-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Extrahieren von Xylanverbindungen aus zerkleinerten Holzbestandteilen nach Anspruch 1.
-
Pentosan Polysulfat (nachfolgend mit PPS abgekürzt) ist eine halbsynthetische Substanz, die ausgehend von pflanzlichen Rohstoffen, insbesondere Buchenholz, in einem mehrstufigen Verfahren gewonnen wird und zur Behandlung von verschiedenen Krankheitsbildern eingesetzt werden kann.
-
Die Herstellung und klinische Anwendung von PPS ist prinzipiell seit 1944 bekannt und beispielsweise der Druckschrift
CH 290145 zu entnehmen. Das Verfahren zu dessen Herstellung sowie die Beeinflussung bestimmter Produktmerkmale wurde über Jahrzehnte hinweg stetig verbessert und weiterentwickelt. Dabei wurde insbesondere gefunden, dass PPS mit einer bestimmten molaren Masse sowie mit einem möglichst hohem Funktionalisierungsgrad besonders gut für pharmazeutische Anwendungen geeignet ist.
-
Verschiedene, zum Teil sehr ähnliche, ab Mitte der 2000er Jahre veröffentlichte technische Lösungen fokussieren einerseits auf die Einstellung der gewünschten molaren Masse und andererseits darauf, einen möglichst hohen Sulfatisierungsgrad des PPS zu erreichen. Dabei kommen verschiedene Methoden der Aufreinigung und Verfahrensführung zur Anwendung. Diese überwinden unterschiedliche Probleme verschiedener Verfahrensaspekte. Allerdings basieren diese Verfahren alle auf einer sehr ähnlichen Vorgehensweise und unterscheiden sich oft nur durch die Wahl der verwendeten Lösemittel oder der technischen Ansätze, die zur Aufreinigung der anfallenden Zwischenprodukte oder des Endprodukts genutzt werden.
-
Gemäß dem bekannten Stand der Technik wird im ersten Schritt ein nicht näher definiertes, aus Buchenholz gewonnenes Xylan durch Umsetzung mit Chlorsulfonsäure in einem Lösemittelgemisch aus Pyridin und Dimethylformamid oder einem ähnlichen Lösemittel oder Lösemittelgemisch zu einem Rohprodukt aus sulfatiertem Xylan bzw. Roh-PPS umgesetzt. Anschließend wird die molare Masse des Rohprodukts durch einen sauren, oxidativen oder einem kombinierten Prozess auf den geforderten Zielwert eingestellt. In einem letzten Schritt wird das bezüglich der molaren Masse eingestellte Rohprodukt erneut in einem Lösemittelgemisch mit Chlorsulfonsäure behandelt, um so das eigentliche Zielprodukt zu erhalten.
-
Es sind also nach der eigentlichen Extraktion des Xylans aus den Holzbestandteilen mindestens drei weitere wesentliche Verfahrensschritte erforderlich, um das Endprodukt PPS mit gewünschter molarer Masse und einem gewünschten Sulfatierungsgrad zu erhalten. In der Regel bedingen diese Verfahrensschritte weitere Detailschritte wie Aufreinigungen, Zwischenisolierung und dergleichen Zwischenbehandlungen mehr, die das bekannte Verfahren zusätzlich aufwändig gestalten.
-
Es besteht daher die Aufgabe, ein Verfahren anzugeben, mit dem Xylan in einer Form bereitgestellt werden kann, mit welchem das nachfolgende Erzeugen von PPS mit einer minimierten Anzahl von Schritten ausführbar ist.
-
Die Lösung der genannten Aufgabe erfolgt mit einem Verfahren zum Extrahieren von Xylanverbindungen aus zerkleinerten Holzbestandteilen mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
-
Das Verfahren zum Extrahieren von Xylanverbindungen, die durch eine nachfolgende Sulfatierung zu Pentosan Polysulfat umgesetzt werden können, aus zerkleinerten Holzbestandteilen unter Anwendung einer hydrothermalen Extraktion, erfolgt erfindungsgemäß so, dass die hydrothermale Extraktion in einem Druckreaktorsystem für heterogene Reaktionen in diskontinuierliche Betriebsweise ausgeführt wird.
-
Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens wird bei der hydrothermalen Extraktion pro Kilogramm Trockenmasse der Holzbestandteile eine Masse an wässrigem Extraktionsmittel von mindestens 3 Kilogramm, höchstens 15 Kilogramm, vorzugsweise höchstens 7 Kilogramm, eingesetzt.
-
Bei einer weiteren konkreten Ausgestaltung des Verfahrens wird die hydrothermale Extraktion durch eine Flottenumwälzung des wässrigen Extraktionsmittels in einem Druckreaktorsystem durchgeführt, wobei das Druckreaktorsystem als ein Festbettreaktor ausgeführt ist.
-
Konkret wird bei einer bevorzugten Ausführungsweise die hydrothermale Extraktion mit der Flottenumwälzung mit folgenden Schritten ausgeführt:
- Es erfolgt zu Beginn ein Vorbereiten eines Reaktionsbettes durch ein Befüllen eines Druckgefäßes des Festbettreaktors mit den zerkleinerten Holzbestandteilen.
- Dieses Reaktionsbett wird mit einem wässrigen Extraktionsmittel, insbesondere mit Wasser, aufgefüllt. Der Begriff „auffüllen‟ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Flüssigkeitsstand des wässrigen Extraktionsmittels im Wesentlichen mit der Füllhöhe des Reaktionsbettes aus den zerkleinerten Holzbestandteilen übereinstimmt.
-
Danach erfolgt ein Umwälzen der gesamten Menge des Extraktionsmittels über einen Extraktionsmittelkreislauf innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer mit einem vorbestimmten zeitlichen Verlauf der Temperatur des umgewälzten Extraktionsmittels.
-
Es erfolgt schließlich ein finales Abziehen des gesamten Extraktionsmittelvolumens aus dem Festbettreaktor und ein nachfolgendes Isolieren der in dem Extraktionsmittelvolumen gelösten Xylanverbindungen.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren geht dabei von der überraschenden Erkenntnis aus, dass sich bei einer Flottenumwälzung in einem Festbettreaktor bereits bei der Extraktion des Xylans in entscheidender Weise dessen Molmassenverteilung und weitere chemische und molekulare Eigenschaften beeinflussen lassen, sofern eine Reihe von bestimmten und nachfolgend erläuterten Verfahrensparametern eingehalten werden. Es ist hierdurch möglich, die ansonsten bei der Herstellung des PPS aus Xylan notwendigen Zwischenschritte bereits im Zuge der Extraktion des Xylans gewissermaßen „nebenher“ auszuführen und somit letztlich als eigene Verfahrensschritte vollkommen einzusparen.
-
Bei einer vorteilhaften Gestaltung des Verfahrensablaufs erfolgt nach dem Auffüllen des Reaktionsbettes im Druckgefäß des Festbettreaktors mit dem wässrigen Extraktionsmittel als Zwischenschritt eine Quellungs-Flottenumwälzung mit einem nachfolgenden Gesamtaustausch des Extraktionsmittelvolumens. Hierdurch können anfänglich anfallende Verunreinigungen aus dem Reaktionsbett ausgewaschen werden. Es findet dabei noch keine eigentliche Extraktion statt.
-
Das Umwälzen des Extraktionsmittelvolumens erfolgt bei einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens in folgenden Teilschritten:
- Es erfolgt ein Ausführen einer ersten Lösungsphase mit einem ersten Temperaturregime zur Steigerung der Löslichkeit der Xylanverbindungen. Danach schließt sich ein Ausführen einer zweiten Lösungsphase mit einem zweiten Temperaturregime zum Einstellen der Molmasse und/oder des Acetylierungsgrades der in dem Extraktionsmittel gelösten Xylanverbindungen an. Die beiden Lösungsphasen und die dabei gefahrenen Temperaturregime sind dabei die entscheidenden Einflussparameter zur Extraktion des Xylans mit den gewünschten Eigenschaften.
-
Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt während der zweiten Lösungsphase ein vollständiges oder teilweises Austauschen des Extraktionsmittels, wobei ein fraktioniertes Abziehen von gelösten Xylanverbindungen mit unterschiedlichen Molmassen und/oder von gelösten Xylanverbindungen mit unterschiedlichen Acetylierungsgraden erfolgt.
-
Ergänzend kann bei dem finalen Abziehen des gesamten Extraktionsmittelvolumens und/oder bei dem vollständigen oder teilweisen Austauschen des Extraktionsmittels ein Durchleiten des abgeleiteten Extraktionsmittels durch eine Ligninfiltereinrichtung mit einem Abscheiden von Ligninanteilen erfolgen.
-
Bei dem finalen Abziehen des gesamten Extraktionsmittelvolumens und/oder bei dem vollständigen oder teilweisen Austauschen des Extraktionsmittels kann eine Wärmeübertragungsvorrichtung zum Kühlen des Extraktionsmittels eingesetzt werden.
-
Die Wärmeübertragungsvorrichtung kann ein die vom Extraktionsmittel abgegebene Wärme nutzender Verdampfer sein. Hierdurch lässt sich außerdem die Konzentration des Xylans im abgezogenen Extraktionsmittel steigern.
-
Das Isolieren der im abgezogenen Extraktionsmittelvolumen gelösten Xylanverbindungen erfolgt vorteilhaft durch ein Einleiten des Extraktionsmittels in ein Alkoholvolumen mit einer sich anschließenden Fällungsreaktion und einem abschließenden Abfiltrieren.
-
Ergänzend kann beim Einleiten des Extraktionsmittels in das Alkoholvolumen eine schrittweise Erhöhung des Verhältnisses aus der Extraktionsmittelmenge zur Alkoholmenge erfolgen, wobei hierdurch eine nach Molmasse der Xylanverbindungen fraktionierte Fällung erfolgt.
-
Temperaturseitig wird bei der Quellungs-Flottenumwälzung eine Erwärmung des wässrigen Extraktionsmittels auf eine Temperatur von 100 °C bis 150 °C ausgeführt und das Extraktionsmittel 10 bis 90 Minuten lang umgewälzt.
-
Bei dem Temperaturregime bei der Lösungsphase erfolgt bei einer Ausführungsform ein Erwärmen des Extraktionsmittels auf eine Zieltemperatur von mindestens 150 °C bis maximal 210 °C, wobei bei dieser Zieltemperatur das Extraktionsmittel mindestens 10 Minuten bis maximal 50 Minuten umgewälzt wird.
-
Die extrahierten Xylanverbindungen werden zweckmäßigerweise in einem polaren und basischen Lösungsmittel mittels einer Sulfonsäure unter Verzicht auf ein Cosolvenz zu Pentosan Polysulfat (PPS) sulfatiert.
-
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Zur Verdeutlichung dienen die beigefügten 1 bis 8. Es werden für gleiche bzw. gleich wirkende Teile dieselben Bezugszeichen verwendet.
-
Es zeigt:
- 1 einen Festbettreaktor zum Ausführen des Verfahrens in dessen prinzipiellen Aufbau,
- 2 einen Reaktor in einer weiteren, für das Verfahren möglichen Ausführungsform,
- 3 einen beispielhaften Ablaufplan des Extraktionsprozesses,
- 4 einen beispielhaften Ablaufplan des Extraktionsprozesses mit zusätzlichen Schritten, insbesondere einem Quellschritt,
- 5 einen beispielhaften Temperaturverlauf bei dem Extraktionsprozess,
- 5a ein beispielhaftes Größenausschluss-Chromatogramm,
- 6 ein HPLC-Chromatogramm von mit Hilfe des Extraktionsprozesses gewonnenem Xylan nach einer sauren Hydrolyse,
- 7 ein illustrierendes 1H- und 13C-NMR Spektrum von von mit Hilfe des erfindungsgemäßen Prozesses gewonnenem Xylan,
- 8 einen beispielhaften Aufbau einer Extraktionsanlage zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
1 zeigt einen Festbettreaktor in dessen prinzipiellem Aufbau zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der in 1 beispielhaft gezeigte Festbettreaktor 1 besteht aus einem druckfesten Reaktionsraum mit einer entsprechend druckfesten Reaktorwandung. Im Betrieb enthält dieser eine Aufschüttung aus zerkleinerten Holzbestandteilen 2, die mit einem flüssigen Extraktionsmittel, in dem hier vorliegenden Fall mit Extraktionswasser 3, aufgefüllt ist. Das Extraktionsmittel bedeckt dabei die Aufschüttung der Holzbestandteile nur knapp über deren oberem Füllstand und wird während der nachfolgenden Extraktionsschritte fortlaufend umgewälzt. Die zerkleinerten Holzbestandteile verbleiben dabei während der gesamten Zeit des Extraktionsprozesses innerhalb des Festbettreaktors, während das Wasservolumen als Ganzes in dessen Temperatur beeinflusst, umgewälzt und in einem Teil- oder seinem Gesamtvolumen entweder ersetzt oder aus dem Festbettreaktor abgezogen wird.
-
Es ist an dieser Stelle deutlich zu betonen, dass der für das hier beschriebene Verfahren verwendete Festbettreaktor nicht als Durchflussreaktor betrieben wird. Das bedeutet insbesondere, dass das Reaktionsbett aus den Holzbestandteilen nicht von einem kontinuierlich durchfließenden und fortlaufend erneuerten Extraktionsmittel durchströmt wird. Vielmehr bleibt während der einzelnen, weiter unten näher beschriebenen Extraktionsphasen das jeweils zu Beginn zugesetzte und eingefüllte Extraktionsmittel, d.h. das Extraktionswasser, zumindest während der einzelnen Verfahrensphasen stets dasselbe und wird als solches nicht erneuert.
-
Auf diese Weise kann bei dem erfindungsgemäßen Prozess mit Flottenumwälzung des Extraktionsmittels ein im Vergleich zu bekannten Durchflusssystemen grundsätzlich ein kleineres Wasser-zu-Holz-Verhältnisse von beispielsweise nur etwa 4 Liter Extraktionswasser je Kilogramm Holz angewandt werden, da, abgesehen von anlagenbedingten Totvolumina, prinzipiell nur so viel Extraktionswasser benötigt wird, dass die Leerstellen in der Schüttung des zerkleinerten Holzmaterials gefüllt werden. Dadurch verringert sich das nachfolgend zu prozessierende Extraktvolumen bei gleicher absoluten Ausbeute an Xylan pro kg Holz entsprechend von mehreren hundert bis einigen tausend Litern bei den bekannten Durchflusssystemen auf ca. 60 Liter Extraktvolumen je 1 kg Xylan beim erfindungsgemäßen Prozess mit Flottenumwälzung.
-
Durch die Fahrweise der Extraktion mit Flottenumwälzung des Extraktionsmittels können zudem die Eigenschaften des Zielprodukts im gesamten Volumen des Extraktes eingestellt werden und nicht nur in einer zeitlich anfallenden Fraktion wie in üblichen Durchflussverfahren. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird über den gesamten Extraktionszyklus somit nicht ein Produkt mit gewissen zeitlichen Durchschnittseigenschaften der bei Durchflussverfahren zu verschiedenen Zeitpunkten auftretenden Fraktionen erhalten, sondern es fällt ein Produkt mit genau einem Satz an genau bestimmbaren Eigenschaften an.
-
Grundsätzlich ist es für das erfindungsgemäße Verfahren nicht unbedingt notwendig, das Extraktionswasser aus dem Festbettreaktor heraus zu führen und während des Extraktionsvorganges wieder einzuleiten. Ein derartiges Herausleiten ist nur insofern erforderlich, als dass dabei das Extraktionswasser hierdurch besonders leicht zu temperieren ist und sich so eine gleichmäßige Temperierung des Reaktors über den gesamten Querschnitt erreichen lässt. Darüber hinaus wird im Zuge der mit dem Umwälzen verbundenen Strömung eine besonders effiziente Durchmischung der zerkleinerten Holzbestandteile und des Extraktionsmittels erreicht und so der Übergang des Xylans vom festen Extraktionsgut in das flüssige Extraktionsmittel gefördert.
-
Prinzipiell ist es auch möglich die Durchmischung von Extraktionsgut und Extraktionsmittel sowie die Temperierung der gesamte im Reaktor befindliche Wassermenge auf anderem Weg zu erreichen. So kann das Extraktionsgut und Extraktionsmittel mittels eines im Reaktor angeordneten Rührwerkes oder anderen mechanisch fördernden Einrichtung in Bewegung gehalten und über eine im oder am Reaktor selbst angeordnete Temperiereinrichtung, d.h. einer Heizung, temperiert werden. Allerdings sind bei diesem System die dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechenden geringen Mengen an für die Extraktion notwendiger Flüssigkeit im Fall von Holzbestandteilen nur mit hohem technischem Aufwand zu verwirklichen. Grund dafür ist, dass die geringe Menge an Wasser dazu führt, dass die Mischung in ihrer Gesamtheit eher einem hoch gequollenen, tropfnassen Feststoff entspricht als einer rührbaren Flüssigkeit.
-
Alternativ zu einem gerührten Reaktor besteht ebenfalls die Möglichkeit Extraktionsgut und Extraktionsmittel durch eine Bewegung des gesamten Reaktionssystems zu durchmischen und ebenfalls über eine über eine im oder am Reaktor selbst angeordnete Heizung zu temperieren. Allerdings ist es erheblich aufwendiger einen Druckreaktor entsprechender Größe zu bewegen als nur etwas Flüssigkeit umzupumpen. Prinzipiell sind solche Reaktoren durchaus technisch umsetzbar, insbesondere als ein so genannter Taumelreaktor.
-
Im in 1 gezeigten Beispiel erfolgt die Temperierung des Extraktionswassers 3 über einen Extraktionsmittelkreislauf 4, der die entsprechenden Temperiervorrichtungen, insbesondere Heizungen, enthält. Zugleich wird über die Strömung des Extraktionsmittelkreislaufs eine beständige durchmischende Bewegung des Extraktionsmittels mit der Schüttung der zerkleinerten Holzbestandteile erreicht.
-
Der Festbettreaktor weist eine Einfüllöffnung 5 zum Einschütten der zerkleinerten Holzbestandteile auf. Diese befindet sich zweckmäßigerweise im oberen Teil des Reaktorbehälters. Im unteren Teil ist eine Austrittsöffnung 6 vorgesehen, die im hier gegebenen Beispiel zum Ein- oder Ausleiten des Extraktionswassers 3 genutzt werden kann.
-
Im Seitenbereich des Festbettreaktors ist eine zweite Auslassöffnung 7 vorgesehen. Diese dient ebenfalls der Extraktionsmittelzirkulation.
-
Ein Festbettsieb 8 verhindert ein unerwünschtes Austreiben der zerkleinerten Holzbestandteile durch die Auslassöffnung 6 und bildet gleichzeitig eine feste Lagerung für das Festbett der Holzbestandteile aus. In Ergänzung zu diesem Festbettsieb kann die Lagerung und Fixierung der zerkleinerten Holzbestandteile durch eine geeignete geometrische Ausführung des Reaktorgefäßes selbst verbessert werden. Ein hierzu zweckmäßiges Reaktormodell ist im unteren Bereich konisch ausgeführt, so dass das Sieb mit einemwesentlich kleinerem Querschnitt und somit mechanisch stabiler ausgeführt werden kann. Gleichzeitig werden so die Strömungseigenschaften verbessert.
-
Die Temperierung des Extraktionswassers 3, also des Volumens des Extraktionsmittels, kann bei dem hier dargestellten Festbettreaktor so erfolgen, dass das Extraktionsmittel über die erste Auslassöffnung 6 in den Festbettreaktor unter Druck zugeführt wird. Hierdurch werden die Holzbestandteile 2, die auf dem Festbettsieb gelagert sind, gleichmäßig vom Extraktionsmittel durchströmt und es erfolgt somit eine kontinuierliche Durchmischung. Das Extraktionsmittel verlässt den Festbettreaktor über die Auslassöffnung 7, wird extern temperiert und gelangt danach sofort wieder über die Auslassöffnung 6 in den Festbettreaktor zurück.
-
Während des Betriebs des Festbettreaktors ist die Einfüllöffnung 5 verschlossen. Der gesamte Reaktor weist im Inneren einen Überdruck auf. Entsprechend sind die Wandungen des Festbettreaktors als Druckwandungen ausgeführt.
-
Sofern das Extraktionsmittel, d.h. das Extraktionswasser 3, aus dem Festbettreaktor als Ganzes oder in Teilen entfernt werden soll, erfolgt dessen Auslass über die Auslassöffnung 6. Das entnommene Extraktionswasser 3 enthält das extrahierte Xylan und kann entsprechend weiterverarbeitet werden.
-
2 zeigt eine weitere Ausführungsform für einen Reaktor zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der hier vorliegende Reaktor ist allerdings kein Festbettreaktor, sondern das Reaktionsbett wird fortlaufend umgerührt. Der Reaktor enthält hier ebenfalls die Einfüllöffnung 5 im oberen Bereich. Diese ist ebenfalls während des Betriebs des Reaktors verschlossen. Auch bei der hier gezeigten Ausführungsform weist der Reaktor während des Betriebes einen Überdruck auf.
-
Zusätzlich ist im Innenbereich der hier gezeigten Versions des Festbettreaktors eine Rühreinheit 9 angeordnet. Diese enthält im hier gegebenen Beispiel einen Rührantrieb 10 und ein Rührgestänge 11 mit einem Rührpropeller 12. Hierdurch wird das Reaktionsbett aus den zerkleinerten Holzbestandteilen 2 und dem Extraktionswasser 3 permanent in Bewegung gehalten und innerhalb des Festbettreaktors umgewälzt.
-
Gleichwohl sind gerührte Systeme prinzipiell technisch komplexer und somit aufwändiger. So sind beispielsweise bei den zur hydrothermalen Extraktion benötigten Drücken aufwendige Dichtsysteme im Bereich der Rührer nötig. Da gleichzeitig grundsätzlich größere Reaktoren (Druckgefäße) notwendig sind, ist bei dem hier vorgesehenen Prozess das Reaktorsystem mit Flottenumwälzung mit seinem einfacheren Design vorteilhafter.
-
Die Temperierung des Extraktionswassers 3 und somit der im Reaktor befindlichen Flotte erfolgt bei dem in 2 gezeigten Beispiel nicht über einen außerhalb des Reaktors verlaufenden Extraktionsmittelkreislauf, sondern über einen über die Wand des Reaktors verlaufenden Wärmeaustausch mit der Umgebung, beispielsweise einem umgebenden Wärmebad oder einem anschließenden Heizkreislauf. Daher weist die in 2 gezeigte Ausführungsform schematisch angedeutete Wärmetauscherflächen 13 auf. Diese sind mit äußeren Heiz- und/oder Kühleinrichtungen, entsprechenden Kreisläufen und dergleichen Temperiereinrichtungen thermisch gekoppelt.
-
Nachfolgend soll der Extraktionsprozess beispielhaft erläutert werden. 3 zeigt hierzu einen beispielhaften Ablaufplan des Extraktionsprozesses in seiner einfachsten Ausgestaltung, der Ablaufplan in 4 enthält zusätzliche Teilschritte, in 5 ist ein dazu gehörender beispielhafter Temperaturverlauf gezeigt.
-
Bei dem nachfolgend beispielhaft beschriebenen Verfahren zur Gewinnung von Xylan handelt es sich grundsätzlich um eine hydrothermale Extraktion. Die erste wichtige Neuerung im Vergleich zu den bekannten Verfahren der hydrothermalen Extraktion ist wie bereits oben erwähnt die Verwendung eines bestimmten Reaktortyps in Verbindung mit einer speziellen Fahrweise der Extraktion.
-
Für die hier beschriebene Verfahrensweise wird ein Festbettreaktor mit Flottenumwälzung verwendet. Das bedeutet, dass sich das zu extrahierende Holz in Form von Holzchips in dem Druckgefäß befindet und das Extraktionsmittel Wasser durch dieses Bett von Holzchips zirkuliert wird, wobei das Extraktionsmittel nach Wunsch erhitzt, gekühlt, erneuert oder entnommen werden kann. Der entscheidende Aspekt dieser Fahrweise ist die Zirkulation (Flottenumwälzung) des Extraktionsmittels. Durch diese Flottenumwälzung ergeben sich einerseits Eingriffsmöglichkeiten, die eine Einstellung der Eigenschaften des Xylans zulassen, und andererseits lässt sich das Volumen an Extraktionsmittel vergleichsweise niedrig halten.
-
Außerdem ist es möglich, während der Zirkulation bestimmte Temperaturprofile zu verwirklichen und dadurch sowohl eine Einstellung der Molmasse als auch des Acetylierungsgrades des extrahierten Xylans zu verwirklichen.
-
Der Vorteil der Zirkulation gegenüber einem reinen Durchfluss des Extraktionsmittels, ggf. ebenfalls mit einem Temperaturprofil, ergibt sich aus der Tatsache, dass die eigentliche Extraktion im Sinne einer Erhöhung der Löslichkeit und die Einstellung der Molmasse sowie des Gehalts von Acetylgruppen unterschiedlichen Reaktionskinetiken folgen. Der entscheidende Vorteil gegenüber statischen Verfahren ohne jeglichen Fluss ist daher der erhöhte Massetransfer von den Holzchips in das Extraktionsmittel hinein. Darüber hinaus benötigen statische Verfahren weitere Schritte zur Einstellung eines bestimmten Gehalts an Acetylgruppen.
-
Der Extraktionsprozess beginnt mit einem Befüllschritt A des Festbettreaktors 1. Dabei wird zunächst das zerkleinerte Holzmaterial bis zu einem vorgesehenen Füllstand in den Reaktor eingefüllt. In einem sich daran unmittelbar anschließenden Auffüllschritt B wird das zerkleinerte Holzmaterial mit dem flüssigen Extraktionsmittel, d.h. insbesondere mit dem Extraktionswasser 3, aufgefüllt, bis der Wasserstand im Wesentlichen dem Füllstand des zerkleinerten Holzmaterials entspricht und das Holzmaterial knapp überdeckt. Insbesondere wird das Druckgefäß des Reaktors mit Buchenholzchips einer Korngröße von 0,75-16 mm, vorzugweise 1-4 mm, gefüllt. Es wird dann Wasser zugegeben, bis die Chips bedeckt sind.
-
Das so geschaffene Reaktionsbett wird nachfolgend in einem Umwälzschritt C umgewälzt, wobei dieses Umwälzen unter dem Einfluss einer zeitlichen Temperatursteuerung T verläuft. Ein beispielhafter Temperaturverlauf ist in 5 dargestellt.
-
Das frische Extraktionswasser wird beispielsweise innerhalb von ca. 20 min auf 130-150 °C, vorzugsweise auf 135-145 °C, erwärmt und anschließend 60-100 min, vorzugsweise 70-90 min, bei dieser Temperatur umgewälzt. Dieser Schritt dient der Förderung der Löslichkeit des Xylans im Extraktionswasser.
-
Entscheidend ist dabei, dass die Temperatur des Extraktionswassers mehr 130°C beträgt, um das Xylan zu lösen, aber niedriger als 150 °C gehalten wird, um zunächst keinen zu starken Abbau hervorzurufen und bei der vergleichsweise langen Extraktionszeit die Solubilisierung von Lignin als unerwünschte Verunreinigung gering zu halten.
-
Im Anschluss daran wird das Extraktionswasser innerhalb von 10 min auf 155-175 °C, vorzugsweise 160-170 °C, erwärmt und ca. 10 bis 50 min, vorzugsweise 20 bis 40 min, bei dieser Temperatur umgewälzt. Dieser Schritt dient der löslich-Machung weiterer Xylananteile im Extraktionswasser. Gleichzeitig führt die nun erhöhte Temperatur zu einem verstärkten Abbau des Xylans, so dass sich mit diesem Schritt die Molmasse des Zielprodukts einstellen lässt. Gleichzeitig wird der Gehalt an Acetylgruppen verringert.
-
Entscheidend sind hierbei drei zu beachtende Randbedingungen:
- Die erste Randbedingung besteht darin, dass die Temperatur über 155 °C zunächst gesteigert wird, um die Effizienz der Verringerung der Molmasse des Xylans und der Spaltung der Acetylgruppen zu erhöhen. Hierdurch kann die Molmasse des extrahierten Xylans und der Acetylierungsgrad des extrahierten Xylans wirksam beeinflusst werden.
-
Die zweite Randbedingung besteht darin, dass die Temperatur niedriger als 180 °C gehalten wird. Hierdurch wird eine unerwünschte Solubilisierung von im Holz vorhandenen Glucanen, vor allem Cellulose-Fragmenten, möglichst niedrig gehalten.
-
Die dritte Randbedingung besteht darin, dass die Zeit, in welcher die Temperatur des Extraktionswassers größer als 150 °C ist, möglichst kurz und nicht allzu lange beibehalten wird, um eine Solubilisierung des im Holz enthaltenen Lignins und somit dessen Eintrag als unerwünschte Verunreinigung möglichst gering zu halten.
-
Innerhalb des Extraktionsschrittes C können weitere Teilschritte ausgeführt werden.
-
4 zeigt einen beispielhaften Ablaufplan des Extraktionsprozesses mit zusätzlichen Teilschritten.
-
So ist es beispielsweise bei dem Extraktionsschritt C möglich, erst einen Lösungsschritt C1 auszuführen und nach der Steigerung der Temperatur über 155 °C in einem Austauschschritt C2 das Extraktionswasser komplett oder auch nur teilweise auszutauschen. Auf diese Weise lassen sich entweder einzelne Xylan-Fraktionen unterschiedlicher Molmasse bzw. mit unterschiedlichem Gehalt an Acetylgruppen erhalten oder es kann eine bestimmte Verteilung bezüglich dieser Parameter erreicht werden.
-
Abschließend wird das gesamte Extraktionswasser 3 aus dem Festbettreaktor in einem Schritt D abgezogen und weiterverarbeitet. Das Extraktionswasser 3 wird hierbei vollständig aus dem Reaktor abgezogen. Das nun darin gelöste und in seiner molaren Masse sowie in seinem Acetylierungsgrad durch die vorhergehenden Verfahrensschritte eingestellte Xylan wird beispielsweise durch ein Einleiten in einen 4 bis 10-fachen (v/v) Überschuss an Alkohol (Methanol oder Ethanol) als ein Feststoff ausgefällt. Der Feststoffanteil wird anschließend über konventionelle Filtrationsapparate abgetrennt, mit Alkohol gewaschen und getrocknet. Er steht nun für die Herstellung des PPS zur Verfügung.
-
4 zeigt außerdem einen zusätzlichen Quell- und Aufbereitungsschritt Q. Dieser ist ebenfalls in 5 dargestellt. Der Quell- und Aufbereitungsschritt besteht darin, dass nach dem Auffüllschritt B gemäß dem Ablaufplan in 3 ein Quellen der Holzbestandteile mit einem danach stattfindenden Austauschen des Extraktionswassers ausgeführt wird. Nach dem Zugeben des Extraktionswassers werden die Holzchips in dem Schritt Q für ca. 16 h bei Raumtemperatur gequollen. Anschließend wird innerhalb des Schrittes Q die Zirkulation des Extraktionswassers gestartet und das Extraktionswasser binnen einer Stunde auf 100 °C erwärmt. Nach Erreichen einer Temperatur von 100 °C wird das Extraktionswasser aus dem Kreislauf entnommen. Das entnommene Extraktionswasser enthält diverse nicht näher charakterisierte Verunreinigungen, aber kein Xylan, und wird daher verworfen. Dieser Schritt des Quellens erhöht die Effizienz der anschließenden löslich-Machung des Xylans. Gleichzeitig kann durch das Verwerfen des Quellwassers die Reinheit des Zielprodukts, kenntlich durch dessen Farbe, verbessert werden. Im Anschluss an diesen so ausgeführten Quell- und Aufbereitungsschritt Q wird die Holzschüttung mit frischem Extraktionswasser aufgefüllt und der eigentliche Extraktionsschritt C gestartet.
-
Außerdem kann unabhängig davon oder auch in Kombination damit das Abziehen des Extraktionswassers aus dem Reaktor durch mehrere Teilschritte abgewandelt und ergänzt werden:
- In einem Schritt D1 kann das abgezogene Extraktionswasser durch einen Aktivkohlefilter geleitet werden. Durch diese Integration eines Aktivkohlefilters, insbesondere am Auslass des Reaktors, kann aus dem wässrigen Extrakt Lignin, welches unweigerlich bis zu einem bestimmten Grad gemeinsam mit Xylan extrahiert wird, schon vor der nachfolgenden Fällung in Alkohol entfernt werden. Dies ermöglicht es einerseits, die nachfolgend notwendige Alkoholmenge zu reduzieren und erlaubt es andererseits, die Konzentration der Extrakte zu erhöhen, ohne dass es zum Verkleben der verwendeten Apparaturen kommt.
-
In einem Schritt D2 ist es möglich, dass anstelle eines Wärmetauschers, der das Extrakt am Auslass des Reaktors für die Entnahme abkühlt, auch ein Verdampfer eingesetzt werden kann. So kann die Prozesswäre der Extraktion direkt genutzt werden, um Wasser aus der Extraktionslösung zu entfernen und die Konzentration der Extrakte erhöht werden.
-
In einem Schritt D3 ist es außerdem auch möglich, durch eine schrittweise Erhöhung des Verhältnisses von wässrigem Extrakt zu Alkohol während der Fällung verschiedene Fraktionen mit graduell unterschiedlicher Molmasse und sehr enger Molmassenverteilung zu erhalten. So werden bei niedrigen Verhältnissen bevorzugt die Xylane hoher Molmasse gefällt, während mit zunehmender Alkoholmenge mehr und mehr auch Xylane mit niedrigerer Molmasse gefällt werden können.
-
Die durch die oben beschriebenen Verfahrensschritte erhaltenen Xylane zeichnen sich durch ein bestimmtes Eigenschaftsprofil aus. So lassen sich beispielsweise gezielt vor allem die gewichtsmittleren Molmassen der Xylane auf Werte zwischen 1000 und 5000 g/mol einstellen. Die gleichzeitige exzellente Reproduzierbarkeit der Molmassenverteilung stellt einen signifikanten Vorteil der mit Hilfe des hier beschriebenen Prozesses gewonnen Xylane dar. Diese lassen sich in einem Schritt zu PPS umsetzen.
-
5a zeigt ein Größenausschluss-Chromatogramm von mit Hilfe des hier beschriebenen Prozesses gewonnenem Xylan. Es zeigt, dass sich vor allem die gewichtsmittleren Molmassen der Xylane gezielt auf Werte zwischen 1000 und 5000 g/mol einstellen und gleichzeitig eine definierte Molmassenverteilung erreichen lässt. Die gleichzeitige exzellente Reproduzierbarkeit der Molmassenverteilung stellt einen signifikanten Vorteil der mit Hilfe des hier beschriebenen Prozesses gewonnen Xylane dar. Insbesondere lassen sich diese in einem Schritt zu PPS umsetzen.
-
6 zeigt ein exemplarisches HPLC-Chromatogramm von mit Hilfe des hier beschriebenen Prozesses gewonnenem Xylan nach saurer Hydrolyse. Insgesamt zeigt das Chromatogramm, dass sich die gewonnenen Extrakte durch eine spezifische Zuckerzusammensetzung auszeichnen, die wiederum eine besonders gute Verarbeitbarkeit bezüglich der Gewinnung von PPS zur Folge hat. Insbesondere belegt das Chromatogramm einen Gehalt von über 85% Xylose, repräsentiert durch das dominante Signal bei einer Retentionszeit von 9,29 min. Darüber hinaus ermöglicht die neue Prozessführung auch hinsichtlich der Endgruppen, beispielsweise, repräsentiert durch das Signal bei einer Retentionszeit von 7,65 min, sowie anderer Nebenzucker eine hervorragende Reproduzierbarkeit. Gleichzeitig sind die ermittelten hohen Widerfindungsraten ein Maß für die hohe Reinheit des gewonnen Xylans. Dieses ist insbesondere weitgehend frei von Lignin/Ligninabbauprodukten sowie anderen Verunreinigungen, wie insbesondere Tabelle 1 zu entnehmen ist:
Tabelle 1: Ergebnisse der Zuckeranalyse von mit Hilfe des erfindungsgemäßen Prozesses gewonnenen Xylans.
| Probe | Wiederfindungsrate | Relativer Gehalt [%] | Unbekannte [%] |
| Rha | Ara | Gal | Glu | Xyl | Man |
| 1 | 86 | 1,1 | 0,0 | 2,1 | 4,7 | 87,0 | 5,1 | 0,2/0,0 |
| 2 | 87 | 1,0 | 0,0 | 2,2 | 5,0 | 86,9 | 4,9 | 0,2/0,0 |
| 3 | 91 | 1,2 | 0,0 | 2,5 | 4,8 | 86,3 | 5,2 | 0,3/0,0 |
| 4 | 86 | 1,2 | 0,0 | 2,5 | 4,5 | 86,8 | 5,0 | 0,2/0,1 |
| 5 | 89 | 1,2 | 0,0 | 2,5 | 4,8 | 86,8 | 4,7 | 0,2/0,0 |
| 6 | 89 | 1,1 | 0,0 | 2,4 | 4,5 | 87,4 | 4,6 | 0,2/0,0 |
| 7 | 89 | 1,1 | 0,0 | 2,4 | 4,5 | 87,4 | 4,6 | 0,1/0,0 |
| 8 | 89 | 1,2 | 0,0 | 2,5 | 5,0 | 86,4 | 4,9 | 0,3/0,1 |
| 9 | 89 | 1,2 | 0,0 | 2,5 | 4,6 | 87,0 | 4,8 | 0,2/0,1 |
| 10 | 88 | 1,1 | 0,0 | 2,5 | 4,6 | 87,0 | 4,7 | 0,2/0,1 |
| Mittelwert | 88 | 1,1 | 0,0 | 2,4 | 4,7 | 86,9 | 4,8 | |
| Standardabweichung | 1,5 | 0,1 | - | 0,1 | 0,2 | 0,4 | 0,2 | |
-
Des Weiteren lässt sich mit Hilfe von NMR-spektroskopischen Analysen zeigen, dass funktionelle Gruppen, wie Glucuronsäure und Acetylgruppen, in einem bestimmten Gehalt vorhanden und spezifisch gebunden sind.
-
7 zeigt hier ein beispielhaftes NMR-Spektrum, in der oberen Darstellung ein 1H-NMR-Spektrum und in der unteren Darstellung ein 13C-NMR-Spektrum, aufgenommen in D2O bei einer Temperatur von 300 K und einer Spektrometer-Frequenz 300 MHz. Während die dominanten Peaks im 13C-NMR Spektrum bei ca. 101,6; 76,3; 73,6; 72,6 und 62,9 die Grundstruktur des β-(1→4)-D-Xylopyranose-Rückgrates belegen, zeigen die Peaks bei ca. 96,5; 75,5; 69,1; 65,2 und 57,4 ppm die sporadische α-(1→4) Substitution des Rückgrats mit 4-O-Me-Glucuronsäure an. Aus dem Peak bei ca. 62,4 ppm im 13C-NMR und dem Peak bei 2,12 im 1H NMR kann die Substitution mit Acetylgruppen abgeleitet und quantifiziert werden.
-
Wie gezeigt lässt sich auf der Basis des Xylans, das mittels des vorhergehend beschriebenen Verfahrens gewonnen wurde, der Schritt der nachfolgenden Einstellung der Molmasse am bereits extrahierten Xylan und somit auch der zweite Sulfatierungsschritt einsparen. Genau diese Schritte lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bereits im Zuge der Extraktion ausführen.
-
Es ist somit dadurch möglich, ausgehend von dem mit den hier beschriebenen Schritten extrahierten Xylan in einem Schritt ein PPS zu erhalten, das hinsichtlich der pharmazeutisch relevanten Parameter, insbesondere dem Gehalt an Sulfatgruppen und der Molmasse, äquivalent dem PPS ist welches nach den bekannten Verfahren gewonnen wurde. Der entscheidende Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit die Einsparung dieser nach dem Stand der Technik zusätzlichen Schritte.
-
8 zeigt einen beispielhaften Aufbau einer Extraktionsanlage zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere in Hinblick auf nachgeschaltete Komponenten zum Nachbereiten des Extraktionswassers. Der Festbettreaktor 1 ist bei der hier gezeigten Extraktionsanlage das entscheidende Betriebselement, das allerdings sekundäre Komponenten erfordert.
-
Der vorher beschriebene Extraktionsmittelkreislauf 4 einhält einen Wärmetauscher 14 zum Temperieren des in diesem Kreislauf umgewälzten Extraktionswassers 3. Bei dem in 5 dargestellten Temperaturverlauf, bei dem die Temperatur des Extraktionswassers während der einzelnen Phasen des Extraktionsprozesses monoton steigt und nicht zwischendurch abgesenkt wird, wird der Wärmetaucher 14 ausschließlich als Heizung für das umgewälzte Extraktionswasser 3 betrieben. Der Wärmetauscher 14 ist hierzu mit einem externen Temperierkreislauf 14a gekoppelt, in welchem ein externes Heizmedium umgetrieben wird. Die Einstellung der Temperatur sowie die Steuerung des Temperaturanstiegs innerhalb des Extraktionswassers 3 im Extraktionsmittelkreislauf 4 wird beispielsweise über die Fließgeschwindigkeit des Extraktionswassers 3 im Extraktionsmittelkreislauf 4 geregelt.
-
Zum Umtreiben des Extraktionswassers im Extraktionsmittelkreislauf 4 dient eine Umwälzpumpe 15. Deren Betrieb wird von einer hier nicht dargestellten Steuereinheit gesteuert, wobei innerhalb des Extraktionsmittelkreislaufs angeordnete, hier ebenfalls nicht dargestellte, Temperatursensoren den momentanen Wert der Temperatur des Extraktionswassers registrieren.
-
Der Extraktionsmittelkreislauf wird anfänglich über ein Zulaufventil 16 mit Frischwasser beschickt. Der Extraktionsmittelkreislauf wird abschließend nach dem Extraktionsvorgang über das Schalten eines Ablaufventils 17 entleert. Während des Extraktionsprozesses innerhalb des Festbettreaktors 1 sind sowohl das Zulaufventil 16 als auch das Ablaufventil 17 geschlossen. Möglich ist allerdings ein so genanntes fraktioniertes Ableiten des Extraktionswassers. Allerdings erfolgt kein kontinuierliches Durchleiten von Extraktionsmittel von dem Zulaufventil 16 zu dem Ablaufventil 17. Es wird somit ausdrücklich kein Durchlaufbetrieb ausgeführt.
-
Bei der Entnahme des Extraktionswassers wird das Ablaufventil 17 geöffnet. Die Umwälzpumpe 15 leitet das Extraktionswasser aus dem Festbettreaktor 1 ab und drückt diese über das geöffnete Ablaufventil 17 in den dahinter gelegenen Entnahmezweig. Dieser Entnahmezweig enthält im hier vorliegenden Beispiel einen Aktivkohlefilter 18, einen Verdampfer 19 und einen Wärmetauscher 20, der hier als Kühler fungiert.
-
Der Aktivkohlefilter entfernt wie erwähnt mit extrahiertes Lignin aus der Xylan-Lösung im Extraktionswasser. Dieses Abscheiden des Lignins ermöglicht es einerseits, die Alkoholmenge zu reduzieren und erlaubt es andererseits, die Konzentration der Extrakte zu erhöhen, ohne dass es zum Verkleben der verwendeten Apparaturen kommt.
-
Der Verdampfer 19 dient der Kühlung des ausgeleiteten Extraktionswassers. Zum einen kann das hier abgedampfte Wasser direkt zur Weiterleitung der freiwerdenden Extraktionswärme genutzt werden, zum anderen wird hierdurch die Konzentration des gelösten Xylans im Extraktionswasser durch den abnehmenden Wasseranteil zusätzlich erhöht.
-
In dem hier gegebenen Beispiel wird das abgeleitete Extraktionswasser in einem Wärmetaucher 20 zusätzlich gekühlt. Die dabei ebenfalls frei werdenden Wärme kann als Abwärme genutzt werden oder auch teilweise an den Temperierkreislauf 14a zurückgeführt werden.
-
Über ein Auslassventil 21 verlässt das Extraktionswasser den Entnahmezweig und wird einer nachfolgenden Prozessstation Ausfällung zur Ausfällung und Abtrennung des Xylans zugeleitet.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren wurde anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie im Rahmen fachmännischen Handelns.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Festbettreaktor
- 2
- Zerkleinerte Holzbestandteile
- 3
- Extraktionswasser
- 4
- Extraktionsmittelkreislauf
- 5
- Einfüllöffnung
- 6
- Austrittsöffnung
- 7
- Auslassöffnung
- 8
- Festbettsieb
- 9
- Rühreinheit
- 10
- Rührantrieb
- 11
- Rührgestänge
- 12
- Rührpropeller
- 13
- Wärmetauschflächen (schematisch)
- 14
- Wärmetauscher (Heizung)
- 14a
- Temperierkreislauf
- 15
- Umwälzpumpe
- 16
- Zulaufventil
- 17
- Ablaufventil
- 18
- Aktivkohlefilter
- 19
- Verdampfer
- 20
- Wärmetauscher (Kühler)
- 21
- Auslassventil
- A
- Befüllschritt
- B
- Auffüllschritt
- C
- Umwälzschritt
- C1
- Lösungsschritt
- C2
- Austauschschritt
- D
- Abziehschritt und Xylan-Abtrennung
- D1
- Aktivkohlefilterung
- D2
- Verdampferkühlung
- D3
- Fraktionierte Fällung durch schrittweise Alkoholzugabe
- Q
- Quell- und Aufbereitungsschritt
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
