KR0157304B1

KR0157304B1 - 크실로오스의 새로운 제조방법

Info

Publication number: KR0157304B1
Application number: KR1019900008846A
Authority: KR
Inventors: 르뢰 장-베르나르; 뒤플로 피에릭; 까보슈 장-자끄
Original assignee: 알렝 필리파르; 호케트 프레르
Priority date: 1989-06-16
Filing date: 1990-06-15
Publication date: 1998-10-15
Also published as: IE64306B1; CA2019036A1; JP2981257B2; KR910001067A; FR2648474A1; US5238826A; RU1838418C; FI95576C; DE69010999D1; DE69010999T2; DK0403392T3; ES2060976T3; EP0403392A3; FI903009A0; EP0403392B1; FR2648474B1; FI95576B; IE902172L; IE902172A1; CA2019036C

Abstract

내용 없음.

Description

크실로오스의 새로운 제조방법

제1도는 본 발명에 따른 방법의 경로를 다이아그램으로 나타낸 도면임.

제2도 내지 4도는 상기 방법을 실시하는데 적합한 설비의 일부를 다이아그램으로 나타낸 도면임.

본 발명은 D-크실로오스의 새로운 제조방법에 관한 것이다.

자작나무, 옥수수속대, 씨의 껍데기나 아몬드와 같은 원료물질로부터 D-크실로오스를 제조하는 것은 잘 알려진 사실이다.

이러한 원료 물질을 극한온도 및 압력조건하에서 산가수분해함으로써, 크실란-D-크실로오스의 폴리머-을 크실로오스로 분해시키며, 이 크실로오스를 수소첨가 반응시켜 크실리톨을 제조한다.

그러나 이 공정은 다음과 같은 많은 결점을 갖는다.

즉:

- 크실로오스의 저조한 수율 (사용된 원료물질의 8-15 중량 %)에 의해서도 드러나듯이, 원료물질의 크실란 함량이 낮고 상당량의 부산물이 발생되기 때문에, 질적 개선은 찾아보기 힘들고 그의 분해는 또한 매우 오염적인 것으로 밝혀짐.

-크실로오스외의 다른 당류, 즉 글류코오스, 만노오스, 갈락토오스 및 아라비노오스등과 같이 그 물리적 특성이 D-크실로오스와 유산한 당류(이 당들의 수소첨가된 등가물은 크실리톨의 그것과 유사함) 원료물질이 가수분해물 중에 존재함으로 인해, D-크실로오스를 분리하기가 매우 어렵고(그리고, 이러한 경우 크실리톨의 분리를 요할 수 있음); 수소첨가시킨 목재의 가수분해물 중에서 흔히 발견되고, 시럽농축시 크실리톨을 동시에 결정화시키는 갈락티톨의 존재는, 백내장을 일으키키 때문에 크실리톨으르 식용으로 의도한 경우 바람직스럽지 않다.

특히 글루코오스를 발효시켜 D-아라비톨을 제조하는 방법을 개시한 프랑스 특허 제2,009,331호는 D-크실룰로오스를 경우해서 D-크실로오스를 제조하는데 있어 D-아라비톨이 중요한 원료물질이라고 설명한다.; 그러나 이 특허는 D-크실룰로오스를 수소첨가에 의해 크실리톨을 100% 제공하는 유일한 5탄당인 D-크실로오스로(그의 광학 이성체 L-크실로오스도)전환시키는 수단에 대해서는 전혀 언급이 없다.

D-크실룰로오스를 화학적 경로에 의해 부분 이성화시켜 D-크실로오스를 만드는 것도 고려할만한 것이지만, 이 방법은 위험한 용매를 사용해야 한다는 단점을 지닌다.

그러므로 효소적 이성화가 바람직한 듯하다. 이외에도, HOCHSTER 및 WATSON (National Reseach Council N°3105 캐나다 오타와)은 D-크실로오스를 D-크실룰로오스로 또는 그 역으로 전환시킬 수 있는 효소에 의해, 실험적으로, D-크실룰로오스를 D-크실로오스로 이성화시켰으나, 고순도로 D-크실로오스가 분리되지 않고 온도 및 특히 농축 조건하에서 행하였기 때문에 산업규모로는 전적으로 적합치 않다.

덧붙여, 이 효소들을 이용한 전환은 화학적 이성화와 마찬가지로, 단지 부분적이고; D-크실로오스를 25%의 D-크실룰로오스와 함께 최대 수율 75% 로 얻게하는 이 이성화는 D-크실로오스로 전환되지 않기 때문에, 돌이킬 수 없을 정도로 손실된다.

D-크실룰로오스로부터 D-크실로오스를 분리하기 위해, 이들 두 당을 함유하는 시럽을 비술파이트 형태로 하전된 음이온 수지상에서 크로마토그래피시키는 방법이 제안되었다(프랑스 특허 제2,117,558호). 이러한 조건하에서의 당의 분리는 우수하나; 이 기술의 결함은 D-크실로오스가 수지에 비가역적으로 결합되어 수행력의 극심한 감퇴를 수반하지 않는한 5회이상 연속적으로 분리사이클을 행하기가 어렵다는 사실에 있다[S.P. Olivier 및 P.J. du Toit, Biotechnology and Bioengineering, 28권, 684-699p. (1986)].

일본특허출원 제47-13707호에 의해 1972년 이래, 크실로오스를 경유하지 않고 굴루코오스로부의 2중 호기적 발효에 의해 얻어진 D-크실룰로오스를 직접 수소첨가 반응시켜 크실리톨을 제조하는 방법도 제시되었다. 이방법의 결점은 상기 수소첨가 반응이 단지 50%의 크실리톨과 함께 동시에 50%의 D-아라비톨을 제공한다는 것으로, 후자는 이러한 비율로 존재할 때, 크실리톨로부터 분리하기가 어렵다.

결과적으로, D-아라비톨을 경유함으로써 D-글루코오스로부터 약 40%의 낮은 수율로만 그자신 얻어질 수 있는 크실룰로오스로부터 충분한 순도 및 수율로 D-크실로오스나 크실리톨을 공업 규모로 생산할 수 있는 방법은 아직까지 없었다.

따라서 본 발명의 목적은, D-글루코오스로부터 목적하는 최종 생성물로 이르는데 적합한 많은 단계에 견딜 수 있도록 높은 수율 및 순도를 갖는 D-크실로오스를 제조하는데 적합한, D-글루코오스로부터 얻어지는 D-크실룰로오스로부터 D-크실로오스를 제조하는 방법을 제공하는데 있다.

본 발명자들은 D-크실로오스를 글루코오스와 프럭토오스의 크로마토그래피 분ㄹ리에 사용되는 것들로 이루어지며,

바람직한 것인 양이온수지나 제올라이트상에서 크로파토 그래피시킴으로써 D-크실로오스와 D-크실룰로오스의 혼합물로부터 고순도로 분리할 수 있음을 발견하였다.

따라서 본 발명에 따른 D-크실로오스의 제조방법은 :

- 제1단계에서, D-크실룰로오스 시럽을 효소적으로 이성화시켜 D-크실로오스와 D-크실룰로오스의 혼합물을 만들고, - 제2단계에서, 상기 혼합물을 크로마토그래피 처리하여, 적어도 두가지 분획, 즉 하나는 D-크실로오스가 풍부하고(분획 X₁) 다른하나는 D-크실룰로오스가 풍부한 (분획 X₂) 분획들을 제공하여,

-제3단계에서, 분획 X₂를 이성화단계로 재순환시키고, D-크실로오스를 X₁분획으로부터 회수하고, 후자를 직접 수소첨가 단계로 보낸다.

D-크실룰로오스는 공지방법 특히, D-글루코오스를 호기적으로 발효시켜 얻은 상기 D-아라비톨을 미생물을 이용하여 산화시키는 방법(바람직한 생산방법임)에 의해 얻을 수 있다.

바람직한 구체예에 따라, 본 발명에 따른 D-크실로오스의 제조방법은 출발 D-크실룰로오스를 다음의 연속적인 단계로 제조하는 것으로 특징지어진다. 즉:

- D-글루코오스를 D-아라비톨로 전환시키는 피치아(Pichia)속의 호삼투성 미생물을 이용하여 D-글루코오스 시럽을 호기적으로 발효시키고,

- D-아라비톨을 D-크실룰로오스로 전환시키는데 적합한 아세토박터(Acetobacter), 글루코노박터 (Gluconobacter) 또는 클레시엘라 (Klebsiella) 속의 테히드로게나제 알코올생산 미생물을 이용하여 D-아라비톨을 호기적으로 발효시킨다음,

-이소머라제 글루코오스 또는 이소머라제 크실로오소의 작용하에서, D-크실룰로오스를 D-크실로오스가 풍부한 시럽으로 이성화시킨다.

글루코오스의 호기적 발효는 글루코오스의 산화에 의해 글루콘산으로 통과되는 변형으로 대체될 수 있는데, 이 글루콘산은 그의 칼슘형태에서 RUFF 법에 의해 탈카르복실화 되어 D-아라비노오스로 될 수 있다 (미국특허 제3,775,294호 참고). 다음 D-아라비노스를 공지방식으로 수소첨가시켜 D-아라비톨을 얻는다.

겉보기에는 다소 복잡한 듯 하지만, 본 발명의 방법은, 특히 그의 구성단계의 조합에 의해, D-크실로오스를 매우 풍부하고 저렴한 원료물질인 출발 D-글루코오스에 대해 30 % 이상의 수율로 생산시킨다.

종래기술의 방법에 비해,

-사용되는 원료물질의 양과

-D-크실로오스 및 결과적으로 크실리톨 생산에 의해 발생하는 부산물의 양과 오염도가 크게 감소된다. 기타 장점 들은 :

-원료물질인 D-글루코오스의 수집에 관한 병참적인 문제가 없고,

-극도의 고온 및 고압 또는 부식성 매질을 견뎌내야할 필요가 없이 종래의 시설로 이 원료물질을 가공할 수 있으며,

-갈락토오스 없이 D-크실로오스를 얻을 수 있다는 점:

따라서 수소첨가에 의해 얻어진 크실리톨은 갈락티톨을 함유하지 않으며, 결과적으로 식품용으로 사용가능하다는데 있다.

다음의 비제한적인 실시예와 도면, 상세한 설명을 참고로 본 발명을 다음에 더욱 상세히 설명한다.

제1도에서, 상술한 공정을 다이아그램으로 나타내었다.

즉 :

-M₁에서 D-글루코오스를 D-아라비톨로 전환시키고,

-M₂에서 D-아라비톨을 D-크실룰로오스로 전환시키며,

-M₃에서 D-크실룰로오스를 이성화시키고,

-M₄에서 이성화된 시럽을 크로마토그래피 처리하고,

-N₁에서 D-크실로오스가 풍부한 시럽을 회수하고 N₂에서 D-크실룰로오스가 풍부한 시럽을 회수한 다음,

-D-크실룰로오스가 풍부한 시럽을 파이프 P를 통해 N₂에서 M₃으로 재순환 시킨다.

글루코오스의 발효에 있어서, 다음의 조성을 갖는 배양배지를 사용할 수 있으며;

-덱스트로스 150-200g/l

-유기질소

(코온 스팁 또는 효모 추출물 형태) 2-4g/l (N x 6.25)

-KH₂PO₄1-3g /l

-MgSO₄, 7H₂O 1-2g/l

상기 배지를 발효조에 도입하고, 살균한 다음 ATCC에 기탁번호 20, 209로 보관중인 균주 피치아 오메리(Pichia Ohmeri) (또는 피치아 파리노사 : Pichia farinosa)균주와 같은 피치아 속 미생물을 24시간 배양시킨 배양체 약 10%를 접종한다. 이 배양은 예컨대 다음의 조성을 갖는 배지에서 수행한다:

- 글루코오스 50g /1

- 효모 추출물 10g /1

- KH₂PO₄3g /1

- MgSO₄, 7H₂O 1g /1

분당 배양체 부피의 1~1.5배 부피의 공기를 이용하는 호기적 조건하, 암모니아로 조정한 (바람직하게는) ph4~6, 바람직하게는 ph4.5에서 30℃에서 80-100시간 계속 발효시켜, 아라비톨 65~90g/l을 얻는다. 이 아라비톨은 이 발효 말기에 배양 배지중에 존재하는 감미 물질의 70~85%를 대표한다.

글루코오스에 대한 아라비톨의 수율은 약 40~50% 이다.

발효조 (아라비톨이 풍분한 발효 브로쓰) 의 모든 성분을 살균시켜 효모를 사멸시킨 다음 ; 다음 조성을 갖는 배지에서 약20시간동안 배양시킨 아세토박터 수복시단(Acetobacter suboxidans) 배양체를 접종하여 (약 10%) D-아라비톨 발효단계로 들어간다 :

-아라비톨 50g/l

-소르비톨 2g/l

-효모 추출물 2g/l

-KH₂PO₄0.2g/l

-MgSO₄, 7H₂O 0.2g/l

-CaCO₃5g/l

아라비톨이 풍부한 발효 브로쓰를 아세토박터 접종전에 원심분리 여과에 의해 정제시키는 것이 좋다.

D-아라비톨의 발효는 분당 배양체의 부피의 1~1.5배 부피의 공기를 이용하는 통기하에서, pH 4.0~6.0에서 약 24~48시간동안 20~40℃에서 다른 영양물질없이 계속 진행시키며, 그후에는 D-크실룰로오스가 풍부한 즙이 얻어진다. 이 크실룰로오스는 제2 발효 말기에 존재하는 감미 물질의 70~85%를 나타낸다.

이 단계에서 존재하는 감미 불순물은 대개 제1 발효시 아라비톨과 함께 생성된 크실리톨과 아세토박터에 의한 산화를 빠져나온 D-아라비톨로 구성되며; 이 불순물중에서는, 릭소오스 및 흔적량의 글루코오스나 원료물질로서의 덱스트로스중에 불순물 상태로 존재하던 여러 당류가 발견 된다.

D-아라비톨의 발효단계 말기에서 얻어지는 발효 브로쓰의 글루시드 조성은 다음과 같다.

-크실룰로오스 70-85%

-아라비톨 5-15%

-크실리톨 1-5%

-여러당류 5-10%.

이 발효즙을 공지방식으로 정제한다음 (여과, 활성탄소 상에서의 탈색 및 탈미네랄) 이성화 단계전에 농축시킬 수 있다.

이성화반응이 피스톤 효과 반응기에 고정된 효소에 의해 연속적으로 수행되면 상기 정제는 필수적으로 수행되어야 하며; 효소 소실과 함께 불연속적으로 뱃치 이성화되는 경우 이러한 경제는 낭비적인 것이 된다. 이성화 단계에서는 예컨대

-SPEZYME으로 알려지고 Suomen Sokeri사가 판매하는 것

-LYSASE GI 2000으로 알려지고 출원인 회사가 판매하는 것 (프랑스특허 제2,353,562호)

과 같이, 높은 프럭토오스 함량으로 옥수수 시럽을 제조하는데 사용되는 형태의 상업적인 이소머라제 크실로오스가 사용될 수 있다.

바람직하게는, 사용되는 효소의 양이 반응 평형이 4~48시간 사이에 도달하도록 하는 양인 것이 좋으며; 비술파이트 나트륨 및/또는 마그네슘염과 같은 효소에 대한 보호제가 존재하는 것이 소망된다.

40~80℃ 및 pH6.0~8.5 범위에서 이성화를 수행한다.

일반적으로, 이성화 단계의 변수는 D-크실로오스 함량 53%를 초과하는 시럽을 결과시키게 하도록 선택된다.

이성화 단계 말기에, 얻어진 이성화 시럽의 글루시드 조성은 일반적으로 다음과 같다.

-크실로오스 53-64%

-크실룰로오스 17-22%

-아라비톨 5-15%

-크실리톨 1-15%

-여러당류 5-10%

놀랍게도 글루코오스의 발효도중 아라비톨과 함께 생성되고 D-아라비톨의 발효시 전환되지 않은 크실리톨의 존재가 이소머라제 크실로오스의 공정을 방해하지 않는다는 것이 관찰되었는데 이는 크실로오스의 최대 비율 (약 75%)이 순수한 크실로오스를 이성화시킬 때 이미 얻어진 비율과 동일하기 때문이다.

1988년에 이 사실은 더욱 예기치 못한 것이었는데, 즉 IZUMORI와 TUZAKI 는 J. Ferment. Technol. 66권, 1호 33-36p (1988)에서 크실리톨이 진정 이소머라제 크실로오스의 경쟁적 억제자로 보인다고 기재하였다; 이성화시킨 시험중에 그가 단독으로 존재하면 이성화 반응을 크게 방해하여, 본 발명에 따른 방법을 수행하는 것이 불가능해질 것이다.

이성화 반응후에 얻어진 크실로오스가 풍부한 시럽을 탈미네랄화시켜 정제한 다음 크로마토그래피 분획 단계로 보낼 수 있다.

이 크로마토그래피 분획 단계는 공지방법에 따라, 불연속적으로, 또는 연속적으로 (시뮬레이트 이동 베드), 바람직하게는 알칼리 또는 알칼리토이온으로 하전된 강산 양이온 수지 타잎 또는 NH⁺ ₄, NA⁺, K⁺및 Ca²⁺, Ba²⁺등으로 하전된 양이온 제올라이트 형태의 흡착제 상에서 수행될 수 있다.

이러한 크로마토그래피 분리방법의 예는 특허

US 3,044,904; US 3,416,961; US 3,692,582; FR 2,391,754;

FR 2,099,336; US 2,985,589; US 4,024,331; US 4,226,977;

US 4,293,346; US 4,157,267; US 4,182,623; US 4,332,623;

US 4,405,445; US 4,412,866 및 US 4,422,881에 기재되어 있다.

바람직한 구체예에 따라, 본 출원인의 US 특허 4,422,881호 및 상응하는 프랑스특허 2,454,830호에 기재된 방법과 장치에 의해 크로마토그래피 분리단계를 수행한다.

어떠한 크로마토그래피 분리기술을 사용하던지간에, 흡착제로서, 양이온물질, 바람직하게는 강한 양이온수지를 사용한다. 이 수지는 칼슘이온형태로 더 바람직하게 여전히 사용되며 디비닐벤젠중에 함량 4~10%를 갖는다.

크로마토그래피 단계의 변수 특히 :

- 용출 유동속도,

- 이성화 시럽의 공급 유동속도,

- 크실로오스가 풍부한 분획의 추출 유동속도,

- 탈착, 흡착 및 보강 영역의 조성

을 실시예에서 설명한다.

분획 X₁이 D-크실로오스가 풍부하게 되도록 선택하며, 백분율은 건조 물질에 대한 중량으로 표시한다 :

-60~95%

-바람직하게는 75~90%, 더욱 바람직하게는 80~85%, D-크실룰로오스의 함량은 25% 미만, 바람직하게는 15% 미만인 것이 좋다.

이러한 결과에 도달하기 위해, 미국특허 제4,422,881호에 설명된 방법 및 설비를 이용하여 크로마토그래피 단계를 수행하고, 사용된 흡착제가 6% 디비닐벤젠과 가교된, 그래뉼로 메트리가 낮은 양이온 수지이고, 칼슘 형태로 사용될 때, 상기 변수를 다음과 같이 선택한다 :

-용출 유동속도 125~500 1/h/m³흡착제

-이성화 시럽 공급 유동속도 15~60 1/h/m³흡착제,

-크실로오스가 풍부한 분획의 추출 유동속도 30~120 1/h/m³흡착제.

더구나, 이 크로마토그래피 단계는 크실룰로오스가 풍부한 분획 X₂및 양이온 물질에 의해 매우 크게 흡착되거나, 또는 반대로, 강하게 배척된 생성물로 구성된 분획 X₃의 생산을 수반한다.

양이온 물질에 의해 강하게 흡착된 생성물중, 특히 크실리톨과 아라비톨이 발견되며, 강하게 배척된 생성물중에서는, 여러 당류가 발견된다.

D-크실룰로오스가 풍부한 분획 X₂는, 바람직하게는 다음의 조성을 갖는다. 백분율은 건조물질에 대한 중량으로 표시 :

-50~80% 크실룰로오스,

-20~50% 크실로오스,

-0~5% 아라비톨 및 크실리톨.

D-크실룰로오스가 풍부한 이 분획 X₂를 본 발명에 따라 효소적 이성화 단계로 재순환 시킨다.

매우 높은 수율로 D-크실룰로오스를 D-크실로오스로 전환시키는 한편, 이 D-크실로오스를 고순도로 얻게하여, D-크실로오스를 D-글루코오스로부터 D-크실룰로오스를 통해 경제적으로 흥미롭게 제조할 수 있게된 것은 본 발명에 따른 크로마토그래피 분리 및 재순환 단계를 사용하기 때문이다.

수지에 의해 매우 강하게 흡착되거나, 또는 반대로 매우 강하게 배척된 생성물을 갖는 분획 X₃을 계로부터 제거한다.

D-크실로오스가 매우 풍부한 분획 X₁으로부터, D-크실로오스를 회수한다. 분획 X₁을 특히 촉매적으로 직접 수소첨가시킬 수도 있다.

분획 X₁으로부터 D-크실로오스를 회수하기 위해서는:

-시럽을 농축시켜 화학적으로 순수한 D-크실로오스를 결정화에 의해 분리시키고, 고갈된 모액을 크로마토그래피 단계로 바람직하게 재순환시키거나,

- 상기 시럽을 완전히 탈수시켜 기술적인 품질의 D-크실로오스를 생산한다.

분획X₁을 직접 수소첨가하기로 결정된 때에는, 종래 기술에서 알려진 조건에 의존하여야 한다. 특히 루테늄 또는 라니니켈 촉매를 사용한다 : 이러한 직접적 수소첨가는 크실리톨 제조시 바람직하다 : 수소첨가는 약 20~80kg/cm²의 수소압력하에서 약80~130℃ 온도사이에서 라니니켈 촉매를 이용하여 수행할 수 있다.

얻어진 크실리톨 시럽은 다음 조성을 갖는다 :

크실리톨 87-97%

아라비톨 3-13%

크실리톨이 대단히 풍부하기 때문에 그의 수용액으로부터 직접 결정화에 의해 크실리톨을 고수율 및 고순도로 분리할 수 있으며 실제로, 프랑스 특허 제2,202,069호에서 지적된 바와같이, 몇가지 연속적인 수확을 수행함으로써 결정화로부터 모액을 고갈시킬 수 있다.

[실시예]

D-글루코오스의 호기적 발효

총 용량 10m³의 발효조에 다음 성분을 도입한다 :

1200kg 결정화 덱스트로스 일수화물

16kg 효모 추출물

8kg KH₂PO₄,

8kg MgSO₄, 7H₂O.

배양 배지를 살균시킨다음 30℃ 까지 냉각시킨후, 이 발효조에 프랑스특허 제2,009,3331호에 기재된 것과 같은 피치아 오메리(ATCC 20,209호)의 24시간된 예비 배양체 800리터를 접종한다.

유동속도 130Nm³/시간 및 암모니아 첨가에 의해 pH를 4.5로 조정하여 90시간동안 또는 글루코오스가 아라비톨로 전환되는 기간동안 통기를 계속하였다.

[D-아라비톨의 호기적 발효단계]

제1단계 완료후, 발효조의 내용물을 살균시켰다 ; 다음, 다른 영양성분을 첨가하지 않고 30℃까지 냉각시킨 후, 다시 접종하였으나, 이 경우는 다음의 조성을 갖는 배지에서 배양시킨 아세토박터 수복시단의 24시간된 예비 배양체 800리터를 이용하였다 :

-아라비톨 50g/l

-소르비톨 2g/l

-효모 추출물 2g/l

-KH₂PO₄0.2g/l

-MgSO₄, 7H₂O 0.2g/l

발효 말기에, 배양체 즙을 여과하고, 활성탄소 상에서 탈색시킨다음 이온 교환 수지상에서 탈미네랄화시켰다.

이 경제 시럽의 글루시드 조정은 다음과 같았다 :

-크실룰로오스 80.7%

-아라비톨 6.5%

-크실리톨 3.8%

-여러당류 9%

시럽은 사용된 글루코오스의 건조물질에 대해 48% 수율로 얻어졌으며, 이는 사용된 글루코오스에 대해 순수한 크실룰로오스 40% 수율에 상응하는 것이다.

[이성화 단계]

D-아라비톨의 호기적 발효단계후에 얻어진 정제시럽을 45% 건조물질로 농축시킨다음, Suomen Sokeri사가 판매하는 상표명 SPEZYME의 이소머라제 글루코오스 존재하에서 55℃의 항온 탱크에 도입하였다. 효소 사용량은 탱크에 존재하는 시럽 2m³에 대해 2kg 으로 하였다. 시럽의 pH를 7.0으로 조정하고 이성화 반응을 30% 용액중의 NaHSO₃0.7ml 및 1g/1 MgSO₄, 7H₂O 존재하에서 24시간동안 수행하였다.

이 단계 말기에, 얻어진 시럽은 다음의 조성을 갖는다:

-크실로오스 60%

-크실룰로오스 20%

-아라비톨 6.5%

-크실리톨 3.8%

-여러당류 9.7%

따라서 시럽중의 크실로오스에 대한 크실룰로오스의 비율은 25%였으며, 이는 이성화를 순수한 결정성 크실로오스로부터 시작할 때 효소의 정상적인 평형가이다. 그러므로, 앞서 언급한 바와같이, 크실리톨은 이성화 효소의 경쟁적 억제자 처럼 행동하지 않는다.

[크로마토그래피 분획화 단계]

미국특허 4,422,881호와 상응하는 프랑스특허 2,454,830호에 크실로오스가 풍부한 이성화 시럽의 분획화와 그에 이은 연속적인 크로마토그래피 분리설비의 구조 및 작동이 상세히 설명되어 있으며, 이러한 상세한 사항은 설명의 이해를 돕는데 요구되는 정도로 참고하기로 한다.

이 장치는 상기 미국특허의 제2도 (본 발명에서도 제2도에 나타내었으며 그 상세한 설명은 미국특허를 참조 바람)에 나타낸 바와같이, 각 200 리터 용량의 C₁-C₈의 8개 칼럼 또는 스테이지에 칼슘형태의 강한 양이온 수지타잎 및 미세한 그래뉼로메트리 (0.2~0.4mm)의 Duolite C204~2078 타잎의 흡착제가 충진되어 있다.

전기밸브의 조정에 의해, 이 장치에는 2 스테이지의 탈착영역 I, 3 스테이지의 흡착영역 II 그리고 약하게 흡착된 크실로오스와 강하게 흡착된 크실리톨 및 아라비톨의 보강 및 분리를 위한 3 스테이지의 영역 III이 설치되어 있으며, 이를 제3도에 나타내었다. 제3도는 제2도에 따른 설비의 다이아그램 도면으로 여기에는 단지 :

-컬럼 C₁~ C₈

-닫힘장치, 전기밸브 106의 경우,

-분획화될 크실로오스가 풍부한 이성화 시럽 및 물의 공급 파이프, 각각 14 및 128임.

-크실룰로오스 (분획 X₂)가 풍부한 시럽의 추출 파이프 148과 크실리톨-아라비톨 (분획 X₃), 여러 가지 당류 (분획X₃) 및 크실로오스(X₁)의 연속 추출용 파이프 146만이 도시되어 있다.

닫힘장치 106 (특히 전기밸브)은 채택된 배치에서, 보강 영역 III (그의 단부에서 강하게 흡착된 잉여 크실리톨-아라비톨, 여러 가지 당류, 이어서 크실로오스가 풍부한 분획을 회수하는)과 그의 헤드에서 탈착수를 도입하는 크실룰로오스 탈착영역 I 사이에서 완전한 조임을 유지한다.

이 닫힘장치는 선별된 흡착제에의 액상 통과 방향을 공고히한다.

26'30''로 조정된 타이밍장치는 다음에 나타낸 유동속도가 탈착영역 I의 제1 스테이지 또는 제1 컬럼으로의 물공급을 전체 크실룰로오스의 탈착이 충분히 수행되도록, 그리고 크실로오스가 풍부한 이성화당의 공급용량이 흡착제 부피 및 그의 흡착용량에 필적할 수 있게하여, 이성화 시럽에 존재하는 크실로오스의 적어도 60% 그리고 크실로오스의 적어도 60%에 상응하는 풍요도(richness)의 크실로오스 추출률을 얻는다.

상술한 추출률과 순도는 흡착된 크실룰로오스의 추출펌프(나타내지 않음)의 유동속도를 조정함으로써 일정하게 유지된다. 아라비톨-크실리톨-여러 당류 분획 (분획 X₃), 이어서 보강 크실로오스(분획 X₁)의 유출은 대기압에서 수행되며 그의 항상적인 유동속도는 공급 유동속도와 추출 유동속도의 차이에 기인한다.

보강 및 분리영역 III의 헤드부에서 설비내로 도입되는 크실로오스가 풍부한 이성화 시럽은, 상술한 바와 같이, 건조물질 함량 50%이다. 분리컬럼내의 온도는 70℃로 유지된다.

제4도는 204에서 제2도 및 제3도의 설비를 제1도에서와의 공통부분에 대해 동일한 번호를 부여하여 다이아그램으로 나타낸다. 크로마토그래피 설비 204는 큰 분획의 아라비톨-크실리톨과 여러 당류 분획 (분획 X₃)을 함유하는 과량의 물을 제거하는 파이프 306b를 포함한다. 이 추출물의 건조물질 함량은 낮으며, 파이프 306b₁을 통해 침지된다.

물공급은 파이프 401을 통해 수행된다.

파이프 위의 화살표는 유동방향을 가리킨다.

크로마토그래피 유니트 204는 다은과 같이 작동한다 :

-크로마토그래피 분획화될 크실로오스가 풍부한 이성화 시럽을 52 리터/시간의 유동속도로 파이프 401을 통해 도입한다. 건조물질 함량은 50% 임.

-보강 크실로오스 (분획X₁)를 88.5 리터/시간의 유동속도로 파이프 306b₂를 통해 평균 건조물질 함량 23.3%로 회수한다.

-이 장치를 통하지 않고 추출되는 총액체량은 총 유동속도 344.5 리터/시간이며 다음으로 구성된다 :

-한편,

* 저농도 및 고순도의 크실리톨-아라비톨, 저농도 및 높은 풍요도의 여러 가지 당류 (분획 X₃)를 함유하며 파이프 306b₁을 통해 추출되는 과량의 물 분획. 265.5리터/시간. 건조물질 함량 2.5% ; 이 분획은 사이클의 최초 20분에 해당함.

*파이프 306b₂를 통해 88.5 리터/시간의 유동속도로 정제설비 (나타내지 않음)로 도입되는, 고보강 크실로오스 분획 (분획 X₁), 이 분획의 건조물질 함량 23.3% ; 이 분획은 사이클의 최후부분, 즉 6'30에 해당.

- 및 다른 한편, 크실룰로오스가 풍부하고 크실로오스가 빈약한 분획 (분획 X₂), 제3도의 파이프 148에 해당하는 파이프 306a (제4도)를 통해 유동속도 79 리터/시간으로 추출됨.

다음의 표1 및 표2에 크로마토그래피 분획장치의 특징적인 작동조건을 요약하였다.

설비로부터 추출된 유출물을 표2에 동정해 놓았다.

이 결과는 크실로오스의 추출중량 비율 20.7/32=65% 시럽 (크실로오스 84% 함유)에 해당하는 것으로 크실로오스의 추출비율 17.4/19.2=90.6%를 나타내며 크실룰로오스의 추출중량비율 4.7/32=15% 시럽(크실룰로오스 68% 함유)에 해당하고, 이는 크실룰로오스의 추출비율 3.2/6.4=50%를 나타낸다.

이 수준이라면, 예컨대 분획 (X)의 추출 유동속도를 증가시킴으로써 크실룰로오스의 추출비율을 상당한 정도로 증가시킬 수 있었음을 나타낸다. 이는 분획(X) 및 (X)의 유출물의 유동속도의 감속에 의해 입증된다.

상관적으로, 크실로오스는 더욱 풍부하나 크실로오스의 추출수율은 다소 낮은 분획(X)이 얻어질 수 있었다. 부획(X)는 다른한편 크실룰로오스가 다소 적었다.

크실로오스가 풍부한 시럽 분획(X)의 분석결과는 다음과 같다 :

-크실리톨-아라비톨 흔적량

-크실룰로오스 15%

-크실로오스 84%

-여러당류 1%

크실룰로오스가 풍부한 시럽 분획(X)의 분석 결과는 다음과 같다 :

- 크실리톨-아라비톨 흔적량

-크실룰로오스 68%

-크실로오스 32%

크실로오스가 풍부한 분획은 경제 및 농축시킨 후 공지의 방법으로 결정화 시킬 수 있다. 결정화된 크실로오스를 수소첨가 반응시켜 크실리톨을 생성한다.

이 경우, 크실로오스중의 모액이 고갈된 후, 후자를 크로마토그래피 분획화 단계로 재순환시켜 그로부터 실제로 모든 크실로오스를 추출해 낼 수 있다. 그다음 이 분획을 D-크실로오스 결정 존재하에 건조물질 함량 75%까지 진공농축시켜 20℃에서 24시간동안 교반시키면서 냉각시켰다. 결정화된 덩어리를 배수 세정시키자 크실로오스가 50% 수율로 1회 수확으로 얻어졌다. 이 크실로오스의 순도는 98% 였다. 모액은 크실로오스 풍요도 약 68%였고 따라서 크로마토그래피 단계로 재순환시켜 그로부터 실제로 크실로오스를 모두 추출할 수 있었다.

크실로오스가 풍부한 분획도 직접 수소첨가시켜 크실리톨이 풍부한 시럽을 얻을 수 있다.

따라서 이 분획을 수소압력 45 바아 및 120℃하에서 라니니켈 촉매를 이용하여 수소첨가 반응시켜 크실리톨 91% 풍요도의 시럽을 얻었다.

크로마토그래피 단계로부터 얻은 분획 X를 한번 더 효소적 이성화 단계로 재순환 시켰다. 이는 크실룰로오스가 풍부한 발효 브로쓰의 이성화에서 이미 설명된 것과 동일한 조건하에서 행하였다.

다음 이성화 시럽을 얻었다. 그의 조성은 다음과 같다 :

-크실리톨-아라비톨 흔적량

-크실룰로오스 26%

-크실로오스 74%

이 시럽을 크실로오스가 풍부한 시럽과 다시 혼합하고 크로마토그래피 분획화 단계로 재순환 시켰다.

이 예에서 나타난 수치로부터, 본 발명에 따른 방법에 의해, D-아라비톨의 발효단계에서 나오는 131.5kg의 글루시드 건조물질로부터, 풍요도 84%의 크실로오스 건조물질 100kg을 얻었으며, 이는 글루코오스로부터 크실룰로오스의 전환수율이 48%임을 고려할 때, 글루코오스 274kg을 사용한 것으로 입증된다.

그러므로 본 발명의 방법으로, 사용된 글루코오스에 대해 36%의 수율로 D-크실로오스가 매우 풍부한 시럽이 얻어진다.

Claims

- 제1단계로서, 글루코오스 이소머라제 또는 크실로오스 이소머라제에 의해 D-크실룰로오스 시럽을 효소적으로 이성화시켜 D-크실로오스와 D-크실룰로오스의 혼합물을 얻고, - 제2단계로서, 상기 혼합물을 크로마토그래피 처리하여 적어도 2 분획, 즉 D-크실로오스가 매우 풍부한 분획 X₁과 D-크실룰로오스가 매우 풍부한 분획 X₂를 얻으며, - 제3단계로서, 분획 X₂를 이성화 단계로 재순환시키고, D-크실오로스를 분획 X₁으로부터 회수하는 것으로 됨을 특징으로 하는, (여기서, 분획 X₁은 직접 수소첨가 반응시켜도 됨) D-크실로오스의 제조방법.
제1항에 있어서, 출발 D-크실룰로오스를 다음의 연속 단계, 즉 : - D-글루코오스를 D-아라비톨로 전환시키는, 피치아 (Pichia)속의 호삼투성 미생물에 의해 D-글루코오스 시럽을 호기적으로 발효시키고, -D-아라비톨을 D-크실룰로오스로 전환시키는데 적합한, 알콜 데히드로게나제 생산 미생물인 아세토박터 (Acetobacter), 글루코노박터 (Gluconobacter) 또는 클렙시엘라속 (Klebsiella)의 미생물을 이용하여 D-아라비톨을 호기적으로 발효시킨 다음, -글루코오스 이소머라제 또는 크실로오스 이소머라제의 작용 하에서 D-크실룰로오스 시럽을 D-크실로오스가 풍부한 시럽으로 이성화시키는 단계에 의해 제조함을 특징으로 하는 제조방법.
제1항에 있어서, 사용되는 효소가 글루코오스-이소머라제인 것이 특징인 제조방법.
제1항에 있어서, 크로마토그래피 분획화 단계를 양이온 수지 또는 제올라이트의 도움을 받아 수행하는 것이 특징인 방법.
제4항에 있어서, 크로마토그래피 분획화 단계를 불연속적으로 또는 연속적으로 (시뮬레이트 이동 베드), 바람직하게는 알칼리 또는 알칼리토이온으로 하전된 강산 양이온 수지 타잎의 흡착제 또는 Nh⁺ ₄, Na⁺, K⁺및 Ca²⁺, Ba²⁺이온으로 하전된 양이온 제올라이트 타잎의 흡착제 상에서 수행하는 것이 특징인 제조방법.
제1항에 있어서, 효소적 이성화 단계의 변수를 시럽 중에 D-크실로오스가 53%를 초과하는 함량으로 생성되도록 선택하는 것이 특징인 제조방법.
제1항에 있어서, 크실로오스 함량이 건조물질에 대한 중량으로 표시할 때 60 내지 95%, 바람직하게는 75 내지 90%, 더욱 바람직하게는 80-85%이고, D-크실룰로오스의 함량은 25% 미만, 바람직하게는 15% 미만의 분획이 얻어지도록 크로마토그래피 분획화 단계의 변수를 선택하는 것이 특징인 제조방법.
제1항에 있어서, 크실로오스의 결정화로부터의 모액을 크로마토그래피 분획화 단계로 재순환시키는 것이 특징인 제조방법.