AT392979B - Verfahren zur saccharosehydrolyse mittels immobilisierter invertase - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Saccharosehydrolyse mittels immobilisierter Invertase, indem eine Saccharoselösung zunächst eine Entfäiberkolonne, die mit stark basischem Entfärbungs-Ionenaustauscher gefüllt ist, durchströmt und anschließend hydrolysiert wird. Es werden also Glucose/Fructose/Saccharose-Gemische aus Saccharose mit Hilfe immobilisierter Invertase hergestellt. Solche Glucose/Fructose/Saccharose-Gemische sind als Invertflüssigzucker bzw. Invertzuckersirup handelsüblich und wichtige Zwischenprodukte der Lebensmittel-, pharmazeutischen und chemischen Industrie. Sie werden zur Produktion von Süß- und Backwaren, Getränken, Antibiotika, Enzymen, Hormonen u. a. m. eingesetzt.

Bekannt ist eine Vielzahl von Verfahren zur Saccharosehydrolyse mit immobilisierter Invertase, die sich durch die Immobilisierungsmethode und das Trägermaterial unterscheiden. Durch Adsorption wird Invertase beispielsweise an einem makroporösen Ionenaustauscher auf Polystyrenbasis (Amberlite IRA 93) (FR-PS 2 233 334) oder an Knochenkohle (GB-PS 564 270) gebunden. Bekannt sind des weiteren Verfahren zur Immobilisierung durch kovalente Bindung. Beispiele sind die Bindung an Grieß (P. Monsan, D. Combes u. I. Aiemzadeh, Biotechnol. Bioeng. 26, 658 (1984), P. Monsan u. D. Combes, Biotechnol. Bioeng. 26, 347 (1984)) und an ein makroporöses Poly(aminomethylstyren) (Wofatit Y 58) (J. Mansfeld u. A. Schellenberger, Acta Biotechnol. 6,89 (1986)). Der Einschluß von Invertase in polymere Matrices, z. B. Gelatine (A. I. Krauze, Zesh. Nauk Ser. 1 88,39 (1981)) oder Calcium-Alginat (Y. Y. Linko, L. Weckström u. P. Linko, Food Process Eng. Ind., 1979, 81) ist eine weitere Verfahrensweise zur Herstellung des immobilisierten Enzymes.

In Abhängigkeit von Immobilisierungsmethode und Trägermaterial tritt bei der Mehrzahl der bekannten Invertase-Träger-Komplexe zur Saccharosehydrolyse eine Reihe von Nachteilen auf, so daß die Nutzung immobilisierter Invertase im technischen Maßstab nur allmählich voranschreitet. Solche Nachteile können bezüglich Preis, mechanischer Stabilität sowie Operationsstabilität des Invertase-Tiäger-Komplexes auftreten, wobei letztere im starken Maße von der Reinheit und Konzentration des Substrates und der Reaktionstemperatur abhängig ist. Die Größe des Einflusses des pH-Wertes auf die Operationsstabilität ist gleichfalls von der Substratkonzentration abhängig.

Auch die katalytische Wirksamkeit von Enzymen ist pH-Wert-abhängig. Für Invertase wird ein pH-Optimum in der Größenordnung zwischen 4,0 und 5,5 angegeben (W. Hartmeier, Gordian Int Z. f. Lebensmittel und Lebensmitteltechnologie 78,320 (1978)), wobei es zu Verschiebungen des pH-Optimums bei Immobilisierung in Abhängigkeit von der Immobilisierungsmethode und vom Trägermaterial kommt Zur Einstellung des pH-Optimums sind deshalb in den bekannten Verfahren zur enzymatischen Hydrolyse von Saccharose Rührbehälter vorgesehen, die jedoch nachteilig für die Kontinuität sowie Wirtschaftlichkeit des Verfahrens hinsichtlich des Arbeitsaufwandes und der Höhe der Investitionen sind. Ähnliche Nachteile treten bei der pH-Wert-Einstellung von Zuckerlösungen mit Ionenaustauschern auf, die in der Zuckerindustrie zur Entkalkung bzw. Entsalzung eingesetzt werden.

Die bekannten Verfahren sagen auch, daß sie am pH-Optimum der jeweiligen immobilisierten Invertase arbeiten, obwohl unter den bekannten technischen Bedingungen dieser pH-Wert nur schwer einstellbar und konstant zu halten ist

Ziel der Erfindung ist die wirtschaftliche, den apparativen und manuellen Aufwand geringhaltende, Fremdstoffeinsatz vermeidende, kontinuierliche Durchführung der Hydrolyse von Saccharose mit immobilisierter Invertase zur Herstellung von Glucose/Fructose/Saccharose-Gemischen hoher Konzentration und Reinheit

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein apparativ einfaches, durchgängig kontinuierliches Verfahren zur Saccharosehydrolyse mit immobilisierter Invertase zu entwickeln, mit dem Invertflüssigkzucker bzw. Invertzuckersirup mit hoher Konzentration und Reinheit hergestellt werden kann.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß 50 bis 70%ige Saccharoselösung die Entfärberkolonne mit einer spezifischen Belastung von 0,5 bis 2,0 h*1 durchströmt, wobei ein pH-Wert von 4,0 bis 7,0 eingestellt wird, und anschließend hydrolysiert wird.

Die Saccharoselösung durchströmt mit einer spezifischen Belastung von 0,5 bis 2,0 h*1 eine Entfärberkolonne, die mit handelsüblichem, stark basischem Entfärbungs-Ionenaustauscher, beispielsweise Wofatit EA 60, gefüllt ist, um der Hydrolyse das Substrat in solch einer Reinheit bereitzustellen, daß eine Beeinflussung der Standzeit der immobilisierten Invertase durch Nichtzuckerstoffe vermieden wird. Die Bewegungsrichtung kann hiebei auf- bzw. abwärts sein.

Unter dem Gesichtspunkt der wirtschaftlichen Nutzung der Kapazität des Harzes werden bei der Entfärbung von Klären oder Dicksaft bekannterweise möglichst hohe spezifische Belastungen gewählt, die in Abhängigkeit von der Farbe zwischen 2 und 6 h*1 liegen. Dabei kommt es normalerweise nur zu einem unbedeutenden pH-Abfall, der durch Austauschadsorption, bei der die Anionen der in geringer Konzentration vorliegenden Salze saurer Verbindungen gegen Chlorid-Ionen ausgetauscht weiden, hervorgerufen wird und in der Größenordnung von 03 pH-Einheiten liegt (I. Starnberg und V. Valter, Entfäibungsharze, Akademie-Verlag, Berlin, 1970). Überraschend ist, daß bei der Entfärbung handelsüblicher Saccharoselösungen mit einer spezifischen Belastung des Entfäfbungsharzes von 0,5 bis 2,0 h'1 ein pH-Abfall von 0,5 bis 2,0 pH-Einheiten auftritt, der ausreichend ist, diese der Hydrolyse in einem, dem Optimum der immobilisierten Invertase einschließlich seiner oberen Flanke entsprechenden pH-Bereich von 4,0 bis 7,0 zuzuführen. -2-

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Neben der bereits genannten Austauschadsorption spielen noch andere Effekte, beispielsweise der thermische Zerfall von Nichtzuckerstoffen, eine Rolle, in deren Folge der unerwartet hohe pH-Wert-Abfall zustandekommt.

Entgegen der Angaben der bekannten technischen Lösungen ist es zweifelhaft, daß die Saccharosehydrolyse unter technischen Bedingungen nur am pH-Optimum der immobilisierten Invertase mit befriedigendem Umsatz S durchgeführt werden kann. Es ist vielmehr anzunehmen bzw. es wurde gefunden, daß die Hydrolyse in einem Bereich, der dem Optimum einschließlich seiner oberen Flanke der jeweiligen Invertase entspricht, abläuft, ohne daß wesentliche Umsatzemiedrigungen auftreten. Dabei ist davon auszugehen, daß die Operationsstabilität der jeweiligen immobilisierten Invertase über den genannten pH-Bereich mit der am pH-Optimum vergleichbar ist.

Um eine weitestgehende Näherung an das pH-Optimum der immobilisierten Invertase zu bewirken, wird im 10 erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise mit einer spezifischen Belastung der Entfärbung zwischen 0,5 und 1,0 h'1 gearbeitet

Im Anschluß durchströmt die entfärbte und pH-Wert-eingestellte Saccharoselösung in bekannter Weise eine Invertiererkolonne, die mit immobilisierter Invertase, beispielsweise einem Invertase-Wofatit Y 58-Komplex gefüllt ist, wobei die Glucose/Fructose/Saccharose-Gemische gebildet werden, deren Invertzuckeranteil von der 15 spezifischen Belastung der Invertiererkolonne, der Konzentration und der Temperatur der Saccharoselösung abhängig ist und entsprechend den Kundenwünschen eingestellt werden kann.

Die Bewegungsrichtung kann hiebei auf- bzw. abwärts sein. Von Wert für die Einfachheit des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, daß keine zusätzlichen Behälter und Chemikalien zur pH-Wert-Einstellung benötigt werden sowie ein durchwegs kontinuierlicher Betrieb von der Annahme der Saccharoselösung bis zur 20 Herstellung des Endproduktes gewährleistet ist.

Die folgenden Ausführungsbeispiele sollen das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutern.

Als immobilisiertes Enzym kommt ein Invertase-Y 58-Komplex zum Einsatz, dessen Operationsstabilität in 62%iger Saccharoselösung bei 70 °C, ausgedrückt durch die Halbwertszeit, 131 d und dessen pH-Optimum 4,5 beträgt (J. Mansfeld u. A. Schellenberger, Acta Biotechnol. 6, 97 (1986)). Unabhängig von der 25 Immobilisierungsmethode und vom Trägermaterial können die Invertase-Träger-Komplexe Verwendung finden, deren katalytische Wirksamkeit und Operationsstabilität über den pH-Bereich zwischen 4,0 und 7,0 mit denen am jeweiligen pH-Optimum vergleichbar sind.

Beispiel 1 30 Eine filtrierte 66%ige Saccharoselösung mit einem pH-Wert von 8,0 durchströmt über einen Zeitraum von 100 Stunden eine Entfärbekolonne, die mit 50 1 des stark basischen Entfärbungs-Ionenaustauschers Wofatit EA 60 in der Chloridform gefüllt ist. Die Arbeitstemperatur beträgt 80 °C, die spezifische Belastung 1,0 h'*, die Farbe der Lösung durchschnittlich 50 bis 100ICUMSA (Int. Comm. Uniform Methods Sugar Anal., ICUMSA-Einheiten = £420-103). 35 Nach der Entfärbung verbleibt eine Restfarbe von 14 bis 20 %. Der pH-Wert der Zuckerlösung beträgt durchschnittlich 6,8, womit ein pH-Wert-Abfall von 1,2 pH-Einheiten erreicht wird. Mit diesem pH-Wert durchströmt die entfärbte Saccharoselösung nachfolgend eine Invertiererkolonne, die mit 50 1 des

Invertase-Y 58-Komplex gefüllt ist Die Arbeitstemperatur beträgt 40 °C, die spezifische Belastung 1,0 If*. Der erzielte Umsatz liegt dabei zwischen 89 und 94 %. 40 Vergleichsweise wird bei übereinstimmender spezifischer Belastung der Invertiererkolonne sowie Temperatur und Konzentration der Saccharoselösung am pH-Optimum der immobilisierten Invertase ein Umsatz von 89 bis 95 % erreicht

Die Ermittlung des Umsatzes erfolgte nach der volumetrischen Methode von W. H. Lane-Eynon (Official Methods of Analysis, 494, Association of Official Agricultural Chemists, Washington, D. C. (1965) zur 45 Bestimmung reduzierender Zucker. Die pH-Werte wurden potentiometrisch bestimmt.

Beispiel?

Entfärbung und Invertierung wird, wie im Beispiel 1 beschrieben, durchgeführt. Ausgangsprodukt ist eine 67%ige Saccharoselösung mit einem pH-Wert von 6,9. Die spezifische Belastung von Entfärbung und 50 Invertierung beträgt 0,5 h"1, die verbleibende Restfarbe nach der Entfärbung 14 bis 20 %. Es wird ein pH-Wert-

Abfall von 1,7 pH-Einheiten erreicht, so daß die Hydrolyse bei pH 5,2 abläuft. Dabei wird ein Umsatz zwischen 95 und 98 % »zielt, der dem am pH-Optimum der immobilisierten Invertase bei gleicher spezifischer Belastung der Invertiereikolonne sowie Temperatur und Konzentration der Saccharoselösung entspricht. 55 -3- 60

Claims (3)

1. 5 AT 392 979 B PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Saccharosehydrolyse mittels immobilisierter Invertase, indem eine Saccharoselösung zunächst 10 eine Entfärberkolonne, die mit stark basischem Entfärbungs-Ionenaustauscher gefüllt ist, durchströmt und anschließend hydrolysiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß SO bis 70%ige Saccharoselösung die Entfärberkolonne mit einer spezifischen Belastung von 0,5 bis 2,0 h"* durchströmt, wobei ein pH-Wert von 4,0 bis 7,0 eingestellt wird, und anschließend hydrolysiert wird. IS
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise eine 60 bis 70%ige Saccharoselösung verwendet wird.
3. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die spezifische Belastung der Entfärberkolonne vorzugsweise 0,5 bis 1,0 h'* beträgt. 20 * -4-