DE69715204T2

DE69715204T2 - Verfahren zur fraktionierung einer lösung durch ein simuliertes wanderbett chromatographieverfahren

Info

Publication number: DE69715204T2
Application number: DE69715204T
Authority: DE
Inventors: Heikki Heikkilae; Goeran Hyoeky; Jarmo Kuisma; Hannu Paananen
Original assignee: Danisco Finland Oy
Current assignee: Danisco Finland Oy
Priority date: 1996-05-24
Filing date: 1997-05-21
Publication date: 2003-05-15
Anticipated expiration: 2017-05-22
Also published as: PL185954B1; CZ379198A3; CZ295294B6; SK283345B6; HUP9903841A3; JP2001518003A; HUP9903841A2; IL127180A0; EP0910448B1; CA2256354C; CN1180867C; AU2900997A; CN1222869A; JP4371434B2; RU2191617C2; FI962204A0; PT910448E; ATE223251T1; EP0910448A1; ZA974203B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fraktionieren einer Lösung in zwei oder mehrere Fraktionen, die mit verschiedenen Bestandteilen angereichert sind. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Fraktionierung einer Lösung mit einem chromatographisch simulierten Moving-Bed (SMB)-Verfahren, in dem der Flüssigkeitsfluß in einem System, das eine oder mehrere Säulen umfasst, die ein oder mehrere teilweise gepackte Betten enthalten, durchgeführt wird, Die gelösten Substanzen, die in der Ausgangslösung vorhanden sind, werden in den teilweise gepackten Betten getrennt, und es wird ein Trennungsprofil (d. h. trockene Feststoffe) gebildet. Die Säulen/teilweise gepackten Betten bilden eine oder mehrere Schlaufen. Das neue Trennungssystem umfaßt mindestens zwei Trennungsprofile in der gleichen Schlaufe.
Das Trennungsprofil wird durch die Eingangslösung und die rezirkulierte Trockensubstanz gebildet. Das Trennungsprofil ist ein vollständiges oder im wesentlichen vollständiges Profil trockener Feststoffe.
Das neue chromatographische SMB-Verfahren ist in der Lage, die SMB- Trennung wesentlich zu verbessern.
Die Fraktionierung einer Lösung, die viele gelöste Substanzen umfaßt, in Fraktionen, die mit verschiedenen Bestandteilen angereichert sind, ist oft notwendig, um die gewünschten Bestandteile optimal rein zu gewinnen. Die erfindungsgemäße Methode kann für solche Fraktionierungen verwendet werden. Eine Sulfit-Kochlösung kann z. B. durch diese Methode fraktioniert werden, um einen Fraktion zu ergeben, die reich an Monosacchariden und/oder eine Fraktion, die reich an Ligonsulfonaten ist. Außerdem können Molassen und Vinasse auf diese Weise fraktoniert werden, um Fraktionen zu erhalten, die reich an Zucker, wie beispielsweise Sucrose, und/oder Betain sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders zum Trennen von Substanzen gut geeignet, die schwierig von Gemischen zu trennen sind, die diese enthalten. Solche Gemische schließen Fructose-/Glukosesirups, aus Rüben stammende Säfte, Invertierzuckergemische, Stärkehydrolysate, Holzhydrolysate, Milchmolkelösung und andere Lactose-enthaltende Lösungen, Aminosäuren enthaltende Lösungen, Fermentierlösungen, die zahlreiche organischen Säuren, wie beispielsweise Zitronensäure, enthalten, Bagasse- Hydrolysate und insbesondere Lösungen ein, die Inositol, Mannitol, Sorbitol, Xylitol, Erythritol, Glutaminsäure und/oder Glycerol enthalten.
Kontinuierlich arbeitende chromatographische Trennungsverfahren verwenden gegenwärtig im allgemeinen das simulierte Moving-Bed-Verfahren, das bei einer Vielzahl verschiedener Anwendungen benutzt wird. Das simulierte Moving-Bed-Verfahren kann sequentiell oder kontinuierlich sein, oder eine Kombination aus einem kontinuierlichen und einer sequentiellen Verfahren umfassen. In einem kontinuierlichen simulierten Moving-Bed- Verfahren fließen alle Flüssigkeitsströme typischerweise kontinuierlich. Diese Ströme sind: die Einleitung der Eingangslösung und des Elutionsmittels, das Zirkulieren der Flüssigmischung, und das Abnehmen der Produkte. Die Fließrate für diese Ströme kann in Übereinstimmung mit den Trennungszielen (Ausbeute, Reinheit, Leistung) eingestellt werden. Normalerweise werden 8 bis 20 teilweise gepackte Betten in einer Schlaufe kombiniert. Die Elutionsmittel und Eingangslösungszufuhr und ProduktAbnahmespunkte werden zyklisch in Flußabwärtsrichtung in dem gepackten Materialbett verschoben. Durch die Einleitung des Elutionsmittels und der Eingangslösung, des Abnehmens der Produkte und des Flusses durch das Packmaterialbett wird ein Profil der trockenen Feststoffe im Packmaterialbett gebildet. Bestandteile mit einer niedrigeren Migrationsrate in dem gepackten Bett werden in dem hinteren Teil (back slope) des Separationsprofils konzentriert, d. h. dem Profil der trockenen Feststoffe, während Konstituenten mit einer höheren Migrationsrate im vorderen Teil konzentriert werden. Die Zuflussstellen der Eingangslösung und des Elutionsmittels und die Abnahmestellen des Produktes oder der Produkte werden zyklisch mit einer im wesentlichen gleichen Rate verschoben, mit der das Profil der trockenen Feststoffe in dem Packmaterialbett bewegt. Das Elutionsmittel und die Eingangseinleitung und die Produktentnahmepunkt werden zyklisch unter Verwendung von Eingangs- und Produktventilen verschoben, die entlang des Packmaterialbetts - typischerweise am oberen und unteren Ende jedes teilweise gepackten Bettes - lokalisiert sind. Wenn Produktfraktionen von sehr hoher Reinheit gewünscht werden, sollten kurze Zykluszeiten und viele teilweise gepackte Betten verwendet werden (der Apparat hat die erforderlichen Ventile und Eingangs- und Abnahmesausrüstung).
Im sequentiellen simulierten Moving-Bed-Verfahren fließen einige der Flüssigkeitsströme nicht kontinuierlich. Diese Ströme sind: die Zufuhr der Eingangslösung und des Elutionsmittels, das Zirkulieren der Flüssigmischung und das Abnehmen der Produkte (Elutionsphase; zwei bis vier oder mehr Produkte). Die Flußrate und das Volumen der verschiedenen Eingangslösungen und Produktfraktionen kann in Übereinstimmung mit den Zielen der Trennung (Ausbeute, Reinheit, Leistung) eingestellt werden. Das Verfahren umfaßt für gewöhnlich drei grundlegende Phasen: Zuführen, Eluieren und Zirkulieren. Während der Zufuhrphase wird eine Eingangslösung und möglicherweise auch ein Elutionsmittel in einer simultanen Elutionsphase in die vorherbestimmten, teilweise gepackten Betten eingeschleust, und simultan wird eine Produktfraktion oder -fraktionen abgenommen. Während der Elutionsphase wird ein Elutionsmittel in ein vorherbestimmtes, teilweise gepacktes Bett oder vorherbestimmte, teilweise gepackte Betten eingeschleust, und während dieser Phasen werden zwei, drei oder sogar vier Produktfraktionen abgenommen. Während der Zirkulationsphase werden keine Eingangslösung oder Elutionsmittel in die teilweise gepackten Betten eingeleitet und keine Produkte werden abgenommen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann entweder kontinuierlich, sequentiell, oder eine Kombination aus einem kontinuierlichen und einem sequentiellen Verfahren sein.
Ein kontinuierlich simuliertes Moving-Bed-Verfahren ist beispielsweise im US-Patent 2 985 589 (Broughton et al.) offenbart worden. Gemäß dieses Verfahrens wird die zu fraktionierende Mischung in ein teilweise gepacktes Bett eingeschleust, und das Elutionsmittel wird in ein anderes teilweise gepacktes Bett eingeschleust, und zwei Produktfraktionen werden im wesentlichen simultan abgenommen. Es gibt mindestens vier teilweise gepackte Betten, die eine einzelne Schlaufe mit einer kontinuierlichen Zirkulation bilden und die Eingangslösung und die Produktabnahmepunkte werden zyklisch in die flußabwärtsliegende Richtung in dem Packmaterialbett verschoben. Ein ähnliches Verfahren ist im US-Patent 4 412 866 (Schoenrock et al.) beschrieben.
Sequentiell simulierte Moving-Bed-Verfahren sind in der britischen Anmeldung 2 240 053 und den US-Patenten 4 332 623 (Ando et al.), 4 3379 75I (Yoritomi et al.) und 4 970 002 (Ando et al.) beschrieben. Ein sequentielles simuliertes Moving-Bed-Verfahren, das auf die Gewinnung von Betain und Sucrose aus Rübenmolassen angewendet wurde, ist in dem finnischen Patent 86 416 (US-Patent 5 127 957) der Anmelder beschrieben. In diesem Verfahren wird nur ein komplettes oder im wesentlichen komplettes Profil trockener Feststoffe in der Teilpackmaterialschlaufe zirkuliert. Auch die noch anhängigen finnischen Anmeldungen 930 321 (Anmeldedatum 26. Januar 1993) und 932 108 (Anmeldedatum 19. Mai 1993) der Anmelder betreffen ein sequentielles simuliertes Moving-Bed-Verfahren, wobei das erste auf die Fraktionierung von Molassen und das letztgenannte auf die Fraktionierung einer Sulfit-Kochlösung angewendet werden. Wie in diesen Anmeldungen beschrieben wurde, kann das simulierte Moving-Bed-Verfahren mehrere Schlaufen einschließen; wobei jedoch nur ein einzelnes Profil für Trockenfeststoffe in jeder Schlaufe zirkuliert wird.
Das finnische Patent 86 416 (US-Patent 5 127 957), das oben erwähnt wurde, offenbart ein Verfahren zum Gewinnen von Betain und Sucrose aus Rübenmolassen, bei dem ein sequentielles simuliertes Moving-Bed-Verfahren verwendet wird. Das chromatographische System umfaßt zumindest 3 chromatographische, teilweise gepackte Betten in einer Reihenfolge. In dem Verfahren werden Betain und Sucrose während der gleichen Phase getrennt, die eine Molassen-Zufuhrphase umfaßt, wobei die Molassen-Ausgangslösung in eines der teilweise gepackten Betten eingeleitet wird und Elutionswasser im wesentlichen simultan in ein weiteres der teilweise gepackten Betten eingeleitet wird, einer Elutionsmittel-Zufuhrphase und einer Zirkulationsphase. Diese werden entweder einmal oder mehrere Male während der gleichen Periode wiederholt.
Wie in der oben erwähnten Methode, die in der finnischen Anmeldung 930 321 offenbart ist, wird der Flüssigkeitsfluß in einem System ausgeführt, das mindestens zwei teilweise gepackte Betten umfaßt, und das Produkt oder die Produkte werden während eines Mehrschrittabschnitts gewonnen. Ein Abschnitt umfaßt das Zuführen, Eluieren und die Zirkulationsphasen. Während der Zirkulationsphase wird die Flüssigkeit, die in den teilweise gepackten Betten vorhanden ist, mit seinem Profil an trockenen Feststoffen in zwei oder mehr Schlaufen zirkuliert, die eine, zwei oder mehr teilweise gepackte Betten umfassen. Eine Schlaufe kann geschlossen oder "offen" sein, anders gesagt, wenn Flüssigkeit in einer Schlaufe zirkuliert wird, kann das Elutionsmittel in die andere Schlaufe eingeschleust werden und eine Produktfraktion kann daraus abgenommen werden. Während des Einschleusens und der Eluierung kann der Fluß durch die gepackten Materialbetten zwischen aufeinanderfolgenden Schlaufen stattfinden, in denen der Fluß Material von einer Schlaufe zur anderen trägt. Während der Zirkulationsphase ist die Schlaufe geschlossen und von den anderen Schlaufen getrennt. Es wird nur ein Profil trockener Feststoffe in jeder Schlaufe zirkuliert.
Die finnische Anmeldung 941 866 der Anmelder offenbart ein simuliertes Moving-Bed-Verfahren für die kontinuierliche Fraktionierung von Lösungen, bei denen Ionenaustauschharze von zwei oder mehreren ionischen Formen angewendet werden, so daß das Profil trockener Feststoffe, das dich durch die Passage der Lösung durch ein chromatographisches Packmaterial bildet, eine erste ionische Form hat, die zu einem chromatographischen Packmaterial mit einer zweiten ionischen Form überführt wird, ohne daß die teilweise getrennten Bestandteile wieder vermischt werden, und/oder daß die Konzentration und die Pumpschritte der Lösung, die in den Verfahren des Stands der Technik zum Fraktionieren von Lösungen mit gepackten Betten von zwei ionischen Formen eingeschlossen ist, vermieden werden kann.
Das US-Patent 5 198 120 (Masuda et al.) offenbart ein Verfahren zum Fraktionieren einer ternären oder Multibestandteillösung mit einem simulierten Moving-Bed-Verfahren, das eine Serie verschiedener Säulen umfaßt. Ein Zirkulationsausschlußventil ist "innerhalb" der Serie an Säulen. Die zu fraktionierende Lösung wird in die Säule eingeleitet, die direkt nach dem Ausschlußventil in Richtung flußabwärts liegt, und simultan werden eine oder mehrere Produktfraktionen aus einer flußaufwärts lokalisierten Säule abgenommen. Während einer kombinierten Eluierungs- und Zirkulationsphase wird die Lösung in einer Schlaufe zirkuliert, die die gesamte Säulenserie umfaßt.
Die europäische Anmeldung 663 224 (Anmelder Mitsubishi) offenbart ein Verfahren zum Fraktionieren einer ternären oder Multikomponentenlösung mit einem simulierten Moving-Bed-Verfahren, das eine Serie von vier Säulen umfaßt. In diesem Verfahren kann eine Schlaufe zwei bis vier Säulen umfassen; es wird jedoch nur ein Profil trockener Feststoffe in einer Schlaufe zirkuliert.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fraktionieren einer Lösung durch ein chromatographisch simuliertes Moving-Bed-Verfahren, indem der Flüssigkeitsfluß in einem System ausgeführt wird, das eine oder mehrere Säulen umfaßt, die ein oder mehrere teilweise gepackte Betten enthalten. Die gelösten Substanzen, die in der Ausgangslösung vorhanden sind werden in den teilweise gepackten Betten getrennt und ein Trennungsprofil (d. h. getrocknete Feststoffe) wird gebildet. Die Säulen/teilweise gepackten Betten bilden eine oder mehrere Schlaufen. Das neue Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß das Trennungssystem mindestens zwei Trennungsprofile in der gleichen Schlaufe umfaßt.
Ein Trennungsprofil wird durch die Eingangslösung und die rezirkulierte trockene Substanz gebildet. Das Trennungsprofil umfaßt alle Bestandteile, die in der Ausgangslösung vorhanden sind, d. h. Bestandteile mit einer niedrigen Migrationsrate, Bestandteile mit einer intermediären Migrationsrate und Bestandteile mit einer hohen Migrationsrate. Demgemäß ist das Trennungsprofil ein vollständiges oder im wesentlichen vollständiges Profil trockener Feststoffe. Bevorzugt wird ein Teil der Bestandteile mit der höchsten Migrationsrate vor der Zirkulationsphase abgenommen.
Das neue chromatographische SMB-Verfahren ist in der Lage die SMB- Trennungsleistung wesentlich zu verbessern. Verglichen mit den früheren chromatographischen SMB-Verfahren hat das neue SMB-Verfahren beispielsweise eine Trennungsleistung geboten, die um mehrere Dutzend Prozent verbessert ist, beispielsweise bei der Trennung von Molassen, während die Produktfraktionierungs-Leistungsfähigkeitscharakteristika im wesentlichen die gleichen geblieben sind,
Die chromatographischen Apparate, die angewendet werden, umfassen eine Säule oder mehrere Säulen, die in Serie verbunden sind, Flüssigkeitsleitungen, die die Säulen verbinden, einen Lösungs- und Elutionsmittelbehälter, Eingangslösung und Elutionsmittelleitungen, Recyclierungs- und Zufuhrpumpen, Wärmeaustauscher, Produktfraktionsabnahmeleitung und Ventile, Fluß- und Druckregulatoren und Messgeräte für die on-Line-Konzentration, Dichte, optische Aktivität und Leitfähigkeit. Das Verfahren wird in einem des Gleichgewichtsstadium vorangetrieben, und das Fortschreiten des Trennungsverfahrens wird mit einem Dichtemeßgerät überwacht. Die Trennung wird durch einen Mikroprozessor kontrolliert, der die Volumenflußraten und die Volumina der Eingangslösung, unter Verwendung von Mengen/Volumenmeßgeräten, Temperaturkontrollgeräten, Ventilen und Pumpen kontrolliert.
Die Anzahl der Säulen beträgt 1 bis 20, bevorzugt 2 bis 8. Bevorzugt umfaßt eine Säule ein oder mehrere getrennte teilweise gepackte Betten.
Ein stark saures Ionenaustauscherharz, wie beispielsweise Finex V09C (Hersteller Finex Oy), Finex V13C (Hersteller Finex Oy), Finex CS 11 GC (Hersteller Finex Oy) oder Purolite PCR 651 (Hersteller Purolite Co) wird bevorzugt als Säulenpackmaterial verwendet.
Das bevorzugt verwendete Elutionsmittel ist Wasser.
Die Fließrate kann von 0,5 bis 15 m³/h/m² reichen, bevorzugt beträgt die Flußrate 3 bis 10 m³/h/m².

Beispiel 1

Zwei-Profil-Trennung von Molassen

Die Säulenserie, die für die Trennung verwendet wird, umfaßt acht teilweise gepackte Betten, vier davon bildeten in dem Fall eine Säule, d. h. es gab zwei Säulen. Die Produktfraktionen wurden aus der Säule 1 und Säule 2 abgenommen, die restlichen Fraktionen wurden aus den Säulen 1 und 2 abgenommen aber eine Sucrose- und Betain-Fraktion wurde, wie auch die recyclierten Fraktionen, nur aus der Säule 2 abgenommen.
Die Testbedingungen werden in Tabelle 1A gezeigt.

Tabelle 1A

Testbedingungen

Trennungstemperatur 85ºC
Resin-Betthöhe 14 m (7 m/Säule)
Säulendurchmesser 11,1 cm
Eine Zwei-Profil-Trennungssequenz wurde in der Säulenserie hergestellt, wobei zwei separate Trennungsprofile, d. h. im wesentlichen vollständige Profile trockener Feststoffe, simultan in dem Trennungsverfahren zirkulierten. Die Fraktionierung wurde in einer 8-Schritte-Sequenz durchgeführt. Die Sequenz hatte eine Zykluslänge von 38 Minuten und umfaßte die folgenden Schritte:
Schritt 1: 1,5 l der Eingangslösung wurden in Säule 1 bei einer volumetrischen Flußrate von 50 l/h eingeleitet, und eine entsprechende Menge einer Recyclierungsfraktion wurden aus Säule 2 eluiert.
Schritt 2: 5,5 l der Eingangslösung (Weiterbeschäftigung der Zuflußphase) wurde in Säule 1 bei einer volumetrischen Flußrate von 50 l/h eingeleitet, und eine entsprechende Menge einer Sucorse-Fraktion wurde aus Säule eluiert.
Schritt 3: 3,2 l Elutionswasser wurde in Säule 1 bei einer volumetrischen Flußrate von 60 l/h eingeleitet, und eine entsprechende Menge des verbliebenen Teils der Sucrose-Fraktion wurde abgenommen (aus Säule 2).
Schritt 4: Die Zufuhr an Elutionswasser in Säule 1 wurde fortgesetzt (3,3 l; 60 l/h) und eine entsprechende Menge einer Recyclierungsfraktion wurde aus Säule 2 eluiert.
Schritt 5: Die Zufuhr des Elutionswasser in Säule 1 wurde fortgesetzt (5,0 l; 60 l/h) und eine entsprechende Menge einer Betain-Fraktion wurde aus Säule 2 eluiert.
Schritt 6: Die Zufuhr von Elutionswasser in Säule 1 wurde fortgesetzt (13,0 l; : 68 l/h) und eine entsprechende Menge einer Restfraktion wurde aus der gleichen Säule eluiert. Simultan wurde Elutionswasser auch in Säule 2 eingeleitet (10,0 l, 73 l/h) und eine entsprechende Menge des verbliebenen Teils der Betain-Fraktion wurde aus der gleichen Säule abgenommen.
Schritt 7: Die Zufuhr an Elutionswasser in Säule 2 wurde fortgesetzt (2,5 l; 73 l/h) und eine entsprechende Menge der restlichen Fraktion wurde aus der gleichen Säule eluiert.
Schritt 8: Zirkulation in der Schlaufe, die aus den Säulen 1 und 2 gebildet wird (6,0 l; 75 l/h).
Die Sequenz, die diese Schritte enthält wurde 8-mal wiederholt, um das System zu äquilibrieren, worauf das Verfahren in einem Gleichgewichtsstadium voranschritt. Im Gleichgewichtsstadium wurden die Proben während einer Sequenz gesammelt. Die Zusammensetzung des Rohmaterials der Zufuhrlösung wird in Tabelle 1B gezeigt. Tabelle IB Analyse des Rohmaterials
Gehalt an trockenen Feststoffen g/100 g 52,7 g
pH 9,4
Leitfähigkeit mS/cm 13,7
Das als Packmaterial verwendete Trennharz war Finex V09C, das anfangs mit Natriumchlorid regeneriert wurde (während der Fraktionierung wurde es mit Kationen aus den Molassen äquilibriert). Die Analyse des Trennungsharzes wird in Tabelle 1C gezeigt.

Tabelle 1C

Analyse des Trennungsharzes

Marke Finex V09C
DVB % 5,5
Leistungsäquivalente/l 1,56
Mittlere Kugelgröße 0,360
Im Gleichgewicht hatte die kombinierte Restfraktion einen Gehalt an trockenen Feststoffen von 6,7 g/100 g und die Sucrose-Reinheit betrug 12,4 Gew.-%. Die Sucrose-Fraktion hatte einen Gehalt an trockenen Feststoffen von 19,1 g/100 g und die Sucrose-Reinheit betrug 90,1 Gew.-%. Die Betain-Fraktion hatte einen Gehalt an trockenen Feststoffen von 4,4 g/100 g und die Betain-Reinheit betrug 43,1 Gew.-%.

Beispiel 2

Zwei-Profil-Trennung von Vinasse

Die Säulenserie, die für die Trennung verwendet wurde, umfaßte drei getrennte Trennungssäulen. Restliche Fraktionen wurden aus allen Säulen abgenommen und eine Betain-Fraktion wurden nur aus Säule 3 abgenommen.
Die Testbedingungen werden in Tabelle 2A gezeigt.

Tabelle 2A

Testbedingungen

Trennungstemperatur 80ºC
Harzbetthöhe 10,5 m (3,5 m/Säule)
Säulendurchmesser 20 cm
Eine Zwei-Profil-Trennungssequenz wurde in der Säulenserie hergestellt, wobei zwei getrennte Trennungsprofile, d. h. im wesentlichen vollständige trockene Feststoffprofile, gleichzeitig in dem Trennungsverfahren zirkuliert wurden. Die Fraktionierung wurde in einer Siebenschritt- Sequenz durchgeführt. Die Sequenz hatte eine Zykluslänge von ungefähr 58 Minuten und umfaßte die folgenden Schritte:
Schritt 1: 7 l der Ausgangslösung wurden in Säule 1 mit einer volumetrischen Fließrate von 150 l/h eingeleitet und eine entsprechende Menge einer Restfraktion wurde aus Säule 2 eluiert. Gleichzeitig wurden 7 l Elutionswasser in Säule 3 eingeleitet und bei einer volumetrischen Flußrate von 150 l/h und eine entsprechende Menge einer Betain-Fraktion wurde aus der gleichen Säule eluiert.
Schritt 2: 5 l der Ausgangslösung (Fortsetzung der Zufuhrphase) wurden in Säule 1 bei einer volumetrischen Flußrate von 150 l/Stunde eingeleitet und eine entsprechende Menge einer Betain-Fraktion wurde aus Säule 3 eluiert.
Schritt 3: 29 l einer Ausgangslösung wurde in Säule 1 eingeleitet und eine entsprechende Menge einer Restfraktion wurde aus der gleichen Säule eluiert. Gleichzeitig wurden 17 l Elutionswasser bei einer volumetrischen Flußrate von 90 l/h in Säule 2 eingeleitet und eine entsprechende Menge des restlichen Teils der Batin-Fraktion wurde aus Säule 3 abgenommen.
Schritt 4: Die Zufuhr des Elutionswassers in Säule 2 wurde fortgesetzt (6 l; 8 l/h) und eine entsprechende Menge der restlichen Fraktion wurden aus Säule 1 eluiert.
Schritt 5: Zirkulierung in der Schlaufe, die aus den Säulen 1 bis 3 geformt wird (10 l, 100 l/h).
Schritt 6: Elutionswasser wurde in Säule 1 eingeleitet (33 l; 100 l/h) und eine entsprechende Menge einer Festfraktion wurde aus Säule 3 eluiert.
Schritt 7: Elutionswasser wurde in Säule 3 eingeleitet (28 l; 150 l/h) und eine entsprechende Menge einer Restfraktion wurde aus Säule 2 eluiert.
Die Sequenz, die diese Schritte umfaßt, wurde 8-mal wiederholt, um das System zu äquilibrieren, worauf die Methode in einem Gleichgewichtsstadium voranschritt. Im Gleichgewichtsstadium wurden Proben während einer Sequenz eingesammelt.
Die Zusammensetzung des Rohmaterials der Ausgangslösung wird in Tabelle 2B gezeigt.

Tabelle 2B

Analyse des Rohmaterials

Zusammensetzung, % der trockenen Feststoffe
Betain 13,8
Trockene Feststoffe, Gehalt g/100 g 53,8
pH 7,1
Leitfähigkeit mS/cm 46,5
Das als Packmaterial benutzte Trennungsharz war Finex V13C, das anfangs mit Natriumchlorid regeneriert wurde (während der Fraktionierung wurde es mit Kationen aus der Vinasse äquilibriert). Die Analyse des Trennharzes ist in Tabelle 2C gezeigt.

Tabelle 2C

Analyse des Trennungsharzes

Marke Finex V13C
DVB % 8,0
Leistungsäquivalente/l 1,8
Mittlere Kugelgröße mm 0,34
Im Äquilibrium hat die Betain-Fraktion einen Gehalt von 22,4% Trockenfeststoffe, und die Betain-Reinheit betrug 48,3 Gew.-%. Die kombinierte Restfraktion hatte einen Gehalt an trockenen Feststoffen von 18,4% und die Betain-Reinheit betrug 2,3 Gew.-%.

Beispiel 3

Zweiprofil-Trennung einer Glucose/Fructose-Mischung

Die Säulenserie, die für die Trennung verwendet wurde, umfaßte vier getrennte Trennungssäulen. Aus allen Säulen wurden Produktfraktionen abgenommen.
Die Testbedingungen werden in Tabelle 3A gezeigt.

Tabelle 3A

Testbedingungen

Trennungstemperatur 65ºC
Harzbetthöhe 11,2 m (2,8 m/Säule)
Säulendurchmesser 20 cm
Ein Zwei-Profil-Trennungssequenz wurde in der Säulenserie produziert, wobei zwei separate Trennungsprofile gleichzeitig in dem Trennungsverfahren zirkuliert wurden, d. h. im wesentlichen vollständige Profile trockener Feststoffe. Die Trennung wurde in einer Vierschritt-Sequenz durchgeführt. Die Sequenz hatte eine Zykluslänge von 74 Minuten und umfaßte die folgenden Schritte:
Schritt 1: 18 l einer Ausgangslösung wurden in Säulen 1 und 3 bei einer volumetrischen Flußrate von 120 l/h eingeleitet, und eine entsprechende Menge einer Glucose-Fraktion wurde aus den gleichen Säulen eluiert.
Schritt 2: 8 l Elutionswasser wurden in die Säulen 2 und 4 bei einer volumetrischen Flußrate von 120 l/h eingeleitet und eine entsprechende Menge einer Glucose-Fraktion wurde aus den Säulen 3 und 1 eluiert.
Schritt 3: 30 l Elutionswasser wurden in die Säulen 2 und 4 eingeleitet und eine entsprechende Menge einer Fructose-Fraktion wurde aus den gleichen Säulen eluiert,
Schritt 4: Zirkulation in der Schlaufe, die aus den Säulen 1 bis 4 gebildet wird (106 l; 130 l/h).
Die Sequenz, die diese Schritte enthält wurde 8-mal wiederholt um das System zu äquilibrieren, worauf das Verfahren in einem Gleichgewichtsstadium voranschritt. Im Gleichgewichtsstadium wurden die Proben während einer Sequenz eingesammelt.
Die Zusammensetzung des Rohmaterials der Ausgangslösung ist in Tabelle 3B gezeigt.

Tabelle 3B

Analyse des Rohmaterials

Zusammensetzung, % der trockenen Feststoffe
Glucose 49,2 Fructose 49,5
Gehalt an trockenen Feststoffen 50
Das als Packmaterial verwendete Harz war Finex CS 11 GC, das mit Calciumchlorid regeneriert wurde. Die Analyse des Trennharzes wird in Tabelle 3C gezeigt.

Tabelle 3C

Analyse des Trennharzes

Marke Finex CS 11 GC
DVB % 5,5
Leistungsäquivalent/l 1,5
Mittlere Kugelgröße mm 0,310
Im Gleichgewicht hatte die zusammengelegte Glucose-Fraktion einen Gehalt an trockenen Feststoffen von 23,3 g/100 g und die Glucose-Reinheit betrug 96,7 Gew.-%. Die zusammengesetzte Fructose-Fraktion hatte einen Gehalt an trockenen Feststoffen von 20,3 g/100 g und die Fructose-Reinheit betrug 99,7%.

Beispiel 4

Drei-Profil-Trennung von Molassen

Die Säulenserien, die für die Trennung verwendet wurden umfassen drei getrennte Trennungssäulen. Restfraktionen wurden aus allen Säulen abgenommen und Sucrose, Recyclierungs- und Betain-Fraktion wurden aus Säule 1 abgenommen.
Die Testbedingungen werden in Tabelle 4A gezeigt.

Tabelle 4A

Testbedingungen

Trennungstemperatur 80ºC
Harzbetthöhe 15,3 m (5,1 m/Säule)
Säulendurchmesser 20 cm
Die Drei-Profil-Trennungssequenz wurde in der Säulenserie hergestellt, wobei drei getrennte Trennungsprofile gleichzeitig im Trennungsverfahren zirkulierten, d. h. im wesentlichen vollständige Profile trockener Feststoffe. Die Fraktionierung wurde in einer Acht-Schritt-Sequenz durchgeführt. Eine Sequenz hatte eine Zykluslänge von 43 Minuten und umfaßte die folgenden Schritte:
Schritt 1: 9 l einer Ausgangslösung wurden in Säule 2 bei einer volumetrischen Flußrate von 110 l/h eingeleitet und eine entsprechende Menge einer Recyclierungsfraktion wurde aus Säule 1 abgenommen.
Schritt 2: 11 l einer Ausgangslösung (Fortsetzung der Zufuhrphase) wurde in Säule 2 bei einer volumetrischen Flußrate von 110 l/h eingeleitet und eine entsprechende Menge einer Sucrose-Fraktion wurden aus Säule 1 eluiert.
Schritt 3: 16 l Elutionswasser wurden in Säule 2 bei einer volumetrischen Flußrate von 110 l/h eingeleitet und eine entsprechende Menge einer Sucrose-Fraktion wurde aus Säule 1 eluiert.
Schritt 4: 5,5 l Elutionswasser wurden in Säule 2 eingeleitet, bei einer volumetrischen Flußrate von 110 l/h und eine entsprechende Menge einer Recyclierungsfraktion wurden aus Säule 1 abgenommen.
Schritt 5: Die Zufuhr an Elutionswasser in die Säule 2 wurde fortgesetzt (9 l; 110 l/h) und eine entsprechende Menge einer Betain-Fraktion wurde aus Säule 1 eluiert.
Schritt 6: Elutionswasser wurde in die Säulen, 1, 2 und 3 eingeleitet (5 l in jeder bei einer volumetrischen Flußrate von 120 l/h); eine entsprechende Menge einer Betain-Fraktion wurden aus Säule 1 eluiert und eine entsprechende Menge der restlichen Fraktionen wurden aus den Säulen 2 und 3 eluiert.
Schritt 7: Die Zufuhr an Elutionswasser in Säulen 1, 2 und 3 wurde fortgesetzt (15 l bei 100 l/h in Säule 1, 21 l bei 140 l/h in Säule 2, 21 l bei 140 l/h in Säule 3) und eine entsprechende Menge an Restfraktionen wurden aus den Säulen 1, 2 und 3 eluiert.
Schritt 8: Zirkulation in der Schlaufe, die aus den Säulen 1 bis 3 gebildet wird (4 l; 120 l/h).
Die Sequenz, die diese Schritte enthält wurde 8-mal wiederholt um das System zu äquilibrieren, worauf das Verfahren in einem Gleichgewichtsstadium voranschritt. In dem Gleichgewichtsstadium wurden Proben während einer Sequenz gesammelt.
Zusammensetzung des Rohmaterials der Ausgangslösung ist in Tabelle 4 gezeigt. Tabelle 4B Analyse des Rohmaterials
Gehalt an tockenen Feststoffen g/100 g 58,5
Feststoffe < 0,1 Vol.-%
pH 9,0
Leitfähigkeit mS/cm 23,1
Das Trennungsharz, das als Packmaterial verwendet wurde, war Finex V09C, das anfangs mit Natriumchlorid regeneriert wurde (während der Fraktionierung wurde es mit den Kationen aus den Molassen äquilibriert). Die Analyse des Trennharzes ist in Tabelle 4C gezeigt.

Tabelle 4C

Analyse des Trennharzes

Marke Finex V09C
DVB % 5,5
Leistungsäquivalent/l 1,5
Mittlere Kugelgröße mm 0,310
Im Gleichgewicht hatte die kombinierte Sucrose-Fraktion einen Gehalt an Trockenfeststoffen von 22 g/100 ml, und die Sucrose-Reinheit betrug 927 Gew.-%. Die kombinierte Betain-Fraktion hatte einen Gehalt an trockenen Feststoffen von 5,2 g/100 ml und die Betain-Reinheit betrug 36,6 Gew.-%. Die kombinierte Restfraktion hatte einen Gehalt an trockenen Feststoffen von 8,2 g/100 ml.

Beispiel 5

Kontinuierliche Zwei-Profil-Trennung von Molassen

Die Säule, die für die Trennung verwendet wurde, umfaßte 14 getrennte teilweise gepackte Betten, zwischen denen eine flüssige durchlässige, aber harzzurückhaltende Austauschplatte zur Verfügung gestellt wurde; ein Zufuhr- und Abnahmeapparat wurde auf die Austauschplatte gesetzt. Die Säule hatte einen Durchmesser von 0,2 m und das Bett hatte eine Höhe von 14 m (1 m pro teilweise gepackten Bett). Die Schrittlänge betrug 310 s, die für die Zufuhr in zwei Teile geteilt wurde, d. h. Zuführen 280 s und Spülen des Leitungssystems und des Zufuhr- und Abnahmeapparates 30 s. Die Zykluslänge betrug 4340 s.
Das als Packmaterial verwendete Trennharz war Purolite PCR 651, das anfangs mit Natriumchlorid regeneriert wurde (während der Fraktionierung wurde es mit Kationen aus den Molassen äquilibriert). Die Analyse des Trennharzes ist in Tabelle 5A gezeigt.

Tabelle 5A

Analyse des Trennharzes

Marke Purolite PCR 651
DVB % 5,5
Leistungsäquivalent/l 1,5
Mittlere Kugelgröße 0,340
Die Zusammensetzung des Rohmaterials der Ausgangslösung wird in Tabelle 5B gezeigt.

Tabelle 5B

Analyse des Rohmaterials

Zusammensetzung, % an trockenen Feststoffen
Sucrose 59
Gehalt an trockenen Feststoffen g/100 g 59
pH 9,2
Leitfähigkeit mS/cm 13,8
Die Sequenz umfaßte 14 Schritte. Die Situation während eines Schrittes war wie folgt:
Die Sucrose-Fraktionen wurden aus den teilweise gepackten Betten 2 und 9 abgenommen und die restlichen Fraktionen wurden aus den teilweise gepackten Betten 6 und 13 abgenommen.
Die Ausgangslösung und die Spüllösung wurden in die teilweise gepackten Betten 5 und 12 eingeleitet und Elutionswasser wurde in die teilweise gepackten Betten 1 und 8 eingeleitet.
Die teilweise gepackten Betten 1 und 2 (und 8 bzw. 9) der Säule bildeten eine Sucrose-Elutionszone, in der die volumetrische Flußrate 214 l/h betrug. Die Sucrose-Fraktion wurde bei einer volumetrischen Flußrate von 19,6 l/h abgenommen.
Die teilweise gepackten Betten 3 und 4 (und 10 bzw. 11) bildeten eine Extraktionszone, wobei die volumetrische Flußrate 194 l/h betrug. Die teilweise gepackten Betten 5 und 6 (und 12 bzw. 13), die als Ionen-Einschlußzone gebildet wurden, in denen die volumetrische Flußrate 206 l/h betrug. Die Ausgangslösung wurde zwischen diesen Zonen eingeleitet (volumetrische Flußrate 12,5 l/h) wie auch die Spüllösung (volumetrische Flußrate 12,5 l/h).
Das teilweise gepackte Bett 7 (und bzw. 14) bildete eine Transitionszone, in der die volumetrische Flußrate 140 l/h betrug.
Die Restfraktion wurde zwischen der Ionenausschlußzone und der Transitionszone (volumetrische Flußrate 66 l/h) abgenommen.
Die Zufuhr und Abnahmepunkte wurden zyklisch in Intervallen von 310 Sekunden für ein teilweise gepacktes Bett in der Flußrichtung verschoben (entsprechend wurden die Elutions-, Extraktions-, Ionen-Austausch- und Transitionszonen in einem teilweise gepackten Bett verschoben).
Im Gleichgewicht hatte die Succrose-Fraktion einen Gehalt an trockenen Feststoffen von 27,1% und eine Sucrose-Reinheit von 87,8%. Die Restfraktion hatte einen Gehalt an trockenen Feststoffen von 5,5% und eine Sucrose-Reinheit von 16,4%.

Beispiel 5

Zwei-Profil-Trennung von Xylitol-Durchlauf

Die Säulenserie, die für die Trennung verwendet wurde umfaßte drei Säulen. Produktfraktionen wurden aus der Säule 1 und den Restfraktionen der Säulen 1, 2 und 3 abgenommen.
Die Testbedingungen werden in Tabelle 6A gezeigt.

Tabelle 6A

Testbedingungen

Trennungstemperatur 70ºC
Harzbetthöhe 11,4 m (3,8 m/Säule)
Säulendurchmesser 20 cm
Anzahl der Säulen 3
Eine Zwei-Profil-Trennungssequenz wurde in der Säulenserie hergestellt, wobei zwei getrennte Trennungsprofile, d. h. im wesentlichen trockene Feststoffprofile gleichzeitig in dem Trennungsverfahren zirkulierten. Die Fraktionierung wurde in einem Achtschritt-Verfahren durchgeführt. Die Sequenz hatte eine Zykluslänge von 87 Minuten und umfaßte die folgenden Schritt:
Schritt 1: 15,0 l der Ausgangslösung wurden an der Spitze der Säule 1 bei einer volumetrischen Flußrate von 52 l/h eingeleitet und eine entsprechende Menge einer Residualfraktion wurde aus den Säulen 2 eluiert. Gleichzeitig wurde Elutionswasser in Säule 3 eingeleitet (15,0 l; 160 l/h) und eine entsprechende Menge einer Xylitol-Fraktion aus dem zweiten Profil wurde aus der gleichen Säule abgenommen.
Schritt 2: 10,0 l der Ausgangslösung (Fortführung der Zufuhrphase) wurde in Säule 1 eingeleitet bei einer volumetrischen Flußrate von 125 l/h und eine entsprechende Menge einer Xylitol-Fraktion wurde aus Säule 3 eluiert.
Schritt 3: Zirkulieren in der Schlaufe, die aus den Säulen 1 bis 3 gebildet wird (15,0 l; 125 l/h).
Schritt 4: Elutionswasser wurde in Säule 2 eingeleitet (15,0 l; 125 l/h) und eine entsprechende Menge an Residual-Fraktion wurde aus Säule 1 eluiert.
Schritt 5: Die Zufuhr des Elutionswasssers in Säule 2 wurde fortgesetzt (40,0 l; 140 l/h) und eine entsprechende Menge einer Residualfraktion wurden aus Säule 3 eluiert. Gleichzeitig wurde Elutionswasser in Säule 1 eingeleitet (15,0 l; 55 l/h) und eine entsprechende Menge einer Residualfraktion wurde aus der gleichen Säule eluiert.
Schritt 6: Die Zufuhr von Elutionswasser in Säule 1 wurde fortgesetzt (15,0 l; 125 l/h) und eine entsprechende Menge an Residualfraktion wurde aus Säule 3 eluiert.
Schritt 7: Zirkulierung in der Schlaufe, die aus den Säulen 1 bis 3 gebildet wird (18,0 l; 125 l/h).
Schritt 8: Elutionswasser wurde in Säule 3 eingeleitet (20,0 l; 125 l/h), und eine entsprechende Menge einer Resudualfraktion wurde aus Säule 2 eluiert.
Die Sequenz, die diese Schritte enthält, wurde 8-mal wiederholt um das System zu äquilibrieren, worauf das Verfahren in einem Gleichgewichtsstadium voranschritt. Im Gleichgewichtsstadium wurden Proben während einer Sequenz eingesammelt.
Die Zusammensetzung des Rohmaterials der Ausgangslösung ist in Tabelle 6B gezeigt. Vor der Trennung wurde das Rohmaterial gefiltert und die Konzentration der Ausgangslösung wurde auf 50 g/100 g eingestellt. Tabelle 6B Analyse des Rohmaterials
Gehalt an trockenen Feststoffen g/100 g 50,6
pH 5,2
Leitfähigkeit mS/cm 0,3
Das Trennharz, das als Packmaterial verwendet wurde war Finex CS 13 GC (eine Polystyrol-Matrix, die mit Divinylbenzol vernetzt ist; Hersteller Finex Oy, Finnland) die anfangs mit Calciumchlorid regeneriert wurde (während der Fraktionierung wurde sie mit dem Kation aus dem Durchlauf äqulibriert). Die Analyse des Trennharzes wird in Tabelle 6C gezeigt.

Tabelle 6C

Analyse des Trennharzes

Marke Finex CS 13 GC
DVB % 6,5
Leistungsäquivalent/l 1,65
Mittlere Kugelgröße mm 0,41
Im Gleichgewicht hatte die kombinierte Residualfraktion einen Gehalt an trockenen Feststoffen von 7,7 g/100 g, und die Xylitol-Konzentration betrug 19,1 Gew.-%. Die Xylitol-Fraktion hatte einen Gehalt an Trockenfeststoffen von 16,5 g/100 g und die Xylitol-Reinheit betrug 66,2 Gew.-% und die Xylitol-Ausbeute 80,6 Gew.-%.

Claims

1. Verfahren zum Fraktionieren einer Lösung in zwei oder mehr Fraktionen durch ein chromatographisches Simulated-Moving-Bed (SMB)- Verfahren, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennungssystem mindestens zwei Trennungsprofile im gleichen Zyklus umfasst.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Simulated-Moving-Bed (SMB)-Verfahren ein sequentielles Simulated-Moving-Bed (SMB)-Verfahren ist.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Simulated-Moving-Bed (SMB)-Verfahren ein kontinuierliches Simulated-Moving-Bed (SMB)-Verfahren ist.

4. Verfahren wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Bestandteils mit der höchsten Migrationsrate vor der Umlaufphase abgenommen wird.

5. Verfahren wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die Säule eine oder mehrere Schlaufen bildet.

6. Verfahren wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die Säule/Säulen mehrere teilweise gepackte Betten umfasst/umfassen.

7. Verfahren wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass das Packmaterial ein stark saures Ionenaustauschharz ist.

8. Verfahren wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Säulen 1-20, bevorzugt 2-8 beträgt.

9. Verfahren wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass das Elutionsmittel Wasser ist.

10. Verfahren wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass die Fließrate 0,5-15 m³/hr·/m², bevorzugt 3-10 m³/hr·/m² beträgt.

11. Verfahren wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohmaterial aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Melasse, Vinasse, Fruktose/Glukosesirupen, aus Rüben stammenden Säften, Invertierzuckermischungen, Stärkehydrolysaten, Holzhydrolysaten, Milchmolkelösungen und anderen Laktose enthaltenden Lösungen, Lösungen, die Aminosäuren enthalten, Fermentierbrühen, die zahlreiche organische Säuren, wie beispielsweise Zitronensäure, Bagassehydrolysate enthalten, und insbesondere Lösungen, die Inositol, Mannitol, Sorbitol, Xylitol, Erythritol, Glutaminsäure und/oder Glycerol enthalten, besteht.

12. Verfahren wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohmaterial Vinasse ist.

13. Verfahren wie in einem der Ansprüche 1-11 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohmaterial Melasse ist.

14. Verfahren wie in einem der Ansprüche 1-11 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohmaterial Sulphit-Kochflüssigkeit ist.

15. Verfahren wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt/die Produkte aus der Gruppe ausgewählt ist/sind, die aus Glucose, Fructose, Succrose, Betain, Inositol, Mannitol, Glycerol, Xylitol, Xylose, Sorbitol, Erythritol, organischen Säuren, insbesondere Aminosäuren, wie beispielsweise Glutaminsäure, besteht.