PL167347B1 - Sposób wytwarzania laktulozy - Google Patents

Abstract

1. Sposób wytwarzania mulozy z iakiozy z użyciem substancji alk^li^ują(^;^a:h, znamienny tym, że wytworzy się wodny roztwór laktozy i boroZsa jOZo jedynej substancji olZolizajkcej i wytworzony roztwór ogrzewo się w temperaturze powyżej 80°C po czym wytworzoną loZtalozę wydzielo się z prodaZtów konwersji.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania laktulozy z laktozy i boraksu.

Proces w którym wytwarza się alkaliczny odny, rozwój lakozyj i oraa^, , który ogrzewa się w temperaturze powyżej 80°C j otrzymanych produktów konwerjji wydziela się laktulozę znany jest na przykład z Chemical AbstracZl 86: 173392h. Ponieważ konwersja wymaga alkalicznego środowiska, dodatkowo dodaje się roztwór wodorotlenku sodu. Wydajność metody jest stosunkowo wysoka; kwas borny tworzy z laktulozą kompleks, który przesuwa równowagę w kierunku od laktozy. Ponadto z laktozy.·, tworzą się jako produkty konwersji galaktozaj Ζι9^Ζ^ι^^^, inne cukry, kwasy organiczne i barwniki.

W opisie patentowym Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 3 505 309 opisana jest metoda w której użyty jest boran i która polega na tym, że l^^lozę rozpuszcza się rozcieńczonym /0,005 rnoli/l, roztworze tetraboranu metalu alkalicznego po czym roztwór ten absorbuje się na silnie zasadowej żywicy aπzonitowde /czwartorzędowa grupa amoniowa przyłączona do poli /styrdno-eiwiynlobenzdnoeej/ matrycy w formie boranu. Zarówno roztwór jak i kolumna utrzymywane są w temperaturze 20° - 50°C. W trakcie przebywania w kolumnie tworzy się laktuloza którą oddziela się poprzez wymywanie z kolumny i odzyskuje z eluatu.

Metoda ta, jak to ujawniono w cytowanym wyżej opisie nie nadaje się do stosowania w dużej technicznej skali. Przedstawiono to dokładnie w przykładzie 2 tej publikacji.

W temperaturze 20-35°C, wytwarza się 25% laktulozy razem z około 25% odzyskiem laktozy. Jak z tego wynika, w kolumnie pozostaje 50% laktozy jako takiej lub w formie innych cukrów takich jak laktuloza ale także jako produkty degradacji.

167 347

Kompleksy boranowe cukru z silnie zasadowymi czwartorzędowymi grupami amoniowymi silnie oddziaływują na żywice i nie mogą być wymyte wodą.nawet w podwyższonej temperaturze. Ponadto wysoka temperatura wywołuje dużą degradację. Dlatego, w warunkach przemysłowych nie można zastosować żywicy dla konwersacji laktozy do laktulozy gdyż uzyskuje się dużo produktów pochodzących z degradacji. Z drugiej strony, niemożliwy jest dobry rozdział chromatograficzny różnych cukrów gdyż zachodzi oddziaływanie czwartorzędowych grup amoniowych.

Zgodnie z europejskim opisem patentowym EP 39 127, laktoza i kwas borny w środowisku wodnym, reaguje w obecności katalizatora stanowiącego III-rzęd. lub IV-rzęd.aminę. Korzystna temperatura zawiera się w granicach 38°C - 70°C. Korzystnie pH, w granicach 9,0 - 11,0. Użycie III-rzęd. aminy zamiast alkaliów niewątpliwie prowadzi do pożądanych ketoz ale usunięcie amin, a zwłaszcza amin czwartorzędowych, jest bardzo utrudnione ze względu na tworzące się silne kompleksy z kwasem bornym. Niższe pH uwalnia kompleksy, jednak.potrzebne są kwasy mineralne. Trietyloaminę odzyskuje się przez destylację. Jest bardzo prawdopodobne, ze produkty degradacji są lotne i przeszkadzają recyrkulacji aminy skutkiem czego wytwarzają się także zanieczyszczenia jak np. kwasy organiczne. Jak wynika z tablicy 3 zastosowanie zastrzeżonych reagentów daje niższą konwersję lub większą degradację a wyniki nie są powtarzalne. Usunięcia ostatnich śladów trietyloaminy dokonuje się na wymienniku jonowym co powoduje,dużą pracochłonność metody. Ponadto, gdy stosuje się alkalia jako katalizator izomeryzacji aldoz lub ketoz, musi być zastosowana bipolarna membrana aby te alkalia usunąć. Ponadto utrata lotnych amin do otoczenia może spowodować skażenie środowiska.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu wytwarzania laktulozy, który jest podobny pod względem ekonomicznym lecz który jest korzystniejszy pod względem ekologicznym.

Zgodnie z wynalazkiem osiąga się ten cel w ten sposób,że realizując wymienioną uprzednio metodę do roztworu oprócz boraksu zasadniczo nie dodaje się substancji alkalizującej.

Według wynalazku sposób wytwarzania laktulozy z laktozy, który obejmuje rozpuszczenie w wodnym roztworze boraksu, ogrzanie roztworu w temperaturze powyżej 80°C i wydzielenie wytworzonej laktulozy z produktów konwersji polega na tym, że jako jedyną substancję alkalizującą dodaje się boraks.

Dzięki zastosowaniu sposobu według wynalazku obciążenie ścieków solami alkalicznymi, które po usunięciu jonów alkalicznych w wymieniaczu jonowym, tworzą się przy regeneracji wymieniaczy jonowych, jest znacznie zmniejszone.

Metoda ta umożliwia także zawracanie jonów sodu stosując dwie modyfikacje sposobu według wynalazku.

Jedna polega na tym, że boraks jest wytwarzany w roztworze kwasu bornego, korzystnie jednocześnie z laktozą, a jony sodu są przenoszone z roztworu produktów konwersji do roztworu kwasu bornego przez elektrodializę dzięki czemu możliwe jest całkowite zawrócenie jonów sodu.

Do tego celu potrzebne są tylko dwie komory rozdzielone membraną kationowyroienną. Jedna komora stanowi komorę katodową przez którą przepływa roztwór kwasu bornego, korzystnie roztwór laktozy-kwasu bornego. Roztwór produktów konwersji przepływa przez drugą komorę, która jest komorą anodową. Pod wpływem przyłożonego napięcia jony sodu przemieszczają się do pierwszej komory tak, że w kolumnie tej tworzy się roztwór boraksu.

Drugi wariant polega na tym, że jony sodu są usuwane z roztworu produktów konwersji zasadniczo możliwie całkowicie przy zastosowaniu słabo kwaśnego wymieniacza jonowego a później przy zastosowaniu silniej kwaśnego wymieniacza jonowego, przy czym słabo kwaśny wymieniacz jonowy jest korzystnie co najmniej częściowo regenerowany kwasem bornym i utworzony wówczas boraks jest co najmniej częściowo ponownie stosowany.

Inaczej mówiąc, dopóki stężenie jonów sodu w roztworze produktów konwersji jest tak wysokie, że słabo kwaśny wymieniacz jonowy wiąże jony sodu, taki wymieniacz jonowy będzie stosowany. Silnie kwaśny wymieniacz jonowy będzie wówczas stosowany tylko do zupełnego oddzielenia jonów sodu z roztworu. W wyniku korzystnej regeneracji słabo kwaśnego wymieniacza jonowego kwasem bornym, związane przez niego jony sodu będą pozostawały w obiegu produkcyjnym i tylko pozostała część będzie usuwana do ścieków. Jednakże, również w przypadku, w którym słabo kwaśny wymieniacz jonowy nie jest regenerowany kwasem bornym, jego użycie jest korzystne. W każdym przypadku do regeneracji należy stosować słaby kwas, który jest lepszy z ekologicznego punktu widzenia, tak jak na przykład kwas węglowy.

167 347

Inne zastosowanie sposobu według wynalazku polega na tym, że w celu oddzielenia laktulozy, roztwór produktów reakcji po oddzieleniu jonów sodu, przed lub po oddzieleniu jonów boranu, korzystnie po odparowaniu do 15 do 20% suchej substancji, przepuszcza się przez długi pojemnik wypełniony słabo zasadowym wymieniaczem jonowym, stanowiącym kolumnę chromatograficzną, korzystnie w temperaturze 30 do 60°C, stosując jako eluent wodę.

To nowe zastosowanie wymieniacza jonowego prowadzi do doskonałego wydzielania, nie tylko laktulozy, ale również galaktozy. Uzyskuje się laktulozę o stopniu czystości ponad 99%, jaka dotychczas była możliwa na skalę przemysłową tylko przy niewspółmiernie wyższych kosztach .

Jako ostatni wariant sposobu według wynalazku proponuje się, dla wytwarzania proszku laktulozy, dodanie, korzystnie w formie rozpylonej stężonego roztworu laktulozy o czystości co najmniej 90% laktulozy, w przeliczeniu na suchą substancję,_ do proszku laktulozy utrzymywanego w ruchu, korzystnie mieszanego, tak powoli i rozprowadzenia go w nim tak szybko i subtelnie, aby roztwór laktulozy utworzył tylko cienką warstwę na powierzchni cząstek proszku i aby substancja stała wzrastała na tych cząstkach proszku.

Wiadomo, że nie jest możliwe krystalizowanie laktulozy bezpośrednio przez zatężenie z roztworu wodnego.

Dotychczas do wytwarzania proszku laktulozy dodaje się metanol lub inny rozpuszczalnik organiczny, w którym to rozpuszczalniku laktuloza mając mniejszą rozpuszczalność wytrąca się. Mechanicznie oddzielany i suszony proszek jest jednak zawsze zanieczyszczony pozostałością rozpuszczalnika.

W przeciwieństwie do tego proponowany nowy sposób umożliwia wytwarzanie łatwo płynącego, zaledwie słabo higroskopijnego proszku laktulozy o wysokiej czystości.

Decydujące dla tego sposobu jest powolne dodawanie i równomierne rozprowadzanie syropu laktulozy na ziarnach z utworzeniem cienkiej warstwy, przy czym należy unikać nawet tylko miejscowego gromadzenia się syropu. Przede wszystkim już wykrystalizowana substancja nie powinna rozpuszczać się ponownie w syropie. Odpowiednie do tego celu są na przykład suszarki rozpyłowe, suszarki łopatkowe i inne suszarki z gorącym powietrzem zaopatrzone w mechanizm mieszający.

Powyższe propozycje utworzenia roztworu boraksu przez elektrodializę, usuwania jonów sodu z roztworu produktów konwersji za pomocą słabo kwaśnego wymieniacza jonowego, wydzielania laktulozy za pomocą słabo zasadowego wymieniacza jonowego w kolumnie chromatograficznej i wytwarzanie proszku laktulozy stanowią korzystne zastosowanie sposobu według wynalazku, przy czym każdy z tycn środków może być również stosowany oddzielnie, przynosząc pewne korzyści.

Przykład. 175 kg Monohydratu laktozy, 46,3 kg boraksu i 800 kg wody demineralizowanej ogrzewa się do temperatury 95°C i utrzymuje w tej temperaturze przez 3 godziny. Tworzy się mieszanina produktów reakcji, która zawiera zasadniczo 74,2 kg laktulozy, 75,3 kg laktozy, 8,0 kg galaktozy i 0,8 kg tagatozy. Uzyskany roztwór mieszaniny cukrów przepuszcza się przez słabo kwaśny wymieniacz jonowy i następnie przez silnie kwaśny wymieniacz jonowy tak, ze pojawiające się jony sodu są usuwane z boraksu. Następnie roztwór odparowuje się do 15% suchej substancji.

Roztwór o takim stężeniu przepuszcza się przez kolumnę chromatograficzną stanowiącą słabo zasadowy wymieniacz jonowy.

Faktycznie, kolumna stanowi wydrążony cylinder o średnicy około 90 cm i wysokości 2 m, wypełniony 1000 l słabo zasadowej żywicy jonowymiennej. 1000 l roztworu dodaje się w temperaturze między 40 a 60°C do kolumny, którą uprzednio napełniono wodą i następnie ponownie napełniono wodą z szybkością przepływu 1 do 2 objętości złoża na godzinę.

Na diagramie przedstawiono uzyskane rozdzielenie składników roztworu. Wynika z niego, ze można otrzymać frakcję laktulozy bez innych cukrów, prawie czystą tylko z niewielkim ubytkiem. Ostry rozdział laktozy i laktulozy jest szczególnie zadziwiający.

Uzyskany roztwór laktulozy uwalnia się od kwasu bornego w selektywnym wymieniaczu borowym a następnie odparowuje się do zawartości 65% laktulozy, pod próżnią na przykład 4 kPa. Otrzymuje się w ten sposób syrop nadający się do sprzedaży.

167 347

Jednakże syrop można również przekształcać w proszek.

Do tego celu stosuje się na przykład ogrzewaną parą suszarkę łopatkową /De Dietrich SP 200/ o całkowitej pojemności 200 l i pojemności użytecznej 130 l i szybkości mieszadła 10 obrotów na minutę. 20 kg proszku laktulozy umieszcza się w pojemniku i całe 100 kg syropu ogrzanego do temperatury 60°C wpuszcza się z szybkością przepływu 2 l/godz. Całość następnie suszy się przez 30 minut. 20 kg uzyskanego proszku pozostaje jako próbka do następnej partu.

Zamiast dodawania boraksu, jak opisano wyżej, można stosować następujący sposób.

175 kg monohydratu laktozy, 30 kg kwasu bornego i 600 kg wody demineralizowanej rozpuszcza się podczas mieszania w temperaturze około 45°C i przepuszcza przez opisany słabo kwaśny wymieniacz jonowy, który jest obciążony jonami sodu. Wymywanie prowadzi się wodą demineralizowaną. Uzyskany roztwór, który na regenerowany wymieniacz jonowy co najmniej częściowo kwasem bornym i ma pochłonięte jony sodu, doprowadza się za pomocą roztworu wodorotlenku sodu do wartości pH 8,3, to znaczy do wartości pH opisanego wyżej roztworu boraksulaktozy i wówczas następuje konwersja.

167 347

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.

Cena 1,50 zł

Claims (6)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wytwarzania laktulozy z laktozy z użyciem substancji alkalizujących, znamienny tym, że wytwarza się wodny roztwór laktozy i boraksu jako jedynej substancji alkalizującej i wytworzony roztwór ogrzewa się w temperaturze powyżej 80°C po czym wytworzoną laktulozę wydziela się z produktów konwersji.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się boraks wytworzony in statu nascendi w wodnym roztworze kwasu bornego, korzystnie równocześnie z laktozą.
3. 3. Sspsóó weddug zzasrz. 2, znamienny tym, żż jooy ssdu usswa się z rrztworu produktów konwersji za pomocą słabo kwaśnego wymieniacza jonowego a następnie za pomocą silniej kwaśnego wymieniacza jonowego.
4. 4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że słabo kwaśny wymieniacz jonowy regeneruje się co najmniej częściowo kwasem bornym a boraks utworzony podczss tej regeneaccii stosuje się co najmniej częściowo do wytwarzania laktulozy.
5. 5. Sposób zastrz. 1 albo 2 albo 3 albo 4, znamienny tym, że roztwór produktów reakcji po wydzdedeęis jonws sduu, preej wydzieleniem jonów boranu, korzystnie po odparowaniu 15-20% suchej substancji, przepuszcza się przez długą kolumnę chromatograficzną wypełnioną słabo zasadowym wymieniaczem jonowym, korzystnie w temperaturze 30 do 60°C, stosując jako eluent wodę.
6. 6. Sposób według zastrz. 1 albo 2 albo 3 albo 4, znamienny tym, że w przypadku wytwarzania laktulozy w formie proszku, do proszku laktulozy utrzymywanego w ruchu, korzystnie mieszanego , odajej iij kozyssnęds oDnos ozpylając,, zatżonnj ozzwóds lakuuozyj o czystości co yzemnęej 90% w przeliczeniu na suchą substancję.