DE3815961A1 - Verfahren zur enzymatischen umesterung bei einem geringen wassergehalt - Google Patents
Verfahren zur enzymatischen umesterung bei einem geringen wassergehaltInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur enzymatischen
Umesterung bei einem geringen Wassergehalt (ein System mit sehr geringem
Wassergehalt), wobei die Reaktion unter kontinuierlicher Einstellung der
Wasserkonzentration im Reaktionssystem auf einen geeigneten, sehr
niedrigen Wert durchgeführt wird, um die Aktivität des Enzyms wirksam und
vorteilhaft auszunutzen und um die Bildung von Nebenprodukten zu
unterdrücken, wobei in einer Umesterung von Fett oder Öl die gewünschten,
nützlichen Reaktionsprodukte unter Verwendung einer enzymatischen Reaktion
erhalten werden.
Zur Verwendung der Technik einer enzymatischen Reaktion in einem System
mit geringem Wassergehalt wird die Herstellung von Substitutionsfetten für
Kakaobutter, bekannt als Rohmaterial von Schokoladen, beispielhaft
genannt. Im weiteren können durch Auswahl der Art des Substrates und der
Lipase verschiedene hochreine Produkte mit der gewünschten Zusammensetzung
an Fettsäuren hergestellt werden.
In den letzten Jahren sind intensive Studien in bezug auf Verfahren zur
Herstellung von wertvollem Fett und Öl durch Umesterung unter Verwendung
von Lipase gemacht worden.
Die Umesterung durch Lipase wird im allgemeinen als reversible
Hydrolysereaktion, wobei Triglycerid (TG) in Diglycerid (DG),
Monoglycerid (MG) oder Glycerin und Fettsäure (FS) hydrolysiert werden,
und eine anschließende Neusynthese-Reaktion des Triglycerides aus dem
Hydrolysat verstanden. Aus diesem Grund ist die Anwesenheit von Wasser in
einem Umesterungssystem notwendig, und deshalb wird eine gewisse Menge an
Wasser zu dem Reaktionssystem hinzugefügt. Wenn jedoch Wasser im Überschuß
zugefügt wird, ist es unmöglich, das Fortschreiten der Hydrolyse zu
verhindern, und es werden Nebenprodukte wie freigesetzte Fettsäure,
Monoglycerid und Diglycerid in einer großen Menge gebildet und die
Ausbeute an dem gewünschten Triglycerid dadurch verringert. Demzufolge
ergibt sich das Problem, daß die Qualität des Triglycerids als Produkt
verringert wird. Aus diesem Grunde sollte das Reaktionssystem in einem
System unter der Bedingung eines geringen Wassergehaltes konstant gehalten
werden, um effektiv eine Umesterung durchzuführen.
Für den Fall jedoch, daß die Wassermenge in dem Reaktionssystem zu gering
ist, ergibt sich das Problem, daß die katalytische Aktivität des Enzyms
nicht ausreichend verstärkt werden kann und die Reaktionsgeschwindigkeit
verringert wird.
Als Verfahren zur Lösung der obigen Probleme bei den herkömmlichen
Veresterungsverfahren wurde z. B. die Zugabe von einer wasserlöslichen
Polyhydroxyverbindung, und eines Proteins oder eines Peptids in einem
Emulsionssystem veröffentlicht (ungeprüfte japanische
Patentveröffentlichung Nr. 1 11 398/1982), oder die Zugabe eines
oberflächenaktiven Mittels (ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung
Nr. 1 98 789/1982), um die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen.
Auf der anderen Seite wurden einige Verfahren zur industriellen
Herstellung vorgeschlagen, wobei ein immobilisiertes Enzym oder ein
Mikroorganismus verwandt wird, z. B. sind Verfahren, bei dem ein Enzym auf
einem Adsorbens wie Celite immobilisiert wird (ungeprüfte japanische
Patentveröffentlichungen Nrn. 71 797/1980, 1 04 506/1977, 84 397/1980 und
78 796/1982); ein Verfahren, bei dem ein Enzym auf verschiedenen
Materialien mit Absorptionskraft für Wasser wie Sacchariden immobilisiert
wird (ungeprüfte japanische Patentveröffentlichungen Nrn. 1 16 688/1983,
1 16 689/1983, 1 87 195/1983 und 28 482/1984); ein Verfahren, bei dem eine
getrocknete mikrobielle Zelle als Katalysator verwandt wird (ungeprüfte
japanische Patentveröffentlichung Nr. 34 189/1985); und ähnliche
beispielhaft genannt.
Zur industriellen Durchführung einer Umesterung unter Verwendung eines
immobilisierten Enzyms oder Mikroorganismus ist es jedoch in beiden Fällen
eines chargenweisen Reaktionsverfahrens sowie eines kontinuierlichen
Reaktionsverfahrens unentbehrlich, die Wasserkonzentration in der Umgebung
des Enzyms konstant auf einen geeigneten, sehr niedrigen
Konzentrationswert einzustellen, um eine hohe Ausbeute zu erhalten. Bei
einer Umesterung ist es notwendig, ausreichend Wasser zuzuführen, da
Wasser durch die Hydrolyse verbraucht wird.
Zum Beispiel wird ein Verfahren, bei dem die Reaktion unter Zuführung
einer Reaktionslösung, in der Wasser in einer Menge von 40 bis 70 Gew.-%
der gesättigten Menge gelöst ist, durchgeführt wird, veröffentlicht
(ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. 1 54 951/1981 und Nr.
5 00 649/1984). Bei diesem Verfahren ist es jedoch schwierig, die
Wasserkonzentration in der Umgebung des Enzyms mit hoher Genauigkeit auf
einen geeigneten, sehr niedrigen Konzentrationswert einzustellen, und aus
diesem Grunde ist die industrielle Verwertbarkeit dieses Verfahrens
erschwert.
Wie zuvor beschrieben, wird eine Umesterung durch eine Kombination einer
Hydrolyse und einer Synthese bewirkt. In dem Umesterungs-Reaktionssystem
wird durch die Hydrolyse Wasser verbraucht, wenn die Wasserkonzentration
hoch ist. Das bedeutet, daß sich die Wasserkonzentration im
Reaktionssystem im Verlauf der Reaktion ständig ändert. Aus diesem Grund
ist die Begrenzung der Wasserstoffkonzentration am Beginn der Reaktion
bedeutungslos und die konstante Einstellung der Wasserkonzentration auf
eine geeignete Konzentration im Verlauf der Reaktion ist das wichtige Ziel
in einer Erfindung.
Darüber hinaus wird bei einem Verfahren unter Verwendung eines
immobilisierten Enzyms oder Mikroorganismus (im folgenden als
"immobilisierter Enzymkatalysator" bezeichnet) eine Technik benötigt, um
den Gehalt des im immobilisierten Enzymkatalysators gebundenen Wassers
konstant auf den optimalen Wert einzustellen (im folgenden als
"Wassergehalt im Katalysator" bezeichnet).
Bei fast allen herkömmlichen Verfahren wird jedoch lediglich der
Wasserkonzentration am Beginn der Reaktion Aufmerksamkeit geschenkt, und es
wird kein Verfahren zu Einstellung der Wasserstoffkonzentration auf eine
geeignete Konzentration im Verlauf der Reaktion empfohlen. Eine solche
Einstellung wurde nach dem Stand der Technik als schwierig empfunden.
Da die Ausgangsmaterialien der Umesterung wie Triglycerid, Fettsäure
oder Fettsäureester mit einem niedrigen Alkohol oder Lösungsmittel zur
Verdünnung eine geringe Menge an Wasser enthalten, werden Diglycerid oder
Monoglyceride im Verlauf der Hydrolyse hergestellt, wenn das
Ausgangsmaterial oder das Lösungsmittel ohne weitere Maßnahmen eingesetzt
werden. Es ist bekannt, daß Diglycerid eine eutektische Mischung mit
Triglycerid bilden, wobei die Kristallisation des Triglycerides
unterdrückt wird. Folglich entsteht das Problem, daß die Ausbeute an
Triglycerid als Produkt erniedrigt und die Qualität des Produktes
verschlechtert wird. Aus diesem Grunde wurde ein Verfahren zur
Durchführung der Reaktion unter Erniedrigung der Wasserkonzentration im
Reaktionssystem auf einen niedrigeren Wert benötigt.
Zur industriellen Durchführung der Umesterung besteht unzweifelhaft das
Problem, die Reaktionsgeschwindigkeit durch Verwendung eines teuren
immobilisierten Enzymkatalysators so wirksam wie möglich zu steigern und
gleichzeitig die Ausbeute und Qualität des Produktes durch Unterdrückung
der Hydrolysereaktion zu verbessern. Im weiteren wurde ein Verfahren zur
Bestimmung der Wasserkonzentration, die geeignet für die gewünschte
Reaktion ist, und zur effizienten Durchführung der Reaktion mit ständiger
Einstellung der Wasserkonzentration auf den bestimmten geeigneten Wert
benötigt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur wirksamen
Herstellung von wertvollem Fett oder Öl wie oben beschrieben zu liefern,
wobei die zuvor erwähnten Nachteile beseitigt werden.
Überraschend wurde nun gefunden, daß, obgleich es schwer ist, den
Wassergehalt eines Katalysators in einem Reaktionssystem, worin ein
Feststoff und eine Flüssigkeit nebeneinander vorliegen, direkt zu
bestimmen, eine dynamische Gleichgewichts-Beziehung von Wasser
(Adsorptions-Isotherme) zwischen der Reaktionsflüssigkeit und dem
immobilisierten Enzymkatalysator besteht, und daß der Wassergehalt des
Katalysators, das in dem immobilisierten Enzymkatalysator gebunden ist,
indirekt auf Basis der Gleichgewichtsbeziehung berechnet werden kann,
wobei die Wasserkonzentration in der Reaktionslösung gemessen wird. Weiter
wurde gefunden, daß der Wassergehalt des Katalysators auf den gewünschten
Wert als Ergebnis einer Einstellung der Wasserkonzentration in der
Reaktionsflüssigkeit durch Erhöhen oder Erniedrigen derselben auf einen
Wert, der der gewünschten Wasserkonzentration im Katalysator entspricht,
eingestellt werden kann, und demzufolge wurde die vorliegende Erfindung
ausgeführt.
Durch die vorliegende Erfindung wird ein Verfahren zur enzymatischen
Umesterung bei einem geringen Wassergehalt (im folgenden als "mikrowäßriges
System" bezeichnet) bereitgestellt, das das Unterwerfen einer
Reaktionslösung, die (a) ein Fett oder Öl und (b) ein Mitglied aus der
Gruppe, die aus einem i) weiteren Fett oder Öl, ii) einem Fettsäureester
mit einem niedrigen Alkohol und iii) eine Fettsäure enthält, der
Einwirkung einer Lipase in Form eines immobilisierten Enzymkatalysators,
wobei die Wasserkonzentration in der Reaktionslösung im Verlauf der
Reaktion kontinuierlich eingestellt wird.
Bei Anwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt,
die Wasserkonzentration in der Reaktionslösung auf Basis der Beziehung
zwischen dem Wassergehalt des Katalysators und der
Reaktionsgeschwindigkeit bzw. der Produktausbeute vorher festzulegen, da
die Reaktionsgeschwindigkeit bzw. die Produktausbeute einfach und
effizient den Maximalwert durch Einstellung der Wasserkonzentration in der
Reaktionslösung auf den vorher festgelegten Wasserkonzentrationswert in
der Reaktionslösung erreichen kann. Durch Anwendung des Verfahrens der
vorliegenden Erfindung wird es einfach, den Wassergehalt des Katalysators
auf einen bestimmten Wert einzustellen, so daß die
Reaktionsgeschwindigkeit bzw. die Produktausbeute den Maximalwert
erreichen kann. Hinzu kommt, daß das Verfahren der vorliegenden Erfindung
sowohl für das chargenweise Reaktionsverfahren, als auch für das
kontinuierliche Reaktionsverfahren angewendet werden kann, und wodurch das
Verfahren besonders für Langzeitverfahren geeignet ist, da die
Deaktivierung des Enzyms verringert ist.
Wie zuvor erwähnt, ist das Verfahren der vorliegenden Erfindung als
praktisches Verfahren neu, wobei beabsichtigt ist, daß das Produkt im
industriellen Maßstab so effizient wie möglich hergestellt wird, wobei die
Umgebung des Enzyms auf die Bedingung eines "micro wäßrigen" Systems
eingestellt wird, so daß der immobilisierte Enzymkatalysator wirksam
verwendet wird und die Produktausbeute zufriedenstellend gesteigert wird.
Abb. 1 zeigt einen Graphen, der die dynamische Gleichgewichts-Beziehung
von Wasser zwischen einer getrockneten mikrobiellen Zelle und der
Reaktionslösung, erhalten in Beispiel 1, darstellt.
Abb. 2 bis
7 zeigen Ausführungsformen der Reaktionsgefäße, die im Verfahren der
vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Bei der vorliegenden Erfindung wird unter Beachtung der dynamischen
Gleichgewichts-Beziehung von Wasser zwischen dem immobilisierten
Enzymkatalysator und der Reaktionslösung in einem "micro-wäßrigen" System
die dynamische Gleichgewichts-Beziehung vorher bestimmt, und darauf die
Wasserkonzentration im Katalysator durch Umrechnung aus dem Ergebnis der
Analyse eines sehr niedrigen Wasserkonzentrationswertes im ganzen
Reaktionssystem oder in der Reaktionslösung auf Basis der zuvor erwähnten
dynamischen Gleichgewichts-Beziehung erhalten.
Der Ausdruck "immobilisierter Enzymkatalysator", der in der vorliegenden
Erfindung verwendet wird, bedeutet ein Mikroorganismus selbst mit einem
darin enthaltenem Enzym, einen Mikroorganismus mit einem darin enthaltenem
Enzym, der auf einem Träger immobilisiert ist, ein Enzym, das auf einem
Träger immobilisiert ist, und ähnliche.
Unter den immobilisierten Enzymkatalysatoren sind getrocknete mikrobielle
Zellen und immobilisierte, getrocknete mikrobielle Zellen bevorzugt, da
diese wirtschaftlich und leicht erhältlich sind, und da bei Verwendung der
mikrobiellen Zelle die Affinität zwischen dem Enzym und dem Substrat und
die Reaktionsgeschwindigkeit hoch sind, da die Zellmembran der
mikrobiellen Zellen sowohl hydrophobe als auch hydrophile Eigenschaften
hat.
Bei der vorliegenden Erfindung bedeutet der Ausdruck "Reaktionslösung"
das verwendete Substrat, d. h., eine Mischung eines Fettes oder Öles und
eines weiteren Fettes oder Öles, eine Mischung eines Fettes oder Öles und
einer Fettsäure, oder eine Mischung eines Fettes oder Öles und eines
Fettsäureesters mit einem niederen Alkohol, oder es bedeutet eine Mischung
des obigen Substrats und eines organischen Lösungsmittels zur Verdünnung
des Substrats.
Die zuvor erwähnte dynamische Gleichgewichts-Beziehung hängt von Art und
Struktur der Substrate und Lösungsmittel zur Verdünnung ab oder von der
Art der Enzyme oder Mikroorganismen, die für den immobilisierten
Enzymkatalysator verwendet werden, oder den Arten der Trägermaterialien
wie einem den Mikroorganismus tragenden Material und einem
Gelatinierungsmittel, das für die Immobilisierung verwendet wird. Jede
Kombination der zuvor erwähnten Faktoren hat eine besondere
Gleichgewichts-Beziehung. Die zuvor erwähnte Gleichgewichts-Beziehung kann
leicht entsprechend den herkömmlichen Verfahren zur Erhaltung von
Adsorptionsisothermen einer Flüssigphasen-Adsorption erhalten werden. Als
ein Beispiel ist die dynamische Gleichgewichts-Beziehung von Wasser
zwischen der Reaktionslösung und dem immobilisierten Enzymkatalysator, wie
in Abb. 1 gezeigt, erhalten worden.
Wenn eine dynamische Gleichgewichts-Beziehung verwendet wird, kann die
Wasserkonzentration im Katalysator, die der Wasserkonzentration in der
Reaktionslösung entspricht, sogar im Verlauf der Reaktion durch Messung
der Wasserkonzentration in der Reaktionslösung erhalten werden. Wenn die
Wasserkonzentration in der Reaktionslösung auf einen bestimmten Wert
eingestellt wird, kann darüber die Wasserkonzentration im Katalysator auf
einen Wert eingestellt werden, der der zuvor genannten Wasserkonzentration
in der Reaktionslösung entspricht.
Auf der anderen Seite wirkt sich der Effekt des Wassergehaltes im
Katalysator auf die Reaktionsgeschwindigkeit und die Produktausbeute in
verschiedenen Richtungen aus, die von Art und Träger, die zur
Immobilisierung der Enzyme verwendet werden, die Verfahren zur
Immobilisierung, Arten, Aktivitäten und Spezifitäten der Enzyme, oder
Arten der Substrate und Lösungsmittel oder deren Mischungsverhältnissen
abhängt. Die optimale Wasserkonzentration im obigen System kann leicht im
allgemeinen entsprechend einem üblichen Verfahren bestimmt werden, und die
optimale Wasserkonzentration in der mikrobiellen Zelle liegt als Ergebnis
der Studie von verschiedenen Mikroorganismen im Bereich von 0,1 bis 20 Gew.-%.
Um die Wasserkonzentration im Katalysator auf den zuvor erwähnten
Bereich einzustellen, ist es notwendig, die Wasserkonzentration in der
Reaktionslösung auf ein sehr niedriges Level im Bereich von 5 bis etwa
1000 ppm, bevorzugt von 10 bis 500 ppm, einzustellen. Mehr bevorzugt ist
es, die Wasserkonzentration in der Reaktionslösung auf einen Wert im
Bereich von 10 bis 200 ppm einzustellen, um die Hydrolyse als
Nebenreaktion zu unterdrücken und des Produktes zu
verbessern.
Als Verfahren zur Analyse der Wasserkonzentration in der
Reaktionslösung ist im allgemeinen die gravimetrische Analyse bekannt,
wobei die Wasserkonzentration in einer Probe aus der Gewichtsänderung nach
Verdampfung des Wassers in der Probe erhalten wird, Karl Fischer's
Verfahren, wobei eine Dehydratations-Reaktion verwendet wird, und ähnliche.
Bei dem Karl Fischer-Verfahren wird die feste Phase mittels eines
geeigneten Filters, z. B. eines porösen Filters aus einem gesinterten
Metall oder Harz, abgetrennt, wenn eine flüssige Probe aus dem Reaktor
entnommen worden ist, und die Konzentration an Wasser in der flüssigen
Phase wird gemessen. Neben den zuvor erwähnten Verfahren können
Wassergehalts-Analysegeräte vom On-Line-Typ verwendet werden, die nach
verschiedenen Prinzipien und mit einem darin verwandten Sensor für
Wasserkonzentration arbeiten, z. B. ein Verfahren, wobei eine Probe mit
Infrarotlicht bestrahlt wird und die Menge des absorbierten Lichts
gemessen wird, ein Verfahren, wobei eine Messung durchgeführt wird,
basierend auf einer Änderung des elektrischen Widerstandes, ein Verfahren,
wobei die elektrische Kapazität der Flüssigkeit gemessen wird, oder
ähnliche. Wenn der gemessene Wasserkonzentrationswert geringer als der
vorher festgelegte Wert ist, wird die Konzentration des Wassers in der
Reaktionslösung gesteigert. Demgegenüber wird die Konzentration des
Wassers in der Reaktionslösung vermindert, wenn die Wasserkonzentration
größer als der vorher bestimmte Wert ist. Dadurch kann die
Wasserkonzentration im Katalysator konstant auf eine geeignete
Konzentration eingestellt werden.
Im Verlauf der Reaktion wird Wasser in der Reaktionslösung durch die
Hydrolyse verbraucht, die eine Seitenreaktion darstellt. Deshalb wird im
allgemeinen zur Einstellung der Wasserkonzentration in der Reaktionslösung
eine kleine Menge Wasser zugegeben. Wenn jedoch die Wasserkonzentration in
der Reaktionslösung zu hoch ist oder wenn die Konzentration des
Nebenproduktes weiter reduziert werden soll, wird überschüssiges Wasser
vor oder während der Reaktion aus der Reaktionslösung entfernt, um die
Wasserkonzentration auf einen niedrigeren Wert einzustellen.
Als Verfahren zur Erhöhung der Wasserkonzentration in die Reaktionslösung
kann ein Verfahren benutzt werden, wobei Wasser direkt in den Reaktor
injiziert wird, ein Verfahren, wobei Wasser in der Reaktionslösung gelöst
wird und die Reaktionslösung, in der Wasser gelöst ist, in den Reaktor
injiziert wird, und ähnliche Verfahren. Die zuvor genannte Flüssigkeit
kann frische Reaktionslösung, in der Wasser gelöst ist, oder aus dem
Reaktor entnommene Reaktionslösung sein, in der Wasser gelöst wird. Im
weiteren kann die Flüssigkeit, die injiziert werden soll, mit dem gelösten
Wasser gesättigt werden, oder kann eine Lösung sein, die nicht mit Wasser
gesättigt ist und in der Wasser zu einem gewissen Ausmaß gelöst ist.
Die Reaktionslösung kann dadurch mit Wasser gesättigt werden, daß man die
Reaktionslösung mit Wasser über einen langen Zeitraum in Kontakt bringt.
Es ist möglich, eine Reaktionslösung herzustellen, in der Wasser bis zu
einem gewissen Ausmaß gelöst ist, indem man die Kontaktzeit der
Reaktionslösung mit Wasser auf die Lösegeschwindigkeit abstimmt.
Zusätzlich kann die Einstellung der Wasserkonzentration in der
Reaktionslösung, die eingespritzt werden soll, nach irgendeinem anderen
Verfahren durchgeführt werden, wobei eine wäßrige Lösung einer
wasserlöslichen Substanz mit der Reaktionslösung in Kontakt gebracht wird
und die dynamische Gleichgewichts-Beziehung von Wasser zwischen der
Reaktionslösung und der wäßrigen Lösung der wasserlöslichen Substanz
verwendet wird. Hierbei sind die zuvor genannte wasserlösliche Substanz
und die Reaktionslösung selbst nicht miteinander mischbar. Beispiele
solcher wasserlöslichen Substanzen sind z. B. Glycerin, Ethylenglykol,
Diethylenglykol, Triethylenglykol, Propylenglykol, Butylenglykol,
Hexylenglykol, Polyethylenglykol, und ähnliche.
Als Verfahren zur Reduzierung der Wasserkonzentration in der
Reaktionslösung werden verwandt ein Verfahren, wobei frische
Reaktionslösung, aus der Wasser entfernt oder teilweise entfernt worden
ist, direkt in den Reaktor injiziert wird, ein Verfahren, worin die
Reaktionslösung aus dem Reaktor in den Reaktor zurückgeführt wird, nachdem
Wasser vollständig oder teilweise aus der entnommenen Reaktionslösung
entfernt wurde, und ähnliche.
Als Verfahren zur vollständigen oder teilweisen Entfernung von Wasser aus
dem organischen Lösungsmittelsystem, wie die Reaktionslösung der
vorliegenden Erfindung, kann ein Verfahren verwendet werden, wobei die
Reaktionslösung in Kontakt mit einer Substanz mit hoher
Wasserabsorptionsfähigkeit gebracht wird. Als Substanz mit hoher
Wasserabsorptionsfähigkeit kann jede Substanz verwendet werden, die nicht
in der Reaktionslösung löslich ist, und die nicht mit dem Substrat
reagiert. Beispiele für eine solche Susbstanz sind wasserlösliche
Substanzen wie Glycerin, Ethylenglykol, Diethylenglykol, Triethylenglykol,
Propylenglykol, Butylenglykol, Hexylenglykol und Polyethylenglykol,
wasserabsorptive Substanzen wie Molekularsieb, Zeolit, Silicagel,
Aluminiumoxid, Kieselgur, Aktivkohle, Kaolin, Perlit, Cellulosepulver,
Hydroxylapatit und Chitosan, Monosaccharide wie Glukose, Galactose, Ribose
und Fructose, Polysaccharide wie Sucrose, Trehalose, Dextrin, Glycogen und
Stärke, Salze mit wasserabsorbierender Eigenschaft wie kalzinierter Gips,
Kalziumcarbonat und Kalziumchlorid, entwässernde Salze wie Natriumhydroxid
und Kalziumhydroxid, Metallsalze ohne Kristallwasser wie wasserfreies
Natriumsulfat und ähnliche.
Als Anlage zur Einstellung der Wasserstoffkonzentration wie oben beschrieben
kann jeder mögliche Anlagentyp verwendet werden, wie z. B. eine Anlage vom
Typ eines Rührtanks oder einer Füllkörperschicht. Daneben kann ebenso eine
Anlage vom Membrantyp verwendet werden, wobei Ströme der Reaktionslösung
und Wasser oder wäßrigen Lösungen der zuvor genannten wasserlöslichen
Substanz jeweils auf beiden Seiten eines dünnen Filmes oder auf der
inneren und äußeren Seite einer Röhre aus einem hydrophoben hydrophilen
porösem Harz geleitet werden.
Obgleich die Reaktion der vorliegenden Erfindung sowohl chargenweise, als
auch kontinuierlich durchgeführt werden kann, ist es vorteilhaft, das
Verfahren der vorliegenden Erfindung besonders für eine kontinuierliche
Reaktion über einen langen Zeitraum anzuwenden, da die Deaktivierung des
Enzyms bei Anwendung der vorliegenden Erfindung verringert wird.
Zusätzlich kann, obgleich auch ein Einstufenreaktor verwendet kann,
ein Mehrstufenreaktor verwendet werden, um die Ausbeute zu erhöhen. Der
Reaktortyp kann dabei der Typ eines Rührtanks, eines Flüssigbetts, einer
Füllkörperschicht, und eine Kombination davon sein, wobei diese Typen
untereinander kombiniert werden. Bei Verwendung eines Reaktors vom Typ
einer Füllkörperschicht ist es bevorzugt, daß für eine effiziente Reaktion
der Reaktor in mehreren Stufen unterteil wird und die Anzahl der Stufen
erhöht wird, um zu verhindern, daß das zugeführte Wasser selektiv von dem
Enzym, das sich um den Einlaß des Reaktors herum befindet, absorbiert
wird.
Im folgenden werden Ausführungsformen der Reaktoren nach der vorliegenden
Erfindung in bezug auf die Zeichnungen 2 bis 7 gezeigt. Jedoch ist es
selbstverständlich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf diese
Ausführungsformen beschränkt ist.
Abb. 2 zeigt eine schematische Abbildung eines Reaktionsapparates, wobei
ein Reaktor aus einem Einstufen-Rührtank und eine Wasserlöseeinheit
aus einer mit Wasser gefüllten Säule miteinander kombiniert sind.
Abb. 2 veranschaulicht eine Ausführungsform der Reaktionsanlage, die in
dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Diese
Reaktionsanlage ist mit einem Reaktor (1) aus einem Einstufenrührtank,
einer Wasserlöseeinheit (2) aus einer mit Wasser gefüllten Säule, einer
Umwälzpumpe (3), einem Wasserkonzentrationssensor (4) zur Messung von
Änderungen der Wasserstoffkonzentration durch Messung des elektrischen
Widerstandes, einem Prozessor (5) zur Berechnung des Unterschiedes
zwischen der gemessenen Wasserstoffkonzentration und dem vorher festgelegten
Wert und zur Ausgabe von Steuersignalen für die Fließgeschwindigkeit der
Pumpe, einem Filter (6) aus einem gesinterten Metall zur Entfernung des
immobilisierten Enzymkatalysators aus der zirkulierenden Reaktionslösung,
einem Reaktionslösungseinlaß (9) und einem Reaktionslösungsauslaß (10)
versehen.
Bei der obigen Anlage ist der Reaktor (1) und die Wasserlöseeinheit (2)
über korrosionsbeständige Leitungen als Weg für die Reaktionslösung über
die Unwälzpumpe (3) und den Filter (6) miteinander verbunden. Daneben sind
der Reaktor (1) und die Umwälzpumpe (3) über den
Wasserkonzentrationssensor (4) und den Prozessor (5) durch eine
Signalleitung verbunden.
Zuerst wird der Reaktionslösung aus dem
Einlaß (9) gefüllt. Dann werden mikrobielle Zellen, Enzyme
aus diesen mikrobiellen Zellen oder immobilisierte Enzyme daraus
hinzugefügt und die Umesterung begonnen. Die Wasserkonzentration in der
Reaktionslösung wird ständig über den Wasserkonzentrationssensor (4)
gemessen und der gemessene Wert und der vorher festgelegte Wert werden
miteinander im Prozessor (5) verglichen, im Anschluß wird die Umwälzpumpe
(3) gesteuert, und so die Wasserkonzentration in der Reaktionslösung
auf den vorher festgelegten, bestimmten Wert gehalten. Das bedeutet, daß,
wenn der erhaltene Wasserstoffkonzentrationswert niedriger als der vorher
festgelegte Wert ist, die Reaktionslösung aus dem Reaktor (1) durch die
Umwälzpumpe entnommen zur Wasserlöse-Einheit (2) geführt wird, wobei
Wasser in der Reaktionslösung gelöst wird, und die Reaktionslösung, in der
das Wasser gelöst ist, zu dem Reaktor (1) zurück zirkuliert wird, um den
Wasserkonzentrationswert in der Reaktionslösung im Reaktor (1) zu erhöhen.
Dadurch kann der Wassergehalt des Katalysators konstant auf dem
benötigten, geeigneten Wert gehalten werden.
Auf diese Weise läßt sich die kontinuierliche Reaktion durchführen,
während die Wasserkonzentration in der Reaktionslösung so eingestellt
wird, daß die Umesterungsgeschwindigkeit den Maximalwert erreicht. Nachdem
die Reaktionslösung aus dem Reaktionslösungsauslaß (10) entnommen worden
ist, wird das Produkt auf übliche Weise wie Abtrennung über eine Säule
oder durch Kristallisationsverfahren abgetrennt.
Abb. 3 zeigt eine schematische Ansicht einer Reaktionsanlage, bei
dem ein Reaktor vom Typ eines einstufigen Rührtanks mit einer Wasserlöse-
Einheit vom Typ eines Rührtanks verbunden ist.
In der in Abb. 3 gezeigten Anlage umfaßt die Wasserlöse-Einheit (2)
einen Rührtank, der die Reaktionslösung enthält, und eine
Wasserzugabeleitung (11) ist mit der Wasserlöse-Einheit (2) über die
Wasserzugabepumpe (7) verbunden.
Für den Fall, daß Wasser direkt in den Reaktor auf solche Weise wie in der
in Abb. 2 gezeigten Anlage injiziert wird, besteht die Möglichkeit, daß
der Wassergehalt des Katalysators nicht einheitlich ist, da die
Wasserkonzentration im Reaktionssystem sehr niedrig ist. Unter Verwendung
der in Abb. 3 gezeigten Anlage wird Wasser in den Reaktor (1)
injiziert, nachdem das Wasser in der Reaktionslösung in der Wasserablöse-
Einheit (2) gelöst wurde.
Im Anfang wird die Wasserkonzentration in der Reaktionslösung ständig
durch einen Wasserkonzentrations-Sensor (4) auf gleiche Weise wie in
Abb. 2 gezeigt gemessen. Im folgenden werden der gemssene Wert und
der vorher festgelegte Wert im Prozessor (5) miteinander verglichen und
die Umwälzpumpe (3), die Umwälzpumpe (13) oder die Wasserzugabepumpe (7)
gestartet oder gestoppt, um den Fluß der Reaktionslösung einzustellen, in
der das injizierte Wasser gelöst wird. So wird die Wasserkonzentration in
der Reaktionslösung im Reaktionssystem auf dem vorher festgelegten Wert
gehalten. Das bedeutet, daß, wenn die gemessene Wasserkonzentration
niedriger als der vorher festgelegte Wert ist, die Reaktionslösung aus dem
Reaktor (1) durch die Umwälzpumpe (3) entnommen, zu der Wasserlöse-Einheit
(2) geführt wird und zur gleichen Zeit Wasser durch die Wasserzugabepumpe
(7) hinzugefügt wird, im Anschluß die benötigte Menge an Reaktionslösung,
in der Wasser gelöst ist, zu dem Reaktor (1) geführt wird, um die
Wasserkonzentration in der Reaktionslösung in dem Reaktor (1) zu erhöhen.
Dadurch kann der Wassergehalt des Katalysators ständig auf dem benötigten,
geeigneten Wert gehalten werden. Dadurch läßt sich eine kontinuierliche
Reaktion durchführen, und das Produkt wird auf gleiche Weise wie bei der
in Abb. 2 gezeigten Anlage abgetrennt.
Abb. 4 zeigt eine schematische Ansicht einer Reaktionsanlage, bei der
ein Mehrstufen-Flüssigbett als Reaktor benutzt wird und jede Stufe des
Reaktors mit einer Wassergehalt-Einstelleinheit vom Rührtank-Typ
verbunden ist. In der in Abb. 4 gezeigten Anlage umfaßt der Reaktor
ein Mehrstufen-Flüssigbett, und jede Stufe des Reaktors (1) und jede
Wassergehalt-Einstelleinheit (8) sind miteinander jeweils über eine
Umwälzpumpe (3) und (13) verbunden. In der
Wassergehalt-Einstelleinheit (8) wird eine wäßrige Lösung einer
wasserlöslichen Substanz mit der Reaktionslösung in Kontakt gebracht. Die
zuvor genannte wasserlösliche Substanz und die Reaktionslösung sind dabei
nicht miteinander mischbar. In der in Abb. 4 gezeigten Anlage ist der
Reaktor (1) ein Mehrstufenreaktor, und eine Umwälzpumpe (12) wird die
ganze Zeit betrieben, um den Katalysator im Reaktor (1) aufgewirbelt zu
halten. Die Wasserkonzentration der ersten Stufe, die die niedrigste Stufe
im Reaktor (1) ist, wird durch Zugabe von Wasser durch eine Wasserlöse-
Einheit (2) über die Wasserzugabeleitung (11) durch die Wasserzugabepumpe
(7) gesteigert. Zusätzlich sind die zweite und dritte Stufe jeweils an die
Wasserkonzentrations-Einstelleinheit (8) über die Umwälzpumpe (3)
angeschlossen. In der Wasserkonzentrations-Einstelleinheit (8) werden eine
wäßrige Lösung von Glycerin und der Reaktionslösung so ruhig gerührt, daß
die Bildung von Wassertröpfchen verhindert wird. So werden die wäßrige
Lösung von Glycerin und die Reaktionsmischung miteinander in Kontakt
gebracht. Unter Verwendung der dynamischen Gleichgewichts-Beziehung
zwischen der Reaktionslösung und der wäßrigen Lösung von Glycerin wird
Wasser aus der wäßrigen Lösung von Glycerin in der Reaktionslösung
gelöst, oder Wasser in der Reaktionslösung wird durch die wäßrige Lösung
von Glycerin entfernt, und im folgenden wird die Reaktionslösung in den
Reaktor zurückgeführt. Dadurch wird die Wasserkonzentration in der
Reaktionslösung genauestens eingestellt.
Dabei wird in der obigen Wassergehalts-Einstelleinheit (8), wenn die
Wasserkonzentration in der Reaktionslösung höher als die Konzentration im
Gleichgewichtszustand ist, der Überschuß Wasser in der wäßrigen Lösung
von Glycerin entsprechend der dynamischen Gleichgewichts-Beziehung
zwischen der wäßrigen Lösung und Glycerin und der Reaktionslösung
absorbiert. Auf der anderen Seite wird, wenn die Wasserkonzentration in
der Reaktionslösung niedriger als die Konzentration im
Gleichgewichtszustand ist, die benötigte Menge an Wasser aus der wäßrigen
Lösung von Glycerin bereitgestellt.
Die Wasserkonzentration in der Reaktionslösung wird immer mittels eines
Wasserkonzentrationssensors (4) auf gleiche Weise wie in der in Abb.
(2) gezeigten Anlage gemessen. Im Anschluß werden der gemessenen Wert und
der vorher festgelegte Wert im Prozessor (5) miteinander verglichen und
die Umwälzpumpe (3), die Umwälzpumpe (13) oder die Wasserzugabepumpe (7)
angelassen oder angehalten, um Wasser in der Reaktionslösung zu lösen oder
um Wasser aus der Reaktionslösung zu entfernen. Auf diese Weise wird die
Wasserkonzentration in der Reaktionslösung auf den vorher festgelegten
Wert konstant eingestellt.
Das bedeutet, daß, wenn die Wasserkonzentration, die auf jeder Stufe
gemessen wurde, niedriger als der vorher festgelegte Wert ist, die
Reaktionslösung, in der Wasser durch Zugabe von Wasser durch die
Wasserlöse-Einheit (2) über die Wasserzugabepumpe (7) gelöst wird, zu der
ersten Stufe des Reaktors (1) unter Verwendung der Umwälzpumpe (12)
geführt wird, und die Reaktionslösung, die aus dem Reaktor (1) durch die
Umwälzpumpe (3) entnommen wird und die der Wassergehalts-Einstelleinheit
(8) zugeführt wird, wo die Wasserkonzentration eingestellt wird, zu der
zweiten und dritten Stufe des Reaktors (1) durch Verwendung der
Umwälzpumpe (13) geführt wird. Dadurch wird die Wasserkonzentration in der
Reaktionslösung im Reaktor gesteigert oder verringert und der Wassergehalt
des Katalysators kann auf jeder Stufe konstant auf dem benötigten
geeigneten Wert gehalten werden. So läßt sich eine kontinuierliche
Reaktion durchführen, und das Produkt wird auf gleiche Weise wie bei der
in Abb. 2 gezeigten Anlage und der dazugehörigen Erklärung der
Abb. 2 abgetrennt.
Abb. 5 zeigt eine schematische Abbildung einer Reaktionsanlage, bei
der ein Reaktor aus einem Einstufenrührtank wie in Abb. 2 und einer
Wasserlöse-Einheit aus einer mit Wasser gefüllten Säule wie in Abb. 2
gezeigt mit einer Wasserentfernungs-Einheit aus einer Füllkörpersäule aus
Kalziumchlorid kombiniert werden. Die Reaktionsanlage, die in Abb. 5
gezeigt ist, ist mit einer Wasserentfernungs-Einheit (14) versehen, die
eine Kalziumchlorid-Füllkörpersäule zwischen dem Reaktor (1) und dem
Reaktionslösungseinlaß (9) umfaßt. Bei diesem System wird die
Reaktionslösung, die zur vollständigen oder teilweisen Wasserentfernung
durch die Wasserentfernungs-Einheit (14) geleitet wird, zu dem Reaktor (1)
über den Reaktionslösungseinlaß (16) zugegeben. Daneben wird die
Wasserkonzentration in der Reaktionslösung über die ganze Zeit über einen
Wassergehaltssensor (4) auf gleiche Weise wie in der in Abb. (2)
gezeigten Anlage gemessen. Daraufhin werden der gemessene Wert und der
vorher festgelegte Wert miteinander im Prozessor (5) verglichen, und die
Umwälzpumpe (3) in Betrieb genommen oder angehalten. Auf diese Weise wird
die Wasserkonzentration in der Reaktionslösung auf dem vorher festgelegten
Wert gehalten. Auf diese Weise läßt sich eine kontinuierliche Reaktion
durchführen, und das Produkt wird auf gleiche Weise wie der in
Abb. 2 gezeigten Anlage abgetrennt.
Abb. 6 zeigt eine schematische Abbildung einer Reaktionsanlage, bei
der ein Einstufenrührtank-Reaktor wie in Abb. 3 und eine Wasserlöse-
Einheit vom Rührtank-Typ wie in Abb. 3 mit einer Wasserentfernungs-
Einheit aus einer Füllkörper-Kieselgelsäule kombiniert werden. Bei der in
Abb. 6 gezeigten Anlage ist ein Reaktor (1) mit einer Wasserlöse-
Einheit (2) über eine Umwälzpumpe (3) und gleichzeitig mit einer
Wasserentfernungs-Einheit (14) über eine Umwälzpumpe (13) verbunden.
In der in Abb. 6 gezeigten Anlage wird die Wasserkonzentration in der
Reaktionslösung die ganze Zeit durch einen Wassergehaltssensor (4) auf
gleiche Weise wie in der Abb. 3 gezeigten Anlage gemessen. Im
Anschluß wird der gemessene Wert mit der vorher festgelegten Konzentration
mit einer gewissen zulässigen Schwankungsbreite im Prozessor (5)
verglichen. Wenn der gemessene Wert niedriger als der niedrigste zulässige
Grenzwert der vorher festgelegten Konzentration ist, werden die
Wasserzugabepumpe (7) und die Umwälzpumpen (3) und (13) angelassen, um die
Wasserkonzentration in der Reaktionslösung zu erhöhen. Demgegenüber wird,
wenn der gemessene Wert höher als der höchste zulässige Grenzwert der
vorher festgelegten Konzentration ist, die Umwälzpumpe (15) angelassen, um
Wasser zu entfernen und die Wasserkonzentration in der Reaktionslösung zu
erniedrigen. Entsprechend wird die Wasserkonzentration konstant im
benötigten, geeigneten Bereich der Wasserkonzentration mit einer
zufriedenstellenden Genauigkeit gehalten. Auf diese Weise läßt sich eine
kontinuierliche Reaktion durchführen, und das Produkt wird auf gleiche
Weise wie in der in Abb. 2 gezeigten Anlage abgetrennt.
Bei Verwendung der Anlagen, die in Abb. 5 und 6 gezeigt werden,
kann die Wasserkonzentration genauer eingestellt werden als bei Verwendung
der in Abb. 2 und 3 gezeigten Anlagen, und aus diesem Grunde wird
die Nebenreaktion, d. h. die Hydrolyse unterdrückt, und die Ausbeute und
Qualtität des als Ergebnis der Umesterung erhaltenen Produktes kann
verbessert werden.
Abb. 7 stellt eine schematische Ansicht einer Reaktionsanlage dar,
wobei ein Einstufenrührtank-Reaktor mit einer Wassergehalts-
Einstelleinheit aus einer mit einer wäßrigen Lösung von Glycerin gefüllten
Füllkörpersäule kombiniert wird.
In der in Abb. 7 gezeigten Anlage ist der Reaktor (1) mit der
Wassergehalts-Einstelleinheit (8) über die Umwälzpumpe (3) verbunden. Die
Reaktionslösung zirkuliert ständig zwischen dem Reaktor (1) und der
Wassergehalts-Einstelleinheit über die Umwälzpumpe (3), und die
Wasserkonzentration in der zirkulierten Reaktionslösung wird über die
dynamische Gleichgewichts-Beziehung zwischen der wäßrigen Lösung von
Glycerin und der Reaktionsflüssigkeit auf den vorher festgelegten Wert
gehalten.
In der Wassergehalt-Einstelleinheit (8) kann durch Änderung der
Zusammensetzung der wäßrigen Lösung von Glycerin, die mit der
Reaktionslösung in Berührung gebracht wird, die Wasserkonzentration
in der Reaktionslösung auf jeden gewünschten Wert entsprechend der
dynamischen Gleichgewichtsbeziehung eingestellt werden. Aus diesem Grund
dient die wäßrige Lösung von Glycerin sowohl der Zugabe von Wasser als
auch zur Entfernung von Wasser.
Das bedeutet, daß, wenn die Wasserkonzentration in der Reaktionslösung
größer als die Konzentration im Gleichgewichtszustand ist, der Überschuß
an Wasser von der wäßrigen Lösung von Glycerin absorbiert wird.
Demgegenüber wird, wenn die Wasserkonzentration in der Reaktionslösung
niedriger als die Konzentration im Gleichgewichtszustand ist, die
benötigte Menge an Wasser aus der wäßrigen Lösung von Glycerin zur
Verfügung gestellt. Auf diese Weise kann die Wasserkonzentration in der
Reaktionslösung auf dem vorher festgelegten Wert in der Wassergehalt-
Einstelleinzheit (8) entsprechend der dynamischen Gleichgewichtsbeziehung
gehalten werden. Als Ergebnis kann in dem Reaktor der Wassergehalt des
Katalysators entsprechend der dynamischen Gleichgewichtsbeziehung
zwischen der Wasserkonzentration in der Reaktionsflüssigkeit und dem
Wassergehalt des Katalysators konstant auf der vorher festgelegten
Konzentration gehalten werden. Auf diese Weise läßt sich eine
kontinuierliche Reaktion durchführen, und das Produkt wird auf gleiche
Weise wie in der in Abb. 2 gezeigten Anlage abgetrennt.
Die in Abb. 7 gezeigte Anlage ist ein Ausführungsbeispiel, bei dem
die Wasserkonzentration auf den vorher festgelegten Wert ohne Verwendung
eines Wassergehaltssensors eingestellt wird. In der Wassergehalt-
Einstelleinheit (8) dieser Anlage wird die Wasserkonzentration in der
Reaktionslösung auf einen Wert eingestellt, der der
Wasserkonzentration der wäßrigen Lösung von Glycerin entsprechend der
dynamischen Gleichgewichtsbeziehung zwischen der wäßrigen Lösung von
Glycerin und der Reaktionslösung entspricht. Daneben zirkuliert die
zuvor erwähnte Reaktionslösung ständig zwischen der Wassergehalt-
Einstelleinheit (8) und dem Reaktor (1). Dadurch wird die
Wasserkonzentration im Katalysator im Reaktor (1) auf dem vorher
festgelegten Wert gehalten. Im weiteren wird in den Anlagen, die in den
Abb. 2 bis 6 gezeigt werden, die Wasserkonzentration in der
Reaktionslösung im Reaktor (1) immer über den
Wasserkonzentrationssensor (4) gemessen, und die Pumpe wird gestartet oder
angehalten, während der gemessene Wert mit dem vorher festgelegten Wert im
Prozessor (5) verglichen wird. Im Anschluß wird die Wasserkonzentration in
der Reaktionslösung auf den festgelegten Wert durch Kontrolle der
Flußrate eingestellt. Dadurch wird der Wassergehalt im Katalysator auf dem
vorher festgelegten Wert gehalten.
Hinsichtlich der in der vorliegenden Erfindung verwendeten Lipase gibt es
keinerlei Herkunftsbeschränkung. Jedoch hängt die Positionsspezifität und
Substratspezifität des Enzyms von der Herkunft des Enzyms ab, und aus
diesem Grunde können Produkte mit hoher Reinheit nach Belieben durch
Verwendung der obigen Spezifitäten hergestellt werden.
Zum Beispiel kann bei Verwendung von Enzymen aus Candida rugosa,
Corynebacterium acnes, Staphylococcus aureus oder ähnlichen, die kaum
Spezifitäten zeigen, die Umesterung zufällig in der 1-, 2- und 3-Position
erfolgen. Bei Verwendung eines Enzyms aus Geotrichum candidum, das
selektiv nur langkettige Fettsäuren mit einer cis-Doppelbindung in der 9-
Position aus dem Triglycerid freisetzt, nur der zuvor genannte Acylrest im
Triglycerid gegen einen anderen Acylrest ausgetauscht werden. Daneben ist
es möglich, wenn die Umesterung unter Verwendung eines Enzymes aus
Aspergillus niger, Mucor javanicus oder einem Mikroorganismus aus dem
Stamm Rhizopus, das spezifisch für die 1- und 3-Position im Triglycerid
ist, einen Acylrest in den 1- und 3-Positionen gegen andere Acylreste
auszutauschen, wohingehend der Acylrest in der 2-Position unverändert
bleibt. Beispielhaft für die Verwendung eines Enzymes der zuvor erwähnten
Art kann die Herstellung von Substitutionsfetten für Kakaobutter,
eingeschlossen eine große Menge an SOP (1-Stearoyl-2-oleyl-3-palmitoyl-
glycerin) gelten, wobei Stearinsäure und Palmitinsäure in der 1- und 3-
Position jeweils gebunden ist.
Bei Verwendung des zuvor erwähnten Enzyms ist es industriell bevorzugt,
daß der immobilisierte Enzymkatalysator mit dem Enzym entsprechend den
verschiedenen Immobilisierungsverfahren präparat wird, so daß der
immobilisierte Enzymkatalysator wieder verwendet werden kann oder
kontinuierlich verwendet wird, um den Verbrauch des teuren Enzyms zu
reduzieren. Als Verfahren zur Immobilisierung des Enzyms können
beispielhaft genannt werden ein Absorptionsverfahren unter Verwendung von
Trägern wie Celit, aktiviertem Aluminiumoxyd, aktiviertem Ton, Kieselgur
und Aktivkohle, ein Einschlußverfahren unter Verwendung von
Polyurethanharzen, Carageenan, Natriumalginat oder photovernetzbaren
Harzen, ein Vernetzungsverfahren, wobei das Enzym auf dem Träger unter
Verwendung verschiedener Vernetzungsmittel immobilisiert wird. Jedes der
zuvor genannten Verfahren kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung
verwendet werden.
Das Enzym, das in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, kann ein
gereinigtes Enzym oder ein Rohenzym sein, das durch Aussalzen aus der
Kulturlösung erhalten wird, oder ähnliche.
Das in der vorliegenden Erfindung verwendete Enzym ist nicht auf ein
bestimmtes Enzym beschränkt, das aus einer mikrobiellen Zelle extrahiert
wurde, sondern daneben können ebenso mikrobielle Zellen selbst, die Lipase
enthalten, verwendet werden. Wenn eine mikrobielle Zelle verwandt wird,
ist die Affinität zwischen dem Enzym und Substrat hoch und die
Reaktionsgeschwindigkeit ist hoch, da die Zellmembran der mikrobiellen
Zelle sowohl hydrophobe als auch hydrophile Eigenschaften hat. Daneben
kann als mikrobielle Zelle eine Kulturzelle selbst verwendet werden, und
dann kann entsprechend eine mikrobielle Zelle verwendet werden, die mit
denselben Immobilisierungsverfahren wie oben beschrieben oder
entsprechend einem Verfahren, worin eine mikrobielle Zelle auf einem
porösen Material mit einer Schwamm- oder Netzstruktur immobilisiert wird,
immobilisiert wurde. Besonders dann, wenn das letzte Verfahren verwendet
wird, wird kein Gelatinierungsmittel benötigt, wohingegen bei dem
Einschlußverfahren ein Gelatinierungsmittel verwendet wird. Daneben hat
dieses Verfahren weitere Vorteile, einschließlich der hohen
Reaktionsgeschwindigkeit. Aus diesem Grund stellt dieses Verfahren das
industriell vorteilhafteste Verfahren dar. Als zuvor erwähntes poröses
Material kann ein Material mit Block- oder Kugelform aus Metall oder
Polymerharz verwendet werden. Das poröse metallische Material sind
beispielsweise Partikel in Form aufgerollter Metallfasern, wobei die
Fasern aus rostfreiem Stahl, Eisen, Aluminium oder ähnlichem sind. Das
poröse Polymermaterial sind beispielsweise Additionspolymermaterialien wie
Polyolefine, Dienpolymere und Vinylpolymere,
Kondensationspolymermaterialien wie Polyäther, Polyester und Nylon, oder
Materialien wie Silikonharze und Fluorharze und Fluorharze. Beispielweise kann ein
Material aus Polyurethanschaum verwendet werden, das im Handel von
Kabushiki Kaisha Bridgestone unter dem Handelsnamen HR-40 erhältlich ist.
Um die Mikroorganismen ausreichend zu immobilisieren, wird unter den zuvor
erwähnten porösen Materialien bevorzugt poröses Material verwendet, das
eine Porösität von 60 bis 99% hat, wobei die Anzahl der Poren pro Einheit
gerader Länge 2 bis 50 cm und die Außenabmessungen 1 bis 20 mm sind.
Daneben ist es wünschenswert, den Wassergehalt des Katalysators auf einen
gewissen Wert vor der Reaktion einzustellen, um eine effektive Einstellung
im Verlauf der Reaktion einschließlich der Anfangsphase zu erreichen.
Wenn der Überschuß Wasser entfernt wird, kann die Entfernung des
Überschusses Wasser durch Extraktion des Wassers über Auslaugen des
Katalysators mit Aceton oder einer wäßrigen Lösung von Aceton, oder falls
notwendig durch Trocknen des immobilisierten Enzymkatalysators unter
erniedrigtem Druck durchgeführt werden.
Als Substrat kann bei der vorliegenden Erfindung eine Mischung eines
Fettes oder Öles und eines weiteren Fettes oder Öles, eine Mischung eines
Fettes oder Öles und einer freien Fettsäure mit 8 bis 24
Kohlenstoffatomen, oder eine Mischung eines Fettes oder Öles und eines
Esters der zuvor genannten Fettsäure mit einem niedrigen Alkohol mit 1 bis
3 Kohlenstoffatomen verwandt werden. Als zuvor genanntes Fett oder Öl kann
ein Fett oder Öl wie Palmöl, Olivenöl, Kokosnußöl, Schibutter, Fischöl
oder Teeöl verwendet werden. Eine Mischung davon kann ebenfalls verwendet
werden.
Als Fettsäure werden beispielhaft genannte gesättigte Fettsäuren wie
Caprylsäure, Caprinsäure, Palmitinsäure, Stearinsäure und Behensäure
ungesättigte Fettsäuren wie Palmitolsäure, Ölsäure, Linolsäure und
Linolensäure. Die zuvor genannten Fettsäuren können einzeln oder als
Mischung verwandt werden. Als Fettsäureester mit einem Alkohol können
verwendet werden eine Ester aus den zuvor genannten Fettsäuren und einem
niederen Alkohol, z. B. ein Ester der zuvor erwähnten Fettsäuren mit
Methylalkohol, Ethylalkohol oder Propylalkohol.
Im weiteren kann bei der vorliegenden Erfindung das zuvor erwähnte
Substrat in reiner Form verwendet werden, oder das Substrat kann nach
Verdünnung - falls notwendig - mit organischen Lösungsmitteln wie n-Hexan,
Isooctan, Aceton, Ethanol, Methanol und Petroläther verwendet werden.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Durchführung einer Umesterung unter Verwendung einer Lipase mittels einer
reversiblen Hydrolyse-Reaktion und bei einem geringen Wassergehalt. Bei
dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird Wasser geeignet dem
Reaktionssystem, in dem Wasser im Verlauf der Hydrolyse verbraucht wird,
besonders den immobilisierten Enzymkatalysatoren zugeführt, so daß der
Wassergehalt des Katalysators konstant auf einen geeigneten, sehr
niedrigen Konzentrationswert eingestellt wird, bei dem die Aktivität des
Enzyms effektiv ausgenutzt wird und die Bildung von Nebenprodukten
unterdrückt wird. Auf diese Weise läßt sich das Verfahren der vorliegenden
Erfindung als industrielle Anwendung dieser Reaktion ausnutzen.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung kann die Reaktion nicht nur über
eine Chargen-Reaktion durchgeführt werden, sondern ebenso als
kontinuierliche Reaktion, die bisher wegen der Inaktivierung des Enzyms
durch den Verbrauch von Wasser als schwierig galt.
Das Verfahren der kontinuierlichen Reaktion entsprechend der vorliegenden
Erfindung hat die Vorteile, daß die Produktionsgeschwindigkeit des
Produktes hoch ist und so eine Energieeinsparung erreicht wird, und daß
die Konzentration der Nebenprodukte im Vergleich mit der Chargen-
Reaktion erniedrigt wird. Aus diesem Grund können weitere Schritte zur
Veredelung des Produktes vermindert werden, und darüberhinaus ist die
Ausbeute und die Qualität des Produktes bei der kontinuierlichen
Umesterung verbessert.
Da das Verfahren der vorliegenden Erfindung die Wasserkonzentration des
Reaktionssystems geeignet einstellen kann, kann das teure Enzym
entsprechend sehr wirkungsvoll verwendet werden, und so sind große
Erträge auf dem Gebiet der biochemischen Verwertbarkeit ermöglicht.
Die vorliegende Erfindung wird genauer beschrieben und in den folgenden
Beispielen erklärt. Es ist selbstverständlich, daß die vorliegende
Erfindung nicht auf die Beispiele beschränkt ist und verschiedene
Abänderungen und Modifikationen in der Erfindung gemacht werden können,
ohne von deren Geist und Inhalt abzuweichen.
Zu der Reaktionslösung, die einen Gewichtsteil Olivenöl, zwei
Gewichtsteile Methylenstearat und drei Gewichtsteile Hexan enthält, wurden
0,5 Gewichtsteile getrockneter Zellen von Rhizopus chinensis IFO 4768 zur
Durchführung einer Umesterung gegeben, wobei die Wasserkonzentration in
der Reaktionslösung über einen Wassergehaltssensor gemessen wurde und die
Wasserkonzentration in der Reaktionslösung entsprechend eingestellt wurde.
Der verwendbare Mikroorganismus wurde bei 30°C über 40 Stunden in einem
Kulturmedium kultiviert, das durch Auflösen von sieben Gewichtsteilen
Pepton, zwei Gewichtsteilen Glukose, 0,1 Gewichtsteil
Kaliumdihydrogenphosphat, 0,1 Gewichtsteil Natriumnitrat und 0,05
Gewichtsteile Magnesiumsulfat in 100 Gewichtsteilen Wasser erhalten
wurde, und wobei der pH-Wert im Kulturmedium bei 5,6 gehalten wurde. Nach
Fertigstellung der Kultur wurde die Kulturbrühe filtriert, um die
kultivierten Zellen aus dem Kulturmedium abzutrennen, und die so
erhaltenen Zellen wurden zweimal mit 5 Gewichtsteilen Aceton auf ein
Gewichtsteil Zellen durchtränkt. Die halbgetrockneten Zellen, die durch
Refiltration erhalten wurden, wurden über 2 Stunden unter reduziertem
Druck getrocknet, wobei man getrocknete Zellen erhielt. Die
Wasserkonzentration in den erhaltenen Zellen betrug 8 Gew.-%.
Getrennt davon wurden die gleichen Zellen vor der oben
erwähnten Trocknung durch Erhitzen inaktiviert und entsprechend dem oben
erwähnten Verfahren getrocknet, wobei man inaktivierte getrocknete Zellen
erhielt. Die erhaltenen inaktivierten getrockneten Zellen wurden mit der
oben erwähnten Reaktionslösung gemischt, und die dynamische
Gleichgewichtsbeziehung von Wasser zwischen der Reaktionslösung und
den inaktivierten getrockneten Zellen wurde untersucht. Um die dynamische
Gleichgewichtsbeziehung zu untersuchen, wurden einige Zubereitungen von
Mischungssystemen von drei Gewichtsteilen der inaktivierten Zellen und 100
Gewichtsteilen der oben erwähnten Reaktionslösung hergestellt. Zu
jeder der Mischungen wurde Wasser in einer Menge von 0 bis 1 Gewichtsteil
gegeben, und die Mischungen wurden über einen Zeitraum von 3 bis 24
Stunden gerührt, um einen Gleichgewichtszustand zu erreichen, und
daraufhin wurde die Wasserkonzentration in jeder der Reaktionslösungen
über das Karl Fischer-Verfahren bestimmt. Die absorbierte Wassermenge in
den getrockneten Zellen wurde aus dem Unterschied zwischen der Menge an
zugegebenem Wasser und der Menge an in der Reaktionslösung vorhandenen
Wasser gemessen. Die erhaltene dynamische Gleichgewichtsbeziehung von
Wasser zwischen der Reaktionslösung und den getrockneten Zellen ist in
Abb. 1 gezeigt.
Auf der anderen Seite wurden zu 3,0 Gewichtsteilen der oben erwähnten
getrockneten Zellen 100 Gewichtsteile der oben erwähnten
Reaktionslösung gegeben und die Umesterung wurde in einem Rührtank
vom Chargentyp durchgeführt, wobei die Wasserkonzentration in der
Reaktionslösung eingestellt wurde. Die Wasserkonzentration in der
Reaktionslösung wurde über einen Wassergehaltsanalysator (Hygrometer)
hergestellt von PANAMETRICS INC. (Warenzeichen: SYSTEM 1) gemessen und
wurde durch Zugabe von Wasser auf einen bestimmten Wert gehalten. Der
Wassergehalt der Zellen wurde aus dem Wert der Wasserkonzentration in der
wie oben hergestellten Reaktionslösung und der dynamischen
Gleichgewichtsbeziehung wie in Abb. 1 gezeigt berechnet. Die
Zusammensetzung der Reaktionslösung wurde mittels
Flüssigkeitschromatografie bestimmt, wobei die Abnahmerate des
Trioleingehaltes im Olivenöl gemessen wurde.
Die Flüssigkeitschromatografieanalyse wurde unter Verwendung eines Eluents
(Acetonitril:Chloroform = 7:3) bei einer Flußgeschwindigkeit von 1 ml/
Minute und bei einer Temperatur von 30°C zur Abtrennung der Komponenten
durchgeführt. Es wurde eines Säule der Firma Merck Co. Inc. verwendet
(Handelsname: Lichrospher 100Rp-18 (4 mm × 250 mm, Teilchengröße 5 µm)). Das
Eluat wurde mittels eines Refraktometers RI analysiert. Es ergaben sich
die Komponenten Tiolein, 1-Stearoyl-2,3-dioleyl-glycerin und 1,3-
Distearoyl-2-oleyl-glycerin. Anhand des Ergebnisses der Untersuchung der
Abnahmerate der Tioleinkomponente im Olivenöl über den Reaktor vom
Chargen-Typ wurde gefunden, daß der Wassergehalt der getrockneten Zellen
vorzugsweise auf 8,0 Gew.-% einzustellen ist, um die
Umesterungsgeschwindigkeit zu steigern, oder mit anderen Worten, die
Wasserkonzentration in der Reaktionslösung wird bevorzugt auf 300 ppm
eingestellt.
Die Reaktionslösung mit der gleichen Zusammensetzung wie die oben erwähnte
Reaktionslösung wurde in einen Reaktor in der in Abb. 2 gezeigten
Reaktionsanlage eingefüllt und einer kontinuierlichen Umesterung
unterzogen, so daß die mittlere Aufenthaltsdauer in dem Reaktor eine
Stunde betrug. Der verwendete Reaktor (1) vom Rührtank-Typ hatte dabei
einen inneren Durchmesser von 6 cm und eine Höhe von 15 cm, und die
Wasserlöse-Einheit (2) bestand aus einem zylindrischen Turm mit einem
inneren Durchmesser von 3 cm und einer Höhe von 10 cm, der mit Wasser
gefüllt war. Die Wasserkonzentration in der Reaktionslösung wurde über den
oben erwähnten Wassergehaltssensor analysiert und eingestellt durch Ein-
oder Ausschalten der Umwälzpumpe (3). Die Reaktion wurde durchgeführt bei
einer Temperatur von 40°C und bei einer Rührgeschwindigkeit von 350 UpM,
wobei die Wasserkonzentration in der Reaktionslösung auf konstant 300 ppm
eingestellt wurde.
Die Triglycerid-Zusammensetzung wurde auf oben beschriebene Weise
analyisiert und die Konzentration des gewünschten Produktes 1,3-
Distearoyl-2-Oleyl-Glycerol (im folgenden als SOS bezeichnet) in der
Reaktionslösung wurde 0,5, 1, 4, 10 und 20 Tage nach Beginn der
Umesterung analysiert. Die erhaltenen Werte sind in Tabelle 1 gezeigt.
In Beispiel 2 wurde die Umesterung der Reaktionslösung unter
Verwendung der gleichen getrockneten Zellen und der gleichen
Reaktionslösung wie im Beispiel 1 unter den gleichen Bedingungen wie im
Beispiel 1 unter Einstellung der Wasserkonzentration in der
Reaktionslösung auf konstant 150 ppm durchgeführt.
In Beispiel 3 wurde das Verfahren von Beispiel 2 wiederholt mit der
Ausnahme, daß die Wasserkonzentration auf 500 anstelle von 150 ppm
eingestellt wurde.
Im Vergleichsbeispiel 1 wurde das Verfahren vom Beispiel 2 wiederholt mit
der Ausnahme, daß die Wasserkonzentration in der Reaktionslösung nicht
eingestellt wurde.
Die Konzentration des gewünschten Produktes SOS wurde auf gleiche Weise
wie in Beispiel 1 analysiert, und die Ergebnisse sind in der Tabelle 1
gezeigt.
Wie anhand Tabelle 1 ersichtlich, war die Produktivität des Produktes in
Beispiel 1, bei dem die Reaktionslösung der Reaktion unter Einstellung der
Wasserkonzentration in der Reaktionslösung auf 300 ppm unterworfen wurde
im Vergleich mit den Produktivitäten im Vergleichsbeispiel 1 und den
Beispielen 2 und 3 am höchsten. Wenn die eingestellte Wasserkonzentration
zu hoch war wie in Beispiel 3 oder zu niedrig wie in Beispiel 2, wurde die
Produktivität erniedrigt. Wenn die kontinuierliche Reaktion ohne Zugabe
von Wasser wie im Vergleichsbeispiel 1 durchgeführt wurde, lief nach
einiger Zeit die Reaktion nicht weiter. Wenn jedoch die Reaktion unter
Zugabe von Wasser durchgeführt wurde, um die Wasserkonzentration
einzustellen, konnten die Produkte, die eine ebenfalls konstante
Konzentration an SOS aufwiesen, sogar nach dem zweiten Tag und sogar über
zwanzig Tage hergestellt werden.
Zu der Reaktionslösung, die einen Gewichtsteil Olivenöl, zwei
Gewichtsteile Methylstearat und drei Gewichtsteile Hexan enthielt, wurden
0,5 Gewichtsteile des immobilisierten Enzymkatalysators gegeben, der durch
Absorption eines Enzyms, gewonnen aus Rhizopus delemar, auf Celit
hergestellt worden war. Anschließend wurde eine Umesterung durchgeführt,
wobei die Wasserkonzentration in der Reaktionslösung über einen
Wassergehaltssensor bestimmt wurde und die Wasserkonzentration in der
Reaktionslösung eingestellt wurde.
Wie in Abb. 3 gezeigt, war der benutzte Reaktor (1) ein Reaktor vom
Rührtank-Typ mit einer Stufe (innerer Durchmesser 6 cm × Höhe 15 cm), und
die benutzte Wasserlöse-Einheit (2) war ebenfalls eine Einheit vom
Rührtank-Typ (innerer Durchmesser 4 cm × Höhe 8 cm). Zur Einstellung der
Wasserkonzentration in der Reaktionslösung wurde die Reaktionslösung
konstant zirkuliert, und die benötigte Menge an Wasser wurde über die
Wasserlöse-Einheit zugefügt und in der Reaktionslösung gelöst.
Der immobilisierte Enzymkatalysator wurde auf folgende Weise hergestellt.
Als Rohmaterial wurde Enzym (hergestellt von Seikagaku Kogyo Kabushiki
Kaisha), abgeleitet von Rhizopus delemar, verwandt. 0,3 Gewichtsteile des
Enzyms auf 10 Gewichtsteile Wasser wurden aufgelöst, und dazu 2
Gewichtsteile Celit hinzugefügt, und im folgenden 50 Gewichtsteile Aceton
hinzugefügt, um das Enzym auf die Oberfläche des Celits abzuscheiden. Zu
dem immobilisierten Enzymkatalysator, der durch Filtration der obigen
Mischung erhalten wurden, wurden 50 Gewichtsteile Aceton gegeben, und
dadurch der Überschuß Wasser im immobilisierten Enzymkatalysator durch das
Aceton extrahiert. Im Anschluß wurde die Mischung wiederum filtriert,
wobei man einen halbgetrockneten immobilisierten Enzymkatalysator erhielt,
der weiterhin über 24 Stunden unter reduziertem Druck getrocknet wurde,
wobei man einen getrockneten immobilisierten Enzymkatalysator erhielt. Die
Wasserkonzentration in dem erhaltenen getrockneten immobilisierten
Enzymkatalysator betrug 3 Gew.-%.
Im folgenden wurde die dynamische Gleichgewichtsbeziehung von Wasser in
der Reaktionslösung und dem immobilisierten Enzymkatalysator und die
Beziehung zwischen der Reaktionsgeschwindigkeit und der
Wasserkonzentration im Katalysator auf gleiche Weise wie in Beispiel 1
untersucht. Auf Basis der Ergebnisse der obigen Untersuchung wurde die
Umesterung der Reaktionslösung unter Einstellung der Wasserkonzentration
im Katalysator auf 3,5 Gew.-% und Einstellung der Wasserkonzentration in
der Reaktionslösung auf 280 ppm eingestellt, so daß die
Reaktionsgeschwindigkeit einen Maximalwert erreicht. Die Analyse der
Triglycerid-Zusammensetzung wurde auf gleiche Weise wie in Beispiel 1
durchgeführt, und die Konzentration des Produktes SOS in der
Reaktionslösung 0,5, 1, 4, 10 und 20 Tage nach Beginn der Umesterung
bestimmt. Die Werte sind in Tabelle 2 gezeigt.
Eine kontinuierliche Umesterung wurde unter Verwendung des gleichen
immobilisierten Enzymkatalysators wie in Beispiel 4 und unter den gleichen
Reaktionsbedingungen wie in Beispiel 4, jedoch ohne die Zufügung von
Wasser durchgeführt. Die Konzentration des gewünschten Produktes SOS in
der Reaktionslösung wurde auf gleiche Weise wie in Beispiel 1 analysiert
und die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt. Wie anhand der Tabelle 2
ersichtlich ist, war die Konzentration des Produktes SOS in der
Reaktionslösung in Beispiel 4, bei dem die Wasserkonzentration in der
Reaktionslösung eingestellt wurde, bei einem nahezu konstanten
Konzentrationswert in der Reaktionslösung schon nach dem zweiten Tag und
sogar über einen Zeitraum von 20 Tagen erhalten. Im Gegensatz dazu nahm
die Konzentration an Produkt SOS in der Reaktionslösung im
Vergleichsbeispiel 2, bei dem die Wasserkonzentration nicht eingestellt
wurde, langsam ab. Anhand der Ergebnisse wird ersichtlich, daß die
Produktivität des Produktes im Beispiel 4, bei dem die kontinuierliche
Reaktions unter Einstellung der Wasserkonzentration durchgeführt wurde,
höher war als im Vergleichsbeispiel 2, bei dem die Reaktion ohne Zugabe
von Wasser durchgeführt wurde.
Eine kontinuierliche Umesterung wurde durchgeführt unter Verwendung der
Reaktionslösung aus einem Gewichtsteil Olivenöl, einem Gewichtsteil
Caprylsäure und einem Gewichtsteil Hexan und den getrockneten Zellen aus
Beispiel 1, wobei die Wasserkonzentration in der Reaktionslösung auf
gleiche Weise wie im Beispiel 1 auf 300 ppm eingestellt wurde. Die
Zusammensetzung der Triglyceride in der Reaktionslösung wurde auf
gleiche Weise wie in Beispiel 1 analysiert, und die Konzentrationen des
Produktes 1,3-Dicapryloyl-2-oleyl-glycerin (im folgenden als COC
bezeichnet) in der Reaktionslösung wurden nach 1, 4, 10 und 20 Tagen nach
Beginn der Umesterung bestimmt, und die Werte sind in Tabelle 3 gezeigt.
Eine Umesterung wurde kontinuierlich durchgeführt unter Verwendung der
Reaktionslösung aus einem Gewichtsteil der Palmölfraktion mit dem
mittleren Schmelzpunkt, einen Gewichtsteil der Schifettfraktion mit dem
mittleren Schmelzpunkt und einem Gewichtsteil Hexan und den getrockneten
Zellen wie im Beispiel 1, wobei die Wasserkonzentration in der
Reaktionslösung auf 200 ppm auf gleiche Weise wie im Beispiel 1
eingestellt wurde.
Die Zusammensetzung der Triglyceride wurde auf gleiche Weise wie in
Beispiel 1 analysiert und die Konzentration des Produktes 1-Stearoyl-2-
oleyl-3-palmitoyl-glycerin (im folgenden als SOP bezeichnet) in der
Reaktionslösung wurde nach 1, 4, 10 und 20 Tagen nach Beginn der
Umesterung bestimmt, und die Werte sind in Tabelle 4 gezeigt.
Wie anhand der Tabellen 3 und 4 der Beispiele 5 und 6 ersichtlich ist,
kann die kontinuierliche Umesterung unter Einstellung der
Wasserkonzentration in der Reaktionslösung durchgeführt werden und
die Ausbeute der gewünschten Produkte wurden konstant auch über einen
Zeitraum von 20 Tagen beibehalten.
Eine kontinuierliche Umesterung wurde durchgeführt, wobei man eine
Reaktionsanlage wie in Abb. 5 gezeigt, getrocknete Zellen mit einer
Wasserkonzentration von 4,0 Gew.-%, die durch zusätzliches Trocknen der
getrockneten Zellen aus Beispiel 1 unter reduziertem Druck für 12 Stunden
erhalten wurden, und die gleiche Reaktionslösung wie in Beispiel 1
benutzte, und wobei die Reaktionslösung so zirkulierte, daß die
Aufenthaltsdauer im Reaktor 3 Stunden betrug, und wobei die
Wasserkonzentration in der Reaktionslösung auf 40 ppm eingestellt wurde.
Der Reaktor (1) und die Wasserlöse-Einheit (2) wurden wie in Beispiel 1
verwandt. Die benutzte Wasserentfernungs-Einheit (14) war eine
Füllkörpersäule aus Calciumchlorid mit einem inneren Durchmesser von 2 cm
und einer Höhe von 30 cm. Die Zusammensetzung an Triglycerid wurde auf
gleiche Weise wie in Beispiel 1 analysiert, und die Konzentration an
getrocknetem Produkt SOS sind in Tabelle 5 gezeigt. Demgegenüber wurde die
Konzentration an Diglycerid in der Reaktionslösung mittels
Säulenchromatografie unter Verwendung von Tetrahydrofuran als Eluent mit
einer Flußgeschwindigkeit von 1 ml/min bei einer Temperatur von 30°C und
Verwendung einer Serie von 4 Säulen, hergestellt von Shimadzu Corporation
(Handelsname: HGS 15 und HGS 20), gemessen, wobei die Reaktionslösung in
Fraktionen von Triglycerid, Diglycerid, Monoglycerid und Fettsäure
aufgetrennt wurden. Die Fraktionen wurden über ein Refractometer RI
analysiert. Die Konzentrationen an Diglycerid (im folgenden als DG
bezeichnet) sind ebenfalls in Tabelle 5 gezeigt.
In Beispiel 8 wurde eine kontinuierliche Umesterung unter Verwendung der
gleichen getrockneten Zellen und der gleichen Reaktionslösung wie in
Beispiel 7, unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 7 und
Einstellung der Wasserkonzentration der Reaktionslösung auf 300 ppm
durchgeführt.
Im Vergleichsbeispiel 3 wurde das Verfahren von Beispiel 8 wiederholt, mit
der Ausnahme, daß die Wasserkonzentration in der Reaktionslösung
nicht eingestellt wurde.
Die Ergebnisse wurden auf gleiche Weise wie in Beispiel 7 analysiert, und
die Ergebnisse sind in Tabelle 5 gezeigt.
Wie anhand der Tabelle 5 ersichtlich ist, ist die Produktivität des
Produktes in Beispiel 7, wobei die Wasserkonzentration in der
Reaktionslösung auf 40 ppm eingestellt wird, die höchste im
Verhältnis mit den Produktivitäten in den Vergleichsbeispielen 3 und im
Beispiel 8. Im weiteren ist die Menge an gebildetem DG in Beispiel 7
niedriger als in Beispiel 8, und selbstverständlich kann die gebildete
Menge DG zur Veredelung des Produktes SOS leicht enfernt werden.
Zusätzlich tritt der Effekt auf, daß, wenn die Umesterung kontinuierlich
ohne die Zugabe von Wasser durchgeführt wird wie in Beispiel 3, nach
einiger Zeit die Reaktion nicht mehr weiterläuft. Demgegenüber können die
gewünschten Produkte in einer nahezu konstanten Konzentration über einen
Zeitraum von 20 Tagen erhalten werden, wenn die Reaktion unter Zugabe von
Wasser zur Einstellung der Wasserkonzentration durchgeführt wird wie in
den Beispielen 7 und 8.
Eine Chargen-Umesterung wurde durchgeführt, wobei man 0,5 Gewichtsteile
der gleichen getrockneten Zellen wie in Beispiel 1 und eine
Reaktionslösung aus einem Gewichtsteil Olivenöl und 4 Gewichtsteilen
Palmitoleinsäure verwandte. Bei der Umesterung wurde eine Reaktionsanlage
wie in Abb. 7 gezeigt verwendet. Die Wassergehalts-Einstelleinheit (8) in
der in Abb. 7 gezeigten Reaktionsanlage wurde mit einer wäßrigen Lösung
von Glycerin beladen, die so hergestellt wurde, daß die
Wasserkonzentration in der Reaktionslösung auf 20 ppm eingestellt wurde.
Nach einer Stunde wurde die Reaktion gestoppt und die Zellen aus der
Reaktionslösung durch Filtration entfernt. Die Reaktionslösung wurde auf
gleiche Weise wie in Beispiel 1 analysiert. Die Konzentration an DG in der
Reaktionslösung wurde auf gleiche Weise wie in Beispiel 7 bestimmt. Die
Konzentrationen des Produktes 1,3-Dipalmitoleyl-2-oleyl-glycerin (im
folgenden als P′OP′ bezeichnet) und die des Nebenproduktes DG sind in
Tabelle 6 gezeigt.
Das gleiche Verfahren wie in Beispiel 9 wurde mit der Ausnahme wiederholt,
daß die wäßrige Lösung an Glycerin mit einer anderen Wasserkonzentration
gegen eine Wassergehalts-Einstelleinheit ausgetauscht wurde, so daß die
Wasserkonzentration in der Reaktionslösung auf 50 ppm (Beispiel 10),
100 ppm (Beispiel 11) oder 250 ppm (Beispiel 12) eingestellt wurde. Im
Anschluß wurde wie Chargen-Umesterung in Beispiel 10, 11 und 12
durchgeführt. Die Reaktionslösung wurde auf gleiche Weise wie in Beispiel
7 analysiert und die Ergebnisse sind in Tabelle 6 zusammen mit den
Ergebnissen von Beispiel 9 gezeigt.
Anhand der Ergebnisse in Tabelle 6 kann gezeigt werden, daß je kleiner die
eingestellte Wasserkonzentration in der Reaktionslösung war, desto
kleiner war die Konzentration am Nebenprodukt DG.
Zusätzlich zu den Inhaltsstoffen, die in den Beispielen verwandt wurden,
können andere Inhaltsstoffe in den Beispielen verwendet werden, wie
bereits in der Beschreibung gezeigt, wobei im wesentlichen die gleichen
Ergebnisse erhalten werden.
Claims (3)
1. Verfahren zur enzymatischen Umesterung von einem Fett oder Öl bei
einem niedrigen Wassergehalt,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Reaktionslösung, die a) ein Fett oder Öl und b) ein Mitglied
der Gruppe, die aus i) einem anderen Fett oder Öl, ii) einem
Fettsäureester eines niederen Alkohols und iii) einer Fettsäure
besteht, der Einwirkung einer Lipase in Form eines immobilisierten
Enzymkatalysators unterzogen wird, wobei die Wasserkonzentration in
der Reaktionslösung im Verlauf der Reaktion kontinuierlich
eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Wasserkonzentration in der Reaktionslösung auf Basis der
Beziehung zwischen dem Wassergehalt, gebunden in dem immobilisierten
Enzymkatalysator, und der Reaktionsgeschwindigkeit oder der
Produktausbeute vorher festgelegt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
immobilisierte Enzymkatalysator aus getrockneten mikrobiellen
Zellen oder immobilisierten getrockneten mikrobiellen Zellen besteht.
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