CN102504994A - 一种利用折流板生物反应器制备低聚果糖的方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用折流板生物发应器制备低聚果糖的方法，将包括固定化果糖基转移酶、固定化内含果糖基转移酶细胞和内含果糖基转移酶菌体的生物催化剂，置入折流板生物反应器内，把35-60(w/w)％的蔗糖溶液放入冷热缸内，加热糖液升温至35-55℃，pH值为4.0-7.0，通过泵以0.5-2.0m3/h的速度使蔗糖溶液流过折流板生物反应器，连续循环8-30h，得到的反应液经HPLC检测结果为低聚果糖含量为55-64％。反应液经过滤、杀菌、浓缩等精制工序后得到符合国标GB23528-2009规定的低聚果糖产品。本发明提供了一种低能耗、新型生物转化器，环保的、过程容易控制、高产率、低染菌率、连续制备低聚果糖的新工艺。

Description

一种利用折流板生物反应器制备低聚果糖的方法
技术领域
本发明涉及一种生物制备低聚果糖的方法，特别是一种利用折流板反应器制备低聚果糖的方法。
背景技术
低聚果糖(fructooligsacchride，FOS，以下称FOS)又名蔗果低聚糖，寡果糖或蔗果三糖族低聚糖，分子式为G-F-Fn(n＝1，2，3，G为葡萄糖，F为果糖)，它是由蔗糖和1～3个果糖基通过β-1，2苷键与蔗糖中的果糖基结合而成的蔗果三糖(GF2)，蔗果四糖(GF3)和蔗果五糖(GF4)等一类碳水化合物总称。
工业上生产是通过微生物发酵产生的β-果糖基转移酶(β-fructosyltransferase，EC 2.4.1.99)或β-呋喃果糖苷酶(β-fructofuranoside，EC 3.2.1.26)作用于35-60％蔗糖溶液进行分子内果糖苷转移反应生成的。目前工业化生产低聚果糖的方法主要有三种，第一，为液体深层发酵法，如中国专利公开号为96106345.9公开了以蔗糖为原料，收集能产生果糖转移酵素的麴菌体，然后加入蔗糖溶液，这样麴菌产生的酵素使蔗糖溶液起反应，反应温度为40-60℃，反应时间20-25h，将反应后的反应液脱色、脱盐、浓缩，得到含低聚果糖含量55％以上的糖液。中国专利CN101659924A公开了一种制备低聚果糖的方法，以蔗糖溶液为原料，在发酵罐内加一定量的菌体搅拌10-36h，得到含低聚果糖50％的产品。第二，为固定化细胞，是把具有果糖基转移酶能力菌体细胞包埋固定后，投到装有50％左右的蔗糖溶液反应罐内搅拌10-40h，后得到含50％以上的低聚果糖产品；第三，为固定化酶法，如中国专利CN1165624C公开了一种固定化酶法制备低聚果糖的方法，把固定化酶投到装有50％左右的蔗糖溶液的反应罐内，搅拌10-20h后得到50％以上低聚果溶液。以上三种方法均使用反应罐，使用机械搅拌蔗糖溶液和菌体、固定化细胞、固定化酶，使混合均匀反应得以进行。但通过搅拌存在以下几点不足：1、通过机械搅拌会使部份菌体、固定化细胞、固定化酶破碎，导致后工序分离、精制等难度增加；2、搅拌过程由于物料与罐体内壁摩擦使用罐内温度升高，要加装降温设备，以保证发酵温度在控制范围内，否则导致菌体、固定化细胞、固定化酶失活，降低了其转化能力。3、设备投资费用高，生产能力低。而采用固定化床设备生产低聚果糖的缺点为蔗糖溶液通过反应床的阻力大，流速慢、操作压力高，容易污菌等。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用折流板生物反应器制备低聚果糖的方法，它能够避免反应器局部过热导致生物催化剂失活现象，消除反应过程的染菌现象。延长了生物催剂内含果糖基转移酶菌体、固定化内含果糖基转移酶细胞、固定化果糖基转移酶的使用寿命，同时减少了后处理的难度，进一步降低制备低聚果糖的生产成本，提高了低聚果糖的品质；同时设备投资少，并提高了单位时间的产量。
本发明通过以下技术方案实现上述目的：一种折流板生物反应器，由3-12级折流板串联而成，在每个折流板入口和出口处设有0.15-0.3μm不锈钢滤网，折流板生物反应器通过管道与带搅拌、加热和保温功能的冷热缸连接。通过饮料泵把蔗糖溶液泵到折流板生物反应器通过回流管把蔗糖溶液返回冷热缸内，使并使之构成一个循环系统实现。所述冷热缸容积为折流板生物反应器容积总和的5-20倍。
利用所述的折流板生物反应器制备低聚果糖的方法，包括如下步骤：
(1)把每个容量为0.5-2m3的3-12个折流板生物反应器连接起来；
(2)把内含果糖基转移酶菌体、固定化内含果糖基转移酶细胞或固定化果糖基转移酶其中的一种或一种以上的生物催化剂任意组合，洗涤干净后加到折流板生物反应器内，添加量为每个折流板生物反应器容积的15-30％；
(3)把35-60(w/w)％的蔗糖溶液放入冷热缸内，加热糖液升温至35-55℃，pH值为4.0-7.0，通过管道使冷热缸与折流板生物反应器连接通过回流管把蔗糖溶液返回冷热缸内，使并使之构成一个循环系统。
(4)启动饮料泵以0.5-2.0m3/h的速度使蔗糖溶液通过折流板生物反应器；连续循环8-30h后，HPLC检测反应液中的低聚果糖含量大于55％，停止循环；
(5)将步骤(4)的低聚果糖液，经过过滤、灭菌、浓缩后得到符合GB23528-2009的低聚果糖产品。
本发明的突出的实质性特点和显著进步在于：
1、通过加热冷热缸的加热方式、使加热体系不与反应器直接接触，避免反应器局部过热导致生物催化剂失活现象，外循环体系内保持巴氏灭菌状态，消除反应过程的染菌现象。
2、采用折流板生物反应器制备低聚果糖，由于折流作用，蔗糖溶液在流动过程中为翻腾式运动，能使生物催化剂充分与蔗糖溶液接触，避免机械搅拌，克服了固定化床阻力大缺点。延长了生物催化剂的使用寿命，同时设备投资少，并提高了单位时间的产量。
3、由于在每个折流板入口和出口处设有不锈钢滤网，阻断了生物催化剂的串流以及流入冷热缸，减少了后处理的难度，进一步降低制备低聚果糖的生产成本，提高了低聚果糖的品质。
附图说明
图1是本发明所述的折流板生物反应器的结构示意图。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
本实施例为用于制备低聚果糖的折流板生物反应器的一个实例。
本发明所述的折流板生物反应器，由第一电机1、第二电机6、冷热缸2、外加热夹层3、搅拌桨4、冷却器5、饮料泵7、不锈钢滤网8、折流板9、折流板反应室R、反应液入口A以及反应出口B构成。
具体连接方式：冷热缸2底部连接冷却器5和饮料泵7，饮料泵7通过不锈钢管连接反应液入口A。蔗糖溶液由反应液入口A通过不锈钢滤网8进到折流板反应室R，在折流板9作用下流向发生折流，多次折流后从反应出口B流出，通过不锈钢管道送至冷热缸2内。
Figure BSA00000639633700041
和
Figure BSA00000639633700042
为折流板反应器内反应液流向。
实施例2
在12m3冷热缸内加6.05T蔗糖，加纯化水6T，折光仪测得蔗糖溶液浓度为50％(W/W)，升温到35℃，调节pH值为7.0，串联12级折流板生物反应器，每个折流板生物反应器容积为0.2m3，添加内含果糖基转移酶菌体生物催化剂的量为每个折流板生物反应器容积的15％，流速为0.5m3/h，连续循环20h，HPLC检测得到低聚果糖含量为58.3％，通过过滤、灭菌、浓缩等工序得到符合GB/T23528-2009的低聚果糖产品。
实施例3
在15m3冷热缸内加5.4T蔗糖，加纯化水9.75T，折光仪测得蔗糖溶液浓度为35％(W/W)，升温到45℃，调节pH值为4.0，串联3级折流板生物反应器，每个折流板生物反应器容积为2m3，添加固定化内含果糖基转移酶细胞生物催化剂的量为每个折流板生物反应器容积的30％，流速为2.0m3/h，连续循环8h，HPLC检测得到低聚果糖含量为64.3％，通过过滤、灭菌、浓缩等工序得到符合GB/T23528-2009的低聚果糖产品。
实施例4
在20m3冷热缸内加12.08T蔗糖，加纯化水8T，折光仪测得蔗糖溶液浓度为60％(W/W)，升温到55℃，调节pH值为5.0，串联8级折流板生物反应器，每个折流板生物反应器容积为1m3，添加固定化果糖基转移酶生物催化剂的量为每个折流板生物反应器容积的20％，流速为1.5m3/h，连续循环30h，HPLC检测得到低聚果糖含量为56.7％，通过过滤、灭菌、浓缩等工序得到符合GB/T23528-2009的低聚果糖产品。
实施例5
在10m3冷热缸内加4.60T蔗糖，加纯化水5.5T，折光仪测得蔗糖溶液浓度为45％(W/W)，升温度到48℃，调节PH值为5.5，串联6级折流板生物反应器，每个折流板生物反应器容积为0.5m3，添加生物催化剂量为每个折流板生物反应器容积的25％，其中第1-2个折流板生物反应器放入内含果糖基转移酶菌体生物催化剂，第3-4个折流板生物反应器放固定化内含果糖基转移酶细胞生物催化剂，第5-6个折流板生物反应器放入固定化果糖基转移酶生物催化剂，反应流速为1.2m3/h连续循环15h，HPLC检测得到低聚果糖含量为59.3％，通过过滤、灭菌、浓缩等工序得到符合GB/T23528-2009的低聚果糖产品。
实施例6
在5m3冷热缸内加2.55T蔗糖，加纯化水2.5T，折光仪测得蔗糖溶液浓度为50％(W/W)，升温度到40℃，调节PH值为4.5，串联5级折流板生物反应器，每个折流板生物反应器容积为0.2m3，添加生物催化剂量为每个折流板生物反应器容积的20％，其中第1-2个折流板生物反应器放入固定化果糖基转移酶生物催化剂，第3-5个折流板生物反应器放入固定化内含果糖基转移细胞生物催化剂，反应流速为1.0m3/h连续循环10h，HPLC检测得到低聚果糖含量为61.2％，通过过滤、灭菌、浓缩等工序得到符合
实施例7
在5m3冷热缸内加2.05T蔗糖，加纯化水3.0T，折光仪测得蔗糖溶液浓度为40.1％(W/W)，升温度到45℃，调节PH值为5.5，串联5级折流板生物反应器，每个折流板生物反应器容积为0.2m3，添加生物催化剂量为每个折流板生物反应器容积的25％，其中第1-3个折流板生物反应器放入固定化果糖基转移酶生物催化剂，最第4-5个折流板生物反应器放入内含果糖基转移酶菌体生物催化剂，反应流速为1.2m3/h连续循环18h，HPLC检测得到低聚果糖含量为56.5％，通过过滤、灭菌、浓缩等工序得到符合GB/T23528-2009的低聚果糖产品。
实施例8
在5m3冷热缸内加2.85T蔗糖，加纯化水2.2T，折光仪测得蔗糖溶液浓度为57％(W/W)，升温度到45℃，调节PH值为5.5，串联5级折流板生物反应器，每个折流板生物反应器容积为0.2m3，添加生物催化剂量为每个折流板生物反应器容积的15％，其中第1-3个折流板生物反应器放入内含果糖基转移酶菌体生物催化剂，第4-5个折流板生物反应器放入固定化内含果糖基转移酶细胞生物催化剂，反应流速为0.8m3/h连续循环25h，HPLC检测得到低聚果糖含量为58.8％，通过过滤、灭菌、浓缩等工序得到符合GB/T23528-2009的低聚果糖产品。

Claims (3)

1.一种折流板生物反应器，其特征在于，所述反应器由3-12级折流板串联而成，在每个折流板入口和出口处设有0.15-0.3μm不锈钢滤网，折流板生物反应器通过管道与带搅拌、加热和保温功能的冷热缸连接。
2.根据权利要求1所述的折流板生物反应器，其特征在于，所述冷热缸容积为折流板生物反应器容积总和的2-5倍。
3.利用权利要求1所述的折流板生物反应器制备低聚果糖的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)把每个容量为0.5-2m3的3-12个折流板生物反应器连接起来；
(2)把内含果糖基转移酶菌体、固定化内含果糖基转移酶细胞或固定化果糖基转移酶其中的一种或一种以上的生物催化剂任意组合，洗涤干净后加到折流板生物反应器内；添加量为每个折流板生物反应器容积的15-30％；
(3)把35-60(w/w)％的蔗糖溶液放入冷热缸内，加热糖液升温至35-55℃，pH值为4.0-7.0，通过管道使冷热缸与折流板生物反应器连接，通过回流管返回冷热缸内；
(4)启动饮料泵以0.5-2.0m3/h的速度使蔗糖溶液通过折流板生物反应器；连续循环8-30h后，HPLC检测反应液中的低聚果糖含量大于55％，停止循环；
(5)将步骤(4)的低聚果糖液，经过过滤、灭菌、浓缩后得到符合GB23528-2009的低聚果糖产品。
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