有机锗化合物的分离回收方法 本发明涉及从含有糖类及有机锗化合物的混合溶液中分离回收有机锗化合物的方法。更具体的说，是涉及在有机锗化合物的存在下，从含有由具有醛式糖构造的葡萄糖等化合物向具有酮式糖构造的果糖等化合物通过进行异构化反应而得到的糖类及有机锗化合物的混合溶液中，分离回收有机锗化合物的方法。
碳水化合物对于生物是非常重要的能源，并且是地球上存在量最多的有机化合物，其最基本的主要构成要素是单糖类。有代表性的单糖类是具有由3-8个碳原子连接成环状的构造，按其构造可分为醛构造的醛式糖与酮构造的酮式糖两类。醛式糖及酮式糖分别按照碳原子数的多少可分为丙糖、丁糖、戊糖和己糖。
已经知道这些糖类通过现有的各种反应进行异构化，可以改善其构造、性质。利用这种反应，例如将低甜味的己醛糖(葡萄糖)异构化为高甜味己酮糖果糖，制造异构化糖。
上述的异构化糖，是葡萄糖的一部分通过异构化得到的果糖与未反应地葡萄糖的混合物，由一部分低甜味的葡萄糖变换为高甜味的果糖，具有与砂糖相似的甜味。异构化糖中的上述果糖成分，由于温度越低甜味越强，其全部消费量的约70％是被添加于清凉饮料中，其余全部用于食品。
葡萄糖与果糖，是化学结构类似的六碳糖，很早就提出许多由葡萄糖变换为果糖的异构化方法。在现代工业中，将玉米淀粉等淀粉液化后，用葡萄糖淀粉酶糖化为糖液，使该糖液连续通过例如以各种方法将链霉菌属的菌种生产的异构化酶固定的固定化酶中，使葡萄糖异构化为果糖。
这种方法中的异构化反应，在平衡点1附近存在平衡反应(反应温度越高速度越快，但平衡点几乎不变)，在反应温度约60℃时，到达该平衡点时大约有50％的葡萄糖转化为果糖，可以进行异构化。但是，异构化至该程度时不仅需要较长的时间，而且长时间的加热使反应液着色。另外，市场销售的由于有必要进行精制、浓缩工序使成本上升，所以在果糖的含量达到42％的阶段使反应结果。
但是，因为这种含有果糖约42％的异构化糖的甜味，在以砂糖的甜度作为100时，为95～100，存在一些不足，有必要通过其它方法浓缩，这种浓缩需要大规模的设备。不仅如此，还因为利用该设备时首先制得果糖含量为95％的果糖液，然后将该果糖液与42％的异构化糖混后得到甜度为100～110的异构化糖(异构化率为50％)，所以存在操作烦索的困难。
另外，作为其它的将具有醛式糖构造的化合物异构化为具有酮式糖构造的化合物的方法，例如有将二糖类的乳糖转变为乳果糖的异构化的方法。此时与上述的葡萄糖的情况不同，由于没有发现可将乳糖异构化为乳果糖的酶，所以通过例如添加氢氧化钠使相对于乳糖在所定浓度以下，通过将该混合液加热至温度在70℃以上，以进行向乳果糖的异构化反应(特公昭52-2984号公报)。
但是在这种方法中，乳糖的异构化率即乳果糖的生成率较低，低于20％。所以为了得到含有高浓度乳果糖的溶液以及为制备糖浆时，还不得不将在此得到的乳果糖溶液浓缩，比较困难。
本发明人等为解决先有技术中存在的以上的各项问题，从多方面进行了深入的研究，明确了以有机酸或氨基酸为基本骨架的有机锗化合物与糖类之间的相互作用，并且开发了在有机锗化合物的存在下，通过用异构化酶以高异构化率使葡萄糖异构化为果糖，可以直接制造具有与砂糖的甜度相当或更高甜度的异构化糖的方法。更进一步，利用有机锗化合物，在异构化酶存在或不存在的条件下(即不管其存在与否)，可将具有醛式糖构造的化合物异构化为具有酮式糖构造的化合物，该方法已经开发，并已提出申请(特愿平4-360343号，特愿平5-188877号)。
这些方法的特征在于，在具有下式(1)所示的部分构造的并且含有链状或环状烃、其取代物或衍生物、及其它有机基团的有机锗化合物的存在下，使用或者不使用异构化酶，将具有醛式糖构造的化合物异构化为具有酮式糖构造的化合物，该有机锗化合物，具体为由下式(2)所示的有机锗化合物。
〔式中，R1～R3为氢原子或者相同或不同的低级烷基、羧烷基、取代或非取代的苯基或者被适当的保护基保护或未被保护的氨基，X为羟基、低级烷氧基、氨基或以OY所示的盐(Y表示金属或带有碱性的化合物)，n表示1或2以上的整数〕
即，作为该化合物，以具有R1～R3三个取代基及氧官能团OX的丙酸衍生物与锗原子相结合的甲锗烷基丙酸作为基本骨架，该骨架中的锗原子与氧原子以2∶3的比例相结合。另外，取代基R1及R2可以相同也可以不同，位于锗原子α位以后的位置，并且随着n＝1，2...n的增加，R11、R12...Rn及R21、R22...Rn分别与以〔-(c)n-〕(n为1或2以上的整数)所表示的碳链相结合；另外取代基R3结合在上述碳链〔-(c)n-〕与氧官能团间的甲撑基上。
取代基R1～R3为氢原子、甲基、乙基、丙基、丁基等低级烷基、羧烷基、取代或非取代苯基或氨基，取代基X为羟基、低级烷氧基、氨基或OY所表示的羧酸盐，Y表示钠、钾等金属(但不仅限于一价金属)以及溶菌酶或赖氨酸等碱性氨基酸为代表的碱性化合物。
另外，上述式(2)所示的有机锗化合物的构造，相当于将该化合物作为结晶时的游离状态，当其溶解在水中时，可以以下式(3)所示。该化合物在水中时如式(3)所示的构造是〔(HO)3Ge-〕，也可以用下式(4)表示。
另外，在本发明中，也可以使用例如特开昭59-18399号公报所示的，以下式(5)以式(6)所示的有机锗化合物。
在(5)及(6)两式中，式中的R4及R5为氢原子或相同或不同的低级烷基、X表示羟基、低级烷基或低级烷氧基、n表示1或1以上的整数。
在上述提案相关的异构化方法中，使用以上所述的有机锗化合物，在其存在下，将具有醛式糖构造的化合物异构化为具有酮式糖构造的化合物。在该异构化方法中，作为对象的具有醛式糖构造的化合物(被异构化合物)，可以使用例如下面〔表1〕中作为〔被异构化化合物(A)〕所示的单糖类及二糖类，可以得到相应的具有酮式构造的〔异构化生成化合物(B)〕。另外，不仅限于所示物质，在该异构化方法中，还可以使用具有醛式糖构造的三糖类以上的低聚糖。
表1被异构化化合物(A)异构化生成化合物(B) 1 2 3 4 5 6 7 8甘油醛赤藓糖、苏糖、核糖、阿拉伯糖、木糖、来苏糖、阿洛糖、阿卓糖、葡萄糖、甘露糖、古罗糖、艾杜糖、半乳糖、塔罗糖、二羟基丙酮赤藓酮糖核酮糖木酮糖阿洛酮糖果糖山梨糖塔格糖 9 10麦芽糖(还原二糖类)、乳糖(还原二糖类)maltulose莴苣二糖
但是，上述的有机锗化合物，是毒性极低的(例如，上述式(2)中，n＝1、R1＝R2＝R3＝H、X＝OH的化合物(后述〔表2〕中的化合物1)，经口服用时小鼠的LD50为6g/kg以上，大鼠为10g/kg以上)，非常安全且稳定性优良的物质。但是这些有机锗化合物自身是高价且贵重的有用资源，所以，如果可以的话，希望能从混合物中进行分离、回收、再利用。但上述的糖类及有机锗化合物，两者都是具有相当分子量的有机化合物，所以先前还不知道能将两者进行有效分离的方法。
本发明人等从这种观点出发，对通过将有机锗化合物作为异构化剂甚至异构化促进剂，从将具有醛式糖构造的化合物异构化为具有酮式糖构造的化合物反应混合物中，能够有效地分离、回收有机锗化合物的方法，从多方面进行锐意研究、反复探讨，发现通过使用离子交换膜分离法作为适当方法，可以将该有机锗化合物有效地分离、回收，从而完成了本发明。
即，本发明的目的在于，提供将有机锗化合物作为具有醛式糖构造的各种化合物的异构化剂甚至异构化促进剂使用时，选用适当的离子交换膜分离法在具有醛式糖构造的化合物异构化为具有酮式糖构造的化合物的反应混合液中将有机锗化合物有效地分离、回收的方法。
本发明提供了从含有糖类以及；有机锗化合物的混合溶液中分离回收有机锗化合物的方法，其特征是将含有糖类以及有机锗化合物的混合溶液，在带有一对或更多的相对的阴阳离子交换膜，并且阳极侧为阴离子交换膜阴极侧为阳离子交换膜的小室内进行通电处理，从而将有机锗化合物从上述混合液中分离回收。
附图简要说明；
图1为表示实施本发明的电透析装置原理的概图，图2为实施本发明的其它的电透析装置原理的概图。
以下，详细说明本发明。
在本发明中，作为混合液中所含有的糖类，优选如上述表1中所示的被异构化化合物(A)以及异构化生成的化合物(B)的化合物。其中不限于1种，也可以含有2种以上，另外，在通过上述的异构化反应所得到的反应生成物中，混合有异构化生成化合物(B)与作为异构化剂或异构化促进剂使用的有机锗化合物以及未进行异构化反应的化合物(A)。本发明在从这些物质的混合水溶液中分离回收有机锗化合物特别有效。
另外，在本发明中，作为该分离、回收对象的有机锗化合物，是例如上述式(2)所表示的化合物，例如当式(2)所示构造中的〔R1-(c)n-R2〕、〔R3〕以及〔X〕部分为下面〔表2～表4〕所示的基团或基团组时所表示的化合物。另外，在这些表中，省略了带有各基团或基团组的键。
表2化合物序号 R1-(C)n-R2 R3 X 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 CH2 CH3-CH CH2 CH3-CH CH3-C-CH3 C6H5-CH C6H5-CH CH2 C6H5-CH CH2 H H CH3 CH3 H H CH3 CH2COOH CH2COOH H OH OH OH OH OH OH OH OH OH ONa 11 12 13 14 15 CH2 CH3-CH CH2 CH3-CH CH3-C-CH3 H H CH3 CH3 H NH2 NH2 NH2 NH2 NH2
表3化合物序号 R1-(C)n-R2 R3 X 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 C6H5-CH C6H5-CH CH2 CH3-CH CH3-C-CH3 CH3-CH CH3-C-CH3 C6H5-CH C6H5-CH CH2 CH2 H CH3 NH2 NH2 NH2 NH2 NH2 NH2 NH2 NH2 NH2 NH2 NH2 OH OH OH OCH3 OCH3 OH OCH3 OCH3 ONa 27 28 29 30 31 32 33 34 35 CH2 CH3-CH CH3-C-CH3 CH3-CH CH3-C-CH3 C6H5-CH C6H5-CH CH2 CH2 NHCOCH3 NHCOCH3 NHCOCH3 NHCOCH3 NHCOCH3 NHCOCH3 NHCOCH3 NHCOCH3 NHCOCH3 OH OH OH OCH3 OCH3 OH OCH3 OCH3 ONa 36 CH2CH2 H OH
表4化合物序号 R1-(C)n-R2 R3 X 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 CH3-CH-CH2 CH2CH-CH3 CH2CH2 C6H5-CHCH2 CH2CH2 CH2CH2 CH2CH2 CH2CH2CH2 CH3-CHCH2CH2 CH2CH(CH3)CH2 CH2CH2CH2 C6H5-CHCH2CH2 CH2(CH2)2CH2 CH3CH(CH2)2CH2 CH2(CH2)3CH2 H H CH3 H NH2 H NHCOCH3 H H H CH3 H H H H OH OH OH OH OH NH2 OH OH OH OH OH OH OH OH OH
下面，对本发明中适用的分离、回收有机锗化合物的方法即电透析进行说明。图1、图2是表示实施本发明的装置的原理概图。
图1中，A为阴离子交换膜，K为阳离子交换膜，这两个离子交换膜A和K，在容器1中相隔一定位置处相对配置，并与容器1的内壁构成室2、室3及室4。其中室3为被处理液供给室，室2及室4分别为电解液供给室(电极室)2及4的组成部分。
另外，5是阳极、6是阴极，如图所示，阳极5被配置在阴离子交换膜A侧的电解液供给室室2中，阴极6被配置在阳离子交换膜K侧的电解液供给室室4中，在电极5及6之间，加上操作中所规定的电压。由此，被处理液中的阴离子成分，通过阴离子交换膜A有效地向室2透过移动，同时被处理液中的阳离子成分，通过阳离子交换膜向室4透过移动，被分别分离回收。
另外，7是被处理液贮存槽，8是电解液贮存槽，被处理液7中的被处理液，在泵P作用下通过导管9被导入被处理液供给室室3，在此接受一定的透析处理后，通过导管10返回贮存槽7，进行再循环。同时，电解液贮存槽8中的例如硝酸钠水溶液等电解液在泵P作用下通过导管11被提供到电解液供给室室2中，在此接受通过阴离子交换膜的透过成分后，通过导管12被提供到电解液供给室室4中，再通过导管13返回贮存槽13，进行再循环。
图2为表示本发明所适用的电透析装置的原理的另一种状态的概图。使用的符号与图1各部分装置的相对部分符号相同。
这种状态下，在阳极5及阴极6间多数个阳离子交换膜K与阴离子交换膜A相对交差排列，由此在透析装置内阳极5侧被阴离子交换膜A，阴极6侧被阳离子交换膜K分隔。另外如图所示，由阳极5侧被阴离子交换膜A及阴极6侧被阳离子交换膜K分隔的多数个室3X1、3X2...3Xn(在各室中被供给被处理液)及，阳极5侧被阳离子交换膜K阴极6侧被阴离子交换膜A分隔的多数个室3Y1、3Y2...3Yn相互交差构成。另外，在图2中，14是供给被处理液用的导管，15是供给电解液用的导管。
以上是该状态的基本构成(另外，此处当为1个室时，整体为3室构造，相当于图1所示的状态)，具备这种构成时，可以使用压滤器型或水槽型。另外，作为阴阳各离子交换膜，不管均一系或不均一系、缩合系或重合系都可以使用(这一点对图1所示的状态也相同)。另外，在图2中没有标出被处理液及电解液用的导管，与图1相同，可以根据需要采用分批式(batch)、循环式中的任一种。
在操作该装置时，通过导管14将作为本发明的处理对象溶液的含有糖类及有机锗化合物的混合液通入上述室3X1、3X2...3Xn中。同时，将水或含有适当电解质的水溶液，例如硝酸钠水溶液提供到室3Y1、3Y2...3Yn中。另外，作为电极室5及6的电解质溶液可以使用适当的溶液，但如果通过电流则无障碍，可以使用与供给室3Y1、3Y2...3Yn的水溶液相同的溶液。
另外，在该装置的操作中即进行通电处理时，在透析装置上所加的电压，优选0.1-1.0v/阴阳膜单位，电流密度优选1-20A/dm2。但电压及电流密度不只限于此范围，可以根据被处理液中的糖类及有机锗化合物的种类、浓度、所使用的电透析装置的规模进行适当的设定。
通过操作，上述被处理液中的阳离子通过阳离子交换膜K，被处理液中的阴离子通过阴离子交换膜A，所以阴离子和阳离子分别从由阴离子交换膜A与阳离子交换膜K形成的多数个室3X1、3X2...3Xn向具有相反电荷的电极方向移动，移至室3Y1、3Y2...3Yn的电解液中，得到分离。同时不带电荷的物质被残留在上述室(被处理液供给室)3X1、3X2...3Xn一侧的被处理液中，得到分离。
由本发明中首次发现了有机锗化合物是由可分别通过阳离子交换膜及阴离子交换膜的阳离子和阴离子组成的电解质形成的。这样，向被处理液供给室3X1、3X2...3Xn内提供含有糖类及有机锗化合物的混合溶液，如果连续进行上述电透析操作，在多数个室(被处理液供给室)3X1、3X2...3Xn内，混合液中的构成有机锗化合物的阳离子及阴离子，分别通过阳离子交换膜及阴离子交换膜移动，可在多数个室(电解液室)3Y13Y2...3Yn侧分离回收。此时，由上述式(2)所示的化合物的电荷状态还不清楚，但通过本发明，确实可以极有效地从糖类中分离回收。
实施例
以下说明一下本发明的实施例，但本发明不仅限于这些实施例。
本实施例从异构化反应所使用的糖类及有机锗化合物(其代表例为2-羧乙基倍半合锗氧化物)的混合液中，分离回收有机锗化合物的试验如下所示。装置使用如图1所示的电透析装置。
实施例1
首先，电透析装置使用3室型电透析槽Selemion DU-Ob型〔有效膜面积2.09dm2/对，旭硝子(株)社制，商品名〕，按照图1连接贮槽、配管等。此时作为泵P分别设置被处理液循环用及电极液循环用的泵。阳离子交换膜K使用Selemion CMV〔强酸性阳离子交换膜、旭硝子(株)社制、商品名〕，阴离子交换膜K使用SelemionCMV〔强碱性阴离子交换膜、旭硝子(株)社制、商品名〕。
然后，在操作时，如图1所示，将被处理液容器7中的被处理液通过泵P导入配置有阴离子交换膜A与阳离子交换膜K的被处理液供给室3中，使其循环。同时，在电极室2及4中导入电极液(0.5N硝酸钠水溶液)，使循环，此状态下在阴极及阳极通电。通电条件是电压为0.2v/阴阳膜单位，电流密度8A/dm2，被处理液及电解液的导入、循环速度均为膜面线速度2cm/sec。
在本实施例中，将试料溶液调整为葡萄糖的浓度为10.1mM(毫摩尔)/l，有机锗化合物2-羧乙基倍半合锗氧化物(以下略记为Ge-132)的浓度调整为4.15mM/l。将约10ml该试料溶液从被处理液贮存槽中由泵P导入被处理液供给室3，进行循环。另外将电极溶液0.5N硝酸钠50ml，如图1所示导入，使循环，操作15分钟及30分钟，进行脱盐处理。
然后，分别测定被回收的被处理液贮存槽7中的试料溶液以及被回收的电极液贮存槽8中的电极溶液中的葡萄糖及Ge-132的浓度，求得经过15分钟及30分钟后的减少率。另外，用高效液相色谱法的检量线法测定葡萄糖的浓度，用火焰式原子吸光光度法的标准添加法测定Ge-132的浓度。其结果如下表5所示。
实施例2-6
作为混合液中的糖成分，除去分别使用果糖(实施例2)、葡萄糖与果糖的混合液(实施例3)、乳糖(实施例4)、乳果糖(实施例5)及乳糖与乳果糖的混合液(实施例6)之外，其余与实施例1相同，求得在经过15分钟及30分钟后脱盐的减少率。结果如表5所示。
表5实施例序号脱盐时间0min 15min 30min混合液中的含有成分脱盐前的浓度 C1脱盐后的浓度 C2 減少量 C1-C2減少率(％) 脱盐后 的浓度 C2減少量 C1-C2減少率(％)实施例1葡萄糖(mM)Ge-132(mM) 10.1 4.15 9.915 0.963 0.185 3.187 1.83 76.80 9.905 0.1615 0.195 3.9885 1.93 96.11实施例2果糖(mM)Ge-132(mM) 10.3 4.17 9.13 0.68 1.17 3.49 11.36 83.69 9.1 0.1105 1.2 4.0595 11.65 97.35实施例3葡萄糖(mM)果糖(mM)Ge-132(mM) 10.1 9.71 4.03 9.65 9.105 1.36 0.45 0.605 2.67 4.46 6.23 66.25 9.7 9.11 0.39 0.405 0.61 3.64 4.01 6.18 90.35实施例4乳糖(mM)Ge-132(mM) 9.94 4.16 9.865 1.15 0.075 3.01 0.75 72.36 9.925 0.167 0.015 3.993 0.15 95.99实施例5莴苣二糖(mM)Ge-132(mM) 9.81 4.2 9.575 0.914 0.235 3.286 2.40 78.24 9.635 0.191 0.175 4.009 1.78 95.45实施例6乳糖(mM)莴苣二糖(mM)Ge-132(mM) 9.79 9.88 4.18 9.71 9.61 1.23 0.08 0.27 2.95 - 2.73 70.57 9.585 9.72 0.326 0.205 0.16 3.854 - 1.62 92.20
由实施例1～实施例6的结果表明，通过本发明，可以非常有效地分离并回收有机锗化合物。例如在实施例1中，15分钟后减少率为76.80％(化合物移至其分电极液中得到回收)，另外经30分钟后减少率为96.11％。同样在实施例2～6中也有相同的倾向，表明得到了优良的分离、回收的效果。
实施例7葡萄糖→果糖的异构化的实施例
在150mM/l的葡萄糖溶液中加入75mM/l的〔Ge-132〕溶液，用氢氧化钠调整pH为9.03后，将混合溶液在8℃下振荡，进行向果糖异构化的反应。3小时后，用高速液相色谱法(岛津7A)定量测定生成的果糖量及残留的葡萄糖量。结果为向果糖的异构化率为98.9％的高收率。该导构化混合液中葡萄糖、果糖及Ge-132的浓度分别为1.65mM/l、148mM/l、75mM/l。将该溶液稀释10倍，与实施例1相同，在15分钟及30分钟后测定由脱盐引起的减少率，结果如表6所示。
表6实施例序号脱盐时间0min 15min 30min混合液中的含有成分脱盐前的浓度 C1脱盐后的浓度 C2減少量C1-C2減少率(％)脱盐后的浓度 C2減少量C1-C2減少率(％)实施例7葡萄糖(mM)果糖(mM)Ge-132(mM) 0.165 14.8 7.5 0.154 13.26 1.38 0.011 1.54 6.12 7.14 10.41 81.56 0.154 13.22 0.36 0.011 1.58 7.14 6.67 10.67 95.25
综上所述，通过本发明，用离子交换膜分离法，可以将含有糖类及有机锗化合物的混合液中含有的有机锗化合物极有效地分离并回收。另外，本发明的方法，对于将有机锗化合物作为异构化剂或异构化促进剂，从含有醛式糖构造的化合物异构化为具有酮式糖构造的化合物的混合液中分离回收有机锗化合物非常有效。