CS216646B1

CS216646B1 - A method of producing glucose or other products of its enzymatic conversion

Info

Publication number: CS216646B1
Application number: CS323381A
Authority: CS
Inventors: Miroslav Barta; Jiri Kucera; Vladimir Vojtisek; Karel Culik
Original assignee: Miroslav Barta; Jiri Kucera; Vladimir Vojtisek; Karel Culik
Priority date: 1981-04-30
Filing date: 1981-04-30
Publication date: 1982-11-26

Abstract

Reakění směs, tvořená vodným roztokem nebo suspenzí látky obsahující glukozové jednotky vázané navzájem alfa-l,4-a /nebo alfa - 1,6 - glukozldickou vazbou, zejména škrobu, o hmotnostní koncentraci 10 až 40 % se uvádí při teplotě 30 až 60 °C a pH 4,0 až 6,5 ve styk s nerozpustným enzymovým preparátem obsahujícím v hmotnostní koncentraci 10 až 25 % amyloglukozidázy, 15 až 30 % glutardialdehydu, 15 až 30 % flokulátoru a 25 až 50 % buněk mikroorganismů, které jsou enzymově inaktivní nebo nesou další enzymovou aktivitu.The reaction mixture, formed by an aqueous solution or suspension of a substance containing glucose units bound to each other by alpha-1,4- and/or alpha-1,6-glucosidic bonds, especially starch, with a mass concentration of 10 to 40%, is brought into contact at a temperature of 30 to 60 °C and a pH of 4.0 to 6.5 with an insoluble enzyme preparation containing in a mass concentration of 10 to 25% amyloglucosidase, 15 to 30% glutardialdehyde, 15 to 30% flocculant and 25 to 50% of cells of microorganisms that are enzymatically inactive or carry additional enzyme activity.

Description

Vynález se týká způsobu výroby glukózy, případná dalších produktů její enzymové přeměny.The present invention relates to a process for the production of glucose, and possibly further enzymatic conversion products thereof.

Je známo, že se výroba glukózy provádí ze škrobu jako výchozí suroviny, který se hydrolyzuje za pomooí tekutého enzymu amyloglukozidázy. Amyloglukozidáza katalýzuje hydro lýzu škrobu, tj. amylózy a amylopektlnu, glykogenu, dextrinu a glukollgosacharidů tak, že jsou od neredukujícího konce odštěpovány glukózové jednotily a substrát je tak téměř kvantitativně převeden na glukózu. Enzym hydrolyzuje alfa -1,4-, alfa- 1,6- i alfa -1,3- glukozidlckou vazbu rychlostí klesající v uvedeném pořadí. Rychlost hydrolýzy rovněž klesá s klesající molekulovou hmotností substrátu. V praxi se postupuje tak, že se škrob před vlastní hydrolýzou pomooí amyloglukozidázy obvykle ěástečně ztekutí kyselinou nebo alfaamylázou, aby se snížila jeho viskozita, zvětšila stabilita a zvýšil se poěet neredukujících konců. Hydrolyzát, který se získá následným působením tekuté amyloglukozidázy na substrát, obsahuje nejméně 95 % teoretického množství glukózy. Používá se buá přímo jako zdroj glukózy nebo se působením dalšího enzymu-glukózoimerázy- převádí na fruktózový sirup s vyšší sladivostí, obsahující směs glukózy a fruktózy. Rovněž se může převést porno cí glukózooxidázy a katalázy na kyselinu glukonovou nebo další enzymy na jiné produkty.It is known that glucose production is carried out from starch as a starting material which is hydrolyzed with the aid of the liquid enzyme amyloglucosidase. Amyloglucosidase catalyses the hydrolysis of starch, i.e., amylose and amylopectin, glycogen, dextrin, and glucololosaccharides, by cleaving glucose units from the non-reducing end and thus converting the substrate almost quantitatively to glucose. The enzyme hydrolyzes alpha -1,4-, alpha-1,6- and alpha -1,3- glucosidic bond at a rate decreasing respectively. The rate of hydrolysis also decreases with decreasing molecular weight of the substrate. In practice, prior to hydrolysis by amyloglucosidase, starch is usually partially liquefied with acid or alphaamylase to reduce its viscosity, increase stability, and increase the number of non-reducing ends. The hydrolyzate obtained by the subsequent treatment of the substrate with liquid amyloglucosidase contains at least 95% of the theoretical amount of glucose. It is used either directly as a source of glucose or converted into a fructose syrup with a higher sweetness containing a mixture of glucose and fructose by the action of another enzyme, glucose dimerase. It is also possible to convert the glucose oxidase and catalase porn to gluconic acid or other enzymes to other products.

Výroba glukózy pomooí rozpustné amyloglukozidázy se obvykle uskutečňuje šaržovitě v míchaném reaktoru při koncentraci škrobu okolo 30 % o teplotě 60 °C. I když dosud známá technologie umožňuje dosažení vysoké konverze škrobu na glukózu, nelze při diskontinuálním postupu rozpustný enzym opakovaná použít. Způsob rovněž nedovoluje takovou kontinualizaoi procesu, která by znamenala jeho výraznou racionalizaci. Je znám způsob, při němž se pro výrobu glukózy ze škrobu používá amyloglukozidázy vázané inkluzí do polyakrylátového gelu, který se provádí kontinuálně. Ani tento způsob však pro nízkou aktivitu a stabilitu imobilizovaného enzymu neumožňuje hospodárné provedení.The production of glucose by means of soluble amyloglucosidase is usually carried out batchwise in a stirred reactor at a starch concentration of about 30% at a temperature of 60 ° C. Although the prior art technology allows a high conversion of starch to glucose to be achieved, the soluble enzyme cannot be reused in a batch process. The method also does not allow such a process to be continualized that would entail significant rationalization thereof. A method is known in which amyloglucosidase, which is bound by inclusion in a polyacrylate gel, is used for the production of glucose from starch and is carried out continuously. However, even this method does not allow an economical execution due to the low activity and stability of the immobilized enzyme.

Uvedené nedostatky odstraňuje způsob výroby glukózy, případně dalších produktů její enzymové přeměny, podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že se reakční směs, tvořená vodným roztokem nebo suspenzí látky obsahující glukózové jednotky vázané navzájem alfa -1,4- a/nebo alfa -1,6- glukozidickou vazbou, zejména škrobu, o hmotnostní konoentraci 10 až 40 % uvádí při teplotě 30 až 60 °C a pH 4,0 až 6,5 ve styk s nerozpustným enzymovým preparátem obsahujícím v hmotnostní konoentraci 10 až 25 % amyloglukozidázy, až 30 % glutardialdehydu, 15 až 30 % flokulátoru, např. polyetyléniminu a 25 až 50 % buněk mikroorganismů* Buňky mikroorganismů mohou být enzymově inaktivní, avšak mohou též nést další enzymovou aktivitu. Styk reakční směsi a nerozpustným enzymovým preparátem může být s výhodou prováděn kontinuálně buá za míohání, nebo ve fluidním uspořádání systému, nebo průtokem reakční směsi přes pevné lože tvořené směsí nerozpustného enzymového preparátu s pomoonou filtrační látkou v hmotnostním poměru 1 ku 5 až 10. Výhodné je rovněž provedení způsobu, při němž nerozpustný enzymový preparát obsahuje buňky mikroorganismů nesoucí glukózooxidázovou a katalázovou aktivitu a reakční systém je provzduš216646 ňován.According to the invention, a process for the production of glucose or other products of its enzymatic conversion consists in the fact that the reaction mixture consisting of an aqueous solution or suspension of a substance containing glucose units bound to one another by alpha-1,4- and / or alpha- By a 1,6-glucosidic bond, in particular starch, with a concentration concentration of 10 to 40% by weight, at 30 to 60 ° C and a pH of 4.0 to 6.5, it contacts an insoluble enzyme preparation containing 10 to 25% amyloglucosidase in a concentration by weight, up to 30% glutardialdehyde, 15 to 30% flocculator, e.g. polyethyleneimine and 25 to 50% of microorganism cells. The cells of the microorganism may be enzymatically inactive, but may also carry additional enzyme activity. The contact of the reaction mixture with the insoluble enzyme preparation can preferably be carried out either continuously under agitation or in a fluidized system, or by flowing the reaction mixture through a fixed bed consisting of a mixture of insoluble enzyme preparation with a filtering agent in a 1: 5 to 10 weight ratio. also an embodiment of the method wherein the insoluble enzyme preparation comprises microorganism cells carrying glucose oxidase and catalase activity and the reaction system is aerated.

Způsob umožňuje hospodárnou kontinuální výrobu glukózy, a to v libovolném typu reaktoru, tj. míchaném vsádkovém Ϊ průtokovém s pevným ložem, Vzhledem k vysoké aktivitě a stabilitě emyloglukozidázy vázané v nerozpustném enzymovém preparátu doohází k účinné konverzi škrobu o běžné koncentraci používané při dosud známém způsobu za dobu podstatně kratší. Při tom se neprojevuje pokles výtěžnosti v důsledku transglykosylačníoh reakcí. Další výhodou je, že v jednom reakčním stupni lze podle požadavku vyrobit buá pouze glukózu, použije-li se nerozpustný enzymový preparát obsahující inaktivní buňky mikroorganismů, nebo směs glukózy a fruktózy, použije-li se preparát obsahující buňky nesoucí glukózoisomerázovou aktivitu, nebo i kyselinu glukónovou, nesou-li buňky glukózooxidázovou a katalázovou aktivitu, případně i další produkty enzymové přeměny glukózy.The process enables economical continuous production of glucose in any type of reactor, i.e., stirred-bed, fixed bed. Due to the high activity and stability of the emyloglucosidase bound in the insoluble enzyme preparation, effective conversion of starch at a conventional concentration used in the prior art process occurs. considerably shorter. There is no decrease in recovery due to transglycosylation reactions. A further advantage is that only glucose can be produced in one reaction step if either an insoluble enzyme preparation containing inactive microorganism cells or a mixture of glucose and fructose is used, if a preparation containing cells carrying glucose isomerase activity or gluconic acid is used. if the cells carry glucose oxidase and catalase activity and possibly other glucose enzymatic conversion products.

Jestliže se způsob podle vynálezu uskutečňuje průtokem reakční směsi kolonou naplněnou částicemi nerozpustného enzymového preparátu, nedovoluje tvar částic tohoto preparátu dostatečně rychlý průtok substrátu, který by byl přiměřený k vysoké aktivitě vázaného enzymu. Je proto nutné částice nerozpustného enzymového preparátu smísit s pomocnou filtrační látkou, jako je např, křemelina, která průtok usnadňuje a zároveň snižuje množství enzymu v objemové jednotce kolony.When the process of the invention is carried out by flowing the reaction mixture through a column filled with particles of insoluble enzyme preparation, the particle shape of the preparation does not allow a sufficiently rapid substrate flow rate that is adequate to the high activity of the bound enzyme. It is therefore necessary to mix the insoluble enzyme preparation particles with a filter aid, such as diatomaceous earth, which facilitates the flow while reducing the amount of enzyme in the column volume unit.

Příklad 1 mg nerozpustného enzymového preparátu v hmotnostním složení 15 % emyloglukozidázy, 25 % glutardialdehydu, 25 % Polyetyléniminu SEDIPUR CL-903 a 35 9 mycelia Penicillium chrysogenum, který se získal ve formě částic sesítěním amyloglukozidázy spolu s ostatními složkami glutardialdehydem, se ponechá 24 hod. bobtnat ve vodě. Aktivita amyloglukozidázy v tomto preparátu je 420 EU/g, Po nabobtnání se preparát smíchá s 1000 mg křemeliny a vzniklá směs se naplní do sloupce kolony o průměru 1,5 srn. Poté se sloupcem nechá protékat při teplotě 50 °0 a pH 4,5 roztok škrobu o hmotnostní koncentraci 30 %. Na výtoku kolony se odebírá roztok obsahující 92 % glukózy v sušině. Během 10 dnů nepřetržitého provozu nebyl pozorován pokles konverze.Example 1 mg of an insoluble enzyme preparation in the composition of 15% emyloglucosidase, 25% glutardialdehyde, 25% polyethyleneimine SEDIPUR CL-903 and 359 Penicillium chrysogenum mycelium, obtained as particles by cross-linking amyloglucosidase with the other glutardialdehyde components, is left for 24 hours. swell in water. The activity of amyloglucosidase in this preparation is 420 EU / g. After swelling, the preparation is mixed with 1000 mg of diatomaceous earth and the resulting mixture is packed into a column of 1.5 g diameter column. Then a starch solution having a weight concentration of 30% by weight is passed through the column at a temperature of 50 DEG C. and a pH of 4.5. At the effluent of the column a solution containing 92% glucose in dry matter is taken. No decrease in conversion was observed during 10 days of continuous operation.

Příklad 2 g nerozpustného enzymového preparátu podle příkladu 1, který místo mycelia Penicillium chrysogenum obsahuje stejné množství negativního mycelia Aspergillus niger, nesoucího glukózovou aktivitu v hodnotě 300 EU/g a katalázovou aktivitu v hodnotě 30 EU/g, se smíchá při teplotě 45 °C ve 100 ml vodného roztoku obsahujícího 10 g ztekuoeného škrobu. Současně se reakční směs probublává vzduchem, V průběhu reakce se upravuje hodnota pH na 5,5 dávkováním 5 N NaOH, Po 12 hodinách, kdy ustane pokles pH, odpovídá spotřeba hydroxidu sodného přeměně 95 % škrobu na kyselinu glukonovou.Example 2 g of the insoluble enzyme preparation according to Example 1, which contains the same amount of Aspergillus niger negative mycelium carrying a glucose activity of 300 EU / g and a catalase activity of 30 EU / g instead of Penicillium chrysogenum, is mixed at 45 ° C at 100 ml of an aqueous solution containing 10 g of liquefied starch. At the same time, the reaction mixture is bubbled through air. During the reaction, the pH is adjusted to 5.5 by adding 5 N NaOH. After 12 hours, when the pH has subsided, the consumption of sodium hydroxide corresponds to the conversion of 95% starch to gluconic acid.

Příklad 3Example 3

16,8 g nerozpustného enzymového preparátu podle příkladu 1, který místo mycelia Penicillium chrysogenum obsahuje nativní myoelium Streptomyces olivochromogenus s glukózoizomerázovou aktivitou o hodnotě 64 EU/g, se umístí do kolony a spodním průtokem se vede vodný roztok obsahující 30 % ztekuceného škrobu rychlostí 13 ml/min., pQ 6,5 a teplotě 55 °C. Roztok odebraný z kolony obsahuje 45 % fruktózy a 50 % glukózy. Po 10 dnech nepřetržitého provozu nebyla pozorována změna konverze.16.8 g of the insoluble enzyme preparation of Example 1, which contains native Streptomyces olivochromogenus myoelium with glucose isomerase activity of 64 EU / g, instead of Penicillium chrysogenum, are placed in the column and an aqueous solution containing 30% of the starch liquefied is passed through the bottom flow at 13 ml. min / min, pQ 6.5 and 55 ° C. The solution taken from the column contains 45% fructose and 50% glucose. No conversion change was observed after 10 days of continuous operation.

Claims

OBJECT OF THE INVENTION

Process for the production of glucose or other enzymatic conversion products thereof, characterized in that the reaction mixture, consisting of an aqueous solution or suspension of a substance containing glucose units bound to one another by an alpha -1,4- and / or an alpha -1,6- glucosidic bond , in particular starch, at a concentration of 10 to 40% by weight, at 30 to 60 ° C and a pH of 4.0 to 6.5 contact with an insoluble enzyme preparation containing at a concentration of 10 to 25% amyloglucosidase, 15 to 30% glutardialdehyde 15 to 30% of a flocculator such as polyethyleneimine and 25 to 50% of the cells of the microorganism.

2. The method of claim 1 wherein the microorganism cells contained in the insoluble enzyme preparation are enzymatically inactive.

3. The method of claim 1, wherein the microorganism cells contained in the insoluble enzyme preparation carry additional enzyme activity.

4. A process according to claim 1, wherein the contacting of the reaction mixture with the insoluble enzyme preparation is carried out continuously with stirring.

5. A process according to any one of claims 1 to 3, wherein the contact of the reaction mixture with the insoluble enzyme preparation is carried out continuously in a fluidized-bed system.

6. A process according to any one of claims 1 to 3, wherein the contacting of the reaction mixture with the insoluble enzyme preparation is carried out continuously by flowing the reaction mixture through a fixed bed consisting of a mixture of insoluble enzyme preparation with filter aid in a 1: 5 to 15 weight ratio.

7. The method of claim 1, wherein the microorganism cells carry glucose oxidase and catalase activity, wherein the contact of the reaction mixture with the insoluble enzyme preparation takes place while aerating the system.