DK142459B - Fremgangsmåde til udfældning af xanthangummi fra en fermenteringsvæske. - Google Patents

Description

(11) FREMLÆGGELSESSKRIFT 1 ^+2459 (φ?) \Ba/ DANMARK ln, C1’ ' 12 p 19/06 §(21) Ansegningnr. 2254/77 (22) Indleveret den 18. Jul. 1977 (24) Løbedag 18· Jul. 1977 (44) Ansøgningen fremlagt og fremlæggelsesskriftet offentliggjort den 3· nov. 1 g80

DIREKTORATET FOR

PATENT-OG VAREMÆRKEVÆSENET (30) Prioritet begæret fra den

2. aug. 1976, 710812, US

(71) HERCULES INCORPORATED, 910 Market Street, Wilmington, Delaware 19899, TJs.

(72) Opfinder: Gordon Anson Towle, R.D. 2, P.O. Box 119, Landeriberg, Pennsyl= vanla, US.

(74) Fuldmægtig under sagens behandling:

Firmaet Chae. Hude._______ (54) Fremgangsmåde til udfældning af xanthangummi fra en fermenterings* væske.

Den foreliggende opfindelse angår en fremgangsmåde til udfældning af xanthangummi fra en fermenteringsvæske opnået ved dyrkning af en bakterie af Xanthomonas-slægten. 1 de senere år har forskningsbestræbelser på et relativt højt niveau taget sigte på forbedring og optimering af fremgangsmåder til fremstilling af polysaccharidgummier ved hjælp af fermentering. Hetero= polysaccharidet, som fremstilles ved hjælp af aerob fermentering af bakterier af slægten Xanthomonas, har haft særlig interes'se. Re- 2 142ΛΒ9 præsentative arter af Xanthomonas-slægten, ved hjælp af hvilke dette polysaccharid fremstilles, indbefatter X. begoniae, X. caro-tae, X. hederae, X. incari, X. malvacearum, X. phaseoli og især X. campestris. Polysaccharidet, som har givet anledning til navnet "xanthan" eller "xanthangummi", er et kompleks heteropolysaccharid indeholdende glucose-, mannose- og glucorolsyregrupper i en polymerkæde .

Kommerciel anvendelse af xanthangummi har været holdt tilbage som følge af dens relativt høje pris sammenlignet med andre vandopløselige gummier, hvormed den må konkurrere om store salgsmængder. Selv om fremstillingen af en gummi ved hjælp af fermentering af naturlige årsager er kostbar, kan en væsentlig del af den samlede udgift til xanthangummi direkte henføres til udvindingen af gummien fra den rå fermenteringsvæske.

Den rå fermenteringsvæske er en meget viskos, i høj grad pseudoplas-tisk opløsning indeholdende fra ca. 0,5 til ca. 4 vægt% xanthangummi sammen med små mængder salte, xanthomonasceller og uopløseligt nedbrudt materiale. Ved den typiske udvindingsproces fortyndes væsken yderligere med vand til reduktion af dens viskositet, hvorved dens håndtering under efterfølgende udfældningstrin lettes. Den fortyndede opløsning kan om ønsket centrifugeres eller filtreres på dette trin i processen med henblik på fjernelse af uønsket fast, uopløseligt materiale. Methanol eller et andet ikke-opløsningsmiddel samt kaliumchlorid tilsættes derpå til flokkulering af gummien i kaliumsaltformen, som derpå udvindes ved hjælp af centrifugering eller en eller anden anden faststof/væske-separationsteknik. Yderligere opløsnings-, genudfældnings- og vaskningstrin anvendes derefter, afhængigt af den krævede renhedsgrad. For nylig er det fra USA patent-skrift nr. 3.382.229 blevet kendt, at udfældning kan foretages ved hjælp af virkningen af polyvalente (hovedsagelig divalente) kationer ved pH-niveauer over ca. 8,5. Da xanthangummi er en carboxyleret heteropolymer, er der tilfælde, hvor det er ønskeligt at udføre operationer til udvinding deraf i surt medium. Af den teknik, som fremgår af det ovennævnte USA patentskrift, fremgår det imidlertid, at de polyvalente metalsalte er opløselige ved pH-værdier under 8,5.

Af andet kendt teknik, f.eks. den i USA patentskrift nr. 3.383.307 beskrevne, fremgår det, at visse trivalente salte indbefattet aluminiumsulfat' benyttes i nærværelse af et metal, som frigør frit 3 142459 hydrogen, til dannelse af geler af xanthangummi. En sådan gel er i-midlertid ikke let at fjerne fra den vandige fase.

Det har nu vist sig, at visse udvalgte aluminiumsalte kan anvendes til insolubilisering og udfældning af xanthangummi fra en fermenteringsvæske i en let udvindelig form. Fremgangsmåden ifølge opfindelsen er i overensstemmelse hermed ejendommelig ved, at aluminiumacetat, aluminiumchlorid eller aluminiumnitrat sættes til nævnte væske, at væskens pH-værdi derefter forøges til et niveau mellem ca.

4 og ca. 4,5, og at den udfældede'xanthangummi udvindes.

Xanthanopløsningens pH-værdi, som opnås ved afslutningen af fermenteringstrinnet, er fra ca. 5 til ca. 8,5. Tilsætningen af den støkiometriske mængde af et af de anførte aluminiumsalte formindsker denne pH-værdi til ca. 3 eller mindre. Ved pH-værdien 3 er aluminiumsaltet eller -komplekset på grænsen til opløselighed i vandige medier, således at der enten opnås en klar opløsning eller en opløsning indeholdende en ringe mængde af uopløseligt materiale, i betragtning af den lære, som kan udledes af den kendte teknik vedrørende opførselen af andre polyvalente metal-xanthansalte ved sure pH-værdier samt af aluminiumxanthanat ved højt pH, kunne denne opførsel ikke forudsiges.

Et andet overraskende træk ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen er, at reduktion af xanthanopløsningens pH-værdi til det ovenfor anførte lave niveau ved tilsætning af aluminiumsaltet ofte resulterer i en formindskelse af opløsningens viskositet uden beskadigelse af xanthanen, dvs. uden at bevirke nogen nedbrydning af polymerkædelængden. F.eks. vil en fermenteringsvæske med en viskositet på ca. 1000 centipoise ved sin reaktions-pH-værdi blive reduceret til ca. 500 centipoise ved pH 2,5 i nærværelse af aluminiumioner.

Som anført i det foregående har det ved tidligere xanthanprocesser været nødvendigt at fortynde den rå fermenteringsvæske i betydelig grad til formindskelse af dens viskositet til et punkt, hvor udvindingsoperationerne kan udføres. Omfanget af den krævede fortynding formindskes, når der arbejdes i overensstemmelse med fremgangsmåden ifølge opfindelsen. I virkeligheden er det muligt at foretage udfældning fra de fra fermenteringen opnåede opløsninger under hovedsagelig ingen fortynding ved hjælp af de anførte aluminiumsalte.

4 142459

Udførelse af fremgangsmåden ifølge opfindelsen således, at pH-vær-dien formindskes til det anførte niveau, sikrer, at gelering undgås, eller, hvis en gel dannes, sikrer, at gelen brydes, og at xan-thangummien går i opløsning som ovenfor omtalt. Utilfredsstillende resultater indtræffer i den forstand, at et let fraskilleligt produkt ikke opnås, når fermenteringsmaterialets pH-værdi ikke formindskes og derefter indstilles i det interval, hvor xanthanen er uopløselig og ikke gelerer.

Efter tilsætningen af det anførte aluminiumsalt og den deraf følgende sænkning af pH-værdien udføres udfældningen af xanthangummien ved forøgelse af pH-værdien til intervallet mellem ca. 4 og 4,5·

Dette pH-interval viser sig at være kritisk. Uden for dette interval er materialet enten en smule opløseligt, således at det ikke fælder ud, eller også er det tilbøjeligt til at danne en gel. Som det fremgår af den kendte teknik, begynder aluminiumsaltet at tilnærme en opløselighedstilstand, når pH-værdien stiger i vandige medier. Den øvre grænse på ca. 4,5 er kritisk til undgåelse af begyndende opløselighed og den geldannelse, som vil finde sted ved denne pH-værdi i vandige medier.

Som ovenfor anført består en af fordelene ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen i, at udfældning af xanthangummien kan foretages uden kraftig fortynding af fermenteringsvæsken, som det hidtil har været almindeligt ved den kendte teknik. Gummien kan udfældes fra endog relativt viskose opløsninger. Hvis det ønskes at fraskille uopløseligt materiale, såsom cellevægge, der er tilbage fra fermenteringen forud fra udfældningstrinnet, kan væsken fortyndes på den sædvanlige måde til reduktion af dens viskositet til en lettere filtrerbar tilstand. I mange om ikke de fleste tilfælde er fjernelse af uopløseligt materiale imidlertid ikke nødvendig, og dette trin kan udelades.

Aluminiumsaltene, som har vist sig nyttige til udførelse af fremgangsmåden ifølge opfindelsen, dvs. aluminiumchlorid, aluminiumnitrat og aluminiumacetat, er vandopløselige salte med monovalente an-ioner. Salte med polyvalente anioner, som har været forsøgt anvendt, såsom aluminiumsulfat og aluminiumcitrat, har vist sig ineffektive, idet de resulterer i dannelse af geler eller andre former for materiale, som er vanskelige at fraskille.

κ 142459 5

Aluminiumsaltet anvendes fortrinsvis i ringe overskud i forhold til den støkiometriske mængde, som kræves til omsætning med alle frie carboxylgrupper i gummien. Den støkiometriske mængde er sædvanligvis af størrelsesordenen ca. 0,18 g aluminium pr. g gummi, som skal udvindes. Normalt vil et overskud på ca. 10% i forhold til den støkiometriske mængde være tilstrækkeligt. Større mængder er ikke skadelige, men anvendelse af større mængder medfører spild og kræver større volumener af reagenser senere under fremgangsmåden, når aluminiummet fjernes.

Den optimale mængde af det nødvendige aluminiumsalt kan let bestemmes ved udførelse af aluminiumsudfældningen i små forsøgsportioner af fermenteringsmaterialet under anvendelse af stigende mængder alu= miniumsalt. Ved optimale aluminiumsaltmængder opnås et tæt aluminium^ xanthanatflokkulat, som let fjernes ved hjælp af sigtning eller sining, og som let kan komprimeres til et faststofindhold på ca.

20%. Den optimale aluminiumionkoncentration viser sig sædvanligvis at være ca. 1 del aluminiumion pr. 5 dele tør gummi (vægtbasis).

Det uopløselige aluminiumsalt eller -kompleks opslæmmes derefter i et flydende medium, som er et ikke-opløsningsmiddel for xanthangummi, hvor det behandles med en stærk syre til fjernelse af aluminium. Et typisk ikke-opløsningsmiddel for xanthan er en blanding af en alkohol med lav molekylvægt, f.eks. en - C^-alkohol, og vand. Iso= propanol foretrækkes. Andre organiske medier, såsom acetone eller andre ketoner med lav molekylvægt, kan også anvendes, afhængigt af deres fremskaffelighed og andre faktorer. En vis vandmængde er hensigtsmæssigt til stede i dette medium, idet vand er det bedste opløsningsmiddel for aluminiumsaltet, der resulterer af den sure behandling af aluminiumxanthanat. I hovedsagen enhver af de stærke uorganiske syrer, som danner vandopløselige aluminiumsalte, kan anvendes under rensningstrinnene, f.eks. svovlsyre, saltsyre og salpetersyre.

Produktet underkastes gentagne vaskninger med alkohol, indtil i det væsentlige alle aluminiumrester er fjernet. Den aluminiumfri gummi tørres derpå ved en svagt forøget temperatur og formales til opnåelse af et tæt, fritstrømmende pulver, som er let at dispergere i vand under dannelse af en homogen, viskos opløsning.

6 142459

Eksempel 1 1 liter Xanthomonas campestris-fermenteringsvæske indeholdende ca. 1,8% xanthangummi blev fortyndet med det dobbelte volumen ledningsvande 15 ml 28% vandig aluminiumchloridopløsning blev tilsat, hvorved pH-værdien blev formindsket til ca. 3* Den fortyndede væske blev derpå centrifugeret med 25-30.000 o.p.m. i en centrifuge med kontinuerlig strømning med henblik på fjernelse af celler og nedbrudt materiale. Den klarede væskes pH-værdi blev derpå forøget til 4 ved hjælp af langsom tilsætning af ca. 75 ml 10% natriumhy= droxidopløsning. Da pH-værdien nærmede sig 4, udskiltes xanthangummi en fra opløsningen i form af et fast, sammenhængende flokkulat.

Præcipitatet blev filtreret gennem en 100 mesh nylonsigte og komprimeret til opnåelse af en filterkage indeholdende ca. 20% fast materiale. Til fjernelse af aluminium blev filterkagen suspenderet i 400 ml isopropanol indeholdende 20 ml koncentreret saltsyre samt blandet i et blandeapparat til dannelse af en ensartet opslæmning. Opslæmningen fik lov at henstå i ca. 15 minutter, og den uopløselige gummi blev opsamlet på en 100 mesh nylonsigte og presset til uddrivning af overskydende opløsningsmiddel, hvorved der opnåedes en kage med et faststofindhold på ca. 40%. Dette blev gentaget under anvendelse af 250 ml isopropanol:vand:saltsyre (14:5:1> v/v). Kagen blev derpå suspenderet i 250 ml 70% vandig isopropanol i et blandeapparat og neutraliseret til pH 7-8 ved tilsætning af ca. 10 ml 20% natriumhydroxidopløsning. Produktet blev opsamlet på en 100 mesh nylonsigte, komprimeret til opnåelse af en kage med et faststofindhold på ca. 45% samt tørret i en vakuumovn ved 50°C.

Ca. 18 g lyst, gyldenbrunt farvet pulverformet xanthangummi blev udvundet. Analyse viste mindre end 1% nitrogen og mindre end 0,3% tilbageværende aluminium. Produktet opløstes let i ledningsvand, hvorved der dannedes en højviskos, gennemskinnelig opløsning.

Eksempel 2.

Til 1 liter Xanthomonas campestris-fermenteringsvæske indeholdende ca. 1,8% xanthangummi sattes 30 g aluminiumnitrat opløst i et ring© volumen vand. Efter grundig blanding blev pH-værdien forøget til ca. 4 ved tilsætning af 75 ml 10% natriumhydroxidopløsning. Da 142459 pH-værdien nærmede sig 4, udfældedes xanthanen som et fast, sammenhængende flokkulat. Dette hlev opsamlet på en 100 mesh nylonsigte og komprimeret til opnåelse af en kage indeholdende ca. 20% faste stoffer.

Kagen blev tørret i en ovn med kunstigt træk ved 60-70°C og formalet til at passere gennem en 20 mesh sigte. Det tørre pulver blev suspenderet i 200 ml isopropanol:vand:saltsyre, 14:5:1 (v/v) og omrørt i 15 minutter og derpå filtreret under anvendelse af en sigte af sintret glas med middelhøj porøsitet samt reduceret tryk. Resten blev resuspenderet i 150 ml af ovennævnte blanding,og filtreringen blev gentaget. Resten blev derpå suspenderet i 150 ml 70% vandig isopropanol, filtreret, gensuspenderet i 150 ml 70% vandig isopropanol og neutraliseret til pH 7-8 ved tilsætning af kalium= hydroxidopløsning. Suspensionen blev filtreret, og resten blev tørret i en vakuumovn ved 50°C.

Det tørre produkt blev formalet til opnåelse af et lyst, gyldenbrunt pulver, der let opløstes i vand til opnåelse af en højviskos, gennemskinnelig opløsning. Materialet viste sig at indeholde mindre end 1% nitrogen og mindre end 0,05% tilbageværende aluminium.

Eksempel 5

Til 1 liter Xanthcmonas campestris-fermenteringsvæske indeholdende ca.

1,8% xanthangummi sattes 6 g aluminiumacetat opløst i et ringe volumen vand. Efter grundig blanding af aluminiumsaltet i væsken, blev pH-værdien forøget til ca. 4 ved tilsætning af 75 ml 10% natri= umhydroxidopløsning. Da pH-værdien nærmede sig 4, udfældedes xantha= nen som et fast, sammenhængende flokkulat. Dette blev opsamlet på en 100 mesh nylonsigte og komprimeret til opnåelse af en kage indeholdende ca. 20% faste stoffer.

Kagen blev suspenderet i 400 ml isopropanol indeholdende 20 ml koncentreret saltsyre samt blandet i et blandeapparat til dannelse af en ensartet opslæmning. Opslæmningen fik lov til at henstå i ca.

15 minutter, hvorefter den uopløselige gummi blev opsamlet på en 100 mesh nylonsigte og komprimeret til opnåelse af en kage med ca.

40% faste stoffer. Dette blev gentaget under anvendelse af 250 ml isopropanol:vand:saltsyre (14:5:1, v/v). Kagen blev derpå suspen-