in der Säule unter Verwendung einer Durchflußgeschwindigkeit von 650 l/h nach unten fließen gelassen. Das Elutionsmittel wurde auch durch dem Wärmetauscher angewendet.
Schritt 3
Die Dichte und die Leitfähigkeit der aus der Säule entnommenen Lösung wurden gemessen und kontinuierlich aufgezeichnet. Nach dieser Information wurde die Lösung in zwei Fraktionen aufgeteilt: eine Restfraktion (enthielt Salze und geringe Mengen an Glucose, Galactose und Fructose) und eine Arabinose-Fraktion (enthielt Arabinose und geringe Mengen an Galactose und Fructose).
Eine Recyclingfraktion, die Glucose, Galactose, Fructose und eine geringe Menge an Arabinose enthält, kann auch zwischen den zwei Fraktionen gewonnen werden. Die Rücklauffraktion kann wieder in die Säule zurückgeführt werden oder zur Verdünnung der Beschickungslösung verwendet werden.
Die Mengen an Trockensubstanz (DS) und die Zusammensetzungen der Arabinose-Fraktion und der Beschickungslösung sind in Tabelle 1 angegeben. Die Konzentrationen der Komponenten werden als Gew.-% der Gesamttrockensubstanz der Fraktion ausgedrückt. Die Ausbeute drückt die Menge an L-Arabinose in der Arabinose-Fraktion bezüglich der Gesamtmenge an L-Arabinose, berechnet auf der Basis der Mengen auf L-Arabinose in beiden erhaltenen Fraktionen aus.
Tabelle 1. Werte und Zusammensetzungen von Beschickungslösung und Arabinose-Fraktion und L-Arabinose-Ausbeute
Arabinose-Ausbeute ist die Beziehung der Arabinose-Menge in der Arabinose-Fraktion zur der Arabinose-Menge in der Beschickungslösung (%).
Beispiel 5
Rohe Arabinose-Lösung, die aus der Säurehydrolyse erhalten worden war, wurde mit einem Druckfilter filtriert und durch Chromatographie im industriellen Maßstab fraktioniert. Die Trennsäule, die verwendet wurde, war eine herkömmliche Chargentrennsäule, Höhe 7,0 m und Innendurchmesser 2,8 m.
Das verwendete Trennungsharz war ein Kationenaustauscherharz in Na⁺-Form (Hersteller Finex Oy, Finnland). Das Harz war sulfoniertes Polystyrol, das mit Divinylbenzol vernetzt war; der Vernetzungsgrad war 5,5% und die Partikelgröße war etwa 0,45 mm. Die Höhe des Harzbettes war etwa 6,4 m und das Harzvolumen war folglich etwa 38 m³. Die Temperatur in der Säule und im Beschickungslösungstank war etwa 70°C.
Das Prinzip der Trennung ist dasselbe wie in Beispiel 1 (Schritte 1 bis 3). Die Beschickungsgröße war etwa 2000 l (780 kg Trockensubstanz), d. h. die Konzentration war 34 g in 100 g Lösung. Die Durchflußgeschwindigkeit in der Säule war etwa 5 m³/h. Zwei Fraktionen wurden wie in Beispiel 1 gewonnen. Tabelle 2 zeigt die Trockensubstanz (TS)-Gehalte und die Zusammensetzungen der Beschickungslösung und der Arabinose-Fraktion.
Tabelle 2. Werte und Zusammensetzungen der Beschickungslösungen der Arabinose-Fraktion und die L-Arabinose-Ausbeute
Die Ausbeute wurde wie im vorherigen Beispiel errechnet.
Beispiel 6
Calciumhydroxid wurde in einer Menge von 40 Gew.-%, berechnet auf die Trockensubstanz der zu behandelnden Rübenpulpe, wurde zu heißem Wasser mit etwa 98°C gegeben. Die trockene, fast zuckerfreie Pulpe wurde in einer alkalischen Lösung zu einem Gemisch mit etwa 9 Gew.-% suspensiert und das Gemisch wurde für 4 Stunden bei einer Temperatur von 98°C und einem pH von etwa 10 gemischt. Dann wurde Schwefelsäure zu dem Gemisch bis pH 0,8 gegeben und das Araban wurde bei einer Temperatur von 90°C zu L-Arabinose hydrolysiert. Die Suspension wurde auf 70°C abgekühlt und es wurden 10 Gew.-% Natriumhydroxid-Lösung bis pH 6,0 zugesetzt. Das neutralisierte Gemisch wurde durch eine Filterpresse filtriert und 40 Gew.-% konzentriert.
Die Lösung wurde mit einem Seitz-Filter durch Siliciumdioxiderde fein filtriert, wonach die die L-Arabinose wie in den vorherigen Beispielen durch Chromatographie von der Lösung abgetrennt wurde. Es wurde eine L-Arabinose-Fraktion mit einem Trockensubstanzgehalt von 8 Gew.-%, wovon 80% L-Arabinose waren, gewonnen. Die Lösung wurde durch Verdampfung auf 30 Gew.-% konzentriert, durch Kationen- und Anionenaustausch und durch Farbentfernungsharz (Optipore^®/Dovex^®) gereinigt und auf 70 Gew.-% eingeengt. Die Lösung wurde dann beimpft und die L-Arabinose kristallisierte durch Kühlung der Lösung auf Raumtemperatur. Die Reinheit der Kristalle überstieg 98%. Die Arabinose-Ausbeute war 10%, berechnet auf die Trockensubstanz des Ausgangsmaterials.

Claims

Verfahren zur Herstellung kristalliner L-Arabinose, das gekennzeichnet ist durch die Kombination der folgenden Schritte: a) Extraktion von Zuckerrübenpulpe, aus der der Zucker extrahiert wurde, in einer stark alkalischen Lösung, b) Hydrolyse der erhaltenen rohen Arabans mit einer starken Säure bei erhöhter Temperatur, c) Neutralisation und Filtration der erhaltenen Lösung, d) chromatographische Abtrennung der L-Arabinosefraktion unter Verwendung eines Kationenaustauschers in monovalenter Metallform als Trennharz, e) Reinigung der erhaltenen L-Arabinoselösung mittels Kationen- und Anionenaustauschern und adsorbierenden Harzen, und f) Abtrennung der reinen L-Arabinose als kristallines Produkt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt a) die Extraktion bei einem pH-Wert von 10 bis 12 durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Calciumhydroxidsuspension als Alkali verwendet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt c) der pH-Wert am Ende der Neutralisation 6 ist.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Neutralisation mit Kohlendioxid oder Schwefelsäure durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt b) die Hydrolyse bei einem pH-Wert von ungefähr 0,8 bei einer Temperatur von ungefähr 90°C durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt d) der Kationenaustauscher in Na⁺-Form vorliegt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial Zuckerrübenpulpe verwendet wird, die nach einem biotechnischen Verfahren stabilisiert ist.
Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der pH-Wert der stabilisierten Zuckerrübenpulpe 3,5 bis 4,5 (vorzugsweise 3,9 bis 4,3) und der Trockensubstanzgehalt 20 bis 27 Gew.-% beträgt, und die Pulpe im wesentlichen frei von fermentierbaren Zuckern ist.