DD261281A3 - Verfahren zur Saccharosehydrolyse mittels immobilisierter Invertase - Google Patents
Verfahren zur Saccharosehydrolyse mittels immobilisierter InvertaseInfo
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Abstract
Es wird ein Verfahren zur Saccharosehydrolyse mittels immobilisierter Invertase beschrieben, in dem 50- bis 70%ige Saccharoseloesungen entfaerbt und invertiert werden. Mit dessen Hilfe koennen Glucose/Fructose/Saccharose-Gemische hergestellt werden, die wichtige Zwischenprodukte der Lebensmittel-, pharmazeutischen und chemischen Industrie sind. Die Verfahrensweise ist gegenueber bisher bekannten Verfahren vereinfacht. Erfindungsgemaess wird die spezifische Belastung der Entfaerberkolonne, die mit einem stark basischen Entfaerbungs-Ionenaustauscher gefuellt ist, so eingestellt, dass das Substrat nach der Entfaerbung einen p H-wert im Bereich von 4,0 bis 7,0 besitzt, der dem Optimum der immobilisierten Invertase einschliesslich seiner oberen Flanke entspricht. Somit ist ein durchgaengig kontinuierlicher Betrieb von der Annahme der Saccharoseloesung bis zur Herstellung des Endprodukts gewaehrleistet.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Glucose/Fructose/Saccharose-Gemischen aus Saccharose mit Hilfe immobilisierter Invertase. 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 sind 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 IRA93) (FR-PS 2233334) oder an Knochenkohle (GB-PS 564270) gebunden.
Bekannt sind des weiteren Verfahren zur Immobilisierung durch kovalente Bindung. Beispiel 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 UF93) (J. Mansfeld u. A. Schellenberger, Acta Biotechnol. 6,
Der Einschluß von Invertase in polymere Matrices, ζ. B. Gelatine (A. I. Krauze, Zesh. NaukSer. 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 Enzyms.
In Abhängigkeit von Immobilisierungsmethode und Trägermaterial treten 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, mechanische Stabilität sowie Operationsstabilität des Invertase-Träger-Komplexes auftreten, wobei letztere im starken Maße von der Reinheit und Konzentration des Substrats 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 Invertflüssigzucker bzw. Invertzuckersirup mit hoher Konzentration und Reinheit hergestellt werden kann.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß 50- bis 70%ige, vorzugsweise 60- bis 70%ige Saccharoselösung eingesetzt wird.
Die Saccharoselösung durchströmt mit einer spezifischen Belastung von 0,5 bis 2,0h~1 eine Entfärberkolonne, die mit handelsüblichem stark basischem Entfärbungs-Ionenaustauscher, beispielsweise Wofatit EA60, 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 hierbei 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 6h"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 werden, hervorgerufen wird und in der Größenordnung von 0,3pH-Einheiten liegt (I.Stamberg und V.Valter, Entfärbungsharze, Akademie-Verlag, Berlin, 1970).
Überraschend ist, daß bei der Entfärbung handelsüblicher Saccharoselösungen mit einer spezifischen Belastung des Entfärbungsharzes 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.
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 zustande kommt.
Entgegen der Angaben der bekannten technischen Lösungen ist es zweifelhaft, daß die Saccharosehydrolyse untertechnischen Bedingungen nur am pH-Optimum der immobilisierten Invertase mit befriedigendem Umsatz 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 Umsatzerniedrigungen 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 erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise mit einer spezifischen Belastung der Entfärbung zwischen 0,5 bis 1,0h"1 gearbeitet.
Im Anschluß durchströmt die entfärbte und pH-Wert-eingestellte Saccharoselösung in bekannter Weise eine Invertiererkolonne, die mit immobilisierter Invertase, beispielsweise einem lnvertase-Wofatit-Y-58-Komplex gefüllt ist, wobei die Glucose/Fructose/ Saccharose-Gemische gebildet werden, deren Invertzuckeranteil von der spezifischen Belastung der Invertiererkolonne, der Konzentration und der Temperatur der Saccharoselösung abhängig ist und entsprechend den Kundenwünschen eingestellt werden kann.
Die Bewegungsrichtung kann hierbei 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 durchweg kontinuierlicher Betrieb von der Annahme der Saccharoselösung bis zur Herstellung des Endprodukts gewährleistet ist.
Die folgenden Ausführungsbeispiele sollen das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutern. Als immobilisiertes Enzym kommt ein lnvertase-Y-58-Komplex zum Einsatz, dessen Operationsstabilität in 62%iger Saccharoselösung bei 700C, 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 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.
Eine filtrierte 66%ige Saccharoselösung mit einem pH-Wert von 8,0 durchströmt über einen Zeitraum von 100 Stunden eine Entfärberkolonne, die mit 501 des stark basischen Entfärbungs-Ionenaustauscher Wofatit EA60 in der Chloridform gefüllt ist. Die Arbeitstemperatur beträgt 800C, die spezifische Belastung 1,0 h"1, die Farbe der Lösung durchschnittlich 50 bis 100 ICUMSA (Int. Comm. Uniform Methods Sugar Anal., ICUMSA-Einheiten = ε42ο · 103).
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 501 des Invertase-Y58-Komplex gefüllt ist. Die Arbeitstemperatur beträgt 4O0C, die spezifische Belastung 1,0h"1. Der erzielte Umsatz liegt dabei zwischen 89 und 94%.
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 erfolgt nach der volumetrischen Methode von W. H. Lane-Eynon (Official Methods of Analysis, 494, Association of Official Agricultural Chemists, Washington, D. C. [1965] zur Bestimmung reduzierender Zucker). Die pH-Werte wurden potentiometrisch bestimmt.
Entfärbung und Invertierung wird, wie in Beispiel 1 beschrieben, durchgeführt.
Ausgangsprodukt ist eine 67%ige Saccharoselösung mit einem pH-Wert von 6,9. Die spezifische Belastung von Entfärbung und Invertierung beträgt 0,5h"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% erzielt, der dem am pH-Optimum der immobilisierten Invertase bei gleicher spezifischer Belastung der Invertiererkolonne sowie Temperatur und Konzentration der Saccharoselösung entspricht.
Entfärbung und Invertierung wird, wie in Beispiel 1 beschrieben, durchgeführt.
Die Konzentration der Saccharoselösung beträgt 67%, die spezifische Belastung von Entfärbung und Invertierung 1,5h"1, die verbleibende Restfarbe nach der Entfärbung 14—20%. Der nach der Entfärbung erreichte pH-Wert beträgt durchschnittlich 6,1, womit ein pH-Wert-Abfall von 1,1 pH-Einheiten realisiert wird. Der Umsatz zwischen 78 und 82% entspricht dem, der bei gleicher spezifischer Belastung der Invertiererkolonne sowie Temperatur und Konzentration der Saccharoselösung am pH-Optimum der immobilisierten Invertase erreicht wird.
Entfärbung und Invertierung wird, wie in Beispiel 1 beschrieben, durchgeführt.
Als Ausgangsprodukt kommt eine 66%ige Saccharoselösung zum Einsatz, die die Entfärber- und Invertiererkolonne mit einer spezifischen Belastung von 2,Oh-1 durchströmt, wobei nach der Entfärbung eine Restfarbe von 16-20% verbleibt und die Saccharoselösung einen pH-Wert von durchschnittlich 4,2, der einem pH-Wert-Abfall von 0,8 pH-Einheiten entspricht, besitzt. Der Umsatz zwischen 71 und 76% liegt in dem Bereich, der am pH-Optimum der immobilisierten Invertase bei übereinstimmender spezifischer Belastung der Invertiererkolonne sowie Temperatur und Konzentration der Saccharoselösung erreicht wird.
Beispiel 5-12
Eine filtrierte Saccharoselösung durchströmt eine Entfärberkoionne, die auf 80°C temperiert und mit 250 ml des stark basischen Entfärbungs-Ionenaustauscher Wofatit EA60 in der Chloridform gefüllt ist. Die nach der Entfärbung verbleibende Restfarbe beträgt 11-38%.
Im Anschluß durchströmt die filtrierte und entfärbte Saccharoselösung eine Invertiererkolonne, die 250 ml des Invertase-Wofatit-Y-58-Komplexes enthält und auf 400C temperiert ist.
Die hinsichtlich des pH-Wert-Abfalls nach der Entfärbung und der Umsätze erreichten Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengestellt. Darin zeigt sich, daß keine signifikanten Unterschiede zwischen den im pH-Bereich von 4,0 und 7,0 und den am pH-Optimum des lnvertase-Wofatit-Y-58-Komplexes ermittelten Umsätzen, bei ansonst gleichen Bedingungen, auftreten.
Die Probennahme erfolgt nach Einstellung des Stationärzustandes, wobei die Umsatzbestimmung enzymatisch mit Hilfe der Glucoseoxidase-Peroxidase-o-Dianisidin-Methdde durchgeführt wurde.
Die pH-Werte wurden potentiometrisch bestimmt.
| Tabelle 1 | Trockensubstanz | spezifische | pH-Wert | pH-Wert | ΔρΗ | Umsatz | Umsatz |
| Beispiel | der Saccharose | Belastung | (vorder | (nach der | (bei pH 4,5) | ||
| lösung | Entfärbung | Entfärbung | |||||
| (%) | (h-1) | (%) | (%) | ||||
| 61,4 | 0,5 | 7,2 | 5,5 | 1,7 | 97,1 | 96,2 | |
| 5 | 61,4 | 1,0 | 7,2 | 5,7 | 1,5 | 92,5 | 97,5 |
| 6 | 61,4 | 1,5 | 7,2 | 5,7 | 1,5 | 83,7 | 78,0 |
| 7 | 61,4 | 2,0 | 7,2 | 5,2 | 2,0 | 77,7 | 78,9 |
| 8 | 50,2 | 0,5 | 7,6 | 6,3 | 1,3 | 99,2 | 98,4 |
| 9 | 50,2 | 1,0 | 7,6 | 6,0 | 1,6 | 98,0 | 100,0 |
| 10 | 50,2 | 1,5 | 7,6 | 6,3 | 1,3 | 95,6 | 94,4 |
| 11 | 50,2 | 2,0 | 7,6 | 6,2 | 1,4 | 89,2 | 92,8 |
| 12 | |||||||
Claims (3)
1. Verfahren zur Saccharosehydrolyse mittels immobilisierter Igvertase, in dem eine Saccharoselösung zunächst eine Entfärberkolonne, die mit stark basischem Entfärbungs-Ionenaustauscher gefüllt ist, durchströmt und anschließend hydrolysiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß 50- bis 70%ige Saccharoselösung die Entfärberkolonne mit einer spezifischen Belastung von 0,5 bis 2,0 h~1 durchströmt und danach die entfärbte Saccharoselösung bei einem pH-Wert von 4,0 bis 7,0 hydrolysiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise eine 60- bis 70%ige Saccharoselösung verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die spezifische Belastung der Entfärberkolonne vorzugsweise 0,5 bis 1,0 h~1 beträgt.
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