СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ БЕТАИНА
METHOD OF EXTRACTING BETAINE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
+
+
Настоящее изобретение относится к способу хроматографического выделения бетаина на слабокислой катионообменной смоле в Н-форме из растворов, полученных из сахарной свеклы. Применимые растворы, полученные из сахарной свеклы, включают, например, растворы, полученные из растворов, образованных при переработке свеклы, мелассу, растворы из процессов сбраживания и винассы. Настоящее изобретение также относится к способу хроматографического выделения дополнительных соединений, таких как полиолы и/или карбоновые кислоты, на слабокислой катионообменной смоле в Н-форме из растворов, полученных из сахарной свеклы.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Хроматографическое выделение применялось для извлечения бетаина из природных материалов, таких как свекольная черная патока, бетаиновая меласса и винасса. Смолы, наиболее часто использовавшиеся в известных способах хроматографического разделения, представляли собой сильнокислые катионообменники, то есть сульфированные полистиролы, сшитые дивинилбензолом от 3,5 до 8% по весу, причем смолы находятся в одновалентной или двухвалентной форме. В общем предпочтительным элюентом была вода, но использование воды создавало такую проблему, что разнообразные продукты, такие как бетаин, эритрит, инозит, сахароза и маннит, имеют схожие времена удержания, вследствие чего фракции перекрываются.
Патент США US 4359430 описывает способ выделения бетаина из мелассы и винассы с использованием хроматографической колонки с солью полистирольной сульфонатной катионообменной смолы, при элюировании водой. Сильнокислая катионообменная смола находится в форме соли со щелочным металлом. Первая выделяемая фракция представляет собой фракцию отходов, вторая фракция содержит значительную долю сахаров из исходного для разделения раствора, и третья фракция преимущественно состоит из бетаина.
+
2+
Патентная Заявка США 2002/0120135 описывает способ хроматографического отделения рамнозы и арабинозы от других моносахаридов в отходах после кристаллизации ксилозы с использованием слабокислой катионообменной смолы в Н/Mg-форме.
Патентная Заявка США 2005/0161401 описывает хроматографический способ разделения бетаина, маннита, глицерина и инозита друг от друга с использованием слабоосновной анионообменной смолы.
+
Патент США US 6770757 описывает способ выделения бетаина и дополнительных соединений, таких как эритрит, инозит, маннит, глицерин и аминокислоты, из исходных материалов, содержащих соответствующие соединения, с использованием слабокислой катионообменной смолы в Na-форме в системе хроматографического разделения. Значения рН исходных разделяемых растворов варьируют между рН 6 и рН 11, и таковые для элюата, то есть раствора, выходящего из колонки, варьируют от 6,5 до 11. Бетаин вымывался из системы после солей, с последующим выходом эритрита, маннита и глицерина. Инозит вымывался последним в виде отдельного пика.
+
Патент США US 5032686 описывает способ выделения лимонной кислоты из жидких сред сбраживания с использованием сильнокислой катионообменной смолы в Н-форме. Первые элюированные фракции содержали соединения с высокой молекулярной массой, такие как сахароза, мальтоза и изомальтоза. Последующие фракции содержали лимонную кислоту, и последние фракции содержали, например, бетаин и разнообразные органические кислоты, такие как глюконовая кислота и щавелевая кислота.
+
Tanaka K. и сотрудники (Journal of Chromatography, том 850 (1999), стр. 187-196) раскрывают аналитический метод эксклюзионной хроматографии для разделения карбоновых кислот на слабокислой катионообменной смоле в Н-форме. Когда в качестве элюента использовалась вода, форма пиков и разрешение между карбоновыми кислотами были неудовлетворительными. Чтобы улучшить форму пиков, в качестве элюента был испытан разбавленный раствор серной кислоты. Далее, было показано, что добавление метанола к этому элюенту сокращает времена удержания карбоновых кислот, имеющих гидрофобную природу. В дополнение к эксклюзии по размеру молекул и ионной эксклюзии, на порядок элюирования влияли значения кислотности рКа и гидрофобно/гидрофильная природа карбоновых кислот.
+
+
+
Бетаин присутствует в растениях, таких как сахарная свекла, в небольших количествах, и его выделение в виде чистого продукта из экстрактов сахарной свеклы и побочных фракций сахарного производства или сбраживания требует применения эффективных способов обогащения, таких как хроматографическое разделение. Теперь было неожиданно обнаружено, что при использовании слабокислой катионообменной смолы в Н-форме для хроматографического разделения соединений на фракции бетаин может быть выделен из растворов, полученных из сахарной свеклы, таких как растворы из процессов сбраживания, винасса и прочие растворы, образованные из сахарной свеклы, в виде отдельной фракции, вымываемой после соединений, которые ранее были известны как выходящие после бетаина. Порядок элюирования бетаина на слабокислой катионообменной смоле в Н-форме тем самым отличается от такового, ранее известного для поведения на сильнокислых катионообменных смолах или на слабокислой катионообменной смоле в Na-форме. Этот эффект является в особенности благоприятным при фракционировании многокомпонентных растворов, содержащих бетаин и прочие соединения, которые имели сходные или почти сходные времена удержания на других разделительных средах.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
+
+
+
+
+
+
+
Настоящее изобретение относится к способу хроматографического выделения бетаина из растворов, полученных из сахарной свеклы, на слабокислой катионообменной смоле в Н-форме. Настоящее изобретение также относится к способу хроматографического выделения дополнительных соединений, таких как полиолы и/или карбоновые кислоты, из растворов, полученных из сахарной свеклы, на слабокислой катионообменной смоле в Н-форме. Далее, настоящее изобретение относится к способу хроматографического отделения бетаина от других карбоксильных соединений на слабокислой катионообменной смоле в Н-форме, путем концентрирования бетаина в виде отдельной фракции. В дополнение, настоящее изобретение относится к способу выделения бетаина из раствора, полученного из сахарной свеклы, в системе хроматографического разделения, где слабокислая катионообменная смола в Н-форме используется по меньшей мере в одной хроматографической колонке для хроматографического разделения. Настоящее изобретение также относится к способу хроматографического выделения бетаина из растворов, полученных из сахарной свеклы, на слабокислой катионообменной смоле в Н-форме, в котором величина рН хроматографической системы применяется для регулирования и/или контроля коэффициента удержания бетаина. Далее, настоящее изобретение относится к применению слабокислой катионообменной смолы в Н-форме для хроматографического выделения бетаина и, необязательно, также дополнительных соединений, таких как полиолы и/или карбоновые кислоты, из раствора, полученного из сахарной свеклы. Настоящее изобретение также относится к применению слабокислой катионообменной смолы в Н-форме для хроматографического отделения бетаина от прочих карбоксильных соединений.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Нижеследующие чертежи представляют собой иллюстративные варианты осуществления изобретения и не предполагают ограничения рамок изобретения, каковые определены в пунктах формулы изобретения.
Фиг.1 является графическим представлением профилей элюирования и величин рН согласно Примеру 1.
Фиг.2 является графическим представлением профилей элюирования и величин рН согласно Примеру 2.
Фиг.3 является графическим представлением профилей элюирования и величин рН согласно Примеру 3.
Фиг.4 является графическим представлением профилей элюирования и величин рН согласно Примеру 4.
Фиг.5 является графическим представлением профилей элюирования и величин рН согласно Примеру 5.
Фиг.6 является графическим представлением профилей элюирования и величин рН согласно Примеру 6.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
+
+
Существует непреходящая потребность в использовании дополнительных сырьевых материалов для получения соединений, ценных в промышленном и/или питательном отношении, типа бетаина, полиолов и карбоновых кислот. Одним альтернативным решением для извлечения таких соединений является применение растворов, образованных в процессах сбраживания сырья из сахарной свеклы, таких как, например, растворы из процессов лимоннокислого, дрожжевого или спиртового брожения, или винассы, такие как лимоннокислые или спиртовые винассы, в качестве сырьевых материалов. Теперь неожиданно было обнаружено, что при употреблении слабокислой катионообменной смолы в Н-форме в качестве материала носителя в колонке для хроматографического разделения бетаин может быть выделен в кислотных условиях в виде очень чистой фракции, например, из растворов, образованных в процессах сбраживания. Кроме того, было найдено, что кислотные растворы из процессов сбраживания или винасса вообще и винасса из жидкой среды лимоннокислого брожения, в частности, представляют собой растворы, пригодные для фракционирования с образованием обогащенной бетаином фракции при хроматографическом разделении на слабокислой катионообменной смоле в Н-форме. Соответственно этому, могла бы быть исключена необходимость предварительной обработки раствора для регулирования величины рН перед хроматографическим разделением.
+
+
В вышеописанных обстоятельствах сильнокислая катионообменная смола (SAC) в Н-форме, например, могла бы не оставаться стабильной. Когда в подаваемом растворе присутствуют соли, функциональная группа SAC-смолы будет очень легко изменяться из Н-формы на форму соли с металлическим катионом, даже в условиях кислотной среды, в отличие от поведения слабокислой катионообменной смолы.
+
+
+
+
+
Согласно настоящему изобретению слабокислая катионообменная смола в Н-форме применяется в качестве материала носителя для заполнения колонки в способе хроматографического выделения бетаина, необязательно в виде отдельной обогащенной бетаином фракции, из растворов, полученных из сахарной свеклы. Бетаин может быть выделен из обогащенной фракции, например, путем кристаллизации. Согласно настоящему изобретению слабокислая катионообменная смола в Н-форме также употребляется в способе хроматографического выделения еще и дополнительных соединений, таких как полиолы и/или карбоновые кислоты, в дополнение к бетаину, из растворов, полученных из сахарной свеклы. Далее, согласно настоящему изобретению слабокислая катионообменная смола в Н-форме используется в способе хроматографического отделения от других карбоксильных соединений. Согласно настоящему изобретению слабокислая катионообменная смола в Н-форме применяется по меньшей мере в одной стадии хроматографического разделения для выделения бетаина. В дополнение, согласно настоящему изобретению слабокислая катионообменная смола в Н-форме используется по меньшей мере в одной хроматографической колонке или в одном частично набитом слое колонки в системе хроматографического разделения для выделения бетаина из растворов, полученных из сахарной свеклы.
+
В настоящем изобретении слабокислая катионообменная смола в Н-форме (водородной форме) имеет отношение к слабокислой катионообменной смоле главным образом в недиссоциированной СООН-форме. Количество недиссоциированной СООН-формы слабокислой катионообменной смолы согласно изобретению составляет более чем 50%, предпочтительно по меньшей мере 67% и более предпочтительно более 90%.
Раствор, полученный из сахарной свеклы, согласно настоящему изобретению представляет собой любой раствор, гидролизат и/или экстракт, образованный из сахарной свеклы. Раствор может быть получен при дальнейшей переработке таких растворов, образованных из свеклы при сбраживании, например, при лимоннокислом, дрожжевом или спиртовом брожении, или при переработке растворов, полученных из сахарной свеклы, таких как черная патока из сахарной свеклы, бетаинсодержащие фракции, бетаиновая меласса, маточная жидкость от кристаллизации бетаина или винасса. Бродильные растворы, меласса и винасса типично обогащены неорганическими солями и типично содержат бетаин на уровне 5-75% сухой твердой субстанции (DS) и смесь разнообразных типов дополнительных органических соединений. Дополнительные соединения, отделяемые путем обогащения по отдельности или объединенные для выделения фракции или фракций по способу согласно настоящему изобретению, включают полиолы, такие как эритрит, инозит, маннит и глицерин, и/или карбоновые кислоты, такие как лимонная кислота, молочная кислота, уксусная кислота, щавелевая кислота и пирролидонкарбоновая кислота и/или их смеси. В хроматографическом разделении согласно настоящему изобретению соединения разделяются на фракции, которые являются обогащенными целевым соединением. Обогащенная фракция содержит более высокую концентрацию по весу сухой субстанции для данного соединения, чем в растворе, использованном в качестве подаваемого раствора.
Способ согласно настоящему изобретению может быть выполнен независимо, или он может быть скомбинирован с другими стадиями процесса или включать таковые, например, такие как дополнительное хроматографическое разделение, кристаллизация, выпаривание, ионный обмен, фильтрование, мембранная фильтрация и/или некоторые другие известные стадии процесса. Способ согласно изобретению предпочтительно может быть скомбинирован с одной или более вышеназванными дополнительными стадиями обработки или включать таковые.
Стадия дополнительного хроматографического разделения может быть выполнена с использованием, например, сильнокислой катионообменной смолы (SAC), сильноосновной анионообменной смолы (SBA) или слабоосновной анионообменной смолы (WBA), в зависимости от состава исходного раствора, полученного из сахарной свеклы, и/или от соединений, выбранных для выделения.
Способ согласно изобретению предпочтительно может быть скомбинирован с дополнительной стадией выделения бетаина или может включать таковую. Выделение бетаина может быть выполнено, например, с помощью кристаллизации. Способ согласно изобретению может быть также необязательно скомбинирован с дальнейшей стадией выделения или включать таковую для дополнительного соединения или соединений, таких как полиолы и/или карбоновые кислоты.
+
Хроматографическую колонку или часть колонки (частичная набивка слоя в колонке), применяемую в способе согласно настоящему изобретению, заполняют слабокислой катионообменной смолой в Н-форме, предпочтительно акриловой катионообменной смолой, имеющей карбоксильные функциональные группы. Такая акриловая смола предпочтительно является производной из метилакрилата, этилакрилата, бутилакрилата, метилметакрилата или акрилонитрила или акриловых кислот или их смесей. Смола может быть сшитой с помощью сшивающего реагента, например, дивинилбензола (DVB). Подходящая степень сшивания составляет от 1 до 20%, предпочтительно от 3 до 8%. Средний размер частиц смолы нормально составляет от 10 до 2000 мкм, предпочтительно от 100 до 400 мкм.
Хроматографическое разделение предпочтительно выполняется при температурах от 10 до 95ºС, более предпочтительно от 30 до 95ºС, наиболее предпочтительно от 65 до 95ºС. Известно, что более высокая температура при разделении понижает вязкость и улучшает производительность разделения, но является более опасной для чувствительных соединений в подаваемом растворе.
Элюент, применяемый при хроматографическом разделении согласно настоящему изобретению, предпочтительно представляет собой воду или воду с корректированным значением рН.
+
+
Полученный из сахарной свеклы раствор, который должен быть фракционирован, необязательно подвергается предварительной обработке перед хроматографическим разделением с помощью фильтрования, которое может быть проведено с использованием напорного фильтра с привлечением вспомогательного фильтровального средства или без такового. Далее, при необходимости, величина рН раствора, применяемого в качестве подаваемого раствора, регулируется до значения рН ниже 6, предпочтительно до значения рН ниже 5,1, более предпочтительно до значений рН между 1,4 и 5,1, и наиболее предпочтительно до значений рН между 3 и 4,5. Когда величина рН подаваемого раствора является высокой (>4,2), слабокислая катионообменная смола согласно изобретению частично изменяется от своей первоначальной Н-формы до ионной формы и соответственно этому приходит в равновесие на определенном уровне Н-формы. Тип ионной формы зависит от ионов в подаваемом растворе. В предпочтительном диапазоне величин рН подаваемого раствора, при значении рН ниже 4,2, слабокислая катионообменная смола остается в своей первоначальной протонной форме, и для многих сырьевых материалов эффективное хроматографическое разделение согласно изобретению может быть выполнено без регенерации смолы.
Подаваемый раствор может быть профильтрован перед корректированием значения рН или после такового. Перед хроматографическим разделением содержание сухой субстанции в подаваемом растворе регулируется до подходящего уровня, предпочтительно в диапазоне 20-60%.
Для подачи раствора в колонку применяется подающее устройство. Температура колонки, подаваемого раствора и элюента наиболее предпочтительно являются приблизительно такими же, как температура хроматографического разделения. Это достигается предварительным нагреванием подаваемого раствора. Периодически добавляемый исходный для разделения раствор элюируется в колонке путем подачи в колонку воды, например деминерализованной воды или водного конденсата или некоторых других водных растворов. Предпочтительно применяется предварительно нагретый элюент. Скорость потока в колонке регулируется на подходящем уровне. Во время элюирования внутри колонки разделение или распределение соединений из подаваемого раствора происходит благодаря их различиям в размере молекул и ионной природе и/или вследствие гидрофобно/гидрофильных взаимодействий соединений со смолой, и т.д., и соответственно самые подвижные соединения выходят из колонки первыми. Фракции, обогащенные целевыми соединениями, собираются через определенные интервалы. Выходящий из колонки поток может быть прослежен с помощью постоянного приборного мониторинга или анализирования с подходящей периодичностью. Продукт, обогащенный во фракции, например, бетаин, и необязательно также полиолы, такие как эритрит, маннит, инозит, глицерин, и/или карбоновые кислоты, такие как лимонная кислота, щавелевая кислота, молочная кислота, уксусная кислота и/или пирролидонкарбоновая кислота (РСА), может быть выделен подходящими способами, например, такими как кристаллизация.
+
Способ согласно настоящему изобретению может быть выполнен как отдельная стадия в многостадийном процессе, когда дополнительное хроматографическое разделение, кристаллизация, выпаривание и/или фильтрование, например, применяется по меньшей мере однократно как дополнительная стадия многостадийного процесса. Далее, возможно расположение двух или более хроматографических колонок в последовательности, в которой по меньшей мере одна колонка или часть колонки содержит слабокислую катионообменную смолу в Н-форме, другая колонка или колонки, содержащие тот же или отличающийся тип смолы, такой как сильнокислая катионообменная смола. Применяемая хроматографическая система может быть либо процессом периодического действия, либо системой, воспроизводящей подвижный слой. Система, воспроизводящая подвижный слой, может быть либо непрерывной, либо многостадийной.
+
Возможно также соединение двух хроматографических колонок или части колонок, содержащих слабокислую катионообменную смолу в Н-форме, между собой некоторыми прочими производственными блоками. Производственные блоки могут представлять собой, например, фильтрование, мембранную фильтрацию, регулирование величины рН или концентрирование путем выпаривания. Специалисту в этой области технологии очевидно, что порядок расположения производственных блоков может выбираться и варьировать.
+
В одном варианте осуществления способ согласно изобретению выполняется как независимый процесс. В этом варианте осуществления раствор, полученный из сахарной свеклы, подается в колонку, заполненную слабокислой катионообменной смолой в Н-форме, и компоненты подаваемого раствора вымываются элюентом для их разделения по меньшей мере на две фракции, в которых одна из фракций обогащена бетаином. Подаваемый раствор тем самым может быть фракционирован на фракцию, обогащенную бетаином, и, необязательно, также еще одну фракцию или другие фракции, обогащенные дополнительными соединениями. Предпочтительно бетаин и необязательно также дополнительное соединение далее выделяются из фракции, содержащей конкретное соединение. Дополнительные соединения, выделяемые способом согласно настоящему изобретению, включают полиолы, такие как эритрит, инозит, маннит, глицерин, и/или карбоновые кислоты, такие как лимонная кислота, молочная кислота, уксусная кислота и пирролидонкарбоновая кислота и/или их смеси.
+
В еще одном варианте осуществления способ согласно изобретению выполняется как отдельная стадия многостадийного процесса, в котором она скомбинирована по меньшей мере с одной дополнительной стадией процесса. В этом варианте осуществления раствор, полученный из сахарной свеклы, может быть фракционирован в первой хроматографической колонке, содержащей, например, сильнокислую катионообменную смолу, которая соединена со второй хроматографической колонкой, содержащей слабокислую катионообменную смолу в Н-форме, с образованием фракции, обогащенной бетаином, и, необязательно, другой фракции или фракций, обогащенных дополнительным(-ми) соединением(-ями). Предпочтительно бетаин и необязательно также дополнительное соединение далее выделяются из фракции, содержащей конкретное соединение. Такая компоновка еще более улучшает производительность разделения и повышает выходы и чистоту продуктов. Выход бетаина также улучшается при удалении побочных продуктов из процесса.
В еще одном варианте осуществления способ согласно изобретению включает по меньшей мере одну дополнительную стадию процесса, в котором способ согласно изобретению представляет собой отдельную стадию многостадийного процесса. Дополнительная стадия процесса может представлять собой, например, хроматографическое разделение, кристаллизацию, выпаривание, фильтрование и/или мембранную фильтрацию.
+
+
+
+
+
В общем представляется, что на порядок вымывания различных соединений на слабокислых катионообменных смолах, в дополнение к эксклюзии по размеру молекул и ионной эксклюзии, влияют гидрофобно/гидрофильные взаимодействия соединений со смолой. Согласно предшествующим исследованиям порядок элюирования различных соединений (например, карбоновых кислот) на слабокислой катионообменной смоле в Н-форме определяется значениями кислотности рКа соединений. В общем, чем ниже значение рКа, тем короче время удержания того же соединения. Однако порядок элюирования бетаина (рКа=1,832) на слабокислой катионообменной смоле в Н-форме не следует всецело этим правилам. Неожиданно оказалось, что слабокислая катионообменная смола в Н-форме является более гидрофобной, чем в форме соли с металлическим катионом (таким как Na, K и т.д.), и имеет очень высокое сродство к бетаину, который является гидрофобной молекулой.
+
В способе согласно настоящему изобретению порядок элюирования отдельных компонентов в хроматографической колонке отличается от порядка, полученного в более ранних способах, основанных, например, на применении слабокислой катионообменной смолы в Na-форме или сильнокислых катионообменных смолах, и эта особенность может быть преимущественно использована в отделении компонентов многокомпонентной композиции друг от друга. Согласно настоящему изобретению бетаин эффективно концентрируется и отделяется от солей, эритрита, инозита, маннита, глицерина и карбоновых кислот благодаря его вымыванию (более высокий коэффициент удержания) позже вышеперечисленных компонентов. Далее, например, инозит отделяется от бетаина и глицерина благодаря его вымыванию раньше глицерина и бетаина в способе согласно изобретению.
+
+
+
Неожиданно было обнаружено, что объем удержания и коэффициент удержания бетаина варьируют в зависимости от величины рН при хроматографическом разделении, в особенности от величины рН подаваемого раствора, и чем ниже величина рН, тем выше коэффициент удержания. На элюирование бетаина из колонки для хроматографического разделения влияют изменения величины рН подаваемого раствора, тогда как большинство карбоксильных компонентов вымывается приблизительно в одно и то же время, независимо от величины рН подаваемого раствора. Коэффициент удержания бетаина может контролироваться и/или регулироваться путем корректирования величины рН при хроматографическом разделении. Корректирование величины рН при хроматографическом разделении может быть проведено корректированием величины рН элюента и/или вводимого раствора, но предпочтительно выполняется корректированием величины рН подаваемого раствора до желательного уровня, до величины рН ниже рН 6. Например, путем изменения величины рН подаваемого раствора от рН 5,1 до рН 1,4 коэффициент удержания бетаина изменяется от 1,3 до 2,9. Снижение величины рН подаваемого раствора, полученного из сахарной свеклы, до значения рН ниже 5,1 может быть использовано для замедления скорости элюирования бетаина, когда при хроматографическом разделении применяется колонка, заполненная слабокислой катионообменной смолой в Н-форме. Соответственно этому, может быть достигнуто более эффективное обогащение бетаином бетаиновой фракции. Таким образом, путем корректирования величины рН подаваемого раствора хроматографическое отделение бетаина от других соединений в растворах, полученных из сахарной свеклы, может быть оптимизировано на слабокислой катионообменной смоле в Н-форме. Корректирование величины рН подаваемого раствора может быть также использовано для контроля и/или регулирования хроматографического отделения бетаина от других карбоксильных соединений на слабокислой катионообменной смоле в Н-форме.
Способ согласно настоящему изобретению делает возможным обогащение бетаином бетаиновой фракции в степени от 1,5 до 50 раз, предпочтительно от 2 до 5 раз, сравнительно с раствором, полученным из сахарной свеклы, например, с максимальной чистотой более чем 50% сухой твердой субстанции (DS), преимущественно более чем 70% сухой твердой субстанции и более преимущественно более чем 85% сухой твердой субстанции.
+
+
Способ согласно настоящему изобретению делает возможным отделение и необязательно также извлечение бетаина с хорошими выходами и с высокой чистотой (от 80 до 95% сухой твердой субстанции (DS)) из раствора, полученного из сахарной свеклы, такого как растворы из процессов сбраживания и/или винассы, которые были бы трудоемкими при использовании известных способов, например, с употреблением слабокислой катионообменной смолы в Na-форме или сильнокислой катионообменной смолы. Например, когда сильнокислая катионообменная смола (SAC) применяется для хроматографического выделения бетаина, такие же уровни выхода и чистоты достигаются при двух хроматографических разделениях, тогда как только одно разделение требуется на слабокислой катионообменной смоле в Н-форме. Далее, способ согласно настоящему изобретению также обеспечивает возможность одновременно или по отдельности концентрировать и извлекать дополнительные соединения, такие как полиолы типа эритрита, инозита, маннита, глицерина, и/или карбоновые кислоты типа лимонной кислоты, молочной кислоты и/или пирролидонкарбоновой кислоты, с хорошими выходами и чистотой из растворов, образованных в процессах сбраживания или винассах, что также было бы трудоемким с другими известными способами.
В одном варианте осуществления соответственно способу изобретения применение лимоннокислой винассы в качестве подаваемого раствора позволяет извлечь бетаин и лимонную кислоту в виде отдельных фракций. Бетаин и лимонная кислота подвергаются oба концентрированию в степени от 1,5 до 20, преимущественно от 2 до 5 раз. Бетаин может быть концентрирован в бетаиновой фракции до чистоты более 60% сухой твердой субстанции (DS), более предпочтительно более 80% сухой твердой субстанции, и лимонная кислота в отдельной фракции до чистоты более 20% сухой твердой субстанции, более предпочтительно более 35% сухой твердой субстанции, соответственно.
+
Одно преимущество способа согласно настоящему изобретению состоит в том, что один элюент, а именно вода, может быть эффективно использован для выделения желательных соединений на слабокислой катионообменной смоле в Н-форме и также в необязательных дополнительных хроматографических стадиях. Когда вода применяется в качестве элюента при хроматографическом разделении, упрощается обращение с ней, снижаются затраты и повышается безопасность. В разделении различный порядок элюирования бетаина и, например, инозита представляет дополнительное преимущество в способе согласно настоящему изобретению, также обеспечивая возможность эффективного концентрирования дополнительных соединений, таких как эритрит, инозит, маннит, глицерин, лимонная кислота, молочная кислота и/или пирролидонкарбоновая кислота, в дополнение к бетаину.
Согласно правилам IUPAC (Международный Союз Теоретической и Прикладной Химии) термины, имеющие отношение к хроматографическому процессу и теории хроматографии, включают:
Объем (время) задержки (VM, tM) равен объему (времени) удержания не удерживаемого в колонке соединения.
Приведенный объем (время) удерживания (VR', tR') представляет собой общий объем (время) элюирования минус объем (время) задержки.
Коэффициент удержания (k) математически представляет собой отношение приведенного объема (времени) удерживания к объему (времени) задержки: k=VR'/VM=tR'/tM.
Нижеприведенные примеры иллюстрируют настоящее изобретение. Примеры не должны толковаться как ограничивающие пункты формулы изобретения каким бы то ни было образом.
ПРИМЕР 1
Сравнительный пример, показывающий хроматографическое разделение бетаинового элюата на слабокислой катионообменной смоле в Na
-форме (рН 8,9)
+
+
Бетаиновый элюат был получен при хроматографическом разделении свекольной мелассы и содержал несколько соединений типа бетаина, инозита, эритрита, маннита и глицерина. В качестве подаваемого раствора он был подвергнут хроматографическому разделению, которое было выполнено в лабораторной хроматографической разделительной колонке в режиме периодического процесса. Колонку с диаметром 0,045 м заполнили акриловой слабокислой катионообменной смолой (Finex CA 12 GC), изготовленной фирмой Finex Oy, Финляндия. Смола представляла собой смолу на основе этилакрилата. Высота слоя смолы составляла около 0,70 м. Степень сшивания смолы составляла 6,0% дивинилбензола (DVB), и средний размер частиц смолы составлял 0,26 мм. Смола была в Na-форме. Величина рН смолы была высокой после процесса изготовления. Подающее устройство было размещено на верхней части слоя смолы. Температура колонки, подаваемого раствора и водного элюента составляла приблизительно 80ºС. Скорость потока в колонке была отрегулирована на 4 мл/мин. Подаваемый раствор был профильтрован через фильтр с использованием диатомовой земли в качестве вспомогательного средства для фильтрования. Величина рН подаваемого раствора составляла 8,9.
Хроматографическое разделение было проведено следующим образом:
Стадия 1: Сухую субстанцию подаваемого раствора определили и скорректировали до уровня 25 г сухой субстанции в 100 г раствора согласно коэффициенту преломления (RI) раствора.
Стадия 2: 100 мл предварительно нагретого подаваемого раствора закачали на верхнюю часть слоя смолы (через подающее устройство).
Стадия 3: Промывали исходный для разделения раствор вниз по колонке путем подачи на верх колонки предварительно нагретой воды, подвергнутой ионному обмену.
2+
3
2
Стадия 4: Собирали образцы выходящего раствора порциями по 10 мл с 3-минутными интервалами. Определяли концентрацию, удельную электрическую проводимость (мС/см) и величину рН образцов. Состав образцов анализировали с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ, HPLC) (Са-колонка, 0,6 мл/мин, 0,001 М Ca(NO), 85ºС).
Бетаин вымывался из колонки после солей. Сахароза имела время удержания, почти идентичное таковому для бетаина. Объем задержки 99 мин и время элюирования 168 мин дали коэффициент удержания бетаина 0,7. Эритрит, маннит и глицерин имели почти сходные времена удержания и вымывались почти одним пиком после пика бетаина. Порядок элюирования согласуется с гидрофобно/гидрофильной природой компонентов. Использованная смола отделила бетаин и инозит от других основных компонентов, солей, глицерина, маннита и эритрита. Величина рН элюата (то есть, вышедшего раствора) составляла между 8 и 11. Профиль разделения представлен в Фигуре 1.
ПРИМЕР 2
Хроматографическое разделение винассы на слабокислой катионообменной смоле в Н
-форме (рН 3,6)
+
Исходная жидкость, использованная для разделения, представляла собой винассу из лимоннокислого процесса сбраживания. Винасса главным образом содержала бетаин, глицерин, неорганические соли и органические кислоты типа лимонной кислоты и небольшие количества молочной кислоты, щавелевой кислоты, уксусной кислоты, пирролидонкарбоновой кислоты (РСА) и сахаров. Винасса имела приблизительно следующий состав (% по RDS (сухая субстанция по рефрактометрическим измерениям)):
Бетаин 17,1
Глицерин 1,8
Лимонная кислота 7,8
Прочие субстанции 73,3
Величина рН раствора составляла 3,6.
+
Раствор профильтровали через фильтр с использованием диатомовой земли в качестве вспомогательного средства для фильтрования. Винасса была использована в качестве подаваемого раствора и подвергнута хроматографическому разделению. Разделение выполняли в хроматографической разделительной колонке пилотного масштаба в режиме периодического процесса. Колонку с диаметром 0,09 м заполнили слабокислой катионообменной смолой (Finex CA 16 GC, степень сшивания 8% дивинилбензолом (DVB), емкость 4,4 эквивалента/литр), изготовленной фирмой Finex Oy, Финляндия. Смола представляла собой смолу на основе акрилата, и средний размер частиц смолы в натриевой форме составлял 0,41 мм. Смолу регенерировали в водородную форму (Н), после чего высота слоя смолы составила приблизительно 1,7 м. Температура колонки, подаваемого раствора и водного элюента составляла 75ºС. Скорость потока в колонке была отрегулирована на 3 л/час.
Хроматографическое разделение было проведено с повторением следующих стадий:
Стадия 1: Сухую субстанцию подаваемого раствора скорректировали до уровня 35 г сухой субстанции в 100 г раствора согласно коэффициенту преломления (RI) раствора.
Стадия 2: 640 мл предварительно нагретого подаваемого раствора закачали на верхнюю часть слоя смолы.
Стадия 3: Промывали исходный для разделения раствор вниз по колонке путем подачи на верх колонки предварительно нагретой воды, подвергнутой ионному обмену.
+
2
4
Стадия 4: Собирали образцы выходящего раствора порциями по 50 мл с 5-минутными интервалами. Определяли концентрацию, удельную электрическую проводимость (мС/см) и величину рН образцов. Состав образцов анализировали с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ, HPLC) (Nа-колонка, 0,6 мл/мин, 85ºС, 0,003 М NaSO).
а
а
Вымывание началось с неорганических солей и продолжилось органическими кислотами и альдитами. Бетаин элюировался из колонки как последний из главных компонентов. Величина рН элюата варьировала между 1,9 и 4,6. В целом сделали 5 загрузок, во время которых ионная форма смолы стабилизировалась не полностью. После этих разделений 93% смолы находились в водородной форме в верхней части слоя смолы. Смола очень хорошо отделила бетаин от других компонентов; объем задержки составил 75 мин и время элюирования составило 278 мин. Коэффициент удержания бетаина в этом разделении составил 2,7. Бетаин мог быть собран как высокочистая фракция ( от 80 до 95% сухой твердой субстанции) с хорошим выходом (>90%). Лимонная кислота была собрана как фракция с чистотой от 20 до 50% сухой твердой субстанции (DS). Коэффициенты удержания (k) бетаина и некоторых органических кислот из подаваемого раствора представлены в Таблице 1. Значения кислотности рКа, представленные в Таблице 1, взяты из книги Lange's Handbook of Chemistry, (15-ое издание), 1999. Можно видеть, что эти кислоты вымывались согласно их значению рК (первому). Неожиданно бетаин, значение рК которого составляет 1,832, составил исключение и элюировался как последний компонент. Профиль разделения представлен в Фигуре 2.
Таблица 1
Соединение
Время задержки [мин]
k
Время элюирования [мин]
Кислотность рКа, 1-я/2-я/3-я, константа диссоциации при температуре 25ºС
Щавелевая кислота
75
0,6
120
1,271/4,272
Лимонная кислота
75
0,9
141
3,128/4,761/6,396
Молочная кислота
75
1,5
186
3,858
Уксусная кислота
75
2,4
258
4,756
Бетаин
75
2,7
278
1,832
ПРИМЕР 3
Хроматографическое разделение винассы на слабокислой катионообменной смоле в Н
-форме (рН 5,1)
+
Исходная жидкость, использованная для разделения, представляла собой винассу из спиртового процесса сбраживания. Винасса главным образом содержала бетаин, глицерин, неорганические соли и органические кислоты и имела приблизительно следующий состав (% по RDS (сухая субстанция по рефрактометрическим измерениям)):
Бетаин 13,8
Глицерин 12,3
Прочие 73,9
Величина рН раствора составляла 5,1.
+
Раствор профильтровали через фильтр с использованием диатомовой земли в качестве вспомогательного средства для фильтрования. Винасса была использована в качестве подаваемого раствора и была подвергнута хроматографическому разделению. Разделение выполняли в хроматографической разделительной колонке пилотного масштаба в режиме периодического процесса. Колонку с диаметром 0,09 м заполнили слабокислой катионообменной смолой (Finex CA 16 GC, степень сшивания 8% дивинилбензолом (DVB), емкость 4,4 эквивалента/литр), изготовленной фирмой Finex Oy, Финляндия. Смола представляла собой смолу на основе акрилата, и средний размер частиц смолы в натриевой форме составлял 0,41 мм. Смолу регенерировали в водородную форму (Н), после чего высота слоя смолы составила приблизительно 1,7 м. Температура колонки, подаваемого раствора и водного элюента составляла 75ºС. Скорость потока в колонке была отрегулирована на 3 л/час. Хроматографическое разделение было проведено повторением следующей процедуры:
Стадия 1: Сухую субстанцию подаваемого раствора скорректировали до уровня 35 г сухой субстанции в 100 г раствора согласно коэффициенту преломления (RI) раствора.
Стадия 2: 0,6 л предварительно нагретого подаваемого раствора закачали на верхнюю часть слоя смолы.
Стадия 3: Промывали исходный для разделения раствор вниз по колонке путем подачи на верх колонки предварительно нагретой воды, подвергнутой ионному обмену, величину рН которой отрегулировали до уровня от 3 до 4 с помощью муравьиной кислоты.
+
2
4
Стадия 4: Собирали образцы выходящего раствора порциями по 50 мл с 5-минутными интервалами. Определяли концентрацию, удельную электрическую проводимость (мС/см) и величину рН образцов. Состав образцов анализировали с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ, HPLC) (Nа-колонка, 0,6 мл/мин, 85ºС, 0,003 М NaSO).
+
Вымывание началось с неорганических солей и продолжилось органическими кислотами и альдитами. Бетаин элюировался из колонки позже, чем другие главные компоненты. Положение бетаинового пика сместилось назад (то есть, ближе к пикам других компонентов) до того, как было достигнуто равновесие ионной формы смолы. После 53 загрузок 67% смолы в верхней части слоя смолы были в водородной форме (Н). На этой стадии объем задержки бетаина составил 75 мин, и время элюирования составило 180 мин. Коэффициент удержания бетаина был 1,3, и максимальная чистота бетаинового пика составила более 75%. Величина рН элюата варьировала между 4,4 и 6,3. Профиль разделения 53-й загрузки представлен в Фигуре 3.
ПРИМЕР 4
Хроматографическое разделение винассы на слабокислой катионообменной смоле в Н
-форме (рН 4,2)
+
Исходная жидкость, использованная для разделения, представляла собой винассу из спиртового процесса сбраживания. Винасса главным образом содержала бетаин, глицерин, неорганические соли и органические кислоты и имела приблизительно следующий состав (% по RDS (сухая субстанция по рефрактометрическим измерениям)):
Бетаин 15,8
Глицерин 11,5
Прочие 72,7
+
2
4
Винасса была использована в качестве подаваемого раствора и была подвергнута хроматографическому разделению. Разделение выполняли в хроматографической разделительной колонке пилотного масштаба в режиме периодического процесса. Колонку с диаметром 0,09 м заполнили слабокислой катионообменной смолой (Finex CA 16 GC, степень сшивания 8% дивинилбензолом (DVB), емкость 4,4 эквивалента/литр). Смола представляла собой смолу на основе акрилата, и средний размер частиц смолы в натриевой форме составлял 0,41 мм. Смолу регенерировали в водородную форму (Н), после чего высота слоя смолы составила приблизительно 1,7 м. Температура колонки и подаваемого раствора и водного элюента составляла 75ºС. Скорость потока в колонке была отрегулирована на 3 л/час. Величину рН подаваемого раствора отрегулировали на 4,2 с помощью серной кислоты (HSO). Подаваемый раствор профильтровали через фильтр с использованием диатомовой земли в качестве вспомогательного средства для фильтрования.
Хроматографическое разделение было проведено следующим образом:
Стадия 1: Сухую субстанцию подаваемого раствора скорректировали до уровня 35 г сухой субстанции в 100 г раствора согласно коэффициенту преломления (RI) раствора.
Стадия 2: 2 л предварительно нагретого подаваемого раствора закачали на верхнюю часть слоя смолы.
Стадия 3: Промывали исходный для разделения раствор вниз по колонке путем подачи на верх колонки предварительно нагретой воды, подвергнутой ионному обмену, величину рН которой отрегулировали до 4,2 с помощью муравьиной кислоты.
+
2
4
Стадия 4: Собирали образцы выходящего раствора порциями по 50 мл с 5-минутными интервалами. Определяли концентрацию, удельную электрическую проводимость (мС/см) и величину рН образцов. Состав образцов анализировали с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ, HPLC) (Nа-колонка, 0,6 мл/мин, 85ºС, 0,003 М NaSO).
Вымывание началось с неорганических солей и продолжилось органическими кислотами и альдитами. Бетаин элюировался из колонки позже, чем другие главные компоненты, но в некоторой степени раньше по сравнению с разделением при более низком значении рН подачи, представленным в Примере 2. Объем задержки бетаина составил 75 мин, и время элюирования составило 205 мин. Коэффициент удержания бетаина при таком значении рН был 1,7, и максимальная чистота свыше 80% сухой твердой субстанции была получена в бетаиновой фракции. Чистота глицериновой фракции, которая вымывалась ранее бетаина, была выше 20% по показателю DS. В целом были сделаны 20 загрузок, во время которых ионная форма смолы стабилизировалась; 89% смолы были в водородной форме на верхней части и у дна слоя смолы. Величина рН элюата варьировала между 4,0 и 6,4. Профиль разделения 20-й загрузки представлен в Фигуре 4.
ПРИМЕР 5
Хроматографическое разделение винассы на слабокислой катионообменной смоле в Н
-форме (рН 3,1)
+
Исходная жидкость, использованная для разделения, представляла собой винассу из лимоннокислого процесса сбраживания. Винасса, главным образом содержащая бетаин, глицерин, неорганические соли и органические кислоты, имела приблизительно следующий состав (% по RDS (сухая субстанция по рефрактометрическим измерениям)):
Бетаин 19,8
Глицерин 3,0
Прочие 77,2
+
Винасса была использована в качестве подаваемого раствора и была подвергнута хроматографическому разделению. Разделение выполняли в хроматографической разделительной колонке пилотного масштаба в режиме периодического процесса. Колонку с диаметром 0,09 м заполнили слабокислой катионообменной смолой (Finex CA 16 GC, степень сшивания 8% дивинилбензолом (DVB), емкость 4,4 эквивалента/литр). Смола представляла собой смолу на основе акрилата, и средний размер частиц смолы в натриевой форме составлял 0,41 мм. Смолу регенерировали в водородную форму (Н), после чего высота слоя смолы составила приблизительно 1,6 м. Температура колонки и подаваемого раствора, и водного элюента составляла 75°С. Скорость потока в колонке была отрегулирована на 3 л/час. Величина рН подаваемого раствора составляла 3,1.
Хроматографическое разделение было проведено следующим образом:
Стадия 1: Сухую субстанцию подаваемого раствора скорректировали до уровня 35 г сухой субстанции в 100 г раствора согласно коэффициенту преломления (RI) раствора.
Стадия 2: 1,5 л предварительно нагретого подаваемого раствора закачали на верхнюю часть слоя смолы.
Стадия 3: Промывали исходный для разделения раствор вниз по колонке путем подачи на верх колонки предварительно нагретой воды, подвергнутой ионному обмену, величину рН которой отрегулировали до уровня 3-4 с помощью муравьиной кислоты.
+
2
4
Стадия 4: Собирали образцы выходящего раствора порциями по 50 мл с 5-минутными интервалами. Определяли концентрацию, удельную электрическую проводимость (мС/см) и величину рН образцов. Состав образцов анализировали с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ, HPLC) (Nа-колонка, 0,6 мл/мин, 85ºС, 0,003 М NaSO).
Вымывание началось с неорганических солей и продолжилось органическими кислотами и альдитами. Бетаин элюировался из колонки как последний из главных компонентов. Объем задержки бетаина составил 75 мин, и время элюирования составило 245 мин, и его коэффициент удержания был 2,3. Величина рН элюата (то есть, выходящего раствора) варьировала между 2,4 и 4,3. В целом были сделаны 54 загрузки, во время которых ионная форма смолы стабилизировалась; и >99% смолы были в водородной форме. Смола очень хорошо отделяет бетаин от других компонентов, и максимальная чистота выше 85% сухой твердой субстанции была получена в бетаиновой фракции. Профиль разделения представлен в Фигуре 5.
ПРИМЕР 6
Хроматографическое разделение винассы на слабокислой катионообменной смоле в Н
-форме (рН 1,4)
+
Исходная жидкость, использованная для разделения, представляла собой винассу из спиртового процесса сбраживания. Винасса, которая главным образом содержала бетаин, глицерин, неорганические соли и органические кислоты, имела приблизительно следующий состав (% по RDS (сухая субстанция по рефрактометрическим измерениям)):
Бетаин 14,0
Глицерин 10,6
Прочие 75,4
+
2
4
Винасса была использована в качестве подаваемого раствора и была подвергнута хроматографическому разделению. Разделение выполняли в хроматографической разделительной колонке пилотного масштаба в режиме периодического процесса. Колонку с диаметром 0,09 м заполнили слабокислой катионообменной смолой (Finex CA 16 GC, степень сшивания 8% дивинилбензолом (DVB), емкость 4,4 эквивалента/литр). Смола представляла собой смолу на основе акрилата, и средний размер частиц смолы в натриевой форме составлял 0,41 мм. Смолу регенерировали в водородную форму (Н), после чего высота слоя смолы составила приблизительно 1,6 м. Температура колонки и подаваемого раствора и водного элюента составляла 75ºС. Скорость потока в колонке была отрегулирована на 3 л/час. Величину рН подаваемого раствора отрегулировали с помощью концентрированной серной кислоты (HSO) до 1,4, и его профильтровали через фильтр с использованием диатомовой земли в качестве вспомогательного средства для фильтрования.
Хроматографическое разделение было проведено следующим образом:
Стадия 1: Сухую субстанцию подаваемого раствора скорректировали до уровня 35 г сухой субстанции в 100 г раствора согласно коэффициенту преломления (RI) раствора.
Стадия 2: 0,7 л предварительно нагретого подаваемого раствора закачали на верхнюю часть слоя смолы.
Стадия 3: Промывали исходный для разделения раствор вниз по колонке путем подачи на верх колонки предварительно нагретой воды, подвергнутой ионному обмену, величину рН которой отрегулировали до 2,2 с помощью концентрированной серной кислоты.
+
2
4
Стадия 4: Собирали образцы выходящего раствора порциями по 50 мл с 5-минутными интервалами. Определяли концентрацию, удельную электрическую проводимость (мС/см) и величину рН образцов. Состав образцов анализировали с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ, HPLC) (Nа-колонка, 0,6 мл/мин, 85°С, 0,003 М NaSO).
Вымывание началось с неорганических солей и продолжилось органическими кислотами и альдитами. Бетаин элюировался из колонки как последний из главных компонентов. Объем задержки бетаина составил 75 мин, и время элюирования составило 290 мин, и его коэффициент удержания был 2,9. Величина рН элюата (то есть выходящего раствора) варьировала между 1,3 и 3,3. Смола очень хорошо отделяет бетаин от других компонентов, и максимальная чистота выше 85% сухой твердой субстанции была получена в бетаиновой фракции. Профиль разделения представлен в Фигуре 6.
ПРИМЕР 7
Кристаллизация бетаина
Бетаин из концентрированной фракции, обогащенной бетаином, кристаллизовали следующим образом. Подаваемую жидкость, содержащую бетаин, добавили в кипящем состоянии в кристаллизатор емкостью 400 литров. Началось выпаривание. Первые самопроизвольно выпавшие кристаллы появились при концентрации около 79% по показателю DS, при температуре 99ºС. После самопроизвольной затравки кристаллизацию в кипящем состоянии продолжали в течение 3 часов при температуре около 100ºС, и свежую подаваемую жидкость добавляли непрерывно в кипящий кристаллизатор. 400-литровая партия массы, полученной путем кристаллизации в кипящем состоянии (показатель DS массы 87%), была выгружена. Массу центрифугировали и бетаиновый безводный продукт высушили.