DE60131563T2

DE60131563T2 - Gewinnung eines monosaccharids aus einer lösung unter verwendung eines schwach-sauren kationaustauscherharzes für die chromatographische abtrennung

Info

Publication number: DE60131563T2
Application number: DE60131563T
Authority: DE
Inventors: Heikki Heikkilä; Juho Jumppanen; Vesa Kurula; Vili Clinton RAVANKO; Tiina Tervala; Nina Mäyrä
Original assignee: Danisco AS; Danisco US Inc
Current assignee: DuPont Nutrition Biosciences ApS
Priority date: 2000-09-29
Filing date: 2001-09-28
Publication date: 2008-10-23
Anticipated expiration: 2021-09-29
Also published as: US20020120135A1; WO2002027039A1; BR0114242A; FI20002148A; CN1281614C; JP2004510163A; EP1341935A1; US6987183B2; DE60131563D1; FI20002148A0; JP4984203B2; EP1341935B1; AU2001291925A1; BR0114242B1; CN1466632A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen und Wiedergewinnen von einem oder mehreren Monosacchariden, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Rhamnose, Arabinose und Xylose. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung eines schwach sauren Kationenaustauschharzes in einer chromatographischen Säule in einem Vielschrittverfahren.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Das US-Patent 2 684 331 offenbart ein Verfahren zur chromatographischen Trennung von zwei oder mehr Substanzen mit deutlich unterschiedlichen Ionisationskonstanten voneinander und mindestens eine der Substanzen wird in einer verdünnten wässrigen Lösung deutlich ionisiert. Das Verfahren ist allerdings nicht für die Trennung von Zuckern verwendet worden. Die Beispiele des US-Patents 2 684 331 beschreiben die Abtrennung von Salzen von organischen Lösungsmitteln, wie z. B. von Natriumchlorid von Formaldehyd. Das Verfahren umfasst ein Ionenaustauschharz mit einem Ion, das identisch ist mit einem Ion des hoch-ionisierten gelösten Stoffes. Das Ionenaustauschharz ist entweder ein Kationenaustauschharz in saurer Form oder ein Anionenaustauschharz in basischer Form. Das Kationenaustauschharz enthält Sulfonsäuregruppen. Das Anionenaustauschharz enthält quaternäre Ammoniumgruppen.
Das US-Patent 2 911 362 beschrieb ein Verfahren, umfassend ein chromatographisches Trennungsverfahren, das Ionenaustauschharze für die Trennung von zwei oder mehr wasserlöslichen organischen Verbindungen voneinander in einem wässrigen Medium in der Abwesenheit einer Ionenaustauschreaktion, d. h. in der weitgehenden Abwesenheit einer chemischen Reaktion, verwendete, das die Absorption von Ionen aus dem wässrigen Medium durch das Harz oder die Einbringung von Ionen in die Lösung aus dem Harz einschließt. Gemäß des genannten Verfahrens kann das Ionenaustauschharz entweder ein Kationenaustauschharz oder ein Anionenaustauschharz sein. Das Kationenaustauschharz kann entweder Sulfonsäuregruppen oder Carbonsäuregruppen enthalten. Das Anionenaustauschharz enthält quartäre Ammoniumgruppen. Das Verfahren ist allerdings nicht für die Trennung von Zuckern verwendet worden.
Eine chromatographische Trennung ist für das Widergewinnen von Xylose aus Hydrolysaten natürlicher Materialien, wie z. B. Birkenholz, Maiskolben und Baumwollsamenhülsen in einem Verfahren, beschrieben in US-Patent Nr. 4 075 406 , verwendet worden. Das in der chromatographischen Trennung eingesetzt Harz ist ein stark saurer Kationenaustauscher, d. h. sulfoniertes Polystyrol quervernetzt mit Divinylbenzol. Die Verwendung eines stark sauren Kationenaustauschers für die Trennung von Monosacchariden, z. B. Xylose aus Magnesiumsulfit-Aufschlusslauge, ist ebenfalls aus der finnischen Patentanmeldung Nr. 962 609 bekannt. Die chromatographische Trennung wird mittels der Verwendung eines simulierten Gegenstromverfahrens (simulated moving bed system (SMB)) durchgeführt. Allerdings hat sich die Trennung von bestimmten Monosacchariden mittels der Verwendung stark saurer Kationenaustauschharze als schwierig herausgestellt. Z. B. ist die Trennung von Rhamnose von anderen Kohlenwasserstoffen mit stark sauren Kationenaustauschharzen und stark basischen Kationenaustauschharzen mittels der Verwendung von Lösungsmitteln, wie z. B. alkoholischen Lösungsmitteln, als Elutionsmittel, möglich gewesen (siehe z. B. Samuelson O., Chromatography an ion exchange resins, J. Methods Carbohy. Chem. 6 (1972) 65–75). In dem beschriebenen System haben Anhydro-Zucker, wie z. B. Rhamnose, eine kürzere Retentionszeit als die meisten der Aldosen und Ketosen. Wasser wäre ein bevorzugtes Elutionsmittel, aber die Verwendung von Wasser ist in diesem Zusammenhang allerdings nicht beschrieben worden. Das Problem bei der Verwendung von Wasser ist, dass die verschiedenen Monosaccharide, wie z. B. Rhamnose, Xylose und Arabinose, annähernd die gleichen Retentionszeiten haben, wodurch die Fraktionen überlappen werden.
Die Abtrennung von Kohlenwasserstoffen, insbesondere von Xylose, mittels stark saurer Kationenaustauscher ist industriell eingesetzt worden, aber ist schwierig. Das im US-Patent Nr. 5 998 607 vorgestellte Verfahren ist insbesondere für die Trennung von Xylose von Magnesiumablauge verwendet worden. Das Problem ist die unzureichende Trennung von Xylose und Xylonsäure gewesen und es gibt keine Anregung, dass die Verwendung eines schwach sauren Kationenaustauschharzes möglicherweise einen Vorteil hinsichtlich der Lösung des Problems ergibt. In dem offenbarten Verfahren benötigt die Trennung zwei Schritte. Im ersten Schritt wird das Kationenaustauschharz bevorzugt in Erdalkaliform verwendet, stärker bevorzugt in Mg²⁺-Form und im zweiten Schritt liegt das Kationenaustauschharz bevorzugt in Alkalimetall-Form (z. B. Natrium) vor. Allerdings wurde ebenfalls festgestellt, dass die Trennung von Monosacchariden unzureichend ist, da alle anderen Zucker bei der annähernd gleichen Retentionszeit mit Xylose eluieren. Der in dem Verfahren verwendete pH ist niedrig. Das Harz in divalenter Form schien die Xylose effektiver zu trennen als das Harz in monovalenter Form.
Anionenaustauschharze sind für die Trennung von Fructose von Glucose verwendet worden. Y. Takasaki (Agr. Biol. Chem. 36 (1972, S. 2575–77) und B. Lindberg et al. (Carbohyd. Res. 5 (1967) S. 286–291) beschreiben die Verwendung eines Anionenaustauschers in Bisulfit-Form für die Trennung von Zuckern. Allerdings ergibt die Verwendung von Anionenaustauschharzen keine gute Xylose-Trennung, weil Xylose von anderen Zuckern überlagert wird.
Das US-Patent Nr. 4 358 322 offenbart ein Verfahren für die Trennung von Fructose von einer zugeführten Mischung, die Fructose und Glucose umfasst. Das Verfahren umfasst die Inkontaktbringung der Mischung mit einem Adsorptionsmittel, das Aluminosilikat oder Zeolit umfasst. Das Adsorptionsmittel enthält ein oder mehrere ausgewählte Kationen an Orten mit austauschbaren Kationen. Die Kationen sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Natrium, Barium und Strontium. Die kationischen Paare, die an den kationischen Orten verwendet werden, sind ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Barium und Kalium sowie Barium und Strontium.
Das US-Patent Nr. 5 084 104 offenbart ein Verfahren zur Trennung von Xylol von einer Pentose-reichen Lösung, z. B. Birkenholz. Es wird eine chromatographische Säule, welche ein stark basisches Anionaustauschharz umfasst, verwendet. Das Anionaustauschharz liegt in Sulfatform vor. Unter Verwendung dieses Verfahrens wird Xylose am stärksten zurückgehalten und die anderen Monosaccharide eluieren schneller.
Aus der Veröffentlichung WO 99/57326 ist ein Verfahren zur Herstellung von L-Arabinose bekannt, in dem das Verfahren charakterisiert ist durch das Inkontaktbringen von Pflanzenfasern mit einer Säure, um die Fasern unter solchen Bedingungen zu hydrolysieren, dass die L-Arabinose-Inhaltsstoffe, die in den Pflanzenfasern enthalten sind, gezielt erhalten werden. Das US-Patent Nr. 4 880 919 offenbart ein Verfahren zur Trennung von Arabinose von Monosaccharidmischungen, die Arabinose und andere Aldopentosen und Aldohexosen enthalten, mittels Adsorption auf sulfonierte Polystyrol Divinylbenzol-quervernetzte Ionenaustauschharze mit Ca²⁺- und NH₄ ⁺-Ionen und Desorption des Adsorbats mit Wasser. Ein Verfahren zur Herstellung kristalliner L-Arabinose ist aus dem US-Patent Nr. 4 816 078 bekannt.
Die Herstellung von Arabinose ist ebenfalls aus dem US-Patent 4 664 718 bekannt. In dem beschriebenen Verfahren, wird Arabinose von einer Monosaccharidmischung, die auch andere Aldopentosen und Aldohexosen enthält, getrennt. Der Zulauf wird mit einem Calcium-Y-Typ- oder einem Cal cium-X-Typ-Zeolit in Kontakt gebracht und die Arabinose wird gezielt adsorbiert. Die Desorption wird mit Wasser oder Ethanol durchgeführt.
Die Veröffentlichung DE 3 545 107 beschreibt ein Verfahren für die Herstellung von Rhamnose aus Gummiarabikum. Ein stark saures Kationenaustauschharz wird für die Trennung von Zuckern und Rhamnose mittels Adsorption mit Aktivkohle verwendet. Arabinose wird ebenfalls mittels dieses Verfahrens getrennt.
Barker, S. A. et al. (Carbohydrate Research, 26 (1973) 55–64) haben die Verwendung von Poly(4-vinylbenzolboronsäure)-Harzen in der Fraktionierung und Interkonversion von Kohlenwasserstoffen beschrieben. In dem Verfahren wird Wasser als Elutionsmittel verwendet. Die beste Ausbeute an Fructose wurde erzielt, wenn der pH hoch war. Die Harze sind ebenfalls verwendet worden, um das Pseudo-Equilibrium, das sich in wässrigem Alkali zwischen D-Glucose, D-Fructose und D-Mannose einstellt, zu verschieben, so dass D-Fructose erhalten wird.
Das kanadische Patent Nr. 1 249 812 offenbart ein Vielschrittverfahren für die Trennung von Zuckern und Lignosulfonaten von Sulfitablauge. Das Verfahren umfasst die Schritte (a) Überführen der Sulfitablauge mit einem bestimmten pH in einer chromatographischen Säule, enthaltend ein Harz in Metallsalzform, (b) Eluierung der Säule mit Wasser, um eine im wesentlichen zuckerfreie Lignosulfonat-reiche Fraktion und eine zuckerreiche Fraktion zu erhalten, (c) Auffangen der zuckerreichen Fraktion für die weitere Aufreinigung, (d) Einstellung des pH der Fraktion auf ein bestimmtes Niveau und deren Überführung auf eine zweite Säule, enthaltend ein Harz in monovalenter Metallsalzform, und (e) Eluierung des zuckerreichen Materials von der zweiten Säule, um eine zuckerreiche Fraktion und eine Lignosulfonat-reiche Fraktion zu erhalten. Das Verfahren des genannten kanadischen Patents schließt die Verwendung eines schwach sauren Kationenaustauschharzes für die chromatographische Trennung nicht mit ein.
Ein Verfahren zum Kristallisieren von Xylose ist aus dem finnischen Patent 97 625 bekannt. In diesem Verfahren wird Xylose durch Kristallisation aus Lösungen, in welchen die Xylosereinheit relativ gering ist, zurückgewonnen. Insbesondere betrifft das Verfahren das Zurückgewinnen von Xylose aus Biomasse-abgeleiteten Lösungen.
Wenn Xylose durch das Hydrolysieren von Biomasse-abgeleiteter Xylosereicher Hemicellulose hergestellt wird, enthält die Mischung neben Xylose auch Glucose, Galactose, Rhamnose, Mannose und Arabinose. Sie kann auch Essigsäure und Uronsäuren, wie z. B. Galacturonsäure und Glucuronsäure enthalten. Die hydrolysierende Säure und die Uronsäure werden im Allgemeinen leicht mittels Ionenausschluss entfernt. Es ist allerdings schwierig gewesen, Monosacharidmischungen in ihre Bestandteile aufzutrennen.
Überraschenderweise ist herausgefunden worden, dass Rhamnose und, wenn gewünscht, Arabinose mittels der Verwendung schwach saurer Kationenaustauschharze wirksam von Kohlenwasserstoffströmen getrennt werden können. Die Elutionsfolge scheint, neben anderen Faktoren, stark durch die hydrophoben/hydrophilen Wechselwirkungen zwischen dem Kohlenwasserstoff und dem Harz beeinflusst zu sein. Wenn das Harz in hydrophiler Form vorliegt, scheint der am stärksten hydrophobe Kohlenwasserstoff zuerst zu eluieren und der am stärksten hydrophile zuletzt. Beispielsweise scheint das in Harz H⁺-Form weniger hydrophil zu sein als das Harz in Na⁺-Form. Die unterschiedliche Elutionsfolge der Bestandteile in einer chromatographischen Säule bei Verwendung eines schwach sauren Kationenaustauschharzes kann wirksam in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung, das ein Vielschrittverfahren umfasst, verwendet werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die oben genannten Ziele und weitere werden durch die vorliegende Erfindung erreicht, welche ein Verfahren zum Trennen und Wiedergewinnen von einem oder mehreren Monosacchariden betrifft, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Rhamnose, Arabinose und Xylose, von einer Lösung, enthaltend mindestens zwei der genannten Monosaccharide, mittels eines Vielschrittverfahrens unter Verwendung einer chromatographischen Trennung, umfassend zumindest einen Schritt, worin ein schwach saures Kationaustauschharz für die chromatographische Trennung verwendet wird, worin zumindest zwei Fraktionen erhalten werden und zumindest eines der Monosaccharide, ausgewählt aus Rhamnose, Arabinose und Xylose, in einer der Fraktionen angereichert ist. Das Verfahren kann bevorzugt zusätzliche Schritte enthalten, die die Verwendung von chromatographischen Säulen, enthaltend stark saure Kationenaustauschharze, Evaporation, Kristallisation etc. umfassen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die folgenden Zeichnungen sind veranschaulichende Ausführungsformen der Erfindung und sind nicht dazu gedacht den Umfang der Erfindung, wie in den Ansprüchen definiert, zu begrenzen.
1 ist eine grafische Darstellung der Elutionsprofile und des pH gemäß Beispiel 1.
2 ist eine grafische Darstellung der Elutionsprofile und des pH gemäß Beispiel 2.
3 ist eine grafische Darstellung der Elutionsprofile und des pH gemäß Beispiel 3.
4 ist eine grafische Darstellung der Elutionsprofile und des pH gemäß Beispiel 4.
5 ist eine grafische Darstellung der Elutionsprofile und des pH gemäß Beispiel 5.
6 ist eine grafische Darstellung der Elutionsprofile und des pH gemäß Beispiel 6.
7 ist eine grafische Darstellung der Elutionsprofile und des pH gemäß Beispiel 7.
8 und 9 sind schematische Darstellungen der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung, wird eine Lösung, die ein Monosaccharid, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Rhamnose, Arabinose und Xylose enthält, einem Vielschrittverfahren unter Verwendung einer chromatographischen Trennung, umfassend zumindest einen Schritt, worin ein schwach saures Kationenaustauschharz in einer chromatographischen Säule oder einem Teil davon verwendet wird, unterworfen. Das Vielschrittverfahren gemäß der Erfindung kann bevorzugt zusätzliche Schritte umfassen, wie z. B. Schritte unter Verwendung chromatographischer Säulen, enthaltend stark saure Kationenaustauschharze, Evaporation, Kristallisation, etc., um die wirksame Trennung des gewünschten Produkts zu verbessern. Geeignete Ausgangslösungen sind solche, die durch Hydrolysieren von Hemicellulose erhalten werden. Zusätzlich zu Rhamnose enthält die Ausgangslösung bevorzugt Arabinose und möglicherweise Xylose. Solche Lösungen sind z. B. Xyloseprozessströme und -nebenströme. Zusätzlich zu Rhamnose können auch weitere Kohlenwasserstoffe durch das erfindungsgemäße Verfahren wiedergewonnen werden. Solche Kohlenwasserstoffe sind z. B. Monosaccharide, wie z. B. Arabinose, bevorzugt L-Arabinose, Xylose, bevorzugt D-Xylose, und Mischungen davon. Die allgemeine Meinung ist gewesen, dass eine wirksame Trennung der fraglichen Monosaccharide z. B. die Verwendung von Ionenausschluss und Größenausschluss erfordert. Ein zusätzliches Merkmal, betreffend die Verwendung eines schwach sauren Kationenaustauschharzes ist, dass, wenn das Harz in hydrophiler Form vorliegt, das am stärksten hydrophobe Monosaccharid zuerst zu eluieren scheint und das am stärksten hydrophile Monosaccharid zuletzt eluiert. Die Lösung, die behandelte Rhamnose enthält, kann ein Produkt sein, das aus der Verarbeitung von Hydrolysaten oder Prähydrolysaten von Hemicellulose aus Hartholz und Xylose-enthaltender Biomasse erhalten wird, z. B. Lösungen, die in der Papier- und in der Faserauflösungsverarbeitung, z. B. si-Aufschluss oder Prähydrolyse eines sa-Aufschlusses, gebildet werden.
Die chromatographische Säule, die in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird, ist mit einem schwach sauren Kationenaustauschharz, bevorzugt einem acrylischen Kationenaustauschharz mit carboxylischen funktionellen Gruppen, gefüllt. Allerdings kann das Harz ein Anderes als ein acrylisches Harz sein und die funktionelle Gruppe kann eine Andere als eine carboxylische Gruppe, z. B. eine andere schwache Säure, sein. Solch ein acrylisches Harz ist bevorzugt abgeleitet von Methylacrylat, Ethylacrylat, Butylacrylat, Methylmethacrylat oder Acrylonitril oder acrylischen Säuren oder Mischungen davon. Das Harz kann mit einem Quervernetzungsmittel, z. B. Divinylbenzol (DVB), quervernetzt sein. Ein geeigneter Quervernetzungsgrad beträgt 1 bis 20 Gew.-%, bevorzugt 3 bis 8 Gew.-%. Die durchschnittliche Partikelgröße des Harzes beträgt normalerweise 10 bis 2.000 μm, bevorzugt 100 bis 400 μm. Das Harz kann in H⁺-, Na⁺-, Mg²⁺- oder Ca²⁺-Form regeneriert werden. Es können allerdings auch andere ionische Formen verwendet werden.
Die Säule wird bevorzugt bei Temperaturen von 10 bis 95°C, stärker bevorzugt von 30 bis 95°C, stärker bevorzugt von 55 bis 85°C eluiert. Es ist bekannt, dass eine höhere Trennungstemperatur die Viskosität erniedrigt und die Trennungsleistung verbessert.
Das bei der chromatographischen Trennung verwendete Elutionsmittel ist gemäß der vorliegenden Erfindung entweder Wasser, ein Lösungsmittel, z. B. ein Alkohol, oder eine Mischung davon. Bevorzugt ist das Elutionsmittel Wasser.
Die zu fraktionierende Kohlenwasserstofflösung wird vor der chromatographischen Trennung wahlweise filtert, wobei die Filtration unter Verwendung eines Druckfilters und von Kieselgur als Filtrationshilfsmittel durchgeführt werden kann. Der pH der Zuführlösung wird wahlweise eingestellt auf 1 bis 10, bevorzugt 2 bis 10, stärker bevorzugt 2 bis 4 und 5 bis 10. Wenn der pH beispielsweise hoch ist, z. B. 6 bis 7, wird Rhamnose zuerst vor den anderen stärker hydrophilen Monosacchariden abgetrennt. Nachdem pH eingestellt wurde, kann die Lösung filtriert werden. Die Trockensubstanz der Zuführlösung wird vor der chromatographischen Trennung auf einen geeigneten Grad eingestellt.
Ein Zuführungsbauteil wird für das Zuführen der Lösung auf die Säule verwendet. Die Temperatur der Säule, der Zuführlösung und des Elutionsmittels ist am stärksten bevorzugt ungefähr 65°C. Dies wird durch das Vorheizen der zuführlösung erreicht. Die Zuführlösung wird in der Säule durch das Zuführen von Wasser, z. B. von demineralisiertem Wasser oder z. B. von einem Kondensat oder von einigen anderen wässrigen Lösungen, Alkohol oder einer Mischung davon, in die Säule, eluiert. Das Elutionsmittel kann auch durch einen Wärmetauscher gepumpt werden. Die Flussrate in der Säule wird auf ein geeignetes Niveau eingestellt. Die Fraktionen der resultierenden Lösungen werden in geeigneten Intervallen aufgefangen und analysiert. Das von der Säule kommende Eluat kann mittels Online-Instrumenten beobachtet werden. Die fraktionierten Produkte, z. B. Rhamnose und Arabinose, können anschließend oder in einem nachfolgenden Schritt mittels Kristallisation isoliert werden. Ebenfalls können zurückgewonnene Fraktionen, die am anderen Ende der Säule aufgefangen wurden, auf eine allgemein bekannte Weise verwendet werden.
Für den Fachmann ist klar, dass das Vielschrittverfahren durch die Umstellung der Reihenfolge der Verfahrenseinheiten oder durch das Hinzufügen oder das Entfernen einiger Verfahrenseinheiten verändert werden kann. Der Fachmann kann auch andere Trennungs-, Wiedergewinnungs- und Konzentrationsverfahrenseinheiten hinzufügen oder deren Reihenfolge ändern.
Ferner ist es möglich zwei oder mehr chromatographische Säulen in Reihe anzuordnen, worin zumindest eine Säule ein schwach saures Kationenaustauschharz enthält, und die andere Säule evtl. ein stark saures Kationenaustauschharz enthält. Auch können simulierte Gegenstromverfahren (simulated moving bed system) (SMB) verwendet werden. Das simulated moving bed System kann entweder aufeinanderfolgend oder kontinuierlich sein. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine erste Säule, die ein stark saures Kationenaustauschharz enthält, mit einer zweiten Säule, die ein schwach saures Kationenaustauschharz enthält, verbunden. Aus der zweiten Säule erhaltene Fraktionen können auf eine oder mehrere weitere Säulen, die entweder stark saure oder schwach saure Kationenaustauschharze enthalten, geleitet werden. Solch eine Anordnung verbessert die Trennungsleistung weiter und erhöht die Ausbeuten und die Reinheit der Produkte, wie z. B. Rhamnose, Arabinose und Xylose. Zwischen den Säulen gibt es wahlweise zusätzliche Verfahrensschritte, die z. B. Präzipitation, Filtration, Kristallisation, Evaporation oder einige andere Konzentrierungsverfahrensschritte oder andere bekannte Verfahrenseinheiten umfassen.
In dem erfindungsgemäßen Vielschrittverfahren, wo ein schwach saures Kationenaustauschharz verwendet wird, unterscheidet sich die Elutionsreihenfolge von Rhamnose und anderen Sacchariden vorteilhaft von der Elutionsreihenfolge, die bei der Verwendung stark basischer Harze in Bisulfit-Form oder Sulfate-Form oder bei der Verwendung stark saurer Kationenaustauschharze enthalten wird. Einer der Vorteile betreffend die vorliegende Erfindung ist, dass die unterschiedliche Elutionsreihenfolge der Bestandteile in der chromatographischen Säule vorteilhaft in dem Verfahren der Erfindung, umfassend ein Vielschrittverfahren, verwendet wird. Eine der erhaltenen Produktfraktionen ist eine Rhamnose-reiche Fraktion, eine ist eine Xylose-reiche Fraktion und eine ist eine Arabinose-reiche Fraktion. Gemäß dem Vielschrittverfahren der vorliegenden Erfindung, das in einem ersten Schritt ein schwach saures Kationenaustauschharz verwendet, wird Rhamnose bevorzugt vor den anderen Monosacchariden eluiert, wenn das Harz in hydrophiler Form vorliegt. Dies ermöglicht, dass Rhamnose und ebenso die anderen Kohlenwasserstoffe in guten Ausbeuten mit einer hohen Reinheit erhalten werden. Wenn das Harz in einer stärker hydrophoben Form vorliegt, wird Rhamnose im in der abnehmenden Flanke der Monosaccharidtrennung eluiert.
8 zeigt eine schematische Darstellung, worin kristalline Xylose hergestellt wird. Die Kristallisationsmutterlauge wird in einem Vielschrittverfahren zur Herstellung von Rhamnose verwendet, das mindestens einen Schritt, der ein schwach saures Kationenaustauschharz verwendet, umfasst.
9 zeigt ein detaillierteres Beispiel eines Vielschrittverfahrens zur Herstellung von Rhamnose. In dem Xyloseprozess wird die Xylose zunächst gereinigt und eine Xylosefraktion wird zurückgewonnen. Ebenso kann eine Arabinose-Fraktion aufgefangen werden. Die Kristallisationsmutterlauge des Xyloseprozesses wird mittels chromatographischer Trennung weiter aufgereinigt. Das Harz kann ein schwach saures oder ein stark saures Kationenaustauschharz sein. Die Trennung wird mittels einer chromatographischen Trennung fortgesetzt und eine Rhamnose-reiche Fraktion wird zurückgewonnen. Wieder kann ein schwach saures oder stark saures Kationenaustauschharz verwendet werden. Der Rest des Eluats kann unter Verwendung eines stark sauren Kationenaustauschharzes weiter aufgetrennt werden und mehr Xylose kann zurückgewonnen werden. Arabinose kann ebenfalls in diesem Schritt aufgefangen werden.
Die Rhamnose-reiche Fraktion wird unter Verwendung entweder eines schwach oder eines stark sauren Kationenaustauschharzes weiter aufgereinigt. Allerdings wird mindestens einer der drei chromatographischen Trennungsschritte für die Rhamnosefraktion unter Verwendung eines schwach sauren Kationenaustauschharzes durchgeführt.
Eine Rhamnosekristallisation kann nach dem letzten Trennungsschritt durchgeführt werden. Das erhaltene Produkt ist geeigneterweise Rhamnose-Monohydrat.
Das erfindungsgemäße Verfahren macht es möglich Rhamnose und ebenso weitere Produkte, wie z. B. Rhamnose, Arabinose und Xylose in guten Ausbeuten aus Rhamnose-enthaltenden Lösungen abzutrennen und wiederzugewinnen, was mittels der bekannten Verfahren, die z. B. stark saure Kationenaustauschharze verwenden, sehr schwierig gewesen ist. Einer der gegenüber dem Stand der Technik mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erzielten Vorteile ist, dass die Verwendung eines schwach sauren Kationenaustauschharzes die Verwendung von Wasser als Elutionsmittel für eine wirksame Trennung erlaubt. Bekannte Verfahren, die stark saure Kationenaustauschharze für eine wirksame Trennung von Kohlenwasserstoffprodukten des oben beschriebenen Typs verwenden, erfordern immer, dass das Elutionsmittel ein Lösungsmittel, z. B. wässriger Alkohol, ist. Wenn allerdings Wasser als Elutionsmittel verwendet wird, ist die Handhabung leichter, sind die Kosten geringer und ist die Sicherheit höher. Unter Verwendung von Wasser als dem einzigen Elutionsmittel werden Probleme betreffend z. B. Lagerung und Regeneration vermieden.
Die folgenden Beispiele erläutern die vorliegende Erfindung. Die Beispiele sind nicht so zu verstehen, dass sie die Ansprüche in irgendeiner Weise beschränken.
BEISPIEL 1
Chromatographische Trennung eines Xylose-Kristallisations-Run-Offs mit einem Harz in H⁺/Mg²⁺-Form
Ein Xylose-Kristallisations-Run-Off, welcher eine Mg-basische si-Aufschlusslauge auf Basis von Buchenholz war, wurde einer chromatographischen Trennung unterworfen. Die Trennung wurde in einer chromatographischen Trennsäule im Labormaßstab als Batch-Verfahren durchgeführt. Die Säule mit einem Durchmesser von 0,045 m wurde mit einem acrylischen schwach sauren Kationenaustauschharz (Finex CA 12 GC^TM), hergestellt von Finex OY, Finnland, gefüllt. Das Harz war ein Ethylacrylat-basiertes Harz. Die Höhe des Harzbetts betrug ungefähr 0,70 m. Der Quervernetzungsgrad des Harzes betrug 6 Gew.-% DVB und die durchschnittliche Partikelgröße des Harzes betrug 0,26 mm. Das Harz wurde hauptsächlich in H⁺-Form (94 Äquivalent%) und teilweise in Mg²⁺-Form (6 Äquivalent%) regeneriert und eine Zulaufvorrichtung oberhalb des Harzbettes platziert. Die Temperatur der Säule und der Zuführlösung und des Elutionmittels Wasser betrug ungefähr 65°C. Die Flussrate in der Säule wurde auf 4 ml/min. eingestellt.
Die chromatografische Trennung wurde wie folgt durchgeführt:
SCHRITT 1:
Die Trockensubstanz der Zuführlösung wurde auf 25 g Trockensubstanz in 100 g Lösung gemäß dem Brechungsindex (RI) der Lösung eingestellt. Der pH der Zuführlösung betrug 3,5.
SCHRITT 2:
100 ml der vorgeheizten Zuführlösung wurde an die Spitze des Harzbettes gepumpt.
SCHRITT 3:
Die Zuführlösung wurde innerhalb der Säule durch das Zuführen von vorgeheiztem Ionen-ausgetauschtem Wasser an die Spitze der Säule abwärts eluiert.
SCHRITT 4:
10 ml Proben der resultierenden Lösung wurden in 3-Minuten-Intervallen aufgefangen. Die Zusammensetzung der Proben wurde mit einem Dionex HPLC-Gerät mit einem gepulsten elektrochemischen Detektor und einer CarboPac PA1^TM-Anionenaustauschsäule (Wasser und 0,2 M NaOH als Elutionsmittel) analysiert.
Das Harz ergab eine gute Trennung von Rhamnose und Arabinose von anderen Monosacchariden. Rhamnose und Arabinose wurden am Ende des Profils eluiert. Der pH des Ablaufs betrug zwischen 3 und 4. Die Ergebnisse sind grafisch in 1 dargestellt.
BEISPIEL 2
Aufreinigung von L-Rhamnose mittels chromatographischer Trennung
Xylose-Präzipitations-Kristallisations (der letzte Run-Off) Mutterlauge eines Buchenholz-basierten si-Aufschlusses wurde als Ausgangsmaterial verwendet und wurde daher einer chromatographischen Trennung in einer Batch-Trennsäule unterworfen.
Die Trennung wurde in einer chromatographischen Trennsäule im Pilot-Maßstab als Batch-Verfahren durchgeführt. Die gesamte Ausstattung bestand aus einem Zuführungstank, einer Zuführungspumpe, einem Wärmetauscher, einer chromatographischen Trennsäule, Produktbehältern, Leitungen für die Zugabe der Zuführlösung sowie des Elutionsmittels Wasser, Leitungen für den Auslass und Geräte für die Einstellung des Flusses.
Die Säule mit einem Durchmesser von 0,225 m wurde mit einem acrylischen schwach sauren Kationenaustauschharz (hergestellt von Finex Ltd., Finnland) gefüllt; die Höhe des Harzbettes betrug ungefähr 5,2 m. Der Grad der Quervernetzung betrug 3 Gew.-% DVB und die durchschnittliche Partikelgröße betrug 0,34 mm. Das Harz wurde in Natrium(Na⁺)-Form regeneriert und eine Zulaufvorrichtung wurde dann oberhalb des Harzbettes platziert. Die Temperatur der Säule, der Zuführlösung und des Elutionsmittels Wasser betrug 65°C. Die Flussrate in der Säule wurde auf 40 l/h eingestellt.
Die Zuführlösung wurde zunächst mittels Filtration vorbehandelt, was unter Verwendung eines Druckfilters und von Kieselgur als Filtrationshilfsmittel geschah. Die Zuführlösung wurde dann auf 65°C erhitzt und der pH wurde mit Natriumhydroxidlösung auf pH 6,0 eingestellt, wonach die Lösung filtriert wurde.
Die chromatographische Trennung wurde wie folgt durchgeführt:
SCHRITT 1:
Die Trockensubstanz der Zuführlösung wurde auf 35 g Trockensubstanz in 100 g Lösung gemäß dem Brechungsindex (RI) der Lösung eingestellt.
SCHRITT 2:
20 l der vorgeheizten Zuführlösung wurden an die Spitze des Harzbettes überführt.
SCHRITT 3:
Die Zuführlösung wurde in der Säule durch das Zuführen von Ionen-ausgetauschtem vorgeheiztem Wasser an die Spitze der Säule abwärts eluiert.
SCHRITT 4:
Die Dichte und die Leitfähigkeit der resultierenden Lösung wurden kontinuierlich gemessen und gemäß dieser Information wurde die resultierende Lösung aufgefangen und in zwei Fraktionen (wenn die Zuführprofile überlappten) in der folgenden Reihenfolge getrennt: Rhamnosefraktion (enthaltend das Meiste der Rhamnose) und Xylosefraktion (enthaltend das Meiste der Xylose, andere Saccharide und Salze). Die aufeinanderfolgenden Zuführungen können auch ohne Überlappen durchgeführt werden und daher kann die resultierende Lösung in vier Fraktionen in der folgenden Reihenfolge aufgeteilt werden: Restfraktion Nummer eins (enthaltend Salze), Rhamnosefraktion (enthaltend das Meiste der Rhamnose), Xylosefraktion (enthaltend das Meiste der Xylose und einige andere Monosaccharide) und Restfraktion Nummer zwei (enthaltend weitere Monosaccharide). Zwischen den resultierenden Fraktionen können wahlweise Wiederverwendungsfraktionen genommen werden, welcher für die Verdünnung des Zulaufs wiederverwendet werden können oder welche als solche in die Säule zugeführt werden können.

Die Menge der Trockensubstanz sowie der Rhamnose- und der Xylosegehalt in der Zuführlösung und in den Produktfraktionen sind in Tabelle 1 dargestellt. Die Konzentrationen der nachfolgenden Bestandteile sind als Prozentanteile der gesamten Trockensubstanz (TS) in der einzelnen Fraktion ausgedrückt. Die Ausbeute der Rhamnose und der Xylose in den Produktfraktionen ist ebenfalls dargestellt (die Menge des Bestandteils in der jeweili gen Fraktion in Bezug auf die Gesamtmenge dieses Bestandteils in allen resultierenden Fraktionen). TABELLE 1 Zusammensetzungen und Ausbeuten (wenn die Profile überlappten und die resultierende Lösung in zwei Fraktionen aufgeteilt wurde)

	Zuführlösung	Rhamnosefraktion	Xylosefraktion
TS in der Fraktion [kg]	8,0	2,2	5,8
TS [g/100 g Lösung]	30,0	8,9	15,5
Rhamnose [% der TS in der	5,5	18,0	0,8
Fraktion]
Xylose [% der TS in	22,5	13,2	25,6
Fraktion]
Rhamnose, Ausbeute [%]		90,0	10,0
Xylose, Ausbeute [%]		17,0	83,0

Der pH des Ablaufes betrug zwischen 7,3 und 9,3. Die Ergebnisse sind in 2 grafisch dargestellt.
BEISPIEL 3
Chromatographische Trennung einer Xylose-Arabinose-Fraktion aus der Rhamnose-Trennung
Eine Arabinose enthaltende Xylosefraktion, die wie in Beispiel 2 hergestellt wurde, aus der Rhamnosetrennung wurde einer chromatographischen Trennung unterworfen. Die Trennung wurde in einer chromatographischen Trennsäule im Pilot-Maßstab als Batch-Verfahren durchgeführt. Die Säule mit einem Durchmesser von 0,225 m wurde mit einem stark sauren Kationenaustauschharz (Finex CS 13 GC^TM, hergestellt von Finex Oy, Finnland) gefüllt. Die Höhe des Harzbetts betrug 5,0 m. Der Quervernetzungsgrad des Harzes betrug 5,5 Gew.-% DVB und die durchschnittliche Partikelgröße ungefähr 0,4 mm. Das Harz lag in Ca²⁺-Form vor. Eine Zulaufvorrichtung wurde oberhalb des Harzbettes platziert. Die Temperatur der Säule, der Zuführlösung und des Elutionsmittels Wasser betrug ungefähr 65°C. Die Flussrate in der Säule wurde auf 30 l/h eingestellt. Eine Kontrollfiltration (durch einen Filterbeutel) wurde vor der Trennung durchgeführt.
Die chromatographische Trennung wurde wie folgt durchgeführt:
SCHRITT 1:
Die Trockensubstanz der Zuführlösung wurde auf 30 g Trockensubstanz in 100 g Lösung gemäß dem Brechungsindex (RI) der Lösung eingestellt.
SCHRITT 2:
15 l der vorgeheizten Zuführlösung wurden an die Spitze des Harzbettes gepumpt.
SCHRITT 3:
Die Zuführlösung wurde in der Säule durch das Zuführen von vorgeheiztem Ionen-ausgetauschtem Wasser an die Spitze der Säule abwärts eluiert.
SCHRITT 4:

Die Dichte und die Leitfähigkeit der resultierenden Lösung wurden kontinuierlich gemessen. Die resultierende Lösung wurde aufgefangen und in drei Fraktionen in der folgenden Reihenfolge aufgeteilt: Restfraktion (enthaltend Einiges der Xylose, Xylose-reiche Fraktion (enthaltend das Meiste der Xylose und andere Monosaccharide) und Arabinose-reiche Fraktion (enthaltend das Meiste der Arabinose). Die Menge der Trockensubstanz sowie der Arabinose- und der Xylosegehalt in der Zuführlösung und in den Produktfraktionen sind in Tabelle 2 dargestellt. Die Konzentrationen der Bestandteile sind als Prozentanteile an der gesamten Trockenensubstanz in der einzelnen Fraktion ausgedrückt. Die Ausbeute der Arabinose und der Xylose in den Produktfraktionen ist ebenfalls dargestellt (die Menge des Bestandteils in der jeweiligen Fraktion in Bezug auf die Gesamtmenge dieses Bestandteils in allen resultierenden Fraktionen). TABELLE 2 Zusammensetzungen und Ausbeuten

	Zuführlösung	Xylosefraktion	Arabinosefraktion
TS in der Fraktion [kg]	5,0	3,3	1,7
TS [g/100 g Lösung]	30
Arabinose [%]	3,7	0,5	10,0
Xylose [%]	36,5	44,0	21,0
Arabinose, Ausbeute [%]		10,0	90,0
Xylose, Ausbeute [%]		80,0	20,0

Arabinose wurde in der hinteren Flanke des Profils eluiert. Galactose und Mannose und insbesondere Glucose und Xylose können effektiv von Arabinose getrennt werden. Der Arabinosegehalt (% der gesamten Trockensubstanz) in der Arabinose-reichen Produktfraktion war, verglichen mit dem Arabinosegehalt in der Zuführlösung, 3-mal so groß und die Arabinosewiederfindung betrug dann 90%.
Der pH des Ablaufs beträgt zwischen 5,3 und 6. Die Ergebnisse sind in 3 graphisch dargestellt.
BEISPIEL 4
Chromatographische Trennung des Xylose-Kristallisations-Run-Offs mit einem stark sauren Kationenaustauschharz in Na⁺-Form
Der Xylose-Präzipitations-Kristallisations-Run-Off, welcher eine Buchenholz-basierte Ca-basische si-Aufschlusslauge war, wurde einer chromatographischen Trennung in einer Batch-Trennsäule unterworfen. Die Trennung wurde in einer chromatographischen Trennsäule im Pilot-Maßstab als Batch-Verfahren durchgeführt.
Die gesamte Ausstattung bestand aus einem Zuführungstank, einer Zuführungspumpe, einem Wärmetauscher, einer chromatographischen Trennsäule, Produktbehältern, Leitungen für die Zugabe der Zuführlosung sowie des Elutionsmittels Wasser, Leitungen für den Abfluss und einer Flussregelung für die resultierende Flüssigkeit.
Die Säule mit einem Durchmesser von 0,225 m wurde mit einem stark sauren Kationenaustauschharz (hergestellt von Finex Ltd. Finnland) gefüllt. Die Höhe des Harzbettes betrug ungefähr 5,1 m. Der Grad der Quervernetzung betrug 5,5 Gew.-% DVB und die durchschnittliche Partikelgröße des Harzes betrugt ungefähr 0,41 mm. Das Harz wurde in Natrium(Na⁺)-Form regeneriert und eine Zulaufvorrichtung wurde oberhalb des Harzbettes platziert. Die Temperatur der Säule, der Zuführlösung und des Elutionsmittels Wasser betrug ungefähr 65°C. Die Flussrate in der Säule wurde auf 30 l/h eingestellt.
Die Zuführlösung wurde mittels Filtration unter Verwendung eines Druckfilters und Kieselgur als Filtrationshilfsmittel vorbehandelt. Die Zuführlösung wurde dann auf 65°C erhitzt und der pH wurde auf pH 6 eingestellt, wonach die Lösung durch einen Filter filtriert wurde.
Die chromatographische Trennung wurde wie folgt durchgeführt:
SCHRITT 1:
Die Trockensubstanz der Zuführlösung wurde auf 35 g Trockensubstanz in 100 g Lösung gemäß dem Brechungsindex (RI) der Lösung eingestellt.
SCHRITT 2:
15 l der vorgeheizten Zuführlösung wurden an die Spitze des Harzbettes gepumpt.
SCHRITT 3:
Die Zuführlösung wurde in der Säule durch das Zuführen von vorgeheiztem Ionen-ausgetauschtem Wasser an die Spitze der Säule abwärts eluiert.
SCHRITT 4:
Die Dichte und die Leitfähigkeit der resultierenden Lösung wurden kontinuierlich gemessen. Die resultierende Lösung wurde aufgefangen und in zwei Fraktionen in der folgenden Reihenfolge aufgeteilt:
Restfraktion (enthaltend das Meiste der Salze) und Xylosefraktion (enthaltend Xylose, Rhamnose, Arabinose und andere Monosaccharide).

Die Menge der Trockensubstanz sowie der Rhamnose-; Arabinose- und Xylosegehalt in der Zuführlösung und in der Produktfraktion (Xylosefraktion) sind in Tabelle 3 dargestellt. Die Konzentrationen der Bestandteile sind als Prozentanteile an der gesamten Trockensubstanz in der einzelnen Fraktion ausgedrückt. Die Ausbeute der Rhamnose, der Arabinose und der Xylose in der Produktfraktion sind ebenfalls dargestellt (die Menge des Bestandteils in der jeweiligen Fraktion in Bezug auf die Gesamtmenge dieses Bestandteils in allen resultierenden Fraktionen). Die Farbe (ICUMSA, gemessen bei pH 5) der Zuführlösung und der Produktfraktion sind ebenfalls dargestellt sowie die Abnahme der Farbe in %. TABELLE 3 Zusammensetzungen, Ausbeuten und Farben

	Zuführlösungs	Xylosefraktion	Rest (aus den
	fraktion	(aus den Proben	Proben analy
	(nominal)	analysiert)	siert)
TS in der Fraktion [kg]	5,9	4,3	2,1
TS [g/100 g Lösung]	34,5	9,3	3,5
Rhamnose [%]	5,6	7,1	0,04
Arabinose [%]	2,8	3,9	0,03
Xylose [%]	26,0	37,7	0,1
Farbe, ICUMSA	38.900	5.000
Rhamnose, Ausbeute [%]		99,7
Arabinose, Ausbeute [%]		99,6
Xylose, Ausbeute [%]		99,9
Abnahme der Farbe [%]		87,1

Die Meisten der Salze und die Farbe wurde mit einem stark sauren Kationenaustauschharz in Na⁺-Form aus dem Xylose-Präzipitations-Kristallisations-Run-Off entfernt. Auch waren die Mengen an Rhamnose, Arabinose und Xylose in der Produktfraktion höher als in der Zuführlösung. Der pH des Ab laufes betrug zwischen 5,5 und 7,2. Die Ergebnisse sind in 4 grafisch dargestellt.
BEISPIEL 5
Chromatographische Trennung einer Rhamnose-enthaltenden Xylosefraktion
Eine Xylosefraktion, die gemäß Beispiel 4 (enthaltend Xylose, Rhamnose, Arabinose und andere Monosaccharide) hergestellt wurde, wurde einer chromatographischen Trennung in einer Batch-Trennsäule unterworfen. Die Trennung wurde in einer chromatographischen Trennsäule im Pilot-Maßstab als Batch-Verfahren durchgeführt.
Die gesamte Ausstattung bestand aus einem Zuführungstank, einer Zuführungspumpe, einem Wärmetauscher, einer chromatographischen Trennsäule, Produktbehältern, Leitungen für die Zugabe der Zuführlösung sowie des Elutionsmittels Wasser, Leitungen für den Abfluss und einer Flussregelung für die resultierende Flüssigkeit.
Die Säule mit einem Durchmesser von 1,0 m wurde mit einem schwach sauren Kationenaustauschharz (Finex CA 16 GC^TM), hergestellt von Finex Ltd., Finnland, gefüllt. Das Harz war ein Methylacrylat-basiertes Harz. Die Höhe des Harzbettes betrug ungefähr 5,0 m. Der Grad der Quervernetzung betrug 8 Gew.-% DVB und die durchschnittliche Partikelgröße des Harzes betrug 0,28 mm. Das Harz wurde in Natrium(Na⁺)-Form regeneriert und eine Zulaufvorrichtung wurde oberhalb des Harzbettes platziert. Die Temperatur der Säule, der Zuführlösung und des Elutionsmittels Wasser betrug 65°C. Die Flussrate in der Säule wurde auf 785 l/h eingestellt.
Der pH der Zuführlösung wurde auf pH 6,5 eingestellt, wonach die Lösung durch einen Filter filtriert wurde.
Die chromatographische Trennung wurde wie folgt durchgeführt:
SCHRITT 1:
Die Trockensubstanz der Zuführlösung wurde auf 35 g Trockensubstanz in 100 g Lösung gemäß dem Brechungsindex (RI) der Lösung eingestellt.
SCHRITT 2:
400 l der vorgeheizten Zuführlösung wurden an die Spitze des Harzbettes gepumpt.
SCHRITT 3:
Die Zuführlösung wurde in der Säule durch das Zuführen von vorgeheiztem, Ionen-ausgetauschtem Wasser an die Spitze der Säule abwärts eluiert.
SCHRITT 4:
Die Dichte und die Leitfähigkeit der resultierenden Lösung wurden kontinuierlich gemessen. Die resultierende Lösung wurde aufgefangen und in drei Fraktionen (wenn die Zuführprofile nicht überlappten) in der folgenden Reihenfolge aufgeteilt:
Restfraktion (enthaltend das Meiste der Salze), Rhamnose-reiche Fraktion (enthaltend das Meiste der Rhamnose) und Xylose-reiche Fraktion (enthaltend das Meiste der Xylose, Arabinose und andere Monosaccharide).

Die Menge der Trockensubstanz. sowie der Rhamnose- und der Xylosegehalt. in der Zuführlösung und in den Produktfraktionen sind in Tabelle 4 dargestellt. Die Konzentrationen der Bestandteile sind als Prozentanteile an der gesamten Trockensubstanz in der einzelnen Fraktion ausgedrückt. Die Ausbeute der Rhamnose und der Xylose in den Produktfraktionen ist ebenfalls dargestellt (die Menge des Bestandteils in der jeweiligen Fraktion in Bezug auf die Gesamtmenge dieses Bestandteils in allen resultierenden Fraktionen). TABELLE 4 Zusammensetzungen und Ausbeuten

	Zuführlösung	Rhamnosefraktion	Xylosefraktion
TS in der Fraktion [kg]	160	44	114
TS [g/100 g Lösung]	36,1	6,2	10,6
Rhamnose [%]	6,7	21,9	0,9
Xylose [%]	37,4	24,5	36,5
Rhamnose, Ausbeute [%]		90,4	-
Xylose, Ausbeute [%]		-	79,0

Der Rhamnosegehalt (% der gesamten Trockensubstanz) in der Rhamnose-reichen Produktfraktion war, verglichen mit dem Rhamnosegehalt in der Zuführlösung, 3,3-mal so hoch. Die Rhamnose wurde mit einer guten Ausbeute aus der Zuführlösung abgetrennt. Der pH des Ablaufes betrug zwischen 8 und 9. Die Ergebnisse sind in 5 grafisch dargestellt. Arabinose kann z. B. unter Verwendung eines stark sauren Kationenaustauschharzes von der Xylo sefraktion abgetrennt werden.
BEISPIEL 6
Chromatographische Trennung der Rhamnose-reichen Fraktion mit einem schwach sauren Kationenaustauschharz
Eine Rhamnose-reiche Fraktion, die gemäß Beispiel 5 hergestellt wurde, wurde einer chromatographischen Trennung in einer Batch-Trennsäule unterworfen. Die Trennung wurde in einer chromatographischen Trennsäule im Pilot-Maßstab als Batch-Verfahren durchgeführt.
Die gesamte Ausstattung bestand aus einem Zuführungstank, einer Zuführungspumpe, einem Wärmetauscher, einer chromatographischen Trennsäule, Produktbehältern, Leitungen für Zugabe der Zuführlösung sowie des Elutionsmittels Wasser, Leitungen für den Ablauf und einer Flussregelung für die resultierende Flüssigkeit.
Die Säule mit einem Durchmesser von 1,0 m wurde mit einem schwach sauren Kationenaustauschharz (Finex CA 16 GC^TM), hergestellt von Finex Ltd., Finnland, gefüllt. Das Harz war ein Methylacrylat-basiertes Harz. Die Höhe des Harzbettes betrug ungefähr 5,0 m. Der Grad der Quervernetzung betrug 8 Gew.-% DVB und die durchschnittliche Partikelgröße des Harzes betrug 0,28 mm. Das Harz wurde in Natrium(Na⁺)-Form regeneriert und eine Zulaufvorrichtung wurde oberhalb des Harzbettes platziert. Die Temperatur der Säule, der Zuführlösung und des Elutionsmittels Wasser betrug 65°C. Die Flussrate in der Säule wurde auf 785 l/h eingestellt.
Der pH der Zuführlösung wurde auf pH 6,5 eingestellt, wonach die Lösung mittels eines Filters filtriert wurde.
Die chromatographische Trennung wurde wie folgt durchgeführt:
SCHRITT 1:
Die Trockensubstanz der Zuführlösung wurde auf 35 g Trockensubstanz in 100 g Lösung gemäß dem Brechungsindex (RI) der Lösung eingestellt.
SCHRITT 2:
250 l der vorgeheizten Zuführlösung wurden an die Spitze des Harzbettes gepumpt.
SCHRITT 3:
Die Zuführlösung wurde in der Säule durch das Zuführen von vorgeheiztem, Ionen-ausgetauschtem Wasser an die Spitze der Säule abwärts eluiert.
SCHRITT 4:
Die Dichte und die Leitfähigkeit der resultierenden Lösung wurden kontinuierlich gemessen. Die resultierende Lösung wurde aufgefangen und in drei Fraktionen (wenn die Zuführprofile nicht überlappten) in der folgenden Reihenfolge aufgeteilt: erste Restfraktion (enthaltend das Meiste der Salze), Rhamnose-reiche Fraktion (enthaltend das Meiste der Rhamnose) und zweite Restfraktion (enthaltend das Meiste der Xylose und andere Monosaccharide).
Die Menge der Trockensubstanz sowie der Rhamnose- und der Xylosegehalt in der Zuführlösung und in der Produktfraktion sind in Tabelle 5 dargestellt. Die Konzentrationen der Bestandteile sind als Prozentanteile an der gesamten Trockensubstanz in der einzelnen Fraktion ausgedrückt. Die Ausbeute der Rhamnose in der Produktfraktion ist ebenfalls dargestellt (die Menge des Bestandteils in der jeweiligen Fraktion in Bezug auf die Gesamtmenge dieses Bestandteils in allen resultierenden Fraktionen). TABELLE 5 Zusammensetzungen und Ausbeuten

Zuführlösung Rhamnosefraktion

TS in der Fraktion [kg] 100 39

TS [g/100 g Lösung] 35,5 8,6

Rhamnose [%] 21,6 47,0

Xylose [%] 23,1 6,2

Rhamnose, Ausbeute [%] 86,0
Der Rhamnosegehalt (% der gesamten Trockensubstanz) in der Produktfraktion war, verglichen mit dem Rhamnosegehalt in der Zuführlösung, 2,2mal so hoch. Die Rhamnose wurde von der Zuführlösung mit einer guten Ausbeute abgetrennt. Der pH des Ablaufes betrug zwischen 8 und 10. Die Ergebnisse sind in 6 grafisch dargestellt.
BEISPIEL 7
Chromatographische Trennung der Rhamnose-reichen Fraktion mit einem stark sauren Kationenaustauschharz in Ca²⁺-Form
Eine Rhamnose-reiche Fraktion, die gemäß Beispiel 6 hergestellt wurde, wurde einer chromatographischen Trennung in einer Batch-Trennsäule unterworfen. Die Trennung wurde in einer chromatographischen Trennsäule im Pilot-Maßstab als Batch-Verfahren durchgeführt.
Die gesamte Ausrüstung bestand aus einem Zuführungstank, einer Zuführungspumpe, einem Wärmetauscher, einer chromatographischen Trennsäule, Produktbehältern, Leitungen für die Zugabe der Zuführlösung sowie des Elutionsmittels Wasser, Leitungen für den Ablauf und einer Flussregelung für die resultierende Flüssigkeit.
Die Säule mit einem Durchmesser von 0,6 m wurde mit einem stark sauren Kationenaustauschharz (Finex CS 11 GC), hergestellt von Finex Ltd., Finnland, gefüllt. Die Höhe des Harzbettes betrug ungefähr 5,0 m. Der Grad der Quervernetzung betrug 5,5 Gew.-% DVB und die durchschnittliche Partikelgröße des Harzes betrug 0,40 mm. Das Harz wurde in Natrium(Ca²⁺)-Form regeneriert und eine Zulaufvorrichtung wurde oberhalb des Harzbettes platziert. Die Temperatur der Säule, der Zuführlösung und des Elutionsmittels Wasser betrug 65°C. Die Flussrate in der Säule wurde auf 210 l/h eingestellt.
Der pH der Zuführlösung wurde auf pH 6,5 eingestellt, wonach die Lösung mittels eines Filters filtriert wurde.
Die chromatographische Trennung wurde wie folgt durchgeführt:
SCHRITT 1:
Die Trockensubstanz der Zuführlösung wurde auf 30 g Trockensubstanz in 100 g Lösung gemäß dem Brechungsindex (RI) der Lösung eingestellt.
SCHRITT 2:
110 l der vorgeheizten Zuführlösung wurden an die Spitze des Harzbettes gepumpt.
SCHRITT 3:
Die Zuführlösung wurde in der Säule durch das Zuführen von vorgeheiztem, Ionen-ausgetauschtem Wasser an die Spitze der Säule abwärts eluiert.
SCHRITT 4:
Die Dichte und die Leitfähigkeit der resultierenden Lösung wurden kontinuierlich gemessen. Die resultierende Lösung wurde aufgefangen und in drei Fraktionen (wenn die Zuführprofile nicht überlappten) in der folgenden Reihenfolge aufgetrennt: erste Restfraktion (enthaltend andere Bestandteile als Monosaccharide), Rhamnose-reiche Fraktion (enthaltend das Meiste der Rhamnose) und zweite Restfraktion (enthaltend andere Monosaccharide und andere Bestandteile).

Die Menge der Trockensubstanz sowie der Rhamnosegehalt in der Zuführlösung und in der Produktfraktion sind in Tabelle 6 dargestellt. Die Konzentration der Rhamnose ist als Prozentanteil an der gesamten Trockensubstanz in der einzelnen Fraktion ausgedrückt. Die Ausbeute der Rhamnose in der Produktfraktion ist ebenfalls dargestellt (die Menge des Bestandteils in der jeweiligen Fraktion in Bezug auf die Gesamtmenge dieses Bestandteils in allen resultierenden Fraktionen). TABELLE 6 Zusammensetzungen und Ausbeuten

	Zuführlösung	Rhamnosefraktion (untersucht
	(nominal)	aus den Proben)
TS in der Fraktion [kg]	37	34,8
TS [g/100 g Lösung]	30	10,2
Rhamnose [%]	47,9	55,4
Rhamnose Ausbeute [%]		99,0

Die Rhamnose-Reinheit war um 16% erhöht. Die Rhamnose-Ausbeute war mit 99% ausgezeichnet. Der pH des Ablaufs betrug zwischen 3,5 und 4. Die Ergebnisse sind in 7 grafisch dargestellt.
BEISPIEL 8
Kristallisation von Rhamnose
13.100 g Rhamnosesirup mit einer TS von 14% und einem Rhamnosegehalt von 52,3%, ausgedrückt als refraktometrischer Trockenfeststoffgehalt (RDS) reiner Rhamnose, wurden auf einen RDS von 86,9% eingedampft und bei einer Temperatur von 65°C in ein 2 1 Reaktionsgefäß überführt. Die Zugabe der Kristallisationskeime (bei 65°C, einem RDS von 86,9%) wurde mit 0,03% Kristallisationskeimen bezogen auf die Trockensubstanz zu dem kochenden Sirup durchgeführt.
Die Masse wurde über 16 Stunden von einer Temperatur von 65°C auf eine Temperatur von 40°C heruntergekühlt. 16 Stunden nach Zugabe der Kristallisationskeime ergab die Zentrifugation ohne Aufreinigung eine Reinheit des Kuchens von 98,5% RDS und eine Reinheit der Mutterlauge von 21,2% RDS, was einer Rhamnoseausbeute von 76% entspricht. Die Kristallgröße betrug 200 ... 350 μm. Der Feuchtigkeitsgehalt der getrockneten Kristalle betrug 10,0%, gemessen mit einem Karl Fischer-Titrationsverfahren.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 7 dargestellt.
BEISPIEL 9
Arabinosekristallisation
Die Arabinose enthaltende Zuführflüssigkeit wurde in einen 400-l-Siedekristallisator gegeben. Das Eindampfen wurde bei einer Temperatur von 60°C und bei einem Druck von 10 mbar gestartet. Die siedende Flüssigkeit wurde mit 0,03% Kristallisationskeimen bezogen auf TS bei einem TS von 67,9 bei einer Temperatur von 60°C und bei einem Druck von 130 mbar beimpft. Nach dem Impfen wurde die Siedekristallisation für 3 Stunden bei einer Temperatur von 60°C fortgesetzt und frische Zuführflüssigkeit kontinuierlich in den Siedekristallisator gegeben. Eine 400-l-Charge der durch Siedekristallisation (TS der Masse 68,9%) erhaltenen Masse wurde in einen 400-l-Kühlkristallisator überführt.
Die Masse wurde über 20 Stunden von einer Temperatur von 60°C auf eine Temperatur von 30°C heruntergekühlt. Nach der Kühlungskristallisation wurde die Masse zentrifugiert. Die Kristalle wurden getrocknet und verpackt.

Claims

Verfahren zum Trennen und Wiedergewinnen von einem oder mehreren Monosacchariden, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Rhamnose, Arabinose und Xylose, von einer Lösung, umfassend zumindest zwei der Monosaccharide, durch ein Vielschrittverfahren unter Verwendung der chromatographischen Trennung, umfassend zumindest einen Schritt, worin ein schwach saures Kationenaustauschharz für die chromatographische Trennung verwendet wird, worin zumindest zwei Fraktionen erhalten werden und zumindest eines der Monosaccharide, ausgewählt aus Rhamnose, Arabinose und Xylose, in einer der Fraktionen angereichert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend das Zuführen der Lösung, umfassend ein Monosaccharid ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Rhamnose, Arabinose, Xylose und Mischungen davon, in eine chromatographische Säule, die ein schwach saures Kationenaustauschharz umfaßt, Eluieren der Säule mit einem Eluent und Trennen und Wiedergewinnen der Rhamnosefraktion.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin ein stark saures Kationenaustauschharz weiterhin für die chromatographische Trennung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin das Vielschrittverfahren weiterhin Schritte umfaßt, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kristallisierung, Filtrierung, Verdampfung, Ausfällung und Ionenaustausch.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin das wiedergewonnene Monosaccharid Rhamnose ist.
Verfahren nach Anspruch 5, worin die wiedergewonnene Rhamnose L-Rhamnose ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin die Lösung, die Rhamnose umfaßt, ein Xyloseprozeßstrom oder -nebenstrom ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, worin eine Arabinose-reiche Fraktion getrennt und wiedergewonnen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, worin die wiederzugewinnende Arabinose L-Arabinose ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, worin eine Xylose-reiche Fraktion getrennt und wiedergewonnen wird.
Verfahren nach Anspruch 10, worin die wiederzugewinnende Xylose D-Xylose ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, worin das schwach saure Kationenaustauschharz ein Acrylharz ist.
Verfahren nach Anspruch 12, worin das Acrylharz aus der Gruppe stammt bestehend aus Methylacrylat, Ethylacrylat, Butylacrylat, Methylmethacrylat und Acrylnitril und Acrylsäuren und Mischungen davon.
Verfahren nach Anspruch 13, worin das Harz in der Form vorliegt, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Na⁺, Mg²⁺, H⁺ und Ca²⁺.
Verfahren nach Anspruch 14, worin das Harz in der Na⁺-Form vorliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, worin das Harz mit Divinylbenzol (DVB) vernetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 16, worin der Vernetzungsgrad des Harzes 3 bis 8 Gew.-% ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, worin der Eluent Wasser ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, umfassend das Zuführen der Rhamnose-haltigen Lösung zu einer ersten chromatographischen Säule und das anschließende Zuführen einer Fraktion von der ersten chromatographischen Säule zu einer zweiten chromatographischen Säule, wobei beide Säulen ein schwach saures Kationenaustauschharz umfassen.
Verfahren nach Anspruch 19, umfassend das Zuführen einer Fraktion von der zweiten chromatographischen Säule zu einer dritten chromatographischen Säule, umfassend ein stark saures Kationenaustauschharz, und Zuführen einer Fraktion von der dritten chromatographischen Säule zu einer vierten chromatographischen Säule, umfassend ein stark saures Kationenaustauschharz.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, umfassend das Zuführen der Rhamnose-haltigen Lösung zu einer ersten chromatographischen Säule, umfassend ein stark saures Kationenaustauschharz, und das anschließende Zuführen einer Fraktion von der ersten chromatographischen Säule zu einer zweiten chromatographischen Säule, umfassend ein schwach saures Kationenaustauschharz.
Verfahren nach Anspruch 21, umfassend das Zuführen einer Fraktion von der zweiten chromatographischen Säule zu einer dritten chromatographischen Säule, umfassend ein schwach saures Kationenaustauschharz.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 21, umfassend das Zuführen einer Fraktion von der zweiten chromatographischen Säule zu einer dritten chromatographischen Säule, umfassend ein stark saures Kationenaustauschharz.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 23, worin vor dem Zuführen der Fraktion zur nächsten chromatographischen Säule diese Fraktion durch Verdampfung konzentriert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, worin die Temperatur des Eluenten zwischen 10 und 95°C ist.
Verfahren nach Anspruch 25, worin die Temperatur des Eluenten zwischen 55 und 85°C ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 26, worin die Teilchengröße des schwach sauren Kationenaustauschharzes 10 bis 2.000 μm ist.
Verfahren nach Anspruch 27, worin die Teilchengröße des schwach sauren Kationenaustauschharzes 100 bis 400 μm ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 28, worin der pH der Zuführlösung 1 bis 10 ist.
Verfahren nach Anspruch 29, worin der pH der Zuführlösung 2 bis 4 ist.
Verfahren nach Anspruch 29, worin der pH der Zuführlösung 5 bis 10 ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 31, umfassend das Wiedergewinnen von Xylose und Arabinose von der ersten und der zweiten chromatographischen Säule.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 32, umfassend das Isolieren von Arabinose durch Kristallisierung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 33, umfassend das Wiedergewinnen von Rhamnose von der zweiten und/oder dritten chromatographischen Säule.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 34, umfassend das Isolieren von L-Rhamnose durch Kristallisierung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 35, umfassend das Isolieren von L-Rhamnose in der Form eines Monohydrats.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 36, umfassend das Isolieren von Xylose durch Kristallisierung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 37, worin das Verfahren ein absatzweise betriebenes Verfahren ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 38, worin die Rhamnosefraktion vor den anderen Sacchariden gesammelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 38, worin die Rhamnosefraktion nach den anderen Sacchariden gesammelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 40, worin Rhamnose und Arabinose zusammen gesammelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 41, worin das chromatographische Trennverfahren ein Simulations-Bewegbett-System ist.
Verfahren nach Anspruch 42, worin das Simulations-Bewegbett-System aufeinanderfolgend ist.
Verfahren nach Anspruch 43, worin das Simulations-Bewegbett-System kontinuierlich ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 42 bis 44, worin zumindest eine Säule oder ein Teil einer Säule ein stark saures Kationenaustauschharz enthält und zumindest eine Säule ein schwach saures Kationenaustauschharz enthält.