Rhamnose ist ein 6-Desoxyzucker (Monosaccharid), der in der Natur sowohl in der D- als auch in der L-Form vorkommt.

Die Herstellung von L-Rhamnose, die das heute am einfachsten zugängliche 6-Desoxymonosaccharid ist, ist Gegenstand verschiedener Patentanmeldungen. Aus derartigen

Desoxyzuckern läßt sich u.a. 2,5-Dimethyl-4-hydroxy-2,3- dihydrofuran-3-on (Furaneol) herstellen, das Verwendung als

Aromaεtoff findet.

Als Ausgangsstoffe für eine Gewinnung von Rhamnose kommen verschiedene Naturstoffe in Frage, z.B. Glycoside wie Rutin, Quercitrin, Naringin, Hesperidin und Polysaccharide wie Gummi arabicum, das fermentativ gewonnene Polysaccharid S-60 (US-PS 4 326 053) oder Rhamnol pide, die fermentativ oder mikrobiell, z.B. von Bakterien der Gattung Pseudomonas, u.a. aus natürlichen Ölen oder Erdölfraktionen produziert werden.

Unabhängig von der Art der vorgenannten Auεgangsstoffe ist zur Gewinnung der Rhamnose eine Hydrolyse, die enzy atisch oder sauer katalysiert sein kann, notwendig, wobei man ein

Gemisch enthält, das neben Rhamnose noch andere Substanzen enthält.

Wenn man von Rhamnose enthaltenden Glycosiden ausgeht, ist man auf pflanzliche Ausgangsprodukte, z.B. Abfälle der

Zitrussaftherstellung angewiesen, die nur im jahreszeitlichen R _h yt _h mus anfallen und deren Zusammensetzung in weiten Grenzen schwankt. Um von derartigen Schwankungen unabhängig zu sein, ist es vorteilhafter, fermentativ gewonnene Polysaccharide o _d er Rhamnolipide als Ausgangsstoffe zu verwenden, die reproduzierbar hergestellt werden können.

Die Verwendung von Rhamnol ipiden hat gegenüber der von Rhamnose enthaltenden Heteropolysacchariden den Vorteil , daß der gewünschte Zucker - Rhamnose - nach einer Hydrolyse nicht von anderen Zuckern, z . B . Glucose und Mannose , die sonst vielfach in wesentl ichen Mengen in der Hydrolyselösung enthalten sind, abgetrennt werden muß . Die Trennung eines komplexen Zuckergemisches ist technisch aufwendiger als die Isolierung der Rhamnose aus dem Hydrolysat eines Rhamnolipids .

Ein Rhamnolipid, insbesondere ein fermentativ gewonnenes Rhamnolipid, ist somit ein gut geeignetes Ausgangsmaterial für eine Rhamnose- Produktion .

Für eine Produktion von Rhamnose in technischem Maßstab ist neben einem geeigneten Ausgangsmateri.al die Möglichkeit einer leichten Isolierung der Rhamnose aus einem Hydrolysat komplexer Zusammensetzung von ganz entscheidender Bedeutung .

Für die Gewinnung von Rhamnose aus Hydrolysaten sind folgende Methoden beschrieben :

Nach der DE- OS 35 45 107 wird zu dem neutralisierten wäßrigen Hydrolysat eine große, insbesondere eine 5- bis 20- fache Menge , bezogen auf die wäßrige Phase, eines polaren organischen Lösungsmittels zugegeben. Danach erfolgt die Entfernung des Lösungsmittels', Auftrennung der Zucker über stark saure Kationenaustauscher, vorzugsweise unter Verwendung von Aceton oder Acetonitril als "Extraktionsmittel" , und Reinigung der Rhamnose durch Adsorption an Aktivkohle .

Dieses Aufarbeitungsverfahren ist umständlich und für eine wirtschaftl iche Gewinnung von Rhamnose nicht geeignet .

Nach der EP-A 317 033 werden in Zitrusabf allen enthaltene Glycoside enzy atisch zur Gewinnung von Rhamnose hydrolysiert .

Die im Hydrolysat enthaltene Glucose wird durch Vergären mit

TZBL TT

Hefe oder durch selektive Oxidation der Glucose zur

5-Ketogluconsäure entfernt. Diese Methode ist teuer und umständlich, zumal noch eine chromatographiεche Reinigung über Aktivkohle erforderlich ist.

Nach der EP-A 282 942 wird ein isoliertes Rhamnolipid als Ausgangsmaterial verwendet, das mit H ₂ S0 ₄ bei 30 bis 100°C hydrolysiert wird. Die dabei entstehende Hydroxydecansäure wird entweder mit Ethylacetat extrahiert oder an Anionenaustauschern adsorbiert. Die Hydrolyse des Rhamnolipid-Niederschlages (Bsp. III) erfolgt in sehr verdünnter Lösung. 1,9 g Rhamnose enthaltender Niederschlag, entsprechend ca. 3,8 g Rhamnolipid, werden in 300 ml einmolarer H ₂ S0 ₄ suspendiert, erhitzt und anschließend mit dem vierfachen Volumen, d.i. 1200 ml Ethylacetat, behandelt. In der wäßrigen Phase werden 1,2 g Rhamnose gefunden, in der organischen (Ethylacetat- )-Phase verbleiben 0,5 g Rhamnose.

Die für die Herstellung von nur 1,2 g Rhamnose erforderlichen Säure- und Lösungsmittelmengen bedingen, daß eine wirtschaftliche Produktion von Rhamnose auf diese Weise nicht möglich ist.

Es ist also bisher keine Methode bekannt, die es erlaubt, Rhamnose in großer Menge mit wirtschaftlichen Mitteln und ohne teure und gefährliche Hi ^' lfsstoffe (Enzyme, brennbare und giftige Lösungsmittel) herzustellen.

Gegenstand der Erfindung ist nun ein Verfahren zur Herstellung von Rhamnose aus Rhamnolipiden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man eine saure Emulsion des Rhamnolipids bei 100 bis 200°C hydrolysiert und anschließend kühlt, die wäßrige Phase des entstandenen Hydrolysats von der lipiden Phase abtrennt, ihren pH- ert durch Zugabe einer basischen Verbindung anhebt, einen etwa entstehenden

Niederschlag abtrennt, die verbleibende Lösung einengt und entweder unmittelbar weiterverarbeitet oder über ein Ionenaustauscherharz chromatographiert, wobei als Eluat Rhamnose enthaltende Fraktionen anfallen, die als solche weiterverarbeitet oder zu kristallinem Rhamnosemonohydrat aufgearbeitet werden.

Es ist ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, daß man auf die Mitverwendung von organischen Lösungsmitteln vollständig verzichten und als Lösungsmittel ausschließlich Wasser verwenden kann.

Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Rhamnolipide lassen sich auf verschiedene Weise, z.B. gemäß der EP-A 282 942 und der DE-A 34 05 664 nach fermentativen Verfahren herstellen. Zweckmäßig werden die erhaltenen Emulsionen weitgehend von Fremdsalzen befreit, vorteilhaft soweit, daß sie eine Leitfähigkeit von weniger als 12 mS/cm, vorzugsweise von weniger als 5 mS/cm aufweisen. Derartige entsalzte Emulsionen können auch nach dem Verfahren der am gleichen Tage eingereichten Patentanmeldung der Hoechst Aktiengesellschaft (HOE 90/F 284) mit dem Titel "Verfahren zur Herstellung geeigneter Glycolipide durch Membrantrennverfahren durch Ultrafiltration hergestellt werden. Für das erfindungsgemäße Verfahren werden zweckmäßig solche Emulsionen verwendet, deren wäßrige Phase einen pH- ert von 0 bis'3, vorzugsweise von 0,5 bis 1,5 aufweisen und die einen Trockensubstanzgehalt, d.i. Verdampf ngsrückεtand durch 30 minütiges Erhitzen auf 85°C bei 6 kPa bestimmt, von 5 bis 50, vorzugsweise 10 bis

20 Gew.-% aufweisen. Dieser Trockensubstanzgehalt läßt sich durch Aufkonzentrierung bzw. Verdünnung mit Wasser einstellen.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann diskontinuierlich oder kontinuierlich durchgeführt werden, wobei die kontinuierliche Arbeitsweise bevorzugt ist.

Für die Einstellung der Emulsion auf den pH-Wert von 0 bis 3 kann man z.B. Salzsäure verwenden; ist jedoch kontinuierliches Arbeiten beabsichtigt, empfiehlt es sich, als Säuren solche zu verwenden, die mit der basischen Verbindung, die im spätere Verlaufe des Verfahrens zugesetzt wird, ein schwerlösliches Salz bilden, vorzugsweise H2SO4, H3PO4 und HF.

Die saure Emulsion wird z.B. diskontinuierlich oder kontinuierlich unter gutem Rühren 5 bis 300 min, vorzugsweise 20 bis 150 min, insbesondere 30 bis 120 min auf eine Temperatur von 100 bis 200°C, vorzugsweise 110 bis 160°C, insbesondere 120 bis 150°C erhitzt und anschließend gekühlt. Eine gute Durchmischung des zu hydrolysierenden Gemisches bis zur Trennung der wäßrigen Phase von der Ölphase ist sehr wichtig, da es sich um eine heterogene Hydrolyse handelt, bei der sich die als Katalysator wirkende Säure sowie die freigesetzte Rhamnose in der Wasεerphase befinden, und das zu hydrolysierende Rhamnolipid zusammen mit nicht umgesetztem Substrat, z.B. So aöl in der Lipidphase. Die Durchmischung kann durch physikalische Mittel unterstützt werden, beispielsweise durch Rühren, Schütteln oder Anwendung von Ultraschall.

Die Dauer der Hydrolyse ist wie beim diskontinuierlichen Verfahren natürlich von der angewandten Temperatur abhängig. Bei der kontinuierlichen Arbeitsweise läßt sich die Aufenthaltszeit über die Änderung verschiedener Faktoren variieren, wie z.B. der Leistung der Einεpeisepumpe, der Zahl der Reaktoren bzw. dem Volumen bis zum Druckhalteventil.

Nach der Hydrolyse fällt ein Produkt an, das im wesentlichen aus einer wäßrigen Phase besteht, die die freigesetzte Rhamnose enthält und neben der noch eine Ölphase vorhanden ist, die u.a. unumgesetztes Rhamnolipid enthält. Dieses Produkt wird z.B. in einem Separator in die beiden Phasen

getrennt. Um eine leichte Trennung zu ermöglichen, werden die beiden Phasen bei einer Temperatur von unter 100°C, vorzugsweise bei etwa 50 bis 90°C, separiert.

Als basische Verbindungen eignen sich insbesondere solche, die mit der eingesetzten Säure ein schwerlösliches Salz bilden, vorzugsweise Ca(OH)2 und/oder CaCC^. Derartige Salze sind vor allem für die kontinuierliche Arbeitsweise bevorzugt. Die Anhebung des pH-Wertes erfolgt zweckmäßig bis zu einem Wert von 2 bis 8, vorzugsweise 3 bis 7. Der gebildete Feststoff wird, gegebenenfalls unter Zusatz eines Filterhilfsmittels, abgetrennt und das Filtrat unter vermindertem Druck, vorzugsweise bei unter 20 kPa, z.B. unter 60°C, auf einen Trockensubstanzgehalt von 20 bis 60, vorzugsweise 25 bis 50 Gew.-% eingeengt. Als

Filterhilfsmittel kommen z.B. solche auf Basiε von Zellulose oder Kieselgur, beispielsweise ®Arbocell und ®Celite in Frage.

Geeignete Ionenaustauscherharze sind sulfonierte mit

Divinylbenzol vernetzte Polystyrolharze in der Salzform, die vorzugsweise dieselbe Art von Kationen enthalten wie die zur Neutralisation verwendete basische Verbindung. Die bei der Chromatographie erhaltenen Rhamnose enthaltenden Fraktionen werden unter vermindertem Druck, vorzugsweise bei unter 20 kPa, weiter in Abhängigkeit von der Temperatur eingeengt, z.B. auf einen Trockensubstanzgehalt von ca. 65 Gew.-%, und nach einer etwaigen Filtration kristallisiert.

Die Rhamnose kann vor oder nach einer chromatographischen Trennung in dieser Form bereits weiterverarbeitet werden, z.B. zu Furaneol, wenn die Reinheit der Lösung ausreichend ist.

ERSATZBLA1 I

Zur Vorreinigung der wäßrigen Phase vor der Chromatographie und der Kristallisation kann diese mit Entfärbungsmitteln, wie z.B. Aktivkohle oder Bentonit behandelt werden.

Die Kristallisation kann als Verdampfungs- und/oder Kühlungskristallisation durchgeführt werden. Die Kühlungskristallisation erfolgt bevorzugt zwischen 65 und 15°C mit einer Kühlrate von 1 bis 10°C/h, vorzugsweise 3 bis 6°C/h. Die Verdampfungskristallisation läßt sich beispielsweise so durchführen, daß man bei einer Temperatur von 65°C und einem Druck von 20 kPa Wasser so schnell verdampft, daß eine Übersättigung in der Mutterlauge von 1,05 bis 1,3, vorzugsweise 1,1 bis 1,15 eingehalten wird und die Kristalle von Rhamnosemonohydrat bis zu einer Kantenlänge von 0,3 bis 0,5 mm wachεen können. Das

Kristalliεat kann in einer Siebkorbzentrifuge von der Mutterlauge abgetrennt werden. Die Mutterlauge kann einer zweiten Kristallisationsstufe unterworfen werden. Eine solche mehrstufige Verdampfungskristallisation führt bekanntlich zu einer höheren Ausbeute an kristallisiertem Produkt.

Die danach anfallende Restmutterlauge kann durch eine chromatographische Behandlung von störenden Fremdsubstanzen befreit und noch weiter wie oben beschrieben zu kriεtalline Rhamnosemonohydrat aufgearbeitet werden.

Als Rohprodukt fällt die Rhamnose in Form von Kristallen von Rhamnosemonohydrat (Reinheit ca. 95 %) an. Dieses Rohkristallisat kann aus Wasser umkristallisiert werden und in üblicher Weise, z.B. unter Bewegung mit über 70°C warmer Luft oder unter vermindertem Druck, beispielsweise unter 20 kPa, bei einer Temperatur von 20 bis 70°C, getrocknet werden.

Das Verfahren einer kontinuierlichen sauren Hydrolyse eines Rhamnolipids wird beispielhaft im folgenden genauer beschrieben.

Beispiele

1. Aus einem fermentativ erhaltenen entsalzten Konzentrat mit einem Trockensubstanzgehalt von 40 Gew.-% (gravimetrisch bestimmt) wurde unter Rühren mit Schwefelsäure und Wasser eine Rhamnolipidemulsion mit 15 Gew.-% Trockensubstanzgehalt u einem pH-Wert von 0,9 hergestellt.

380 1 dieser Emulsion wurden stündlich mittels einer Mohnopumpe in eine Hydrolyseanlage eingebracht, die im wesentlichen besteht aus:

a) einer Homogenisieranlage (z.B. ®SUPRATON-Maschine) mit einer geregelten Dampfinjektion in der Saugseite, b) einer Heißhaltestrecke, bestehend aus mehreren hintereinander zu durchlaufenden Reaktoren, deren letzter eine Druckhalteeinrichtung (Druckhalteventil) besitzt, womit ein bestimmter Druck zwischen der Mohnopumpe und dem Druckhalteventil eingestellt werden kann, in der die wäßrige Emulsion auf 150 bis 160°C erhitzt wird, wobei die Aufenthaltszeit in der Heißhaltestrecke etwa 120 min beträgt, und c) einer Kühleinrichtung, z.B'. Röhrenkühler, mit der das Hydrolysat unter 100°C abgekühlt wird.

in der SUPRATON-Maschine sind Werkzeuge eingebaut, die eine gute Homogenisierung und Zerkleinerung bewirken. Diese Maschine hat die Aufgabe, den Produktstrom hohen Scherkräften zu unterwerfen und somit Säure, Wasser und das Rhamnolipid innig zu durchmischen, Bedingungen, die für ein heterogenes Reaktionsgemisch von großer Bedeutung sind.

ERSATZBLATT

Das gekühlte Hydrolysat wurde in einem mit einem Rührer versehenen Behälter gesammelt. Dann wurden die Phasen mechanisch, z.B. in einem Separator (z.B. Westfalia- Separator) getrennt und die wäßrige Phase kontinuierlich abgezogen. Diese wurde in einem mit einem Rührer versehenen Behälter gesammelt, mit Calciumcarbonat auf einen pH-Wert von ca. 4,5 gebracht und der entstandene Niederschlag (Gips), z.B. in einer Kammerfilterpresse, abgetrennt, gewaschen und das Filtrat unter vermindertem Druck (unter 20 kPa) eingeengt. Man erhält aus insgesamt 380 1/h der in die Hydrolyseanlage eingespeisten Emulsion etwa 440 1 h Hydrolysat und etwa 380 1/h Filtrat. Dieses wurde auf etwa 50 Gew.-% Trockensubstanzgehalt eingeengt, filtriert und über einen Ionenaustauscher Lewatit TSW 40 in Kalziumform chromatographiert.

Die zur chromatographischen Trennung verwendete Anlage besteht aus 3 Säulen (I m Durchmesser) mit einem Gesamt- Harz-Inhalt von 14 m ³ Harz.

700 kg eines Rohproduktes mit einem Trockensubstanzgehalt von 47,6 Gew.-% (333 kg Trockensubstanz), die 244 kg Rhamnose enthalten, werden bei 65°C und einem Durchfluß von 1,6 m ³ /h mit entsalztem Wasser eluiert. Die Produktfraktion, die nach 0,5 1 Bettvolumen am Ende der 3. Säule enfällt und 0,275 1 Bettvolumen beträgt (3,85 ³ , 210 kg Rhamnose enthaltend), wird schonend eifngeengt und gemeinsam mit einer weiteren Produktfraktion zur Kristallisation gebracht.

660 kg der konzentrierten Produktfraktion (TS-Gehalt 69,2

Gew.-%, 457 kg TS) werden in einem 600 1 Kühlungskristallisator unter Rühren von 65°C auf 20°C mit einer Kühlrate von 3°C/h abgekühlt und anschließend in einer Siebkornzentrifuge in 354 kg Rha nosemonohydratkristalle und 386 kg Mutterlauge (incl. Waschwasser) getrennt.

ERSATZB

Die Kristalle haben eine Reinheit von 98 % und sind schwach gelb gefärbt. Sie können aus Wasser umkristallisiert werden. Die Mutterlauge wird einer weiteren Kristallisation unterworfen und die daraus resultierende Endmutterlauge wird rechromatographiert.

2. (Diskontinuierliche Hydrolyse) Zu einem durch Ultrafiltration entsalzten Konzentrat (40 % TS) wurde konzentrierte Salzεäure in einer Menge zugegeben, so daß die gesamte Mischung ca. 1/8 normal an Salzsäure war (0,46 Gew.-%).

In einem Rühr-Autoklav wurde die Emulsion zwei Stunden auf 140°C erhitzt, nach dem Abkühlen erfolgte eine Phasenseparierung. Die wäßrige Phase wurde mit

Calciumhydroxyd auf einen pH-Wert von etwa 6 bis 8 eingestellt, nach Zugabe von Bentonit eine Stunde gerührt und filtriert.

Das Filtrat hat einen pH-Wert von 6 bis 8, einen

Trockensubstanzgehalt von ca. 11 Gew.-% und enthält ca. 75 g Rhamnose/1. Diese Lösung wurde direkt zur Kristallisation gebracht. Die Mutterlauge wurde wie in Beispiel 1 chromatographiert und wie in Beispiel 1 oder 3 zur Kristallisation gebracht.

3. (Verda pfungskristallisat'ion) In einem

Verdamp ungskristallisator (100 1 Inhalt) wurde isobar bei 20 kPa die konzentrierte Produktfraktion mit einem TS-Gehalt von ca. 65 Gew.-% eingeengt, wobei das Niveau über der Heizkammer gehalten wurde. Bei einer Übersättigung von 1,1 (s. Abb. Löslichkeitskurve) wurde mit feingemahlenen Rhamnosemonohydratkristallen angeimpft und anschließend die konzentrierte Produktlösung entsprechend der Kristallisationsgeschwindigkeit langsam nachgezogen, bis der Kochapparat gefüllt war. Der TS-

Gehalt des Magmas beträgt dann ca. 80 Gew.-%. Die Füllmasse (Magma) wurde anschließend in einer Siebkorbzentrifuge in 27,8 kg Kristalle von Rhamnosemonohydrat und 46,5 kg Mutterlauge getrennt.

Die Mutterlauge wurde ein zweites Mal kristallisiert; die Endmutterlauge wurde in einer chromatographischen Trennung von Nebenprodukten befreit und die Rhamnose wie oben beschrieben kristallisiert.