CS239934B2 - Method of processing of solution containig glucose and fructose and device to perform the method - Google Patents

Description

(54) Způsob výroby roztoku obsahujícího glukózu a fruktózu a zařízení к provádění tohoto způsobu

Produktivita katalyzátoru, vyrobeného na bázi SiO^ - nosiče s aktivitou glukozoisomerázy se značně zvýší, když se před reaktor naplněný katalyzátorem na nosiči předřadí předsloupec, který je naplněn tvarovanými částicemi z kysličníku křemičitého nebo aluměsilikátu.

Vynález se týká způsobu výroby roztoku, obsahujícího glukózu o fruktozu, reakcí roztoku, obsahujícího glukózu, ne katalyzátoru, vyrobeného ne bázi SiO^ - nosiSe s ektivitou glukózoisomerázy.

Enzymatická konverze glukózy ve sqjěs glukózy в fruktózy nabyla již dříve stále se zvyšující význam. Tato směs se nejčastěji prodává ve formě sirupu, zvaného Isomerosa, a nahrazuje především v potrevinářském^průmyslu a při průmyslové výrobě nápojů, ve světovém měříttu stále ubývající a zdražující se krystalový cukr /třtinový cukr, řepný cukr, sacharózu/, získávaný z třtiny cukrové nebo cukrové řepy. Jako zdroj glukózy, potřebné pro výrobu směsi glukózy a fruktózy, slouží přírodně se vyskytující škroby, například rýžový nebo bramborový škrob, které se převedou na glukózu kyselou a/nebo enzymatickou hydrolýzou.

Pro enzymatičkou konverzi glukózy ve fruktozu se vodný roztok glukózy, popřípadě ze přídavku látek podporujících isomerizaci /například kobaltových nebo hořečnaťých iontů/ vystavuje působení glukózoisomerázy až do dosažení požadovaného stupně isomerizace, potom se popřípadě oddělí přísady od roztoku a roztok se popřípadě zahustí na sirup.

V minulosti se pracovalo převážně diskontinuálně a používala se buň izolovaná glukózoisomeráza nebo gliikózoisomeráza zbylá v přírodním buněčném obalu mikroorganismů, produkujících glukózoisomerázu. Vzhledem к tomu, že tímto způsobem používaná glukózoisomeráza se nedá znovu získat zpět a znovu použít, nebo se dá znovu získat zjbět a znovu použít jen s vynaloženíip velkých nákladů, používá se v současné době stále více glukózoisomeráza, která se fixací na buněčný obal stala nerozpustnou ve vodě a mechanicky se zpevnila přísadami.

Dále se glukózoisomeráza může adsorpčně nebo kovalentně vázat na anorganické nebo organické nosiče a tím se může stát nerozpustnou ve vodě. Takto fixované* a zpevněná nebo na nosič vázaná glukózoisomeráza se může použít vícekrát a tím lze přejít ke kontinuálnímu způsobu, například tím, že se glukózoisomeráza vázaná na nosiči naplní do reaktoru a reaktorem se nechá protékat roztok glukózy /substrát/.

Glukózoisomeráza, vázaná na nosiči, potřebná pro takovýto kontinuální způsob, dále nazývaná katalyzátorem nebo katalyzátorem na nosiči s aktivitou glukózoisomerázy Je zn$me ze stavu techniky. Jako příklad lze uvést NSR patentní spis 27 26 188, který popisuje zejména katalyzátor^vyrobený na bázi SiOg-nosiče s aktivitou glukózoisomerázy.

Způsob výroby roztoku, obsahujícího glukózu a fruktozu podle vynalezu, staví na takovýchto kontinuálně proveditelných způsobech, při nichž roztok glukózy /substrát/ pro* těká reaktorem, který obsahuje katalyzátor na nosiči s aktivitou glukózoisomerázy.

Vynález kromě toho staví na následujících poznatcích:

Schopnost isomerázy konkurovat je ve srovnání s přírodní sacharózou určena vedle její ceny hlavně jejím obsahem fruktózy, nebol tato Je určující mírou její sladkosti. V protikladu к přírodní sacharóze, disacharidu sestávajícím z glukózy a fruktózy, v níž glukóza a fruktóza existují v molárním poměru 1:1, Je obsah glukózy s fruktózy v isomeráze a tím i její sladkost, kolísavý a v první řadě závislý na době působení glukózoisomerázy na roztok glukózy a na teplotě^při které к působení dochází. Maximální při 60 °C dosažitelná, po dostatečně dlouhé době působení se ustavující termodynamická rovnováha se pohybuje okolo isomerizačního stupně asi 51 %, t. J. ze 100 použitých molekul glukózy Je 51 molekul fruktóza. Trh dnes akceptoval Isomerosu s obsahem fruktózy 42 % v sušině. Vzhledem к tomu, že obsah glukózy v technicky používaném produktu se pohybuje zpravidla mezi 90 až 95 %, jsou v praxi nezbytné isomerizační stupně 44 až 47 % aby se dosáhlo uvedeného obsahu fruktózy. Aby se takovéto isomerizační stupně dosáhly, mohou se katalyzátory s aktivitou glukózoizomerázy provozovat pouze s určitou prostorovou rychlostí, závisející na jejich okamžité aktivitě.

Modení, vysoceaktivní katalyzátory, které lze vyrobiti například podle způsobu,

2ó 183, se mohou provozovat počátečními prostorovými popsaném v NSR patentním spisu r^yc^hlostmi as^{i 10} a^ž 20 ^h-1:

S rostoucí provozní dobou reakční teplotě více nebo méně klesá ale aktivita rychle.

známých katalyzátorů v závislosti ne

26 188 má asi po 670 provozních počáteční aktivity. Aby se získal spisu % své může se takovýto katalyzátor provozovat již

Známý katalyzátor podle NSR patentního hodinách při 60 °C reakční teploty ještě 50 stejný isomerizační stupen jako na počátku, jen s poloviční počáteční prostorovou rychlootí. 20%zbytková aktivita, na kterou se po hlíží jako ne spodní mez lospoOáánooti, se dosáhne po 1 700 provozních hodinách.

S překvapením bylo nyní zjištěno, že provozní doba katalyzátoru vyrobeného na bázi SiOg-nooiče s glukozoisomerázovou aktivitou se může více než z^^^c^ojn^s^c^t^Ht, jestliže se roztok, obsahiuící glukosu přivede před reakcí na katalyzátoru - na nosiči do styku s tvarovaiýtai částicemi kysličníku křemičitého SiO_? nebo tljmootlikátj. Hnoonnotní poměr katalyzátoru : okolo 1:1. Při tomto _v _ _ _____ '2 HcUQ O lUulUo XX lad VU > Лиш iJlUo WH tvarovaným částicím se pohybuje s výhodou mezi 3:1 až 1:3, s výhodou způsobu práce se zdvojnásobí i produUeivitt katalyzátoru.

definována jako mnoOství substrátu, počítáno jako sušina /kg/, r^duu^^!^ je které se při určeném isomerizačním stupni 1 kg katalyzátoru může zpracovat až ke zbytkové aktivitě 20 % počáteční aktivity. .

U zařízení, zejména ke kontinuální konverzi glukózy na fruktózu, které krooš reaktoru pro katalyzátor na nooiči s gluko^oisomerázovou aktivitou obsahuje i delší ještě nezbytné součásti jako zásobní nádrž a jímací nádrž, vedení, čerpadla, měřící přístroje, temperovací zařízení apod. je podle vynálezu před reaktorem předřazen ještě předsloupec, který slouží pro jímání tvarovaných . částic z kysličníku křemičitého nebo alumoosiikátu. Objem předsloupce se při tom udržuje v poměru k objemu reaktoru tak, aby. s ohledem na sypnou hmoonoot katalyzátoru a maatriálu předsloupce mohly být zaručeny shora uvedené hmoonc)otní poměry.

Provedení způsobu podle vynálezu se provádí zejména při kontinuálním způsobu práce tak, že se vodný roztok glukózy, s výhodou obsahiuící asi 40 až 50 % hmot, sušiny, nastaví na hodnotu pH vhodnou pro glukózoisomerázu, vázanou na nooiči, roztok se zahřeje na vhodnou teplotu isomerizace a roztok se čerpá nejdříve předsloupcem neplněným SiOg nebo aljoooSlikáeeo a potom reaktorem naplněným SiOg-katalyzáooovým nosičem s glukózoisomerázovou aktivitou. Odté^a^cí roztok glukózy a fruktózy se v pravidelných intervalech analyzuje na obsah fruktózy, například pomocí polarimetrické analýzy nebo vysokotlaké kapalinové chrOImtt>oriaia. Prostorová rychlost, kterou se katalyzátor provozuje se při -tom nastaví tak, aby odtéke^cí roztok, vztaženo na sušinu, vykazoval obsah fruktózy asi 42 % -hmot.

Pro materiál předsloupce se osvědčile zejména velikost zrna asi 0,5 až 5,0 - ipm e pro katalyzátorový nosič velikost zrna asi 0,08 až 0,5 mm.

Jestliže se při výrobě katalyzátorového nosiče s aktivitou gluko'zoi3omerázy použila gluko^zoisomeráza Strepoomyces albus ukázalo se být výhodné nastavení roztoku glukózy na hodnotu pH asi 7,0 až 8,5 a zahřátí roztoku -na teplotu 55 až - 65 °C.

Kromě toho se u glukózoisomerázy Strepoomyces albus osvědčila přísada kobaltnatých a hořečnatých iontů k roztoku glukózy v mmnožtvích asi 0,1 až 2 ppm kobaltnatého iontu a asi 10 až 200 ppm hořečnatých iontů, s výhodou ve formě jejich ve vodě rozpustných solí jako například chloridů nebo síranů, jako podpporjící isomeeizaci. *

Konečně Je výhodné přidávat k roztoku glukózy stabilizující možství antioxidantu, s výhodou kysličníku siřičitého v možství asi 100 až 600 ppm ve formě siřičitanu nebo hyddosiřičitanu alkalického kovu.

Dříve než se získaný roztok glukózy a fruktózy zahuutí nebo dříve než se roztok přivede ke konečnému poousií_} doporučuje se Jeětě odssranit nežádoucí, například chuť ovlivnuuící iontové složky pomocí kationooměničů nebo aniontoměničů a roztoku glukózy a fruktózy.

Vynniez je blíže vysvětlen pomocí přiložených výkresů a příkladů provedení.

Na obr?. ^: 1 je znázorněn úbytek aktivity v závvslosti na provozní době

Na obr. 2 je znázorněn vývoj produktivity v záv^los^ na provozní době.

Na obr. 1 je na ose x nanášena provozní doba v hodinách a na ose y aktivita v procentech. Křivka 1 představuje stabilizaci katalyzátoru, získanou při plnění předsloupce perlemi alumoosiikátu nebo SiO₂, křivka 2 tottž bez pouužtí předsloupce s náplní alumosilikátu nebo SiOg.

Na obr. 2 je na ose x vynesena provozní doba v hodinách a na ose y přoduUtlvita v kg suŠiny/kg katalyzátoru. Křivka . představuje závvslost produUtivity na provozní době při postupu podle vynálezu a křivka £ závvslost produUtivity na provozní době při . podmínkách příkladu 3.

Příklad 1 g katalyzátoru ne . oosíší s aktivitou glukózoisomerázy, vyrobené podle NSR patentního spisu 27 26 188 a s dále popsanými vlastnostmi bylo naplněno do reaktoru, kterému byl předřazen předsloupec, který obsahoval 5 g komerčního kulovitého, porézního alumosilikátu, odolného vůči vodě /například . typu KCT-WS fy Kali-Chemie AG, složení asi 97 . % hmot. SiOg a 3 55 hmot. AlgOo/. Systémem předsloupec-reaktor byl čerpán roztok glukózy, zahřátý na 60 °C. Naatavení prostorové rychlooti /vztaženo na objem reaktoru nárokovaný katalyzátorem^ se provádí tak, aby isomerizační stupeň po celou provozní dobu byl konstantní a činil 46,5 %.

Isomerizační stupeň vytékajícího roztoku substrátu byl měřen polarimetricky. V podrobnostech jsou katalyzátor, náplň předsloupce a způsob charakterizovány následujícími parametry:

1. Kaaelyzátor

1.1 nosič

1.2 schopnost přijmout aktivitu:

1.3 velikost zrna:

1.4 sypná hmotnoot /suchá/:

svo₂

000 U/g

0,1 až 0,2 mm

0,45 kg/1

2. Náplň předsloupce

2.1 materiál náplně:

2.2 velikost zrna:

2.3 sypná hmoonost /suchá/

KCT-WS / Kali-Chemie AG/ až 2 mm

0,70 kg/1

3. Způsob

3.1	subbtrát:	45 % hmc)t.
3.2	kofaktory:	120 ppm Mg* 1 ppm Co 200 ppm SO,
3.3	hodnota pH	7.5 ‘
3.4	měrná hmoonožt substrátu	1,2 kg/1
3.5	počáteční teplota substrátu	60 °C
3.6	isomerizační stupeň	♦6,5 %
3.7	počáteční prostorová rychlost:	13,0 h

4. Stanovení aktivity roztoku glukózoisomerázy glukózy ve vodném roztoku ++ ++ g ve formě NagSO^

Α^ΐν!^ roztoku glukózoisomerázy použitého pro přípravu katalyzátoru byla určována metodou podle Takasaki /srovn. Y. Takasaki: Arg. Biol. Chem. Voo. 30, č. 12, 1 247 až 1 253, 1966 a Z. Dische a E. B^o^r^inTreund: J aktivity /U/ se definuje jako mioožsví enzymu, 1 mg fruktózy.

-Biol. Chem. 192,583, 1951/. Jednotka které za inkubačních podmínek vytvoří

Inkubační podmínky:

teplota: reakční doba substrát °C h

0,1 M glukóza x HgO /Merek 8 342// v 0,05 M fosforečnanového pufru, pH 8,0 s 0,000 4 m MgSÓ*

Příklad přinesl následující výsledky:

poločas'rozpadu provozní doba až zbytková aktivita 20 %: průměrná aktivita po dobu provozu

800 h:

300 h

800 h produktivita po 3 800 h

44,0 % /vztaženo na počáteční aktivitu 100 %/

26.000 kg TS se 46,5 % fruktózy/kg katalyzátoru

Příklad 2 příkladu 1 bylo vneseno do reaktoru, 10 g komerčního, kulovitého, porézního g katalyzátoru na nooiči odpoovdeJícího kterému byl předřazen sloupec, který obsahoval kysličníku křemičitého, odolného vůči vodě /např. typ AF 125 fy Kali-Chemie AG, obsah SiOg vySSí než 99 % Ηιο^/. Další postup práce odpovídal příkladu 1. Náplň předsloupce byla charakterizována následujícími parametry:

1. maateiál náplně:

2. velikost zrna:

3. sypná hmotnost /suchá/:

AF 125 /Kali-Chemie AG/ až 2 mm

0,45 kg/1

Výsledky pokusu byly identické s výsledky popsanými v příkladu 1

Claims (3)

1. Pro srovnání byl postup popsaný v příkladě l opakován se stejýým katalyzátorem, ale bez předsloupce, ji-nek ale za starých podmínek postupu. Příklad 3 přinesl následující výsledky: poločas rozpadu:

   provozní doba až zbytková reaktivita 20 %: průměrná aktivita po provozní dobu 1 700 h:

   produktivita po 1 700 h:

   670 h

   1 700 h

   47,2 % /vztaženo na počáteční Aktivitu 100 %/

   12 500 kg TS se 46,5 % fruktózy/kg katalyzátoru

   Pro znázornění výsledků podle příkladů 1 , na provozní době znázorněn, jak je uvedeno již je patrná stabilizace aktivity katalyzátoru po
2. 2 a 3 byl úbytek aktivity v závvslosti vpředu, na obr, 1. Z tohoto znázornění dlouhou provozní periodu, dosažená podle vynálezu použitím předsloupoe, naplněného perlemi alumossiikátu nebo SiOg

   Na obir. 2, jak rovněž bylo uvedeno již vpředu, je znázorněn vývoj produukivity v závvslosti na provozní době, rozhodující pro hospodárnost způsobu. Příklady 1 a 2 provedené za podmínek postupu podle vynálezu zvýily ekonom.cky využitelnou specifickou výkonost katalyzátoru o faktor 2,8 tj. pro výrobu určitého množžtví Isomerosy je zapotřebí méně než poloviční mnc^žtví katalyzátoru. Ezhledem k tomu, že maaeríál předsloupce, používaný podle vynálezu, činí jen zlomek nákladů vynložených na katalyzátor,·j¢r ekonomická přednost způsobu podle vynálezu značná.

   1. Způsob výroby roztoku, obsah^ícího glukózu a fruktózu, reakcí roztoku, obsahujícího glukózu, na katalyzátoru, vyrobeném na bázi S^g-nosiče, s aktivitou glukózoisomerázy, vyz^ačujcí se tím, že se roztok, sbbθhující glukózg přivádí před reakcí na , katalyzátoru na nosiči do styku s tvarovanými částicemi z kysličníku křemičitého nebo alumosi^ikátu, .

   2. Způsob podle bodu 1, vyznnačuící se tím, že hmoSnostní poměr katalyzátoru: tvarovaným částicím se pohybuje mezi 3:1 ež 1:3, s výhodou okolo 1:1.
3. 3. Zařízení k provádění způsobu podle jednoho z bodů 1 nebo 2, s reaktorem, naplněrým katalyzátorem na oooíčí, vyzničující se tím, že před reaktor je ' předřazen předsloupec naplněný tvarovanými částicemi z kysličníku křemičitého nebo alumosSiitátu.