KR19990036888A - 고순도 에리트리톨 결정의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

원료 용액인 에리트리톨-함유 수용액을 결정화처리시키는 것을 포함하는 에리트리톨 결정의 제조방법에 있어서, 상기 에리트리톨-함유 수용액의 에리트리톨 농도를 결정화 단계 초기에 30 내지 60 중량%로 조정하고; 상기 에리트리톨-함유 수용액을 20℃/시간 이하의 냉각 속도로 냉각하며; 상기 냉각되는 동안 에리트리톨의 씨 결정을 상기 에리트리톨-함유 수용액에 부가하고 또 이 용액을 20℃ 이하로 냉각시키는 것을 특징으로 하는 고순도 에리트리톨 결정의 제조방법. 이러한 본 발명의 제조방법에 의해 수득된 고순도 에리트리톨 결정은 종래 방법에 의해 제조된 결정에 비하여 훨씬 고순도이고 결정 형상도 우수하다.

Description

고순도 에리트리톨 결정의 제조방법
본 발명은 고순도 에리트리톨 결정의 제조방법에 관한 것이다.
에리트리톨(즉, 메소-에리트리톨)은 감미제로서 뿐만 아니라 의약, 공업용 화학약품 등의 중간 생성물로서 유용하다. 에리트리톨은 호기성 조건하, 예컨대 글루코오스를 원료로 사용하는 수성 배지에서 에리트리톨-생산 미생물을 배양함으로써 공업적으로 생산될 수 있다.
에리트리톨-함유 배양액은 다양한 액체 또는 고체 불순물을 함유한다. 보다 자세하게는, 배양액은 액체 불순물로서 글리세롤과 같은 부생성물을 함유한다. 또한 녹말의 효소-당화에 의해 수득한 정제된 글루코오스가 원료로 사용된 경우, 배양액은 또한 정제된 원료 글루코오스에 고유하게 함유된 디- 또는 그 이상의 당류와 같은 올리고당류, 이들 올리고당류의 반응생성물, 주로 글루코오스로 구성된 β-1,4 결합을 갖는 다당류를 액체 불순물로서 함유한다. 또한 배양액은 미생물 이외에 현탁된 미세 물질을 고체 불순물로서 함유한다.
고순도 에리트리톨 결정은 상술한 배양액을 미생물 분리 단계, 크로마토그래피 분리 단계 및 결정화 단계를 포함하는 공정에 연속적으로 처리시킴으로써 생산할 수 있다. 이들 공정의 예로서, 일본국 특허공보 평7-34748호(1995)에 기재된 바와 같은 에리트리톨-함유 배양액으로 부터 에리트리톨을 분리하고 회수하는 방법이 공지되어 있다.
한편, 상술한 바와 같이, 에리트리톨은 주로 감미제로서 사용되기 때문에, 제조된 에리트리톨의 순도가 가능한한 높은 것이 바람직하다. 또한 슬러리로 부터 결정을 분리하고 또 결정 생성물의 불가피한 파쇄로 인하여 생성된 미분말의 응집을 방지하는 측면에서 볼 때, 생성된 결정은 적절한 크기를 갖는 단결정 형태인 것이 바람직하다.
또한, 상술한 공정의 미생물 분리 단계에서, 미생물 및 현탁 미세 물질의 제거가 불충분하면, 후속 단계 작업이 안전하게 진행되기 어렵다. 예컨대 불만족스런 제거는 크로마토그래피 분리 단계에서 수지 칼럼의 폐색 및 관이나 판의 표면에 접착되거나 연소되는 것에 의해 열 교환이 되지 않을 뿐만 아니라 생성된 에리트리톨의 순도 저하를 초래한다. 따라서, 미생물 분리 단계는 고순도 에리트리톨 결정을 생산하기 위한 공업 규모의 공정에 아주 중요하다. 그러나, 여태까지는 에리트리톨을 생산하기 위한 공정에서 미생물 분리 단계는 충분한 정도로 연구되지 못했다. 예컨대 일본국 특허공보 평7-34748호(19995)의 실시예에서는 미생물 분리 단계에서 원심분리기를 사용하는 것만이 기재되어 있다.
또한 고순도 에리트리톨 결정의 제조 공정을 안전하고 안정하게 실시할 수 있는 것도 이를 공업 규모로 제조하는데 있어서 중요하다. 안정하게 실시되어야할 공정의 한 단계로서 결정화 단계로 부터 회수된 에리트리톨 결정-함유 슬러리로 부터 에리트리톨 결정을 분리하는 결정 분리 단계를 들 수 있다. 즉, 결정 분리 단계에서는 원심분리기가 일반적으로 사용되고 있다. 이 경우, 고액 분리에 의해 수득한 에리트리톨 결정이 원심분리기내에 불균일하게 분포되어 있으면 원심분리기의 안정한 작업이 보증될 수 없다.
또한 고순도 에리트리톨 결정의 공업적 제조에 있어서, 고순도일 뿐만 아니라 결정 생성물의 응집을 피하기 위하여 미분말을 포함하지 않는 에리트리톨 결정을 제조할 필요가 있었다.
본 발명은 상술한 상황을 고려하여 달성된 것으로 서로 관련된 일군의 발명에 의해 구성된다.
본 발명의 목적은 종래 방법에 의해 제조된 것과 비교하여 고순도이고 결정 형상도 향상된 고순도 에리트리톨 결정의 제조방법을 제공하는 것이다.
이 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제 1 요지는 원료 용액인 에리트리톨-함유 수용액을 결정화처리시키고 또 결정화 단계에서 수득한 에리트리톨 결정-함유 슬러리로 부터 에리트리톨 결정을 분리하는 결정 분리 단계를 포함하고, 상기 에리트리톨-함유 수용액의 에리트리톨 농도를 결정화 단계 초기에 30 내지 60 중량%로 조정하고; 에리트리톨-함유 수용액을 20℃/시간 이하의 냉각 속도로 냉각하며; 상기 냉각하는 동안 에리트리톨 씨 결정을 에리트리톨-함유 수용액에 부가하고; 또 20℃ 이하로 냉각한 후 생성된 에리트리톨 결정을 상기 슬러리로 부터 분리하는 것을 특징으로 하는 고순도 에리트리톨 결정의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 다른 목적은 미생물 분리 단계, 크로마토그래피 분리 단계 및 결정화 단계를 연속적으로 포함하며 또 미생물 분리 단계에서 고체 불순물을 고효율로 제거할 수 있는 고순도 에리트리톨 결정의 제조방법을 제공하는 것이다.
이 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제 2 요지는 원료 용액인 에리트리톨-함유 배양액으로 부터 미생물을 분리하는 미생물 분리 단계, 상기 미생물 분리 단계로 부터 회수된 정제 용액을 크로마토그래피 분리 처리시키는 크로마토그래피 분리 단계, 및 상기 크로마토그래피 분리 단계로 부터 회수된 에리트리톨 분획을 결정화처리시켜 에리트리톨을 수득하는 단계를 포함하며, 상기 미생물 분리 단계는 세라믹 막 또는 유기 막을 사용한 교차 유동 여과법에 의해 실시되고, 미생물 분리 단계에서 처리된 용액의 온도는 50 내지 90℃의 온도에서 유지되는 것을 특징으로 하는 고순도 에리트리톨 결정의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 목적은 결정화 단계 이후 결정 분리 단계를 안정하게 실시하기 위하여 개선된 고순도 에리트리톨 결정의 제조방법을 제공하는 것이다.
이 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제3 요지는 에리트리톨-함유 수용액을 결정화 처리시키고 또 상기 결정화 단계에서 수득된 에리트리톨 결정-함유 슬러리로 부터 에리트리톨 결정을 분리하는 결정 분리 단계를 포함하며, 슬러리가 여과기 표면의 외부 방향에 분산되고 여과기 표면과 충돌하는 유형의 원심분리기를 결정 분리 단계에 사용하는 고순도 에리트리톨 결정의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 다른 목적은 균일한 입자 크기를 갖는 에리트리톨 결정을 수득하기 위하여 향상된 고순도 에리트리톨 결정을 제조하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
이 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제4 요지는 에리트리톨-함유 수용액을 결정화처리시키고 또 상기 결정화 단계에서 수득한 에리트리톨 결정-함유 슬러리로 부터 에리트리톨 결정을 분리하는 결정 분리 단계를 포함하고, 상기 결정 분리 단계를 50 내지 500 G의 원심분리력을 이용한 원심분리에 의해 실시하며, 또 원심분리에 의해 분리된 습윤 에리트리톨 결정을 20℃ 이하의 온도에서 물로 분무 세척하며, 분무 세척에 사용된 물의 양은 상기 습윤 에리트리톨 결정 1중량부를 기준하여 0.1 내지 1 중량부인 것을 특징으로 하는 고순도 에리트리톨 결정의 제조방법을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 방법에서 바람직한 미생물 분리 단계를 도시하는 모식도,
도 2는 본 발명에 따른 방법에서 바람직한 크로마토그래피 분리 단계에서의 각 성분의 이동을 도시하는 모식도,
도 3은 본 발명에 따른 방법에서 바람직한 크로마토그래피 분리 단계에 사용할 수 있는 설비를 도시하는 모식도,
도 4는 본 발명에 따른 방법에서 결정 분리 단계에 바람직하게 사용된 원심분리기의 일례를 도시하는 설명도,
도 5는 도 4에 도시된 원심분리기의 필수 부분을 도시하는 확대도.
부호의 설명
1: 순환 탱크, 2: 펌프, 3: 여과막, 5: 여액 저장기, 6: 열교환기,
10: 드라이브 샤프트, 11: 바스켓, 12: 스크류, 13: 덮개,
14: 슬러리 공급 파이프, 15: V-벨트, 16: 모터, 17: 동시성 감속기,
18: 구멍, 19: 와이어 네트, 20: 개구부, 21: 저장기,
22: 세척수 공급 파이프, 23: 드레인 파이프, 24: 소형 구멍,
71 내지 74: 타워, 75, 76: 탱크, 81 내지 87: 밸브, 91 및 92: 펌프.
이하에서, 본 발명을 자세하게 설명한다.
본 발명에서 사용된 에리트리톨-함유 수용액은 특별히 제한되지 않지만, 이들 용액의 전형적인 예는 (1) 원료 용액인 에리트리톨-함유 배양액으로 부터 미생물을 제거하는 미생물 분리 단계, 미생물 분리 단계로 부터 회수된 정제 용액을 크로마토그래피 분리 처리시키는 크로마토그래피 분리 단계 및 크로마토그래피 분리 단계로 부터 회수된 에리트리톨 분획을 에리트리톨 결정을 제조하기 위하여 결정화처리시키는 결정화 단계를 포함하는 방법에서 크로마토그래피 분리 단계로 부터 회수된 에리트리톨 분획, 또는 (2) 상술한 방법의 결정화 단계로 부터 회수된 결정 분리 모액을 포함할 수 있다.
먼저, 상술한 방법을 간단히 설명한다. 에리트리톨-함유 배양액은 호기성 조건하의 수성 배지에서 에리트리톨-생산 미생물을 배양함으로써 제조할 수 있다. 배양 방법은 특별히 제한되지 않고 공지된 임의 방법을 이용할 수 있다.
예컨대, 원료 배양 물질로서는 결정 수크로오스, 결정 글루코오스 또는 녹말을 효소 당화 방법 등에 의해 처리하여 수득한 정제 글루코오스를 사용할 수 있다. 또한 정제된 글루코오스는 93 내지 97 중량%의 글루코오스 함량을 가질 수 있고 정제 글루코오스의 나머지 부분은 디-, 트리- 또는 그 이상의 당류와 같은 올리고당류로 구성될 수 있다.
한편, 에리트리톨-생산 미생물로서는 아우레오바시디움 ( Aureobasidium ) 속 (일본국 특허공개공보 소61-31091호(1986)), 모닐리엘라 토멘토사 변종 폴리니스( Moniliella tomentosa var. pollinis ) (일본국 특허공개공보 소60-110295 내지 110298호(1985)), 트리코스포로노이데스 메가칠리엔시스 ( Trichosporonoides megachilliensis ) (일본국 특허공개공보 소63-196298호(1988), 예전 이름: 아우레오바시디움 속( Aureobasidium )), 트리코스포로노이데스 오에도세팔리스 ( Trichosporonoides oedocephalis ) (일본국 특허공개공보 평9-252765(1997)), 칸디다 제일라노이데스 ( Candida zeylanoides ) (ATCC15585), 토루롭시스 포마타 ( Torulopsis fomata ) (ATCC15586) 등 (일본국 특허공개공보 소49-118889(1974)), 칸디다 리포리티카 ( Candida lipolytica ) (USP 제3,756,917호), 트리고놉시스 속( Trigonopsis ), 칸디다 속( Candida ) (일본국 특허공보 소47-41549호(1972)) 등이 사용될 수 있다.
또한 배지에 사용될 수 있는 무기 염으로서는 KH2PO4, MgSO4, CaCl2, K2SO4, CaSO4, FeSO4, MnSO4, ZnSO4, (NH4)2HPO4등을 들 수 있다. 질소원으로서는 (NH4)2SO4, CO(NH2)2, NH4Cl, NH4NO3등을 들 수 있다. 영양원으로서는 옥수수 침지액, 콩가루, 다양한 아미노산, 펩톤, 티아민, 효모 추출액 등을 들 수 있다.
미생물 분리 단계, 크로마토그래피 분리 단계 및 결정화 단계를 연속적으로 포함하는 상술한 방법 자체는 예컨대 일본국 특허공보 평7-34748호(1995)에 공지되어 있다. 이 공정의 개요는 다음과 같다.
즉, 미생물 분리 단계로 부터 수득한 정제 용액을 농축 단계 처리시키고, 바람직하게는 연화 단계 후에 크로마토그래피 분리 단계에 공급한다. 크로마토그래피 분리 단계로 부터 회수된 에리트리톨 분획을 농축 단계 처리시키고, 바람직하게는 활성탄 처리 및/또는 탈염 처리한 다음 결정화 단계 및 결정 분리 단계에 공급한다. 이후, 결정 분리 단계에서 분리된 에리트리톨 결정을 건조처리시키고 체질하여 고순도 결정 생성물을 수득한다.
본 발명에서는, 본 발명자들의 발견에 따르면, 처리 용액을 50 내지 90℃의 온도에서 유지하면서 세라믹 막 또는 유기 막을 이용하여 교차 유동 여과법에 의해 미생물 분리 단계를 실시하는 것이 바람직하다. 그 이유는 다음과 같다.
(1) 미생물 분리 단계를 교차 유동 여과법에 의해 실시하는 경우, 다양한 액체 또는 고체 불순물을 함유하는 에리트리톨-함유 배양액으로 부터 고체 불순물이 효과적이고 고도로 분리될 수 있다. 또한 크로마토그래피 분리의 효율을 증가시키기 위하여 미생물 분리 단계로 부터 회수된 정제 용액을 농축시키면, 기포 발생 현상을 현저하게 예방할 수 있다. 따라서, 세라믹 막 또는 유기 막을 이용한 교차 유동 여과법에 의해 미생물 분리 단계를 실시하는 것에 의해, 공업적으로 유리하게 고순도 에리트리톨 결정을 제조할 수 있게 된다.
(2) 교차 유동 여과법을 이용하더라도, 완전히 불순물을 제거하기가 곤란하기 때문에 미생물 분리 단계로 부터 수득한 정제 용액은 다양한 미생물의 영양원으로 작용하는 다양한 불순물을 여전히 함유한다. 이러한 이유로, 미생물 분리 단계에서 처리될 배양액이 저온인 경우, 다양한 미생물의 영양을 공급하게된다. 이로 인하여 감미제 또는 의약으로 사용될 때 바람직하지 못한 저질의 에리트리톨 결정이 생산될 뿐만 아니라 예컨대 크로마토그래피 분리 단계에서 수지 칼럼의 폐색이나 관 또는 판의 표면에 접착되고 연소되는 것에 의해 열교환이 일어날 수 없게된다. 따라서, 본 발명에 따르면, 처리될 배양액은 다양한 미생물의 영양원 공급을 차단하기 위하여 미생물 분리 단계 동안 50℃ 이상으로 유지될 필요가 있다. 또한, 처리될 배양액의 온도가 90℃ 이상이면, 처리된 배양액의 착색도가 증가하는 단점이 유발된다.
세라믹 막(다공성 막)의 구조는 특별히 제한되지 않는다. 세라믹 막은 단층 구조이거나 또는 미립자층과 지지층을 갖는 이층 구조일 수 있다. 2층 구조의 경우, 미립자층의 평균 기공 직경은 0.1 내지 1㎛, 바람직하게는 0.1 내지 0.5 ㎛이다. 세라믹 막의 재료로서는 실리카, 알루미나, 실리카-알루미나, 물라이트, 지르코니아, 탄소, 코르디에라이트, 실리콘 카아바이드 등을 들 수 있다. 유기 막의 구조는 특별히 한정되지 않는다. 그러나, 유기 막은 후술한 바와 같이 50 내지 90℃ 의 온도에서 충분한 내열성을 갖는 물질로 제조될 필요가 있다. 이러한 유기 막의 재료로서는 폴리올레핀, 폴리에테르 술폰 등을 들 수 있다.
교차 유동 여과법에는 순환 탱크, 펌프, 여과 막을 구비한 분리 기구 및 여액 저장기를 포함하는 설비가 이용될 수 있다. 상기 부재들은 협동하여 처리될 배양액을 위한 순환 경로를 구성한다. 바람직하게는 열 교환기는 순환 경로의 중앙에 위치한다.
교차 유동 여과법은 처리될 액체가 막 여과기의 표면상에서 그와 평행하게 유동하여 평행 유동의 전단력에 의해 막 여과기상에 여과 케이크 층의 침착을 최소화하면서 액체를 여과하는 여과방법이다. 따라서, 여과될 액체(원료 용액)는 막 여과기에 의해 둘러싸인 순환 경로의 한쪽 단부에서 부터 공급되어 그를 통하여 흐르면서 여과된다. 여액은 막 여과기를 통하여 순환 경로와 수직하는 방향으로 방출되는 반면에, 미생물 농축된 액체는 순환 경로의 다른 단부로 부터 방출된다.
교차 유동 여과법은 뱃치 방식으로 실시될 수 있다. 본 발명에서는, 교차 유동 여과법은 (A) 미생물 농축 및 여과, (B) 물 부가 여과, (C) 추가의 미생물 농축 및 여과, (D) 물에 의한 세척 및 (E) 재생을 포함하는 일련의 작업을 포함한다. 특히 본 발명의 바람직한 구체예에서는 부가적인 농축 및 여과(C)를 실시할 수 있다.
미생물 농축 및 여과(A)는 다음과 같이 실시할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같은 미생물 분리 단계(교차 유동 여과 장치)에서는, 소정량의 에리트리톨-함유 배양액을 순환 탱크(1)에 공급한 후, 펌프(2)를 여과 막(3)과 열교환기(6)를 통과시키고 또 순환 탱크(1)로 돌려보내는 것에 의해 배양액의 순환을 유발한다. 여과 막(3)을 통과한 정제 용액(여액)은 여액 저장기(5)에서 받는다. 순환된 배양액에서 미생물의 농도가 소정 값에 도달하면, 미생물 농축 및 여과가 종료된다. 또한 에리트리톨-함유 배양액은 필요에 따라 순환 탱크(1)에 공급되기 전에 상술한 온도 범위로 가열될 수 있거나, 또는 순환된 배양액은 열교환기(6)를 이용하는 것에 의해 상기 온도 범위내(이들 가열 또는 온도 조건은 후술한 바와 같은 물 부가 여과(B) 및 추가의 농축 및 여과(C)에 통상적으로 적용될 수 있다)에서 유지될 수 있다.
물 부가 여과(B)에서는 일정 수준의 농축 용액을 유지하면서 순환 탱크(1)내의 농축 용액에 물을 연속적으로 부가하는 것에 의해 상술한 바와 같은 동일한 순환 작업을 실시할 수 있다. 여과막(3)을 통과한 정제 용액(여액)은 여액 저장기(5)에 수용된다. 또한 부가될 물은 필요에 따라 순환 탱크(1)에 공급되기 전에 상술한 온도 범위로 가열될 수 있다.
추가의 농축 및 여과(C)를 실시하여 소위 짜내기를 실시할 수 있다. 이 작업에서는 순환 탱크(1)(물 부가 여과(B)에서)에 물 부가하는 것을 중지한 후 상술한 바와 같이 동일한 순환 작업을 반복한다. 여과 막(3)을 통과한 정제 용액(여액)은 여액 저장기(5)에 수용된다.
물에 의한 세척(D) 및 재생(E)은 통상의 방법으로 실시할 수 있다. 재생제로서는 예컨대 0.5중량%의 NaOH 및 약 0.2중량%의 NaClO를 함유하는 수용액이 사용될 수 있다. 이들 작업(D) 및 (E)는 통상 약 50 내지 약 70℃의 온도에서 실시될 수 있다.
상술한 미생물 농축 및 여과(A), 물 부가 여과(B) 및 추가의 농축 및 여과(C)는 순환 유동 속도가 1 내지 10 m/s 이고 또 막을 통한 압력 차이가 0.1 내지 10 kg/cm2인 조건하에서 통상 실시된다.
미생물 농축 및 여과(A)와 물 부가 여과(B)에서, 여과 막을 통하여 침투하는 용액의 유동 속도는 통상 100 내지 200 리터/m2·시간이다. 추가의 농축 및 여과(C)에서는 여과 막을 통하여 침투하는 용액의 유동 속도는 점점 감소된다. 본 발명에서는 침투 유동 속도가 약 50 리터/m2·시간에 도달하면, 추가의 농축 및 여과를 중지하고 또 물에 의한 세척(D) 및 재생(E)하는 단계를 개시한다. 즉, 본 발명의 발견에 따르면, 에리트리톨-함유 배양액이 상술한 범위를 초과하도록 과도하게 추가의 농축 및 여과처리되면, 여과막(3)의 폐색이 갑자기 가속화되는 경향이 있어 연속적인 미생물 분리 단계 작업에 악영향을 줄 수 있다.
본 발명에서는 미생물 분리 단계에서 처리될 에리트리톨-함유 배양액의 pH가 바람직하게는 3.5 내지 5.5로 조정된다. 특히, 앞서의 배양 단계로 부터 수득한 에리트리톨-함유 용액의 pH가 등전점 근처로 조정되면, 배양액에 용해된 단백질은 덩어리져 침전되므로 단백질 제거를 실시해야한다. 배양액의 pH는 수산화 나트륨 등과 같은 적합한 알칼리를 함유하는 수용액을 사용하여 조정될 수 있다.
연화 단계는 크로마토그래피 단계 이후에 양호한 분리 효능을 유지하기 위하여 실시할 수 있다. 이온 교환 수지로서는 술폰산 유형의 강산성 양이온 교환 수지 또는 카르복시산 유형의 약산성 양이온 교환 수지를 들 수 있고, 이들은 모두 Na 유형의 형태로 사용된다. 정제 용액은 수지 충전된 타워 또는 칼럼을 통과하여 Ca 이온 또는 Mg 이온을 Na 이온으로 교환하게 됨으로써 Ca 또는 Mg 이온을 그로 부터 제거한다. Na 유형으로 부터 Ca 및/또는 Mg 유형으로 전환된 양이온 교환 수지는 이들 수지를 다시 Na 유형으로 전환하기 위해 재생되며 반복적으로 사용될 수 있다. 카르복시산 유형의 수지의 경우, 이 수지는 먼저 HCl 또는 H2SO4와 같은 강산을 사용하여 H 유형 수지로 전환된 다음 NaOH 수용액을 사용하여 Na 형 수지로 재생될 수 있다. 이들 방법중에서, 카르복시산 유형의 약산성 양이온 교환 수지(Na 유형)을 사용하는 방법이 바람직하다.
본 발명에서는 본 발명자들의 발견에 따라서, 정제 용액의 온도를 50 내지 90℃로 유지하면서 상기 연화 단계를 실시하는 것이 바람직하다. 그 이유는 다음과 같다.
미생물 분리 단계로 부터 수득한 정제 용액은 다양한 미생물에 대한 영양원으로 작용하는 다양한 불순물을 여전히 함유하고 있다. 따라서, 다양한 미생물의 영양원이 이 방법의 처음 단계에서 충분한 정도로 억제된다면, 에리트리톨 결정에 불순물이 함유되는 것 뿐만 아니라 예컨대 크로마토그래피 분리 단계에서 수지 칼럼이 폐색되거나 또는 관 또는 판의 표면에 접착되거나 연소되는 것에 의해 열 교환이 되지 않는 다른 결점을 효과적으로 예방할 수 있어 공업적으로 유리하게 고순도 에리트리톨 결정을 생산할 수 있게 된다.
연화 단계에서 처리된 정제 용액은 상술한 수지 충전된 타워 또는 칼럼에 배치된 가열 수단에 의해 또는 연화 단계에 공급되기 전에 정제 용액을 미리 가열하는 것에 의해 50 내지 90℃의 온도로 유지될 수 있다. 정제 용액의 온도가 50℃ 미만이면, 정제 용액에 다양한 미생물 유입과 다양한 미생물의 영양원 공급이 충분히 예방될 수 없다. 한편, 정제 용액의 온도가 90℃ 이상이면, 처리된 배양 용액의 착색 또는 사용된 수지의 열화와 같은 결점이 유발될 수 있다.
크로마토그래피 분리 단계 전에 실시된 농축 단계는 크로마토그래피 분리의 효율을 증가시키는 것을 목적으로 한다. 정제된 배양액은 그속에 용해된 고체 함량이 통상 30 내지 70중량%, 바람직하게는 35 내지 45 중량%로 될 때 까지 농축된다.
또한 일반적으로 유기 물질을 함유하는 수용액을 농축하기 위해 사용된 농축기로서는 예컨대 용기의 외벽을 따라 증기를 유동시키는 것에 의해 가열되는 재킷형 증발기, 가열 파이프를 통하여 액체의 유동 속도를 증가시키기 위한 순환 펌프를 구비한 강제 순환식 증발기, 긴 관형 수직 증발기에 속하는 세척 또는 강하 경막형 증발기 등이 공지되어 있다.
농축 단계에 사용된 농축기는 상술한 가열 시스템이 이용될 수 있는 한 특별히 제한되지 않는다. 본 발명자들의 발견에 따르면, 강제 순환식 증발기 또는 막형 증발기가 바람직하고, 막형 증발기가 보다 바람직하다. 일반적으로 이들 중에서 강하 경막형 증발기가 보다 더 바람직하다. 그 이유는 다음과 같다.
미생물 분리 단계로 부터 수득한 정제 용액은 상술한 바와 같은 다양한 불순물을 함유하기 때문에, 상기 용액은 착색 성분, 특히 글루코오스 및 아미노산 사이의 마일라드(Mailard) 반응에 의해 제조된 착색 성분을 함유하는 경향이 있다. 이러한 착색 성분의 생성은 가열 시간에 따라 증가된다. 또한 배양액은 가용성 단백질을 함유하고 있기 때문에 농축시 기포가 생기는 현상이 일어날 수 있어 정제 용액을 안정하게 농축시키기가 쉽지 않다. 이러한 경우, 재킷형 증발기를 사용하여서는 농축시 발포 현상을 억제하기 위한 열 전달 조건을 만족하기가 곤란하다. 한편, 강제 순환식 증발기 또는 막형 증발기는 광범위한 열전달 조건에 걸쳐 농축시 발포 현상의 발생을 억제할 수 있다.
상술한 강하 경막형 증발기는 그의 기능 구조면에서 증발기 부분과 강하 경막 형성 부분으로 나뉜다. 강하 경막 형성 부분은 (1) 판형 또는 (2) 쉘 및 관형일 수 있다. 농축 단계에서, 작업 압력은 70 내지 300 토르가 바람직하고, 유체 온도는 45 내지 80℃가 바람직하다. 작업 압력이 70 토르 미만이면, 강력한 발포가 생기는 경향이 있으므로 기포 연행에 따른 손실을 유발하여 증발기의 안정한 작업을 불가능하게 한다. 또한 작업 압력이 낮으면 유체 온도를 감소시키는 경향이 있어 다양한 미생물에 의한 오염이 유발될 수 있다. 한편, 작업 압력이 300 토르 이상이면, 유체 온도는 증가되어 용액의 착색이 바람직하지 않게 증진되는 경향이 있다.
크로마토그래피 분리 단계는 알칼리 금속 유형 또는 암모늄 유형의 강산성 양이온 교환 수지로 충전된 분리 타워에 정제 용액을 통과시키고, 상기 수지에 흡수된 성분을 물로 용리해내어 용리된 성분들을 함유하는 용출액을 방출하고 그 용출액으로 부터 주로 에리트리톨로 구성된 분획을 분리하는 것을 포함한다. 주로 에리트리톨로 구성된 수득한 분획은 보통 3 내지 30 중량%의 양의 에리트리톨을 함유할 수 있다.
상술한 크로마토그래피 분리 단계에서 (분리 타워에서), 분리제인 양이온 교환 수지에 흡수된 각 성분들은 이하의 방식으로 용출될 수 있다. 즉, 염, 착색 성분 및 고분자량 다당류(이후, 이들을 간단히 "제 1 불순물"로 칭함)이 먼저 용출된 후, 디- 또는 그 이상의 당류와 같은 올리고당류와 글리세롤 이외의 부생성물(이후, 이들을 간단히 "제 2 불순물"로 칭함)이 용출된 다음 에리트리톨 및 글리세롤이 마지막으로 용출된다(일본국 특허공보 평 7-34748호(1995)). 따라서, 크로마토그래피 분리 단계에서는, 제 1 및 제2 불순물(이후, 단순히 "불순물"로 칭함)을 용출시킨 후, 에리트리톨 분획(에리트리톨 및 글리세롤로 구성됨)을 용출시켜 회수한다. 이어, 회수된 분획을 결정화 처리시켜 고순도 에리트리톨 결정을 수득한다.
한편, 일반적으로 에리트리톨 분획 및 불순물 분획을 서로 완전하게 분리하기는 곤란하다. 따라서, 불순물 분획과 함께 용출된 에리트리톨 분획(이후, 간단히 "중첩된 분획"이라 칭함)을 제거한 후 불순물이 없는 에리트리톨 분획을 회수한다.
그러나, 중첩된 분획의 양은 회수된 에리트리톨 분획의 순도가 높아짐에 따라서 증가하므로 목적하는 고순도 에리트리톨 결정의 회수율은 저하된다.
본 발명에 따르면, 고 회수율로 고순도 에리트리톨 결정을 수득하고 크로마토그래피 분리 단계 후 농축 단계에 가해지는 부하를 감소시키기 위하여 이하의 향상된 크로마토그래피 분리 단계를 채용하는 것이 바람직하다.
즉, 본 발명에 따른 방법에서는 이하의 크로마토그래피 분리 단계를 알칼리 금속 유형 또는 암모늄 유형의 강산성 양이온 교환 수지로 충전된 분리 타워를 사용하여 실행하는 것이 바람직하다.
(1) 소정양의 정제 용액을 분리 타워의 상부에 공급한다.
(2) 분리 타워의 하부로 부터 제거된 물을 상부로 순환시켜 수지에 흡수된 각 성분들을 전개시키고 분리 타워의 하부측을 향하여 불순물 분획을 이동시킨다.
(3) 물을 분리 타워의 상부로 공급하여 분리 타워의 하부로 부터 불순물 분획을 제거한다.
(4) 에리트리톨 분획 및 불순물 분획으로 구성된 중첩된 분획을 분리 타워의 하부로 부터 제거하고 또 중첩된 분획을 분리 타워의 상부로 순환시켜 에리트리톨 분획을 분리 타워의 하부측을 향하여 이동시킨다.
(5) 중첩된 분획이 존재하지 않을 때 적합한 부위에서 물을 분리 타워에 공급하여 에리트리톨 분획을 분리 타워의 하부로 부터 제거하고 회수한다.
상술한 크로마토그래피 분리 단계에서는 알칼리 금속 유형 또는 암모늄 유형의 강산성 양이온 교환 수지로 충전된 분리 타워가 사용될 수 있다. 이러한 분리 타워는 수지의 물 슬러리를 칼럼에 채워넣는 것에 의해 제조된다. 충전된 수지의 양(분리 타워의 길이)은 분리 타워가 용액을 처리하는데 필요한 양호한 분리능을 갖도록 적합하게 선택한다. 분리 타워는 통합 구조를 갖는 것도 유용하지만, 도 3에 도시되고 이후에 설명된 바와 같이 그의 작용성 관점에서 복수의 부분으로 구성된 분할된 구조를 가질 수 있다.
크로마토그래피 분리는 도 2에 도시된 바와 같이 이하의 작업에 따라 실시할 수 있다. 또한 도 2는 앞서의 크로마토그래피 분리 단계의 최종 작업(제 5 작업) 이후의 작업을 도시한다. 또한 도 2에 도시한 바와 같은 각 작업에는 각 작업을 완성한 직후의 조건이 표시되어 있다.
(1) 소정양의 정제 용액(F)을 분리 타워(도 2의 제 1 작업)의 상부에 공급하여 앞서의 크로마토그래피 분리 단계의 최종 작업(도 2의 제5 작업) 후의 제 4 타워에 잔류하는 잔류 에리트리톨(P)을 제거한다.
(2) 물을 분리 타워의 하부로 부터 제거하고 그의 상부로 순환시킴으로써 수지에 흡수된 각 성분들을 전개시키며 불순물 분획을 분리 타워(도 2의 제 2 작업)의 하부 측으로 이동시킨다. 이 작업을 실시할 때, 분리 타워는 폐쇄 계 상태로 유지되며, 또 용출제인 물은 펌프의 작업에 의해 분리 타워를 통하여 순환된다. 특히, 분리 타워의 하부측상의 물은 그의 상부로 계속해서 순환함으로써 수지에 흡수된 각 성분들을 전개시키고 또 분리 타워의 하부측을 향하여 불순물 분획을 이동시킨다.
도 2의 제 2 작업은 에리트리톨 분획(a)이 제 2 타워로 부터 제3 타워로 전달되고, 제 1 불순물 분획(c)이 제 4 타워로 전달되고 또 제 2 불순물-함유 분획(b)이 에리트리톨 분획(a)과 제 1 불순물 분획(c)사이의 위치로 이동하는 조건을 도시한다. 또한 상기 조건에 도달한 후, 분리 타워의 하부로 부터 제거된 물은 불순물을 함유하므로 용출제로서 더 이상 사용될 수 없다.
(3) 물(W)을 분리 타워의 상부에 공급하여 분리 타워의 하부로 부터 불순물 분획(R)을 제거한다(도 2의 제 3 작업). 제거된 불순물 분획을 적합하게 처리한다. 도 2의 제 3 작업은 불순물 분획이 분리 타워의 하부로 부터 제거되는 조건을 도시한다. 본 발명에서 사용하는 용어 "불순물 분획"은 에리트리톨 분획이 실질적으로 존재하지 않는 불순물을 함유하는 분획을 의미하므로 에리트리톨 분획과 불순물 분획으로 구성된 중첩 분획(L)을 포함하지 않는다(도 2 참조). 이 중첩된 분획(L)은 제 4 작업에서 처리된다.
(4) 에리트리톨 분획과 불순물 분획으로 구성된 중첩된 분획(도 2에 "L" 분획)은 분리 타워의 하부로 부터 제거되어 그의 상부로 순환됨으로써 에리트리톨 분획이 분리 타워의 하부측으로 이동한다. 이 작업을 실시할 때, 분리 타워는 폐쇄계 상태로 유지되며, 또 중첩된 분획(L)은 분리 타워의 하부로 부터 제거되어 펌프의 작업에 의해 그의 상부로 순환된다.
(5) 중첩된 분획이 존재하지 않을 때 적합한 위치에서 물(W)을 분리 타워에 공급함으로써 분리 타워의 하부로 부터 에리트리톨 분획을 제거하여 회수한다. 도 2의 제 5 작업은 물이 제 2 타워의 상부에 공급되고 대부분의 에리트리톨 분획(a)이 분리 타워의 하부로 부터 제거되는 위치를 도시한다. 제 4 타워에 잔류하는 잔류 에리트리톨은 정제 용액(F)이 분리 타워의 상부로 다시 공급될 때 다음 크로마토그래피 분리 단계의 제 1 작업을 실시함으로써 회수될 수 있다. 또한 상기 제 4 작업에서 분리 타워의 상부로 전달된(순환된) 분획내에 함유되어 있는 에리트리톨은 정제 용액(F)내의 에리트리톨과 함께 불순물 분획으로 부터 분리되어 회수된다.
상술한 크로마토그래피 분리의 제 1 특징은 에리트리톨 분획(a)이 실질적으로 존재하지 않는 불순물 분획이 분리 타워의 하부로 부터 제거된 후, 불순물 분획 및 에리트리톨 분획(a)으로 구성된 중첩된 분획(에리트리톨의 순도를 향상시키기 위하여 연속해서 제거하고 적합하게 처리된)을 분리 타워의 상부로 전달(순환)함으로써 에리트리톨의 순도를 감소시킴없이 에리트리톨의 회수율을 증가시킬 수 있는데 있다.
또한 상술한 크로마토그래피 분리의 제 2 특징은 계 외부로 부터 분리 타워에 공급되는 물의 양이 가능한한 적게 제한함으로써 후술하는 다음 농축 단계에 걸리는 부하를 감소시키는데 있다. 따라서, 크로마토그래피 분리 단계에서는 (1) 분리 타워내의 물이 용출제로 사용되고 (제 2작업); (2) 상술한 바와 같이, 불순물 분획 및 에리트리톨 분획으로 구성된 중첩된 분획이 분리 타워의 상부로 전달(순환)되어 에리트리톨 분획을 분리 타워의 하부로 보내고(제 4 작업); 또 (3) 제 5 작업에서 분리 타워에 공급되는 물의 양을 감소시켜 에리트리톨 분획의 일부가 분리 타워에 잔존케하고 또 정제 용액이 다음 크로마토그래피 분리 단계에 새로이 공급될 때 분리 타워로 부터 잔류 에리트리톨 분획을 제거하여 회수한다(제 1 작업).
착색 성분, 향 성분, 염 등을 배양액으로 부터 제거하기 위하여 활성탄 처리 단계 및/또는 탈염 단계를 실시할 수 있다. 이들 단계의 순서는 임의로 선택할 수 있다. 사용된 활성탄은 임의 형태, 예컨대 분말 또는 입자 형태일 수 있다. 탈염 단계에서는 양이온 교환 수지 칼럼, 음이온 교환 수지 칼럼 및 양이온 및 음이온 교환 수지 모두를 함유하는 혼합 베드 타워가 이용될 수 있다.
연속하는 결정화 단계의 효율을 향상시키기 위하여 결정화 단계 직전에 농축 단계를 실시할 수 있다. 이 농축 단계는 용액에 용해된 고형분 함량이 통상 30 내지 70 중량%, 바람직하게는 40 내지 60 중량%에 도달할 때 까지 계속될 수 있다. 이러한 농축 단계에서는 크로마토그래피 분리 단계 이전의 농축 단계에서와 마찬가지로 동일한 분리기 및 작업 조건이 상술한 바와 같은 이유로 인하여 바람직하게 이용된다.
본 발명에서는, 에리트리톨-함유 수용액(결정화될 원료 용액)으로서, (1) 상술한 방법의 크로마토그래피 분리 단계로 부터 회수된 에리트리톨 분획, (2) 상술한 방법의 결정 분리 단계로 부터 회수된 결정화 모액등이 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 결정화 단계에서는 처리될 원료 용액중의 에리트리톨 농도를 결정화 초기에 30 내지 60 중량%로 조정하고; 이 용액을 20℃/시간 이하의 냉각 속도로 냉각시키고; 결정화하기 위하여 냉각하는 동안에 에리트리톨 씨 결정을 원료 용액에 부가하며; 또 용액을 20℃ 이하의 온도로 냉각시킨 후 에리트리톨 결정을 생성한 에리트리톨 결정-함유 슬러리로 부터 분리한다.
본 발명에 따른 방법의 결정화 단계에서는 용액의 농도가 냉각하는 동안에 70 내지 60℃에 도달한 후, 용액의 냉각 속도를 특히 10℃/시간 이하로 감소시키고 그 용액을 20℃ 이하, 바람직하게는 15℃ 이하의 온도로 냉각시킨다. 또한 본 발명에 따르면, 결정화 탱크중의 에리트리톨-함유 수용액의 온도는 에리트리톨의 용해도가 포화되는 온도 보다 낮고 또 이들 온도간의 차이는 15℃ 이하이며, 에리트리톨 씨 결정이 결정화 탱크중의 에리트리톨-함유 수용액에 부가되는 것이 바람직하다. 보다 자세하게는, 에리트리톨 씨 결정은 결정화 탱크중의 에리트리톨-함유 수용액의 온도가 에리트리톨의 용해도가 포화되는 온도 보다 1 내지 5℃ 정도 낮을 때 부가되는 것이 바람직하다. 씨 결정의 부가량은 특히 제한되지 않지만, 결정화 탱크에서 결정화되는 에리트리톨의 중량을 기준하여 0.1 중량% 이하, 보다 바람직하게는 0.001 내지 0.05중량%이다.
결정 분리 단계에 사용되는 장치는 특별히 한정되지 않는다. 그러나, 본 발명자들의 발견에 따르면, 처리될 슬러리가 여과기 표면의 외부 방향으로 분산되어 여과기 표면과 접촉하는 구조를 갖는 원심분리기를 이용하는 것이 바람직하다. 그 이유는 다음과 같다.
가장 전형적인 바스켓식 원심분리기를 이용하는 경우, 단일 파이프 노즐로 부터 공급되는 에리트리톨 결정-함유 슬러리는 슬러리가 전체 여과기 표면에 걸쳐 분포되기 전에 고체상 및 액체 상으로 나눠져 원심분리기에 에리트리톨 결정의 분포가 불균일하게되어 장치가 작동되지 못하게된다. 이들 문제는 상술한 구조를 갖는 원심분리기를 이용함으로써 피할 수 있다.
도 4에 도시된 원심분리기는 축방향을 따라 직경이 점차 확대된 원통형의 회전성 여과기 부재, 여과기 부재의 내주변에 맞는 적합한 외형을 갖고 여과기 부재내에 동축적으로 배치된 스크류 및 여과기 부재의 작은 직경측에 장착된 슬러리 공급 파이프에 의해 구성된다.
보다 자세하게는, 도 4에 도시된 원심분리기는 주요 부품으로서, 드라이브 샤프트(10)에 지지된 바스켓(11) 과 스크류(12), 바스켓(11)의 외주변을 둘러싸게 배치된 덮개(13), 및 스크류(12)에 삽입된 슬러리 공급 파이프(14)를 포함한다. 드라이브 샤프트(10)는 동심성 이중 샤프트 구조를 갖는다. 드라이브 샤프트(10)의 외부 샤프트는 V-벨트(15)를 통하여 모터(16)에 의해 구동되고, 또 드라이브 샤프트(10)의 내부 샤프트는 외부 샤프트의 회전 속도 보다 느린 회전 속도에서 동시성 감속기(17)를 통하여 구동된다. 그 결과, 외부 샤프트 위에 장착된 바스켓(11)은 내부 샤프트상에 장착된 스크류(12) 보다 더 고속으로 회전된다.
도 5에 도시한 바와 같이, 바스켓(11)은 그의 선단부를 향하여 직경이 넓어지는 테이퍼링된 원통형이고 또 용액이 분리되어 통과되도록 하는 다수의 구멍(18)을 갖는 주변의 벽에 제공된다. 또한 고형분 성분을 수집하기 위한 와이어 네트(19)는 바스켓(11)의 내주부 표면상에 배치된다. 스크류(12)는 바스켓의 내주부 표면에 적합한 외형을 갖고 중심 부(기재)를 향하여 직경이 넓어지는 테이퍼링된 내벽 표면에 의해 정의된 슬러리 수용 공간을 갖도록 제공된다. 스크류(12)의 중심측 벽에는 슬러리가 분산되도록 하는 복수의 개구부(20)가 제공되어 있다. 스크류(12)는 나선형 블레이드를 갖는 외주부 표면상에 제공된다. 바스켓(11) 및 와이어 네트(19)는 원심분리기의 여과기 부재를 구성한다.
도 4에 도시된 저장기(21)내에 수용된 슬러리는 슬러리 공급 파이프(14)를 통하여 드라이브 샤프트(10)의 선단부(10a) 쪽으로 공급되어 스크류(12)의 내부 공간(즉, 슬러리 수용 공간)으로 도입된다. 이때, 슬러리는 도 5에 도시된 바와 같이 스크류(12)의 회전에 의해 스크류(12)의 테이퍼링된 내주부 표면을 따라 분산된다. 그 결과, 슬러리는 각 개구부(20)를 통과하게되고 바스켓(11)과 함께 고속으로 회전되는 와이어 네트(19)의 원주 방향으로 분산되어 와이어 네트(19) 쪽과 충돌한다. 와이어 네트(19)의 원주 방향으로 슬러리가 분산되는 것은 슬러리를 드라이브 샤프트(10)의 선단부(10a)와 충돌하게함으로써 가속된다. 보다 자세하게는, 슬러리는 선단부(10a)와의 충돌에 의해 와이어 네트(19)의 원주 방향으로 분산되어 개구부(20)를 통과하여 원심분리력의 작용에 의해 와이어 네트(19)와 충돌하게된다. 또한 와이어 네트(19)에 공급되는 슬러리는 테이퍼링된 형상, 즉 선단을 향하여 직경이 넓어진 형상과 회전력의 작용에 의해 와이어 네트(19)의 선단부를 향하여 유동된다. 와이어 네트(19)의 선단부를 향한 슬러리의 유동 이동은 나선형 블레이드의 회전 속도간의 차에 의해 유발된 작용인 나선형 블레이드의 스크레이핑(scraping) 작용에 의해 가속된다.
이렇게하여 분리된 에리트리톨 결정에 세척수 공급 파이프(22) 및 스크류(12)의 주변 벽을 통하여 형성된 소형 구멍(24)을 통하여 공급된 물로 분무 세척한다. 이후, 에리트리톨 결정을 바스켓(11)의 대형 직경 단부로 부터 스크류(12)에 의해 시스템의 외부로 방출시킨다. 한편, 에리트리톨 결정으로 부터 분리된 여액 및 폐 세척수를 구멍(18)을 통하여 덮개(13)로 보낸 다음 드레인 파이프(23)를 통하여 시스템의 외부로 방출한다.
상술한 구조를 갖는 원심분리기를 사용함으로써, 슬러리를 여과 표면의 원주 방향으로 분산시키면서 슬러리를 여과할 수 있게된다. 따라서, 에리트리톨 결정-함유 슬러리는 슬러리가 전체 여과기 표면에 걸쳐 분포되기 전에 고상 및 액상으로 분리되는 것이 방지될 수 있어 에리트리톨 결정의 불균일 분포없이 슬러리의 원심분리를 원활하게 실시할 수 있다.
도 4 및 도 5에 도시된 원심분리기에서, 여과기 표면의 원주 방향으로의 슬러리의 분산 및 여과기 표면으로의 슬러리의 충돌은 (a) 스크류(12)의 테이퍼링된 내벽 표면의 효과와 (b) 드라이브 샤프트(10)의 선단부(10a)에 대하여 슬러리의 충돌 효과와 함께 원심분리력 작용을 이용하여 달성할 수 있다. 그러나 (a) 또는 (b)중의 어떤 것을 이용하여도 유사한 상태를 달성할 수 있다. 다르게는, 다수의 개구부 또는 하나의 회전 노즐을 갖는 고리형 부재가 여과기 부재의 소형 직경측으로 삽입된 슬러리 공급 파이프의 선단부에 설비되어 슬러리가 고리형 부재 또는 회전 노즐을 통하여 여과기 표면의 원주 방향으로 분산되어 여과기 표면으로 충돌되게되는 수단을 채용할 수 있다.
슬러리가 여과기 표면의 원주 방향으로 분산된 다음 여과기 표면과 충돌하게 분산되는 구조를 갖는 원심분리기는 시판되고 있으며, 예컨대 "CONTAVEX" 또는 "PUSHER" (상표명, 스미토모 헤비 머시너리 인더스트리 컴패니 리미티드 제조)가 있다.
한편, 결정 분리 단계는 수득한 결정의 수분 함량을 감소시키기 위하여 가능한한 높은 원심력에서 실시될 수 있다. 그러나, 본 발명자의 발견에 따르면, 에리트리톨 결정은 비교적 큰 경도를 갖고 있기 때문에, 과도하게 높은 원심력하의 작업은 원심분리기의 내부벽 표면과의 충돌에 의하여 에리트리톨 결정의 파쇄를 초래할 수 있다. 이 때문에, 본 발명에 따르면, 결정 분리 단계를 통상 50 내지 500 G 의 원심력하에서 실시한 후 수득한 결정을 에리트리톨 결정 1중량부당 0.1 내지 1 중량부 양의 물로 분무 세척하고 5 내지 20℃의 온도에서 유지하는 것이 바람직하다.
원심분리력이 50G 미만이면, 수득한 에리트리톨 결정의 수분 함량이 너무 크게되어 후속하는 건조 단계에 부담을 주게될 뿐만 아니라 그로인한 모액의 불충분한 제거로 인하여 수득한 결정 생성물 품질의 열화를 초래한다. 한편, 원심분리력이 500 G 이상이면, 에리트리톨 결정이 원심분리기의 내부 벽 표면과의 충돌시 파쇄될 수 있다. 따라서, 결정 분리 단계에 이용된 원심분리력은 100 내지 300G 이 바람직하다.
분무 세척에 사용된 세척 수의 양과 온도는 상술한 비교적 작은 원심분리력이 이용되더라도 에리트리톨 결정의 용해 손실없이 충분한 세척 효과를 달성할 수 있도록 결정될 수 있다. 자세하게는, 사용된 세척수의 양이 에리트리톨 결정 1중량부를 기준하여 0.1 중량부 미만이면, 세척 효과가 불충분할 수 있고 그에 따라 고순도 에리트리톨 결정을 얻을 수 없게된다. 한편, 세척수 사용량이 1 중량부 이상이거나 또는 세척수의 온도가 20℃ 이상이면, 에리트리톨 결정의 용해 손실이 크게되어 공정이 비경제적으로 된다. 사용된 세척 수의 양은 에리트리톨 결정 1중량부를 기준하여 0.2 내지 0.5 중량부가 바람직하고 세척수의 온도는 바람직하게는 10 내지 20℃ 이다.
본 발명에 따른 방법의 건조 단계는 앞서의 결정화 단계로 부터 회수된 에리트리톨 결정으로 부터 물을 제거하기 위하여 실시된다. 건조 단계에서는 통상 유동층 유형의 건조기가 적합하게 사용된다. 또한 에리트리톨 결정으로 부터 대형의 입자를 제거하기 위하여 체질 단계를 실시할 수 있다. 체질 단계에서는 통상 1,000 또는 1,190 mm 메쉬 크기를 갖는 진동 스크린 장치를 적합하게 사용할 수 있다.
실시예
본 발명은 이하의 실시예를 참조하여 더욱 자세하게 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 제한되지 않으며 본 발명의 범위내에서 다양한 변형이 가능하다.
실시예 1:
무수 글루코오스 결정 300 g/리터(글루코오스 환산) 및 효모 추출액 10 g/리터를 함유하는 배지(배양액)에 모닐리엘라 토멘토사 변종 폴리니스( Moniliella tomentosa var. pollinis )를 부가하였다. 배지를 35℃에서 48시간 동안 진탕시켜 종균육종 배지(A)를 수득하였다. 수득한 종균육종 배지(A)의 1.2 리터를 무수 글루코오스 결정 300 g/리터 (글루코오스 환산) 및 옥수수 담근 액체 37 g/리터를 함유하는 배지 600 리터에 부가하였다. 300 리터/분의 공급 속도로 공기를 통과시키고 또 300 rpm에서 교반하는 동안 35℃ 및 1.0 kg/cm2G 에서 48시간 동안 배양을 실시하여 종균육종 배지(B)를 수득하였다. 이어, 수득한 종균육종 배지(B) 600 리터를 무수 글루코오스 결정 400 g/리터(글루코오스 환산) 및 옥수수 담근 액체 15 g/리터를 함유하는 배지 30 m3에 부가하였다. 15 m3/분의 공급 속도로 공기를 통과시키고 또 100 rpm에서 교반하는 동안 35℃ 및 1.0 kg/cm2G 에서 90시간 동안 배양을 실시하고 또 글루코오스가 완전히 소모된 것으로 측정될 때 배양을 중지하였다. 가열 멸균처리시킨 직후, 배지를 세라믹 막을 이용하여 교차 유동 여과법에 의해 처리함으로써 이하의 조건하에서 미생물을 제거하였다.
즉, 먼저, 미생물 농축 및 분리 과정으로서, 약 70℃에서 가열된 에리트리톨-함유 배양액을 미생물 분리 단계(즉, 도 1에 도시된 교차 유동 여과 장치에서)에 사용된 순환 탱크(1)에 공급하고, 그후 펌프(2)를 작동시켜 배양액의 순환을 개시하여 용액이 여과기 막(3) 및 열 교환기(6)를 통과하여 순환 탱크(1)로 복귀하게하였다. 여과기 막(3)을 통과한 정제 용액(여액)은 여액 저장기(5)에 받았다. 상기 과정에서, 순환된 배양액의 온도 및 유동 속도는 약 70℃ 및 5 m/s로 각각 조종하였고, 또 막을 통한 압력차는 1 Kg/cm2로 조정하였다. 그 결과, 평균 침투 유동 속도는 130 리터/m2·시간 이었다.
이어, 물 부가 여과 과정으로서, 여액 저장기(5)속의 정제 용액의 양이 24 m3에 도달하면, 순환 탱크(1)내의 농축 용액의 양을 일정하게 유지하면서 물을 순환 탱크(1)내의 농축 용액 6m3에 연속해서 공급하였다. 물을 순환 탱크(1)에 계속해서 공급하면서, 배양액의 순환을 상기와 동일한 방식으로 실시하고 정제 용액(여액)을 여액 저장기(5)에 받았다. 또한 공급된 물은 순환 탱크(1)에 공급하기 전에 필요에 따라 약 70℃로 예열하였다. 공급된 물의 총량은 18 m3였고 또 여액 저장기(5)에 수용된 정제 용액(여액)의 총량은 18 m3이었다.
이어, 추가의 농축 및 여과 과정으로서, 배양액의 순환을 물 공급을 중지한 후에도 상술한 바와 동일한 방식으로 계속함으로써 정제 용액(여액)을 여액 저장기(5)에 받았다. 침투 유동속도가 약 50 리터/m2·시간으로 감소되면, 추가의 농축 및 여과 과정을 중지하였고, 교차 유동 여과 장치를 물로 세척하고, 후속 미생물 분리 단계를 위해 재생하였다. 상기 추가의 농축 및 여과 과정에서 여액 저장기(5)에 수용된 정제 용액(여액)의 총량은 2 m3이었다.
상술한 각 과정에서 수득한 정제 용액(여액)의 총량은 44 m3이었고, 또 정제 용액은 121 g/리터의 에리트리톨과 0.3 g/리터의 글리세롤을 함유하고 있었다.
이어, 44 m3의 수득한 정제 용액을 Na형의 카르복시산 유형의 약산성 양이온 교환 수지 (상표명: DIAION WK-20, 미쓰비시 케미컬 코포레이숀 제조)로 충전된 타워를 통과시켜 Ca 및 Mg와 같은 경질 성분들을 Na 이온으로 치환시켰다. 이때, 정제 용액의 온도는 70℃로 유지하였다.
이어, 정제 용액을 용해된 고형분 함량이 40중량%에 도달할 때 까지 농축시켰다(일차 농축). 증발기로서는, 강하 경막 형성 부분에 쉘과 관을 구비한 쿼드러플(quadruple) 효과 증발기를 사용하였다. 작용 압력은 74 내지 220 토르로 조정되었고 또 유체 온도는 46 내지 70℃로 조정되었다. 동시에, 용액을 감압하에서 농축시켰을 때 발포 현상이 관찰되지 않았고 또 농축은 안정하게 실시되었다.
이어, 70℃로 유지된 수득 농축 용액 1.44 m3을 2,000 mm (직경) x 7,000 mm (높이) 크기를 갖고 디비닐 벤젠-가교된 폴리스티렌 술폰산 유형의 강산성 양이온 교환 수지의 Na형 수지(상표성: DIAION UBK-550, 미쓰비시 케미컬 코포레이숀 제조)로 충전된 분리 타워의 상부에 공급하였다. 분리 타워의 온도를 70℃에서 유지시키고 또 농축 용액을 11.6 m3/시간의 공급 속도로 공급하였다.
연속해서, 농축 용액의 경우와 동일한 공급 속도로 물을 분리 타워의 상부에 공급하고, 용출층 부피가 0.54인 위치 사이에 경계를 설정하는 것에 의해 분리 타워로 부터 용출물을 2개 분획, 즉 전반부 분획 및 후반부 분획으로 나누었다. 전반부 분획 및 후반부 분획의 양은 각기 4.8 m3및 3.4 m3이었다. 에리트리톨 및 글리세롤은 후반부 분획으로 회수되었다. 상술한 작업을 10회 반복함으로써 후반부 총 분획 34 m3를 수득하였다. 수득한 후반부 분획은 에리트리톨 농도가 96.5 g/리터이고 글리세롤 농도가 0.2 g/리터이며 또 기타 물질의 농도가 2.0 g/리터인 조성을 갖고 있었다.
이어, 후반부 분획을 H 유형의 강산성 양이온 교환 수지(상표명: DIAION SK1B, 미쓰비시 케미컬 코포레이션 제조)으로 충전된 타워, OH 유형의 약염기성 음이온 교환 수지(상표명: DIAION WA30, 미쓰비시 케미컬 코포레이숀 제조)으로 충전된 타워 및 상술한 H 유형의 강산성 양이온 교환 수지(상표명: DIAION SK1B, 미쓰비시 케미컬 코포레이션 제조) 및 OH 유형의 약염기성 음이온 교환 수지(상표명: DIAION WA30, 미쓰비시 케미컬 코포레이숀 제조) 모두에 의해 충전된 혼합층 타워(상표명: DIAION PA408, 미쓰비시 케미컬 코포레이숀 제조)를 연속 통과시키는 것에 의해 처리하였다. 또한, 후반부 분획을, 이하에 자세하게 설명한 바와 같이 H형의 강산성 양이온 교환 수지로 충전된 타워에 공급하기 전에, 결정 분리 단계(원심분리기)로 부터 방출된 세척수 함유 결정화 모액 8 m3와 미리 혼합하였다. 결정화 모액을 상기 분획과 미리 혼합하여 재사용하는 것에 의해, 그속에 함유된 에리트리톨을 회수할 수 있다. 이렇게 처리된 용액을 3.4 kg의 활성탄 분말과 혼합하고 그 혼합물을 30분간 교반한 다음 여과하여 활성탄을 제거하여 여액을 수득하였다.
이렇게 수득한 여액을, 그속에 용해된 고형분 함량이 53중량%(에리트리톨 농도: 48.0 중량%)에 도달할 때 까지 감압하, 70℃에서 농축시켰다(2차 농축). 증발기로서는 강하 경막 형성부분에 쉘과 관을 구비한 쿼드러플 효과 증발기를 이용하였다. 작업 압력은 74 내지 220 토르 이었고, 유체 온도는 46 내지 70℃ 이었다. 농축 단계에서, 용액을 감압하에서 농축시켰을 때 발포 현상은 관찰되지 않았고 또 농축은 안정하게 실시될 수 있었다.
이어, 70℃의 온도를 갖는 농축액을 7.5℃/시간의 냉각 속도로 15℃로 서서히 냉각시켰다. 농축 용액의 온도가 42℃에 도달하면(냉각하는 동안 포화 온도(45℃)와의 차: -3℃), 380 g의 에리트리톨 씨 결정(수득한 에리트리톨 결정을 기준한 중량%: 0.01 중량%)을 상기 농축 용액에 부가하여 에리트리톨 결정을 성장시켜 에리트리톨 결정-함유 슬러리를 수득하였다.
원심분리력을 167G 가하고 또 15℃로 유지되고 습윤 에리트리톨 결정 1중량부를 기준하여 0.2 중량부 양의 물로 세척하면서 상기 수득한 에리트리톨 결정-함유 슬러리를 원심분리기(상표명: "CONTAVEX", 스미토모 헤비 머시너리 인더스트리, 컴패니 리미티드 제조)를 사용하여 원심분리시켜 슬러리로 부터 에리트리톨 결정을 분리하였다. 보다 자세하게는, 에리트리톨 결정-함유 슬러리를 여과기 표면의 원주 방향으로 분산시킨 다음 여과기 표면으로 충돌시켜 물로 분무 세척하면서 에리트리톨 결정을 여과시켰다. 그 결과, 3.5톤의 에리트리톨 결정을 수득하였다. 수득한 에리트리톨 결정은 99.9%의 순도와 2.47 중량%의 수분 함량을 갖고 있었다. 세척수를 함유하는 결정화 모액은 탱크로 순환시키고 그곳에서 일시적으로 저장하여 그로 부터 에리트리톨을 회수하였다. 이후, 수득한 에리트리톨 결정을 건조시켰다.
수득한 에리트리톨 결정의 평균 입도는 750 ㎛로 측정되었다. 측정된 평균 입도를 원심분리하기 전의 입도(750㎛)와 비교한 결과, 결정의 파쇄가 없었음이 확인되었다. 수득한 에리트리톨 결정은 주로 단결정 구조를 갖고 있었다.
미생물 분리 단계, 연화 단계, 크로마토그래피 분리전의 농축 단계(일차 농축) 및 결정화 단계 직전의 농축 단계(이차 농축)로 부터 회수된 각 정제 용액을 사용하여 그 흡수도를 측정하였다. 결과를 하기 표 1에 나타낸다. 또한, 흡수도의 측정은 1 cm 쿼트 셀과 파장 720nm 또는 420 nm를 이용하여 분광광도계 "UVIDEC-340"(니혼 분코 컴패니 리미티드 제조)로써 실시하였다.
미생물 분리 단계 및 연화 단계로 부터 회수된 정제 용액을 사용하여 배양 시험하였다. 결과를 하기 표 1에 나타낸다. 또한 배양 시험에서, 멸균 조건하에서 샘플링된 시험 용액을 25℃로 유지되는 배양기에 위치시키고 하루 낮과 밤 동안 방치하였다. 시험 용액에서 다양한 미생물의 성장을 측정하기 위하여 시험 용액을 목측 평가하였다.
또한, 에리트리리톨 결정의 수분 함량 및 세척 효율도 평가하였다. 그 결과를 하기 표 2에 나타낸다. 또한 표 2에는 당 및 당 알코올의 함량을 고성능 액체 크로마토그래피에 의해 측정하였고 또 세척수의 양에서 중량부는 습윤 에리트리톨 결정 1중량부를 기준한 중량부를 의미한다.
참고 실시예 1:
교차 유동 여과 장치 대신 원심분리기를 사용하고 또 8000G의 원심분리력을 배양액에 가하여 미생물 분리를 실시한 이외에는 실시예 1에 정의된 것과 동일한 과정을 실시하여 에리트리톨 결정을 수득하였다. 미생물 분리 단계(원심분리기)로 부터 회수된 상청액을 실시예 1에서와 동일한 방식으로 흡수도 측정과 배양 시험처리하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타낸다.
참고 실시예 2:
미생물 분리 단계의 온도를 70℃에서 부터 25℃로 변경한 이외에는 실시예 1에 정의된 것과 동일한 과정을 실시하여 에리트리톨 결정을 수득하였다. 미생물 분리 단계(원심분리기)로 부터 회수된 상청액을 실시예 1에서와 동일한 방식으로 흡수도 측정과 배양 시험처리하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타낸다.
참고 실시예 3:
연화 단계의 온도를 70℃에서 부터 25℃로 변경한 이외에는 실시예 1에 정의된 것과 동일한 과정을 실시하여 에리트리톨 결정을 수득하였다. 이 경우, 처리될 배양액을 연화 단계에 사용된 수지 충전된 타워에 공급하기 위한 공급 펌프의 압력 손실은 서서히 증가하였다. 펌프의 압력 손실의 증가는 배양액의 세균 감염에 의해 유발되었음이 확인되었다. 연화 단계로 부터 회수된 정제 용액을 실시예 1에서와 동일한 방식으로 흡수도 측정과 배양 시험처리하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타낸다.
참고 실시예 4:
연화 단계의 온도를 70℃에서 부터 45℃로 변경한 이외에는 실시예 1에 정의된 것과 동일한 과정을 실시하여 에리트리톨 결정을 수득하였다. 연화 단계로 부터 회수된 정제 용액을 실시예 1에서와 동일한 방식으로 흡수도 측정과 배양 시험처리하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타낸다.
참고 실시예 5:
연화 단계의 온도를 70℃에서 부터 95℃로 변경한 이외에는 실시예 1에 정의된 것과 동일한 과정을 실시하여 에리트리톨 결정을 수득하였다. 연화 단계로 부터 회수된 정제 용액을 실시예 1에서와 동일한 방식으로 흡수도 측정과 배양 시험처리하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타낸다.
참고 실시예 6:
크로마토그래피 분리 전의 농축 단계(일차 농축) 및 결정화 단계 직전의 농축 단계(이차 농축)를 30 토르 작용 압력 및 유체 온도 30℃에서 실시한 이외에는 실시예 1에 정의된 것과 동일한 과정을 실시하여 에리트리톨 결정을 수득하였다. 이들 농축 단계 모두에서, 격렬한 발포 현상이 관찰되었다. 각 농축 단계로 부터 회수된 정제 용액을 실시예 1에서와 동일한 방식으로 흡수도 측정을 실시하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타낸다.
참고 실시예 7:
크로마토그래피 분리 전의 농축 단계(일차 농축) 및 결정화 단계 직전의 농축 단계(이차 농축)를 600 토르 작용 압력 및 유체 온도 93℃에서 실시한 이외에는 실시예 1에 정의된 것과 동일한 과정을 실시하여 에리트리톨 결정을 수득하였다. 이들 농축 단계 모두에서 발포 현상은 없었으나, 각 농축 단계후 용액은 실시예 1과 비교하여 현저히 착색되었다. 각 농축 단계로 부터 회수된 정제 용액을 실시예 1에서와 동일한 방식으로 흡수도 측정을 실시하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타낸다.
실시예 2 내지 3 및 참고 실시예 8 내지 11:
결정 분리 단계에 사용된 조건을 표 2에 도시한 조건으로 변경한 이외에는 실시예 1에 정의된 것과 동일한 과정을 실시하여 에리트리톨 결정을 수득하였다. 수득한 결정의 수분 함량과 세척 효율을 평가한 결과를 하기 표 2에 나타낸다.
실시예 및참고 실시예 미생물 분리 단계 연화 단계
A720 미생물성장 조건 A420 미생물성장 조건
실시예 1 0.000 - 0.83 -
참고실시예 1 0.327 - 측정되지 않음 측정되지 않음
참고실시예 2 0.000 + 측정되지 않음 측정되지 않음
참고실시예 3 측정되지 않음 측정되지 않음 0.69 +
참고실시예 4 측정되지 않음 측정되지 않음 0.80 +
참고실시예 5 측정되지 않음 측정되지 않음 0.94 _
참고실시예 6 측정되지 않음 측정되지 않음 측정되지 않음 측정되지 않음
참고실시예 7 측정되지 않음 측정되지 않음 측정되지 않음 측정되지 않음
실시예 및참고 실시예 일차 농축 후 이차 농축 후
A420 A420
실시예 1 13.9 0.030
참고 실시예 1 측정되지 않음 측정되지 않음
참고 실시예 2 측정되지 않음 측정되지 않음
참고 실시예 3 측정되지 않음 측정되지 않음
참고 실시예 4 측정되지 않음 측정되지 않음
참고 실시예 5 측정되지 않음 측정되지 않음
참고 실시예 6 12.9 0.027
참고 실시예 7 16.0 0.048
실시예 및참고 실시예 이용된원심분리력(G) 세척수의 양(중량부) 평균 입도(㎛)
내부 바스켓 방출 후
실시예 1 167 0.2 750 750
실시예 2 296 0.2 760 740
실시예 3 167 0.3 750 745
참고 실시예 8 828 0.2 760 660
참고 실시예 9 527 0.2 760 700
참고 실시예 10 13 0.2 760 760
참고 실시예 11 167 0.05 750 750
실시예 및참고 실시예 수분 함량(중량%) 당 및 당 알코올의함량 (중량%) 세척 효율
세척 전 세척 후
실시예 1 2.47 0.70 0.07 90
실시예 2 2.15 0.77 0.09 88
실시예 3 2.35 0.93 0.13 86
참고 실시예 8 2.75 0.81 0.10 88
참고 실시예 9 2.32 0.75 0.08 89
참고 실시예 10 7.10 3.10 1.25 60
참고 실시예 11 2.24 0.75 0.37 49
실시예 4
크로마토그래피 분리 단계의 절차를 다음과 같이 변화시키는 것을 제외하고는, 실시예 1에서 정의한 바와 같은 동일한 절차를 실시하였다.
즉, 배양 단계, 미생물-분리 단계, 연화 단계 및 농축 단계(일차 농축)을 실시예 1과 같은 동일한 방식으로 실시하였다. 이후, 도 3에 도시한 바와 같은 크로마토그래피 분리 단계, 즉 디비닐 벤젠-가교된 폴리스티렌 술폰산-형 강산 양이온 교환수지의 Na 유형(상표명: DIAION UBK-550, 미쓰비시 케미칼 제조) 22 m3으로 충전된 크기 2,000 mm(직경) × 1,750 mm(높이)를 각각 갖는 4개의 연속-연결된 타워를 포함하는 분리 타워를 사용하는 단계를 다음과 같은 방식으로 실시하였다.
먼저, 70℃로 유지되는 상술한 농축 용액을 분리 타워의 상부로 공급하였다. 분리 타워의 온도를 70℃로 유지하고, 또 농축 용액의 공급 속도를 11.9 m3/시간으로 조정하였다. 농축 용액을 4개의 분획으로 분리한 다음, 다음 5개의 단계에서 분리 타워를 통과 시켜, 불순물 분획 및 에리트리톨 분획으로 구성된 중첩된 분획을 회수하였다.
<제 1작업>
밸브(81, 84)를 개방하고, 또 탱크(75)에 저장된 농축 용액의 1.5 m3을 펌프(91)을 작동시켜 제 1타워(71)의 상부로 공급하여, 주로 제 4타워(74)의 하부로부터 에리트리톨로 구성된 생성물 분획(1) 1.5 m3을 회수하였다. 참고로, 이렇게 얻은 생성물 분획은 제 1작업이 선행 주기의 제 5작업 후 실시될 때, 타워내 잔류액을 이들의 하부로 이동시킴으로써 수지로부터 용출된 분획-함유 성분이다. 제 1작업을 종결한 후, 밸브(81, 84)를 잠궜다(각 후속 작업을 종결한 후 밸브 잠금 작업을 유사하게 실시하였다).
<제 2작업>
밸브(87, 82)를 개방하고, 펌프(92)를 작동시켜 제 4타워(74)의 하부로부터 물 6.4 m3을 제거하고 또 제거수를 제 1타워(71)의 상부로 순환시켰다.
<제 3작업>
밸브(82, 86)를 개방하고, 펌프(92)를 작동시켜 탱크(76)에 있는 물 5.0 m3을 제 1타워(71)의 상부로 공급하고 또 제 4타워(74)의 하부로부터 폐분획 5.0 m3을 제거하였다. 이 폐분획은 다양한 염, 착색 성분 및 불순물을 함유하였다.
<제 4작업>
에리트리톨 분획 및 불순물 분획을 함유하는 중첩된 분획 1.0 m3을 제 4타워(74)의 하부로부터 제거하고 또 제 1타워(71)의 상부로 순환하였다.
<제 5작업>
밸브(83, 85)를 개방하고, 또 펌프(92)를 작동시켜 탱크(76)에 있는 물 3.5 m3을 제 2타워(72)의 상부로 공급하고 또 제 4타워(74)의 하부로부터 주로 에리트리톨로 구성된 생성물 분획 3.5 m3를 회수하였다. 생성물 분획(1, 2)의 총량은 5.0 m3이었다.
하나의 주기로서, 선행 주기의 제 5작업 후, 후속 주기의 제 1작업을 실시하는 상술한 일련의 제 1 내지 제 5작업을 7번 반복함으로써, 주로 에리트리톨로 구성된 분획 35.0 m3을 얻었다. 이렇게 얻은 에리트리톨 분획은 에리트리톨 농도 97.2 g/리터, 글리세롤 농도 0.2 g/리터 및 다른 물질의 농도 1.1 g/리터인 조성물을 가졌다.
다음, 실시예 1과 같은 동일한 방식으로, 상술한 크로마토그래피 분리 단계로부터 회수된 용출액을 강산 양이온 교환 수지의 H 형으로 충전된 타워, 약염기 음이온 교환 수지의 OH 형으로 충전된 타워 및 상술한 강산 양이온 교환 수지 H 형 및 강염기 음이온 교환 수지의 OH 형으로 충전된 혼합 베드 타워를 연속적으로 통과시킴으로써 처리하였다.
더욱이, 실시예 1과 같은 동일한 방식으로, 이 용출액을 농축 단계(이차 농축), 결정화 단계 및 결정 분리 단계로 연속 처리하여, 에리트리톨 결정 3.5 톤을 얻었다. 이렇게 얻은 에리트리톨 결정은 순도 99.9% 및 수분 함량 2.47 중량%를 가졌다. 세척수를 함유하는 결정 모액을 회수하고 또 일시적으로 탱크내에 저장하여 이들로부터 에리트리톨을 회수하였다.
이후, 이렇게 얻은 에리트리톨을 건조하고 또 이들의 평균 입경을 측정하였다. 측정 결과, 평균 입경은 750 ㎛이었다. 이 평균 입경을 원심 분리 전과 비교하여, 어떠한 에리트리톨 결정의 파쇄가 발생하지 않았음을 확인하였다. 에리트리톨 결정은 주로 단결정 구조이었다.
상술한 작업에서, 크로마토그래피 분리 단계로부터 회수된 에리트리톨 분획을 에리트리톨의 회수율, 불순물 제거율, 변색율 및 탈염율에 대해 측정하였다. 이 결과를 하기 표에 도시하였다. 참고로, 에리트리톨의 회수율 및 불순물 제거율을 고성능 액체 크로마토그래피에 의해 측정된 값으로부터 계산하였다. 또한, 에리트리톨의 변색율 및 탈염율은 이들의 흡광도(A420) 및 전기 도전율을 측정함으로써 얻었다.
실시예 5:
다음과 같은 방식으로 배양을 실시하는 것을 제외하고는, 실시예 4에서 정의한 바와 동일한 절차를 실시하여, 고순도 에리트리톨 결정을 얻었다. 즉, 에리트리톨-생산 미생물로서 트리코스포로노이데스 메가칠리엔시스 SN-G42 균주를 사용함으로써, 종자 배양 매질(B)을 실시예 4와 동일한 방식으로 얻었다. 이후, 얻은 종자 배양 매질(B) 600 리터를 정제된 글루코오스 400 g/리터(글루코오스로서 계산됨) 및 옥수수 침지액 8 g/리터를 함유하는 배양액에 부가하고, 또 공급 속도 15 m3/분으로 통기시키고 또 교반속도 120 rpm으로 교반하면서, 90시간 동안 35℃ 및 1.0 kg/cm2G에서 배양하였다. 크로마토그래피 분리 단계로부터 회수된 용출액(주로 에리트리톨로 구성된 분획)의 양은 35.0 m3이었다. 이 용출액은 에리트리톨 농도 97.2 g/리터, 글리세롤 농도 0.2 g/리터 및 미지의 물질 농도 1.1 g/리터의 조성물을 가졌다.
이 용출액을 실시예 4와 동일한 방식으로 각각의 단계로 처리하여, 순도 99.9%를 갖는 에리트리톨 결정 3.5 톤을 얻었다. 실시예 4와 동일한 방식으로, 크로마토그래피 분리 단계로부터 회수된 에리트리톨 분획을 에리트리톨의 회수율, 불순물-제거율, 변색율 및 탈염율에 대해 측정하였다. 이 결과를 하기 표에 도시하였다.
참고 실시예 12:
실시예 4의 크로마토그래피 분리 단계의 작업을 다음과 같이 변화시키는 것을 제외하고는, 실시예 4에서 정의한 동일한 절차로 실시하여 에리트리톨 결정을 얻었다. 즉, 에리트리톨 분획 및 불순물 분획을 함유하는 중첩된 분획을 제 1타워의 상부로 순환시키지 않고, 하나의 주기로서 일련의 제 1 내지 제 4작업을 포함하는 후속적인 크로마토그래피 분리를 실시함으로써 폐분획과 함께 배출하였다. 이 결과를 하기 표에 도시하였다.
<제 1작업: 실시예 4의 제 1작업과 동일>
밸브(81, 84)를 개방하고, 또 탱크(75)에 저장된 농축 용액 1.5 m3을 펌프(91)을 작동시켜 제 1타워(71)의 상부로 공급하여, 제 4타워(74)의 하부로부터 주로 에리트리톨로 구성된 생성물 분획(1) 1.5 m3을 회수하였다. 참고로, 이렇게 얻은 생성물 분획은 제 1작업이 선행 주기의 제 4작업 후 실시될 때, 타워내 잔류액을 이들의 하부로 이동시킴으로써 수지로부터 용출된 분획 함유 성분이다.
<제 2작업: 실시예 4의 제 2작업과 동일>
밸브(82, 87)를 개방하고, 또 펌프(92)를 작동시켜 제 4타워(74)의 하부로부터 물 6.4 m3을 제거하고 또 제거수를 제 1타워(71)의 상부로 순환시켰다.
<제 3작업: 공급수의 양을 변화시키는 것을 제외하고는, 실시예 4의 제 3작업과 동일>
밸브(82, 86)를 개방하고, 또 펌프(92)를 작동시켜 탱크(76)에 있는 물 6.0 m3을 제 1타워(71)의 상부로 공급하고 또 제 4타워(74)의 하부로부터 폐분획 6.0 m3을 제거하였다. 이 폐분획은 다양한 염, 착색 성분 및 불순물을 함유하였다.
<제 4작업: 실시예 4의 제 5작업에 상응>
밸브(83, 85)를 개방하고, 또 펌프(92)를 작동시켜 제 2타워(72)의 상부로 물 3.5 m3을 공급하고 또 제 4타워(74)의 하부로부터 주로 에리트리톨로 구성된 생성물 분획 3.5 m3을 회수하였다. 회수된 생성물 분획(1, 2)의 총량은 5.0 m3이었다.
참고 실시예 13:
실시예 4의 크로마토그래피 분리 단계의 작업을 다음과 같이 변화시키는 것을 제외하고는, 실시예 4에서 정의한 바와 같은 동일한 절차로 실시하여 에리트리톨 결정을 얻었다. 즉, 에리트리톨 분획 및 불순물 분획을 모두 함유하는 중첩된 분획을 제 1타워의 상부로 순환시키지 않고, 하나의 주기로서 일련의 제 1 내지 제 4작업을 포함하는 크로마토그래피 분리를 실시함으로써 생성물 분획과 함께 회수하였다. 이 결과를 하기 표에 도시하였다.
<제 1작업: 실시예 4의 제 1작업과 동일>
밸브(84, 82)를 개방하고, 또 탱크(75)에 저장된 농축 용액의 1.5 m3을 펌프(91)를 작동시켜 제 1타워(71)의 상부로 공급하여, 제 4타워(74)의 하부로부터 주로 에리트리톨로 구성된 생성물 분획(1) 1.5 m3을 회수하였다. 참고로, 이렇게 얻은 생성물 분획은 제 1작업이 선행 주기의 제 5작업 후 실시될 때, 타워내 잔류액을 이들의 하부로 이동시킴으로써 수지로부터 용출된 분획 함유 성분이다.
<제 2작업: 실시예 4의 제 2작업과 동일>
밸브(82, 87)를 개방하고, 또 펌프(92)를 작동시켜 제 4타워(74)의 하부로부터 물 6.4 m3을 제거하고 또 제거수를 제 1타워(71)의 상부로 순환시켰다.
<제 3작업: 실시예 4의 제 3작업과 동일>
밸브(82, 86)를 개방하고, 또 펌프(92)를 작동시켜 탱크(76)에 있는 물 5.0 m3을 제 1타워(71)의 상부로 공급하고 또 제 4타워(74)의 하부로부터 폐분획 5.0 m3을 제거하였다. 이 폐분획은 다양한 염, 착색 성분 및 불순물을 함유하였다.
<제 4작업: 공급수의 양을 변화시키는 것을 제외하고는, 실시예 4의 제 5작업과 거의 동일>
밸브(83, 85)를 개방하고, 또 펌프(92)를 작동시켜 탱크(76)에 있는 물 4.5 m3을 제 2타워(72)의 상부로 공급하고 또 제 4타워(74)의 하부로부터 주로 에리트리톨로 구성된 생성물 분획 4.5 m3을 회수하였다. 회수된 생성물 분획(1, 2)의 총량은 6.0 m3이었다.
참고 실시예 14:
실시예 4의 크로마토그래피 분리 단계의 작업을 다음과 같이 변화시키는 것을 제외하고는, 실시예 4에서 정의한 바와 같은 동일한 절차로 실시하여, 에리트리톨 결정을 얻었다. 즉, 에리트리톨 분획 및 불순물 분획을 함유하는 중첩된 분획을 제 1타워의 상부로 순환시키지 않고, 하나의 주기로서 일련의 제 1 내지 제 4작업을 포함하는 크로마토그래피 분리를 실시함으로써 폐분획과 함께 배출하였다. 이 결과를 하기 표에 도시하였다.
<제 1작업: 실시예 4의 제 1작업과 동일>
밸브(82, 84)를 개방하고, 또 탱크(75)에 저장된 농축 용액 1.5 m3을 펌프(91)를 작동시켜 제 1타워(71)의 상부로 공급하여, 제 4타워(74)의 하부로부터 주로 에리트리톨로 구성된 생성물 분획(1) 1.5 m3을 회수하였다. 참고로, 이렇게 얻은 생성물 분획은 제 1작업이 선행 주기의 제 4작업 후 실시될 때, 타워내 잔류액을 이들의 하부로 이동시킴으로써 수지로부터 용출된 분획 함유 성분이다.
<제 2작업: 실시예 4의 제 2작업과 동일>
밸브(82, 87)를 개방하고, 또 펌프(92)를 작동시켜 제 4타워(74)의 하부로부터 물 6.4 m3을 제거하고 또 제거수를 제 1타워(71)의 상부로 순환시켰다.
<제 3작업: 공급수의 양을 변화시키는 것을 제외하고는, 실시예 4의 제 3작업과 동일>
밸브(82, 86)를 개방하고, 또 펌프(92)를 작동시켜 탱크(76)에 있는 물 5.5 m3을 제 1타워(71)의 상부로 공급하고 또 제 4타워(74)의 하부로부터 폐분획 5.5 m3을 제거하였다. 이 폐분획은 다양한 염, 착색 성분 및 불순물을 함유하였다.
<제 4작업: 공급수의 양을 변화시키는 것을 제외하고는, 실시예 4의 제 5공정과 거의 동일>
밸브(83, 85)를 개방하고, 또 펌프(92)를 작동시켜 탱크(76)에 있는 물 4.0 m3을 제 2타워(72)의 상부로 공급하고 또 제 4타워(74)의 하부로부터 주로 에리트리톨로 구성된 생성물 분획 4.0 m3을 회수하였다. 회수된 생성물 분획(1, 2)의 총량은 5.5 m3이었다.
실시예 및 참고 실시예 중첩된 분획의 처리 방법 에리트리톨의 회수율(%)
실시예4 재사용 99.9
실시예5 재사용 99.9
참고 실시예12 폐분획과 혼합 95
참고 실시예13 폐분획과 혼합 99.9
참고 실시예14 생성물 분획과 혼합된 부분 및 폐분획과 혼합된 잔여분으로 분리 97
실시예 및 참고 실시예 불순물-제거율(%) 변색율(%) 탈염율(%)
실시예4 92 93 99
실시예5 92 93 99
참고 실시예12 92 93 99
참고 실시예13 82 89 97
참고 실시예14 87 91 98
실시예 6:
결정화 단계에서 농축 용액 온도가 냉각 중에 44℃(포화 온도(45℃)와 차이: -1℃)에 도달했을 때, 에리트리톨의 씨 결정 640 g(생성된 결정을 기준으로 한 중량 퍼센트: 0.02 중량%)을 농축 용액에 부가하는 것을 제외하고는, 실시예 1에서 정의한 바와 동일한 절차를 실시하여, 에리트리톨 결정을 얻었다. 얻은 에리트리톨 결정의 평균 입경 및 형상은 실시예 1과 동일하였다.
참고 실시예 15:
농축 용액을 15℃까지 서냉시키기 위한 냉각 속도를 25.0℃/시간으로 변화시키는 것을 제외하고는, 실시예 1에서 정의한 바와 같은 동일한 절차를 실시하여 에리트리톨 결정을 얻었다. 얻어진 에리트리톨 결정의 평균 입경은 실시예 1과 동일하지만, 에리트리톨 결정은 주로 응집된 결정 형태로 존재한다는 것을 확인하였다.
참고 실시예 16:
수직 바스켓-식 원심 분리기를 사용하고 또 에리트리톨 결정-함유 슬러리가 단일-배관 노즐을 통해 공급되는 것을 제외하고는, 실시예 1에서 정의한 바와 동일한 절차를 실시하여, 에리트리톨 결정을 얻었다. 사용된 원심력은 167 G이었다. 이 참고 실시예에서, 단일-배관 노즐을 통해 공급된 에리트리톨 결정-함유 슬러리는 전체 여과 표면 상에 분포하기 전에 액상 및 고상으로 분리되어, 원심 분리기에서 슬러리의 불균일한 분포 및 장치의 고장을 초래한다.
본 발명의 제조방법에 의해 수득된 고순도 에리트리톨 결정은 종래 방법에 의해 제조된 결정에 비하여 훨씬 고순도이고 결정 형상도 우수하며, 또 불순물 제거율도 높았다.

Claims (20)

  1. 원료 용액인 에리트리톨-함유 수용액을 결정화처리시키고 또 결정화 단계에서 수득한 에리트리톨 결정-함유 슬러리로 부터 에리트리톨 결정을 분리하는 결정 분리 단계를 포함하고,
    상기 에리트리톨-함유 수용액의 에리트리톨 농도를 결정화 단계 초기에 30 내지 60 중량%로 조정하고;
    상기 에리트리톨-함유 수용액을 20℃/시간 이하의 냉각 속도로 냉각하며;
    냉각하는 동안 에리트리톨 씨 결정을 상기 에리트리톨-함유 수용액에 부가하고; 또
    20℃ 이하로 냉각한 후 생성된 에리트리톨 결정을 상기 슬러리로 부터 분리하는 고순도 에리트리톨 결정의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서, 원료 용액인 에리트리톨-함유 배양액으로 부터 미생물을 분리하는 미생물-분리 단계 및 상기 미생물-분리 단계로 부터 회수된 정제 용액을 크로마토그래피 분리 처리시키는 크로마토그래피 분리 단계 이후에 상기 결정화 단계를 더 포함하고,
    상기 결정화 단계에서 처리된 상기 에리트리톨-함유 수용액이 상기 크로마토그래피 분리 단계로 부터 회수된 에리트리톨 분획인 방법.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 미생물 분리 단계가 세라믹 막 또는 유기 막을 사용한 교차 유동 여과법에 의해 실시되고, 미생물-분리 단계에서 처리된 상기 용액의 온도가 50 내지 90℃인 방법.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 정제 용액의 온도를 50 내지 90℃로 유지하면서, 상기 정제 용액을 이온 교환 수지로 처리하는 연화 단계를 더 포함하고, 상기 연화 단계가 상기 미생물-분리 단계 및 상기 크로마토그래피 분리 단계 사이에서 실시되는 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 연화 단계에서 사용된 상기 이온 교환 수지가 술폰산 유형의 강산성 양이온 교환 수지의 Na 유형 또는 카르복시산 유형의 약산성 양이온 교환 수지의 Na 유형인 방법.
  6. 제 2항에 있어서, 작동 압력 70 내지 300 토르 및 유체 온도 45 내지 80℃에서 농축 단계를 더 포함하고,
    상기 농축 단계가 (1) 상기 미생물-분리 단계 및 상기 크로마토그래피 분리 단계 사이 또는 (2) 상기 크로마토그래피 분리 단계 및 상기 결정화 단계 사이에 실시되는 방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 농축 단계가 박막식 또는 강제 순환식 증기-가열에 의해 실시되는 방법.
  8. 제 2항에 있어서, 상기 크로마토그래피 분리 단계가 알칼리 금속 유형 또는 암모늄 유형의 강산성 양이온 교환 수지로 충전된 분리 타워에 의해 실시되고, 또 다음 단계를 포함하는 방법:
    (1) 소정양의 상기 정제 용액을 상기 분리 타워의 상부로 공급하는 단계;
    (2) 상기 분리 타워의 하부로 부터 제거된 물을 상부로 순환시켜 상기 수지에 흡수된 성분들을 전개시키고 또 상기 분리 타워의 하부측으로 불순물 분획을 이동시키는 단계;
    (3) 물을 상기 분리 타워의 상부로 공급하여 상기 분리 타워의 하부로 부터 상기 불순물 분획을 제거하는 단계;
    (4) 불순물 분획 및 에리트리톨 분획을 함유하는 중첩된 분획을 상기 분리 타워의 하부로 부터 제거하고 또 상기 중첩된 분획을 상기 분리 타워의 상부로 순환시켜 상기 불순물 분획을 상기 분리 타워의 하부측을 향하여 이동시키는 단계; 및
    (5) 중첩된 분획이 존재하지 않는 위치에서 물을 상기 분리 타워에 공급하여 상기 분리 타워의 하부로부터 제거하고 또 상기 에리트리톨 분획을 회수하는 단계.
  9. 제 2항에 있어서, 상기 에리트리톨-함유 수용액이 상기 결정화 단계로부터 회수된 결정화 모액인 방법.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 에리트리톨-함유 수용액의 용해도가 포화되는 온도 보다 낮고 또 이들 온도차가 15℃ 이하인 온도에서, 에리트리톨 씨 결정이 상기 결정화 단계에서 결정화 탱크 중의 상기 에리트리톨-함유 수용액에 부가되는 방법.
  11. 제 10항에 있어서, 부가된 상기 에리트리톨 씨 결정의 양이 상기 결정화 탱크에서 결정화된 에리트리톨의 중량 기준으로 0.1 중량% 이하인 방법.
  12. 제 1항에 있어서, 슬러리가 여과 표면의 원주 방향으로 분산되고 또 여과 표면과 충돌되는 원심분리기가 상기 결정 분리 단계에서 사용되는 방법.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 결정 분리 단계가 50 내지 500 토르의 원심분리력을 이용한 원심분리에 의해 실시되고, 또 상기 원심분리에 의해 분리된 습윤 에리트리톨 결정이 20℃ 이하의 온도에서 물로 분무 세척되며, 분무-세척에 사용된 물의 양이 상기 습윤 에리트리톨 결정 1 중량부 기준으로 0.1 내지 1 중량부인 방법.
  14. 원료 용액인 에리트리톨-함유 배양액으로 부터 미생물을 분리하는 미생물 분리 단계;
    상기 미생물 분리 단계로 부터 회수된 정제 용액을 크로마토그래피 분리 처리시키는 크로마토그래피 분리 단계; 및
    상기 크로마토그래피 분리 단계로 부터 회수된 에리트리톨 분획을 결정화처리시켜 에리트리톨을 수득하는 단계를 포함하며,
    상기 미생물 분리 단계가 세라믹 막 또는 유기 막을 사용한 교차 유동 여과법에 의해 실시되고, 상기 처리된 용액의 온도가 50 내지 90℃에서 유지되는 고순도 에리트리톨 결정의 제조방법.
  15. 에리트리톨-함유 수용액을 결정화 처리시키는 단계; 및
    상기 결정화 단계로부터 회수된 에리트리톨 결정-함유 슬러리로 부터 에리트리톨 결정을 분리하는 결정 분리 단계를 포함하고,
    슬러리가 여과 표면의 외부 방향으로 분산되고 또 여과 표면과 충돌되는 유형의 원심분리기에 의해 상기 결정 분리 단계가 실시되는 고순도 에리트리톨 결정의 제조방법.
  16. 제 15항에 있어서, 원료 용액인 에리트리톨-함유 배양액으로 부터 미생물을 분리하는 미생물 분리 단계 및 상기 미생물 분리 단계로 부터 회수된 정제 용액을 크로마토그래피 분리 처리시키는 크로마토그래피 분리 단계 이후에 상기 결정화 단계를 더 포함하고,
    상기 결정화 단계에서 처리된 상기 에리트리톨-함유 수용액이 상기 크로마토그래피 분리 단계로 부터 회수된 에리트리톨 분획인 방법.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 에리트리톨-함유 수용액이 상기 결정 분리 단계로부터 회수된 결정화 모액인 방법.
  18. 에리트리톨-함유 수용액을 결정화 처리시키는 결정화 단계; 및
    상기 결정화 단계에서 수득한 에리트리톨 결정-함유 슬러리로 부터 에리트리톨 결정을 분리하는 결정 분리 단계를 포함하고,
    상기 결정 분리 단계가 50 내지 500 토르의 원심분리력을 이용한 원심분리에 의해 실시되며; 또 상기 원심분리에 의해 분리된 습윤 에리트리톨 결정이 20℃ 이하의 온도에서 물로 분무 세척되며; 또 분무 세척에 사용된 물의 양이 상기 습윤 에리트리톨 결정 1 중량부 기준으로 0.1 내지 1 중량부인 고순도 에리트리톨 결정의 제조방법.
  19. 제 18항에 있어서, 원료 용액인 에리트리톨-함유 배양액으로 부터 미생물을 분리하는 미생물 분리 단계 및 상기 미생물 분리 단계로 부터 회수된 정제 용액을 크로마토그래피 분리 처리시키는 크로마토그래피 분리 단계 이후에 상기 결정화 단계를 더 포함하고,
    상기 결정화 단계에서 처리된 상기 에리트리톨-함유 수용액이 상기 크로마토그래피 분리 단계로 부터 회수된 에리트리톨 분획인 방법.
  20. 제 19항에 있어서, 상기 에리트리톨-함유 수용액이 상기 결정화 단계로부터 회수된 결정화 모액인 방법.
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