Verfahren zur Gewinnung eines Calciumzuckerphosphat und Calciumphosphat enthaltenden Gemisches
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung eines Calciumzuckerphosphat und Calciumphosphat enthaltenden trockenen Gemisches aus einer wässerigen Zukkerphosphorylierungsmischung, die neben diesen Phosphaten Calciumchlorid enthält. Das erfindungsgemässe Verfahren stellt eine Kombination von Einzeloperationen dar, welche die Herstellung und wirkungsvolle Gewinnung solcher Gemische ermöglicht, die höchstens einen sehr geringen Gehalt an Calciumchlorid aufweisen.
Calciumzuckerphosphate und deren komplexe Gemische sind nützlich zur Verhütung von Zahnkaries, sie dienen als Nahrung von Tieren, als Pflanzendünger, als Überzugsmaterial für Speisen aus Getreide sowie für viele andere Zwecke.
Es ist z.B. aus der deutschen Patentschrift Nr. 247 809 bekannt, dass man rohes, mit Calciumchlorid verunreinigtes, Calciumzuckerphosphat durch Phosphorylierung von Zucker in Gegenwart von Kalk gewinnen kann. Um ein trocken bleibendes Produkt zu erhalten, das leicht gehandhabt werden kann, muss das Calciumchlorid entfernt werden, was durch mehrfache Fällung mit Äthanol und Wiederauflösen in Wasser erfolgt.
Die nicht vorveröffentliche britische Patentschrift Nr.
1134062 beschreibt Gemische, die Calciumzuckerphosphat und Calciumphosphat neben Calciumchlorid enthalten, sowie ein Verfahren zur Abtrennung von Calciumchlorid durch Fällung des Produktes mit Äthanol und nachträgliches Auswaschen mit einer wässrigen Lösung von Äthanol.
Diese Verfahren liefern gut brauchbare Produkte, doch sind die Verfahren an sich unwirtschaftlich und sind technisch nicht brauchbar. Der Hauptzweck der vorliegenden Erfindung ist daher die Eliminierung der Nachteile dieser bekannten Verfahren.
Das erfindungsgemässe Verfahren liefert in wirtschaftlicher Weise ein nicht zerfliessendes Gemisch aus wässrigen Phosphorylierungsmischungen, das Calciumzuckerphosphat und Calciumphosphat enthält.
Mit Hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens lassen sich Calciumchlorid und Zucker aus der Mischung entfernen, wie sie bei der Phosphorylierung von Rohrzucker in Gegenwart von Calciumverbindungen, wie gelöschtem Kalk, entsteht.
Das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht es, aus einer komplexen Mischung von Calciumsaccharosephosphat und Calciumphosphat ein trocken bleibendes Produkt zu gewinnen, das weniger als 0,5% Calciumchlorid enthält.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Gewinnung eines Calciumzuckerphosphat und Calciumphosphat enthaltenden trockenen Gemisches aus einer wässrigen Phosphorylierungsmischung, die Calciumzuckerphosphat, Calciumphosphat und Calciumchlorid enthält, ist dadurch gekennzeichnet, dass man aus der wässrigen Mischung durch deren Entwässerung einen fein verteilten festen Stoff herstellt, der die genannten Produkte und Calciumchlorid enthält, aus diesem festen Stoff das Calciumchlorid mit einem Lösungsmittel auslaugt und aus dem Rückstand das gewünschte Gemisch durch Trocknen gewinnt.
Das erfindungsgemässe Verfahren wird im allgemeinen derart durchgeführt, dass man eine bei einem bekannten Zuckerphosphorylierungsprozess gewonnene Flüssigkeit verwendet. Diese besteht im allgemeinen aus einer wässrigen Mischung von Calciumzuckerphosphaten, Calciumphosphat und Calciumchlorid, die ausserdem meistens unreagierten Zucker enthält. Diese Flüssigkeit wird entwässert und man erhält ein Gemisch aus Calciumchlorid, Zucker, Calciumzuckerphosphat und Calciumphosphat in fein verteilter fester Form. Calciumchlorid und Zucker werden aus diesem trockenen Gemisch mit Hilfe eines entsprechenden Lösungsmittels ausgelaugt Das Auslaugen wird zweckmässig derart durchgeführt, dass der Gehalt an Calciumchlorid unter 0,5% sinkt. Das Entwässern erfolgt zweckmässig durch Sprühtrocknen und das Auslaugen vorzugsweise mit Äthanol.
Es war bis nun nicht bekannt, dass Gemische aus Calciumzuckerphosphaten und Calciumphosphat in Gegenwart nennenswerter Mengen von Calciumchlorid und Zucker in trockene feste Form gebracht werden können, ohne irreversible Veränderungen hervorzurufen, die die Brauchbarkeit der Gemische beeinträchtigen. Gleicherweise war es nicht bekannt, dass in den genannten Phosphaten das Calciumchlorid physikalisch dispergiert ist, so dass eine wirksame Abtrennung des Calciumchlorides möglich ist.
Das erfindungsgemässe Verfahren beruht auf der Ent deckung, dass ein Gemisch der genannten Phosphate mit Calciumchlorid und unreagiertem Rohrzucker als trockener fester Stoff gewonnen werden kann, z.B. durch Sprühtrocknung, und dass man aus diesem getrockneten Gemisch das Calciumchlorid und den Rohrzucker z.B. mit einem Äthanol enthaltenden Lösungsmittel auslaugen kann.
Bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens zeigte es sich, dass dieses wirtschaftlicher ist als die früheren Verfahren, bei welchen man mit Äthanol gefällt und gewaschen hat. Das neue Verfahren benötigt viel weniger Lösungsmittel, da man keine beträchtlichen Wassermengen vom Äthanol abtrennen muss, den man aus wirtschaftlichen Gründen wieder benützen soll. Die Cal ciumzuckerphosphate sind in Gegenwart von Calcium chlorid in der Auslaugeflüssigkeit merklich löslich. Geringere Lösungsmittelmengen bewirken daher eine Erhöhung der Ausbeute an Calciumzuckerphosphat. Es hat sich gezeigt, dass die Ausbeuten beim erfindungsgemässen Verfahren etwa 10% höher liegen als bei den bekannten. Ausserdem sind die erfindungsgemäss erhaltenen trockenen Produkte viel leichter filtrierbar.
Die chemische Zusammensetzung der erfindungsgemäss gewonnenen Produkte ist etwa die gleiche wie die gemäss be kannter Verfahren erhaltenen.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung ausführlicher erläutert. Die Zeichnung zeigt schematisch eine Anordnung der Durchführung des Verfahrens. Diese enthält ein Gefäss 20, worin die Bereitung der wässrigen Zuckerphosphorylierungsmischung vor sich geht, und das Trocknen dieser Mischung erfolgt im Sprüh trockner 30. In diesem entsteht ein freifliessendes trokkenes Gemisch, aus welchem man das Calciumchlorid auslaugt und aus dem Rückstand in der Trockenzone 50 das getrocknete Produkt bereitet.
Im Gefäss 20 wird durch Einleiten von Rohrzucker durch 12, Wasser durch 14 und Calciumhydroxyd, Calciumoxyd oder Calciumcarbonat durch 16 eine Mischung bereitet, in die man durch 10 Phosphoroxychlorid (POCI < ) einführt, während die Mischung im Gefäss 20 gerührt wird. Durch entsprechende Kühlung wird die Temperatur im Gefäss zwischen 0 und 200C gehalten. Die Reaktion kann chargenweise oder kontinuierlich erfolgen und man kann das Phosphoroxychlorid als solches einleiten, wie in der Schweizer Patentschrift 494 245 beschrieben oder in einem chlorierten Kohlenwasserstoff, z.B. Tri chloräthylen oder Chloroform gelöst. Das Mengenverhältnis von Zucker zur Calciumverbindung und zum Pliosphoroxychlorid ist vorzugsweise stöchiometrisch, aber das Verfahren lässt sich auch bei anderen Mengenverhältnissen durchführen.
Wenn die Reaktion in 20 entsprechend fortgeschritten ist, entsteht eine trübe Mischung von Calciumzuckerphosphat, Calciumphosphat, Calciumchlorid und unreagiertem Zucker mit Wasser.
Diese Lösung gelangt durch Leitung 22 in die Klärzone 24. Diese enthält eine Zentrifuge mit 24000-50000 Umdr./Min. Die geklärte Flüssigkeit gelangt durch die Leitung 26 in den Sprühtrockner 30, wo sie entwässert wird.
Im Sprühtrockner wird durch Zentrifugalkraft oder pneumatisch die Flüssigkeit zerstäubt und die Tropfen gelangen in eine Trockenkammer, wo sie mit warmer Luft in Berührung kommen. Die Luft wird direkt oder indirekt durch Verbrennungsgase auf 100-3000e: erhitzt.
Die Verdampfungsgeschwindigkeit wird zweckmässig derart bemessen, dass die Temperatur der ausströmenden Luft 80-1500C beträgt. Man erhält auf diese Weise ein festes Produkt, das 0-20% Wasser enthält, poräs und freifliessend ist, mit einer Teilchengrösse von 10 bis 300p.
An Stelle eines Sprühtrockners können auch andere Trockenvorrichtungen verwendet werden.
Aus der Trockenvorrichtung 30 gelangt das feste, freifliessende, Calciumzuckerphosphat, Calciumphosphat, Zucker und Calciumchlorid enthaltende Gemisch durch die Leitung 34 in die Auslaugevorrichtung 38. Hier werden Calciumchlorid und Zucker mit einem Lösungsmittel ausgelaugt Als Lösungsmittel für diesen Zweck können Methanol, Äthanol, Butanol oder deren Mischungen verwendet werden. Vorzugsweise wird Äthanol durch die Leitung 40 eingeleitet, so dass das genannte Gemisch damit ausgelaugt wird. Das Auslaugen kann in Chargen oder kontinuierlich, im Gleich- oder Gegenstrom durchgeführt werden. Das Calciumchlorid und Zucker enthaltende Äthanol wird zweckmässig durch Filtrieren vom fe sten Rückstand getrennt und fliesst durch die Leitung
42 ab.
Durch Abdestillieren wird aus dieser Lösung das Äthanol zurückgewonnen und kann wieder verwendet we-r den.
Das erhaltene feste Gemisch, das, wie gesagt, Calciumzuckerphosphat und Cilciumphosphat enthält, gelangt durch die Leitung 46 in die Nachtrocknungsvorrich tung 50, wo es vom restlichen Athanol und Wasser, vor zugsweise unter erniedrigtem Druck, befreit wird. Durch die Leitung 52 führt man das Endprodukt zur Lagerung.
Ein beispielsweises Produkt enthält weniger als 0,5%
Calciumchlorid und das Mengenverhältnis von organi schem zu anorganischem Phosphor liegt zwischen 1,5 und
3,4, vorzugsweise zwischen 2,0 und 2,8.
Mit Hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens können
Phosphorsäureester verschiedener Zucker enthaltender
Gemische gewonnen werden, also Phosphorsäureester von
Di- und Monosacchariden, wie Galactose, Arabinose, Ri bose, Xylose, Maltose, Luctose, Raffinose und Glucose.
Beispiel
Eine Grundmischung der wässrigen Rohrzucker-Phos phorylierungsfiüssigkeit wurde, wie nachstehend unter den Überschriften Phosphorylierung , Klärung und Mischen beschrieben, hergestellt, und Mischungen, die Calciumrohrzuckerphosphate und anorganisches Calcium phosphat enthalten, wurden aus der Flüssigkeit (a) nach einem bekannten Ausfällungs-Auslaugungsverfahren und (b) nach dem erfindungsgemässen Verfahren erhalten.
Phosphorylierung
Acht Portionen des rohen Reaktionsgemisches werden in einem Reaktionsgefäss aus rostfreiem Stahl von etwa
22,5 Liter Inhalt, das mit einem Rührer hoher Geschwin digkeit ausgerüstet ist, hergestellt. Für jede der Portionen wird das Reaktionsgefäss mit etwa 15 kg entionisiertem
Wasser beladen, die Rührgeschwindigkeit auf 100 U/min.
während 15 Minuten eingestellt und etwa 4,4 kg hydrati sierter Kalk t93,3% Ca(OH)5 zugesetzt. Zu der Kalkauf schlämmung gibt man etwa 10 kg Zuckerlösung (66,7%
Zucker) ebenfalls in 15 Minuten zu. Während der Zuk kerzugabe steigt die Temperatur des Reaktionsgefässes von ungefähr 180 auf 240C. Das Rühren wird weitere 15
Minuten fortgesetzt, um ein vollständiges Mischen sicher zustellen.
Die Kalk-Zuckeraufschlämmung wird darauf durch durch den Mantel des Reaktionsgefässes zirkulierende eiskalte Salzlösung auf 100C abgekühlt. Das Kühlen ist innerhalb 30 Minuten beendet. Während des Kühlens wird fortwährend gerührt.
Phosphoroxychlorid (Stauffer Industrial Division, Morrisville, Pennsylvania) wird langsam in das Reaktionsgefäss eingebracht und die Einflussgeschwindigkeit genau reguliert.
Das Einlassrohr endet über der Flüssigkeitsoberfläche im Reaktionsgefäss und erlaubt, dass die Zugabe von POCl5 auf die Oberfläche des Reaktionsgemisches erfolgt.
Mit dem Inhalt des Reaktionsgefässes, der eine Temperatur von 100C + 10C hat, wird die POCl5-Zugabe- geschwindigkeit bei ungefähr 7 ccm/min. gehalten. 95% des gesamten benötigten POC13 wird bei dieser Geschwindigkeit in 4 Stunden unter heftigem Rühren zugesetzt.
Wenn 95% des POC13 zugesetzt worden sind, wird die Zugabegeschwindigkeit auf ungefähr 5 ccm/min. herabgesetzt. Das restliche POCl5, das benötigt wird, um das Reaktionsgemisch auf einen pH-Wert von 7,5 bis 8 zu bringen, wird bei der herabgesetzten Geschwindigkeit in 30 Minuten zugegeben.
Die gesamte, in das Reaktionsgefäss eingebrachte POC13-Menge beträgt etwa 3,5 kg.
Bei zwei der acht Läufe ist eine leichte Rücktitrierung mit 22,5% Ca(OH)2-Aufschlämmung erforderlich, um den gewünschten pH-Bereich zu erzielen.
Klärung
Das Klären jedes der rohen Reaktionsgemische wird mit einer Zentrifuge hoher Geschwindigkeit vorgenommen (feste Kugel, 50 000 U/min.), um restliche suspendierte Feststoffe zu entfernen. Die Klärungszahlen sind in Tabelle 1 angegeben.
Mischen
Die geklärten wässrigen Reaktionsprodukt-Portionen werden in einem 250-Liter-Polyäthylentank, der mit einem tragbaren Rührer ausgerüstet ist, gemischt. Tabelle 2 zeigt das Gewicht und die Analysen für die Mischung.
Die Endmischung wird Grundmischung genannt.
TABELLE 1
Klärung
Lauf Nr.
Bedii'ungen
1 2 3 4 5 6 7 8 Speisegeschwindigkeit ml/cc/min 200 200 200 200 200 200 200 200 Eingeleihttotal kg 32,50 31,25 32,0 33,0 32,5 32.25 33,0 32,25 Ausgeieihttotal kg 31,75 31,05 31,65 31,65 31,1 31,85 32,6 32,05 Zurückgehalt. Feststoffe g 94,5 97,5 125,0 130,0 180,0 98,0 110,0 85,0 Zurückgehalt. Flüssigkeit g 200,0 220,0 222,0 252,0 304,0 225,0 210,0 212,0 Zahl der Durchgänge 1 2 2 2 2 1 2 2 pH nach Klären 7,2 7,8 7,2 7,6 7,2 7,6 7,2 7,5
TABELLE 2 Grundmischung
Mischen Grundmischung
Lauf Nr.
Menge kg Analyse Gew.-%
1 30,00 pH 7,55
2 29,45 Cl 7,40
3 30,40 H20 59,50
4 30,90 Zucker (frei) 4,70
5 29,60 PT 2,15
6 30,80 P1 0,70
7 30,15 Ca 6,90
8 31,00
Grund mischung 242,30 Bemerkung: In dieser Tabelle bedeutet PT den gesamten Phosphor und PI organischen Phosphor
Reinigung a) SIl.vfez ng/Auslaugung
Ein Teil der Grundmischung (etwa 35 kg) wird in einen 250-Liter-Kessel, der mit Rührer und einem Auslass am Boden versehen ist, eingebracht. Während 65 Minuten werden etwa 58 kg absoluters Äthanol zur der Grundmischung unter kräftigem Rühren, um eine Ausfällung des Produkts zu erreichen, zugesetzt.
Nach Beendigung der Äthanolzugabe wird der erhaltene Niederschlag weitere 30 Minuten gerührt und anschliessend vakuumfiltriert. Die Filtrierungsgeschwindigkeiten sind sehr niedrig. Es werden etwa 8 Stunden bis zur Beendigung des Filtrationszyklus benötigt.
Die filtrierten Feststoffe (etwa 23 kg, feucht) werden durch das Rühren mit etwa 85 kg 80vol.-oigem Äthanol in einem 250-Liter-Polyäthylengefäss 1 Stunde lang ausgelaugt und dann vakuumfiltriert. Diese Feststoffe werden dann drei weitere Male unter Verwendung des gleichen Vorgehens ausgelaugt, wobei sich der Calciumchloridgehalt des Produkts auf ungefähr 0,5 Ges. % (auf Trokkenbasis) erniedrigt. Der feuchte Kuchen aus der vierten Waschung wird mit etwa 43 kg absolutem Äthanol 30 Minuten aufgeschlämmt und nochmals vakuumfiltriert.
Das erhaltene Produkt wird unter Vakuum bei 700C in Schalen getrocknet. Die Gesamtausbeute an getrocknetem Produkt beträgt 5 kg.
Die diesbezüglichen Zahlen sind in der nachstehenden Tabelle angegeben. Wie aus den in dieser Tabelle angegebenen Zahlen errechnet werden kann, ist die gesamte Äthanolmenge gleich ungefähr 46 kg 80vol.-%igem Äthanol je 250 g getrocknetem Produkt.
TABELLE 4
Bedingungen der Sprühtrocknung Atomizerdruck 8 kg/m Gaseinlasstemperatur 185-1910 C Gasauslasstemperatur 112-1250 C Speisegeschwindigkeit 5,2 kg/h gesamte eingeführte Stoffmenge 21,8 kg erhaltene Feststoffe 8,3 kg
Eine Portion von 5,5 kg der sprühgetrockneten Feststoffe wird siebenmal mit 80vol.- ,gOigem Äthanol ausgelaugt. Zum Auslaugen werden die Feststoffe in ein oben offenes 68-Liter-Polyäthylengefäss eingebracht, das mit einem Auslassventil am Boden und mit einem Rührer versehen ist. Die Feststoffe werden dann mit 11 kg 80 vol.-%igem Äthanol behandelt. Die Aufschlämmung wird eine Stunde gerührt und dann vakuumfiltriert. Die Filtrierungsgeschwindigkeiten sind sehr hoch. Nach Beendigung der 6.
Auslaugungsstufe wird ein Muster des feuchten Kuchens bei 700C unter Vakuum getrocknet. Das getrocknete Muster enthält 0,4% Calciumchlorid. Es wird noch eine 7. Aufschlämmung vorgenommen, um den Chloridgehalt noch weiter herabzusetzen.
Der feuchte Kuchen aus der 7. Auslaugungsstufe (5 kg) wird mit 4 kg absolutem Äthanol gewaschen. Die Aufschlämmung wird mit Äthanol 30 Minuten gerührt und dann vakuumfiltriert.
Die aus der Waschstufe erhaltenen Feststoffe (3,4 kg) werden über Nacht unter einem Vakuum von 0,9 mm
TABELLE 3 Fällen/Auslaugen
A uslaugungsstu f en Bedingungen Fällungsstufe
1 2 3 4 Waschen Eingesetzte Grundmischung, kg 35 Eingebrachtes abs. Äthanol, kg 58 - - - - 43,25 Äthanol (80 vol.%ig), kg - 85 85 85 85 Eingesetzter feuchter Kuchen, kg - 23,25 18,5 17,15 15,9 13,75 Erhaltene feuchte Feststoffe, kg 23,25 18,05 17,15 15,9 13,75 9,25 Erhaltene Mutterlauge, kg 58 74,50 77,5 78,50 68,00 44,80 Rühren, Std. 0,5 1,0 1,0 1,0 1,0 0,5 Ausfällen Min.
65 - - - - - Temperatur 0C 22 22 22 22 22 22 b) Spriihtrocknung / A usfällung
Etwa 22 kg der Grundmischung werden unter den in Tabelle 4 zusammengestellten Bedingungen vor dem Auslaugen sprühgetrocknet.
Das Sprühtrocknen erfolgt in einer Bower-Apparatur (Bower LAB-Modell 76 cm Durchmesser, direkt beheizt, zentrifugaler Plattenatomizer) mit einer Verdampfungskapazität von ungefähr 5 kg/h. Für die direkte Beheizung wird natürliches Gas verwendet.
Hg/800C getrocknet. Die erhaltenen trockenen Feststoffe wiegen 2,6 kg. Der gesamte Äthanolverbrauch ist gleich 16 kg 80vol.-%igem Äthanol je 250 g getrocknetem Produkt.
Die Auslaugungsdaten für dieses Beispiel sind in Tabelle 5 angegeben. Die Produktanalysen sind generell in Tabelle 6 aufgeführt.
Aus der obigen Beschreibung geht hervor, dass die besonderen Vorteile der vorliegenden Erfindung gegen über den bekannten Verfahren zur Entfernung des Calciumchlorids aus Mischungen mit Calcium-Zuckerphos phaten und anorganischem Calciumphosphat in der weich ten Filtrierung und der Alkoholwiedergewinnung, in einer Reduktion des Alkoholverbrauchs, einer Herabsetzung der Arbeitszeit, einer Verbesserung der Ausbeute und einer Reduktion der Grösse der Auslaugungsapparatur für eine bestimmte Produktkapazität liegen. Die hauptsächliche Herabsetzung der Arbeitszeit, verglichen mit dem bisher bekannten Ausfällungs-Auslaugungs-Verfahren wird während der Filtrierung errechnet, da das ausgefallene Material fein und flockig ist und es Schwierigkeiten bereitet, dieses vom Standpunkt der Filtrierungsgeschwindigkeit und der Produktenausbeute zu filtrieren.
TABELLE 5
Auslaugen
A uslaugungsstufen Bedingungen
1 2 3 4 5 6 7 Waschen Sprühgetrocknete Feststoffe, eingebracht, kg 5,5 - - - - - - - Absolutes Äthanol, kg - - - - - - - 5.0 Äthanol (80 vol.%ig), kg 11,0 11,0 11,0 11,0 11,0 11,0 11,0 Eingebrachte feuchte Feststoffe, kg - 7,25 6,44 4,89 4,61 5,5 4,7 4,7 Erhaltene feuchte Feststoffe, kg 7,27 6,44 4,89 4,61 5,5 4,7 4,7 3,35 Erhaltene Mutterlauge, kg 9,35 11,80 11,55 10,90 11,35 11,15 11,40 5,80 Rührzeit, Std.
1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 0,5 Temperatur C 22 22 22 22 22 22 22 22
TABELLE 6
Produktenanalyse
Produkte nach Verfahren
Analyse (a) (b)
PT, % 9,99 10,0 P1,% 3,06 3,0
PT/PI 3,30 3,33
Chlorid, 0/0 0,28 0,30
Calcium, % 13,1 13,3 H20, % 2,04 10,4 pH 8,3 7
Zucker (frei), % 1,28 3,1 Bemerkung: In dieser Tabelle beziehen sich PT (Gesamtphosphor), PI (anorganischer Phosphor), Chlorid und Calcium auf eine trockene, zuckerfreie Basis.