DE2003732B2

DE2003732B2 - Kontinuierliches verfahren zur gewinnung von gluconsaeure

Info

Publication number: DE2003732B2
Application number: DE19702003732
Authority: DE
Inventors: Raoul Guillaume Philippe Brüssel Walon
Original assignee: Unilever Bestfoods North America
Current assignee: Unilever Bestfoods North America
Priority date: 1969-01-29
Filing date: 1970-01-28
Publication date: 1976-11-18
Also published as: FR2029645A1; BE745110A; IT1025002B; DE2003732A1; NL7000662A; GB1276245A; FR2029645B1; US3619396A

Description

Die Erfindung betrifft ein kontinuierliches Verfahren Zur Gewinnung von Gluconsäure durch enzymatische Umwandlung eines glucosehaltigen Materials mittels Glucoseoxydase in flüssigem Medium.

Der Ausdruck »Glucoseoxydase«, wie es hier in der Beschreibung verwendet wird, bedeutet beta-d-Glucose: O₂ Oxidorektase (E. C. 1.1.3.4.). Hinsichtlich des zuvor genannten Identifizierungssystems wird auf »Emzyme Nomenclature; Recommendations (1964) of International Union of Biochemistry; Elsevier (1965)« verwiesen. Glucoseoxydase überträgt zwei Wasserstoffatome aus der >CHOH-Gruppe von Glucose auf O₂ unter Bildung von >C = O und H₂O₂.

Bisher hat Glucoseoxydase industrielle Verwendung Zur Entfernung von Glucosespuren und zur Entfernung von Sauerstoff aus Nahrungsmitteln gefunden. Beispielsweise wurde Glucoseoxydase in der Technik benutzt, um restliche Spuren reduzierender Zucker aus Trockeneinweiß und Trockenganzei zu entfernen. Sie wurde auch zu Nahrungsmitteln, beispielsweise zu Bier, Wein, Fruchtsäften und Mayonnaise, zugesetzt, «welche oxydativer Verschlechterung unterworfen sind, <wenn sie der stetigen Anwesenheit kleiner Sauerstoffinengen ausgesetzt sind. Zusätzlich zu diesen technischen Anwendungen wurde Glucoseoxydase als analytisches Mittel zur Bestimmung von Glucose ein- !gesetzt.

Jedoch wurde bisher Glucoseoxydase nicht für die technische Gewinnung von Gluconsäure angewendet. Ein wesentlicher Grund für diese NichtVerwendung (ist der hohe Preis des Enzyms.

Aufgabe der Erfindung ist ein praktisches, kontinuierliches Verfahren für die enzymatische Gewinnung von Gluconsäure, wobei Glucoseoxydase wiedergewonnen und wiederbenutzt werden kann, ohne in irreversibler Weise inaktiviert zu werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Lösung dieser Aufgabe zeichnet sich dadurch aus, daß man die erhaltene Reaktionslösung zur Abtrennung von Gluconsäure und Glucoseoxydase einer Elektrodiolyse unterwirft.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Elektrodialyse durchgeführt, nachdem 50% der Glucose umgewandelt worden sind.

Die Ausgangsstufe, nämlich die enzymatische Umwandlung, beim erfindungsgemäßen Verfahren ist an sich bekannt und bildet daher für sich keinen Teil der Erfindung. Diese enzymatische Umwandlung von Glucose zu Gluconsäure umfaßt die Behandlung eines glucosehaltigen Materials in einem flüssigen Medium mit einer Enzymzubereitung, welche Glucoseoxydaseaktivität besitzt, in Gegenwart einer Quelle für freien Sauerstoff, z. B. von Wasserstoffperoxyd. Während dieser Enzymkonvertierungsstufe wird das Reaktionsmedium so geregelt, daß die gewünschte Reaktion begünstigt wird. Weil die meisten Enzymzubereitungen am wirksamsten innerhalb eines bestimmten pH-Bereiches sind und weil bei der Glucoseoxydaseumwandlung von Glucose die Gluconsäure in stetiger Weise gebildet wird, ist es notwendig, den pH-Wert des Reaktionsmediums in stetiger Weise während der ganzen Dauer der enzymatischen Umwandlung zu regeln. Im allgemeinen, wenn der pH-Wert zwischen etwa 4,2 und etwa 7, vorzugsweise zwischen etwa 5 und etwa 6, gehalten wird, schreitet die Umwandlung in zufriedenstellender Weise voran. Ein übliches Verfahren zur Regelung des pH-Wertes besteht in dem kontinuierlichen Zusatz eines Alkali, z. B. Natriumhydroxyd. Das Alkali wirkt naturgemäß neutralisierend auf die Gluconsäure unter Bildung eines entsprechenden Gluconates, z. B. Natriumgluconat. Bisher haben Versuche, das pH durch Verwendung \ on Alkali zu regeln, zusätzliche Probleme geschaffen. Beispielsweise kann der Alkalizusatz zur irreversiblen Inaktivierung des Enzyms führen, was die Verwendung zusätzlicher Enzymmengen erfordert. Die US-Patentschrift 26 51 592 offenbart eine Arbeitsweise für die von Glucose zu Gluconsäure mittel Glucoseoxydase, offenbart aber nicht ein praktisches Verfahren für das Abtrennen der Gluconsäure und Wiedergewinnen aktiver Glucoseoxydase.

Während der Stand der Technik die enzymatische Umwandlung von Glucose zu Gluconsäure offenbart, lehrt er aber nicht ein Verfahren zur Ausführung einer solchen Umwandlung in einer brauchbaren Weise, welche zur Abtrennung von Gluconsäure und Wiedergewinnung eines in dem Verfahren wiederverwendbaren Enzyms führt.

Demgegenüber schafft die zweite Stufe (Elektrodialyse) des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Mittel für die praktische Abtrennung von Gluconsäure und die Wiedergewinnung des aktiven Enzyms.

Hierzu wird die aus der vorhergehenden Stufe anfallende Flüssigkeit in Mehrmembran-Elektrodialyseapparaten einer Elektrodialyse unterworfen.

Für die Erfindung brauchbare Elektrodialyseapparate können von üblicher Art sein. Gewöhnlich wird die Elektrodialyseapparatur eine große Zahl, vielleicht mehrere Hundert, abwechselnd voneinander getrennte für Anionen und für Kationen durchlässige Membranen mit Abstandshaltern dazwischen umfassen. Die Abstandshalter schaffen Abteile, durch welche Verfahrensströme über die Oberflächen der Membranen umlaufen. Die Endkammern der Apparatur enthalten Elektroden zum Durchleiten eines Gleichstroms durch alle Abteile. Ein Strom der Flüssigkeit aus der ersten Stufe des Verfahrens und ein Abwasserstrom werden durch abwechselnde Kammern mittels geeigneter Verteiler geleitet. Beide Ströme werden hinsichtlich Fließgeschwindigkeit, Druck, Temperatur u. dgl. geregelt. Wenn eine Gleichstromspannung an die Elektroden der Apparatur angelegt wird, bewegen sich in dem Strom der Flüssigkeit anwesende Gluconatanionen durch die benachbarte für Anionen durchlässige Membran in den Abwasserslrom, worin sie sich mit Wasserstoffionen unter Bildung von Gluconsäure vereinigen. Das Enzym bleibt in dem abfließenden

Flüssigkeitsstrom, welcher in die erste Verfahrensstufe zurückgeführt wird. Eine Erörterung der Elektrodialyse als Einheitsbehandlung kann in Encyclopedia of Chemical Technology, Kirk — Othmer,2. Auflage, Band 7, Seiten 846—865 gefunden werden.

Das folgende Beispiel erläutert das erfindungsgemäße Verfahren noch weiter. In diesem Beispiel wie in der ganzen übrigen Beschreibung und den Ansprüchen beziehen sich alle Angaben von Teilen oder Prozentsätzen auf das Gewicht, wenn nichts anderes angegeben ist.

Beispiel

Das in diesem Beispiel verwendete glucosehaltige Ausgangsmaterial besteht aus 31 eines 'väßrigen Sirups, welcher 688 g Trockensubstanz an Glucose enthält. Dieser Sirup mit einer Temperatur von 25° C, einem anfänglichen pH von 5,5 und einem D. Ä. von 100 und 0,688 g einer handelsüblichen Glucoseoxydasezubereitung mit dem Handelsnamen »Ovazyme« (geliefert von Fermco Laboratories), wurden in ein Reaktionsgefäß gegeben.

50 Volumenteile Wasserstoffperoxyd wurden mit einer Fließgeschwindigkeit von 45 cm³ pro Stunde in das Gefäß gegeben. Nach etwa 18 Stunden in dem Reaktionsgefäß war das D. Ä. des Sirups auf etwa 65,9 gefallen. Während dieser Zeit war das pH des Reaktionsmediums zwischen etwa 4,0 und 6,0 durch Zusatz von 1 N Natriumhydroxyd gehalten worden.

Die Konvertierungsflüssigkeit mit einem D. Ä. von 65,9 wurde dann einer Elektrodialyse unterworfen. Diese Stufe bestand aus neun Durchgängen durch eine Fünfzellen-Elektrodialyseeinheit, welche mit 50 Volt und 1,76 kg/cm² betrieben wurde.

Die Elektrodialyseapperatur enthielt 7 für Anionen durchlässige und 5 für Kationen durchlässige Membramen. Der Strom der Flüssigkeit wurde zu dem Gerät mit einer Fließgeschwindigkeit von etwa 400 cm*/Minute, einem Druck von etwa 1,75 kg/cm* und einer Temperatur von etwa 25 bis 30° C geschickt. Der Abwasserstrom zu dem Gerät umfaßte 0,05% wäßriges Natriumgluconat und wurde zu dem Gerät mit einer Fließgeschwindigkeit von etwa 600 cm³/ Minute, einem Druck von etwa 1,75 kg/cm² und einer Temperatur von etwa 25 bis 30° C geschickt. Während der Elektrodialyse gehen Gluconationen aus dem Strom der Flüssigkeit durch die für Anionen durchlässige Membran in den Abwasserstrom. Aktive Enzymzubereitung in dem Strom der Flüssigkeit ging nicht durch irgendeine der Membranen und verblieb somit in dem abfließenden Flüssigkeitsstrom zusammen mit Glucose. Dieser abfließende Strom wurde zu dem Reaktionsgefäß für weitere enzymatische Umwandlung zurückgeführt. Der Abwasserstrom enthielt als Produkt Gluconsäure in Form von Natriumgluconat. Die enzymatische Umwandlungsstufe und die FJektrodialysestufe wurden abwechselnd während 'j Cyclen wiederholt, wobei zusätzliche Glucose zu dem Reaktionsgefäß zu Beginn jeder enzvmatischen Umwandlungsstufe zugegeben wurde.

Keine zusätzliche Enzymzubereitung wurde während der 6 Cyclen zugeführt. Die Ergebnisse dieses Beispiels folgen in der Tabelle

Die Tabelle zeigt an, daß das erfindungsgemäße Verfahren eine praktische Arbeitsweise für das Abtrennen von Gluconsäure aus der Umwandlungsflüssigkeit und Wiedergewinnung von Glucoseoxydase zwecks ihrer Wiederbenutzung schafft. Die Elektrodialysestufe inaktivierte nicht die Glucoseoxjdase.

Tabelle

Zeit in Stunden	zugesetzte Glucose (g)	D. Ä.	Zahl der Elektro- dialyse- durchgänge	Entferntes Natrium gluconat (g)
0	688	100	_	_
18	—	65,9	—	—
20	—	76,6	9	102
20	1250	92,0	—	—
43	—	62,2	—	—
44	—	85,3	7	524
50	850	91	—	—
67	—	69,0	—	—
68	—	78,0	4	262
70	350	81,5	—	—
90	—	70,0	—	—
91	—	78,3	6	293
118	—	65,1	—	—
120	—	84,3	10	447
120	1250	91,0	—	—
154	—	61,0	—	—
157		91,2	15	830

Bei der vorliegenden Erfindung wurde überraschenderweise festgestellt, daß die Reaktionsgeschwindigkeit, mit welcher die enzymatische Umwandlung voranschreitet, in beträchtlicher Weise verringert wird bei dem Punkt, wo etwa 50% der anfänglich vorhandenen Glucose in dem Reaktionsmedium umgewandelt worden sind. Daher wird bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Elektrolysestufe mit der Reaktionsflüssigkeit durchgeführt, wenn etwa 50% der Glucose umgewandelt sind.

Geeignete Enzymzubereitungen zur Ausführung enzymatischer Umwandlungen sind in der Technik bekannt. Eine solche Enzymzubereitung ist geeignet zur Verwendung gemäß der Erfindung, vorausgesetzt, sie wird nicht durch den in der Elektrodialysestufe eingesetzten elektrischen Strom inaktiviert.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird die pH-Kontrolle während c'er enzymatischem Umwandlung durch Elektrodialyse bewirkt. Bei einer solchen Ausführungsform wird Gluconsäure (und nicht Natriumgluconat) gebildet und unverzüglich durch die Membran übertragen.

Claims

20 03 IXi Patentansprüche:

1. Kontinuierliches Verfahren zur Gewinnung von Gluconsäure duich enzymatische Umwandlung eines glycodehaltigen Materials mittels GIucoseoxydase in flüssigem Medium, dadurch gekennzeichnet, daß man die erhaltene Reaktionslösung zur Abtrennung von Gluconsäure und Glucoseoxydase einer Elektrodialyse unterwirft.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Elektrodialyse durchführt, nachdem 50% der Glucose umgewandelt worden sind.