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Technischer
Bereich
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf ein industrielles Verfahren zur Herstellung von Lactulose
aus Lactose durch Isomerisierung unter Verwendung von Natriumaluminat
und gasförmigem
CO2.
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Stand der
Technik
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Lactulose ist ein synthetisch gewonnenes
Disaccharid, das gewöhnlich
in Form eines Sirups zur Behandlung von Darmerkrankungen und in
Form eines kristallinen Produkts als Süßmittel zum Ersatz von Saccharose
verwendet wird. Lactulose wird auch als Nahrungsergänzung zur
Diät in
der Pädiatrie
und der Geriatrie verwendet.
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Es sind viele Verfahren bekannt Lactulose durch
Isomerisierung von Lactose, die ein leicht erhältliches natürliches
Disaccharid ist, herzustellen.
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Einige dieser Verfahren beruhen im
Wesentlichen auf der Isomerisierung von Lactose durch starke Basen
wie Ca(OH)2, NaOH, KOH und starke organische
Basen.
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Diese Verfahren weisen den Nachteil
auf, dass die Zucker unkontrolliert abgebaut werden können; solche
Abbauvorgänge
führen
zu einer Verringerung der Lactuloseausbeute, verkomplizieren die Extraktionsschritte,
die zur Eliminierung der Abbauprodukte erforderlich sind, verringern
die Qualität
des Sirups und erschweren die Herstellung kristalliner Lactulose.
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In einer anderen Gruppe von Verfahren
werden als Isomerisierungsmittel Borax und Natriumaluminat verwendet.
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Obwohl diese Verfahren es ermöglichen, eine
höhere
Ausbeute an Lactulose und ein reineres Produkt zu erhalten, sind
sie für
die industrielle Anwendung nicht akzeptabel wegen der Probleme,
die das notwendige Abfiltrieren von Aluminiumhydroxid und die vollständige Eliminierung
von Borsäure
bereiten.
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Andere Verfahren, in denen stark
basische Ionenaustauschharze zur Isomerisierung verwendet werden
sind viel zu kostspielig und erlauben keine Produktion von Lactulose
zu akzeptablen Preisen.
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Es sind auch Verfahren zur Isomerisierung von
Lactose unter Verwendung von Magnesiumverbindungen bekannt.
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Diese Verfahren weisen den Nachteil
auf, dass sie sehr große
Reaktionsvolumina erfordern, um kleine Mengen an Lactulose zu erhalten.
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Ein verbessertes Verfahren wird in
U.S. 4,957,564 beschrieben, wobei die Isomerisierung von Lactose
durch Katalyse mit Natriumaluminat gefolgt von einer Neutralisierung
mit Schwefelsäure
erreicht wird. Bei der Durchführung
dieses Verfahrens entstehen jedoch große Mengen an Natriumsulfat, und
die Beseitigung dieses Produkts bedingt Umweltprobleme, deren Lösung schwierig
und kostspielig ist.
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Darstellung der Erfindung
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Nun haben wir ein Verfahren zur Herstellung von
Lactulose erfunden, das es ermöglicht,
die Probleme zu lösen,
die beim gegenwärtigen
Stand der Technik bestehen.
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Insbesondere haben wir ein Verfahren
der Isomerisierung von Lactose zu Lactulose erfunden, bei dem Natriumaluminat
verwendet wird und das ein einfaches Abfiltrieren des Aluminiumhydroxids
und dessen einfache Rückumwandlung
in Natriumaluminat ermöglicht,
welches im folgenden Zyklus verwendet wird, und das weiter die Vermeidung
von Umweltproblemen ermöglicht.
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Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
umfasst die folgenden Schritte:
- a) Reaktion
einer wässrigen
Lösung
oder Suspension von Lactose mit Natriumaluminat, um die Isomerisierung
von Lactose zu Lactulose mit einer niedrigen oder hohen Umsetzung
der Lactose herbeizuführen;
- b) Abschrecken des in Schritt (a) erhaltenen Gemisches mit Eis;
- c) Neutralisierung des in Schritt (b) erhaltenen Gemisches mit
Ausfällung
des Aluminiumhydroxids;
- d) Trennung des Aluminiumhydroxids durch Filtern;
- e) Deionisierung der in Schritt (d) erhaltenen Lösung;
- f1) Eindicken der in Schritt (e) erhaltenen Lösung, bis
ein technischer Sirup erhalten wird, im Falle hoher Lactoseumsetzung;
- f2) Eindicken der in Schritt (e) erhaltenen Lösung, die
entsprechend dem unten angeführten
Schritt (i) zu behandeln ist, im Falle niedriger Lactoseumsetzung;
- g) Behandlung des in Schritt (d) erhaltenen Aluminiumhydroxids
mit NaHCO3, Na2CO3 oder NaOH in der Menge, die erforderlich
ist, um das Aluminiumhydroxid zu Natriumaluminat umzusetzen;
- h) Kalzinierung des Produkts aus Schritt (g), um das Natriumaluminat
zu gewinnen, das wieder Schritt (a) zugeführt wird;
- i) Auskristallisieren der nicht isomerisierten Lactose aus der
Lösung
aus Schritt (f2) und deren Zurückführung zu
Schritt (a),
wobei dieses Verfahren dadurch gekennzeichnet
ist, dass die genannte niedrige Lactoseumsetzung auf 55–65% begrenzt
ist und die genannte hohe Lactoseumsetzung im Bereich zwischen 90
und 95% liegt und dass die genannte Neutralisierung aus Schritt
(c) durch Behandlung mit gasförmigem
CO2 unter Druck erfolgt.
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Abgesehen von den oben genannten
Vorteilen ist es durch die Anwendung des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung möglich,
ein Produkt höherer
Reinheit und mit größerer Ausbeute
zu erhalten.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Die Vorteile und Eigentümlichkeiten
des Verfahrens zur Herstellung von Lactulose durch Isomerisierung
von Lactose gemäß der vorliegenden
Erfindung werden in der folgenden Beschreibung noch deutlicher dargestellt.
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Gemäß dem Verfahren zur Herstellung
von Lactulose im Sinne der vorliegenden Erfindung wird zunächst eine
Lösung
oder Suspension von Lactose in Wasser mit einem Lactosegehalt von
20–50
Gewichtsprozent hergestellt; die genannte Lösung oder Suspension wird auf
eine Temperatur zwischen 25°C und
50°C erwärmt.
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Einer solchen Lactoselösung oder
-suspension wird eine Lösung
von Natriumaluminat (30 bis 40 Gewichtsprozent) zugegeben; in wenigen
Minuten wird eine homogene Lösung
erhalten, die bei einer Temperatur im Bereich zwischen 25°C und 50°C für 6– 16 Stunden
zur Reaktion gebracht wird.
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Das Natriumaluminat wird in einem
Molverhältnis
von 0,5 : 1–2
: 1 bezogen auf die Lactosemenge verwendet.
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Die erhaltene Mischung wird auf Eis
gegossen (30 bis 40 Gewichtsprozent bezogen auf das Gemisch), um
ein rasches Abkühlen
zu erreichen, die Umwandlung von Lactose in Lactulose zu stoppen und
alle Sekundärreaktionen
zu unterbinden.
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Durch 10- bis 20-minütiges Rühren wird
eine homogene Lösung
erhalten, die eine Temperatur von 15–18°C besitzt.
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Durch Befolgen des vorstehend dargestellten
Vorgehens und durch Auswahl der entsprechenden Molverhältnisse
zwischen Natriumaluminat und Lactose sowie der Reaktionszeit und
der Temperatur, ist es, wie auch in den folgenden Beispielen beschrieben,
möglich,
eine niedrige Lactoseumsetzung, beispielsweise 55–65%, mit
einer Lactuloseausbeute von 83–85%
zu erhalten. Ebenso ist es möglich
eine hohe Lactoseumsetzung, beispielsweise 90–95%, mit einer Lactuloseausbeute
von 68– 75%
zu erhalten. Die wie vorstehend beschrieben erhaltene homogene Lösung wird
kontinuierlich durch Behandlung mit gasförmigem CO2 bei
0,25–0,5
MPa (2.5–5 atm) bei
einer Temperatur von 20°C
bis 32–35°C über einen
Zeitraum von wenigstens 1 h neutralisiert.
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Mit diesem Verfahren wird ein Gemisch
erhalten, das aus einer Lösung
von Lactulose und Lactose besteht und gelöstes NaHCO3 sowie
suspendiertes Aluminiumhydroxid enthält.
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Das erhaltene Gemisch wird nach der
Neutralisierung gefiltert, und zwar vorzugsweise durch eine Filterpresse.
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Der durch das Filtrieren erhaltene
Feststoff, der im Wesentlichen aus Aluminiumhydroxid und Natriumhydrogencarbonat
besteht, wird in Wasser suspendiert und wieder gefiltert. Die erhaltene
Lösung, die
im Wesentlichen aus einer Lösung
von Lactulose, Lactose und löslichen
Salzen besteht, wird unter Verwendung von Ionenaustauschharzen entsprechend bekannten
Vorgehensweisen deionisiert und danach auf einen saccarimetrischen
Gehalt von 60–80° Brix eingedickt.
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Das Eindicken erfolgt unter verringertem Druck
(0,0026–0,0046
MPa)(0,026–0,046
atm), wobei die Temperatur der eingedickten Lösung 45–50°C oder weniger beträgt. Im Falle
hoher Lactoseumsetzung wird ein technischer, vermarktungsfähiger Sirup erhalten.
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Im Falle niedriger Lactoseumsetzung
wird das eingedickte Gemisch unter Rühren auf 20°C und dann für 120–130 h auf 5–15°C heruntergekühlt, wodurch
die während
des Isomerisierungsschritts nicht umgesetzte Lactose auskristallisiert.
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Die Lactose wird durch Zentrifugieren
abgetrennt, und die zurückbleibende
Flüssigkeit
ist ein Lactulosesirup hoher Reinheit mit einer Lactulosekonzentration
von 50–55
Gewichtsprozent und geringen Mengen anderer Zucker wie Lactose und
Galactose.
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Die auskristallisierte Lactose wird,
nachdem sie nach Beendigung des Zentrifugierens gewaschen worden
ist, wieder dem Anfangsschritt als Ausgangstoff für einen
neuen Zyklus zugeführt.
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Im Schritt g) wird der Feststoff,
der beim Filtrieren, das der Neutralisierung folgt, erhalten wurde, zur
Herstellung von Aluminat mit NaHCO3, Na2HCO3 oder NaOH gemischt,
die als Feststoffe oder in wässriger
Lösung,
vorzugsweise allerdings als Feststoffe, zugesetzt werden, und zwar
in der angemessenen Menge, die erforderlich ist, um eine Natriummenge zu
erhalten, die geeignet ist nach bekannten Verfahren Natriumaluminat
(NaAlO2 oder Na2O-Al2O3) herzustellen
(entsprechend diesen Verfahren ist es erforderlich, neben der stöchiometrischen
Menge an Natrium bezogen auf Al einer weitere Menge in der Form
einer natriumhaltigen Base Menge zuzusetzen).
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Gewöhnlich wird der Feststoff,
der beim Filtrieren, das der Neutralisierung folgt, erhalten wurde und
im Wesentlichen aus Aluminiumhydroxid und Natriumhydrogencarbonat
besteht, mit zusätzlichem NaHCO3 gemischt, und zwar in der Menge, die nötig ist
um die zur Herstellung von Natriumaluminat erforderliche Natriummenge
zu erhalten; das erhaltene Feststoffgemisch wird bei 750–900°C kalziniert,
und das organische Material wird gespalten, worauf das Natriumaluminat
erhalten wird, das wieder dem Isomerisierungsschritt zugeführt wird.
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Um das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
besser zu illustrieren, werden die folgenden Beispiele mitgeteilt,
ohne dass hiermit der allgemeine Erfindungsgedanke eingeschränkt werden soll.
Der Ausdruck "Amberlite", der in den mitgeteilten Beispielen
vorkommt, ist ein eingetragenes Warenzeichen.
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Beispiel 1
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1750 g weiße Lactose wurden 2515 g demineralisiertem
Wasser zugesetzt (Titel 94,8 %; 4,846 Mol). Die erhaltene Suspension
wurde unter Rühren auf
30°C erwärmt. Bei
dieser Temperatur wurden der Suspension 773 g (3,393 Mol) Natriumaluminat
(Lösung
mit 36,5 Gewichtsprozent und einer freien Alkalinität, die ausgedrückt als
NaOH-Äquivalent
7,5 Gewichtsprozent beträgt)
zugesetzt. Nach wenigen Minuten wandelte sich die Masse in eine
klare Lösung von
goldgelber Farbe um; die Lösung
wurde unter Rühren
für 14
h auf der genannten Temperatur gehalten und dann auf 1774 g Eis
gegossen; nach 15-minütigem
Rühren
wurde eine homogene Lösung
erhalten.
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Die Analyse der Lösung ergab, dass mit einer
Umsetzung von 60,6% und einer Ausbeute von 84,8% 1005 g Lactose
verbraucht und 852 g Lactulose erzeugt worden waren.
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Die Lösung wurde 90 Minuten lang
in einem „Buss"-Reaktor bei invertiertem
Sättigungsfluss durch
eine Behandlung mit gasförmigem
CO2 unter einem Druck von 0,35 MPa (3,5
atm) bei 25°C
kontinuierlich neutralisiert.
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Das erhaltene Gemisch wurde durch
eine Filterpresse gefiltert.
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Der erhaltene Feststoff wurde in
Wasser suspendiert, erneut gefiltert, in seiner analytischen Zusammensetzung
hinsichtlich der Gehalte an Al und NaHCO3 charakterisiert
und, entsprechend den Analyseergebnissen, mit der Menge Natriumhydrogencarbonat
gemischt, die erforderlich ist um nach den bekannten Vorgehensweisen
Natriumaluminat herzustellen.
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Das erhaltene Gemisch wurde bei 750°C kalziniert,
wodurch das zurückverwandelte
Natriumaluminat gewonnen wurde.
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Die Flüssigkeit aus der Filtrierung
wurde durch Ionenaustauschharze gemäß bekannten Verfahrensweisen
(Harze wie Amberlite IR 120 oder 200°C und Harze wie Amberlite IRA
94S) deinonisiert. Die Flüssigkeit
wurde unter verringertem Druck (0,0035 MPa)(0,035 atm) bei einer
Konzentrattemperatur von 40°C
bis zu einem saccharimetrischen Gehalt von 71,4° Brix eingedickt.
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Die Flüssigkeit aus dem Schritt des
Eindickens wurde unter Rühren
auf 20°C
abgekühlt
und danach für
eine Zeit von 125 h auf 10°C
abgekühlt, wobei
die während
der Isomerisierung nicht umgesetzte Lactose auskristallisierte.
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Durch Zentrifugieren wurde ein Feststoff,
der aus kristalliner Lactose bestand, von einer Flüssigkeit
abgetrennt, die aus einem Sirup bestand, dessen saccharimetrischen
Gehalt 61,8° Brix
betrug und für den
eine HPLC-Untersuchung Gehalte von 53,2 Gewichtsprozent Lactulose,
4 Gewichtsprozent Lactose und 2,2 Gewichtsprozent Galactose ergab.
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Beispiel 2
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2000 g gelbe Lactose wurden 2874
g demineralisiertem Wasser zugesetzt (Titel 94,5 %; 5,521 Mol).
Die Suspension wurde unter Rühren
auf 30°C erwärmt.
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Bei dieser Temperatur wurden der
Suspension 883 g (3,865 Mol) Natriumaluminat (Lösung mit 36,5 Gewichtsprozent
und einer freien Alkalinität,
die ausgedrückt
als NaOH-Äquivalent
7,5 Gewichtsprozent beträgt)
zugesetzt. Nach wenigen Minuten wandelte sich die Masse in eine
klare Lösung
von goldgelber Farbe um; die Lösung
wurde unter Rühren
für 14
h auf der genannten Temperatur gehalten und dann rasch auf 2028
g Eis gegossen; nach 15-minütigem
Rühren
wurde eine homogene Lösung
erhalten.
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Die Analyse der Lösung ergab, dass mit einer
Umsetzung von 61% und einer Ausbeute von 84,2% 1150 g Lactose verbraucht
und 968 g Lactulose erzeugt worden waren.
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Die Lösung wurde 95 Minuten lang
in einem „Buss"-Reaktor bei invertiertem
Sättigungsfluss durch
eine Behandlung mit gasförmigem
CO2 unter einem Druck von 0,33 MPa (3,3
atm) bei 26°C
kontinuierlich neutralisiert.
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Das erhaltene Gemisch wurde durch
eine Filterpresse gefiltert.
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Der erhaltene Feststoff wurde in
Wasser suspendiert, erneut gefiltert, in seiner analytischen Zusammensetzung
hinsichtlich der Gehalte an Al und NaHCO3 charakterisiert
und, entsprechend den Analyseergebnissen, mit der Menge Natriumhydrogencarbonat
gemischt, die erforderlich ist um nach den bekannten Vorgehensweisen
Natriumaluminat herzustellen.
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Das erhaltene Gemisch wurde bei 750°C kalziniert,
wodurch das zurückverwandelte
Natriumaluminat gewonnen wurde.
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Die Flüssigkeit aus der Filtrierung
wurde durch Ionenaustauschharze gemäß bekannten Verfahrensweisen
(Harze wie Amberlite IR 120 oder 200°C und Harze wie Amberlite IRA
94S) deinonisiert. Die Flüssigkeit
wurde unter verringertem Druck (0,0030 MPa)(0,030 atm) bei einer
Konzentrattemperatur von 40°C
bis zu einem saccharimetrischen Gehalt von 71,4° Brix eingedickt.
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Die Flüssigkeit aus dem Schritt des
Eindickens wurde unter Rühren
auf 20°C
abgekühlt
und danach für
eine Zeit von 120 h auf 8°C
abgekühlt,
wobei die während
der Isomerisierung nicht umgesetzte Lactose auskristallisierte.
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Durch Zentrifugieren wurde ein Feststoff,
der aus kristalliner Lactose bestand, von einer Flüssigkeit
abgetrennt, die aus einem Sirup bestand, dessen saccharimetrischer
Gehalt 61,7° Brix
betrug und für den
eine HPLC-Untersuchung Gehalte von 52,4 Gewichtsprozent Lactulose,
4,3 Gewichtsprozent Lactose und 2,5 Gewichtsprozent Galactose ergab.
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Beispiel 3
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2000 g weiße Lactose wurden 4188 g demineralisiertem
Wasser zugesetzt (Titel 94,8 %; 2,517 Mol). Die Suspension wurde
unter Rühren
auf 30°C erwärmt. Der
Suspension wurden 860 g (3,304 Mol) Natriumaluminat (Lösung mit
31,5 Gewichtsprozent und einer freien Alkalinität, die ausgedrückt als
NaOH-Äquivalent
5,0 Gewichtsprozent beträgt)
zugesetzt.
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Die erhaltene Lösung wurde eine Stunde lang
unter Rühren
auf 39°C
erwärmt
und für
11 h auf der genannten Temperatur gehalten. Danach wurde die Lösung auf
1200 g Eis gegossen; nach 15-minütigem
Rühren
wurde eine homogene kalte Lösung
erhalten.
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Die Analyse der Lösung ergab, dass mit einer
Umsetzung von 94,8% und einer Ausbeute von 73,0% 817 g Lactose verbraucht
und 596 g Lactulose erzeugt worden waren.
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Die Lösung wurde 90 Minuten lang
in einem „Buss"-Reaktor bei invertiertem
Sättigungsfluss durch
eine Behandlung mit gasförmigem
CO2 unter einem Druck von 0,35 MPa (3,5
atm) bei 25°C
kontinuierlich neutralisiert.
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Das erhaltene Gemisch wurde durch
eine Filterpresse gefiltert.
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Der erhaltene Feststoff wurde in
Wasser suspendiert, erneut gefiltert, in seiner analytischen Zusammensetzung
hinsichtlich der Gehalte an Al und NaHCO3 charakterisiert
und, entsprechend den Analyseergebnissen, mit der Menge NaHCO3/Na2CO3 gemischt,
die erforderlich ist um Natriumaluminat herzustellen.
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Das erhaltene Gemisch wurde bei 750°C kalziniert,
wodurch so gut wie quantitativ das zurückverwandelte Natriumaluminat
gewonnen wurde.
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Die Flüssigkeit aus der ersten und
zweiten Filtrierung wurde durch Ionenaustauschharze gemäß bekannten
Verfahrensweisen (Harze wie Amberlite IR 120 oder 200 C und Harze
wie Amberlite IRA 94S) deinonisiert.
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Die deionisierte Lösung wurde
unter verringertem Druck (0,0035 MPa) (0,035 atm) bei einer Temperatur
von höchstens
55°C bis
zu einem saccharimetrischen Gehalt von 67,8° Brix eingedickt.
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Es wurden 1102 g eines Sirups gewonnen, der
51,4 Gewichtsprozent Lactulose, 4,1 Gewichtsprozent Lactose und
4,0 Gewichtsprozent Galactose enthielt.
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Beispiel 4
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5170 g einer wässrigen Lactoselösung mit
einem Lactosegehalt von 17,0 Gewichtsprozent wurden auf 30°C erwärmt. Es
wurden 850 g (3,298 Mol) Natriumaluminat (Lösung mit 32 Gewichtsprozent und
einer freien Alkalinität,
die ausgedrückt
als NaOH-Äquivalent
6,2 Gewichtsprozent beträgt)
zugesetzt.
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Die erhaltene Lösung wurde eine Stunde lang
unter Rühren
auf 39°C
erwärmt
und für
weitere 11,5 h auf der genannten Temperatur gehalten. Danach wurde
die Lösung
rasch auf 1250 g Eis gegossen; nach 15-minütigem Rühren wurde eine homogene kalte
Lösung
erhalten.
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Die Analyse der Lösung ergab, dass mit einer
Lactoseumsetzung von 96,0% und einer Lactuloseausbeute von 69,5%
844 g Lactose verbraucht und 586 g Lactulose erzeugt worden waren.
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Die Lösung wurde 90 Minuten lang
in einem „Buss"-Reaktor bei invertiertem
Sättigungsfluss durch
eine Behandlung mit gasförmigem
CO2 unter einem Druck von 0,35 MPa (3,5
atm) bei 25 °C
kontinuierlich neutralisiert.
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Das erhaltene Gemisch wurde durch
eine Filterpresse gefiltert.
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Der erhaltene Feststoff wurde in
Wasser suspendiert, erneut gefiltert, in seiner analytischen Zusammensetzung
hinsichtlich der Gehalte an Al und NaHCO3 charakterisiert
und, entsprechend den Analyseergebnissen, mit der Menge NaHCO3/Na2CO3 gemischt,
die erforderlich ist um NaAlO2 herzustellen.
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Das erhaltene Gemisch wurde bei 750°C kalziniert,
wodurch so gut wie quantitativ das zurückverwandelte Natriumaluminat
gewonnen wurde.
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Die Flüssigkeit aus der ersten und
zweiten Filtrierung wurde durch Ionenaustauschharze gemäß bekannten
Verfahrensweisen (Harze wie Amberlite IR 120 oder 200 C und Harze
wie Amberlite IRA 94S) deinonisiert.
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Die deionisierte Lösung wurde
unter verringertem Druck (0,0035 MPa) (0,035 atm) bei einer Temperatur
von höchstens
55°C bis
zu einem saccharimetrischen Gehalt von 68,2° Brix eingedickt.
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Es wurden 1080 g eines Sirups gewonnen, der
51,6 Gewichtsprozent Lactulose, 3,3 Gewichtsprozent Lactose und
4,4 Gewichtsprozent Galactose enthielt.