DE69912200T2

DE69912200T2 - Verfahren zur entsalzung einer zuckerlösung

Info

Publication number: DE69912200T2
Application number: DE69912200T
Authority: DE
Inventors: Kouji Tanikawa; Fumihiko Matsuda; Kikuzo Kaneko; Makoto Tomizawa; Takayuki Masuda
Original assignee: Organo Corp
Current assignee: Organo Corp
Priority date: 1998-02-05
Filing date: 1999-02-05
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2019-02-06
Also published as: CA2285587A1; ATE252648T1; AU2299299A; US6224683B1; EP0973949A1; EP0973949B1; DE69912200D1; WO1999040228A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entsalzung einer Rübenzuckerlösung vor dem Zucker-„Kochen" (im weiteren als „Kochen" bezeichnet): In diesem Zusammenhang bezeichnet der Ausdruck „Rübenzuckerlösung vor dem Kochen" nicht nur eine Rübenzuckerlösung vor dem ersten Kochen, sondern auch eine Rübenzuckerlösung (Molassen oder Ähnliches) vor dem Kochen in dem Fall, wo ein Rückstand nach dem Kochen (d. h. Molassen) erneutem Kochen ausgesetzt wird, und soll auch jene Fälle umfassen, in denen bei Bedarf nach dem Entsalzungsschritt gemäß der vorliegenden Erfindung und vor dem Kochschritt ein Ionenaustauscherschritt und/oder ein Konzentrationsschritt vorgenommen wird, und es ist keine Beschränkung auf jene Fälle vorgesehen, in denen der Kochschritt später vorgenommen wird.
STAND DER TECHNIK
Es bestehen mehrere konventionelle Methoden zur Raffinierung von Sucrose (Rübenzucker), die aus Zuckerrüben extrahiert wurde. Beispiele sind in den folgenden Methoden gegeben, die jeweils Vor- und Nachteile haben.
Ein Verfahren (1) umfasst Zuckerrübenschneiden, Extraktion, Saturation (Coagulation und Sedimentierung zur Entfernung von Unreinheiten durch deren Adsorption auf einem Niederschlag von Calciumcarbonat während der Bildung des Niederschlags durch Zugabe von Kalkmilch zu Rohsaft, der durch Extraktion und Einblasen von Kohlendioxid gewonnen wurde), Filtrierung, Enthärtung (Entfernung von Härtekomponenten wie Ca und Mg mit Kationaustauscherharz in Na-Form), Konzentration und Kochen (Auskochen von Sucrosekristallen aus dem Konzentrat durch Kristallisierung). Dieses Verfahren ist insofern einfach, als trotz Enthärtung keine Entsalzung durchgeführt wird, hat aber den Nachteil schlechter Sucrose-Kristallisation im Kochschritt und damit Bildung einer großen Molassemenge aufgrund ungenügender Sucrosereinheit des Sucrose-haltigen Konzentrats als Objekt des Kochens.
Ein Verfahren (2) umfasst die selben Schritte von Zuckerrübenschneiden, Extraktion, Saturation und Filtrierung wie in Verfahren (1), und des weiteren anschließende Enthärtung und Entsalzung durch Ionenaustauschbehandlung (Entfernung nicht nur der Härtekomponenten, wie Ca und Mg, sondern auch anderer Salzkomponenten), Konzentration und Kochen. Es werden die folgenden vier Ionenaustauschharze verwendet: ein stark saures Kationaustauschharz, ein schwach basisches Anionaustauschharz, ein stark basisches Anionaustauschharz und ein schwach saures Kationaustauschharz, wobei die Verwendung in dieser Reihenfolge für die Ionenaustauschbehandlung in diesem Verfahren am besten ist. Dieses Verfahren hat nicht die Nachteile des Verfahrens (1), dafür aber die Nachteile einer häufigen Regenerierung der Ionenaustauschharze, Verwendung großer Mengen von Regenerierchemikalien und verschiedene mühsame Behandlungen von Regenerierungsabfall, da in Sucrose-haltigem Filtrat als Gegenstand der Ionenaustauschbehandlung viele Salze enthalten sind, um den Durchsatz pro Einheitsmenge der Ivnenaustauschharze zu verringern. Angesichts der erwähnten vielen Salze muss der Zerfall von Sucrose durch das Kationaustauschharz in der Wasserstoffionenform (H-Form) in der ersten Phase der Ionenaustauschbehandlung verhindert werden, indem das erwähnte Sucrose-haltige Filtrat einmal auf höchstens 10°C für dessen Behandlung mit dem Kationaustauschharz in der H-Form (sogenannte Kaltprozessentsalzung) abgekühlt wird und die resultierende behandelte Lösung für die zweite Phase ihrer Ionenaustauschbehandlung (Feinstreinigung für die Entsalzung, Entfärbung, Deodorisierung usw.) auf eine Temperatur von 50 bis 55°C erwärmt werden muss, womit sich die Nachteile hoher Komplexität der Arbeitsvorgänge und hoher Energiekosten ergeben.
Ein Verfahren (3) ist ein neuerdings vorgeschlagenes, zusammengesetzt aus Filtrierung, Enthärtung, Konzentration, Entsalzung durch chromatografische Ionenausschluss-Trennung, Konzentration und Kochen ohne Saturation nach der selben Extraktion wie in den vorangehenden 2 Verfahren (PCT International Publication Nr. WO 95/16794). Dieses Verfahren, das nicht die Nachteile des Verfahrens (2) besitzt, doch unverzichtbarerweise eine Filtrierung benötigt, um eine Verstopfung des chromatografischen Separators und eine dadurch bewirkte Erhöhung des Druckverlusts zu vermeiden (in der oben erwähnten Patentliteratur werden keine Filtrierungsdetails ausgeführt), hat Nachteile wie eine Unfähigkeit zur Entfernung klebriger Substanzen, die von der Pflanze (Rübe) kommen und als „Gummi" bezeichnet werden, sowie Kolloidsubstanzen, eine Schwierigkeit in der Filtrierung, hohe Kosten in Verbindung mit dem Filtrierungsschritt, schwerwiegender Druckverlust in der chromatografischen Trennung wegen der durch Filtrierung nicht entfernbaren Kolloidsubstanzen, was im Extremfall zu einem Ausfall des Flüssigkeitsdurchgangs durch den chromatografischen Separator führen kann, einen unvermeidlichen Rückgang der Zuführungsrate einer Ausgangslösung (chromatografische Ausgangslösung) als Objekt der chromatografischen Trennung zur Verringerung des Druckverlusts in der chromatografischen Trennung und ein durch ungenügende Entsalzung bewirktes Unvermögen, solche Sucrosekristalle hoher Qualität wie im Verfahren (2) zu erzielen. Die Ursache aller solcher Nachteile liegt in der Tatsache, dass der Koagulations- und Sedimentierungsschritt, wie etwa der Saturationsschritt, nicht durchgeführt werden.
Die Entsalzung einer Zuckerrübenlösung vor dem Kochen gemäß einer solchen Ionenaustauschbehandlung oder chromatografischen Trennung zielt auf die Verbesserung der Qualität der durch späteres Kochen ausgefällten Sucrosekristalle. Des weiteren wird so viel Sucrose wie möglich gewonnen durch die Wiederholung der Entsalzung (durch Ionenaustausch oder chromatografische Trennung), Konzentration und Kochen von Molassen, die nach dem Kochen gewonnen wurden.
Ionenaustauschharze, die in der Entsalzung durch solch konventionellen Ionenaustausch wie im Verfahren (2) verwendet werden, müssen zu einem bestimmten Zeitpunkt dem Regenerierungsschritt unterzogen werden. Regenerierchemikalien zur Verwendung in diesem Schritt und Waschwasser zur Verwendung im nachfolgenden Waschschritt stellen ein Problem der Verteuerung der Entsalzung dar. Zudem sind unterschiedliche Behandlungen von Regenerierungsabfall, der in den Regenerierungs- und Waschschritten ausgeschieden wurde, so mühsam, dass die Produktkosten in die Höhe getrieben werden. Wenn die Entsalzung anderseits durch chromatografische Trennung wie im Verfahren (3) erfolgt, ist der Durchsatz beschränkt, wenn eine hohe Trennbarkeit der Komponenten erzielt werden soll, was zur Folge hat, dass der Separator unvermeidlicherweise so aufgerüstet werden muss, dass sich daraus das Problem hoher Konstruktionskosten für denselben ergibt. In der chromatografischen Trennung wird Sucrose als gewünschte Komponente mit Eluationswasser verdünnt, wodurch sich ein weiteres Problem in Form steigender Betriebskosten des späteren Konzentrationsschrittes ergibt. Ein weiteres Problem ist ein Verlust der gewünschten Komponente (Sucrose), die an der Trennung beteiligt ist.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die in Anbetracht der vorgenannten Probleme der älteren Technik geschaffen wurde, ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur wirksamen Entsalzung einer Rübenzuckerlösung vor dem Kochen.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Als Ergebnis umfassender Forschungen über die Entsalzung einer Rübenzuckerlösung vor dem Kochen gemäß simulierter chromatografischer Bewegtbett-Trennung im Hinblick auf die Lösung der voranstehend beschriebenen Probleme haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung Betriebsbedingungen gefunden, unter denen eine Sucrosefraktion mit möglichst hoher Sucrose-Konzentration erreicht werden kann, wobei der Durchsatzwesentlich erhöht ist, und zwar mindestens auf das Zweifache des allgemeinen Durchsatzes bei herkömmlicher simulierter chromatografischer Bewegtbett-Trennung bei gleichzeitig hoher Trennleistung und möglichst stark vermindertem Verlust von Sucrose als gewünschter Komponente und der Menge an benütztem Eluationswasser.
Insbesondere haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung festgestellt, dass der Verlust von Sucrose als gewünschter Komponente auf höchstens 0,7% verringert werden kann, der Durchsatz (Durchsatz pro Stunde auf Basis einer ganzen chromatografischen Packung) auf mindestens 7 Volumenprozent angehoben und das Verdünnungsverhältnis der gewünschten Komponente (Wert, der durch die Division der Sucrosekonzentration einer chromatografisch getrennten Sucrosefraktion durch die Sucrosekonzentration einer der chromatografischen Trennung unterzogenen Rübenzuckerlösung errechnet wird) auf weniger als 2 gesenkt werden kann, indem eine Ausgangslösung und ein Eluationswasser mit einem Volumenverhältnis Ausgangslösung/Eluationswasser von 1/2,5 bis 1/3,5 zugeführt wird, Fraktionen in einem Volumenverhältnis Hochaffinitätskomponente/Niedrigaffinitätskomponente von 0,5/1 bis 1,2/1 entnommen werden und eine Zirkulationsströmungsrate von 25 bis 80 Volumenprozent pro Stunde eingestellt wird, basierend auf chromatografischer Packung (Trennpackung) in einer Zone, wo die Strömungsgeschwindigkeit im Zirkulationssystem im Laufe der Entsalzung der Rübenzuckerlösung vor dem Kochen mit einem simulierten chromatografischen Bewegtbett-Separator am niedrigsten ist, wobei ein stark saures Kationaustauschharz in Salzform mit einer durchschnittlichen Korngröße von 300 bis 500 μm und einem Einheitlichkeitskoeffizienten von höchstens 1,2 als chromatografische Packung Anwendung findet, und des weiteren Umwälzpumpen, deren Zahl mindestens der Hälfte der Zahl gepackter Säulen ausmacht. Die vorliegende Erfindung wurde auf der Grundlage dieser Erkenntnis ausgeführt.
Insbesondere schafft die vorliegende Erfindung ein Entsalzungsverfahren zur Entsalzung einer Rübenzuckerlösung vor dem Kochen (Ausgangslösung) mit einem simulierten chromatografischen Bewegtbett-Separator, umfassend eine Mehrzahl von gepackten Säulen, die mit einem stark sauren Kationenaustauschharz in Salzform, dessen mittlere Korngröße 300 bis 500 μm und dessen Einheitlichkeitskoeffizient höchstens 1,2 beträgt, als chromatografische Packung (Trennungspackung) gepackt sind und in einer Endlosreihe verbunden sind, um einen Zirkulationsströmungsweg zu bilden, in dem die Zirkulation durch Umwälzpumpen aufrecht erhalten wird, deren Zahl mindestens die Hälfte der Zahl der gepackten Säulen ausmacht, wobei jede der gepackten Säulen mit einem Einlass für die Ausgangslösungszuführung, einem Einlass für die Elutionswasserzuführung, einem Entnahmeauslass für eine Fraktion einer Komponente mit starker Affinität für chromatografische Packung ("Hochaffinitätskomponente") und einem Entnahmeauslass für eine Fraktion einer Komponente mit schwacher Affinität für chromatografische Packung ("Niedrigaffinitätskomponente") versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Rübenzuckerlösung vor dem Kochen unter Bedingungen entsalzt wird, bei denen das Volumenverhältnis von Ausgangslösungszufuhrrate zu Elutionswasserzufuhrrate 1/2,5 bis 1/3,5 beträgt, das Volumenverhältnis der Entnahmerate der Hochaffinitätskomponentenfraktion zur Entnahmerate der Niedrigaftinitätskomponentenfraktion 0,5/1 bis 1,2/1 und die Zirkulationsströmungsrate pro Stunde 25 bis 80 Volumenprozent beträgt, basierend auf chromatografischer Packung in einer Zone, wo die Strömungsgeschwindigkeit im Zirkulationssystem am niedrigsten ist.
Die vorliegende Erfindung wird nun im Detail beschrieben.
Es hat sich herausgestellt, dass Sucrose mit hohem Ertrag und bei verminderter Menge des gebrauchten Eluationswassers gewonnen werden kann, wenn das Volumenverhältnis der Entnahmerate der Hochaffinitätskomponentenfraktion zu der Entnahmerate der Niedrigaffinitätskomponentenfraktion auf 0,5/1 bis 1,2/1 eingestellt wird. Es ist ein Axiom, dass der Gegenstand der Trennung (Ausgangslösung) in der chromatografischen Trennung mit Eluationswasser verdünnt wird. Hinsichtlich der Last der Sucrosefraktion auf dem späteren Konzentrationsschritt gilt, je geringer das Verdünnungsverhältnis, desto besser. Bei einem niedrigen Verdünnungsverhältnis muss allerdings die Präzision der Trennung (Ausmaß der Trennung von Nicht-Sucrose-Komponenten, wie etwa Salzen) preisgegeben werden. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben intensive Forschungen mit dem Ziel einer weitestgehenden Verringerung der Menge von gebrauchtem Eluationswasser betrieben, um das genannte geeignete Volumenverhältnis der 2-Fraktions-Entnahmerate zu finden. Die vorstehend genannte Antinomie zwischen dem Verdünnungsverhältnis und der Präzision der Trennung kann durch Anwendung des erwähnten geeigneten Volumenverhältnisses der 2-Fraktions-Entnahmerate eliminiert werden. Insbesondere kann die Menge des benützten Eluationswassers auf ein Niveau reduziert werden, das durch folgende Formel repräsentiert wird:
Volumenverhältnis von Zuführungsrate der Ausgangslösung/Zuführungsrate des Eluationswassers = 1/2,5 bis 1/3,5, bei gleichzeitig hoher Trennleistung.
Obwohl andererseits die Zirkulationsströmungsrate im Zirkulationssystem erhöht werden muss, um einen Betrieb mit hoher Last (hohem Durchsatz) zu ermöglichen, ist dabei nicht nur ein Limit für eine steigerungsfähige Zirkulationsströmungsrate in der chromatografischen Trennbehandlung der Rübenzuckerlösung (Ausgangslösung), die in den meisten Fällen als eine mit hoher Konzentration und hoher Viskosität geliefert wird, zu beachten, sondern auch die Tatsache, dass die Erhöhung der Zirkulationsströmungsrate sich nachteilig auf die Trennleistung auswirkt. Wenn die Zirkulationsströmungsrate nur aus dem Grund eingestellt wird, um wie üblich niedrig zu sein, kann zwar die Trennung gut sein, doch der Separator muss zur Sicherung eines bestimmten Durchsatzes aufgerüstet werden. Am einflussreichsten ist eine Zirkulationsströmungsrate in einer Zone, wo die Strömungsgeschwindigkeit im Zirkulationssystem am niedrigsten ist. Diese Zone ist in der Regel eine, die sich unmittelbar stromabwärts der Entnahmestelle der Niedrigaffinitätskomponentenfraktion befindet. Die Zone, in der die Strömungsgeschwindigkeit im Zirkulationssystem am geringsten ist (im weiteren als „Zone geringster Strömungsgeschwindigkeit im Zirkulationssystem" bezeichnet), verschiebt sich, wenn die oben erwähnte Entnahmestelle zwischenzeitlich versetzt wird. Es hat sich herausgestellt, dass der optimale Ausgleich zwischen Trennleistung, Durchsatz, der Menge des benützten Eluationswassers und dem Verdünnungsverhältnis erreicht werden kann, wenn die Zirkulationsströmungsrate in der Zone geringster Strömungsgeschwindigkeit im Zirkulationssystem auf mindestens 25 Volumenprozent pro Stunde eingestellt ist, basierend auf der chromatografischen Packung mit dem oben erwähnten Volumenverhältnis zwischen Ausgangslösungszuführungsrate und Eluationswasserzuführungsrate und dem oben erwähnten 2-Fraktions-Entnahmevolumenverhältnis. Anderseits darf die Zirkulationsströmungsrate in der Zone geringster Strömungsgeschwindigkeit im Zirkulationssystem vom Standpunkt des Druckverlusts, des Druckwiderstands der Anlage und der Trennleistung höchstens 80 Volumenprozent pro Stunde auf Basis der chromatografischen Packung betragen.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben auch Planungserfordernisse eines allgemeinen simulierten chromatografischen Bewegtbett-Separators zur Verwendung im Entsalzungsverfahren der vorliegenden Erfindung vom Standpunkt der Minimierung des Druckverlusts im chromatografischen System und der Erhaltung einer bestimmten Trennleistung gefunden. Insbesondere muss die Anzahl der Umwälzpumpen mindestens der Hälfte der Anzahl gepackter Säulen entsprechen, und die chromatografische Packung muss ein stark saures Kationaustauschharz in Salzform sein, wie etwa in Na-Form und/oder K-Form mit einer durchschnittlichen Korngröße von 300 bis 500 μm und einem Einheitlichkeitskoeffizienten von höchstens 1,2. Wenn die Zirkulationsströmungsrate in der Zone geringster Strömungsgeschwindigkeit im Zirkulationssystem eines solchen Separators in jedem Augenblick auf 25 bis 80 Volumenprozent pro Stunde auf Basis chromatografischer Packung eingestellt ist, kann die Rübenzuckerlösung vor dem Kochen so effizient entsalzt werden, dass die Sucroseproduktionskosten erschwinglich bleiben. Vom selben Standpunkt der Minimierung des Druckverlusts im chromatografischen System und der Erhaltung einer bestimmten Trennleistung aus liegt die Höhe des Packungsbetts in jeder gepackten Säule vorzugsweise im Bereich von 0,8 bis 3 Metern.
Eine Reduzierung der Anzahl von Umwälzpumpen im simulierten chromatografischen Bewegtbett-Separator ist günstig für die Senkung der Ausrüstungskonstruktionskosten. Wenn diese Zahl stark abnimmt, nimmt allerdings der Druckverlust am Auslass der einzelnen Umwälzpumpen zu, so dass es möglicherweise zu der Situation kommen kann, dass die Innenflüssigkeit nicht mit gewünschter Zirkulationsströmungsrate durch den Separator gehen kann und die Umwälzpumpen, die gepackten Säulen usw. druckfest konstruiert werden müssen, um einen hohen Flüssigkeitsdruck zu geben, wodurch wiederum die Kosten der Ausrüstungskonstruktion unvorteilhaft steigen. Vom vorhergehenden Standpunkt aus gesehen, gibt es, wenn die Zahl der Umwälzpumpen mindestens die Hälfte der Zahl gepackter Säulen ausmacht, keine Fälle, in denen Innenflüssigkeit außerhalb des gewünschten Strömungsratenbereichs fließt und zirkuliert.
Ein stark saures Kationaustauschharz in Salzform, wie etwa in Na-Form und/oder in K-Form, wird vom Standpunkt der Sicherung einer hohen Trennleistung und der Verhinderung der Sucroseinversion als chromatografische Packung (Trennpackung) verwendet. Die Verwendung eines stark sauren Kationaustauschharzes in H-Form kehrt die Azidität der Zirkulationsflüssigkeit im Zirkulationssystem auf ungünstige Weise um und führt so zu einer Inversion der Sucrose, die naturgemäß in einem Sucroseverlust endet, da invertierter Zucker beim Kochen nicht kristallisiert. Wenn jedoch stark saures Kationaustauschharz in einer Salzform wie etwa in Na-Form verwendet wird, ändert sich die ionische Form des Kationaustauschharzes auf eine Zusammensetzung in ionischer Form, die mit unterschiedlichen Ionen-Arten ausgeglichen wird (meist monovalente Ionen, da die Ausgangslösung bereits enthärtet ist), die in der zugeführten Ausgangslösung enthalten sind (Rübenzuckerlösung vor dem Kochen), im Einklang mit dem Fortschreiten des chromatografischen Trennprozesses.
Die durchschnittliche Korngröße und der Einheitlichkeitskoeffizient des Kationaustauschharzes als chromatografische Packung sind relevant für die Sicherung der gewünschten Zirkulationsströmungsrate im Zirkulationssystem. Wenn beispielsweise der Einheitlichkeitskoeffizient des Kationaustauschharzes 1,2 überschreitet oder die durchschnittliche Korngröße kleiner als 300 μm ist [z. B. ein stark saures Kationaustauschharz Amberlite (eingetragene Marke) CG-6000 in Na-Form, hergestellt von Rohm and Haas Company], kommt es infolge einer Zunahme des Druckverlusts auch bei guter Trennpräzision zu einer Schwierigkeit beim Strömen einer Menge der Ausgangslösung (Rübenzuckerlösung vor dem Kochen), wie sie zur Sicherung eines Zieldurchsatzes erforderlich ist. Deshalb muss die Ausrüstung vergrößert und/oder druckfest gebaut werden, um den Zieldurchsatz zu erreichen. Wenn anderseits die durchschnittliche Korngröße des Kationaustauschharzes 500 μm überschreitet, kommt es zu einer nachteiligen Verschlechterung der Trennpräzision. Im Unterschied dazu ermöglicht die Verwendung eines stark sauren Kationaustauschharzes in Salzform mit einer durchschnittlichen Korngröße von 300 bis 500 μm und einem Einheitlichkeitskoeffizienten von höchstens 1,2 (z. B. ein stark saures Kationaustauschharz Amberlite CR-1320 in Na-Form, hergestellt von Rohm and Haas Company) die effiziente chromatografische Trennung bei geringem Druckverlust und Erhaltung einer bestimmten Trennpräzision.
Wenn die Höhe des Packungsbetts 3 Meter übersteigt, verbessert sich die Trennpräzision, doch der untere Teil des gepackten Harzes neigt dazu, durch die Einwirkung der Schwerkraft zerdrückt zu werden, um den Druckverlust in jeder gepackten Säule während des Durchgehens der Innenflüssigkeit zu steigern, wobei es zu einer Schwierigkeit bei der Sicherung der gewünschten Zirkulationsströmungsrate im System kommt und die gepackten Säulen, die Umwälzpumpen usw. bei höheren Kosten druckfest ausgeführt werden müssen, auch wenn der chromatografische Separator unter Bedingungen mit einem Volumenverhältnis der Ausgangslösungszuführungsrate zur Eluationswasserentnahmerate von 1/2,5 bis 1/3,5, einem Volumenverhältnis der Entnahmerate der Hochaffinitätskomponentenfraktion zur Entnahmerate der Niedrigaffinitätskomponentenfraktion von 0,5/1 bis 1,2/1 und einer Zirkulationsströmungsrate von 25 bis 80 Volumenprozent pro Stunde, basierend auf chromatografischer Packung in einer Zone, wo die Strömungsgeschwindigkeit im Zirkulationssystem am niedrigsten ist, betrieben wird. Wenn anderseits die Höhe des Packungsbetts geringer als 0,8 Meter ist, kann die Anzahl gepackter Säulen (Packungsbetteinheiten) zwangsweise zunehmen, wodurch es zu Erhöhungen in der Zahl der Umwälzpumpen, der Zahl der Zuführungseinlässe und der Zahl der Entnahmeauslässe zur Sicherung einer erwünschten Sucrosereinheit kommt, dass die Ausrüstung kompliziert wird und die Konstruktionskosten der Ausrüstung steigen, obwohl der Druckverlust in jeder gepackten Säule während dem Durchgang der Innenflüssigkeit abnimmt. Die Gesamthöhe der Packungsbetten in allen gepackten Säulen beträgt vorzugsweise 8 bis 24 Meter, insbesondere 10 bis 20 Meter zur Sicherung der erwünschten Sucrosereinheit, und die Anzahl gepackter Säulen (Packungsbetteinheiten) kann deshalb im Einklang mit der erwünschten Gesamthöhe der Packungsbetteinheiten in allen gepackten Säulen festgelegt werden.
Indessen liegt die Temperatur der chromatografischen Trennung in der vorliegenden Erfindung vorzugsweise bei 60 bis 90°C, insbesondere bei 75° bis 85°C, um das Wachstum von Bakterien zu verhindern und die Viskosität von Zirkulationsflüssigkeit (insbesondere des Sucrose-haltige Lösungsanteils) niedrig zu halten. Wenn diese Temperatur zu hoch ist, ist der Zerfall des Kationaustauschharzes als chromatografische Packung zu befürchten.
Wenn der pH-Wert der Zirkulationsflüssigkeit im Zirkulationssystem während der chromatografischen Trennung sinkt, kann es dazu kommen, dass ein Teil der Sucrose zu Fructose und Glucose invertiert wird. Wird dieser anderseits zu hoch, erfährt die Sucrose eine Isomerisierung. Folglich wird das Eluationswasser vorzugsweise auf einen pH-Wert von 8 bis 11 eingestellt.
Beispiele der Ausgangslösung (Rübenzuckerlösung vor dem Kochen), die gemäß dem Prozess der vorliegenden Erfindung entsalzt werden können, umfassen eine Rübenzuckerlösung nach dem Enthärten im oben erwähnten Verfahren (1) als konventionelles Rübenzuckerraffinierungsverfahren, eine Rübenzuckerlösung nach der Saturation und Filtrierung im oben erwähnten Verfahren (2) und eine Rübenzuckerlösung, die dem chromatografischen Trennungsschritt des oben erwähnten Verfahrens (3) ausgesetzt wird. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben auch ein Sucroseraffinierungsverfahren vorgeschlagen, welches die Nachteile der oben erwähnten Methoden (1) bis (3) zu eliminieren vermag (Offengelegtes Japanisches Patent Nr. 42,899/1998). Eine Rübenzuckerlösung, die dem chromatografischen Trennungsschritt dieses Raffinierungsverfahrens auszusetzen ist, kann ebenfalls vorteilhaft nach dem Prozess der vorliegenden Erfindung entsalzt werden. Wenn übrigens kristallisierte Sucrose gewonnen werden soll, wird die durch chromatografische Trennung erhaltene Sucrosefraktion natürlich entweder als solche oder – wenn erforderlich – nach einer Ionenaustauschbehandlung gemäß dem im offengelegten japanischen Patent Nr. 42,899/1998 vorgeschlagenen Verfahren konzentriert und dann gekocht, wie in Verbindung mit den Verfahren (1) bis (3) beschrieben. Wenn eine Sucroselösung aber als flüssiger Zucker gewonnen werden soll, kann die Sucrosefraktion entweder als Produkt wie es ist oder nach einer Ionenaustauschbehandlung und/oder geeigneter Einstellung ihrer Sucrosekonzentration behandelt werden.
Es folgt nun eine kurze und spezifische Beschreibung eines repräsentativen Falles der Raffinierung von Sucrose aus Zuckerrübe gemäß dem oben erwähnten, im offengelegten japanischen Patent Nr. 42,899/1998 vorgeschlagenen Sucroseraffinierungsverahren. Kalkmilch wird dem durch Extraktion geschnittener Zuckerrübe gewonnenen Sucrose-haltigen Rohsaft (Rübenextraktionsflüssigkeit) hinzugefügt; in diesen Saft wird sodann Kohlendioxid eingeblasen, um einen Calciumcarbonatniederschlag zu bilden, auf dem Unreinheiten zu ihrer Entfernung absorbiert werden. Die vorhergehende sogenannte „Saturation" entfernt viskose Substanzen und Ähnliches aus dem Rohsaft. Nach der nachfolgenden Filtrierung wird das resultierende Sucrose-haltige Filtrat mit einem Kationaustauschharz in Na- und/oder K-Form enthärtet. Eine derartige Enthärtung zielt in erster Linie auf die Entfernung von Härtekomponenten im allgemeinen und auf Calcium im besonderen zum Zweck der Verhinderung eines Niederschlags der Härtekomponenten in einem Konzentrator (Verdicker) und der Senkung der Wärmeübertragungseffizienz des Konzentrators sowie zum Zweck der Verhinderung einer Konvertierung der ionischen Form eines als chromatografische Packung (Trennpackung) verwendeten Kationaustauschharzes in eine bivalente Ionenform mit schlechter Trennwirkung im chromatografischen Trennungsschritt. Die Sucrose-haltige, enthärtete Lösung wird dann auf einen Feststoffgehalt von z. B. 60 bis 70 Gewichtsprozent konzentriert, um die Effizienz der chromatografischen Trennung zu steigern. Das resultierende Sucrose-haltige Konzentrat wird dem chromatografischen Trennungsschritt gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung unterzogen. Die fraktionierte Sucrose-Fraktion wird einer Ionenaustauschbehandlung unterzogen. Die ionenausgetauschte Sucroselösung wird konzentriert und dann gekocht, um Sucrosekristalle hoher Reinheit bei hoher Ausbeute zu gewinnen. Die erwähnte Ionenaustauschbehandlung in diesem Verfahren zielt auf die Entfernung von rund 20 Gewichtsprozent Salzen, die nach der Entfernung von rund 80 Gewichtsprozent Salzen im oben erwähnten chromatografischen Trennungsschritt verbleiben. Unterschiedliche Arten der Ionenaustauschbehandlung können angewendet werden, beispielsweise ein Modus des seriellen Lösungsdurchgangs in folgender Reihenfolge: stark saures Kationaustauschharz → schwach basisches Anionaustauschharz → stark basisches Anionaustauschharz – schwach saures Kationaustauschharz; oder ein Modus des seriellen Lösungsdurchgangs in folgender Reihenfolge: mittelstark basisches Anionaustauschharz → schwach saures Kationaustauschharz; und ein Modus des seriellen Lösungsdurchgangs in folgender Reihenfolge: stark basisches Anionaustauschharz → schwach saures Kationaustauschharz (offengelegtes japanisches Patent Nr. 42,899/1998).
Ein simulierter chromatografischer Bewegtbett-Separator mit 2-Komponenten-Trennung kann im Verfahren der vorliegenden Erfindung als simulierter chromatografischer Bewegtbett-Separator eingesetzt werden. Dieser Separator dient der Trennung von Komponenten, die im Ausgangslösungsmaterial enthalten sind, in 2 Fraktionen, wofür als Beispiel ein Separator dienen kann, der so konstruiert ist, dass ein Zuführungseinlass für Ausgangslösungsmaterial, ein Eluationsmittelzufühnangseinlass, ein Extraktentnahmeauslass und ein Raffinatentnahmeauslass in bestimmten Zeitintervallen in stromabwärtiger Richtung versetzt werden. Dazu kann ein repräsentativer simulierter chromatografischer Bewegtbett-Separator mit 2-Komponenten-Trennung verwendet werden, wie er in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 15,681/1967 offenbart ist, oder davon abgeleitete unterschiedliche simulierte chromatografische Bewegtbett-Separatoren, von denen ein Beispiel im offengelegten japanischen Patent Nr. 49,159/1990 offengelegt ist (Ausrüstung zur Durchführung eines simulierten chromatografischen Bewegtbett-Trennverfahrens, umfassend einen Zuführungs- und Entnahmeschritt und einen einfachen Zirkulationsschritt), und von denen Beispiele in den offengelegten japanischen Patenten Nr. 141,311/1996, 334,503/1992, 367,701/1992 usw. enthalten sind. Der Ausdruck „simulierter chromatografischer Bewegtbett-Separator" schließt also in der vorliegenden Erfindung auch diese unterschiedlichen Separatoren mit ein.
Es folgt eine allgemeine und einfache Beschreibung eines repräsentativen Beispiels eines simulierten chromatografischen Bewegtbett-Separators, wie er im Verfahren der vorliegenden Erfindung anwendbar ist. Dieser Separator umfasst ein System, das eine Mehrzahl gepackter Säulen umfasst, die in einer endlosen Reihe verknüpft und mit einem festen Sorbens gepackt sind (chromatografische Packung oder Trennpackung), das eine selektive Sorptivität für eine bestimmte Komponente von mindestens 2 in einem Ausgangsmaterial („Rübenzuckerlösung vor dem Kochen" als Ausgangslösung in der vorliegenden Erfindung) enthaltenen Komponenten aufweist, des weiteren ein Mittel zum Zirkulieren der Innenflüssigkeit in einer Richtung im System, ein Mittel zur Zuführung des Ausgangsmaterials zur Auswahl einer gepackten Säule und Versorgung derselben mit dem Ausgangsmaterial, ein Eluationsmittelzuführungsmittel zur Auswahl einer anderen der gepackten Säulen und Versorgung derselben mit Eluationsmittel (in der vorliegenden Erfindung Eluationswasser), ein erstes Flüssigkeitsentnahmemittel zur Auswahl einer gepackten Säule und Entnahme von Raffinat (in der vorliegenden Erfindung hauptsächlich Salze enthaltende Nichtsucrosefraktionslösung) von derselben aus dem System, ein zweites Flüssigkeitsentnahmemittel zur Auswahl einer anderen gepackten Säule und Entnahme von Extrakt (in der vorliegenden Erfindung Sucrosefraktionslösung) von derselben aus dem System, und ein Regelschaltermittel zur sequenziellen Versetzung der Flüssigkeitszuführungspositionen und der Flüssigkeitsentnahmepositionen in stromabwärtiger Richtung der Innenflüssigkeitsströmung im System bei gleichzeitiger Erhaltung des Verhältnisses zwischen den Flüssigkeitszuführungspositionen und den Flüssigkeitsentnahmepositionen im System. Jede gepackte Säule hat in der Regel eine Packungsbetteinheit, kann aber mindestens 2 gegenseitig partitionierte Packungsbetteinheiten aufweisen, von denen eine jede mit einem Ausgangsmaterialzuführungsmittel, einem Eluationsmittelzuführungsmittel, einem ersten Flüssigkeitsentnahmemittel und einem zweiten Flüssigkeitsentnahmemittel wie oben beschrieben versehen sein kann.
Es folgt eine allgemeine und einfache Beschreibung eines Beispiels eines simulierten chromatografischen Bewegtbett-2-Komponenten-Trennverfahrens unter Verwendung dieses simulierten chromatografischen Bewegtbett-Separators. Die Gruppe der in Endlosreihe verbundenen gepackten Säulen (Gruppe der Packungsbetteinheiten) wird als unterteilt in erste, zweite, dritte und vierte Abschnitte in stromabwärtiger Richtung der Zirkulationsflüssigkeit (von der Position der Eluationsmittelzuführung aus gesehen) betrachtet. Eluationsmittel (in der vorliegenden Erfindung Eluationswasser) wird an dem Einlass einer gepackten Säule (Packungsbetteinheit), die im ersten Abschnitt an vorderster Stelle positioniert ist, über ein Zuführungsventil zur Zirkulationsflüssigkeit zugeführt, und Extrakt, das reich an einer sorbierten Komponente (in der vorliegenden Erfindung Sucrosefraktionslösung) ist, wird über ein Entnahmeventil aus der Zirkulationsflüssigkeit am Auslass einer gepackten Säule (Packungsbetteinheit), die zuhinterst im ersten Abschnitt ist, entnommen, während ein Ausgangsmaterial über ein Zuführungsventil zur Zirkulationsflüssigkeit am Einlass einer gepackten Säule (Packungsbetteinheit), die zuvorderst im dritten Abschnitt positioniert ist, zugeführt wird und Raffinat, das arm an der sorbierten Komponente (in der vorliegenden Erfindung Nichtsucrosefraktionslösung, die hauptsächlich Salze enthält) ist, über ein Entnahmeventil aus der Zirkulationsflüssigkeit am Auslass einer gepackten Säule (Packungsbetteinheit), die zuhinterst im dritten Abschnitt positioniert ist, entnommen wird. Die Eluationsmittelzuführungsposition, die Extraktentnahmeposition, die Ausgangsmaterialzuführungsposition und die Raffinatentnahmeposition werden jeweils operativ einzeln in stromabwärtiger Richtung im Einklang mit der Bewegung einer Zone versetzt, in der die Komponente im Ausgangsmaterial auf Sorbens sorbiert wird.
In der vorliegenden Erfindung ist das Verhältnis U2/Us der Zirkulationsströmungsrate (U2) im zweiten Abschnitt, der vom Extrakt-(Hochaffinitätskomponentenfraktion, d. h. Sucrosefraktion)-Entnahmeauslass zum Ausgangslösungseinlass reicht, zur scheinbaren Bewegungsgeschwindigkeit (Us) der Festphase (chromatografische Packung) vorzugsweise 0,35 bis 0,45, um die Sucrosereinheit und den Sucroseertrag der Sucrosefraktion hoch zu halten. Die Gründe hierfür sind folgende: Wenn das Verhältnis U2/Us niedriger als 0,35 ist, neigt ein Teil der Sucrose dazu, über den ersten Abschnitt, der vom Eluationswasserzuführungseinlass zum Extraktentnahmeauslass reicht, in den vierten Abschnitt herum zu gehen, der vom Raffinat-(Niedrigaffinitätskomponentenfraktion, d. h. Nichtsucrosefraktion, die Salze und ähnliches enthält)-Entnahmeauslass zum Eluationswasserzuführungseinlass reicht und damit den Sucroseertrag der Sucrosefraktion zu senken. Demgemäss wird eine große Menge Eluationswasser erforderlich, um den Sucroseertrag unter Bedingungen, bei denen das Verhältnis U2/Us unter 0,35 liegt, zu steigern. Wenn das Verhältnis U2/Us den Wert 0,45 übersteigt, sinkt der Anteil gemischter Nichtsucroseverbindungen (wie weiter unten beschrieben) in der Sucrosefraktion, doch ein Teil der Sucrose neigt dazu, über den dritten Abschnitt, der vom Ausgangslösungszuführungseinlass zum Raffinatentnahmeauslass reicht, dem Raffinatentnahmeauslass entnommen zu werden und damit den Sucroseertrag der Sucrosefraktion zu senken. Hier gilt: U2 = [Zirkulationsströmungsrate (U4) in der Zone geringster Strömungsgeschwindigkeit × Menge der ganzen chromatografischen Packung] + [Zuführungsrate von Eluationswasser] – [Entnahmerate von Sucrosefraktion], wobei die Zone geringster Strömungsgeschwindigkeit dem vierten Abschnitt entspricht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels des Aufbaus eines simulierten chromatografischen Bewegtbett-Separators, der zur Ausführung der Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
MODUS FÜR DIE AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Im folgenden wird ein Modus für die Ausführung der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben, womit allerdings keine Beschränkung des Geltungsbereichs der vorliegenden Erfindung beabsichtigt ist.
1 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels der Zusammensetzung eines simulierten chromatografischen Bewegtbett-Separators, der zur Ausführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. In 1 beziehen sich die Bezugszeichen 1 bis 10 auf gepackte Säulen, 1A bis 10A auf Raffinatentnahmeventile, 1C bis 10C auf Exktraktentnahmeventile, 1D bis 10D auf Eluationswasserzuführungsventile, 1F bis 10F auf Ausgangslösungszuführungsventile, A auf Raffinat (hauptsächlich Salze enthaltende Nichtsucrosefraktionslösung), C auf Extrakt (Sucrsefraktionslösung), D auf Eluationswasser, F auf Ausgangslösung (Rübenzuckerlösung vor dem Kochen), 12 auf eine Raffinatentnahmeröhre, 14 auf eine Extraktentnahmeröhre, 15 auf eine Ausgangslösungszuführungspumpe, 16 auf eine Eluationswasserzuführungspumpe, 1P bis 5P auf Umwälzpumpen, 20 und 21 auf Verbindungsröhren, 30 auf eine Ausgangslösungszuführungsröhre und 31 auf eine Eluationswasserzuführungsröhre.
Die Enden der gepackten Säulen 1 bis 10 sind mittels der Verbindungsröhren 20 und 21 endlos mit den Spitzen der jeweiligen nächsten gepackten Säulen verknüpft. Die einzelnen Raffinatentnahmeventile 1A bis 10A und die einzelnen Extraktentnahmeventile 1C bis 10C sind mit den Verbindungsröhren auf der stromabwärtigen Seite jeder gepackten Säule verbunden und verbinden gleichzeitig die Verbindungsröhren mit Verzweigungsröhren, die mit den jeweiligen Ausgangslösungszuführungsventilen 1F bis 10F ausgerüstet sind und von der Ausgangslösungszuführungsröhre 30 abzweigen, damit die Ausgangslösung durch die Ausgangslösungszuführungspumpe 15 zugeführt werden kann, und mit Verzweigungsröhren, die mit den jeweiligen Eluationswasserzuführungsventilen 1D bis 10D ausgerüstet sind und von der Eluationswasserzuführungsröhre 31 abzweigen, damit das Eluationswasser durch die Eluationswasserzuführungspumpe 16 auf der stromaufwärtigen Seite jeder gepackten Säule zugeführt werden kann. Die Raffinatentnahmeventile 1A bis 10A sind mit der Raffinatentnahmeröhre 12 verbunden, während die Extraktentnahmeventile 1C bis 10C mit der Extraktentnahmeröhre 14 verbunden sind. Die Umwälzpumpen 1P bis 4P sind jeweils mit der Verbindungsröhre 20 zwischen den gepackten Säulen 2 und 3, 4 und 5, 6 und 7 und 8 und 9 angeschlossen, während die Umwälzpumpe 5P an der Mitte der Anschlussröhre 21 angeschlossen ist, die sich vom Ende der gepackten Säule 10 zur Spitze der gepackten Säule 1 erstreckt. Der Separator der 1 ist mit den fünf Umwälzpumpen 1P bis 5P ausgerüstet, die in der Lage sind, die Zirkulationsströmungsrate mit Hilfe eines (nicht dargestellten) Reglers auf jeden Einstellwert im Einklang mit einem Strömungsratensequenzprogramm einzustellen. Es versteht sich, dass die Installationsorte und die Anzahl der Umwälzpumpen nicht auf das Ausführungsbeispiel der 1 beschränkt sind. Des weiteren werden die Zuführungsventile und die Entnahmeventile jeweils so geregelt, dass sie sich nach Vorgabe eines voreingestellten Ventilöffnungs- und Schließsequenzprogramms mittels eines (nicht dargestellten) Reglers öffnen und schließen. Obwohl die Anzahl der gepackten Säulen in 1 auf 10 festgelegt ist, ist sie nicht auf diesen Wert beschränkt.
Es folgt eine Beschreibung des laufenden Betriebs des simulierten chromatografischen Bewegtbett-Separators der 1. In Phase 1 beispielsweise wird das Ausgangslösungszuführungsventil 6F geöffnet, um die Ausgangslösung über die Spitze der gepackten Säule 6 zuzuführen, und das Eluationswasserzuführungsventil 1D wird geöffnet, um Eluationswasser über die Spitze der gepackten Säule 1 zuzuführen, während das Extraktentnahmeventil 2C geöffnet wird, um viel Sucrose enthaltendes Extrakt aus dem Ende der gepackten Säule 2 zu entnehmen, und das Raffinatentnahmeventil 9A wird geöffnet, um Raffinat, das viele Nichtsucroseverbindungen enthält, wie beispielsweise Salze, aus dem Ende der gepackten Säule 9 zu entnehmen. Gleichzeitig wird Innenflüssigkeit im Zirkulationssystem mittels der Umwälzpumpen 1P bis 5P zirkuliert.
In diesem Fall umfasst folglich ein erster Abschnitt, der vom Eluationswasserzuführungseinlass zum Extraktentnahmeauslass reicht, 2 gepackte Säulen, ein zweiter Abschnitt, der vom Extraktentnahmeauslass zum Ausgangslösungszuführungseinlass reicht, umfasst 3 gepackte Säulen, ein dritter Abschnitt, der vom Ausgangslösungszuführungseinlass zum Raffinatentnahmeauslass reicht, umfasst 4 gepackte Säulen, und ein vierter Abschnitt, der vom Raffinatentnahmeauslass zum Eluationswasserzuführungseinlass reicht, umfasst 1 gepackte Säule. Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung nicht auf den Modus dieses Falles beschränkt ist.
In Phase 2 wird nach Verstreichen der vorgegebenen Zeit das in Phase 1 geöffnete Eluationswasserzuführungsventil 1D geschlossen, und stattdessen das Eluationswasserzuführungsventil 2D geöffnet, während auf die selbe wie oben beschriebene Art und Weise das geöffnete Extraktentnahmeventil von 2C nach 3C, das geöffnete Ausgangslösungszuführungsventil von 6F nach 7F und das geöffnete Raffinatentnahmeventil von 9A nach 10A versetzt wird.
Die Phasen 3 bis 10 der chromatografischen Trennung werden gemäß der vorangehenden Operation der sequenziellen Versetzung jedes einzelnen der geöffneten Ventile um eine gepackte Säule auf der stromabwärtigen Seite in Strömungsrichtung der Zirkulationsflüssigkeit in jeder Phase (zu jedem vorbestimmten Zeitpunkt, wie oben beschrieben) durchgeführt. Ein solcher Ventilwechsel bringt die Ausführung einer Operation mit sich, die so aussieht, als ob sie die chromatografische Packung in die der Strömungsrichtung der Zirkulationsflüssigkeit entgegengesetzte Richtung bewegte. Die Phasen 1 bis 10 einer solchen chromatografischen Trennung werden wiederholt, um den Separator kontinuierlich in Betrieb zu halten.
Zwar wurden die voransehenden Verfahren in Verbindung mit einem Zustand beschrieben, in dem der Separator kontinuierlich in Betrieb ist, doch kann ein vorausgehender Schritt durchgeführt werden, in dem nur eine Operation der Zuführung von Ausgangslösung in das System des Separators ausgeführt wird, um Sorptionszonen von Komponenten zu bilden, die sequenziell getrennt werden und von der Komponente mit einer schwachen Affinität für Sorbens zu der Komponente mit starker Affinität für Sorbens reichen, um den Separator vor dem voranstehend beschriebenen kontinuierlichen Betrieb desselben zu starten.
BEISPIELE
Die folgenden Beispiele dienen der spezifischen Illustration der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu Vergleichsbeispielen, sind aber nicht geeignet, den Geltungsbereich der Erfindung zu beschränken. Im folgenden Beispiel und Vergleichsbeispiel wurde ein simulierter chromatografischer Bewegtbett-Separator in der in 1 dargestellten Zusammensetzung verwendet, und der „Anteil gemischter Nichtsucroseverbindungen" verweist auf den Anteil der Menge von Nichtsucroseverbindungen, die in die Sucrosefraktion gemischt sind, an der Gesamtmenge von Nichtsucroseverbindungen, wie Salze, die in der Ausgangslösung enthalten sind. Des weiteren kann der Druckverlust von Zirkulationsflüssigkeit durch die gepackten Säulen indirekt durch den „durchschnittlichen Flüssigkeitsdruck an der Spitze der gepackten Säule" bestimmt werden, weil ein Umwälzpumpendruck angewendet wurde, der vorbestimmten Betriebsbedingungen genügte. Folglich kann die Überlegung sinnvoll sein, dass je höher dieser durchschnittliche Flüssigkeitsdruck, desto größer der Druckverlust.
Beispiel 1
Eine Rübenzuckerlösung vor dem Kochen, die als Ausgangslösung der chromatografischen Trennung in diesem Beispiel unterzogen wurde, war eine Sucrose-haltige, enthärtete Lösung, die durch die Schritte Zuckerrübenschneiden, Extraktion, Saturation, Filtrierung und Enthärtung in einer Rübenzuckerfabrik gewonnen wurde und eine Sucrose-Konzentration (Bx: Brix-Konzentration) von 65 und die folgende Feststoff-basierte Zusammensetzung aufweist: 93% Sucrose, 4% Nichtsucroseverbindungen, wie Salze, und 3% andere organische Verbindungen (andere Saccharide, Betaine, Aminosäuren usw.). Übrigens wird die „Feststoff-basierte Zusammensetzung" in Flächenprozenten in Hochleistungsflüssigkeitschromatografie unter Verwendung einer Ionenaustauschsäule in Natriumform und eines Differentialrefraktometers ausgedrückt.
Die Details des in diesem Beispiel verwendeten simulierten chromatografischen Bewegtbett-Separators waren wie folgt:
<Details des Separators>

Jede Packungsbetteinheit: 108 mm Durchmesser × 1600 mm Höhe;
Anzahl der Packungsbetteinheiten: 10
Gesamtmenge der chromatografischen Packung: 150 Liter
Anzahl der Umwälzpumpen: 5
Chromatografische Packung: Amberlite CR-1320 in Na-Form (stark saures, gelartiges Kationaustauschharz, hergestellt von Rohm and Haas Company; Einheitlichkeitskoeffizient: 1,1: durchschnittliche Korngröße: 330 μm).

Betriebsbedingungen des Separators:
<Betriebsbedingungen>

Betriebstemperatur: 80°C
Zuführungsrate der Ausgangslösung: 12 Liter/Stunde
Zuführungsrate des Eluationswassers: 40 Liter/Stunde
Entnahmerate der Sucrosefraktion: 22 Liter/Stunde
Entnahmerate der Nichtsucrosefraktion: 30 Liter/Stunde
Scheinbare Bewegungsgeschwindigkeit der Festphase (Packung): 16,5
Liter/Stunde
Zirkulationsströmungsrate (in Zone geringster Strömungsgeschwindigkeit): 0,6 Liter/Literpackung/Stunde
Durchschnittlicher Flüssigkeitsdruck an der Spitze der gepackten Säule: 3,0 kg/cm²

Die Ergebnisse der Trennung:
<Ergebnisse der Trennung>
Sucrosefraktion:
Sucroseertrag: 99,4%
Anteil der gemischten Nichtsucroseverbindungen: 20%
Sucrose-Konzentration (Bx): 38
Vergleichsbeispiel 1
Der selbe simulierte chromatografische Bewegtbett-Separator wie in Beispiel 1 wurde verwendet, um eine chromatografische Trennung der selben Ausgangslösung wie in Beispiel 1 unter folgenden Betriebsbedingungen zu bewirken:
<Betriebsbedingungen>

Betriebstemperatur: 80°C
Zuführungsrate der Ausgangslösung: 12 Liter/Stunde
Zuführungsrate des Eluationswassers: 72 Liter/Stunde
Entnahmerate der Sucrosefraktion: 34 Liter/Stunde
Entnahmerate der Nichtsucrosefraktion: 50 Liter/Stunde
Scheinbare Bewegungsgeschwindigkeit der Festphase (Packung): 16,5
Liter/Stunde
Zirkulationsströmungsrate (in Zone geringster Strömungsgeschwindigkeit): 0,34 Liter/Literpackung/Stunde
Durchschnittlicher Flüssigkeitsdruck an der Spitze der gepackten Säule: 3,0 kg/cm²

Die Ergebnisse der Trennung:
<Ergebnisse der Trennung>
Sucrosefraktion:
Sucroseertrag: 99,2%
Anteil der gemischten Nichtsucroseverbindungen: 18%
Sucrose-Konzentration (Bx): 18
In diesem Vergleichsbeispiel, in welchem Fall die Zuführungsrate des Eluationswassers gegenüber der Zuführungsrate der Ausgangslösung erhöht wurde, um die Entsalzungsrate zu steigern (Volumenverhältnis Ausgangslösungszuführungsrate/Eluationswasserzuführungsrate = 1/6), war der Anteil gemischter Nichtsucroseverbindungen (umgekehrt betrachtet ein grober Hinweis auf die Entsalzungsrate) etwas geringer als in Beispiel 1. Dies verringert etwas die Last auf die Ionenaustauschbehandlung, wenn nach der chromatografischen Trennung eine weitere Entsalzung durch Ionenaustauschbehandlung durchgeführt wird, und damit verringern sich auch die Mengen von Regenerierchemikalien zur Verwendung in der Regenerierung von Ionenaustauschharzen. In diesem Vergleichsbeispiel war jedoch die Sucrosekonzentration der Sucrosefraktion als erwünschte Fraktion wesentlich geringer als diejenige in Beispiel 1, was große Energiekosten für die Konzentration im Zuge der Vorbereitung auf das Kochen verursacht. Folglich sind die Betriebsbedingungen in diesem Vergleichsbeispiel ungeeignet.
Vergleichsbeispiel 2
Der selbe simulierte chromatografische Bewegtbett-Separator wie der in Beispiel 1 benützte wurde für eine chromatografische Trennung der selben Ausgangslösung wie in Beispiel 1 unter folgenden Betriebsbedingungen verwendet:
<Betriebsbedingungen>

Betriebstemperatur: 80°C
Zuführungsrate der Ausgangslösung: 12 Liter/Stunde
Zuführungsrate des Eluationswassers: 40 Liter/Stunde
Entnahmerate der Sucrosefraktion: 17 Liter/Stunde
Entnahmerate der Nichtsucrosefraktion: 35 Liter/Stunde
Scheinbare Bewegungsgeschwindigkeit der Festphase (Packung): 16,5
Liter/Stunde
Zirkulationsströmungsrate (in Zone geringster Strömungsgeschwindigkeit): 0,34 Liter/Literpackung/Stunde
Durchschnittlicher Flüssigkeitsdruck an der Spitze der gepackten Säule: 3,5 kg/cm²

Die Ergebnisse der Trennung:
<Ergebnisse der Trennung>
Sucrosefraktion:
Sucroseertrag: 90,4%
Anteil der gemischten Nichtsucroseverbindungen: 19%
Sucrose-Konzentration (Bx): 43
In diesem Vergleichsbeispiel, bei dem das Volumenverhältnis der Entnahmerate der Hochaffinitätskomponentenfraktion (Sucrosefraktion) zur Niedrigaffinitätskomponentenfraktion (Nichtsucrosefraktion, mit Salz und Ähnlichem angereichert) auf 0,486/1 zur Steigerung der Entsalzungsrate und der Reinheit der gewonnenen Sucrose eingestellt wurde, wurde eine große Menge zu gewinnender Sucrose in der Nichtsucrosefraktion gemischt, um einen großen Sucroseverlust zu bewirken. Der Sucrosevetlust war zu groß, als dass er durch eine Kostenreduzierung in der Konzentration und eine Kostenreduzierung wettgemacht werden kann, die aus Verringerungen der zur Regenerierung von Ionenaustauschharzen verwendeten Regenerierungschemikalienmengen infolge einer geringeren Last auf die Ionenaustauschbehandlung hervorgeht, wenn eine weitere Entsalzung durch die Ionenaustauschbehandlung nach der chromatografischen Trennung erfolgt. Folglich sind die Betriebsbedingungen in diesem Vergleichsbeispiel ungeeignet.
Vergleichsbeispiel 3
Der selbe simulierte chromatografische Bewegtbett-Separator wie der in Beispiel 1 benützte wurde für eine chromatografische Trennung der selben Ausgangslösung wie in Beispiel 1 unter folgenden Betriebsbedingungen verwendet:
<Betriebsbedingungen>

Betriebstemperatur: 80°C
Zuführungsrate der Ausgangslösung: 3 Liter/Stunde
Zuführungsrate des Eluationswassers: 10 Liter/Stunde
Entnahmerate der Sucrosefraktion: 5,5 Liter/Stunde
Entnahmerate der Nichtsucrosefraktion: 7,5 Liter/Stunde
Scheinbare Bewegungsgeschwindigkeit der Festphase (Packung): 4,13
Liter/Stunde
Zirkulationsströmungsrate (in Zone geringster Strömungsgeschwindigkeit): 0,085 Liter/Literpackung/Stunde
Durchschnittlicher Flüssigkeitsdruck an der Spitze der gepackten Säule: 2,0 kg/cm²

Die Ergebnisse der Trennung:
<Ergebnisse der Trennung>
Sucrosefraktion:
Sucroseertrag: 99,4%
Anteil der gemischten Nichtsucroseverbindungen: 20%
Sucrose-Konzentration (Bx): 38
Dieses Vergleichsbeispiel, bei dem die Zirkulationsströmungsrate in einer Zone geringster Strömungsgeschwindigkeit im Zirkulationssystem auf 8,5 Volumenprozent/Stunde auf Basis chromatografischer Packung gestellt wurde, entspricht einem Fall, in dem ein konventioneller chromatografischer Separator mit einem allgemeinen Durchsatz betrieben wird (Betriebsbedingungen sind beispielsweise ähnlich jenen in den Beispielen der PCT International Publication Nr. WO 95/16794). In diesem Vergleichsbeispiel konnte die Operation unter niedrigen Flüssigkeitsdrucken in den gepackten Säulen problemlos durchgeführt werden, und die Präzision der Trennung war so gut, dass sie die Last auf die Ionenaustauschbehandlung senkt und damit die Mengen von Regenerierungschemikalien für die Regenerierung von Ionenaustauschharzen verringert, wenn nach der chromatografischen Trennung eine weitere Entsalzung durch die Ionenaustauschbehandlung erfolgt, und die Menge an verwendetem Eluationswasser war so gering bei so hoher Sucrosekonzentration der Sucrosefraktion, dass die Konzentrationskosten sanken. In diesem Vergleichsbeispiel war jedoch der Durchsatz pro Stunde auf Basis chromatografischer Packung mit 1/4 desjenigen in Beispiel 1 so niedrig, dass eine Rübenzuckerfabrik einen so großen Separator zum Erreichen eines erforderlichen Durchsatzes benötigt, dass die Produktkosten vergleichsweise hoch werden.
Vergleichsbeispiel 4
Der selbe simulierte chromatografische Bewegtbett-Separator wie der in Beispiel 1 benützte wurde für eine chromatografische Trennung der selben Ausgangslösung wie in Beispiel 1 unter folgenden Betriebsbedingungen verwendet:
<Betriebsbedingungen>

Betriebstemperatur: 80°C
Zuführungsrate der Ausgangslösung: 12 Liter/Stunde
Zuführungsrate des Eluationswassers: 28 Liter/Stunde
Entnahmerate der Sucrosefraktion: 17 Liter/Stunde
Entnahmerate der Nichtsucrosefraktion: 23 Liter/Stunde
Scheinbare Bewegungsgeschwindigkeit der Festphase (Packung): 16,5
Liter/Stunde
Zirkulationsströmungsrate (in Zone geringster Strömungsgeschwindigkeit): 0,34 Liter/Literpackung/Stunde
Durchschnittlicher Flüssigkeitsdruck an der Spitze der gepackten Säule: 3,0 kg/cm²

Die Ergebnisse der Trennung:
<Ergebnisse der Trennung>
Sucrosefraktion:
Sucroseertrag: 95,1%
Anteil der gemischten Nichtsucroseverbindungen: 30%
Sucrose-Konzentration (Bx): 45
Dieses Vergleichsbeispiel, bei dem die Zuführungsrate des Eluationswasser im Vergleich mit der Zuführungsrate der Ausgangslösung reduziert wurde, um die Menge an Eluationswasser zu verringern (Volumenverhältnis der Zuführungsrate der Ausgangslösung / Zuführungsrate des Eluationswassers = 1/2,33), war der Sucroseertrag der Sucrosefraktion erheblich gesenkt, bei einem Anstieg des Anteils gemischter Nichtsucroseverbindungen, wobei die Last auf die Ionenaustauschbehandlung steigt, um die Mengen von Regenerierungschemikalien zur Regenerierung der Ionenaustauschharze zu steigern, wenn nach der chromatografischen Trennung eine weitere Entsalzung durch die Ionenaustauschbehandlung erfolgt. Folglich sind die Betriebsbedingungen im Vergleichsbeispiel ungeeignet.
Vergleichsbeispiel 5
Der selbe simulierte chromatografische Bewegtbett-Separator wie der in Beispiel 1 benützte wurde für eine chromatografische Trennung der selben Ausgangslösung wie in Beispiel 1 unter folgenden Betriebsbedingungen verwendet:
<Betriebsbedingungen>

Betriebstemperatur: 80°C
Zuführungsrate der Ausgangslösung: 12 Liter/Stunde
Zuführungsrate des Eluationswassers: 40 Liter/Stunde
Entnahmerate der Sucrosefraktion: 29 Liter/Stunde
Entnahmerate der Nichtsucrosefraktion: 23 Liter/Stunde
Scheinbare Bewegungsgeschwindigkeit der Festphase (Packung): 16,5
Liter/Stunde
Zirkulationsströmungsrate (in Zone geringster Strömungsgeschwindigkeit): 0,34 Liter/Literpackung/Stunde
Durchschnittlicher Flüssigkeitsdruck an der Spitze der gepackten Säule: 3 kg/cm²

Die Ergebnisse der Trennung:
<Ergebnisse der Trennung>
Sucrosefraktion:
Sucroseertrag: 99,6%
Anteil der gemischten Nichtsucroseverbindungen: 35%
Sucrose-Konzentration (Bx): 29
In diesem Vergleichsbeispiel, bei dem das Volumenverhältnis der Entnahmerate der Hochaffinitätskomponentenfraktion (Sucrosefraktion) zur Entnahmerate der Niedrigaffinitätskomponentenfraktion (Nichtsucrosefraktion, mit Salz und Ähnlichem angereichert) auf 1,26/1 zur Steigerung des Sucroseertrags der Sucrosefraktion eingestellt wurde, war der Anteil gemischter Nichtsucroseverbindungen trotz eines nicht so deutlichen Anstiegs im Sucroseertrag deutlich erhöht, wobei es zu einem Anstieg der Last auf die Ionenaustauschbehandlung kommen wird, um die Mengen von der zur Regenerierung von Ionenaustauschharzen verwendeten Regenerierungschemikalienmengen zu erhöhen, wenn eine weitere Entsalzung durch die Ionenaustauschbehandlung nach der chromatografischen Trennung erfolgt. Folglich sind die Betriebsbedingungen in diesem Vergleichsbeispiel ungeeignet.
Vergleichsbeispiel 6
Der selbe simulierte chromatografische Bewegtbett-Separator wie der in Beispiel 1 benützte wurde für eine chromatografische Trennung der selben Ausgangslösung wie in Beispiel 1 unter folgenden Betriebsbedingungen verwendet:
<Betriebsbedingungen>

Betriebstemperatur: 80°C
Zuführungsrate der Ausgangslösung: 30 Liter/Stunde
Zuführungsrate des Eluationswassers: 100 Liter/Stunde
Entnahmerate der Sucrosefraktion: 55 Liter/Stunde
Entnahmerate der Nichtsucrosefraktion: 75 Liter/Stunde
Scheinbare Bewegungsgeschwindigkeit der Festphase (Packung): 41,3
Liter/Stunde
Zirkulationsströmungsrate (in Zone geringster Strömungsgeschwindigkeit): 0,85 Liter/Literpackung/Stunde
Durchschnittlicher Flüssigkeitsdruck an der Spitze der gepackten Säule: 10 kg/cm²

Die Ergebnisse der Trennung:
<Ergebnisse der Trennung>
Sucrosefraktion:
Sucroseertrag: 99,0%
Anteil der gemischten Nichtsucroseverbindungen: 25%
Sucrose-Konzentration (Bx): 38
In diesem Vergleichsbeispiel, bei dem die Zirkulationsströmungsrate in der Zone geringster Strömungsgeschwindigkeit im Zirkulationssystem auf 85 Volumenprozent auf Basis chromatografischer Packung eingestellt wurde, um den Durchsatz zu steigern, wurden die Flüssigkeitsdrucke auf die Spitzen der gepackten Säulen gesteigert. Demgemäss muss ein druckfester und damit teurer Separator als Ausrüstung verwendet werden. In diesem Vergleichsbeispiel war auch die Trennlast auf das Kationaustauschharz als chromatografische Packung erhöht, um schlechte Trennungsergebnisse mit verringertem Sucroseertrag der Sucrosefraktion zu ergeben.
Wie in dem voranstehenden Beispiel 1 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 6 gezeigt, muss die Ausgangslösung, um eine effiziente Entsalzung der Ausgangslösung in Form einer Rübenzuckerlösung vor dem Kochen durch chromatografische Trennung derselben zu möglichst niedrigen Kosten zu erreichen, mit hoher Strömungsgeschwindigkeit (hoher Strömungsrate) unter Flüssigkeitsdrucken strömen, denen standardmäßig ausgeführte Ausrüstungen in den gepackten Säulen standhalten. Als Ergebnis intensiver Nachforschungen bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen eines simulierten chromatografischen Bewegtbett-Separators unter dem Gesichtspunkt der Lösung des genannten, als äußerst schwer lösbar erachteten Problems haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung ein industriell einsetzbares Entsalzungsverfahren und des weiteren eine vorzuziehende Höhe der Packungsbetteinheit gefunden.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Rübenzuckerlösung vor dem Kochen unter Verwendung einer möglichst kleinen Menge Eluationswasser nach einem Ionenausschlussmodus eines simulierten chromatografischen Trennverfahrens effizient entsalzt werden, ohne dass eine Regenerierungschemikalie für die chromatografische Packung verwendet wird, um davon Sucrose in einem konzentrierten Zustand zu trennen. Des weiteren kann gemäß der vorliegenden Erfindung der Durchsatz eines bestimmten simulierten chromatografischen Bewegtbett-Separators im Vergleich mit dem in einem konventionellen Verfahren gesteigert werden und – umgekehrt betrachtet – kann die Kapazität eines simulierten chromatografischen Bewegtbett-Separators gesenkt werden, während eine hohe Durchsatzkapazität nach Wunsch sichergestellt wird. Wenn eine in einem chromatografischen Trennungsschritt gewonnene Sucrosefraktion später einer Ionenaustauschbehandlung unterzogen wird, kann eine Ionenaustauschbehandlungseinheit so miniaturisiert werden, dass die Mengen von Regenerierungschemikalien für die Regenerierung von darin verwendeten Ionenaustauschharzen und auch die Menge des Regenerierungsabfalls (Abwasser) verringert werden.

Claims

Entsalzungsverfahren zur Entsalzung einer Rübenzuckerlösung vor dem Zuckerkochen als Ausgangslösung mit einem simulierten chromatografischen Bewegtbett-Separator, umfassend eine Mehrzahl von gepackten Säulen, die mit einem stark sauren Kationenaustauschharz in Salzform, dessen mittlere Korngröße 300 bis 500 μm und dessen Einheitlichkeitskoeffizient höchstens 1,2 beträgt, als chromatografische Packung gepackt sind und in einer Endlosreihe verbunden sind, um einen Zirkulationsströmungsweg zu bilden, in dem die Zirkulation durch Umwälzpumpen aufrecht erhalten wird, deren Zahl mindestens die Hälfte der Zahl der gepackten Säulen ausmacht, wobei jede der gepackten Säulen mit einem Einlass für die Ausgangslösungszuführung, einem Einlass für die Elutionswasserzuführung, einem Entnahmeauslass für eine Fraktion einer Komponente mit starker Affinität für chromatografische Packung ("Hochaffinitätskomponente") und einem Entnahmeauslass für eine Fraktion einer Komponente mit schwacher Affinität für chromatografische Packung ("Niedrigaffinitätskomponente") versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Rübenzuckerlösung vor dem Zuckerkochen unter Bedingungen entsalzt wird, bei denen das Volumenverhältnis von Ausgangslösungszufuhrrate zu Elutionswasserzufuhrrate 112,5 bis 1/3,5 beträgt, das Volumenverhältnis der Entnahmerate der Hochaffinitätskomponentenfraktion zur Entnahmerate der Niedrigaffinitätskomponentenfraktion 0,5/1 bis 1,2/1 und die Zirkulationsströmungsrate pro Stunde 25 bis 80 Volumenprozent beträgt, basierend auf chromatografischer Packung in einer Zone, wo die Strömungsgeschwindigkeit im Zirkulationssystem am niedrigsten ist.
Entsalzungsverfahren nach Anspruch 1, wobei die Höhe der Packungsbetteinheit in jeder der gepackten Säulen 0,8 bis 3 Meter beträgt.