DK161001B - Fremgangsmaade til hydrolyse af stivelse til dextrose - Google Patents

Description

DK 161001 B

Den foreliggende opfindelse angår en særlig fremgangsmåde til hydrolyse af stivelse til dextrose.

Metoder til hydrolyse af stivelse til dextrose har været 5 kendt i mange år og har været underkastet en hel række modifikationer og forbedringer. Et formål har været at fremstille et dextrose produkt, der har særdeles høj renhed, enten ved at omdanne så meget af stivelsen som muligt til dextrose for at udelukke biprodukter eller ved 10 at anvende en effektiv metode til at adskille dextrosen fra disse biprodukter.

Der kendes fra US patentskrift nr. 4 206 284 en flertrinsfremgangsmåde der omfatter fraktionering af en fruk-15 tose-ekstrakt og et glucose/polysaccaridraffinat, hvorefter raffinatet forsukres. Herefter kan raffinatet iso-meriseres til en fruktose/glucosesirup og sættes til fruktose-ekstrakten, hvorved der opnås et 50+% fruktose produkt. Et specielt træk ved opfindelsen er, at glu-20 cosesiruppen indeholder overskud af 50% glucose (tørstof) og ca. 5% di-, tri- og polysaccharider, og at den forsukres med en immobiliseret amyloglucosidase.

En metode til adskillelse af dextrose fra stivelseshydro-25 lysat er anvendelsen af en chromatografisk søjle eller leje, hvori det vandige stivelseshydrolysat, passende efter forbehandling som f.eks. koncentrering, filtrering og/eller affarvning absorberes på søjlen, idet biprodukterne går gennem søjlen i det vandige raffinat. Herefter 30 desorberes dextrosen ved eluering med vand, og vandet fjernes delvist eller helt til opnåelse af en koncentreret opløsning eller fast dextrose, idet dextrosen udgør mere end 98% af opløsningens tørstof. Et problem, der opstår i forbindelse med den chromatografiske adskillel-35 sesmetode, er forekomsten af dextrose sammen med biprodukterne i det vandige raffinat. Dette raffinat kan indeholde indtil 20 vægt-% tørstof, der for sit vedkommende

DK 161001 B

2 kan bestå af indtil 80 vægt-% dextrose. Raffinatet recirkuleres sædvænligvis til et tidligere stadium i processen, men en sådan recirkulering reducerer anlæggets kapacitet. Den foreliggende opfindelse frembyder en løsning 5 på dette problem og bevirker samtidig yderligere fordele ved processen.

Opfindelsen tilvejebringer således en fremgangsmåde til omdannelse af stivelse til dextrose, hvorved: 10 (a) en vandig stivelsesopløsning hydrolyseres til et dextroseholdigt produkt ved anvendelse af et gluco-amylaseenzym, 15 (b) dextrosen skilles fra dette produkt ved at ledes gennem en chromatografisk søjle eller leje således at dextrosen absorberes på søjlen eller lejet, hvorved der frembringes et vandigt raffinat, idet søjlen eller lejet består af et metalsalt af en sulfoneret 20 tværbundet vinylaromatisk harpisk, (c) hvorefter dextrosen elueres med vand, hvilken fremgangsmåde er ejendommenlig ved at det vandige raf-finat 25 (d) behandles med glucoamylase, idet glucoamylasen er immobiliseret på en porøs svagt basisk anionbytter-harpisk af phenol-formaldehydtypen, hvorved der opnås en vandig dextroseholdig opløsning, der i det 30 mindste delvist anvendes som elueringsmiddel til den chromatografiske søjle eller leje.

Trin (a) i den omhandlede fremgangsmåde udføres på sædvanlig måde. Stivelsen kan således være majs, hvede, kar- 35 toffel eller anden form for stivelse, der er gelatinise- ret og fortyndet med syre eller med enzymopløsning. Stivelseskoncentrationen er typisk 20-45% tørstof, og enzymet

DK 161001 B

3 er et bakterielt amylasepræparat.

Den fortyndede stivelse hydrolyseres, fortrinsvis ved 45 til 60 °C og ved pH 3,0 til 4,5 under anvendelse af et 5 glucoamylaseenzym. Ved denne metode opnås et hydrolysat indeholdende tørstoffer, der består af mellem 70 og 98 vægt-% dextrose, der herefter filtreres for at fjerne spor af uopløseligt fedt, protein og stivelse, og som herefter fortrinsvis behandles med pulveriseret eller 10 granuleret carbon og/eller ionbytterharpikser for at fjerne spor af urenheder, farve og uorganiske askedannende forurenende bestanddele.

Dextroseopløsningen koncentreres herefter ved hjælp af 15 den chromatografiske behandling i trin (b). Opløsningen indeholder udover dextrose polysaccharider som f.eks. maltose, maltotriose og højere polysaccharider. Anvendelsen af chromatografi til adskillelse af dextrose og polysaccharider er som sådan ikke ny, se f.eks. USA patentbe-20 skrivelserne nr. 3 817 787, 4 109 075 og 4 133 696, der beskriver fremgangsmåder, ved hvilke polysaccharidadskil-lelser foretages under anvendelse af en hel række metoder, der indebærer absorption og desorption fra faste absorbenter. Fremgangsmåden kan være eksklusionschromato-25 graf i, der anvender en søjle eller et leje af en porøs absorbent, gennem hvilken dextroseopløsningen ledes. De højmolekylære polysaccharider kan på grund af deres store molekylstørrelse ikke diffundere ind i absorbentens porer og går derfor hurtigere gennem søjlen eller lejet. Fore-30 trukne absorbenter til anvendelse i den chromatografiske søjle eller det chromatografiske leje er specielt metalsalte af sulfonerede tværbundne vinylaromatiske harpikser f.eks. natrium- eller calciumformen af en sulfoneret tværbundet polystyrenharpiks. Tværbindningen kan 35 udføres ved hjælp af divinylbenzen.

4 DK 161001%*«

En eller flere søjler eller lejer anvendes til at udføre denne dei af processen, men til kontinuert drift kan anvendes mindst to søjler eller lejer, idet den ene del fyldes mens den anden elueres. Søjlen eller lejet holdes 5 fortrinsvis ved en temperatur i området 45 til 70 °C, og dextroseopløsningen ledes gennem, indtil søjlen er fuldstændig fyldt op og parat til at elueres. I en anden form, der specielt er velegnet til kommerciel anvendelse, udføres fremgangsmåden kontinuert, idet der anvendes et 10 simuleret bevægende leje af absorbenten, hvori lejet er stationært, og bevægelsen simuleres med en programmeret bevægelse af tilførsels- og fraførselspunkter i retning af vekselstrømmen. I denne form af fremgangsmåden er trin (d) i form af et lukket slynge, hvor vandigt raffinat 15 kontinuert fjernes ^fra lejet og behandles med det immobi-liserede glucoamylase og returneres i det mindste delvist til lejet. Raffinatstrømmen, der går gennem søjlen eller lejet, indeholder polysaccharidbestanddelene fra dextroseopløsningen og varierende mængder dextrose f.eks. 2 til 20 20 vægt-% tørstof bestående af 60-80 vægt-% dextrose.

Hidtil har det været denne strøm, der cirkuleredes tilbage til et tidligt trin i processen, og som anvendtes til at fortynde stivelsen inden hydrolysen, hvilket sædvanligvis nødvendiggjorde anvendelsen af kraftigt fortyn-25 dende stivelsesopløsninger, mens den chromatografiske søjle eller lejet tilsat dextrosen elueredes med frisk vand til opnåelse af en dextroseholdig opløsning, der koncentreredes ved inddampning.

30 Ifølge den foreliggende opfindelse føres en del eller alt raffinatet fra den chromatografiske søjle eller fra lejet til en særlig søjle eller leje, der indeholder immobili-seret glucoamylase, der arbejder således, at en betydelig del af polysacchariderne hydrolyseres til dextrose, så-35 ledes at den vandige opløsning, der forlader enzymsøjlen eller -lejet indeholder tørstof, der består af 80 til 98 vægt-% dextrose og med fortrinsvis, i det mindste samme

DK 161001 B

5 dextroseindhold som dextroseindholdet i tørstoffet fra det dextroseholdige produkt, der går gennem den chromato-grafiske søjle eller leje i trin (b). Opløsningen, der forlader glucoamylasesøjlen eller lejet anvendes her-5 efter, eventuelt under tilsætning af vand, som eluerings-middel til den chromatografiske søjle eller leje, der er fyldt med dextrose. Ved at arbejde på denne måde reduceres mængden af frisk vand, der er nødvendigt for at eluere den chromatografiske søjle, til 10 til 25% af den 10 mængde, der var nødvendige ved de kendte fremgangsmåder. Glucoamylasesøjlen eller lejet består af immobiliseret glucoamylase understøttet på et fast understøttelsesmiddel, specielt en porøs svagt basisk anionbytterharpiks af phenol-formaldehydtypen. Mere end ét sådant leje eller 15 søjle kan anvendes ved den omhandlede fremgangsmåde. Det chromatografiske søjleraffinat ført til glucoamylasesøj-len eller lejet indstilles først til en pH-værdi i området 3 til 5, fortrinsvis til ca. 3,5 ved tilsætning af en egnet syre f.eks. saltsyre, og 70 til 200 ppm svovl-20 dioxid kan tilsættes som steriliseringsmiddel og pH-puf-fer. Driftstemperaturen for glucoamylasesøjlen eller lejet er fortrinsvis 45 til 75 °C, specielt ca. 50 °C, og raffinatet ledes gennem søjlen eller lejet med den hastighed, der er nødvendig for at frembringe det ønskede 25 dextroseindhold i tørstofkomponenten fra opløsningen, der forlader søjlen eller lejet, baseret på en passende enzymbelastning af lejet som f.eks. 20 enheder/ml bærestof.

Opløsningen, der forlader glucoamylasesøjlen eller lejet, 30 kan indeholde 1 til 19 vægt-% tørstof bestående af 80 til 98 vægt-% dextrose og kan anvendes direkte til eluering af den chromatografiske søjle eller leje eventuelt efter rensning f.eks. ved filtrering og/eller affarvning, eller kan lagres, indtil der er behov for opløsningen til dette 35 formål. Elueringen kan f.eks. foregå ved en temperatur på 45 til 70 °C og frembringe et eluat, der indeholder 80 til 98 vægt-% dextrose. Denne dextroseopløsning kan kon-

DK 161001B

6 centreres ved inddampning, og kan på tørstofbasis bestå af mere end 98 vægt-% dextrose.

Eventuelt kan en del af det chromatografiske søjleraffi-5 nat fraføres enten før eller efter glucoamylasesøjlen eller lejet. Denne metode kan anvendes, dersom man er bange for en opbygning af biprodukter i den opløsning, der anvendes til eluering af den chromatografiske søjle. Den opløsning, der er fjernet på denne måde, kan recirkuleres 10 til et tidligere stadie i processen f.eks. til trin (a).

Opfindelsen beskrives nærmere ved hjælp af efterfølgende eksempler: 15 EKSEMPEL 1

Trin (a)

En med enzymopløsning fortyndet majsstivelsesopløsning 20 bestående af 30 vægt-% tørstof hydrolyseredes med et glu-coamylaseenzym ved en pH-værdi på 3,5 og en temperatur på 50 °C.

Trin (b) 25

Opløsningen frembragt i (a) indeholdt 32-33 vægt-% tørstof, af hvilket 95,5% var dextrose, idet resten bestod af maltose, maltotriose og højere polysaccharider indeholdende 4, 5 og flere dextroseenheder. Denne opløsning 30 filtreredes gennem diatoméjord i et roterende vakuumfilter, behandledes med aktivt kul og ledtes gennem to par cation/anionbytterlejer. Til sidst inddampedes opløsningen til 60 vægt-% tørstofindhold. pH af den filtrerede, affarvede og askefri opløsning indstilledes til 4, og op-35 løsningen førtes kontinuert til et simuleret bevægende leje fyldt med natriumformen af en cationbytterharpiks ved en temperatur på 60 til 65 °C. Dextrose absorberedes

DK 161001 B

7 på lejet, og den raffinatopløsning, der forlod lejet, indeholdt 2 vægt-% tørstof bestående af 67,9% dextrose, 10,5% maltose, 1,6% maltulose, 8,4% isomaltose, 3% malto-triose og 8,6% højere polysaccharider, idet alle procent-5 dele er udtrykt i vægtprocenter.

Trin (d)

Raffinatopløsningen fra det chromatografiske leje hydro-10 lyseredes i en glucoamylasesøjle, der bestod af glucoamy-lase immobiliseret på en svagt basisk porøs anionbytter-harpiks af phenol/formaldehydtypen (DUOLITE ES-568 fremstillet af Diamond Shamrock), idet enzymbelastningen var 20 enheder/ml understøttelsesmateriale. Raffinatopløsnin-15 gen indstilledes først til pH 3,5 ved tilsætning af saltsyre, og ca. 150 ppm svovldioxid tilsattes inden opløsningen påførtes søjlen. Søjlen arbejdede ved 50 °C, og gennemstrømningshastigheden af raffinatopløsningen tilført søjlen kontinuert var 0,17 lejerumfang/time. Det 20 opnåede produkt havde efter 3 dages kontinuert drift en sammensætning af tørstof udtrykt i vægtprocent på 95,5% dextrose, 0,5% maltose, 1,0% maltulose, 1,1% isomaltulose, 0,4% maltotriose og 1,5% 25 højere polysaccharider.

Efter 10 dages kontinuert drift indeholdt produktet stadig 94,5 vægt-% dextrose, dersom gennemstrømningshastigheden forøgedes til 0,30 lejerumfang/time.

30

Trin (c)

Opløsningen frembragt i trin (d) var et passende elu-eringsmiddel for det chromatografiske leje i trin (b), 35 idet eluatet var en dextroseopløsning med tørstof, der indeholdt mere end 99% dextrose.

DK 161001B

8 EKSEMPEL 2

Eksempel 1 blev gentaget bortset fra at raffinatopløs-ningen fra det chromatografiske leje indeholdt 20% opløst 5 tørstof, af hvilket 67,9 vægt-% var dextrose.

Med en tilstrømningshastighed på 0,25 lejerumfang/time af denne opløsning til glucoamylasesøjlen opnåedes et produkt, der bestod af 85,1 vægt-% dextrose, 1,6 vægt-% mal-10 tose, 2,2 vægt-% maltulose, 8,6 vægt-% isomaltose, 1,2 vægt-% maltotriose og 1,3 vægt-% højere polysaccharider.

Efter 8 dages drift ved 20% tørstofindhold blev tørstofindholdet i raffinatopløsningen til glucoamylasesøjlen 15 reduceret til 15%. Med en tilstrømningshastighed på 0,50 lejerumfang/time producerede søjlen en opløsning, der havde et tørstofindhold indeholdende 86% dextrose.

20 25 30 35

Claims (8)

1. Fremgangsmåde til omdannelse af stivelse til dextrose, 5 hvorved (a) en vandig stivelsesopløsning hydrolyseres til et dextroseholdigt produkt ved anvendelse af et gluco-amylaseenzym, 10 (b) dextrosen skilles fra dette produkt ved at ledes gennem en chromatografisk søjle eller leje således at dextrosen absorberes på søjlen eller lejet, hvorved der frembringes et vandigt raffinat, idet søjlen 15 eller lejet består af et metalsalt af en sulfoneret tværbundet vinylaromatisk harpisk, (c) hvorefter dextrosen elueres med vand, kendetegnet ved, at det vandige raffinat 20 (d) behandles med glucoamylase, idet glucoamylasen er immobiliseret på en porøs svagt basisk anionbytter-harpisk af phenol-formaldehydtypen, hvorved der opnås en vandig dextroseholdig opløsning, der i det 25 mindste delvist anvendes som elueringsmiddel for den chromatografiske søjle eller leje.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at det vandige raffinat fra trin (b) indeholder 2 30 til 20 vægt-% tørstof bestående af 60 til 80 vægt-% dextrose.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at raffinatet, der tilføres den immobilisere- 35 de glucoamylase i trin (d), er indstillet til en pH-værdi i området 3 til 5. 10 DK 161001 B

4. Fremgangsmåde ifølge et vilkårligt af de foregående krav, kendetegnet ved, at det vandige raffinat behandles med den immobiliserede glucoamylase i trin (d) således, at der frembringes en opløsning indeholdende 1 5 til 19% tørstof bestående af 80 til 98 vægt-% dextrose.

5. Fremgangsmåde ifølge et vilkårligt af de foregående krav, kendetegnet ved, at dextroseindholdet i tørstoffet i den vandige dextroseholdige opløsning fra 10 trin (d) er i det mindste det samme som dextroseindholdet i tørstoffet i det dextroseholdige produkt, der ledes gennem den chromatografiske søjle eller lejet i trin (b).

6. Fremgangsmåde ifølge et vilkårligt af de foregående 15 krav, kendetegnet ved, at den dextroseholdige opløsning fra trin (d) filtreres og/eller affarves inden den anvendes som elueringsmiddel.

7. Fremgangsmåde ifølge et vilkårligt af de foregående 20 krav, kendetegnet ved, at dextrosen elueres fra den chromatografiske søjle eller lejet ved en temperatur i området 45 til 70 °C.

8. Fremgangsmåde ifølge et vilkårligt af de foregående 25 krav, kendetegnet ved, at dextroseopløsningen, der elueres fra den chromatografiske søjle eller lejet, indeholder tørstof bestående af mere end 98 vægt-% dextrose. 30 35