NO314788B1 - Framgangsmåte for utvinning av en eller flere forbindelser fra en blanding - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en framgangsmåte for utvinning av en forbindelse eller en gruppe forbindelser fra en blanding ved separerende anvendelse av et løsningsmiddel.

Bakgrunn

En kjent framgangsmåte av denne type er ekstraksjon ved hjelp av et selektivt løsningsmiddel, dvs. et som løser eller holder tilbake kun den eller de forbindelser som skal utvinnes. Yteevnen ved ekstraksjonen er ofte begrenset med hensyn til selektivitet, da det ved oppløsning av den eller de løselige forbindelsene også ofte blir trukket med molekyler av andre forbindelser, som i seg selv ikke er løselige i løsningen under de innstilte betingelsene; dessuten er det ofte dårlig løselighetsforskjell mellom forbindelsene som skal separareres. Den er videre begrenset i den forstand at den alltid bare muliggjør et snitt mellom løselige og ikke løselige forbindelser.

Formål

Formålet med oppfinnelsen er å framskaffe en effektiv separasjonsmetode.

Oppfinnelsen

I henhold til oppfinnelsen er det sørget for at blandingen i nærvær av et sorpsjonsmiddel som stasjonær fase behandles med løsningsmidlet, hvorved løsningsmidlet føres forbi blandingen på sorpsjonsmidlet medstrøms blandingen eller motstrøms blandingen eller føres over en stillestående blanding og sorpsjonsmidlet, og at løsningsmidlet og sorpsjonsmidlet velges slik at holdevirkningen av sorpsjonsmidlet understøtter separasjon gjennom løsningsmidlet ved oppløsning og/eller deretter samvirker supplerende med løsningsmidlet som mobil fase.

Varianten med at løsningsmidlet føres forbi på den stasjonære blandingen er framgangsmåte-teknikken ved ektraksjon. Her kan sorpsjonsmidlet som anvendes ifølge oppfinnelsen velges slik at det binder molekyler, som ellers vil trekkes med i løsningen, eller såvel molekyler av slike forbindelser som er løselige i løsningsmidlet og som en ikke ønsker oppløst. Sorpsjonsmidlet kan og skal fortrinnsvis binde molekylene ut fra blandingen allerede umiddelbart før oppløsningen, slik at de helt sikkert ikke går inn i løsningen: Ekstraksjonen understøttes ved hjelp av sorpsjonsmidlet. Det kan imidlertid i stedet for dette, fortrinnsvis som et tillegg, straks trekke ut igjen molekyler som allerede er gått i løsning, hvorved de i vekselvirkning med det tilsvarende valgte løsningsmiddel bindes som mobil fase. Bindingen kan være varig, dvs. inntil fjerning av resten, hvorved sorbatet kan frigjøres fra sorpsjonsmidlet. En midlertidig binding virker imidlertid også svært fordelaktig. I alle fall er selektiviteten forbedret.

Varianten med at løsningsmidlet føres i motstrøm mot blandingen er framgangsmåte-teknikken ved kontinuerlig motstrøms ekstraksjon. Her kan sorpsjonsmidlet binde de aktuelle molekylene midlertidig, for til slutt å trekke med de aktuelle molekylene fra blandingen eller løsningen eller begge i resten. Også selektiviteten for motstrømsekstraksjon økes ved framgangsmåten ifølge oppfinnelsen.

Varianten med at løsningsmidlet føres medstrøms blandingen er en generelt ny framgangsmåte ved ekstraksjon. Mens med den ovennevnte ekstraksjonsmetoden og motstrømsekstraksjonen også ifølge oppfinnelsen i regelen anvender et løsningsmiddel som er selektivt for kun en forbindelse eller gruppe av forbindelser og slik skiller blandingen i to fraksjoner, er det for den nye behandling medstrøms som regel sørget for at blandingen skilles i flere fraksjoner ved sa ts v is tilførsel av et løsningsmiddel som separerer flere forbindelser eller grupper av forbindelser, imidlertid med forskjellig hastighet, og medstrøms løsningsmidlet.

Som allerede anvendt i begge de andre variantene av framgangsmåten ifølge oppfinnelsen med ekstraksjon og motstrømsekstraksjon, blir fortrinnsvis også ved denne variant med en tilnærmet preparativ kromatografi og gjennom et tilsvarende valg av sorpsjonsmiddel og løsningsmiddel, en forbindelse eller en gruppe av forbindelser først ved umiddelbar innvirkning holdt fast i blandingen, slik at forbindelsen(e)s inngang i løsningen forsinkes, og holdes deretter etter inngang i løsningen igjen fast på kjent måte ved kromatografi ved veksling mellom stasjonær og mobil fase, slik at dens eller deres gjennomgang blir forsinket. Videre kan alt etter forholdene bare det ene eller bare det andre føre til det resultat at forbindelsen eller gruppen av forbindelser i fraksjoner oppsamlet i rekkefølge kan separeres i en brukbar mengde som ellers ikke er oppnåelig.

Framgangsmåten kan også fra et kromatografi-synspunkt betraktes som en kromatografi understøttet ved en kvalitativ ekstraksjon. Produktiviteten ved preparativ kromatografi kan på denne måten økes vesentlig. I dette ligger oppgaveløsningen i en ytelsesøkning.

Den foreliggende framgangsmåten skiller seg fra vanlig kromatografi hovedsakelig bare ved en mangedoblet tilførselsmengde. Kromatografien blir fortolket som et tofasesystem av en flytende, gassformig eller overkritisk mobil fase og en fast stasjonær fase. Blandingen som skal separeres må være løst i den mobile fasen. Dens molekyler må kunne veksle mellom bevegelighet i den mobile fase og avsetning på den stasjonære fasen. Mengden av blandingen tilført nede eller oppe i kolonna forsynt med et skjellett belagt med sorpsjonsmiddel, løser seg ikke i den mobile fase, f.eks. overkritisk karbondioksid, ved inntreden i kolonna. Den danner ved starten av kolonna en 'propp' av minst 2%, fortrinnsvis 5-10% eller mer av kolonnelengden av den mobile fase over og under. Proppen er forsåvidt oppløst da den inngitte blanding av den etterstrømmende mobile fase blir inntrykket i skjellettet, men er likevel tilnærmet en propp. Allerede uten holdevirkning av sorpsjonsmidlet av en forbindelse eller en gruppe forbindelser fullbyrdes oppløsningen av de ulike forbindelsene i blandingen med ulik hastighet tilsvarende deres løselighet. De lettere løselige forbindelsene går fortrinnsvis i løsning. Eksempelvis løses i tilfellet med alifatiske hydrokarboner først forbindelser med den korteste kjedelengde, og deretter de med den litt lengre osv. Ved gjennomgangen gjennom kolonna bevirket av strømningen av den mobile fase trekkes det ut områder med ulike konsentrasjoner av de forskjellige forbindelsene. Dette vil imidlertid ikke være tilstrekkelig for en separasjon og en atskilt oppsamling av de ulike forbindelsene ved utløpet av kolonna etter hverandre.

Virkningen blir imidlertid overlagret av den parallelle virkning av kromatografien. Disse kan for øvrig, med hensyn til deres selektive virkning på en enkelt forbindelse eller gruppe av forbindelser, med et egnet sorpsjonsmiddel likeså trekke forbindelsene ut fra hverandre etter deres kjedelengde. Kromatografien setter samtidig inn den mobile fase med den framskridende oppløsning av proppen. Hvor sorpsjonsmidlet står i berøring med løsningen, trer de oppløste molekylene i vekselvirkning mellom løsningen som mobil fase og sorpsjonsmidlet som stasjonær fase. I et høydeområde av kolonna mellom den fremdeles uoppløste proppen og til slutt den rene løsningen eksisterer uløst blanding og løsning i snever fordeling ved siden av herandre. Allerede dette høydeområdet av kolonna er derfor benyttet for kromatografi. Et mer eller mindre høyt nedre område kan tilsluttes ren kromatografi, men ikke ubetinget.

Den preparative kromatografi er normalt selv i den posisjon at den kan separere i brukbare mengder, og den blir i seg selv unøyaktig vare ved overbelastning. Overlagringen med virkningen fra den kvalitative framskridende ekstraksjon ifølge oppfinnelsen kan trekke fraksjonene oppnådd gjennom kromatografi fra hverandre inntil det dobbelte og mere, i det minste på enkelte steder. Dette gjelder i alle fall når sorpsjonsmidlet også er virksomt allerede umiddelbart i blandingen, som vil være tilfellet i regelen.

Dermed er det mulig å foreta en drastisk økning av gjennomløpsmengdene, dvs. produktiviteten.

Det er dessuten avgjørende at den sterkere separasjon av forbindelser med ulik løselighet og eventuelt adsorberbarhet også kan komme den rene kromatografiske separasjon av ulike forbindelser med lik løselighet til gode, eksempelvis fettsyrer med likt karbonantall og ulike metningsgrader. Vekselvirkningen av molekylene mellom den mobile og den stasjonære fase kan fritt fullbyrdes når andre molekyler alt er blitt fjernet og totalkonsentrasjonen er blitt tilsvarende redusert. En særlig fordelaktig utførelsesform av oppfinnelsen består i anvendelse i kombinasjon med framgangsmåtene kjent fra DE Al 42 06 539 og EP Al 558974 for utvinning av umettete fettsyrer og/eller forbindelser av slike fettsyrer, dvs. med et sorpsjonsmiddel, som ved minst én gruppe av sitt molekyl henholdsvis ved sine molekyler oppviser et fritt elektronpar og/eller som i sitt molekyl henholdsivs i sine molekyler oppviser minst en multippel-binding, idet fettsyrene og/eller fettsyreforbindelsene etter gjennomgangen av de eventuelle mettete fettsyrene eller fettsyreforbindelsene med likt karbon-atomantall, blir fanget opp av kolonna adskilt eller i ei anriket blanding.

Begge forholdsreglene supplerer hverandre. Den kvalitativt framskridende ekstraksjon fremmer separasjon etter løselighet, sorpsjonsmidlet med det frie elektronparet og/eller multippelbindingen skiller fettsyrene med lik løselighet, men med ulik metningsgrad.

Ved kombinasjonen av den kvalitativt framskridende ekstraksjon og kromatografi er i prinsippet også den tekniske driftsmåte ved den normale ekstraksjon mulig. Dette kommer kommer framfor alt i betraktning for fast materiale som ikke så lett innmates i et system som står under trykk. Som løsningsmiddel og samtidig mobil fase kommer foruten karbondioksid også vanlige løsningsmidler i ren form eller i blanding i betraktning som ellers anvendes til ekstraksjon, f.eks. heksan, diklormetan, metanol, etanol, og som fluid svovelheksafluorid, propan, dinitrogenoksid, overkritisk vann.

Oppfinnelsen er i det etterfølgende beskrevet nærmere ved hjelp av eksempler.

Eksempel 1

Fra en levertranoljeetylester ble det ekstrahert en blanding som var anriket på de umettete fettsyrene arachidonsyre (20:4), eicosapentaensyre (20:5), docosapentaensyre (22:5) og docosahekasensyre (22:6). Ekstraksjonen ble gjennomført etter motstrømsprinsippet med overkritisk karbondioksid under et trykk på 135 bar og ved en temperatur på 157°C i ei kolonne forsynt med Edelstahl-Sulzer-pakking med diameter 4.5 cm og høyde 300 cm. Strømningsraten for karbondioksid nedenfra og opp gjennom kolonna utgjorde 20 kg/h. Innføringen av levertranoljeetylesteren ble utført i en høyde på omlag 200 cm med en tilførselsrate på 0.54 kg/h.

Figur 1 viser analysen av levertranoljeetylesteren ved hjelp av et gasskromatogram. De viktigere syrene er innført med deres vanlige betegnelser, dvs. karbonantall:antall dobbeltbindinger. Innholdet av syrene angitt foran utgjorde

Etter normal motstrømsekstraksjon var det i resten (illustrert i figur 2):

Ekstraksjonen ble fortsatt med en 60 cm høy pakking av kolonna med kiselgel, kornstørrelse 1000 pm, som var belagt med en aminopropyl-fase; i denne var det dessuten en Edelstahl-Sulzer-pakking. I residuet befant det seg nå (fig. 3):

Ved den angitte temperatur- og trykk-innstilling for karbondioksidet anvendt som løsningsmiddel er syrer med karbonantall på inntil omlag 18 løselig, og de øvrige ikke. Snittet for den rene ekstraksjon er imidlertid ikke skarp. Det finnes imidlertid også syrer med kortere molekyler i residuet, som framgår av figur 2, og det er omvendt syrer med langkjedete molekyler som er trukket med i ekstraktet, som framgikk fra sammenlikningen med den adsorpsjonsunderstøttende ekstraksjon ved de høyere innhold av de aktuelle syrer, som ble oppnådd i det andre forsøket: I figur 3 er oppståtte toppene delvis blitt bredere som tilsvarer høyere innhold. For øvrig skal det bemerkes at i kombinasjonen med anvendelse av sorpsjonsmidlet ble ekstraksjonssnittet vesentlig skarpere. Mindre molekyler enn de med 18 karbonatomer er knapt merkbare. De absorberte molekylene belaster ikke oppløsningsforløpet og trekkes ikke med i løsningen. Løsningsmidlet kan virke uforstyrret.

Eksempel 2

Fra et fiskeoljekonsentrat hovedsakelig bestående av palmitinsyre (16:0), palmitoleinsyre (16:1) og eicosapentaensyre (20:5) ble det fraskilt en høykonsentrert eicosapentaensyre, som vist med gasskromatogrammet i figur 4.

Fiskeoljekonsentratet ble etter forestring i etylester ledet i overkritisk C02 gjennom ei kolonne med høyde 110 cm og tverrmål 10 cm, som var forsynt med en pakking av kiselgel belagt med en aminopropyl-fase, kornstørrelse 1000 fim. C02-strømningsraten var 160 kg/h ved 40°C og 110 bar.

I fire forsøk ble det over kolonna tilført mengder på 70 ml, 200 ml, 260 ml og 400 ml i C02-strømmen. Eluatet ble hver gang oppsamlet i tjue fraksjoner.

Resultatet er angitt i figur 5.

Som analysene av de enkelte fraksjonene viser, elueres først hovedsakelig 16:0, toppen som strekker seg fra fraksjon 1-3 (topp etter 2 minutter) og deretter hovedsakelig 16:0, 16:1 og 20:4, toppen som strekker seg fra nr. 4-6. Derved blir ved 70 ml tilførsel analysen til nr. 2 ren 16:0; først ved nr. 3 oppstår overlappingen med den andre toppen. Overlappingen med den andre toppen blir større ved 200 ml tilførsel og ved en tilførsel på 260 ml er den enda større; ved 200 ml er bare den første fraksjonen fremdeles ren 16:0, ved 260 ml er den enda snauere.

Overfor dette danner det seg bak den andre toppen ved økende tilsatsmengde en tiltakende tredje topp. Den er antydet ved 70 ml og 200 ml kun ved fraksjon nr. 7; ved 260 ml er den utpreget og innsluttes lett ved nr. 8; ved 400 ml strekker den seg sterkt utpreget fra nr. 7 til nr. 13 (17-25 minutter). Her elueres hovedsakelig 20:5, ut fra nr. 13, likesom inntatt som område, sammen med 22:6, som er overveiende ved slutten.

Ved 400 ml tilførsel har fraksjon nr. 7 til 15 som framkommer som området i figur 4 til sammen et innhold av 20:5 på over 90%. Figur 5 viser dette i et gasskromatogram. Det betyr under en preparativ målsetning et ytterst gunstig forhold mellom de utvunnete mengder og konsentrasjonsgraden: i bare ett arbeidstrinn blir det fra et fiskeoljekonsentrat inneholdende omlag 65% av 20:5 utvunnet 51 % av mengden av 20:5 i en konsentrasjon på 92%.

Elueringsprofilen i figur 5 kan i det øvrige tydes som følger: Tilførselsmengden på 70 ml ligger i det hele fremdeles innenfor rammen av kromatografi; for å gjennomføre en ren kromatografisk separasjon hadde en begrenset tilførselen til omlag 30 ml. Ved den framskridende overbelastning går selektiviteten tilgjengelig ved kromatografien tapt. Den andre og den siste toppen rykker nærmere hverandre og overlappingen blir sterkere. Overlappingen er angitt med streker. Mellom den tredje og den andre toppen kommer imidlertid en overraskende forbedring av selektiviteten i stand, dvs. mellom 20:5 og de på forhånd eluerete fettsyrer. På disse stedene kommer de ovennevnte virkninger i betraktning: Virkningene ved den kvalitative framskridende ekstraksjon og kromatografien kommer sammen; dessuten holder derved aminopropylfasen fast de langkjedete fettsyrene med det store antall dobbeltbindinger i spesielle mengder og lar dem elueres tilsvarende forsinket. Den spesielle opptreden av den tredje toppen først ved større overbelastning kan en forklare med at de bindingsaktive posisjoner på beleggsfasen legger nokså fullstendig beslag bare på de sterkest tiltrukkete langkjedete og høyumettete fettsyrer, og forsåvidt for molekylene med mindre affinitet står det ikke lenger noen kromatografisk kapasitet til rådighet.

Eksempel 3

En sardinoljeetylester lik levertranoljeetylesteren i figur 1, hvis kromatogram er vist i figur 7, ble behandlet som i eksempel 2 med tilførsel på 400 ml.

Til slutt ble det oppnådd en tilsvarende elueringsprofil som i figur 5. Toppen hvis hovedmasse inneholder 20:5 kom imidlertid tilsvarende den større andel av fettsyrer med kortere kjedelengde senere og var kortere. Det kunne oppfanges seks fraksjoner fra det 21. til det 25. minutt som alle sammen hadde en konsentrasjon av 20:5 på 91%.

Claims (6)

1. Framgangsmåte for utvinning av en forbindelse eller en gruppe forbindelser fra en blanding ved separererende anvendelse av et løsningsmiddel, karakterisert ved at blandingen behandles med løsningsmidlet i nærvær av et sorpsjonsmiddel som stasjonær fase, hvorved løsningsmidlet føres over blandingen og medstrøms blandingen eller motstrøms blandingen på sorpsjonsmidlet eller føres på en stillestående blanding og sorpsjonsmidlet, og at løsningsmidlet og sorpsjonsmidlet velges slik at holdevirkningen av sorpsjonsmidlet understøtter separasjon ved hjelp av løsningsmidlet under oppløsnings-prosessen og/eller deretter kompletterer separasjonen i samvirke med løsningsmidlet som mobil fase.

2. Framgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at blandingen separeres ved anvendelse av et løsningsmiddel som er selektivt kun for en forbindelse eller en gruppe forbindelser, eventuelt kontinuerlig i motstrøm ved ekstraksjon i to fraksjoner.

3. Framgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at blandingen separeres i flere fraksjoner ved sa ts v is anvendelse av et løsningsmiddel med evne til å separere flere forbindelser eller grupper av forbindelser, imidlertid med ulike hastigheter, og medstrøms løsningsmidlet.

4. Framgangsmåte ifølge et av kravene 1 til 3, karakterisert ved at den utføres med hjelp av ei kolonne som oppviser et skjellett som opptar sorpsjonsmidlet.

5. Framgangsmåte ifølge et av kravene 1 til 4, karakterisert ved at det som løsningsmiddel anvendes et flytende eller overkritisk medium, særlig karbondioksid.

6. Framgangsmåte ifølge krav 3, 4 og 5, karakterisert ved at det for utvinning av umettete fettsyrer og/eller forbindelser av slike fettsyrer blir arbeidet med et sorpsjonsmiddel, som ved minst én gruppe av sirt molekyl henholdsvis ved sine molekyler oppviser et fritt elektronpar og/eller som i sitt molekyl henholdsivs i sine molekyler oppviser minst en multippel-binding, idet fettsyrene og/eller fettsyreforbindelsene etter gjennomgangen av de eventuelle mettete fettsyrene eller fettsyreforbindelsene med likt karbon-atomantall, blir fanget opp av kolonna adskilt eller i ei anriket blanding.