DK158363B - Fremgangsmaade og anlaeg til fremstilling af isomerose - Google Patents

Description

1 DK 158363B

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til fremstilling af en opløsning indeholdende glucose og fructose ved omsætning af en glycoseholdig opløsning på en på basis af SiC^-bærere fremstillet katalysator med glucoseisomerase-aktivitet og et anlæg til udøvelse af denne fremgangsmåde .

5

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen er ejendommelig ved det i krav 1's kendetegnende del angivne.

Den enzymatiske omdannelse af glucose til en glucose-10 fructose-blanding har i den seneste tid vundet stigende betydning. Blandingen forhandles derved mest i form af en sirup, kaldet isomerose, og erstatter frem for alt i levnedsmiddel- og drikkevareindustrien saccharose (rørsukker, roesukker) fra sukkerrør eller sukkerroer, som 15 verden over bliver stadig knappere og dyrere. Som kilde for den til fremstillingen af glucose-fructose-blandingen nødvendige glucose tjener naturlige stivelsesforekomster, f.eks. majs- eller kartoffelstivelse, som ved sur og/eller enzymatisk hydrolyse omdannes til glucose.

20

Til enzymatisk omdannelse af glucosen til fructose udsætter man en vandig glucoseopløsning, eventuelt under tilsætning af isomeriseringsfremmende stoffer (f.eks. cobalt- eller magnesium-ioner) for indvirkningen af 25 glucoseisomerase, indtil den ønskede isomeriseringsgrad er nået, skiller så eventuelt tilsætningerne fra opløsningen og inddamper eventuelt opløsningen til en sirup.

Tidligere har man derved overvejende arbejdet chargevis 30 og enten benyttet isoleret glucoseisomerase eller glucoseisomerase efterladt i cellerne af de glucose-isomerase-producerende mikroorganismer. Da en således anvendt glucoseisomerase ikke eller kun under stort besvær kan genvindes og genanvendes, anvender man i nyere 33 tid mere og mere glucoseisomerase, som ved fiksering i

DK 158363 B

2 cellerne er gjort vanduopløselige og ved tilsætninger er fastholdt mekanisk. Endvidere kan glucoseisomerase bindes adsorptivt eller kovalent til uorganiske eller organiske bærere og derved gøres vanduopløselig. En således 5 fikseret og størknet eller bærerbundet glucoseisomerase kan genanvendes flere gange, og man kan dermed gå over til kontinuerlige fremgangsmåder, idet man f.eks. fylder den bærerbundne glucoseisomerase i en reaktor og lader glucoseopløsningen (substratet) strømme igennem reak-10 toren.

Den for sådanne kontinuerlige fremgangsmåder nødvendige bærerbundne glucoseisomerase, i det følgende betegnet katalysator med glucoseisomeraseaktivitet, er i sig selv en 15 del af teknikkens stade. Som eksempel herpå kan nævnes DE patentskrift nr. 2 726 188, som især beskriver en på basis af SiC^-bærere fremstillet katalysator med glucoseisomeraseaktivitet . 1 2 3 4 5 6

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen til fremstilling af en 2 glucose- og fructose-holdig opløsninger bygger på sådanne 3 kontinuerligt gennemførlige fremgangsmåder, hvorved glu 4 coseopløsningen (substratet) strømmer igennem en reaktor, 5 som indeholder en på basis af SiC^-bærere fremstillet 6 katalysator med glucoseisomeraseaktivitet.

Opfindelsen bygger på følgende erkendelser:

Isomerosens konkurrencedygtighed i forhold til naturlig 30 saccharose bestemmes foruden af dens pris hovedsageligt af den fructoseindhold, da dette er et mål for søde-kraften. I modsætning til naturlig saccharose, et di-saccharid af glucose og fructose, hvori glucosen og fructosen foreligger i molforholdet 1:1, er isomerosens 35 indhold af glucose og fructose og dermed dens sødekraft varierende og afhænger først og fremmest af glu-coseisomerasens indvirkningstid på glucoseopløsningen og

DK 158363 B

3 af den temperatur, hvorved indvirkningen finder sted. Den maximalt ved 60 °C opnåelige termodynamiske ligevægt, som indstiller sig efter tilstrækkelig lang tids indvirkning, ligger ved en isomeriseringsgrad på omkring 51%, dvs. af 5 100 anvendte molekyler glucose foreligger 51 molekyler som fructose. Markedet har i dag accepteret en isomerose med et fructoseindhold på 42% i tørstoffet. Da glucose-indholdet i de tekniske udgangsprodukter i regelen ligger mellem 90 og 95%, kræves i praksis isomeriseringsgrader 10 på 44-47% til at indstille dette fructoseindhold. For at opnå sådanne isomeriseringsgrader kan en på basis af Si02-bærere fremstillet katalysator med glucose-isomeraseaktivitet kun drives med en ganske bestemt, af den forhåndenværende aktivitet afhængig rumhastighed.

15 Moderne højaktive katalysatorer, som de f.eks. kan fremstilles ved fremgangsmåden ifølge DE patentskrift nr.

2 726 188, kan drives med begyndelsesrumhastigheder på fra omkring 10 til omkring 20 v/vh.

20 Med tiltagende driftstid synker imidlertid aktiviteten af de kendte katalysatorer mere eller mindre hurtigt i afhængighed af reaktionstemperaturen.

Den kendte katalysator ifølge DE patentskrift nr.

25 2 726 188 har efter ca. 670 driftstimer ved 60 °C kun 50% af sin begyndelsesaktivitet. For at opnå den samme isomeriseringsgrad som i begyndelsen kan en sådan katalysator kun drives med den halve begyndelsesrumhastighed. 20% restaktivitet, der må anses for den 30 nedre grænse for den økonomiske anvendelighed, nås efter 1700 driftstimer.

Det har nu overraskende vist sig, at driftstiden af en på basis af Si02~bærere fremstillet katalysator med glu-35 coseisomeraseaktivitet kan mere end fordobles, hvis man før omsætningen på katalysatoren bringer den glucose-holdige opløsning i kontakt med formlegemer af Si02 eller 4

DK 158363B

aluminosilicat. Masseforholdet mellem katalysator og formlegemer ligger hensigtsmæssigt mellem 3:1 og 1:3, fortrinsvis ved 1:1. Ved denne fremgangsmåde fordobles også katalysatorens produktivitet. Produktiviteten defi-5 neres som den substratmængde, beregnet som tørstof (kg), som kan forarbejdes til en given isomeriseringsgrad af 1 kg katalysator indtil katalysatoren har nået en restaktivitet på 20% af begyndelsesaktiviteten.

10 Anlæg til især kontinuerlig omdannelse af glucose til fructose indeholder foruden reaktoren for den på basis af SiO^-bærere fremstillede katalysator med glucoseiso-meraseaktivitet yderligere nødvendige bestanddele, såsom forråds- og opsamlingsbeholdere, ledninger, pumper, må-15 leapparater, tempereringsindretninger og lignende. Anlægget ifølge opfindelsen er ejendommeligt ved, at der foran reaktoren er indskudt en forsøjle fyldt med formlegemer af Si02 eller aluminosilicat. Forsøjlens volumen holdes således i forhold til reaktorens volumen, at der 20 under hensyntagen til katalysatorens og forsøjlema terialets ifyldningsrumvægt kan opnås det ovennævnte masseforhold mellem katalysator og formlegemer.

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen anvendes især til 25 kontinuerlig isomerisering derved, at man indstiller en vandig giucoseopløsning, fortrinsvis med et indhold på fra omkring 40 til omkring 50 vægt-% tørstof, på en for den bærerbundne glucoseisomerase egnet pH-værdi, opvarmer opløsningen til den egnede isomeriseringstemperatur og 30 pumper opløsningen først igennem forsøjlen fyldt med S1O2 eller aluminosilicat og derpå igennem reaktoren fyldt med den på basis af SXO2-bærere fremstillede katalysator med glucoseisomeraseaktivitet. Den resulterende glucose-fructose-opløsning analyseres med regelmæssige mellemrum 35 for dens fructoseindhold, f.eks. ved hjælp af polarime- • trisk analyse eller højtryks-væskechromatografi. Den rumhastighed, hvormed katalysatoren drives, indstilles

DK 158363 B

5 derved således, at den resulterende opløsning har et indhold på omkring 42 vægt-% fructose beregnet på basis af tørstof.

5 Forsøjlemateriale med en kornstørrelse på fra omkring 0,5 til omkring 5,0 mm og katalysator med immobiliseret glucoseisomeraseaktivitet med en kornstørrelse på fra omkring 0,08 til omkring 0,5 mm har vist sig særlig fordelagtige.

10

Hvis der ved fremstillingen af den på basis af SiC^-bærere fremstillede katalysator med glucoseisomeraseaktivitet er anvendt en Streptomyces albus glucose-isomerase, har indstilling af glucoseopløsningen på en 15 pH-værdi på fra omkring 7,0 til omkring 8,5 og opvarmning af glucoseopløsningen til en temperatur på fra omkring 55 til omkring 65 °C vist sig særlig gunstig.

Ved en Streptomyces albus glucoseisomerase har desuden 20 tilsætning af Co(II)- og Mg(II)-ioner til glucoseopløsningen i mængder på fra omkring 0,1 til omkring 2 ppm Co(II) og fra omkring 10 til omkring 200 ppm Mg(II), hensigtsmæssigt i form af deres vandopløselige salte som f.eks. chlorider eller phosphater, vist sig isomerise- 25 ringsfremmende.

Endelig er det fordelagtigt at tilsætte glucoseopløsningen en stabiliserende mængde af en antioxidant, fortrinsvis SO2, i en mængde på fra omkring 100 til omkring 600 30 ppm i form af alkalimetalsulfit eller -hydrogensulfit.

Før den opnåede glucose-fructose-opløsning inddampes til sirup, eller opløsningen fremføres til sin endelige anvendelse, kan det endvidere anbefales at fjerne de 35 uønskede, f.eks. smagsforringende ionkomponenter fra glucose-fructose-opløsningen ved hjælp af kation- og anionbyttere.

6

DK 158363 B

Opfindelsen belyses nærmere ved de følgende eksempler.

EKSEMPEL 1 5 5 g af en på basis af Si02~bærere fremstillet katalysator med glucoseisomeraseaktivitet, fremstillet ifølge DE patentskrift nr. 2 726 188 og med de nedenfor beskrevne egenskaber, blev fyldt i en reaktor, foran hvilken der var indskudt en søjle, som indeholdt 5 g af et kommer-10 cielt tilgængeligt kugleformigt vandfast porøst alu- minosilicat (af typen KCT-WS fra Kali-Chemie AG, sammensætning omkring 97 vægt-%. S1O2 og 3 vægt-% A^O^).

Gennem dette forsøjle-reaktor-system blev pumpet en til 60 °C opvarmet glucoseopløsning. Indstillingen af rum-15 hastigheden (beregnet på det af katalysatoren udfyldte reaktorvolumen) foregår således, at isomeriseringsgraden over hele driftstiden konstant udgjorde 46,5%. Isomeriseringsgraden af den udstrømmende substratopløsning blev målt polarimetrisk. I detaljer er katalysator, 20 forsøjlefyldning og fremgangsmåde kendetegnet ved føl gende parametre: 1. Katalysator 25 1.1 bærer: δ^°2 1.2 aktivitet: 9000 enh/g 1.3 kornstørrelse: 0,1 - 0,2 mm 1.4 ifyldningsrumvægt (tør): 0,45 kg/1 30 2. Forsøjlefyldning 2.1 fyldmateriale: KCT-WS (Kali-Chemie AG) 2.2 kornstørrelse: 1 - 2 mm 2.3 ifyldningsrumvægt (tør): 0,70 kg/1 35

DK 158363 B

7 3. Fremgangsmåde 3.1 substrat: 45 vægt-% glucose i vandig opløsning 5 3.2 cofaktorer: 120 ppm Mg(II) 1 ppm Co(II) 200 ppm S02 (i form af Na2S°3) 3.3 pH-værdi: 7,5 10 3.4 substratdensitet: 1,2 kg/1

3.5 substratindgangstemperatur: 60 °C

3.6 isomeriseringsgrad: 46,5 % -1 3.7 begyndelsesrumhastighed: 13,0 h 15 4. Aktivitetsbestemmelse af glucoseisomeraseopløsnin-cren

Aktiviteten af den til fremstilling af katalysatoren an-20 vendte glycoseisomeraseopløsning blev bestemt ved

Takasaki-metoden (se Y. Takasaki: Agr. Biol. Chem. Vol.

30, Nr. 12, 1247-1253, 1966 og Z. Dische og E.

Borenfreund: J. Biol. Chem. 192, 583, 1951). En aktivitetsenhed (enh.) er defineret som den enzymmængde, 25 som under inkubationsbetingelser danner 1 mg fructose.

Inkubationsbetingelser

Temperatur: 65 °C

30 reaktionstid: 1 h substrat: 0,1 M glucose x H20 (Merck 8342) i 0,05 M phosphatpuffer, pH 8,0 med 0,0004 M MgS04 35

Eksemplet gav følgende resultater: 8

DK 158363B

Halveringstid: 1300 h

Driftstid til restaktivitet på 20%: 3800 h

Middelaktivitet over 5 driftstiden 3800 h: 44,0 % (beregnet på begyndelsesaktivitet 100%)

Produktivitet efter 3800 h: 26000 kg TS med 46,5 % fructose/kg 10 katalysator EKSEMPEL 2 5 g af en på basis af Si02~bærere fremstillet katalysator 15 med glucoseisomeraseaktivitet ifølge eksempel 1 blev fyldt i en reaktor, foran hvilken der var indskudt en søjle, som indeholdt 10 g af et kommercielt tilgængeligt kugleformigt vandfast porøst Si02 (af typen AF 125 fra Kali-Chemie AG, Si02~indhold større end 99 vægt-%). Den 20 videre fremgangsmåde svarede til eksempel 1. Forsøj- lefyldningen var kendetegnet ved følgende parametre: 1. Fyldmateriale: AF 125 (Kali-Chemie AG) 2. Kornstørrelse: 1 - 2 mm 25 3. Ifyldningsrumvægt (tør): 0,45 kg/1

Forsøgsresultaterne var identiske med de i eksempel 1 beskrevne.

30 EKSEMPEL 3

Til sammenligning blev eksempel 1 gentaget med den samme katalysator under i øvrigt samme fremgangsmådebetingelser, men uden forsøjle. Eksempel 3 gav følgende 35 resultater:

DK 158363B

9

Halveringstid: 670 h

Driftstid til restaktivitet på 20 %: 1700 h

Middelaktivitet over drifts- 5 tiden 1700 h: 47,2% (beregnet på begyndelsesaktivitet 100%)

Produktivitet efter 1700 h: 12 500 kg TS med 46,5% fructose/kg katalysator 10

Til anskueliggørelse af resultaterne ifølge eksemplerne 1, 2 og 3 blev aktivitetsaftageisen i afhængighed af driftsiden vist i fig. 1. Af denne figur ses tydeligt den stabilisering af katalysatorens aktivitet over en lang 15 driftsperiode, som opnås ved anvendelsen af den med aluminosilicat- eller Si02~perler fyldte forsøjle (eksempel 1 og 2) ifølge opfindelsen.

I fig. 2 er vist den for fremgangsmådens økonomi 20 bestemmende udvikling af produktiviteten i afhængighed af driftstiden. De ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen gennemførte eksempler 1 og 2 forhøjede den økonomisk udnyttelige specifikke ydeevne af katalysatoren med faktoren 2,08, dvs. til fremstilling af en bestemt mængde 25 isomerose kræves kun mindre end den halve kataly satormængde. Da det ifølge opfindelsen anvendte forsøj-lemateriale kun udgør en brøkdel af katalysatoromkostningerne, er den økonomiske fordel ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen betydelig.

30 35

Claims (3)

1. Fremgangsmåde til fremstilling af en opløsning inde-5 holdende glucose og fructose ved omsætning af en glucoseholdig opløsning på en på basis af Si02-bærere fremstillet katalysator med glucoseisomeraseaktivitet, kendetegnet ved, at man før omsætningen på katalysatoren bringer den glucoseholdige opløsning i 10 kontakt med formlegemer af SiC>2 eller aluminosilicat.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at masseforholdet mellem katalysator og formlegemer ligger mellem 3:1 og 1:3, fortrinsvis ved 1:1. 15

3. Anlæg til udøvelse af fremgangsmåden ifølge ethvert af kravene 1 eller 2 med en reaktor fyldt med den på basis af SiC>2-bærere fremstillede katalysator med glucoseisomeraseaktivitet, kendetegnet ved, at der 20 foran reaktoren er indskudt en forsøjle fyldt med formlegemer af Si02 eller aluminosilicat. 25 1 35