Способ кристаллизации аспартама

 

Изобретение относится к способу кристаллизации аспартама. Способ предусматривает приготовление водного раствора аспартама или его соли, имеющего рН менее 3,0, нейтрализацию раствора основанием до рН выше 3,0 и гомогенизацию его путем механического перемешивания и образование кристаллов. Механическое перемешивание нейтрализованного и гомогенизированного раствора прекращают по меньшей мере за 1с перед тем, как образование кристаллов становится визуально заметным. Приготовленный водный раствор аспартама или его соли имеет рН выше 0,5, а его содержание в нем составляет 1,5-20,0% по массе. Количество аспартама для приготовления раствора используют такое, чтобы после нейтрализации достигалось абсолютное пресыщение 1,0-15,0% по массе аспартама. Для нейтрализации используют водный раствор гидроксида натрия или гидроксида аммония. 19 з.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к способу кристаллизации аспартама путем нейтрализации водного раствора аспартама, имеющего pH менее 3 основанием и гомогенизации раствора посредством принудительной конвекции.

Аспартам является подсластителем, который широко используется в низкокалорийных продуктах, таких, как холодные напитки. Обычно аспартам кристаллизуют после его приготовления из воды или по желанию из воды, содержащей до 20% по массе метанола или этанола. В различных коммерчески используемых способах приготовления аспартама аспартам сначала выкристаллизовывают в виде хлорида аспартама. Эту соль затем перекристаллизовывают путем нейтрализации кислого раствора и затем, если это подходит, охлаждением его [1]. Это может быть проведено, например, в суспензии [2] или путем приготовления гомогенного раствора при повышенной температуре, нейтрализации его при перемешивании и охлаждении [4, 5]. Нейтрализацию также можно провести, например, добавлением щелочи по каплям к раствору (Европейский патент N A 187530) [3].

Аспартам обладает относительно низкой растворимостью в воде, поэтому выход кристаллизации на литр раствора довольно низок. Например, для того, чтобы выкристаллизовалось 40 г аспартама, необходимо охладить 1 л водного раствора, содержащего 4,8% по массе аспартама, от 60^o до 5^oC. Поскольку в этой процедуре необходимо охладить приведенные здесь относительно большие количества воды, аспартам предпочтительно получают в кристаллизаторе с перемешиванием. Охлаждающий кристаллизатор с перемешиванием имеет преимущество, состоящее в том, что тепло может быть относительно эффективно удалено.

Однако кристаллизация аспартама при перемешивании имеет недостаток, состоящий в том, что образованные кристаллы имеют относительно высокое удельное сопротивление осадка. Это означает, что пульпу аспартама после кристаллизации можно обычно фильтровать с довольно большим трудом.

Европейский патент A-091787 предлагает кристаллизовать аспартам охлаждением при статических условиях (без перемешивания). В этом процессе свойственно получать кристаллы большего размера, чем при кристаллизации с перемешиванием, но эффективность охлаждения в неперемешиваемом растворе относительно низкая, поэтому необходима относительно большая поверхность теплообмена, и кристаллизация происходит в течение относительно долгого времени.

Целью изобретения является обеспечение способа кристаллизации аспартама, посредством которого получают относительно большие кристаллы, имеющие низкое удельное сопротивление осадка, и посредством которого не требуется много времени для стадии охлаждения при статических условиях.

Согласно изобретению, эта цель достигается тем, что кислый раствор аспартама нейтрализуют и гомогенизируют таким образом, что полученный раствор по существу гомогенный и имеет pH выше 3, при этом раствор более не подвергают механическому перемешиванию, по крайней мере с начала последней секунды перед визуально различимой кристаллизацией. В этом контексте механическое перемешивание означает, что систему подвергают принудительной конвекции механическими средствами, такими, как мешалки, насосы, и т.п. Как только эти механические средства останавливают, принудительной конвекции, в том смысле как это понимается в данном описании изобретения, больше нет.

pH раствора означает pH специфического раствора, измеренный при соответственной температуре с помощью pH-метра типа Knick Portamess 752, действительное значение pH, измеренное при такой температуре, автоматически корректируют до значения pH при стандартной температуре 20^oC. В описании последнее значение всегда используют, когда ссылаются на pH.

Значение pH раствора перед нейтрализацией меньше 3, но, как правило, выше 0,5, предпочтительно выше 1, и в частности выше 1,5. Чрезмерно низкий pH способствует разложению аспартама и поэтому является нежелательным. Оптимальная растворимость находится при pH около 2,3. Таким образом, предпочтительно значение pH ниже 2,9, в частности ниже, чем 2,5. pH является решающим только в связи с растворимостью аспартама. При слишком высоких значениях pH растворимость аспартама может быть настолько низкой, что может уже произойти (нежелательная) кристаллизация.

Очень подходящими кислотами для поддержания pH меньше 3 являются соляная кислота, серная кислота, фосфорная кислота или азотная кислота. Использование соляной или серной кислоты является предпочтительным, и особо предпочтительно использование соляной кислоты. Концентрация кислоты не является решающей, но в силу экономических соображений она должна быть выше 1N. В общем выбирают насыщенный раствор с концентрацией между 5 и 12N. Однако также возможно пропускание газа HCl через раствор, который следует подкислить. Также можно начать с соли аспартама, такой, как, например, соль соляной кислоты, соль серной кислоты, или соль фосфорной кислоты.

Количество аспартама в растворе перед кристаллизацией, как правило, составляет 1,5 - 20% по массе. Предпочтительно количество аспартама в растворе составляет больше 3% по массе. Процент по весу аспартама означает количество аспартама, вычисленное при пересчете на свободный аспартам. Растворимость солей аспартама или аспартама в кислой среде в значительной степени выше, чем нейтрализованного аспартама, и опытный специалист в данной области может легко определить концентрации, при которых в растворе не происходит кристаллизации перед нейтрализацией.

Предпочтительно концентрацию выбирают такой, чтобы после нейтрализации получали более 1% по массе пересыщения, в частности более 1,5% по массе, но, как правило, менее 15% по массе, предпочтительно менее 8% по массе. Пересыщение здесь выражено как абсолютное пересыщение в % по массе аспартама. Чрезмерно высокое пересыщение может давать кристаллы маленького размера, которые имеют менее хорошие фильтрационные характеристики. Однако высокое пересыщение оказывает важное содействие в отношении относительно высокой производительности на единицу объема.

Водный раствор может содержать незначительное количество, до 25% по массе, низшего спирта, имеющего 1 - 4 атома углерода, такого, например, как этанол или метанол.

Раствор аспартама, имеющий pH менее 3, затем доводят до pH выше 3 посредством основания. Предпочтительное количество добавленного основания таково, что полученный pH выше 4, но менее 8. В частности, количество добавленного основания таково, что получают pH 4 - 7, более предпочтительно 4 - 6.

Предпочтительно используемым основанием является водный щелочной раствор, в частности, гидроксида натрия, гидроксида калия, карбоната натрия, бикарбоната натрия, гидроксида аммония или карбоната аммония. Как правило, используют раствор с концентрацией более 0,1N, предпочтительно более 0,2N. Низкая концентрация основания в водном щелочном растворе является выгодной, если опытный специалист в данной области хочет смешать два потока приблизительно равного объема. Однако из экономических соображений свободно используют более чем 1N раствор или насыщенный раствор основания с тем, чтобы фильтровать меньшее количество жидкости и получить более высокую производительность. Предпочтительно используют водный раствор гидроксида натрия или гидроксида аммония. Однако также можно использовать основание в твердом виде смешиванием очень легко растворимого основания, такого, как NaOH, в очень тонко измельченном состоянии, с раствором аспартама, который нейтрализуют.

Для того чтобы избежать нежелательного разложения на дикетопиперазин при высоком значении pH, гомогенизацию проводят так быстро, насколько это возможно. Можно также использовать в качестве основания газообразный аммиак.

В способе по изобретению к раствору аспартама, который нейтрализуют, добавляют основание в течение очень короткого промежутка времени. Принудительная конвекция, необходимая для того, чтобы быстро смешать основание с раствором аспартама, займет только такой короткий промежуток времени, который составляет по крайней мере 1с между моментом, при котором раствор больше не подвергают этой принудительной конвекции, и началом визуально различимой кристаллизации. Этот промежуток предпочтительно составляет 3 с, в частности предпочтительно по крайней мере 4 с.

Такой способ гомогенизации означает (в пределах данного описания), что средства, которые осуществляют принудительную конвекцию, останавливают по крайней мере за 1 с, и предпочтительно по крайней мере за 3 с до начала кристаллизации или что раствор, обрабатываемый таким образом, по существу больше не подвергают принудительной конвекции. Последний случай относится в особенности к непрерывной кристаллизации, такой, как, например, кристаллизация при поршневом движении потока через трубопровод. Как правило, после остановки механических средств конвекция все еще происходит в течение некоторого времени, перед тем как раствор полностью дойдет до состояния покоя. Это, однако, не представляет существенную важность для способа по изобретению, и это не рассматривается как принудительная конвекция.

Момент визуально различимого начала кристаллизации зависит от множества факторов, среди прочих от таких, как степень пересыщения и температура раствора. Например, при 4% по массе пересыщения имеется в распоряжении меньше времени для смешивания, чем при 2% по массе пересыщения.

Начало кристаллизации легко определяют визуально в стеклянном сосуде, в котором проводят эксперимент согласно изобретению. Также можно использовать методики, такие как светорассеяние, например используют лазер для определения начала кристаллизации. Время начала определяют как время от добавления общего количества основания до момента, когда становятся визуально различимыми первые кристаллы. Это время начала, представленное степенью пересыщения, является неожиданно длительным. На время начала может оказывать влияние присутствие других компонентов в растворе, таких, как примеси или добавки, такие, как соль (и).

Предпочтительно время начала выбирают так, чтобы исходя из выбора температуры и степени перенасыщения, оно составляло по крайней мере 10 с. Тогда, в частности, будет легко нейтрализовать и гомогенизировать кислый раствор аспартама и затем кристаллизовать раствор без принудительной конвекции.

По желанию можно также применять более длительное время начала, в особенности путем выбора более высокой температуры раствора аспартама. Итак, в растворе аспартама при 60^oC и 3% по массе пересыщения начало кристаллизации визуально различимо только после 60 - 120 с.

Смешивание раствора аспартама с основанием предпочтительно имеет место в неподвижном смесителе, в который подаются насосом жидкие потоки, подвергаемые смешиванию. Другая аппаратура для быстрого смешивания двух жидкостей (или одного жидкого и одного твердого или газа, быстро растворенного в нем), известная специалисту в данной области, может также быть использована. Смешивание может быть произведено непрерывно или прерывисто.

Хотя для целей нейтрализации, завершаемой перед началом кристаллизации (начало которой может быть неразличимым через 120 с), в особенности является важной гомогенизация раствора аспартама (посредством принудительной конвекции), предпочтительно, чтобы гомогенизация проходила не более чем за 10, более предпочтительно не более чем за 5 с.

Непосредственно после смешивания нейтрализованный раствор аспартама переносили в сосуд, который по желанию снабжали перегородками для того, чтобы уменьшить конвекцию раствора так быстро, как это возможно, и аспартам выкристаллизовывали из раствора при статических условиях.

Так как посредством предлагаемого способа кристаллизация в сущности очень быстро завершается (при данной температуре), становится возможным также легко привести кристаллизацию непрерывно в цилиндрическом сосуде, в который качают при очень низкой скорости раствор, подвергаемый кристаллизации.

Как описано выше, известны различные способы, в которых получают хлорид аспартама [1, 2, 5 и европейский патент N 187530]. Способ по изобретению очень подходящ для быстрой кристаллизации такой соли и приводит к получению очень чистого аспартама и пульпы, которая легко фильтруется.

Однако также можно приготовить аспартам в виде нейтрального соединения из продукта предшествующей стадии реакции, содержащего защитную группу, как, например, описано в патенте США N 3786039 или 4282721.

Для аспартама, полученного таким образом, способ в соответствии с изобретением может быть использован очень выгодно, потому что раствор, полученный после подкисления до pH менее 3, может быть очень эффективно охлажден и использован после охлаждения как раствор, к которому может быть применен способ кристаллизации по изобретению. В этом первом предпочтительном варианте нейтральный раствор аспартама, содержащий более 1,5% по массе аспартама и предпочтительно более 3% по массе аспартама, доводят до pH менее 3 посредством кислоты при температуре выше 50^oC, предпочтительно при температуре 50 - 80^oC, в частности 55 - 70^oC, и раствор охлаждают до по крайней мере 10^oC в условиях принудительной конвекции. Поступая таким образом, концентрацию, температуру и pH выбирают так, чтобы не выкристаллизовывался аспартам. Предпочтительно раствор охлаждают до по крайней мере 30^oC, в особенности около 40^oC. Однако при высокой концентрации аспартама может быть достаточным использование более короткой области охлаждения, например 20^oC. Аналогично этому первому варианту подкисления в нейтральном растворе, конечно, также можно растворить аспартам в предпочтительно теплой воде, которая уже подкислена. Таким образом, используя способ в соответствии с изобретением, можно получить кристаллический аспартам очень высокой чистоты выгодным путем из кристаллического аспартама, который все еще содержит нежелательно высокое количество примесей.

Впоследствии охлажденный раствор доводят до pH выше 3 посредством основания при принудительной конвекции. После этого, перед тем как начнется кристаллизация, средства, которые обеспечивают вышеуказанную принудительную конвекцию, останавливают и аспартам выкристаллизовывают при статических условиях.

Теплый раствор может быть охлажден способом, по существу известным. Предпочтительно использовать теплообменный поток, посредством которого тепло эффективно удаляется.

Температура в охлажденном кислом растворе, как правило, ниже 40^oC, но может быть также, когда исходят из кислого раствора, имеющего высокую температуру и концентрацию, и выше, до 70^oC. Экономически невыгодно охлаждать раствор далее, чем 5^oC. Предпочтительно раствор охлаждают до 5-35^oC. Преимущество низкой температуры состоит в том, что она противодействует росту микроорганизмов. Однако преимущество высокой температуры состоит в том, что проходит более долгое время, пока не начнется кристаллизация. Было также найдено, что при высокой температуре кристаллы, имеющие очень хорошие фильтрационные характеристики, могут быть получены при более высоком пересыщении.

В еще одном предпочтительном варианте способа в соответствии с изобретением хлорид аспартама растворяют. Такой раствор имеет pH приблизительно 1,5-1,8. По желанию раствор можно довести до различного значения pH между 1 и 3. Может быть выгодным растворить соль аспартама при температуре 20 - 80^oC (для того, чтобы увеличить скорость растворения) и затем охладить кислый раствор (для повышения эффективности кристаллизации).

После кристаллизации, которая, как правило, продолжается от 2 мин до 2, предпочтительно 5 - 30 мин, полученную массу - по желанию после механического разрушения псевдотвердой фазы, которая может быть получена, - переносят в жидкостно-твердый сепаратор, например фильтрационную центрифугу или ленточный фильтр. Однако также можно охлаждать массу затем в кристаллизаторе при принудительной конвекции. Особенно выгодно, если раствор аспартама нейтрализован при температуре выше 15^oC и в особенности при 25-40^oC. В ходе этой последней стадии кристаллизации с перемешиванием, если ее используют, водную кристаллическую массу затем охлаждают ниже 25^oC, предпочтительно ниже 20^oC, и в частности до 5-15^oC.

После завершения кристаллизации кристаллы, как уже упоминалось, отделяют от воды, например, фильтрацией или центрифугированием. Влажную кристаллическую массу, которая образуется, затем промывают, предпочтительно холодной деминерализованной водой. Масса, полученная после фильтрации и промывки, как правило, состоит из аспартама с 25-50% по массе воды. Затем этот влажный осадок аспартама сушат способом, по существу известным, до содержания влаги 1-6% по массе.

В следующих примерах даны удельное сопротивление осадка R (м/кг) и характеристический размер частиц (μм) полученных пульп.

Опыты по фильтрации проводили, используя фильтр, имеющий площадь поверхности 19,64 см². Фильтрат собирали в сосуде, вес которого непрерывно определяли посредством регистрирующего прибора. Была получена разность в давлении при фильтрации пульпы и применении контролируемого избытка давления на шлам.

Удельное сопротивление осадка вычисляют по формуле: где t-время фильтрации (с); V - объем фильтрата (м³); R - удельное сопротивление осадка (мг/кг); η - динамическая вязкость фильтрата (Pa · c); ΔP - разница в давлении фильтра и фильтрационного осадка (Pa); C - вес выкристаллизованных кристаллов на единицу объема полученного фильтрата (кг/м³); R_m- сопротивление фильтра (1/м);
A - площадь поверхности фильтра (М²).

Характеристический диаметр D_ch вычисляют по формуле:

в которой символы имеют вышеупомянутые значения: ΔP = 10⁵ Pa.

Кристаллизация аспартама с перемешиванием дает удельное сопротивление осадка (R) выше 6 · 10¹⁰ мг/кг и характеристический диаметр (D_ch) около 3 μм. При использовании способа в соответствии с изобретением могут быть очень выгодно посредством быстрой кристаллизации достигнуты значения P 5 ·10⁸ - 4 · 10¹⁰ мг/кг и D_ch 4-20 μм.

Предпочтительно способ в соответствии с изобретением проводят таким образом (который опытный специалист в данной области может определить простым способом с данного описания изобретения), что получают пульпу аспартама, имеющую удельное сопротивление осадка, как определено выше, менее 1· 10¹⁰ мг/кг, в частности 1 · 10⁸ - 8 · 10⁹ мг/кг. Характеристический диаметр предпочтительно более 5 μм, в частности 7 - 25 μм .

Примеры I - VII. 3,9% по массе раствор аспартама готовят из 1 л воды при 60^oC и аспартама в 1,75 л стеклянном сосуде, снабженном мешалкой и перегородками. Для каждого примера вычисленное количество 37% по массе раствора соляной кислоты всегда дозируют в 1 л раствора таким образом, что получают после охлаждения до температур, приведенных в табл. 1, недостаточно насыщенные растворы.

Затем кислый раствор аспартама каждый раз нейтрализуют вычисленным количеством 37% по массе раствора NaOH при активном перемешивании (300 об/мин). Раствор перемешивают в течение 5 с (теоретически необходимое время перемешивания составляет 3 с), после чего мешалку останавливают. Через 1-10 с после этого начало кристаллизации было визуально различимым. Через 15 мин пульпу приводят в равновесие перемешиванием ее в течение 15 мин со скоростью перемешивания 300 об/мин. Затем измеряют фильтрационные характеристики полученных пульп. Результаты показаны в табл. 1.

Сравнительный опыт A и примеры VIII-XIII. Опыты, как показано в таб. 2, проводили аналогично примерам I-VII.

В сравнительном опыте A мешалку не останавливают. Мешалка, таким образом, остается невыключенной в течение 0,5 ч.

В примере III мешалку останавливают через 2 с. Хотя время перемешивания составляет 3 с, раствор тем не менее является достаточно гомогенным, чтобы получить хорошие результаты.

В примере XI пульпу, полученную при 30^oC, затем охлаждают при принудительной конвекции. Табл. 2 дает фильтрационные характеристики окончательное полученной пульпы, которую легко фильтровать.

Опыты показывают, что пульпу с хорошими фильтрационными характеристиками легко получают кристаллизацией при высокой температуре (выше, чем при 25^oC).

Формула изобретения

1. Способ кристаллизации аспартама, включающий приготовление водного раствора аспартама или его соли, имеющего pH менее 3,0, нейтрализацию раствора основанием до pH выше 4,0 и гомогенизацию его путем механического перемешивания и образование кристаллов, отличающийся тем, что механическое перемешивание нейтрализованного и гомогенизированного раствора прекращают по меньшей мере за 1 с перед тем, как образование кристаллов становится визуально заметным.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что приготовленный водный раствор аспартама или его соли имеет pH выше 0,5, а его содержание в нем составляет 1,5 - 20,0% по массе.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что количество аспартама для приготовления раствора используют такое, чтобы после нейтрализации достигалось абсолютное пересыщение 1,0 - 1,5% по массе аспартама.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что абсолютное пересыщение нейтрализованного раствора аспартама составляет 1,0 - 8,0% по массе последнего.

5. Способ по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что для нейтрализации используют водный щелочный раствор.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что нейтрализации используют водный раствор гидроксида натрия или гидроксида аммония.

7. Способ по любому из пп.1 - 16, отличающийся тем, что механическое перемешивание нейтрализованного и гомогенизированного раствора прекращают по меньшей мере за 3 с перед тем, как образование кристаллов становится визуально заметным.

8. Способ по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что приготовленный раствор аспартама или его соли с pH менее 3,0 имеет температуру 5 - 80^oC.

9. Способ по любому из пп.1 - 8, отличающийся тем, что для приготовления раствора аспартама используют воду с температурой выше 50^oC, а аспартам - в количестве, обеспечивающем его содержание в растворе более 1,5% по массе, причем pH воды доводят до значения менее 3,0 при помощи кислоты перед растворением в процессе последнего или после растворения аспартама и приготовленный раствор охлаждают по крайней мере на 10^oC при перемешивании.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что аспартам растворяют в воде при температуре 50 - 80^oC нейтрального раствора аспартама, полученного таким образом, понижают до pH менее 3.

11. Способ по п.9 или 10, отличающийся тем, что раствор аспартама охлаждают до температуры ниже 70^oC, предпочтительно до 5 - 35^oC.

12. Способ по любому из пп.9 - 11, отличающийся тем, что охлаждение раствора осуществляют в проточном теплообменнике.

13. Способ по любому из пп.9 - 12, отличающийся тем, что нейтральный раствор аспартама доводят до pH менее 3 водным раствором соляной или серной кислоты.

14. Способ по любому из пп.1 - 8, отличающийся тем, что водный раствор, имеющий pH менее 3, готовят растворением гидрохлорида аспартама и при необходимости доводят pH до различных значений между 1,0 и 3,0.

15. Способ по п.14, отличающийся тем, что растворение гидрохлорида аспартама в воде проводят при температуре 20 - 70^oC с последующим охлаждением раствора.

16. Способ по любому из пп.1 - 15, отличающийся тем, что гомогенизацию раствора проводят в течение не более 10 с.

17. Способ по п.16, отличающийся тем, что гомогенизацию проводят в течение не более 5 с.

18. Способ по любому из пп.1 - 17, отличающийся тем, что образование кристаллов в гомогенизированном растворе проводят в течение от 2 мин до 2 ч без перемешивания.

19. Способ по любому из пп.1 - 18, отличающийся тем, что образование кристаллов проводят при температуре выше 15^oC, а последующее охлаждение кристалломассы проводят в кристаллизаторе при перемешивании.

20. Способ по любому из пп.1 - 19, отличающийся тем, что полученные кристаллы отделяют от маточного раствора, промывают и сушат до влажности 1,0 - 6,0.

РИСУНКИ

Рисунок 1