DE2732457A1 - Verfahren zum ausfaellen von xanthanharz aus waessriger loesung - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

DR A VAN DER WERTH DR. FRANZ LEDERER REINER F. MEYER

DiPL-ING. (1934-1974) DIPL-CHEM. DIPL-ING.

8000 MÜNCHEN 80 LUQLE GRAHN-STRASSE 22

TELEFON: (089) 47 2947 TELEX: 524624 LEDERD TELEGR.: LEDERERPATENT

18. Juli 1977 Towle Nr. 5

HERCULES INCORPORATED 910 Market Street, Wilmington, Delaware, USA

Verfahren zum Ausfällen von Xanthanharz aus wässriger Lösung

Die Erfindung bezieht sich auf die Gewinnung bestimmter biologisch erzeugter wasserlöslicher Polysaccharidharze, insbesondere auf ein neues und verbessertes Verfahren zum Isolieren eines solchen Polymeren aus der Fermentationsbrühe, in der es gebildet wird.

In den letzten Jahren ist der Verbesserung und Optimierung von Verfahren zur Herstellung von Polysaccharidharzen durch Fermentation verhältnismäßig hoher Forschungsaufwand gewidmet

709886/0653

-S-

worden. Von besonderem Interesse war das Heteropolysaccharid, das durch aerobe Fermentation von Bakterien der Gattung Xanthomonas gebildet wird. Repräsentative Stämme der Gattung Xanthomonas, von denen dieses Polysaccharid erzeugt wird, sind z.B. X. begoniae, X. carotae, X. hederae, X. incari, X. malvacearura, X. phaseoli und insbesondere X. campestris. Das Polysaccharid, das den Namen "Xanthan" oder "Xanthanharz" erhalten hat, ist ein komplexes Heteropolysaccharid, das Glucose, Mannose und Glucuronsauregruppen in seiner Polymerkette aufweist.

Die wirtschaftliche Ausbeutung von Xanthanharz unterblieb wegen der verhältnismäßig hohen Kosten im Vergleich zu anderen wasserlöslichen Harzen, mit denen es um hohe Verkaufsmengen konkurrieren muß. Während die Herstellung eines Harzes durch Fermentation von Natur aus schon kostspielig ist, ist ein erheblicher Anteil der Gesamtkosten von Xanthanharz der Gewinnung des Harzes aus der rohen Fermentationsbrühe direkt zuzuschreiben.

Die rohe Fermentationsbrühe ist eine äußerst viskose, hoch pseudoplastische Lösung, die etwa 0,5 bis 4 Gewichtsprozent Xanthanharz mit geringen Mengen an Salzen, Xanthomonas-Zellen und unlöslichen Fragmenten enthält. Beim typischen Gewinnungsverfahren wird die Brühe mit Wasser zur Senkung der Viskosität weiter verdünnt, was die Handhabung in nachfolgenden Fällungsstufen erleichtert oder ermöglicht. Gegebenenfalls kann die verdünnte Lösung an dieser Stelle des Verfahrens zentrifugiert oder filtriert werden, um unerwünschtes, festes, unlösliches Material zu entfernen. Dann werden Methanol oder ein anderes Nichtlösungsmittel und Kaliumchlorid zugesetzt, um das Harz in der Kaliumsalzform auszufällen, das dann durch Zentrifugieren oder nach einer anderen Fest/flüssig-Scheidetechnik gewonnen wird. Weite re Stufen des Auflösens, Wiederfaliens und Waschens werden dann angewandt, je nach dem gewünschten Reinheitsgrad. In jüngerer Zeit hat die ÜS-PS 3 382 229 gelehrt, daß die Fällung durch die Einwirkung mehrwertiger (hauptsächlich zweiwertiger) Kationen

709886/0653

bei pH-Werten über etwa 8,5 durchgeführt werden kann. Da Xanthanharz ein carboxyliertes Heteropolymer ist, kann es wünschenswert sein, den Gewinnungsvorgang in sauren Medien durchzuführen. Der Stand der Technik, beispielsweise die genannte US-PS, lehrt jedoch, daß die Salze mehrwertiger Metalle unter einem pH von 8,5 löslich sind. Die US-PS 3 383 307 z.B. lehrt, daß bestimmte dreiwertige Salze, einschließlich Aluminiumsulfat, in Gegenwart eines freien Wasserstoff freisetzenden Metalls zur Bildung von Gelen von Xanthanharz eingesetzt werden. Ein solches Gel ist jedoch nicht ohne weiteres von der wässrigen Phase zu trennen.

Die Erfindung gibt nun eine Technik an, nach der bestimmte ausgewählte Aluminiumsalze dazu verwendet werden können, Xanthanharz unlöslich und aus einer Fermentationsbrühe in leicht gewinnbarer Form ausfällbar zu machen. Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, einer Lösung von Xanthanharz ein Aluminiumsalz aus der Gruppe Aluminiumchlorid, Aluminiumnitrat und Aluminiumacetat zuzusetzen und danach den pH-Wert der Lösung auf einen Wert zwischen etwa 3,5 und 4,5 zu erhöhen.

Der pH-Wert einer Xanthanlösung, wie sie am Ende der Fermentationsstufe anfällt, liegt bei etwa 5 bis 8,5. Die Zugabe der stöchiometrischen Menge der genannten Aluminiumsalze senkt diesen pH-Wert auf etwa 3 oder darunter. Bei pH 3 ist das Aluminiumsalz oder der Aluminiumkouiplex an der Löslichkeitsgrenze in wässrigem Medium, so daß entweder eine klare Lösung oder eine solche mit einer geringen Menge an festem Material anfällt. Im Hinblick auf die Lehren des Standes der Technik zum Verhalten anderer mehrwertiger Metallxanthanatsalze bei sauren pH-Werten und des Alurainiumxanthanats bei hohem pH-Wert war dieses Verhalten nicht vorherzusehen.

Ein weiteres überraschendes Merkmal der Erfindung liegt darin, daß die Senkung des pH der Xanthanlösung auf den oben angegebenen niederen Wert durch Zusatz des Aluminiumsalzes häufig zu einer Herabsetzung der Viskosität der Lösung führt, ohne das

709886/0653

Xanthan zu beeinträchtigen, ohne irgendeine Zersetzung oder einen Abbau der Polymer-Kettenlänge zu verursachen. Beispielsweise wird die Viskosität einer Fermentationsbrühe mit einer Viskosität von etwa 1OOO cPs bei ihrem Reaktions-pH auf etwa 500 cPs bei pH 2,5 in Gegenwart von Aluminiumionen herabgesetzt.

Wie oben angegeben, war es bei früheren Xanthanverfahren erforderlich, die rohe Fermentationsbrühe beträchtlich zu verdünnen, um ihre Viskosität auf einen Wert herabzusetzen, bei dem die Gewinnungsmaßnahmen durchgeführt werden können. Der Grad der bei erfindungsgemäßem Arbeiten erforderlichen Verdünnung wird herabgesetzt. Tatsächlich ist es möglich, die Fällung über die genannten Aluminiumsalze praktisch ohne Verdünnung der aus der Fermentation erhaltenen Lösungen durchzuführen.

Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens so, daß der pH auf den angegebenen Wert gesenkt wird, gewährleistet, daß Gelbildung vermieden wird oder, wenn sich ein Gel bildet, daß es bricht und das Xanthanharz in Lösung geht, wie oben erörtert. Unbefriedigende Ergebnisse ergeben sich in dem Sinne, daß ein leicht abtrennbares Produkt nicht erhalten wird, wenn der pH der Fermentationsbrühe nicht herabgesetzt und dann auf einen Wert in dem Bereich eingestellt wird, bei dem das Xanthan unlöslich ist und nicht geliert.

Nach der Zugabe des genannten Aluminiumsalzes und der damit verbundenen Senkung des pH wird die Fällung des Xanthanharzes durch Erhöhen des pH auf einen Wert im Bereich zwischen etwa 4 und 4,5 beendet. Dieser pH-Bereich scheint kritisch zu sein. Außerhalb dieses Bereichs ist das Material entweder gerade noch löslich, so daß es nicht ausfällt, oder es neigt zur Gelbildung. Nach den Lehren des Standes der Technik beginnt das Aluminiumsalz, sich einem Löslichkeitszustand zu nähern, wenn der pH-Wert in wässrigem Medium steigt. Die Obergrenze von etwa 4,5 ist kritisch zur Vermeidung beginnender Löslichkeit und Gelbildung, die bei diesem Punkt in wässrigem Medium einsetzt.

709886/0653

Wie oben angegeben, liegt einer der Vorteile der Erfindung darin, daß die Fällung des Xanthanharzes ohne starke Verdünnung der Fermentationsbrühe vorgenommen werden kann, die früher üblich war. Das Harz kann sogar von verhältnismäßig viskosen Lösungen gefällt werden. Soll unlösliches Material, wie z.B. Zellwände, die von der Fermentation vor der Fällungsstufe übrig bleiben, entfernt werden, kann die Brühe in üblicher Weise zur Herabsetzung ihrer Viskosität zu einem leichter filtrierbaren Zustand verdünnt werden. In vielen, wenn nicht sogar den meisten Fällen jedoch ist die Entfernung von unlöslichen Anteilen unnötig, und diese Stufe kann entfallen.

Die Aluminiumsalze, die sich als brauchbar zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erwiesen haben, sind wasserlösliche Salze mit einwertigen Anionen, nämlich Aluminiumchlorid, Aluminiumnitrat und Aluminiumacetat. Salze mit mehrwertigen Anionen, die untersucht worden sind, wie z.B. Aluminiumsulfat und AIuminiumzitrat, haben sich als unwirksam erwiesen und führten zur Bildung von Gelen oder anderen schwer abtrennbaren Formen.

Das Aluminiumsalz wird vorzugsweise in geringem Überschuß zur stöchiometrisch erforderlichen Menge für die Umsetzung mit allen freien Carboxylgruppen des Harzes eingesetzt. Die stöchiometrische Menge liegt gewöhnlich in der Größenordnung von etwa 0,18 g Al/g zu gewinnenden Harzes. Normalerweise reicht ein etwa 10%iger Überschuß über die stöchiometrische Menge. Größere Mengen schaden nicht, aber die Verwendung größerer Mengen ist verschwenderisch und erfordert größere Volumina an Reagens im späteren Verfahrensablauf, wenn das Aluminium entfernt wird.

Die Optimalmenge an erforderlichem Aluminiumsalz kann leicht bestimmt werden, indem die Aluminiumfällung an kleinen Probeportionen der Fermentationsbrühe unter Verwendung zunehmender Mengen an Aluminiumsalz durchgeführt wird. Bei optimalen Aluminiumsalzmengen wird eine dichte Aluminiumxanthanat-Ausflockung erhalten, die leicht durch Sieben bzw. Filtrieren gewonnen und leicht zu einem Feststoffgehalt von etwa 20 % angereichert werden kann. Die

709886/0663

- ir'-

\ 2732A57

optimale Aluminiumionenkonzentration liegt gewöhnlich bei etwa 1 Teil Aluminiumionen/5 Teile trockenen Harzes (auf Gewichtsbasis) .

Das unlösliche Aluminiumsalz oder der unlösliche Aluminiumkomplex wird dann in einem flüssigen Medium aufgeschlämmt, das ein Nichtlösungsmittel für Xanthanharz ist, worin es mit einer starken Säure zum Entfernen des Aluminiums behandelt wird. Ein typischer Nichtlöser für Xanthan ist ein Gemisch aus einem niederen Alkohol, z.B. einem C..- bis C₄-AIkOhOl, und Wasser. Isopropanol wird bevorzugt. Andere organische Medien, wie Aceton oder niedere Ketone, können auch verwendet werden, je nach Verfügbarkeit und anderen Faktoren. Wunschgemäß ist etwas Wasser in diesem Medium zugegen, da Wasser das beste Lösungsmittel für das Aluminiumsalz ist, das bei der Säurebehandlung des Aluminiumxanthanats anfällt. Praktisch jede starke Mineralsäure, die wasserlösliche Aluminiumsalze bildet, kann in den Reinigungsstufen eingesetzt werden, z.B. Schwefelsäure, Salzsäure und Salpetersäure.

Das Produkt wird wiederholt mit dem Alkohol gewaschen, bis das Aluminium praktisch restlos entfernt ist. Das aluminiumfreie Harz wird dann bei leicht erhöhter Temperatur getrocknet und zu einem dichten, freifließenden Pulver vermählen, das sich leicht in Wasser unter Bildung einer homogenen, viskosen Lösung verteilt.

Beispiel 1

Ein Liter einer Fermentationsbrühe von Xanthamonascampestris mit 1,8 % Xanthanharz wurde mit dem Zweifachen seines Volumens an Leitungswasser verdünnt. 15 ml einer 28%igen wässrigen Aluminiumchloridlösung wurden zugesetzt, wodurch der pH auf etwa 3 fiel. Die verdünnte Brühe wurde dann bei 25 bis 300OO UpM in einer Zentrifuge mit kontinuierlichem Durchfluß zentrifugiert, um Zellen und Bruchstücke zu entfernen. Der pH der geklärten Brühe wurde dann durch langsame Zugabe von etwa 75 ml 10%iger Natrium-

709886/0653

hydroxidlösung auf 4 erhöht. Näherte sich der pH dem Wert 4, schied sich das Xanthanharz aus der Lösung in Form einer festen, zusammenhängenden Flockung aus.

Die Fällung wurde durch ein Nylonsieb einer lichten Maschenweite von 0,147 mm (1OO mesh) filtriert und kompaktiert, um einen Filterkuchen mit etwa 20 % Feststoffen zu ergeben. Zum Entfernen des Aluminiums wurde der Filterkuchen in 4OO ml Isopropanol suspendiert, das 20 ml konzentrierte Salzsäure enthielt, und in einem Mischer zu einer gleichförmigen Aufschlämmung gemischt. Die Aufschlämmung wurde etwa 15 min stehen gelassen, und das unlösliche Harz wurde auf einem Nylonsieb von O,147 mm lichter Maschenweite (100 mesh) gesammelt und zum Entfernen überschüssigen Lösungsmittels ausgedrückt, wodurch ein Kuchen mit etwa 40 % Feststoffen erhalten wurde. Dies wurde unter Verwendung von 250 ml Isopropanol/Wasser/Salzsäure (14:5:1 Vol/Vol) wiederholt. Dann wurde der Kuchen in 250 ml 70%igen wässrigen Isopropanols in einem Mischer suspendiert und durch Zugabe von etwa 10 ml 20%iger Natriumhydroxidlösung auf pH 7 bis 8 neutralisiert. Das Produkt wurde auf einem Nylonsieb von 0,147 mm lichter Maschenweite (100 mesh) gesammelt und zu einem Kuchen mit etwa 45 % Feststoffen verdichtet und in einem Vakuumofen bei 5O ⁰C getrocknet .

Etwa 18 g schwach gelbbraunen pulverförmigen Xanthanharzes wurden gewonnen. Die Analyse ergab weniger als 1 % Stickstoff und weniger als 0,3 % Rest-Aluminium. Das Produkt löste sich leicht in Leitungswasser zu einer hoch-viskosen, durchscheinenden Lösung.

Beispiel 2

Zu 1 1 Fermentationsbrühe von Xanthomonas campestris mit etwa 1,8 % Xanthanharz wurden 30 g Aluminiumnitrat, gelöst in einer kleinen Menge Wasser, gegeben. Nach gründlichem Mischen wurde der pH auf etwa 4 durch Zusatz von 75 ml 10%iger Natriumhydroxidlösung erhöht. Als sich der pH einem Wert von 4 näherte, fiel das

709886/0653

Xanthan als feste, zusammenhängende Flockung aus. Diese wurde auf einem Nylonsieb von 0,147 mm lichter Maschenweite (100 mesh) gesammelt und zu einem Kuchen mit etwa 20 % Feststoffen verdichtet.

Der Kuchen wurde in einem Zwangsumluftofen bei 60 bis 70 C getrocknet und vermählen, so daß das Produkt durch ein Sieb von O,833 mm (20 mesh) hindurchging. Das trockene Pulver wurde in 2OO ml Isopropanol/Wasser/Chlorwasserstoffsäure, 14:5:1 Vol/Vol suspendiert, 15 min gerührt und dann unter Verwendung eines Glasfrittentrichters mittlerer Porosität und unter reduziertem Druck filtriert. Der Rückstand wurde in 150 ml des obigen Gemische erneut suspendiert und die Filtration wiederholt. Der Rückstand wurde dann in 150 ml 70%igen wässrigen Isopropanols suspendiert, filtriert, erneut in 150 ml 70%igen wässrigen Isopropanols suspendiert und durch Zusatz von Kaliumhydroxidlösung auf pH 7 bis 8 neutralisiert. Die Suspension wurde filtriert und der Rückstand in einem Vakuumofen bei 50 ⁰C getrocknet.

Das Trockenprodukt wurde zu einem schwach gelbbraunen Pulver vermählen, das sich leicht in Wasser zu einer hoch-viskosen, durchscheinenden Lösung löste. Es zeigte sich, daß das Material weniger als 1 % Stickstoff und weniger als 0,05 % Rest-Aluminium enthielt.

Beispiel 3

Zu 1 1 Fermentationsbrühe von Xanthomonas campestris mit etwa 1,8 % Xanthanharz wurden 6 g Aluminiumacetat, in einem kleinen Volumen Wasser gelöst, gegeben. Nach gründlichem Mischen des Aluminiumsalzes mit der Brühe wurde der pH auf etwa 4 durch Zusatz von 75 ml 10%iger Natriumhydroxidlösung erhöht. Als sich der pH dem Wert 4 näherte, fiel das Xanthan als feste, zusammenhängende Flockung aus. Diese wurde auf einem Nylonsieb von 0,147 mm lichter Maschenweite (1OO mesh) gesammelt und zu einem Kuchen mit etwa 20 % Feststoffen verdichtet.

709886/0653

Der Kuchen wurde in 400 ml Isopropanol, das 20 ml konzentrierte Salzsäure enthielt, suspendiert und in einem Mischer zu einer gleichförmigen Aufschlämmung gemischt. Die Aufschlämmung konnte etwa 15 min stehen, worauf das unlösliche Harz auf einem Nylonsieb von 0,147 mm lichter Maschenweite (100 mesh) gesammelt und zu einem Kuchen mit etwa 40 % Feststoffen verdichtet wurde. Dies wurde unter Verwendung von 250 ml Isopropanol/Wasser/Salzsäure (14:5:1 Vol/Vol) wiederholt. Der Kuchen wurde dann in 250 ml 70%igen wässrigen Isopropanols in einem Mischer suspendiert und durch Zusatz von etwa 10 ml 20%iger Natriumhydroxidlösung auf pH 7 bis 8 neutralisiert. Das Produkt wurde auf einem Nylonsieb von 0,147 mm lichter Maschenweite (100 mesh) gesammelt, zu einem Kuchen mit etwa 45 % Feststoffen verdichtet und in einem Vakuumofen bei 50 ⁰C getrocknet.

Etwa 18g schwach gelbbraun gefärbten pulvrigen Xanthanharzes wurden gewonnen. Die Analyse ergab weniger als 1 % Stickstoff und weniger als 0,3 % Rest-Aluminium. Das Produkt löste sich leicht in Leitungswasser zu einer hoch-viskosen, durchscheinenden Lösung.

709886/0653

Claims (4)

Patentansprüche

1. Verfahren zum Ausfällen von Xanthanharz aus wässriger Lösung, dadurch gekennzeichnet, daß der Lösung ein Aluminiumsalz zugesetzt und dann der pH-Wert der Lösung auf einen Wert zwischen etwa 3,5 und 4,5 erhöht wird, wobei als Aluminiumsalz Aluminiumacetat, Aluminiumchlorid oder Aluminiumnitrat verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als wässrige, Xanthanharz enthaltende Lösung eine Fermentationsbrühe eines Bakteriums der GattungXanthomonas verwendet, nach Zugabe des Aluminiumsalzes der pH-Wert der Lösung auf einen Wert zwischen etwa 4 und 4,5 erhöht und das gefällte Xanthanharz gewonnen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Ausfällung des Harzes unlösliche Stoffe entfernt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Fermentationsbrühe eine solche von Xanthomonas campestris verwendet wird.

709886/0653

ORIGINAL INSPECTED