DE10063973A1 - Verfahren zur Herstellung von kristallinem Mannitol - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von kristallinem Mannitol aus wäßrigen Lösungen von Zuckeralkoholen mit Mannitol und Sorbitol als Hauptkomponenten. DOLLAR A Ausgehend von den Nachteilen des bekannten Standes der Technik soll ein Verfahren geschaffen werden, mit dem Mannitol in hoher Reinheit und hoher Ausbeute erhalten wird und dass sich durch eine kostengünstige Verfahrensweise auszeichnet. DOLLAR A Es wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem in der ersten Stufe kristallines Mannitol nach Waschung mit Wasser als erste Fraktion erhalten wird und in der zweiten Stufe die nach der ersten Stufe anfallende Mutterlauge zusammen mit dem Waschwasser aus der ersten Stufe eingedampft wird und eine zweite Fraktion von kristallinem Mannitol geringerer Reinheit (Mannitol II) erhalten wird, wobei das in der zweiten Stufe anfallende kristalline Mannitol (Mannitol II) direkt ohne weitere Behandlung der Ausgangslösung der ersten Stufe zugeführt wird. Dadurch wird die Mannitolkonzentration der Ausgangslösung um 5 bis 15% erhöht. In der ersten Stufe wird nach der Waschung mit Wasser kristallines Mannitol (Mannitol I) in einer Reinheit von größer als 98% erhalten. Die in der zweiten Stufe anfallende Mutterlauge mit einem Anteil von ca. 7 bis 12% Mannitol und ca. 88 bis 93% Sorbitol wird einer weiteren Verwendung zugeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von kristallinem Mannitol aus wäßrigen Lösungen von Zuckeralkoholen mit Mannitol und Sorbitol als Haupt­ komponenten.

Mannitol wird hauptsächlich bei der Herstellung von Kaugummi, diätetischer Nahrungs- und Genußmittel sowie pharmazeutischer Produkte, insbesondere Tabletten, eingesetzt. Dabei wird vor allem die gegenüber anderen Zuckeralkoholen geringere Hygroskopie von Mannitol genutzt. Während die Hydrierung von Mannose fast ausschließlich Mannitol ergibt, entstehen bei der Hydrierung von Fructose zu etwa gleichen Teilen Mannitol und Sorbitol. Die Hydrierung von Glucose führt praktisch ausschließlich zu Sorbitol. Wirtschaftlich bedeutsam ist die Herstellung von Mannitol durch Hydrierung solcher Fructoselösungen bzw. Mischungen von Fructose und Glucose, die in groß­ technischen Mengen zur Verfügung stehen und entweder durch Invertierung von Rohrzucker oder durch katalytische bzw. enzymatische Isomerisierung von Glucose erhalten werden. In der Literatur sind Übersichten über die entsprechenden Herstellungsverfahren als Kombination von katalytischen bzw. enzymatischen Verfahrens-Stufen mit chromatographischen Trennungen (L. Labrie, INT. SUGAR JNL:, Vol. 99, 1997, No. 1177 B, S. 2-7) einschließlich alternativer Herstellungsprozesse für Mannitol (M. Makkee und Mitarb., starch/stärke 37, 1985, Nr. 4, S. 136-141) angegeben. In der DE 198 20 957 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Mannit beschrieben, bei dem die Mannitolausbeute durch eine Kombination von partieller katalytischer Hydrierung (Fructose wird schneller hydriert als Glucose) und enzymatischer Isomerisierung der nicht hydrierten Glucose gesteigert werden kann. Der Nachteil dieser Verfahrensweise besteht in einem hohen technischen Aufwand. Allen bekannten Verfahren ist gemeinsam, daß Zuckeralkoholmischungen von Mannitol und Sorbitol als hauptsächliche Komponenten entstehen, aus denen das Mannitol zu isolieren ist. Die dazu bedeutendste Methode ist die Kristallisation von Mannitol, die auf der geringen Löslichkeit von Mannitol in Wasser (im Gegensatz zu anderen relevanten Zuckeralkoholen) beruht (Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol. A 25, p. 415, VCH Verlagsgesellschaft Weinheim, 1994). Unterhalb von ca. 10°C ist die Mannitollöslichkeit in Wasser fast konstant und liegt bei ca. 10%. In Sorbitollösungen mit einer Zusammensetzung ähnlich den Mutterlaugen, die bei der Mannitolkristallisation anfallen, liegt die Mannitollöslichkeit gemäß eigener Unter­ suchungen etwas niedriger bei ca. 7%. Unabhängig vom Mannitol-Sorbitol-Verhältnis der Ausgangslösung ist daher der bei gleichen Kristallisationsbedingungen in der Mutterlauge verbleibende Mannitolanteil mit ca. 7 bis 10% bezogen auf Trocken­ substanz nahezu konstant und bei Ausbeutebetrachtungen zu berücksichtigen. Da Sorbitole mit Mannitolgehalten ≧ 2% nur begrenzte Verwendungsmöglichkeiten haben, ist die Minimierung der Mutterlauge ein wichtiger Aspekt.

Um eine Mannitolreinheit von mind. 96% zu erzielen, ist eine intensive Waschung der Mannitolkristalle notwendig, um insbesondere Sorbitolanteile zu entfernen. Zwangs­ läufig wird dabei auch ein Teil des bereits kristallisierten Mannitols aufgelöst, so daß dessen Ausbeute verringert und der Anteil von nichterwünschtem Nebenprodukt entsprechend erhöht wird. Bei gut ausgebildeten Mannitolkristallen ist die Waschung naturgemäß besonders effektiv. Maßnahmen zur Erzielung großer Mannitolkristalle sind sehr langsame Abkühlung übersättigter Lösungen und deren Impfung mit Mannitol-Kristall-Keimen sowie geringe mechanische Beanspruchung des Kristall­ gemisches zur Verminderung der Bildung sekundärer Kristallisationskeime. Durch fraktionierte Kristallisation in mehreren Konzentrations- und/oder Temperaturstufen kann die Ausbeute an Kristallisat erhöht werden.

Die Impfung von Kristallisationslösungen nach Überschreitung der Sättigungsgrenze ist eine Maßnahme zur Vermeidung zyklischer Korngrößenschwankungen (Chemie Technik, 29. Jahrgang, 2000, Nr. 8, S. 42-44). Bekannt ist auch, eine auf 75% Trockensubstanz eingedampfte Mischung von Sorbitol (ca. 70%) und Mannitol (ca. 30%) mit Mannitolkristallen zu impfen und abzukühlen (US-PS 3,632,656). Dabei wird jedoch nur eine Reinheit von ca. 75% Mannitol erreicht. Eine kontinuierliche Mannitolkristallisation in zwei Zonen wird in der US-PS 4,670,611 vorgeschlagen, wobei die Verweilzeit in der ersten Stufe bei 10 bis 35 h liegt und in der zweiten Zone die Abkühlung von 68°C auf 20°C mit einer Geschwindigkeit von 0,5 bis 2°C/h erfolgt. Ein Teilstrom des Kristallisates der zweiten Stufe wird nach mechanischer Vermahlung zur Impfung in die erste Stufe zurückgeführt. Neben dem beträchtlichen technischen Aufwand besteht ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens darin, daß nach Waschung der Mannitolkristalle der Mannitolgehalt der Mutterlauge von 12% auf 18% bezogen auf Trockensubstanz ansteigt, wodurch die Ausbeute an kristallinem Mannitol deutlich reduziert wird. In der Literatur (Chemie Ingenieur Technik 68, 1996, S. 1436-1438) wird eine fraktionierte Mannitolkristallisation in 2 Stufen beschrieben, bei der das in der zweiten Stufe angefallene Mannitol umkristallisiert wird, wodurch zum einen der Aufwand beträchtlich erhöht und zum anderen die Ausbeute deutlich verringert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von kristallinem Mannitol aus mannitol- und sorbitolhaltigen Lösungen durch eine mehrstufige fraktionierte Kristallisation zu schaffen, mit dem Mannitol in hoher Reinheit und hoher Ausbeute erhalten wird und das sich durch eine kostengünstige Verfahrensweise auszeichnet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Geeignete Ausgestaltungsvarianten sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 11. Mittels der vorgeschlagenen Verfahrensweise wird die Kristallisation mannitol- und sorbitolhaltiger Ausgangslösungen in zwei Stufen (Stufe I und II) so vorgenommen, daß das bei der Kristallisation in Stufe I anfallende Mannitol I als Zielprodukt mit hoher Reinheit und in hoher Ausbeute erhalten und das in Stufe II kristallisierte Mannitol II von deutlich geringerer Reinheit ohne Waschung und Trocknung wieder der Ausgangslösung zugegeben wird. Damit wird bei dieser fraktionierten Kristallisation vorteilhaft ein Produktkreislauf des zweiten Kristallisates, dessen sonst übliche Reinigung bzw. Umkristallisation sehr aufwendig ist, durchgeführt. Gleichzeitig wird mit der Rückführung von Mannitol II, das auch den Mannitolanteil des bei der Waschung gelösten Mannitol I enthält, das Mannitol/Sorbitol-Verhältnis der Ausgangs­ lösung deutlich zugunsten von Mannitol verschoben und damit die Ausgangs­ bedingung für die folgende Kristallisation aus übersättigter Lösung verbessert. Eine besonders vorteilhafte Gestaltung des Verfahrens besteht darin, daß Mannitol II durch Filtration von der Mutterlauge II getrennt und auf dem Filter in der erhitzten Ausgangslösung gelöst wird. Je nach dem Verhältnis Mannitol/Sorbitol der hydrierten Zuckerlösung wird durch Zugabe von Mannitol II und eventueller Eindampfung die Ausgangslösung für die Kristallisationsstufe I auf einen Trockensubstanzgehalt von 40 bis 60% eingestellt. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, daß bei hohem Mannitol­ gehalt in der Trockensubstanz (z. B. hydrierte Lösung von reiner Fructose) auch eine relativ hohe Konzentration der Ausgangslösung (z. B. 52%) eingestellt werden kann und eine hydrierte Invert-Zuckerlösung auf eine vergleichsweise geringere Konzen­ tration (z. B. 46%) einzustellen ist. Ein wesentlicher Vorteil ist auch, daß als Ausgangslösung eine solche mit einem geringeren Mannitolgehalt eingesetzt werden kann, die vergleichsweise wesentlich kostengünstiger ist als eine mit einem höheren Mannitolgehalt. Als Ausgangslösungen kommen wäßrige Lösungen von Zucker­ alkoholgemischen, deren Mannitolgehalt 25 bis 60% bezogen auf Trockensubstanz beträgt und deren zweite Hauptkomponente Sorbitol ist, in Frage. Vorzugsweise handelt es sich dabei um hydrierte Fructosesirupe, die durch enzymatische Isomerisierung von Glucose und chromatographischer Fructoseanreicherung gewonnen werden, mit einem Mannitolgehalt von 25 bis 53% bezogen auf Trockensubstanz oder um hydrierte Invertzuckerlösungen mit einem Mannitolgehalt von 25 bis 35% bezogen auf Trockensubstanz. Für die Verfahrensökonomie ist es außerdem von Vorteil, daß das in der Stufe II anfallende Mannitol II keiner weiteren Behandlung unterzogen werden muß und direkt der Ausgangslösung für die Stufe I zugeführt wird. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten mehrstufigen Kristallisationsverfahren ist eine zusätzliche und kostenaufwendige Behandlung des in der zweiten Stufe anfallenden Mannitols, z. B. durch Umkristallisation, erforderlich.

Die Ausbeute des in der ersten Stufe erhaltenen Mannitol I entspricht praktisch vollständig der Mannitolmenge, die sich aus der Mannitolmenge der Ausgangslösung abzüglich der unterhalb 10°C in der letzten Mutterlauge verbleibenden Mannitolmenge ergibt.

Die in der ersten Stufe zur Kristallisation gebrachte Lösung enthält insgesamt 40 bis 70%, vorzugsweise 45 bis 55%, Trockensubstanz.

Diese Kristallisationslösung I wird in einem Kristallisator von ca. 50 bis 60°C auf 20 bis 45°C während einer Zeitdauer von mindestens 2 h abgekühlt. Nach Unter­ schreitung einer Temperatur von 45°C kann die Lösung noch mit wenigen Mannitol­ kristallen geimpft werden und die vorgenannte Temperatur wird über eine weitere Zeitdauer von 2 h aufrechterhalten. Anschließend wird die Lösung auf 10°C abgekühlt und filtriert. Auf diese Weise werden relativ große Mannitolkristalle erzeugt, die sich gut von der Mutterlauge abtrennen und leicht mit wenig Wasser waschen lassen, so daß nach Trocknung Mannitol I in der gewünschten Reinheit gewonnen wird. Die in der ersten Stufe anfallende Mutterlauge I und Waschwasser werden vereinigt und unabhängig vom eingesetzten Rohstoff auf < 50%, vorzugsweise 65 bis 70% Trockensubstanz eingedampft. Anschließend wird diese Lösung von ca. 60°C auf ca. 30°C während einer Zeitdauer von 2 h abgekühlt und gegebenenfalls mit Mannitol­ kristallen bei einer Temperatur von ca. 30°C geimpft. Die Temperatur von 30°C wird während einer Zeitdauer von 2 h konstant gehalten. Anschließend erfolgt Abkühlung auf 10°C. Nach der Filtration wird Mannitol II ohne Waschung, Trocknung, Umkristallisation oder anderweitige Reinigungsoperationen direkt wieder in der Kristallisationsstufe I eingesetzt.

Die Mutterlauge II enthält ca. 7 bis 12% Mannitol und ca. 88 bis 93% Sorbitol. Dieses Produkt kann entweder direkt vermarktet, mit anderen Sorbitolen vermischt oder chromatographisch in mannitolreiche bzw. sorbitolreiche Fraktionen getrennt werden.

Beispiel 1

Es wurde ein Kristallisationsgefäß mit Doppelmantelheizung bzw. -kühlung, Rührer und Destillationseinrichtung verwendet. Die Abtrennung der Kristalle von Mutterlauge und die Waschung des Kristallisates erfolgten mittels Filternutsche. 1000 g hydrierte Fructosetösung (99,5% Fructose) mit einem Mannitolgehalt von 52,1% und einem Sorbitolgehalt von 47,9% wurden entsprechend dem Mengenfließ­ schema gemäß Abb. 1 mit beim vorherigen Ansatz angefallenem Mannitol II vermischt und auf 52% eingedampft. Diese Kristallisationslösung I wurde in o. g. Apparatur zur Kristallisation unter ständigem langsamen Rühren (60 U/min) gegeben. Die Anfangstemperatur betrug 60°C. Während 2 h wurde die Temperatur auf 42°C reduziert und 3 h konstant gehalten. Nach etwa 2 h setzte deutlich wahrnehmbare Kristallisation ein. Während weiterer 2 h wurde die Temperatur auf 10°C verringert und bei dieser Temperatur eine weitere Stunde gerührt. Die erhaltene Suspension wurde anschließend filtriert, das Kristallisat mit 4 × 50 g Brüdenkondensat aus vorherigen Eindampfungen gewaschen und schließlich bei ca. 50°C getrocknet. Das erhaltene Mannitol 1 wies eine Reinheit von 99,1% auf. Die restlichen Komponenten sind 0,8% Sorbitol und 0,1% Iditol.

Das Filtrat (Mutterlauge I einschließlich Waschwasser) wurde anschließend zur Kristallisationslösung II mit 66% Trockensubstanz eingedampft. Danach erfolgte die Kristallisation II in analoger Weise wie in der ersten Stufe unter ständigem langsamen Rühren: Abkühlung während 2 h auf 30°C, zweistündige Temperaturkonstanz bei 30°C, anschließende Abkühlung während 2 h auf 10°C und Filtration von Mannitol 11, das zu 75,5% aus Mannitol und zu 24,2% aus Sorbitol besteht. Die restlichen Kompo­ nenten waren andere Zuckeralkohole. Das feuchte Mannitol II (Wassergehalt 18%, insgesamt 170 g) wurde ohne weitere Behandlung beim nächsten Kristallisations­ ansatz wieder eingesetzt. Als Nebenprodukt fielen 369 g Mutterlauge 11 an, deren Trockensubstanz zu 88,1% aus Sorbitol, 11,6% Mannitol und 0,3% Iditol besteht. Der Gesamtanteil an Trockensubstanz der Lösung betrug 58,3%. Die Mutterlauge II wird zusammen mit anderen Sorbitollösungen auf handelsüblich 70% eingedampft.

Beispiel 2

Es wurde die gleiche Apparatur wie in Beispiel 1 verwendet. 1000 g hydrierte Invertzuckerlösung mit einem Mannitolgehalt von 27,0% wurde entsprechend dem Mengenfließschema gemäß Abb. 2 mit beim vorherigen Ansatz angefallenem Mannitol 11 vermischt und ergab die Kristallisationslösung I mit 46% Trockensubstanz. Die Anfangstemperatur betrug 50°C. Während 2 h wurde die Temperatur auf 20°C reduziert. Bei dieser Temperatur wurde die Lösung mit wenigen Mannitolkristallen geimpft und weitere 2 h bei 20°C langsam gerührt. Nach etwa 0,5 h setzte deutlich wahrnehmbare Kristallisation ein. Während weiterer 2 h wurde die Temperatur auf 2°C verringert und bei dieser Temperatur eine weitere Stunde gerührt. Die erhaltene Suspension wurde anschließend filtriert, das Kristallisat mit 250 g Brüden-Kondensat aus vorherigen Eindampfungen gewaschen und schließlich bei ca. 50°C getrocknet. Das erhaltene Mannitol I. wies eine Reinheit von 98,8% auf. Die restlichen Komponenten sind 1,1, % Sorbitol und 0,1% Iditol. Das Filtrat (Mutterlauge I einschließlich Waschwasser) wurde anschließend zur Kristallisationslösung II mit 46% Trockensubstanz eingedampft. Danach erfolgte die Kristallisation II in analoger Weise wie in der ersten Stufe unter ständigem langsamen Rühren: Abkühlung während 2 h auf 30°C, Zugabe von Impfkristallen sowie Temperaturkonstanz von 2 h bei 30°C und anschließend Abkühlung auf 2°C. Nach Filtration des Kristallbreis wird Mannitol II, dessen Trockensubstanz zu 64% aus Mannitol besteht, filtriert und auf dem Filter in 1000 g hydrierter Invertzuckerlösung, deren Temperatur 60°C beträgt, gelöst. Die erhaltene Lösung ist die Kristallisationslösung I für den nächsten Ansatz. Als Nebenprodukt fielen 535 g Mutterlauge II an, deren Trockensubstanz zu 8,2% aus Mannitol und 91,4% aus Sorbitol besteht. Die übrigen Komponenten sind je 0,2% Iditol und Saccharose. Der Gesamtanteil an Trockensubstanz der Mutterlauge II betrug 59,3%. Die Mutterlauge II wird zusammen mit anderen Sorbitollösungen auf 70% eingedampft.

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung von kristallinem Mannitol aus mannitol- und sorbitol­ haltigen Lösungen durch eine mehrstufige fraktionierte Kristallisation, wobei in der ersten Stufe kristallines Mannitol nach Waschung mit Wasser als erste Fraktion erhalten wird und in der zweiten Stufe die nach der ersten Stufe anfallende Mutterlauge zusammen mit dem Waschwasser aus der ersten Stufe eingedampft wird und eine zweite Fraktion von kristallinem Mannitol geringerer Reinheit (Mannitol II) erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß das in der zweiten Stufe anfallende kristalline Mannitol (Mannitol II) direkt ohne weitere Behandlung der Ausgangslösung der ersten Stufe zugeführt wird, wodurch die Mannitolkonzen­ tration der Ausgangslösung um 5 bis 15% erhöht wird, in der ersten Stufe nach der Waschung mit Wasser kristallines Mannitol (Mannitol I) in einer Reinheit von größer als 98% erhalten wird und die in der zweiten Stufe anfallende Mutterlauge mit einem Anteil von ca. 7 bis 12% Mannitol und ca. 88 bis 93% Sorbitol einer weiteren Verwendung zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangslösung der ersten Stufe vor der Kristallisation auf insgesamt 40 bis 70% Trockensubstanz eingedampft wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung der zweiten Stufe vor der Kristallisation auf insgesamt < 50% Trocken­ substanz eingedampft wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallisationsvorgänge durch Zugabe von Mannitol-Impfkristallen unterstützt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach Zugabe von Impfkristallen die Temperatur der Kristallisationslösung für 2 h konstant gehalten wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Kristallisationslösung der ersten Stufe bei der Zugabe von Impfkristallen auf einen Wert von 20 bis 50°C eingestellt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Kristallisationslösung der zweiten Stufe bei der Zugabe von Impfkristallen auf einen Wert von 30 bis 35°C eingestellt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Abtrennung des Kristallisates der zweiten Stufe (Mannitol II) durch Filtration die Kristallisationslösung I für den nächsten Ansatz durch Lösen des auf dem Filter befindlichen Mannitol II mit der auf ca. 60°C erwärmten Ausgangslösung erhalten wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangslösungen wäßrige Lösungen von Zuckeralkoholgemischen verwendet werden, deren Mannitolgehalt 25 bis 60% bezogen auf Trockensubstanz beträgt und deren zweite Hauptkomponente Sorbitol ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Rohstoff für die Ausgangslösung hydrierte Fructosesirupe, die durch enzymatische Isomerisierung von Glucose und chromatographischer Fructoseanreicherung gewonnen wurden, mit einem Mannitolgehalt von 25 bis 53% bezogen auf Trockensubstanz, eingesetzt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Rohstoff für die Ausgangslösung hydrierte Invertzuckerlösungen mit einem Mannitolgehalt von 25 bis 35% bezogen auf Trockensubstanz eingesetzt werden.