DE2036525A1

DE2036525A1 - Verfahren zur chromatographischen Auftrennung von Mehrstoffgemischen

Info

Publication number: DE2036525A1
Application number: DE19702036525
Authority: DE
Inventors: H Budka; K Lauer; G Stoeck
Original assignee: Boehringer Mannheim GmbH
Current assignee: Roche Diagnostics GmbH
Priority date: 1970-07-23
Filing date: 1970-07-23
Publication date: 1972-02-03
Also published as: DE2036525B2; ZA714790B; US3686117A

Description

BOEHRINGER MANNHEIM GMBH 1705

Verfahren zur chromatographischen Auftrennung von Mehrstoffgemischen

Die Säulenchromatographie ist in den letzten Jahren mehr und mehr zur Trennung von Substanzgemischen im technischen Maßstab herangezogen worden. So kann beispielsweise Invertzucker chromatographisch aufgetrennt werden, wobei man die Komponenten Glukose und Fruktose in reiner Form erhält.

Technische Chromatographieverfahren werden meist cyclisch durchgeführt, d. h. Trenn- und Elutionsphasen wechseln im kontinuierlichen Betrieb einander ab. Um die Wirtschaftlichkeit von Trennanlagen möglichst hoch zu halten, ist man bestrebt, die Auftrennung von Gemischen an möglichst kurzen Säulen durchzuführen, wobei die einzelnen Cyclen möglichst rasch aufeinander folgen sollen; es ist jedoch oft schwierig, unter den genannten Bedingungen eine ausreichende Trennung zu erhalten. Besonders große Schwierigkeiten treten auf, wenn neben den zu gewinnenden Hauptkomponenten noch Nebenprodukte abzutrennen sind, die die Cyclen so weit auseinanderziehen, daß die Wirtschaftlichkeit des Trennverfahrens infrage gestellt wird.

Epimerisierte Stärkesirupe enthalten beispielsweise neben den Hauptkomponenten Glukose und Fruktose noch erhebliche Mengen Di- und Polysaccharide. Aus den obengenannten Gründen war es bisher nicht möglich, aus diesem an sich wohlfeilen Ausgangsprodukt den hochwertigen Bestandteil Fruktose mittels kontinuierlicher cyclischer Säulenchromatographie wirtschaftlich in reiner Form zu gewinnen. Trennt man nämlich epimerisierte Stärkesirupe mittels cyclischer Säulenchromatographie auf, so holen die relativ schnell laufenden verunreinigten Fraktionen die bereits getrennte Fruktosefraktion des vorhergehenden Cyclus ein, wenn man den Cyclus nicht durch ein entsprechend langes EIutionsIntervall auseinanderzieht. Diese Elutionsintervalle würden aber die Kapazität der Trennanlage um mehr als die Hälfte senken.

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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, welche es gestattet, aus Mehrstoffgemischen reine Fraktionen in großtechnischem Maßstab mittels cyclischer Säulenchromatographie zu gewinnen«

Es wurde gefunden, daß man die für einen Cyclus benötigte Zeit erheblich verkürzen und so die obengenannten Nachteile vermeiden kann, wenn man die Trennsäule in zwei Abschnitte unterteilt, die verunreinigte Fraktion am Ende des ersten Abschnitts aus der Säule entfernt, gleichzeitig eine äquivalente Menge Elutionsmittel in den zweiten Säulenabschnitt einleitet und nach Entfernung der verunreinigten Fraktion die beiden Säulenabschnitte so lange miteinander verbindet, bis am -Ende des ersten Säulenabschnitts die verunreinigte Fraktion des nächsten Cyclus auftritt»

Durch diesen Kunstgriff kann die volle Säulenlänge zur cyclischen Trennung von Mehrstoffgemischen ausgenützt werdenο Die Verunreinigungen haben außerdem auf die Dauer des Cyclus keinen Einfluß mehr, das heißt die Auftrennung des Mehrstoffgemisches erfolgt genau so wirtschaftlich und schnell wie die Auftrennung eines nur die interessierenden Komponenten enthaltenden Gemisches.

Das erfindungsgemäße Verfahren %-rarde mit epimerisierten Stärkesirupen erprobt und hat sich als technisch außerordentlich fortschrittlich erwiesen.

Es versteht sich jedoch von selbst, daß das Verfahren bei allen großtechnischen Trennprozessen angewandt werden kann, wenn sich die Laufzeit der Verunreinigungen von der der au gewinnenden Hauptkomponenten genügend unterscheidet.

Bei der Auftrennung von epimerisiertem Stärkesirup werden besonders gute Trennergebnisse erhalten, wenn der zweite Säulenabschnitt etwa die doppelte Länge des ersten hat. Die besten Ergebnisse

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erhält man, wenn das Verhältnis des ersten zum zweiten Säulenabschnitt möglichst klein ist. Die Länge des ersten Säulenabschnitts verhält sich dabei zur Länge beider Säulenabschnitte wie die Differenz der Wanderungsgeschwindigkeiten der Hauptkomponenten zur Differenz der Wanderungsgeschwindigkeit von erster Hauptkomponente und Verunreinigung. Es versteht sich von selbst, daß zusätzliche Faktoren, wie z. B. die Säulenbelastung und Inhomogenitäten der Säule es erfordern, die obigen Werte experimentell zu optimieren.

Anhand der Figur 1 soll das Verfahren im folgenden näher \

erläutert werden.

Aus dem Vorratstank S wird eine Lösung des Mehrstoffgemisches durch die Pumpe 1 und die Zuleitung 2 in den ersten Säulenabschnitt 3 gepumpt. Nach einer vorbestimmten Zeit wird die Pumpe 1 abgeschaltet und gleichzeitig aus dem Elutionsmittelreservoir W durch die Pumpe 4 und die Zuleitung 5 Elutionsmittel in den ersten Säulenabschnitt 3.gepumpt, wobei die Förderleistung beider Pumpen 1 und 4 gleich ist. Nach Beendigung der Elutionsphase wird die Pumpe 4 abgeschaltet und die Pumpe 1 wieder eingeschaltet. Die Pumpen 1 und 4 werden von einer Schaltuhr nach empirisch bestimmten und fest eingestellten Zeitintervallen gesteuert.

Die den Säulenabschnitt 3 verlassende Flüssigkeit durchläuft einen Analysator 7, der je nach Konzentration der einzelnen Fraktionen das Ventil 8 über ein Steuergerät 12 steuert. Wenn die Fraktion, welche nur aus Verunreinigungen besteht, den Analysator 7 erreicht, wird das Ventil 8 so geschaltet, daß die den Säulenabschnitt 3 verlassende Flüssigkeit in den Behälter D geleitet wird; gleichzeitig wird die Pumpe 9 eingeschaltet, welche aus dem Elutionsmittelbehälter W Elutionsmittel in den Säulenabschnitt 10 pumpt, wobei die Förderleistung genau derjenigen der Pumpen 1 bzw. 4 entspricht. Ab einer bestimmten Konzentration der den Analysator 7 durchlaufenden Flüssigkeit, d. h. wenn die Verunreinigungen

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entfernt sind und die Konzentration der ersten Hauptfraktion einen bestimmten Wert erreicht hat, wird das Ventil 8 so umgeschaltet, daß der Analysator 7 direkt mit der Zuleitung verbunden wird (vgl. Fig. 2). Die Pumpe 9 ist in dieser Schaltstellung ausgeschaltet, so daß zwischen dem Tank D und dem Tank W keine Verbindung besteht.

Durch ein in den Analysator 12 eingebautes Logikelement bleibt diese Schaltstellung so lange unverändert, bis die Konzentration der den Analysator 7 durchlaufenden Flüssigkeit von O auf einen niedrigen Grenzwert ansteigt. Das ist der Fall, wenn nach einem Zwischenlauf von reinem Elutionsmittel wieder Very unreinigungen des nächsten Cyclus im Analysator 7 erscheinen»

Durch das erfindungsgemäße Verfahren gelangen in den längeren Säulenabschnitt 10 nur die Hauptfraktionen, welche weiter aufgetrennt werden müssen.

Die weitere Auftrennung wird wie folgt durchgeführt:

Ein Analysator 13 schaltet das Ventil 15 über ein Steuergerät so, daß die erste Fraktion im Vorratstank G und die zweite Fraktion im Vorratstank F gesammelt werden. Zwischenfraktionen/ die beide Komponenten enthalten, werden in den Tank G/F geleitet.

Die Trennanlage enthält drei Steuereinheiten, welche in den Figuren 1 bzw. 2 gestrichelt umrandet sind. Die Steuereinheit I, enthaltend die Schaltuhr 6 und die Pumpen 1 und 4, arbeitet völlig unabhängig und wird bei der Inbetriebnahme der Trennanlage empirisch so eingestellt, daß die in der Steuereinheit III anfallenden Fraktionen lückenlos und mit möglichst geringer Überschneidung aufeinander folgen.

Die Steuereinheit II, enthaltend den Analysator 7 mit Steuergerät 12 sowie das Ventil 8 und die Pumpe 9, dient zur Entfernung der die Verunreinigungen enthaltenden Fraktionen, Der Analysator besteht aus einem einfachen Konzentrations-

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meßgerät, wie ζ. B. einem Durchflußrefraktometer, dessen Meßergebnisse als proportionale Spannung dem Steuergerät 12 zugeleitet werden. Das Steuergerät 12 besitzt ein sogenanntes Logikelement, das beispielsweise aus einem Folgerelais besteht und es ermöglicht, das Ventil 8 und die Pumpe 9 bei einer bestimmten Konzentration nur dann zu schalten, wenn im Schaltzeitpunkt die Konzentration der den Analysator 7 durchfließenden Flüssigkeit im Ansteigen begriffen ist. Das Steuergerät setzt auch während der Entnahme der die Verunreinigungen enthaltenden Fraktionen die Wasserpumpe 9 in Betrieb.

Die Steuereinheit III ist für die Trennung von Fruktose und Glukose bereits beschrieben (Brit. Pat. 1 095 210) und besteht aus dem Analysator 13 mit Steuergerät 14 und dem Ventil 15. Sie dient dazu, die Hauptfraktionen in die zugehörigen Tanks G, G/F und F zu leiten Der Analysator 13 besteht aus je einem Meßgerät für den Drehwinkel und den Brechungsindex. Die Meßgeräte sind mit Durchflußkuvetten ausgestattet und liefern dem Steuergerät 14 jeweils die Meßwerte in Form von proportionalen Spannungen. Das Steuergerät 14 enthält einen Analogrechner, der die Teilkonzentrationen an Glukose und Fruktose gemäß Brit. Pat. I 095 errechnet und beim überschreiten der zulässigen Grenzkonzentrationen über ein Schaltrelais das Ventil 15 steuert. Zur Kontrolle des Trennprozesses kann an den Analogrechner des Steuergeräts 14 ein Mehrfarbenschreiber angeschlossen werden, der die Konzentrationen an Glukose und Fruktose als kontinuierliches Elutionsdiagramm wiedergibt.

In Figur 2 ist die Steuereinheit II so geschaltet, daß der Säulenabschnitt 3 mit dem Säulenabschnitt 10 über das Ventil 8 und die Zuleitung 11 direkt verbunden ist.

Im folgenden Beispiel ist das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert:

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Beispiel

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Großtechnische Gewinnung reiner Fruktose aus epimerisiertem Stärkesirup

S_äulenabme£sung_en ·

Säulenabschnitt 3 s Durchmesser ΪΟ cm,Länge 4,5 m Säulenabschnitt 10 : Durchmesser 10 cm,Länge 9,0 m

Mit einer Laufgeschwindigkeit von β Litern/Stunde werden 2 Liter einer 15 gew%igen epimerisierten Stärkesirup-Lösung auf den Säulenabschnitt 3 aufgegeben. Mach 20 Minuten wird die Pumpe abgestellt und über die Pumpe 4 2,6Stunden Wasser mit einer Laufgeachwindigkeit von δ Litern/Stunde aus dem Tank W in den Säulenabschnitt 3 gepumpt. Die Pumpen 1 und 4 versorgen nun in gleichbleibendem Rhytmus abwechselnd den Säulenabschnitt Nach etwa 90 Minuten werden am Analysator 12 die ersten Veränderungen des Brechungsindex gemessen und das Ventil 8 so geschaltet, daß das Eluat in den Tank D abfließt. Der Säulenabschnitt 10 wird nun von der Pumpe 9 mit Wasser versorgt. Nach weiteren 90 Minuten sind die Verunreinigungen aus der Säule entfernt. Bei einer Konzentration von ca. 190 g Glukose/Liter wird das Ventil 8 umgeschaltet und der Säulenabschnitt 3 mit dem Säulenabschnitt 10 verbunden. Das Eluat wird nun im Säulenabschnitt 10 in üblicher Weise weiter aufgetrennt und in die Tanks G, G/F und P verteilt. Die Fruktoselösung zeigt eine spezifische Drehung von ca. -92° und entspricht den Reinheitsanforderungen des DAB 7.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur großtechnischen Gewinnung reiner Fraktionen aus einem diese Fraktionen und Verunreinigungen enthaltenden Gemisch mittels cyclischer Säulenchromatographie/ dadurch gekennzeichnet/ daß man die Trennsäule in zwei Abschnitte unterteilt, die die Verunreinigungen enthaltenden Fraktionen am Ende des ersten Abschnitts aus der Säule entfernt und gleichzeitig eine äquivalente Menge Elutionsmittel in den zweiten Säulenabschnitt einleitet/ worauf die beiden Säulenabschnitte so lange miteinander verbunden werden,bis am Ende des ersten Säulenabschnitts die die Verunreinigungen enthaltende Fraktion des nächsten Cyclus auftritt.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1 zur großtechnischen Gewinnung reiner Fruktose aus einem mit Disacchariden und Polysacchariden verunreinigten Glukose-Fruktose-Sirup durch kontinuierliche Auftrennung an Ionenaustauschern mittels cyclischer Elution, dadurch gekennzeichnet/ daß man die Trennsäule in zwei Abschnitte unterteilt, die verunreinigten Fraktionen am Ende des ersten Abschnitts aus der Säule entfernt und gleichzeitig eine äquivalente Menge Elutionsmittel in den zweiten Säulenabschnitt einleitet, worauf die beiden Säulenabschnitte so lange miteinander verbunden werden, bis am Ende des ersten Säulenabschnitts die verunreinigte Fraktion des nächsten Cyclus auftritt.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Trennsäule so unterteilt, daß der zweite Säulenabschnitt etwa die doppelte Länge des ersten aufweist.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugabe des Gemisches sowie der Elutionsmittel mit Dosierpumpen erfolgt.

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5. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit Calciumionen beladener Ionenaustauscher verwendet wird.

6. Verfahren gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entnahme der Hauptfraktionen am Ende des zweiten Säulenabschnittes mittels eines Analogrechners unter Verwendung der aus der Messung des Drehwinkels und des Brechungsindexes der das System verlassenden Flüssigkeit gesteuert wird.

7. Verfahren gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß -die Abtrennung der verunreinigten Fraktionen mit einem Ventil durchgeführt wird, das von einem Konzentrations-Analysator und einem damit verbundenen Steuergerät gesteuert wird.

8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

daß der Konzentrations-Analysator aus einem proportionale Spannungen liefernden Refractometer mit Durchflußkuvette besteht.

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