FI80474C - Foerfarande foer framstaellning av isoglukos. - Google Patents

Description

1 80474

Menetelmä isoglukoosin valmistamiseksi Förfarande för framställning av isoglukos

Keksintö kohdistuu menetelmään glukoosia ja fruktoosia sisältävän liuoksen valmistamiseksi siten, että glukoosia sisältävä liuos muunnetaan Si02~kantoaineeseen perustuen valmistetulla katalysaattorilla, jolla on glukoosi-isomeraa-siaktiivisuutta.

Tämänkaltainen menetelmä tunnetaan patenttijulkaisun DE-C-3 148 603 perusteella. Tämän kirjallisuuslähteen mukaan tunnettujen, Si02-kantoaineeseen perustuen valmistettujen, kantoaineessa olevien katalysaattorien, joilla on glukoosi-isomeraasiaktiivisuutta, tuottavuutta voidaan parantaa huomattavasti, kun ennen kantoaineessa olevalla katalysaattorilla suoritettavaa muuntamista tämä glukoosia sisältävä liuos saatetaan kosketuksiin Siiasta tai alumiinisilikaa-tista valmistettujen puristeiden kanssa.

Tämän keksinnön tavoitteena on saada aikaan muita mahdollisuuksia tunnettujen, Si02“kantoaineessa olevien katalysaattorien, joilla on glukoosi-isomeraasiaktiivisuutta, tuottavuuden kohottamiseksi.

Käsitteillä "Si02-kantoaineeseen perustuen valmistettu katalysaattori, jolla on glukoosi-isomeraasiakt i ivisuutta" tai "tunnetut, Si02”kantoaineessa olevat katalysaattorit, joilla on glukoosi-isomeraasiaktiivisuutta" tarkoitetaan sellaisia katalysaattoreita, joissa glukoosi-isomeraasientsyymiä on saatu pidättymään (esimerkiksi yhteissaostuksen avulla) tai kiinnittymään (esimerkiksi adsorptiivisella sitoutumisella tai kovalenttisella sidoksella, tai muodostamalla entsyymistä ja kantoaineesta verkkomainen rakenne) johonkin Siipeen, kuten huokoiseen silikageeliin, perustuvaan kantoaineeseen tai jonkin tällaisen kantoaineen pinnalle. Näillä käsitteli- 2 80474 lä tarkoitetaan mieluiten sellaisia katalysaattoreita, joissa glukoosi-isomeraasientsyymi on sidottu huokoiseen silika-geeliin adsorptiivisesti tai kovalenttisesti tai se on saatu pidättymään tämän huokoisen silikageelin pinnalle muodostamalla entsyymistä ja kantoaineesta verkkomainen rakenne, jolloin tämänkaltaisten sitomismenetelmien yhdistelmiäkin voidaan käyttää. Tässä mielessä suositeltavimmat katalysaattorit tunnetaan esimerkiksi patenttijulkaisun DE-C-2 726 188 perusteella.

Keksinnön tavoitteen mukainen toinen mahdollisuus tuottavuuden parantamiseksi käsittää keksinnön mukaisesti Si02:n lisäämisen tähän glukoosia sisältävään liuokseen oheisten patenttivaatimusten määrittämällä tavalla.

Si02=ta voidaan tällöin lisätä millaisessa muodossa tahansa, kunhan se vain on riittävän vesiliukoista, ja kunhan tämän Si02:n kanssa glukoosiliuokseen joutuneet vieraat ionit eivät vaikuta haitallisesti entsyymin aktiivisuuteen. Mikäli näin saatua glukoosi-fruktoosi-liuosta ei erityisemmin puhdisteta, esimerkiksi ioninvaihdolla, ennen sen käyttöä edelleen, niin huomiota tulisi kiinnittää siihen, etteivät Si02:n mukana liuokseen mahdollisesti joutuneet vieraat ionit haittaa tämän glukoosi-fruktoosi-liuoksen myöhempää käyttöä. Erityisen hyviksi ovat osoittautuneet alkalimetal-lisilikaatit.

SiC>2:n lisätty määrä ei ole erityisen kriittinen. Jotta patenttijulkaisun DE-C-3 148 603 mukaisessa, tunnetussa menetelmässä esitetyn suuruinen tuottavuuden paraneminen saavutettaisiin, ei lisätyn määrän tulisi alittaa 30 ppm:ää. Edullisesti tähän glukoosiliuokseen lisätään Si02'.ta määränä, joka on 30 ja 80 ppmm välillä.

Si02:n lisääminen on erityisen yksinkertaista ja taloudellista, mikäli käytetään vesilasi-liuosta, mieluiten natron-vesilasin liuosta.

Il 3 80474

Mitä tuottavuuden paranemiseen tulee, tämän keksinnön mukaisesti työskenneltäessä saavutetaan sellaisia arvoja, joihin päästään myös patenttijulkaisun DE-C-3 148 603 mukaisella menetelmällä. Yllättävästi kuitenkin Si02:n lisäyksellä, sen sijaan, että liuos saatettaisiin edeltä käsin kosketuksiin Si02:sta tai alumiinisilikaatista valmistettujen puristeiden kanssa, on edullinen vaikutus katalysaattorin stabiilisuu-teen seisokkien aikana. Nimittäin on osoittautunut, että tunnettujen menetelmien, olivatpa ne patenttijulkaisun DE-C-3 148 603 mukaisia tai muita menetelmiä, mukaisesti työskenneltäessä katalysaattorin aktiivisuus seisokkien aikana, johtuvatpa nämä seisokit sähkökatkoksista tai muista häiriöistä, heikkenee irreversiibelisti, mikäli ei huolehdita siitä, että katalysaattori jäähdytetään mahdollisimman nopeasti huoneen lämpötilaan. Toisaalta esimerkiksi sähkökatkon aikana eivät ainoastaan pumput pysähdy, vaan myös kuumennin substraatin lämmittämiseen lakkaa toimimasta. Kuitenkin katalysaattorin ja sitä ympäröivän substraattiliuoksen lämpökapasiteetti estää tämän välttämättömän nopean jäähtymisen ja riittää vahingoittamaan katalysaattoria. Tällaisten vahingoittumisten välttämiseksi on varotoimenpiteenä käytettävä esimerkiksi sähkön varageneraattoria, jotta toimintakat-kosten sattuessa reaktorin läpi voidaan pumpata kylmää subs-traattiliuosta, täten herkän katalysaattorin välttämättömän nopean jäähdyttämisen mahdollistamiseksi. Kuitenkin keksinnön mukaisesti työskenneltäessä voidaan tällaisista varotoimenpiteistä luopua täysin.

Keksinnön mukainen menetelmä toteutetaan, erityisesti työskentelytavan ollessa jatkuvatoiminen, tarkoituksenmukaisesti siten, että glukoosin vesiliuokseen, jonka kuiva-ainepitoisuus on noin 40-50 paino-%, lisätään keksinnön mukaisella tavalla Si02:ta, tämän liuoksen pH asetetaan sellaiseen arvoon, joka soveltuu kantoaineessa olevalle glukoosi-iso-meraasientsyymille, ja tämä liuos lämmitetään kantoaineessa olevalle glukoosi-isomeraasientsyymille sopivaan isomeroin-tilämpötilaan. Näin esikäsitelty glukoosiliuos pumpataan 4 80 474 sellaisen reaktorin läpi, joka reaktori on täytetty S1O2-kantoaineessa olevalla katalysaattorilla, jolla on glukoosi-isomeraasiaktiivisuutta. Reaktorista ulosvirtaavan glukoosi-fruktoosi-liuoksen fruktoosipitoisuutta tarkkaillaan jatkuvasti tai säännöllisin väliajoin, esimerkiksi polarimetri-sellä analyysillä tai HPLC:n avulla. Se tilavuusnopeus (v/vh = glukoosiliuoksen tilavuus katalysaattorin vaatimaa reaktoritilavuutta kohden tunnissa), jolla katalysaattoria ajetaan, asetetaan tällöin sellaiseksi, että ulosvirtaavan liuoksen fruktoosipitoisuus, kuiva-aineeseen perustuen ja tämän pitoisuuden vaihteluvälin pysyessä pienempänä kuin esimerkiksi +1 %-yksikköä, on vakio, esimerkiksi 42 paino-%. Koska katalysaattori käyttöajasta ja erityisesti käyttölämpötilasta riippuen jatkuvasti menettää aktiivisuuttaan, tarkoittaa tämä sitä, että tätä tilavuusnopeutta on jatkuvasti pienennettävä vakiona pysyvän isomeroitumisasteen saavuttamiseksi. Tämä isomeroitumisaste ilmoittaa tällöin prosentteina niiden fruktoosimolekyylien lukumäärän sataa lähtöliuoksen sisältämää glukoosimolekyyliä kohden sen jälkeen, kun tämä liuos on virrannut reaktorin läpi ja kun muuntuminen katalysaattorin vaikutuksesta on tapahtunut, jotka fruktoosimolekyylit ulosvirtaava glukoosi-fruktoosi-liuos sisältää. Aina tämän glukoosiliuoksen valmistamiseen käytetyn glukoosin puhtaudesta tai vaihtoehtoisesti laadusta riippuen on katalysaattoria ajettava sellaisella tilavuus-nopeudella, jolla isomeroitumisasteeksi saavutetaan noin 44-47%, jotta ulosvirtaavan glukoosi-fruktoosi-liuoksen fruktoosipitoisuudeksi saavutettaisiin mainittu arvo 42 paino-% kuiva-aineesta.

Mikäli kantoaineessa olevan katalysaattorin, jolla on glu-koosi-isomeraasiaktiivisuutta, valmistuksessa käytettiin Streptomyces albus-bakteerista peräisin olevaa glukoosi-isomeraasientsyymiä, niin tällöin glukoosiliuoksen pH:n asettaminen arvoon noin 7,0-8,5 ja glukoosiliuoksen lämmittäminen noin 55-65 °C: n lämpötilaan on osoittautunut erityisen edulliseksi.

5 8Q474

Lisäksi käytettäessä Streptomyces albus-bakteerin glukoosi-isomecaasientsyymiä on Co(II)- ja Mg (11)-ionien lisääminen tähän glukoosi1iuokseen noin 0,1-2 ppm Co(II)- ja noin 10-200 ppm Mg (II)-ioneja olevina määrinä, tarkoituksenmukaisesti näiden ionien vesiliukoisina suoloina kuten esimerkiksi kloridina tai sulfaattina, osoittautunut edistävän isomeroitumista.

Edelleen jonkin hapettumista estävän aineen stabiloivan määrän lisääminen, mieluiten SÖ2:n lisääminen 100-600 ppm:ää olevana määränä ja alkalimetallisulf i itin tai -bisulfiitin muodossa, on myös edullista.

Ennenkuin saatu glukoosi-fruktoosi-liuos johdetaan lopulliseen käyttöönsä, on edelleen suositeltavaa poistaa tästä glukoosi-fruktoosi-1iuoksesta epätoivotut, mahdollisesti esimerkiksi makuun haitallisesti vaikuttavat ioniset komponentit kationin- ja anioninvaihtajilla. Tämä liuos voidaan myös mahdollisesti haihduttaa siirapiksi. Markkinoilla tällaista siirappia käsitellään nimikkeellä isosiirappi, iso-meroosi tai isoglukoosi.

Seuraavat esimerkit havainnollistavat tätä keksintöä.

Esimerkki 1 Yleisesimerkki

Kaikissa esimerkeissä käytettiin "Si02~kantoaineeseen perustuen valmistettuna katalysaattorina, jolla on glukoosi-isomeraasiaktiivisuutta" katalysaattoria, joka oli valmistettu patenttijulkaisun DE-C-2 726 188 mukaisesti. Tätä katalysaattoria laitettiin kulloinkin 5 g reaktoriin. Tämän reaktorin läpi virtasi glukoosi-liuosta, joka oli lämmitetty 60 °C:n lämpötilaan. Tilavuusnopeus (katalysaattorin tarvitseman reaktoritilavuuden suhteen) asetettiin siten, että isomeroitumisaste oli koko käyttöajan vakio, 46,5%. Ulos- 6 80474 virtaavan substraattiliuoksen isomeroitumisaste mitattiin polarimetrisesti. Toisistaan erillään tarkasteltuina katalysaattori ja tämä menetelmä ovat tunnettuja seuraavista olennaisista parametreistä:

Katalysaattori:

Kantoaine S1O2

Aktiivisuuden lisääntyminen 9000 U/g

Raekoko 0,1-0,2 mm

Jauheen tiheys (kuivana) 0,45 kg/1

Menetelmä:

Substraatti Glukoosin 45 paino-% vesiliuos

Lisätekijät 120 ppm Mg(II) 1 ppm Co (11) 200 ppm SO2 (Na2SC>3:na) pH-arvo 7,5

Substraatin tiheys 1,2 kg/1

Substraatin sisäänmeno- 60 °C

lämpötila

Isomeroitumisaste 46,5%

Tilavuusnopeus alussa 13,0/h

Glukoosi-isomeraasiliuoksen aktiivisuuden määrittäminen

Katalysaattorin valmistamiseen käytettävän glukoosi-isome-raasientsyymin liuoksen aktiivisuus määritettiin Takasaki-menetelmällä (Y. Takasaki: Agr. Biol. Chem. Voi. 30, Nr. 12, 1247-1253, 1966 sekä Z. Dische ja E. Borenfreund: J.-Biol. Chem. 192, 583, 1951). Yksi aktiivisuusyksikkö (U) on määritelty siksi entsyymimääräksi, joka inkubointiolosuh-teissa muodostaa 1 mg:n fruktoosia.

ti 7 80474

Inkubointiolosuhteet:

Lämpötila 65 °C

Reaktioaika 1 h

Substraatti 0,1 m Glukoosi x H2O

(Merck 8342) 0,05 m fosfaattipuskurissa, pH 8,0, joka sisälsi 0,0004 m MgS04:ia

Katalysaattorin laadun tai vaihtoehtoisesti sen menetelmän, jossa tätä katalysaattoria käytettiin, laadun ratkaiseva kriteeri aktiivisuuden alenemisen puoliintumisajan sekä sen käyttöajan, jonka kuluttua jäännösaktiivisuus on 20% alkuperäisestä aktiivisuudesta (20%:nen jäännösaktiivisuus alkuperäiseen 100 prosentin aktiivisuuteen verrattuna on osoittautunut vielä taloudellisesti kannattavan katalysaattoriaktii-visuuden alarajaksi) ohella on ennen kaikkea tuottavuus. Tuottavuus määritellään tällöin siksi substraattimääräksi, kuiva-aineena ja kiloina laskettuna, joka tietyllä isomeroi-tumisasteen arvolla voidaan 1 kg:lla katalysaattoria käsitellä siten, että jäännösaktiivisuudeksi saadaan 20% alkuperäisestä aktiivisuudesta.

Esimerkki 1.1

Keksinnön mukainen esimerkki

Yleisesimerkki 1 toteutettiin siten, että glukoosiliuos keksinnön mukaisesti sisälsi 50 ppm:ää Si02:ta natronvesi-lasiliuoksen muodossa. Saadut tulokset olivat seuraavat: 8 80474

Puoliintumisaika 1300 h Käyttöaika, kunnes jäännös- 3800 h aktiivisuus oli 20%

Tuottavuus 3800 tunnin kuluttua 26000 kg kuiva- ainetta, jossa 46,5 paino-% fruktoosia/ 1 kg kataly-saattor ia

Esimerkki 1.2

Vertailuesimerkki patenttijulkaisun DE-C-3 148 603 mukaisesti

Yleisesimerkki 1 toteutettiin siten, että glukoosiliuos ei sisältänyt keksinnön mukaista Si02~lisäystä, ja että tämä liuos kuitenkin patenttijulkaisun DE-C-3 148 603 mukaisesti pumpattiin ennen reaktoriin johtamista ennen reaktoria kytketyn esikolonnin läpi. Tämä esikolonni oli täytetty 5 grammalla erästä kaupallisesti saatavaa, pallon muotoista, vettä sietävää, huokoista alumiinisilikaattia (koostumus suurin piirtein 97 paino-% Si02:ta ja 3 paino-% Α^Οβ.θ; raekoko 1-2 mm, jauheen paino kuivana 0,7 kg/1; Kali-Chemie AG:n tyyppi KCT-WS)

Saadut tulokset (puoliintumisaika, käyttöaika, tuottavuus) olivat samat, kuin esimerkissä 1.1 saadut tulokset.

Esimerkki 1.3 Vertailuesimerkki Tämä esimerkki vastaa yleisesimerkkiä 1, toisin sanoen glukoosiliuos ei sisältänyt keksinnön mukaista Si02~lisäystä eikä tätä glukoosi-liuosta johdettu Si02:sta tai alumiini-silikaatista valmistetuilla puristeilla täytetyn esikolonnin läpi. Tulokset ovat seuraavat: 9 80474

Puoliintumisaika 670 h Käyttöaika, kunnes jäännös- 1700 h aktiivisuus on 20%

Tuottavuus 1700 tunnin kuluttua 12500 kg kuiva-ainetta, jossa 46,5 paino-% fruk-toosia/1 kg katalysaattoria

Esimerkki 2 Käyttöseisokin lavastamiseksi esimerkit 1.1, 1.2 ja 1.3 toistettiin siten, että 300 käyttötunnin jälkeen glukoosi-liuoksen läpivirtaus keskeytettiin kolmeksi tunniksi reaktorin lämpötilaa muuttamatta. Tällä oli seuraavat seuraukset:

Esimerkki 2.1

Esimerkkiin 1.1 verrattuna mitään muutoksia ei todettu. Esimerkki 2.2

Kun läpivirtaus jälleen käynnistettiin, katalysaattorin aktiivisuus oli pudonnut 81%:sta 64%:iin alkuperäisestä aktiivisuudesta, mikä vastaa 21%:n suhteellista aktiivisuus-tappiota. Lisäksi saatiin seuraavat tulokset:

Puoliintumisaika 800 h Käyttöaika, kunnes jäännös- 2900 h aktiivisuus on 20%

Tuottavuus 2900 tunnin kuluttua 19200 kg kuiva-ainetta, jossa 46,5 paino-% fruk-toosia/1 kg katalysaattoria 10 8 G 474 'Esimerkki 2.3 Tässä esimerkissä läpivirtauksen uudelleenkäynnistämisen jälkeen katalysaattorin aktiivisuus oli pudonnut 75%:sta 59%:iin alkuperäisestä aktiivisuudesta, mikä myös vastaa 21%:n suhteellista aktiivisuustappiota. Lopputulosten arvot olivat seuraavat:

Puoliintumisaika 480 h Käyttöaika, kunnes jäännös- 1300 h aktiivisuus oli 20%

Tuottavuus 1300 tunnin kuluttua 9600 kuiva- ainetta, jossa 46,5 paino-% fruktoosia/1 kg katalysaattoria Nämä esimerkit osoittavat, että tällä keksinnöllä voidaan saavuttaa yhtä hyvä tuottavuuden paraneminen kuin työskenneltäessä patenttijulkaisun DE-C-3 148 603 mukaisesti, ja ettei keksinnön mukaisesti työskenneltäessä käytön keskeytymisen seurauksena ole kuitenkaan katalysaattorin aktiivisuuden minkäänlaista heikkenemistä, jopa pidettäessä reaktorin lämpötila vakiona.

Näiden esimerkkien havainnollistamiseksi seuraavissa diagrammeissa esitetään aktiivisuuden heikkenemisen (kuva 1) sekä tuottavuuden kehittymisen (kuvat 2 ja 3) riippuvuus kulloinkin käyttöajasta. Kaikissa diagrammeissa on abskissa-na käyttöaika tunteina. Kuvan 1 koordinaattana on aktiivisuus prosentteina ja kuvan 2 sekä kuvan 3 koordinaattana on tuottavuus tonneina kuiva-ainetta (TS) katalysaattorikiloa kohden. Yksittäisten käyrien mittapisteet on esitetty seuraavasti : 11 80474

Esimerkeissä 1.1, 1.2 ja 2.1 symbolilla "._."

Esimerkissä 1.3 symbolilla "x_x"

Esimerkissä 2.2 symbolilla ".---."

Esimerkissä 2.3 symbolilla "x---x"

Claims (3)

12 80 474

1. Menetelmä glukoosia ja fruktoosia sisältävän liuoksen valmistamiseksi siten, että glukoosia sisältävä liuos muunnetaan Si02~kantoaineeseen perustuen valmistetulla katalysaattorilla, jolla on glukoosi-isomeraasiaktiivisuutta, tunnettu siitä, että tähän glukoosiliuokseen lisätään Siiatta vesiliukoisen alkalimetallisilikaatin muodossa siten, että Si02:n kanssa glukoosiliuokseen joutuneet vieraat ionit eivät vaikuta haitallisesti entsyymin aktiivisuuteen tai glukoosi-fruktoosiliuoksen myöhempään käyttöön.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnet-t u siitä, että SiC^ta lisätään tähän glukoosiliuokseen määränä, joka on 30...80 ppm.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että Si02:ta lisätään tähän glukoosi-liuokseen vesilasiliuoksen muodossa.