DE2707876A1 - Verfahren zur isomerisierung von dextrose zu fructose und das dabei erhaltene produkt - Google Patents

Description

50 758-Dr. T.

Anmelder: A.E. Staley Manufacturing Company 2200 Eldorado Street
Decatur
62525 Illinois

USA

Verfahren zur Isomerisierung von Dextrose zu Fructose und das dabei erhaltene Produkt

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Fructose, sie betrifft insbesondere ein Verfahren zur Isomerisierung von Dextrose zu Fructose und das dabei erhaltene Produkt.

Fructose, die durch enzymatische Isomerisierung von Dextrose zu Fructose hergestellt worden ist, wird in großem Umfange in der Nahrungsmittelindustrie als Saccharose-Ersatz verwendet. Ein beträchtlicher Teil der Fructoseherstellungskosten entsteht dadurch, daß es erforderlich ist, häufig die verbrauchten oder desaktivierten Glucoseisomerasen zu ersetzen. Eine erhöhte Fructoseproduktivität durch Glucoseisomerase ist daher ein erwünschtes Ziel. Umfangreiche Forschungsanstrengungen sind gemacht worden, um eine maximale Fructoseproduktivität bei der geringstmöglichen Menge an Glucoseisomerase zu erzielen. Vielen Forschern auf diesem Gebiet schien die Lösung des

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Problems einfach eine Sache der Auffindung einer stabilen Glucoseisomerase zu sein. Im Rahmen dieser Bemühungen wurden eine Vielzahl von verschiedenen Glucoseisomerasepräparaten untersucht, mutiert und hergestellt. Bei der Untersuchung der Wirksamkeit und Desaktivierbarkeit dieser Glucoseisomerasen wurde die Vorstellung gewonnen, daß von verschiedenen Mikroben-Quellen stammende Isomerase! verschiedene enzymatisch^ Eigenschaften aufweisen. Die optimalen Isoraerisierungsbedingungen, wie z. B. der pH-Wert und die Temperatur, die Isomerase aktivator en (ζ. B. Metallionenaktivatoren, wie Co⁺⁺, Mangan und dergleichen) und andere Verfahrensvariable, hängen von dem jeweiligen Glucoseisomerasetyp ab. Im allgemeinen treten größere Unterschiede bei den Isomerisierungsbedingungen zwischen Isomerasen auf, die von einem anderen Genus stammen.

Immobilisierte Isomerasen sind stabiler als Isomerasen in einer wasserlöslichen oder ungebundenen Form. Im allgemeinen sind immobilisierte Glucoseisomerasen für großtechnische Verfahren besser geeignet, da sie in diskontinuierlichen oder kontinuierlichen Verfahren kontinuierlich verwendet werden können, bis sie erschöpft sind. Nach der Erschöpfung werden diese Isomerasen durch frische immobilisierte Isomerase ersetzt. Die meisten Isomerisierungsi'eaktiorien werden bei Temperaturen und pH-Werten durchgeführt, welche die Geschwindigkeit bzw. Rate, mit der die Isomerase Dextrose in Fructose umwandelt, optimieren. Ähnlich wie bei anderen Enzymen sind Isomerasen in der Regel höchst stabil gegenüber Inaktivierung (einschließlich Wärmeinaktivierung) und sie weisen eine höhere enzymatische Aktivität auf, wenn sie bei ihrem optimalen Isomerisierungs-pH-Wert verwendet v/erden. Die derzeit bei der großtechnischen Herstellung von Fructose enthaltenden Sirupen verwendeten Glucoseisomerasen sind dadurch charakterisiert,

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daß sie eine verbesserte Stabilität und Aktivität aufweisen, wenn das Isomerisierungsverfahren in Gegenwart von Co -Ionen durchgeführt wird. Zu diesem Zweck werden den Beschickungssirupen (Ausgangssirupen) gelegentlich Cobalt(II)salze zugesetzt. Es wäre nun erwünscht, eine höhere Produktivität zu erzielen, ohne daß es erforderlich ist, Cobalt(II)ionen zu verwenden. Es wurde bereits vorgeschlagen, das Glucoseisomerisierungsverfahren dadurch zu modifizieren, daß man die Isomerisierungsreaktionstemperatur erhöht, wenn die Isomeraseaktivität abnimmt. Durch eine Erhöhung der Reaktortemperatur werden die Geschwindigkeit der Fructosebildung sowie die Geschwindigkeit, mit der die Isomerase desaktiviert wird, erhöht. Der Gesamteffekt besteht darin, daß die durch die Isomerase gebildete Gesamtausbeute an Fructose herabgesetzt wird.

Es wurde bereits beschrieben, daß Isomerasen gebildet werden von Organismen, die zu dem Genus Bacillus gehören, wie z. B. Bacillus stearothermophilus ATCC 31265, NRRL B-3680, NRRL B-3681 und NRRL B-3682; Bacillus sp. NRRL B-5350 und NRRL B-535I; Bacillus megaterium ATCC 15450; Bacillus fructosus ATCC 154-51, 35c (vergleiche z. B. die US-Patentschriften 3 826 714 und 3 306 752, die deutsche Offenlegungsschrift 2 164 342 und "Agri. Biol. Chem.", Bd 31, Nr. 3, S. 284-292, 1967). Es wurde bereits vorgeschlagen, durch Wärme oder durch chemische Behandlung von lebensfähigen Zellen, die intrazellulär Isomerase enthalten, durch Einkapselung, durch Komplexbildung mit natürlichen und synthetischen Polymerisaten, durch Immobilisierung innerhalb einer Bindemittelmatrix und auf vielfache andere Weise Isomerasen zu immobilisieren. Beispielhafte Verfahren zum Immobilisieren von Isomerasen unter Verbesserung der enzymatischen Stabilität sind in "J. Appl. Chem. Biotechnol.", 1974, 24, 663-676, und in "Agri. Biol. Chem.¹¹, Bd 30, Nr. 10, S. 1015-1023, 1966, be-

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schrieben (vgl. ζ. B. die bekanntgemachte niederländische Patentanmeldung 73 12525, die britische Patentschrift 1 274 158, die US-Patentschriften 3 821 082, 3 779 869, 3 694 314 und 3 788 945.und die britische Patentschrift 1 356 283).

In einem kürzlich in "Die Stärke", 2£, Jahrgang 1975/Kr. 7, S. 236-241, unter dem Titel "Sweetzyme - A New Immobilised Glucose Isomerase" erschienenen Artikel sind immobilisierte Isomerasen, die von Bacillus coagulans stammen, beschrieben. In diesem Artikel wird die Glucoseisomeraseproduktivität definiert als der kombinierte Effekt von Aktivität und Stabilität. Bei mehr neutralen pH-Werten wird Cobalt als wesentlich für die Pructoseproduktivität angesehen. Um eine optimale Fructosesirupproduktivität in Abwesenheit von Cobaltionen zu erzielen, ist es nach Ansicht der Autoren erforderlich, die kontinuierliche Isomerisierungsreaktion bei einem verhältnismäßig hochalkalischen pH-Wert durchzuführen. Bei einer kontinuierlichen Arbeitsweise (z. B. bei einer Kolonnenisomerisierung), die eine kurze Kontektzeit und Reaktionszeit zwischen Isomerase und Sirup umfaßt, wird nach den darin gemachten Angaben eine optimale Produktivität in Abwesenheit von Co⁺⁺ bei einem pH-Wert oberhalb 8,0 (z.. B. bei 8,1 bis 8,5), bei einem Feststoffgehalt von 40 bis 45 % und bei 65⁰C erzielt.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Gebrauchsdauer (Lebensdauer) und die Pructoseproduktivität von immobilisierten Glucoseisomerasen, die aus einem Bacillus stammen, zu verlängern. Ziel der Erfindung ist es ferner, die Wirksarakeit des Verfahrens der Isomerisierung von Glucose zu Fructose in Kolonnenreektoren zu verbessern. Ziel der Erfindung ist es außerdem, einen Dextrosesirup kontinuierlich zu isomerisieren zu einem Fructosesirup unter Verfahrensbedingungen, bei denen

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die Bildung von unerwünschten Nebenprodukten verringert wird.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Isomerisierung von Dextrose zu Fructose innerhalb eines immobilisierten Glucoseisomerasebettes, bei dem eine Isomerase verwendet wird, die aus dem Genus Bacillus stammt und eine verbesserte Geschwindigkeit bzw. Rate der Isomerisierung von Dextrose zu Fructose aufweist, wenn die Glucoseisomerisierungsreaktion durchgeführt wird (a) in Gegenwart von Co⁺⁺-Ionen und (b) bei einer Temperatur oberhalb 60⁰C, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man

(A) einen raffinierten (gereinigten) Dextrosebeschickungssirup herstellt, der praktisch frei von Co⁺⁺-Ionen ist und mindestens 90 % Monosaccharid, bezogen auf das Gesamtgewicht der Trockenfeststoffe, enthält;

(B) den Dextrosebeschickungssirup zu einem Fructosesirup isomerisiert, indem man den Sirup bei einer Isomerisierungstemperatur innerhalb des Bereichs von 55 bis 61⁰C und bei einem Isomerisierungs-pH-Wert von 7»0 bis 7»5 durch ein Bett aus immobilisierter Glucoseisomerase leitet;

(C) den isomerisierten Sirup abtrennt, während man das Bett wieder mit einer ergänzenden Menge Beschickungssirup füllt; und

(D) die Isomerisierung des Beschickungssirups in dem Bett fortsetzt, wobei man die Isomerisierungstemperatur von bis 61⁰C und den Isomerisierungs-pH-Wert von 7,0 bis 7,5 im wesentlichen so lange beibehält, bis die Isomeraseaktivität des Bettes weniger als 20 % ihres optimalen

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Aktivitätswertes beträgt.

Gegenstand der Erfindung ist ferner der Fructosesirup, der bei einem solchen Verfahren erhalten wird, sowie die Fructose, die aus einem solchen Sirup isoliert worden ist.

In dem erfindungsgeraäßen Verfahren wird ein raffinierter Dextrosesirup mit einem hohen Gehalt an Monosaccharidfeststoffen verwendet, der im wesentlichen frei von Co⁺⁺-Ionen ist. Die Erfindung kann bei einem Verfahren angewendet werden", bei dem ein Reaktor das gewünschte Fructosesirupprodukt in einem einzigen Durchgang bildet oder bei dem der Sirup mit einer höheren Fließgeschv/indigkeit so lange im Kreislauf durch den Reaktor geführt wird, bis die gewünschte wechselseitige Umwandlung erzielt ist, oder bei dem eine Vielzahl von Reaktoren in Reihe (hintereinandergeschaltet) miteinander verbunden sind, wobei der Fructosegehalt stufenförmig erhöht wird, wenn der Sirup durch jeden der hintereinander angeordneten Reaktoren fließt.

Die Produktivität des Isomerisierungsverfahrens wird im allgemeinen erhöht durch Vervrendung von Beschickungssirupen mit einem hohen Monosaccharidgehalt. Umwandlungssirupe mit einem hohen Dextrosegehalt, die mehr als 90 % Dextrose (bezogen auf das Gewicht der Trockenfeststoffe - d. s. b.) oder 95 % Dextrose oder mehr (insbesondere etwa 97 bis etwa 99 %) enthalten, sind als Beschickungssirupe besonders gut geeignet (vgl. z. B. die US-Patentschrift 3 783 100 und 3 897 305).

Die Qualität des isomerisierten Sirups und die Produktivität des Glucoseisomerasebettes werden durch anorganische und organische Nicht-Saccharid-Sirupverunreinigungen in nachteiliger Weise beeinflußt. Bestimmte Metallionen, wie z. B.

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Aluminium, Kupfer, Zinn, Zink, Quecksilber, Calcium und dergleichen, und Anionen, welche die Isomerase inaktivieren und/oder damit reagieren unter Bildung von unlöslichen Stoffen, können in Spurenmengen die Bettproduktivität herabsetzen. Diese Verunreinigungen können durch konventionelle Kationen- und Anionenaustauscherharzbehandlung aus dem Dextrosebeschickungssirup entfernt werden. Eine unvollständige Ionenaustauschbehandlung kann auch zur Entwicklung von unlöslichen Flocken oder Niederschlagen in dem Isomerisierungssystera führen, wodurch der Druck in dem Isomerisierungskolonnenreaktor abfällt, so daß die Bettproduktivität abnimmt. Diese ionischen Verunreinigungen können zweckmäßig durch eine einfache oder doppelte Kationen- und Anionenaustauschbehandlung (z. B. mit einem starken Kationen-Austauscherharz schwachen Anionen-Aust auscherhar ζ - starken Kationen-Austauscherharz - schwachen Anionen-Austauscherharζ) aus dem Beschickungssirup mit hohem Dextrosegehalt entfernt werden.

Organische Substanzen, die in der Regel in Umwandlungssirupen mit hohem Dextrosegehalt enthalten sind, wie z. B. proteinhalt ige Materialien, färbende Verunreinigungen (z. B. HMP) und geschmackgebende Verunreinigungen und dergleichen, haben einen nachteiligen Einfluß auf die Bettproduktivität und die Qualität des Fructosesirups. Durch eine konventionelle Ionenaustauschbehandlung können nicht alle diese unerwünschten organischen Substanzen aus dem Beschickungssirup entfernt werden. Diese organischen Substanzen können zweckmäßig auf konventionelle Weise, beispielsweise durch eine Behandlung mit körniger Kohle, durch eine Behandlung mit Aktivkohle (z. B. mit etwa 0,5 bis etv/a 2,0 Gewichtsteilen Aktivkohle pro 100 Gewichtsteilen der trockenen Sirupfeststoffe) aus dem Sirup entfernt werden. Unlösliche organische und anorganische Substanzen werden ebenfalls zweckmäßig auf konventionelle Weise

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vor der Isomerisierungsreaktion aus dem Beschickungssirup entfernt. Die Raffinierung des Sirups durch die aufeinanderfolgenden Stufen der Entfernung der unlöslichen Materialien, durch die Behandlung mit Kohle und die Ionenaustauschbehandlung ist im allgemeinen zufriedenstellend.

Die erfindungsgemäße Isomerisierungsreaktion wird bei Temperaturen, bei pH-Werten und anderen Arbeitsbedingungen durchgeführt, die für das Mikrobenwachstum förderlichsind. Ohne ausreichende Sicherheitsmaßnahmen gegenüber dem Mikrobenwachstum können die Isomerisierungsreaktoren bei längerer Verwendung infestiert werden. Dadurch werden die Isomeraseproduktivität und die Qualität des Sirups in nachteiliger Weise beeinflußt. Durch Einstellung des Trockenfeststoffgehalts des Beschickungssirups auf mehr als 45 Gew.%, vorzugsweise auf mindestens 50 Gew.%, kann das Problem der Mikroben-Infestation leichter kontrolliert werden. Beschickungssirupe, die mehr als 60 % Trockenfeststoffe enthalten, sind im allgemeinen für einen wirksamen Durchgang durch den Isomerisierungsreaktor zu viskos. Ein Beschickungssirup, der auf einen Trokkenfeststoffgehalt innerhalb des Bereichs von etwa 50 bis etwa 55 Gew.% eingestellt ist, ergibt im allgemeinen eine ausreichende Fließgeschwindigkeit durch den Reaktor, während gleichzeitig die Mikroben -Infestation minimal gehalten wird. Eine periodische oder kontinuierliche Behandlung der Beschickungssirupe mit konventionellen Bacteriziden kann als Behandlungshilfsmittel zur Verminderung der Mikroben-Infestation angewendet werden.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Dextrose zu Fructose isomerisiert, indem man einen Dextrosesirup durch ein immobilisiertes Bett leitet, das eine Isomerase enthält, die axis einem Organismus des Genus Bacillus stammt. Zu

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geeigneten immobilisierten Betten für die Durchführung der Isomerisierungsreaktion gehören konventionelle Verfahren und Apparaturen für den Einschluß der immobilisierten Isomerase innerhalb einer Isomerisierungsreaktionszone, die gleichzeitig den Durchgang des Sirups durch das Bett erlaubt. Reaktorsysterae vom Kolonnentyp, die in einem einzigen Durchgang oder unter Zurückführung im Kreislauf betrieben werden, oder eine Vielzahl von Reaktoren, die in Reihe (hintereinander) miteinander verbunden sind, können zur Umwandlung des Sirups in das gewünschte, Fructose enthaltende Sirupprodukt (z. B. in ein solches mit einem Fructose: Dextrose-Gewichtsverhältnis zwischen etwa 2:3 bis etwa 1:1) verwendet werden. Vorzugsweise wird das Isomerisierungsverfahren durch kontinuierliches Hindurchfließenlassen eines Dextrosesirups durch einen Kolonnenreaktor durchgeführt, der immobilisierte Glucoseisomerase enthält, wobei die Menge der Glucoseisomerase und die Fließgeschwind igkeit des Sirups durch die Kolonne ausreichen, um den Gehalt an Fructosesirup auf einen V/ert von etwa 44 bis etwa 47% (bezogen auf das Gewicht an Monosaccharid) zu erhöhen.

Die erfindungsgemäß verwendeten Isomerasen sind dadurch charakterisiert, daß sie eine optimale Isomeraseaktivität inneihalb des pH-Bereichs von 8,0 bis 8,5, bestimmt unter Standard-Prüfbedingungen mit einem Prüfsubstrat aus 60 g Wasser, 40 g wasserfreier Dextrose, 0,02 M Magnesiumsulfat, 0,0035 M Cobaltchlorid bei 65°C innerhalb eines Zeitraums von 1 Stunde, aufweisen. Unter diesen Prüfbedingungen liefert die Isomerase mehr Fructose bei einem pH-Wert zwischen 8,0 und 8,5 als außerhalb dieses Bereichs. Wenn die oben angegebene

Standardprüffcemperatur herabgesetzt wird (z. B. auf 6O⁰C oder weniger), liefern diese Isomerasen (unter diesen Prüf bedingungen) weniger Fructose als bei 65⁰C oder höher.

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Ein anderes charakteristisches Merkmal der Isomerase besteht darin, daß dann, wenn Cobaltchlorid aus dem Standard-Prüf substrat ausgeschlossen wird und wenn der Versuch 1 Stunde lang bei pH 7t5 und 60⁰C durchgeführt wird, die Fructo'seproduktion geringer ist als dann, wenn 0,0033» M Cobaltchlorid als Versuchskomponente enthalten sind.

Obgleich das Isomerisierungsverfahren allgemein angewendet wird auf immobilisierte Isomerasen, die von dem Genus Bacillus stammen, eignet sich die Erfindung besonders gut für die Verwendung von Isomerasen, die aus der Familie Bacillus coagulans (z. B. NRRL B-5350 und NRRL B-5351) stammen und gemäß der bekanntgemachten niederländischen Patentanmeldung 73 12525 immobilisiert worden sind. Diese Isomerasen sind stabiler gegenüber Inaktivierung, wenn sie in einem Isomerisierungsverfahren mit einer stabilisierenden Menge von Co⁺⁺- Ionen (z. B. von 0,0015 bis 0,004 M) verwendet werden, ein pH-Wert-Optimum von etwa 8,5 und eine optimale Isomerisierungstemperatur von gut oberhalb 60⁰C aufweisen.

Bei der praktischen Durchführung der Erfindung können Reaktoren vom Kolonnentyp zweckmäßig rait Isomerase gefüllt werden, die in der Regel eine Aktivität (nach den oben erwähnten Standard-Prüf bedingungen) von mehr als etwa 400 IGIU/g Enzym aufweist. Das Bett enthält zweckmäßig mehr als etwa 3 x 10 IGIU, vorzugsweise mehr als etwa 6 χ 10 IGIU, pro 0,028 nr Bettvolumen. Wenn es erwünscht ist, in einem einzigen Durchgang etwa 45 % Fructose (bezogen auf Monosaccharid) herzustellen, ist im allgemeinen eine Kolonnenfüllung geeignet, die eine anfängliche Sirupfließgeschwindigkeit/durch ein frisches Bett von etwa 0,19 bis etwa 0,76 1 (0,05 his 0,2 Gallons), in der Regel von etwa 0,38 1 (0,1 Gallon)/Minute pro 0,028 m* (1 ft. ) Bettvolumen erlaubt. Die Fließgeachwin-

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digkeit wird proportional herabgesetzt, um die Desaktivierung des Bettes mit fortschreitendem Isomerisierungsverfahren zu kompensieren.

Die enzymatische Isomerisierung wird bei einem pH-Wert von 7,0 bis weniger als etwa 7»5 durchgeführt. Wenn der pH-Wert auf unter 7»O fällt, unterliegt die Isomerase (ohne die Anwesenheit einer stabilisierenden Menge Co⁺⁺) einer permanenten Desaktivierung. Bei einem pH-Wert oberhalb 7»5 nimmt die Gesamtfructoseproduktivität des Bettes in entsprechender Weise ab wegen der Isomerasedesaktivierung. Ein vorteilhafter Nebeneffekt der Durchführung des Isomerisierungsverfahrens innerhalb dieses mehr neutralen pH-Wertbereichs besteht darin, daß dadurch die Bildung von unerwünschten Geschmack- und Farbkörpern verhindert wird. Im Vergleich zu einem Verfahren, das bei einem pH-Wert von 8,5 und bei 65°C durchgeführt wird, wird die Fructoseproduktivität des Bettes nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auf etwa das 5- bis etwa das 10-fache erhöht. Durch diese erhöhte Fructoseproduktivität werden zur Erzielung einer gegebenen Menge Fructose die Anforderungen an die Gesamtmenge an Isomerase wesentlich herabgesetzt und der Reaktor kann über einen längeren Zeitraum hinweg ohne Unterbrechung des Betriebs für die erneute Füllung betrieben werden. Ähnlich wie bei anderen Enzymen sind Isomerasen in der Regel gegen Desaktivierung empfindlicher, wenn sie bei einem pH-Wert verwendet werden, der beträchtlich unterhalb ihres optimalen pH-Wertes liegt. Entgegen den Erwartungen wird die Gesamtbett-Fructoseproduktivität jedoch beträchtlich erhöht, wenn man die Isomerisierungsreaktion ohne eine stabilisierende Menge Cobalt (z. B. mehr als 0,001 M) bei einem pH-Wert durchführt, der weit außerhalb des optimalen IsomerisierungspH-Bereichs liegt.

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Während des Isomerisierungsverfahrens wandert der an Dextrose reiche Sirup in die immobilisierten Isomeraseteilchen. Innerhalb der Teilchen wird die Dextrose zu einem an Fructose reichen Sirup isomerisiert. Dieser an Fructose reiche Sirup wandert aus den Teilchen und diese werden wieder mit frischer Dextrose gefüllt. Dadurch liegt ähnlich wie beim Austausch von Flüssigkeiten in lebenden Organismen zwischen der äußeren Sirupphase und der inneren Teilchenphase eine Heterogenität vor. Bestimmte trockene immobilisierte Isomerasepräparate, wie z. B. solche, die nach der bekanntgemachten niederländischen Patentanmeldung 75 12525 hergestellt worden sind, enthalten, wie gefunden wurde, latent saure Substanzen (z. B.. immobilisierte Isomerasen vom mit Glutaraldehyd vernetzten Typ). Diese sauren Substanzen werden offensichtlich zu Beginn innerhalb der Struktur des trockenen immobilisierten Teilchens festgehalten. Bei der Verwendung in einem Isomerisierungsverfahren sind diese Säuren innerhalb der Teilchen eingeschlossen. Die eingeschlossenen Säuren können einen übermäßig niedrigen lokalen pH-Wert erzeugen und eine Inaktivierung der Isomerase bewirken.

Es sollten daher ausreichende Verfahrensvorsichtsmaßnahmen ergriffen werden, um zu verhindern, daß diese Säuren die Isomerase desaktivieren. Dieses' Problem kann zweckmäßig dadurch gelindert bzw. gelöst werden, daß man die Säure enthaltenden getrockneten immobilisierten Teilchen hydratisiert und mit einer nicht-desaktivierenden Phase (wie z.B. Natriumhydroxid, Natriumbicarbonat und Natriumcarbonat) vor Beginn der Isomerisierungsreaktion (z. B. unmittelbar nach dem Einfüllen) neutralisiert, oder indem man dem Beschickungssirup eine mit der Isomerase verträgliche, wasserlösliche Base oder einen solchen Puffer in einer Menge zusetzt, die ausreicht, um die Aufrechterhaltung des pH-Wertes bei etwa 7*0 bis etwa 7,5 zu

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gewährleisten.

Der Isomerisierungs-pH-Wert kann innerhalb des Bereiches von 7,0 bis 7»5 gehalten werden, indem man dem Bcschickungssirup oder dem Reaktor eine nicht-desaktivierende Base (z. B. Natriumhydroxid, Natriumbicarbonat oder Natriumcarbonat) oder konventionelle Puffer, welche die Isomerasen nicht desaktivieren (z. B. Natriumsulfit, Natriumbisulfite oder Natriumcarbonate) zugibt. Nicht-abbauende Reduktionsmittel, wie sie üblicherweise von den Maissirupherstellern zugesetzt werden, um eine Oxydation und die Bildung von Farbkörpern zu verhindern, können dem Beschickungssirup einverleibt werden, wie z. B. Natriumbisulfit.

Obgleich das Verfahren in Abwesenheit von wärmestabilisierenden Mengen von Cobaltionen durchgeführt wird, wird die Isomerisierungsreaktion in Gegenwart eines Cometallionen-Isomeraseaktivators durchgeführt. Die Anforderungen an die Cometallaktivität varrieren häufig bei verschiedenen Isomerasen (ζ. B. solchen, die aus verschiedenen Mikroben stammen). Zweiwertige Metallionen, wie z. B. Magnesium, sind bekannte Metallcoaktivatoren und sie werden häufig bei der Isomerisierung verwendet. Diese Metallionen-Coaktivatoren werden normalerweise in Form eines Salzes (z. B. als Sulfat, Bisulfit, Citrat oder Acetat von Magnesium) in das Isomerisierungsmedium eingearbeitet. Wenn eine vom Bacillus coagulans stammende Isomerase in dem Verfahren verwendet wird, wird durch die Anwesenheit von Magnesiumionen und durch ihre Konzentration die Gesamtfructoseproduktivität beeinflußt. Obgleich die Magnesiumionenmolarität bei einer von einem Bacillus abgeleiteten Isomerasereaktion innerhalb des Bereichs von etwa 0,001 bis etwa 0,01 M liegen kann, wird eine verbesserte Produktivität erzielt, wenn das Isomerisierungsmedium mindestens

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etwa 0,002 M Magnesiumionen enthält. Oberhalb des Wertes von 0,01 M sind die Anforderungen der Isomerase an Magnesiumionen erfüllt und weitere Mengen davon schlagen sich nur in ei*höhten Verfahrenskosten nieder (z. B. erhöhton Kosten für das Magnesiumsalz und zusätzlichen Kosten für Raffinierungssysteme zur Entfernung der Ionen). Ein Magnesiumionengehalt zwischen etwa 0,003 W und etv/a 0,010 M hat sich als besonders wirksam für die Erhöhung der Gesamtisomeraseproduktivität erwiesen.

Das Bett wird in der Regel so lange verwendet, bis die Bettaktivität auf weniger als 20, vorzugsweise weniger als 15 % ihrer normalen Betriebsaktivität abgenommen hat. In der Regel hat frisch immobilisierte Isomerase eine Prüfaktivität (bestimmt unter den oben beschriebenen Standard-Prüfbedingungen) von mindestens 400 Internationalen Glucoseisomeraseeinheiten (IGIU) pro Gramm und wird in der Regel in dem kontinuierlichen Verfahren so lange verwendet, bis sie eine Aktivität von weniger als 80 IGIU/g hat. Die am besten geeigneten Sirupfließgeschwindigkeiten durch die Kolonne oder das Bett hängen ab von dem gewünschten Grad der Fructoseumwandlung, der Bottisomeraseaktivität und den Bettströmungsdruckabfalleigenschaften. Um eine konstante Fructoseausbeute (beispielsweise von etwa 45 % Fructose und 55 % Dextrose) aufrechtzuerhalten, wird die Fließgeschwindigkeit des Beschikkungssirups proportional so reguliert, daß sie mit der Isomerase aktivität des Bettes übereinstimmt. So wird beispielsweise ein Bett, das mit 13*6 kg (30 lbs) Isomerase pro 0,020 w (1 ft. ) beladen ist, bei einer Isomerase^ktivität von 500 Einheiten/g, d. h. von 6.810.000 IGIU/0,028 m⁵ (1 ft⁵) und bei einer gewünschten Ausbeute von etwa 45 % Fructose in der Regel zu Beginn bei einer Fließgeschwindigkeit von etwa 0,38 1 (0,1 Gallon) pro Minute (gpm)/0,028 m⁵ (1 ft⁵) Bett

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betrieben. Wenn jedoch die Isomeraseaktivität auf etwa 50 IGIü/g (d. h. auf 681.000 IGIU/0,028 m⁵ (1 ft⁵)) abgenommen hat, ist eine geringere Sirupfließgeschwindigkeit von 0,038 1 (0,01 Gallon) pro Minute/0,028 m⁵ (1 ft⁵) erforderlich, um eine entsprechende Fructoseausbeute zu erzielen. In der Regel sind die Sirupfließgeschwindigkeiten am Ende größer als 0,019 1 (0,005 Gallon) pro Minute/0,028 m⁵ (1 ft⁵), vorzugsweise größer als etwa 0,038 1 (0,01 Gallon) pro Minute/ 0,028 m⁵ (1 ft⁵). Es ist zweckmäßig, die höchstmöglichen Fließgeschwindigkeiten anzuwenden. Die Gesamtbettaktivität begrenzt jedoch die Geschwindigkeit, mit der der Sirup durch die Kolonne geleitet werden kann, um die gewünschte Fructoseausbeute zu erzielen. Unterhalb des Wertes von 40 IGIU/g sind die Fließgeschwindigkeiten so niedrig, daß das Verfahren unwirtschaftlich wird. Für die meisten Kolonnenoperationen liegt die Sirupfließgeschwindigkeit innerhalb des Bereichs von etwa 0,038 bis etwa 0,76 1 (0,01 bis 0,2 Gallon) pro Minute/0,028 m⁵ (1 ft⁵).

Die immobilisierten Isomerasen haben unter den erfindungsgemäßen Isomerisierungsbedingungen in der Regel eine niedrige Anfangsaktivität (z. B. von weniger als 200 IGIU/g) und sie bilden während der ersten 10 bis 15 Stunden eine verhältnismäßig geringe Menge Fructose. Im Gegensatz dazu hat ein bei pH 8,5 betriebenes Bett in der Regel eine wesentlich höhere Aktivität und ergibt mehr Fructose. Die immobilisierte Isomerase zeigt jedoch unter den erfindungsgemäßen Verfahrensbedingungen eine beträchtliche Aktivitätserhöhung nach etwa 200- bis etwa 400-stündiger Verwendung (auf beispielsweise 235 IGIU/g oder höher), während beim Betrieb bei einem höheren pH-Wert und bei einer höheren Temperatur die Aktivität allmählich abnimmt. Nach etwa 400 Stunden nimmt die Aktivität der immobilisierten Isomerase allmählich ab, bis das Bett

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verbraucht ist (in der Regel nach mehr als 3.500 Stunden, vorzugsweise nach mindestens 4.000 Stunden kontinuierlicher Verwendung), im Gegensatz zu der schnellen Abnahme der Aktivität,die bei immobilisierten Betten festgestellt wurde, die bei pH-Werten oberhalb oder unterhalb dieses Wertes betrieben wurden. Der Gesamteffekt der erfindungsgemäß angewendeten Verfahrensbedingungen besteht darin, daß über einen längeren Zeitraum hinweg ein viel höherer Wert der Fructoseproduktivität aufrechterhalten wird.

Der Grad der permanenten Isomerasedesaktivierung, die eine Folge der Tatsache ist, daß der Betrieb der Kolonne außerhalb des vorgeschriebenen pH-Wertbereichs von 7»0 bis 7»5 durchgeführt wird, steht in direkter Beziehung zu dem Grad der pH-Wertabweichung von diesem Bereich und von der Einwirkungsdauer. Auf einer äquivalenten Zeitbasis führt der Betrieb der Kolonne bei einem pH-Wert oberhalb 8,5 oder unterhalb 6,0 zu einer stärkeren permanenten Desaktivierung und zu einer geringeren Produktivität als beim Betrieb, der innerhalb der pH-Wertbereiche von 7i8 bis 8,0 oder 6,5 bis 7»0 durchgeführt wird. Der Betrieb bei einem pH-Wert von etwa 6,0 oder 8,5 für einen kurzen Zeitraum (z. B. 24 Stunden) führt im allgemeinen zu einem geringeren Grad der Inaktivierung als ein längerer Betrieb (z. B. 300 Stunden) bei einem pH-Wert von etwa 6,5 oder 8,0.

Wegen der innerhalb der immobilisierten Isomerase eingeschlossenen oder festgebundenen sauren Substanzen (wie z. B. bei der mit Glutaraldehyd vernetzten immobilisierten Isomerase) ißt es schwierig, sofort den gewünschten pH-Wert von 7i.O bis 7,5 in dem Abstrom zu erzielen. Durch eine Hydratisierung und Neutralisierung des Isomerasebettes (vor Beginn des Isomerisierungsverfahrens, wie oben erwähnt) wird die Geschwindig-

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keit, mit der das Bett auf einem pH-Wert von 7,0 bis 7,5 stabilisiert wird (z. B. in der Regel innerhalb eines Tages) erhöht. Im Gegensatz dazu brauchen unbehandelte Betten in der Regel mindestens die doppelte Zeit, um den Abstrom auf einem pH-Wert von 7,0 bis 7*5 zu stabilisieren. Alternativ können als Behandlungshilfsraittel Puffer verwendet werden, um den pH-Wert innerhalb des vorgeschriebenen pH-Wertbereichs von 7,0 bis 7»5 zu halten. Wenn weder Puffer noch eine vorbehandelte Isomerase verwendet werden und das Isomerasebett einen verhältnismäßig hohen Gehalt an eingeschlossener Säure enthält, kann der pH-Wert des Abstromes vorübergehend auf einen etwas höheren Wert (z. B. 7,5 bis 8,0 und bei höheren Fließgeschwindigkeiten) eingestellt v/erden, um die sauren Bettsubstanzen zu kompensieren und den gewünschten pH-Wert von 7,0 bis 7,5 in dem Abstrom zu erzielen.

Es ist wichtig, während der ersten 2.000 Stunden des Kolonnenbetriebs das Isomerasebett, wie durch den pH-Wert des Abstromes angezeigt, bei einem pH-Wert von mindestens 7,0 bis zu einem pH-Wert von 7,5 zu halten. Eine erhöhte Isomeraseproduktivität wird erzielt, wenn man die Kolonne mindestens 90 % der Betriebszeit innerhalb dieses Bereiches betreibt, vorzugsweise wenn man sie mehr als 95 % der Betriebszeit bei einem pH-Wert von 7,0 bis 7,5 betreibt. Als allgemeine Regel gilt, daß das Isomerasebett unter den hier angewendeten Verfahrensbedingungen nach 2.000-stündigem kontinuierlichem Betrieb in der Regel mehr als 40 % (häufig 50 % oder mehr) seiner ursprünglichen 24-Stunden-Aktivität beibehält. Während des zuerst genannten Gebrauchsdauerzyklus des Isomerasebettes (z. B. nach 3.000 Stunden) wird durch die Aufrechterhaltung des pH-Wertes innerhalb von 7,0 bis 7,5 die Produktivität in einem geringeren Grade erhöht.Sein Einfluß auf die Produktivität ist geringer wegen des wesentlich geringeren Wertes der

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Bettaktivität.

Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird der pH-Wert über mindestens 90 % der Betriebslebensdauer innerhalb des Bereichs von 7,0 bis 7,5 gehalten, wobei er nicht mehr als 5 % der gesamten Betriebszeit oberhalb 8,0 oder unterhalb 6,5 liegt. Eine beträchtliche und permanente Isomeraseinaktivierung tritt auf, wenn das Verfahren 100 Stunden lang oder langer bei einem pH-Wert oberhalb 8,0 oder unterhalb 6,5 durchgeführt wird. Wenn der pH-Wert von dem Bereich 7,0 bis 7,5 abweicht, ist die Isomeraseaktivität zum Teil wieder herstellbar durch erneute Einstellung des pH-Wertes auf den Bereich von 7,0 bis 7,5· Dadurch werden jedoch der permanente Isomeraseabbau und der Produktivitätsverlust, die durch den Betrieb unterhalb des pH-Wertbereichs von 7,0 bis 7,5 erzeugt worden sind, nicht korrigiert.

Die Temperatur hat einen ähnlichen Einfluß auf die Fructoseproduktivität. Durch erhöhte Temperaturen wird vorübergehend die Bettaktivität erhöht, die Gesamtproduktivität nimmt jedoch ab. Die Gleichung: In Y = 14,484 - (0,10247) (X), worin Y die Fructoseproduktivität und X die Isomerisierungstemperatur (in ⁰C) bedeuten, stellt eine gute Näherung für den Einfluß der Temperatur auf die Produktivität in dem erfindungsgemäßen Verfahren dar. Eine kurzzeitige intermittierende Einwirkung von erhöhter Temperatur ist zulässig, sie wird jedoch zweckmäßig vermieden. Im Vergleich zu einem 65°C-Verfahren entsteht bei 60⁰C oder einer tieferen Betriebstemperatur zu Beginn weniger Fructose. Eine äquivalente Fructoseproduktion (d. h. eine Gesamtfructoseausbeute) bei der Isomerisierungstemperatur von 60⁰C wird in der Regel erst nach 1.400-stündigem kontinuierlichem Betrieb erzielt, wobei zu diesem Zeitpunkt die 60°C-Fructoseproduktivität sich der 65°C-Produkti-

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vität nähert oder diese beginnt zu übertreffen. Das Isomerasebett bleibt bei 6O⁰C über einen längeren Zeitraum betriebsfähig als bei 65⁰C (z. B. 4.050 Stunden gegenüber 1.680 Stunden). Eine verbesserte Produktivität wird dadurch erzielt, daß man den Kolonnenreaktor während mindestens 90 % seiner Betriebsdauer unterhalb 61°C, vorzugsv/eise mindestens 95 % der Betriebsdauer bei etwa 60⁰C oder darunter hält. Gewünschtenfalls kann die Temperatur des Kolonnenreaktors auch auf 65⁰C oder höher erhöht werden, wenn das Bett sich dem Zustand der Erschöpfung nähert. Betriebstemperaturen unterhalb 55°C beeinflussen die Produktivität des Isomerasebettes nicht in nachteiliger Weise, die Reaktionsgeschv/indigkeit ist jedoch wesentlich geringer. Wenn die Betriebstemperatur unter 55°C fällt, werden die erfindungsgemäß verwendeten Sirupe mit hohem Feststoffgehalt viskoser und weniger beweglich. Auch ist es schwierig, die mikrobielle iifestatimdes Bettes bei verringerten Betriebstemperaturen zu verhindern. Vom Standpunkt der gesamten Verfahrensführung aus betrachtet, ist es vorteilhaft, die Isomerisierungsreaktion innerhalb des Bereichs von 57 bis 61⁰C durchzuführen.

Bei der kontinuierlichen Herstellung von Umwandlungssirupen mit hohem Fructosegehalt sind die konventionellen diskontinuierlichen Prüf tests und die konventionellen Verfahren, die angewendet werden, um die optimalen Betriebsbedingungen zu bestimmen, irreführend und häufig nicht anwendbar auf die Gesamtbedingungen, die zur Erzielung einer maximalen Produktivität erforderlich sind. Diese konventionellen Prüftests (z. B. die IGIU-Prüftests) eignen sich zur Bestimmung der anfänglichen Isomeraseaktivität und ihrer Eignung für die Verwendung in einem kontinuierlichen Siruparbeitsgang mit hohem Fructosegehalt. Danach ist die bedeutungsvollste Richtlinie die Gesamtmenge an durch eine gegebene Menge Enzym

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tatsächlich gebildeter Fructose. In einem kontinuierlichen ßirupverfahren mit hohem Fructosegehalt kann die Menge der durch das Isomerasebett zu irgendeinem beliebigen Zeitpunkt während seines Betriebs gebildeten Fructose (sowie die Gesamtmenge an Fructose, die gebildet worden ist) leicht bestimmt werden durch überwachung (Kontrolle) des Abstromes. Durch periodische Überwachung des Abstromes ist es möglich, festzustellen, wann die Isomerase ihren maximalen Produktionswert erreicht hat. Danach kann der Wirkungsgrad des Bettes während einer beliebigen Stufe des Verfahrens bestimmt werden durch Vergleich des gemessenen Wertes der Fructoseproduktioh mit seinem Maximalwert der Fructoseproduktion. In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Bett zweckmäßig so lange verwendet, bis die Menge der von dem Bett gebildeten Fructose bis auf einen Wert von weniger als 15 % der maximalen Fructosebildung (d. h. der höchsten gemessenen Fructoseproduktion oder des höchsten Aktivitätswertes) abgenommen hat. Das Reaktorbett wird vorzugsweise mit frischer Isomerase wieder gefüllt oder ersetzt, wenn die Bettaktivität auf einen Wert von innerhalb etwa 10 bis etwa 15 % ihres maximalen Produktionswertes abgenommen hat.

Im allgemeinen können durch die erfindungsgemäßen Isomerisierungsbedingungen die Gebrauchsdauer und die Produktionsdauer einer immobilisierten Isomerase um mindestens 2.000 Stunden verlängert werden. Durch Halten des pH-Wertes innerhalb des Bereichs von 7»0 bis 7,5 und durch Halten der Temperatur unterhalb 61⁰C erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren in der Regel dem Fructosesiruphersteller den kontinuierlichen Betrieb des Kolonnenreaktors und die Erzielung einer ausreichenden Fructoseumwandlung innerhalb eines Zeitraums von mehr als 3.000 Stunden, vorzugsweise mehr als 4.000 Stunden. Die geschätzte Gebrauchsdauer in einem Verfahren, das bei pH 8,5

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und 65⁰C durchgeführt wird, beträgt weniger als 1.000 Stunden. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhält man einen Fructosesirup mit einer höheren Qualität. Der Sirupabbau, der eine Folge des Isomerisierungsverfahrens ist, ist nominell (gering) bei einer minimalen Entwicklung eines Beigeschmackes oder einer Verfärbung. Die erfindungsgemäß verwendeten Sirupe können in eine brauchbare Form gebracht v/erden, ohne daß es erforderlich ist, eine intensive Kohlenstoff- und Ionenaustauschbehandlung durchzuführen.

Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.

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Beispiel 1

Dieses Beispiel erläutert die verbesserte Dextroseherstellung unter Verwendung einer immobilisierten Glucoseisomerase, nachfolgend als "Novo SP-113E" bezeichnet, vertrieben von der Firma Novo Enzyme Corporation, USxY, in einem Reaktor vom Kolonnen-Typ mit einem Durchgang unter erfindungseemäßen Isomerisierungsbedingungen. Das Enzym wurde gewonnen aus Bacillus coagulans und es wurde durch vernetzenden Glutaraldehyd immobilisiert entsprechend der bekanntgemachten niederländischen Patentanmeldung 73 12 524.

Die trockene immobilisierte Isomerase wurde hydratisiert und neutralisiert bei pH 7»5 und 5O°C für einen Zeitraum von 1 Stunde durch Aufschlämmen von 20 g trockener Isomerase in 150 ml raffiniertem (gereinigtem) 95 bis 96 %igem Dextrosesirup (mit 50 % Trockenfeststoffen), der 0,005 M MgSO₄.7H₂O enthielt, eingestellt auf pH 7,5 (Natriumhydroxid), Die mit Natriumhydroxid behandelte und stark gequollene Isomeraseaufschlämmung wurde dann in einen mit einem Wassermantel versehenen Kolonnenreaktor (Höhe 30 cm, Durchmesser 2,5 cm) überführt.

In diesem Beispiel wurde ein Beschickungssirup (Ausgangssirup) mit einem Trockenfeststoffgehalt von 50 Gew.-%, 97,5 % D.E., 96 % Dextrose, 2,5 % Disaccharid, 0,5 % Trisaccharid und 1,5 % Polysaccharid (D.P. 4 oder höher) verwendet. Der Sirup wurde raffiniert (gereinigt) durch Behandlung bei pH 4,0 bis 4,5 mit 0,5 bis 1,0 % gepulverter Aktivkohle, durch Entfernung der unlöslichen Materialien durch Filtrieren und anschließenden Ionenaustausch mit einem starken Kationenaustauscherharz (Rohm & Haa3, Amberlite 252), einem schwachen Basenanionenaustauscherhärz (Diamond Shamrock Duolite ES-561), einem starken Kationenaustauscherharz (Amberlite 252) und anschließend einem schwachen Basenanionenaustauscherhärz (Duolite ES-561), die in Reihe hintereinander geschaltet waren.

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- 35 -

abb

Der raffinierte Sirup wurde auf pH 7»5 (Natriumhydroxid) eingestellt mit 0,005 M MgSO^.TH₂O (als Metallionenaktivator) und es wurden pro Liter Sirup jeweils 0,8 g Methylparaben, 0,2 g Propylparaben und 1,97 g Natriumbenzoat (als Konservierungsstoffe) zugegeben. Der raffinierte Dextrose-Beschickungssirup wurde bei 60 C kontinuierlich mit einer Pließgeschwindigkeit innerhalb des Bereiches von 0,6 bis 2,4 ml Beschickungssirup pro Minute in den Kolonnenreaktor eingeführt.

Der pH-Wert des Beschickungsstromes oder des Dextrosebeschickungssirupstromes wurde bei etwa 7*5 gehalten und der pH-Wert des Abstromes wurde periodisch überwacht. Während der Anfangsstufen der Isomerisierungsreaktion (innerhalb von etwa 24 Stunden) stieg der pH-Wert des Abstromes allmählich von 6,0 bis auf den gewünschten Bereich von 7»0 bis 7,5. Danach blieb der pH-Wert des Abstromes im wesentlichen innerhalb des Bereiches von 7»0 bis 7»5 mit Ausnahme der gemeesenenpH-Werte von 6,9 nach 336 Stunden und 689 Stunden und von 8,0 nach 2177 Stunden und von 8,5 nach 2201 Stunden. Die beispielhaften gemessenen Fließgeschwindigkeiten, der Prozentsatz der Gesamtmenge an zu Fructose isomerisierter Dextrose, die Bettisomeraseaktivität, die kumulativen Fructosegesamtausbeuten oder die Produktivität und die pH-Werte des Abstroms (nach etwa 24 + 7 Stunden) sind in der folgenden Tabelle I zusammengefaßt.

Zu Vergleichszwecken wurde ein Kolonnenreaktor danach unter praktisch den gleichen Bedingungen betrieben, nämlich unter Verwendung des gleichen Beschickungssirups von 60°C, mit Ausnahme der Verwendung eines Dextrosebeschickungssirups bei pH 8,5. Die Ergebnisse dieses Vergleichstets sind in der weiter unten folgenden Tabelle II angegeben.

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Wie in der vorstehenden Tabelle I angegeben, waren die Isomeraseaktivität und die Fructoseausbeuten bei der pH 7,0 bis 7,5-Isomerisierungsreaktion zu Beginn niedrig, sie stiegen nach etwa 10-tägigem Betrieb jedoch allmählich auf die optimale (gemessene) Isomeraseaktivität von 2491 Einheiten/g an. Die Isomeraseaktivität für die Vergleichs-pH 8,5-Reaktion war zu Beginn beträchtlich höher und erreichte eine optimale gemessene Aktivität nach etwa 1 Tag. Obgleich die Anfangsproduktivität bei dem pH 7,0 bis 7,5-Verfahren niedriger war als bei dem pH 8,5-Verfahren,überstieg seine Produktivität diejenige des pH 8,"5-Verfahrene nach etwa 5-tägigem Betrieb, Nach etwa 22,7-tägigem Betrieb betrug die kumulative Pructoseproduktivitat bei dem pH 7,0 bis 7,5-Verfahren 1069,7 gegenüber 676,2 bei dem pH 8,5-Sirup (Tabelle II).

Wie die Daten der vorstehenden Tabelle I zeigen, nahmen die Isomeraseaktivität und die Fructοseproduktivität ab, wenn der pH-Wert des Abstromes unter 7,0 fiel, sie stiegen jedoch wieder an bei der anschließenden Wiedereinstellung des pH-Wertes auf 7,0 bis 7,5 (vgl. z.B. die Daten nach 305, 336 und 353 Stunden). Die Daten der vorstehenden Tabelle I zeigen auch, daß ein Abstrom-pH-Wert von 8,0 bis 8,5 zu einer wesentlichen Verminderung sowohl der Isomeraseaktivität als auch der Fructoseausbeuten führt, wobei höhere Fructoseproduktionswerte erhalten werden bei der Wiedereinstellung des pH-Wertes auf den Bereich von 7,0 bis 7,5 (vgl. z.B. die Daten nach 2 153 bis 2 223 Stunden). Diese übermäßig hohen pH-Werte sind unerwünscht, obgleich sie nachher in dem kontinuierlichen Verfahren auftraten und sie beeinflußten in nachteiliger Weise die Gesamtfructοseproduktivität des Bettes.

Die restliche oder verbleibende Isomeraseaktivität (bezogen auf die Aktivität von 100 % nach 17 Stunden) in dem kontinu-

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- 28 -

ierlich mit einem Beschickungssirup von pH 7,5 3OOO Stunden lang betriebenen Kolonnenreaktor betrug mehr als 30 % und nach 3200-stündigem kontinuierlichem Betrieb betrug sie mehr als 28 %, Bezogen auf die gemessene maximale Aktivität der Isomerasebetten (nach 236 Stunden) trat der Aktivitätswert -von 25 % oder eine 75 %ige Desaktivierung erst nach etwa 25OO Stunden auf. Es war ein Betrieb von etwa 2978 Stunden erforderlich, um die Aktivität des Bettes auf einen Wert von 20 % zu verringern, wobei die berechneten Aktivitätswerte von 15 %, 12,5 % bzw. 10 % jeweils nach etwa 3555 Stunden, 3 920 Stunden und 4 368 Stunden auftraten. Im Vergleich dazu ergab der pH 8,5-Beschickungsreaktor einen berechneten Aktivitätswert von 20 % nach etwa 990 Stunden und Aktivitätswerte von 15 %, 12,5 % bzw. 10 % nach 1175-♦ 1292- bzw. 1 436-stündigem Betrieb. Die berechnete Gesamtproduktivität bis zu einem Aktivitätswert von 10 % (bezogen auf den maximalen Kolonnenaktivitätswert) betrug bei der pH 7»5-Beschickung 3 873 und bei dem pH 8,5-Verfahren 1017.

Die durchschnittliche Isomerasehalbwertszeit in dem Versuch der Tabelle I betrug 1 389,64 Stunden gegenüber 445,53 Stunden in dem pH 8,5-Versuch der Tabelle II.

Der an Fructose reiche Abstrom war in dem Versuch der Tabelle I klarer, enthielt weniger Verunreinigungen und erforderte eine geringere Raffinierung, um ihn in eine kommerziell akzeptable Form zu bringen,als der Abstrom des Versuchs der Tabelle II.

In den Tabellen I und II sind von links nach rechts über den einzelnen Spalten die kontinuierliche Betriebszeit (Zeit (Std.))_f die Fließgeschwindigkeit in ccm/Min., der Brechungsindex des Sirupabstroms bei 45⁰C (MEAS.RI), die optische Drehung des Fructosesirupabstroms (bei einem Zellenweg von 20 cm und 25°C) (MEAS.R0TA), der berechnete Aktivitätswert der Isomerase in Einheiten pro g Isomerase (Aktivität

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- a* -■

(Einheiten/g Enzym), die kumulative Gesamtmenge der Siruptrockensubstanz, gebildet in der Kolonne, bezogen auf die Isomerisierung bis zu einem 42 %-Prnctosesirup (Trockenfeststoffgehalt) (Produktivität), der pH-Wert des Abstroms (Abstrom-pH-Wert) und der pH-V/ert der Beschickung (Beschi'ckungs-pH-V/ert) angegeben.

Die angegebenen Pructose-Prozentsätze für den Abstrom wurden aus den MEAS.RI und MEAS.R#TA-Werten nach den folgenden Gleichungen ermittelt:

Trockensubstanz in Gew.-% oder % d.s. = (4-87,74) (MEAS.RI)-

spezifische Drehung oder S.R. =

Fructose (%) oder %F » 38,7 - (0,63) (S.R.)

Die"Aktivität in Einheiten pro g Enzym"stellt die Isomeraseaktivität des Bettes (in Fructoseaktivitätseinheiten pro g Isomerase) bei den angegebenen Zeitintervallen dar, die wie folgt errechnet wurden:

Isomerase-Gleichgewichtskonstante oder E.C. =

(0,5"·3) (% Monosaccharid-Trockensubstanz in dem Beschickungs-

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(% d.s.) (60) (ccm/Min.) (10) (1,2) (E.C.) χ In [

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worin ln_ den natürlichen Logarithmus, 60 (ccm/Min.) die Beschickungssirup-Fließgeschwindigkeit in ccm/Min. und

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g Enzym die Gesamtmenge der Isomerase in der Kolonne in g "bedeuten.

Vor dem Füllen der Kolonne "betrug der Anfangswert der Aktivität der in diesem Beispiel verwendeten immobilisierten Isomerase "Sweetzyme E" (nach dem oben beschriebenen Standard-Prüf verfahren) 600 Glucose-Isomerase-Einheiten pro g

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In einem größeren Kolonnenbetrieb ist das Halten des pH-Wertes innerhalb des Bereiches von 7»O bis 7»5 leichter (z.B. in internen pH-Sensor-Vorrichtungen) _al^s beim Betrieb in einer kleineren Kolonne. In entsprechender Weise kann beim Betrieb in einer großen Kolonne leichter ein konstanter Prozentsatz des Fructosesirupgehaltes durch einen Fructoseabstromanalysator eingestellt werden, um so die manuelle oder mechanische Regulierung der Beschickungssirup-Fließgeschwindigkeit zu erlauben zur Erzielung eines konstanten Fructosewertes in dem Fructoseabstrom.

Die hier verwendete trockene immobilisierte Glucoseisomerase kann J>0 Minuten lang bei Umgebungstemperatur (z.B. 23⁰C) und pH 7»5 mit einer Lextrosebeschickung vorbehandelt v/erden, die Kobaltionen (z.B. 0,001 M Kobalt(II)nitrat) und 0,02 M Magnesiumsulfit enthält, um die Isomerase zu hydratisieren und zu gewährleisten, daß sie ihr volles Komplement an Kobalt(II)ionen-Beladung vor Beginn des Isomerisierungsversuches enthält.

Dieses Beispiel erläutert die hohe Fructoseproduktivität

'Gesamtmenge Fructose und Dextrose in % (bezogen auf das Trockengewicht der Substanz) in dem Beschickungssirup, die 96 % betrug

'in Mikromol/Min. gegenüber der "Aktivität in Einheiten pro g Enzym" in mg/Stunde.

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ohne Zugabe irgendwelcher Kobalt(II)ionen zu dem Beschikkungssirup. Obgleich hier nicht näher erläutert, beeinflussen Kobalt (II)ionen in Mengen, wie sie beispielsweise bei konventionellen Isomerisierungsverfahren angewendet werden (z.B. 0,001 M Co"¹"*") die Isomeraseproduktivität in nachteiliger Weise. Gewünschtenfalls können geringe Kobalt-(II)ionenkonzentrationen (z.B. weniger als 0,0005 M) und zweckmäßig Konzentrationen von weniger als O,OOO25M Co⁺"*" (besonders bevorzugt weniger als 0,00005 M) kontinuierlich zu dem Sirupbeschickungsstrom zugegeben werden. Alternativ können auch etwas höhere Kobalt(ll)ionenkonzentrationen (z.B. weniger als etwa 0,001 M) intermittierend zu dem Beschickungssirup zugegeben werden.

Beispiel 2

Unter Verwendung des raffinierten Dextrosesirups und des Kolonnenreaktorsystems des Beispiels 1 wurden zwei verschiedene Beschickungssirupe kontinuierlich in einen Glucoseisomerisierungskolonnenraktor eingeführt. Die Isomerase (Novo SP-113B) stammte von Bacillus coagulans und sie wurde immobilisiert durch Vernetzung mit Glutaraldehyd und sprühgetrocknet nach den Angaben in der bekanntgemachten niederländischen Patentanmeldung 73 12 524. Die Siebanalyse der sprühgetrockneten immobilisierten Isomerase betrug 69 % auf einem Sieb mit einer lichten Maschenweite von'0,83mn(Sieve Nr. 20). In einem Versuch wurde ein Dextrosebeschickungssirup, der 0,008 M Natriumbisulf it (als Puffer) und 0,009 M Epsomsalz (MgSO^.7HpO, als Metallionenaktivator) enthielt, bei einem pH-Wert von 7,5 und bei 60°C kontinuierlich mit Fließgeschwindigkeiten innerhalb des Bereiches von 1,62 bis 6,38 ecm/ Min. in den Kolonnenreaktor eingeführt« Der Beschickungssirup in dem Vergleichsversuch war der gleiche, jedoch mit der Ausnahme, daß der Beschickungssirup ohne Zugabe eines

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Natriumbisulfitpuffers auf pH 8,5 eingestellt wurde und bei einer Fließgeschwindigkeit innerhalb des Bereiches von 0,80 bis 4,5**· ccm/Min. gehalten wurde.

Ähnlich wie in Beispiel 1 war der pH 7,5-Versuch wesentlich produktiver als der pH 8,5-Versuch. Nach 1891-stündiger kontinuierlicher Verwendung verblieben in dem pH 7,5-Versuch noch 28 % der maximalen Isomerase-Bettaktivität bei einer Produktivität von 3 011, Nach 833 Stunden nahm in dem pH 8,5-Versuch der Wert der Aktivität bis auf 21 % ab bei einer Produktivität von nur 838.

Beispiel 3

Der pH 7i5-Versuch des Beispiels 2 wurde bei anderen Isomerisierungstemperaturen innerhalb des Bereiches von 55 bis 65⁰O wiederholt. Die anfängliche Isomeraseaktivität bei 65°C war merklich höher als bei 60⁰C.(sie war um das 1,5-fache höher), nach längerer Verwendung waren jedoch ihre Produktivität und ihre Aktivität wesentlich geringer als in dem pH 7»5-Versuch des Beispiels 2. Die berechneten Produktivitäten bei verschiedenen Betriebstemperaturen und bei kontinuierlichem Betrieb bis zur Abnahme der Isomerasebettaktivität auf 1° % ihres anfänglichen Aktivitätswertes betrugen 6994- bei 55°C, 6295 bei 56°C, 5 670 bei 57⁰C, 5 110 bei 58⁰C, 4 608 bei 59°C, 4 158 bei 60°C, 3 754 bei 61⁰C, 3 392 bei 62°C, 3 066 bei 63⁰C, 2 773 bei 64⁰C und 2 510 bei 65°C. Der Kolonnenbetrieb bei Temperaturen von 55 bis 60°C führte zu einer Zunahme der Fructosegesamtproduktionsausbeute innerhalb des Bereiches von 179 bis 66 % gegenüber derjenigen, die bei 65⁰C erhalten wurde.

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Claims (12)

1. Anmelder: A.E. St'aley Manufacturing Company 97HTQ7R 2200 Eldorado Street Δ ΙΌ IO IO

   Decatur
   62525 Illinois
   USA

   758 - Dr.T

   Patentansprüche

   T. Verfahren zur Isomerisierung von Dextrose zu Fructose unter Verwendung eines Fixbettes aus einer Isomerase, die aus einem Organismus des Genus Bacillus gewonnen worden ist und eine erhöhte Rate der Isomerisierung von Dextrose zu Fructose aufweist, wenn die Glucoseisomerisierungsreaktion durchgeführt wird (a) in Gegenwart von Co -Ionen und (b) bei einer Temperatur von mehr als 6O⁰C₁ dadurch gekennzeichnet, daß man

   A) einen raffinierten Dextrosebeschickungssirup herstellt, der im wesentlichen frei von Co⁺⁺-Ionen ist und, bezogen auf das Gesamtgewicht der Trockenfeststoffe, mindestens 90 % Monosaccharid enthält,

   B) den Dextrosebeschickungssirup zu Fructose isomerisiert, indem man den Sirup bei einer Isomerisierungstemperatur innerhalb des Bereiches von 55 bis 61⁰C und bei einem Isomerisierungs-pH-V/ert von 7,0 bis 7,5 durch ein Bett aus immobilisierter Glucoseisomerase leitet,

   C) den isomerisierten Sirup abtrennt, während man gleichzeitig das Bett mit einer kompensierenden Menge Beschikkungssirup wieder füllt und

   D) die Isomerisierung des Beschickungssirups in dem Bett fortsetzt, wobei man die Isomerisierungstemperatur so lange bei 55 bis 61⁰C und den Isomerisierungs-pH-Wert so lange bei 7,0 bis 7,5 hält, bis die Isomeraseaktivität des Bettes weniger als 20 % ihres optimalen Aktivitätswertes beträgt.

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2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Monosaccharidisomerisierung in dem Bett mehr als 3000 Stunden lang fortsetzt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, -daß man mehr als 90 % der Betriebsdauer der Isomerisierung bei einem pH-V/ert von 7,0 bis 7,5, bei einer Temperatur von 58 bis 61⁰G und bei einer Kobalt(II)ionenkonzentration des Beschickungssirups von weniger als 0,00005 M durchführt .
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3j dadurch gekennzeichnet, daß man einen Beschickungssirup mit einem Dextrosegehalt von mindestens 95 % (bezogen auf das Gewicht der Trockensubstanz) und mit einem Trockenfeststoffgehalt innerhalb des Bereiches von 50 bis 55 Gew.-% verwendet.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Dextrosebeschickungssirup-Isomerisierung in Gegenwart einer von Bacillus coagulans gewonnenen Isomerase durchführt.
6. 6« Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Beschickungssirup verwendet, dessen Monosaccharidgehalt mindestens 95 % (bezogen auf das Gewicht der Trockensubstanz) beträgt, und daß man den Beschickungssirup in dem Bett mehr als 3500 Stunden lang isomerisiert.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Beschickungssirup verwendet, der mindestens 0,002 M Magnesiumionen enthält.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man den Isomerisierungs-pH-Wert während

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   mindestens 90 % der Betriebszeit innerhalb des Bereiches von 7,0 bis 7,5 hält;, wobei nicht mehr als 5 % der Gesamt-"betriebszeit bei einem pH-Wert oberhalb 8,0 oder unterhalb 6,5 durchgeführt werden.
9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Beschickungssirup mit einem Monosaccharidgehalt (bezogen auf das Gewicht der Trockensubstanz) von mindestens 92 %, mit einem Magnesiumionengehalt von 0,003 M bis 0,01 M₁ mit einem Trockenfeststoffgehalt von mehr als 45 % bis 55 % und mit einer Kobalt(II)-ionenkonzentration von weniger als 0,00005 M verwendet.
10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß man die Beschickungssirup-Isomerisierung so lange durchführt, bis die Aktivität des Isomerasebettes auf weniger als 15 % der optimalen Isomeraseaktivität des Bettes abgenommen hat.
11. 11. Fructosesirup, dadurch gekennzeichnet, daß er nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 hergestellt worden ist.
12. 12. Fructose, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus dem Fructosesirup gemäß Anspruch 11 gewonnen worden ist.