MXPA06003597A - Produccion de jarabe invertido a partir de jugo de cana de azucar usando invertasa inmovilizada. - Google Patents

Abstract

Esta invencion se enfoca en un proceso nuevo en el cual el jugo crudo de cana de azucar (guarapo) es primeramente refinado a traves de varios pasos y posteriormente es convertido bioenzimaticamente en un jarabe invertido refinado o una solucion concentrada de glucosa-fructosa usando un reactor empacado con invertasa inmovilizada; los pasos de refinacion de manera preferida, incluyen una primera filtracion (filtracion de particulas o microfiltracion) seguido de una segunda filtracion (microfiltracion o ultrafiltracion) y posteriormente cuando menos un paso a traves de una columna empacada con una resina de intercambio anionico; el jugo refinado de cana de azucar puede ser concentrado y/o pasteurizado opcionalmente antes de pasarlo a traves de un reactor empacado con invertasa inmovilizada para convertir a la sacarosa en fructosa y glucosa.

Description

PRODUCCIÓN DE JARABE INVERTIDO A PARTIR DE JUGO DE CAÑA DE AZÚCAR USANDO INVERTASA INMOVILIZADA CAMPO DE LA INVENCIÓN Esta invención se relaciona a un método para convertir el jugo (guarapo) o concentrado de caña de azúcar en un jarabe invertido (glucosa-fructosa) usando invertasa inmovilizada.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Debido a su dulzura y forma líquida, los jarabes invertidos son ampliamente utilizados por diferentes segmentos de la industria alimentaria tales como las industrias de bebidas refrescantes y de panificación. Los jarabes son preferidos sobre la azúcar cristalizada debido a que presentan ventajas desde el punto de vista de procesamiento. Debido a su dulzura y presentación líquida y similitud con los jarabes fructosados de 42 y 55 (el número designa el contenido de fructosa cómo porcentaje del peso del contenido de azúcar total), los jarabes invertidos son altamente solicitados por las industrias refresqueras. Actualmente, el azúcar refinado representa 60-62% del total de azúcar producida en el mundo á partir de caña de azúcar y de otras fuentes de azúcar que no son de caña de azúcar. Aproximadamente 19.2 millones de hectáreas de caña de azúcar y otras fuentes que no son de caña de azúcar son plantadas anualmente rindiendo en promedio 142 millones de toneladas métricas de azúcar cristalizada. En el 2002, México fue el sexto productor mundial de azúcar con una producción de aproximadamente 5.2 millones de azúcar cruda [FAO 2003]. Sin embargo, recientemente, la industria ha caído en presiones financieras debido a la competencia en precios de productores extranjeros de jarabes de maíz glucosados y fructosados altos así como de otras fuentes que no son de caña de azúcar. Por lo tanto, existe la necesidad de desarrollar procesos más eficientes para refinar al jugo o guarapo de caña de azúcar y para la producción de jarabes invertidos los cuales representan un producto atractivo desde el punto de vista comercial y estratégico. Adicionalmente, sería ventajoso reacondicionar y modificar a los molinos o ingenios azucareros existentes para que produzcan jarabes invertidos más eficientemente sin eliminar la capacidad de producir azúcar de mesa o sacarosa. Durante las décadas anteriores, las industrias alimentarias y biotecnológícas han incrementado el uso de enzimas inmovilizadas en varios procesos. Las principales ventajas del uso de la tecnología enzimática inmovilizada son: menor costo de producción y mejoramiento en la capacidad de producción debido a la habilidad de recuperar y reutilizar a los catalizadores biológicos, los cuales son especialmente apropiados para procesos continuos de alto rendimiento. Además, la enzima inmovilizada es más estable y el producto de la reacción está esencialmente libre de contaminación de la enzima, lo cual hace más fácil la purificación del producto resultante (Messing 1975, Rosevear 1984). Una de las principales desventajas de las enzimas inmovilizadas es el posible decremento en su vida media productiva debido a la inactivación de la enzima causada por contaminantes del sustrato. El jugo de caña sin refinar, en particular, contiene cantidades significativas de inhibidores de la invertasa tales como compuestos proteínicos y otros nitrogenados solubles e insolubles, fenólicos, fiavonoides, antocianinas, ceras y minerales (Clarke y Godshall 1988, Donovan 1993). En el proceso convencional de refinamiento de azúcar de caña, el jugo crudo o guarapo es normalmente tratado con cal, desaireado, y clarificado (remoción de sólidos suspendidos generalmente por sedimentación) y el jugo semirrefinado resultante es purificado mediante clarificación (carbonatación vía adición de cal y bióxido de carbono o fosfatación vía adición de ácido fosfórico) y decoloración (Clarke y Godshall 1988, Donovan 1993). Este tratamiento convencional, sin embargo, es inadecuado como paso preparativo para la conversión con invertasa inmovilizada. La adición de más pasos de refinación antes de la conversión enzimática haría la economía del proceso desfavorable o quizás hasta prohibitiva. La adecuación del sustrato mediante purificación es importante para asegurar un uso más eficiente del reactor con la invertasa inmovilizada. Un tipo de proceso, (Donovan et al., Patente de E.U.A. No. 6,406,548; Monclin 1995 Patente de E.U.A. No. 5,468,300) propone la filtración del jugo rico en sacarosa con ultrafiltración, ultracentrifugación y nanofiltración. El jugo resultante puede ser utilizado en operaciones de evaporación y cristalización para producir cristales de azúcar blanca. La Patente de E.U.A. No. 5,468,300 de Monclin describe un método para producir azúcar a partir de caña de azúcar sin utilizar los pasos convencionales de refinación; en lugar se utiliza ultracentrifugación o ultrafiltración y la remoción de descolorantes a través de adsorción. Adicionalmente, Monclin emplea modificadores de viscosidad. La solicitud de Patente Sudafricana No. ZA200107964 también propone el uso de microfiltración, ultrafiltración e intercambio aniónico como pasos de refinación para jugo o concentrados de caña de azúcar antes de la cristalización para producir azúcar de mesa. Pero ninguna de estas referencias propone la conversión del jugo así refinado de caña de azúcar para producir jarabe invertido a través del uso de un reactor con invertasa inmovilizada. Los reactores enzimáticos con invertasa inmovilizada son capaces de producir soluciones con azúcar invertida. La invertasa (beta-D-fructofuranosidasa fructohidrolasa EC 3.2.2.26) hidroliza la conversión de sacarosa en fructosa y glucosa. La sacarosa puede ser convertida a glucosa y fructosa a través de una hidrólisis acida. Los procesos de escala industrial para producir soluciones de glucosa-fructosa a partir de sacarosa generalmente emplean la tecnología de hidrólisis acida, la cual es cara, debido a que puede ser practicada solamente en procesos de lote o semicontinuos. Además, la hidrólisis acida se efectúa a un pH 2-3 lo que produce un jarabe de baja calidad debido a que contiene furfural y otros compuestos coloridos indeseables. No ha sido previamente reportado el uso de refinación y conversión a sacarosa en un proceso continuo, especialmente iniciando con jugo crudo de caña o guarapo y adaptado para practicarse a gran escala en la industria para la producción de jarabes invertidos. Han sido descritos numerosos métodos para la preparación de enzimas inmovilizadas y su uso para otros propósitos y fines tales como los descritos por Nystrom en la Patente de E.U.A. No. 3,935,068; por Long en la Patente de E.U.A. No. 3,935,069; por Amotz et al., en la Patente de E.U.A. No. 3,980,521 ; por Monsan en la Patente de E.U.A. No. 4,405,715; por Morimoto et al., en la Patente de E.U.A. No. 4,543,330; por Sutthoff en la Patente de E.U.A. No. 4,110,164; por Leuba et al., en la Patente de E.U.A. No. 4,918,016; por Harder et al., en la Patente de E.U.A. Nos. 5,314,814 y 5,405,764; y por Kasumi et al. (1977) y Tsumura et al. (1978). Messing (1975) y Rosevear (1984) reportan que la actividad catalítica de enzimas inmovilizadas se mantiene por mayor tiempo en comparación con las enzimas usadas en solución. Pero de nuevo, ninguna de estas referencias propone adaptar estas tecnologías para un procedimiento para hacer jarabes invertidos a partir de jugo de caña de azúcar, mucho menos practicadas a escala industrial. Martínez en la Patente de E.U.A. No. 6,013,491 describe métodos para preparar y usar levadura adherida a un soporte fibroso de celulosa para convertir sacarosa en glucosa y fructosa y Ramos Lazcano en la Patente de E.U.A. No. 5,270,177 describe un método para la producción de jarabes de glucosa-fructosa usando una cepa de levadura recombinante. Algunos sistemas de soporte permiten la regeneración de la actividad de la invertasa cuando la columna es tratada con compuestos químicos (Torres et al. 2003).

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Uno de los objetivos de la presente invención es el de proveer un proceso novedoso para producir jarabes invertidos (glucosa-fructosa) a partir del jugo de caña de azúcar. Un objetivo más específico de la presente ¡nvención es el de proveer un proceso continuo para producir jarabes invertidos a partir de jugo de caña de azúcar, el cual puede ser practicado económicamente a gran escala. El jugo crudo de caña de azúcar (guarapo) sin necesidad de ser tratado previamente con los tratamientos convencionales (tales como uno o más de adición de cal, desaireación, y clarificación a través de carbonatación o fosfatación o sedimentación) es primero y de manera preferida, refinado para eliminar los sólidos, así como el material soluble, los cuales pueden inactivar a la enzima o que pueden reducir de otra manera el desempeño y eficiencia del reactor que contiene un lecho de la enzima inmovilizada. Estos pasos de purificación pueden de manera preferida, ser llevados a cabo usando una combinación de (i) cuando menos dos pasos de filtración y (¡i) el uso de intercambio aniónico, todos estos pasos llevados en unidades continuas de operación. El jugo posteriormente puede ser bioenzimáticamente convertido a jarabe invertido en una columna empacada con un lecho de invertasa inmovilizada. Los pasos de filtración pueden incluir una combinación de filtrado para material grueso (por ejemplo, filtración de partículas), seguida de una filtración más fina (por ejemplo, microfiltración) o una combinación de microfiltración (partículas gruesas) y ultrafiltración (partículas finas) o las tres, o una o dos de ellas en combinación con aún otro paso de filtración. La única restricción es que el filtro grueso debe ser primeramente utilizado y que ningún paso de filtración debe emplear un filtro tan fino que retenga a las moléculas de azúcar (tales como fructosa o glucosa o sacarosa) que son los compuestos o precursores deseados para llegar al producto final. Por lo tanto, ninguno de los pasos de filtración debe retener sustancias con peso molecular de 400 o menos (correspondientes a un tamaño de aproximadamente 0.003 µm). De manera preferida, los dos pasos de filtración deben retener sustancias con pesos moleculares de 4000 o incluso mayores, por ejemplo,, 10,000 kDa., haciendo posible por lo tanto, el uso de tecnologías de membrana menos rigurosas o más flexibles y sistemas de filtración menos caros. De manera preferida, debe existir un paso de pasteurización especialmente cuando la ultrafiltración no es utilizada. La pasteurización puede ser una opción práctica a pesar del empleo de la ultrafiltración. El requerimiento o no de la pasteurización dependerá del tiempo que se demore desde la extracción del jugo y la terminación de los dos pasos de filtración. De manera preferida, la pasteurización debe ser combinada con la concentración. Es ventajoso en el presente proceso que el jugo de caña de azúcar refinado puede sea parcialmente concentrado (de manera preferida, hasta 50-55°Brix) antes de entrar al paso de conversión enzimática. Esto significa que puede haber un paso de concentración inmediatamente antes de la conversión enzimática o todavía más temprano en el proceso, por ejemplo, simultáneamente con el paso de intercambio aniónico o entre estos pasos (por ejemplo, por concentración de toda o algo de la porción de reflujo del material de salida del paso de intercambio aniónico) o antes al intercambio aniónico (al final de la filtración) o antes de terminar la filtración (entre las etapas tempranas y finales de los pasos de filtración). La etapa de concentración puede ser ventajosamente combinada con el paso de pasteurización. Es todavía más deseable resometer al jugo filtrado y parcialmente concentrado (o sin concentrar) a otra etapa de purificación a través de intercambio aniónico antes de realizar el paso de conversión enzimática, o una porción de reflujo del jugo refinado puede ser concentrado (o concentrado todavía más) antes de ser redireccionado a la etapa de intercambio aniónico. La material prima inicial de la presente invención es el jugo de caña crudo o guarapo (por ejemplo, recién extraído sin procesar) obtenido después de prensar a la caña de azúcar. Este material es convertido a jarabe invertido usando un sistema inmovilizado con invertasa, de manera preferida, en un sistema totalmente continuo. El jugo de caña de azúcar es refinado antes de la conversión para eliminar sólidos y sustancias (tanto solubles como insolubles) que pueden inhibir, o inactivar, o impedir de otra manera, el desempeño del paso de conversión bioenzimática. Convenientemente, la primera fracción de sólidos contaminantes puede ser eliminada por un proceso de filtración practicado en al menos dos etapas tales como filtración de partículas o microfiltración. Una segunda fracción de contaminantes solidos y una primera fracción de contaminantes solubles pueden ser retiradas por una segunda técnica de filtración tal como microfiltración (o ultrafiltración). De manera más preferida, tanto la microfiltración como la ultrafiltración se emplean de hecho, en ese orden, opcionalmente además en combinación con un paso de filtración ordinaria de partículas que se realizaría primero. Posteriormente, una columna empacada con resina de intercambio aniónico puede ser utilizada para eliminar los contaminantes solubles adicionales. En una modalidad preferida típica, el jugo de caña de azúcar contiene de 15-23° Brix después de la extracción de la caña de azúcar. Del 92-96% del contenido de azúcar de la caña es extraído como sacarosa. A su vez, el azúcar representa del 75-92% del contenido de sólidos del jugo de caña de azúcar. El jugo de caña de azúcar es pasado cuando menos una vez a través de una unidad de microfiltración equipada con una membrana de 0.2 µm y una unidad de ultrafiltración equipada con una membrana de un corte molecular de 10,000 Daltons. Los pasos de mícrofiltración y ultrafiltración también eliminan muchos microorganismos, dejando al jugo con una menor carga microbiana. Estos pasos de purificación son seleccionados en base a su habilidad para eliminar a los contaminantes, y la vez que minimizan las pérdidas de azúcar. El jugo de caña de azúcar resultante ultrafiltrado (semipurificado) es pasado cuando menos una vez a través de una columna empacada con una resina de intercambio aniónico que posea una fuerte afinidad por los contaminantes fenólicos y nitrogenados, tal como la resina Diaion WA 30 (Sigma Aldrich St Louis Missouri). Estos pasos de purificación son seleccionados para eliminar los contaminantes pero no el azúcar. En una alternativa de la modalidad preferida, el jugo crudo de caña de azúcar o guarapo es primeramente filtrado usando un filtro de partículas (malla) donde pasen partículas no mayores a 250 micrones o inclusive una malla 100 para eliminar aquellas partículas sólidas. (Un rotocernidor con autolimpieza HONIRON (Jeanerette, Louisiana) puede ser utilizada para este propósito). El jugo saliente de esta etapa es de manera preferida, pasteurizado y simultáneamente concentrado parcialmente, por ejemplo, a 40-50° Brix, y posteriormente filtrado por lo menos en un filtro fino, de manera preferida, con un equipo de microfiltración de membrana. El jugo saliente de la unidad de microfiltración es sujeto a un tratamiento con intercambio aniónico. Una de las ventajas de esta modalidad es que el paso de la uitrafiltración que es relativamente cara es reemplazado por pasos relativamente baratos, como son la filtración de partículas combinada con pasteurización, este último paso para reducir la carga microbiana dado que la filtración ordinaria (a diferencia de la ultrafiltración), no elimina bacterias u otros microorganismos. En este punto, el jugo de caña de azúcar refinado puede ser parcialmente o concentrado todavía más en caso de que se haya empleado un paso de concentración más temprano en el proceso (hasta aproximadamente 50-55° Brix). El jarabe invertido terminado debe contener 68° Brix o más (típicamente hasta cerca de 70°) para evitar el crecimiento de microorganismos y reducir costos de transporte. El jugo de la caña de azúcar después de los pasos de filtración y de manera preferida, después de un paso a través de la columna de intercambio aniónico puede ser concentrado hasta 70° Brix (de manera preferida, a aproximadamente 50-55° Brix) usando evaporadores convencionales tales como los comúnmente empleados o utilizados por los ingenios azucareros o industrias productoras de jarabes mientras todavía sea susceptible a la purificación en la columna de intercambio aniónico. El jugo de caña de azúcar tratado puede ser de manera preferida, refinado más (por ejemplo, a través de uno o más pasos adicionales a través de la columna de intercambio aniónico) antes de pasar a través del reactor de lecho empacado provisto con invertasa inmovilizada. Durante la evaporación, todos los contaminantes se concentran así que, si se desea, el concentrado puede ser ventajosamente pasado una o varias veces a través de la misma o diferente columna de resina de intercambio aniónico. Varias pruebas de laboratorio mostraron que este paso adicional de refinación a través de la columna aniónica posterior a la concentración, disminuyó; adicionalmente, después de un paso por columna aniónica y vuelto a someter a un segundo paso de intercambio aniónico, un 42% de los compuestos fenólicos residuales y 24% de la proteína residual, respectivamente en jugo de caña concentrado entre 50-55° Brix. Este paso adicional produce un jarabe con un color más claro y prolonga aún más la vida media de la enzima inmovilizada presente en el reactor de conversión. Alternativamente, o en adición a los pasos múltiples de intercambio aniónico, la porción de reflujo del jugo tratado con intercambio aniónico puede ser concentrado antes de regresar a la columna de intercambio aniónico. Antes de entrar a la columna de hidrólisis enzimática, el jugo de caña de azúcar opcionalmente concentrado y tratado en la columna de intercambio aniónico de manera preferida, contiene los siguientes valores: contenido de azúcar: 15-25° Brix, si no está concentrado, o hasta aproximadamente 50° Brix si se concentró; contenido de sacarosa: 92-96% basado en el peso total de azúcares; contenido de solidos residuales (disueitos) no azucarados: menos del 1 % por peso; contenido de compuestos fenólicos residuales (disueltos): 53.24 ppm; contenido de minerales residuales: 0.08% o menos por peso.

Se cree que el proceso de la invención también reduce en gran medida los contenidos de fiavonoides, antocianinas y ceras presentes en el jugo de caña de azúcar. Las condiciones del reactor y velocidad de flujo pueden ser ajustadas para lograr conversiones mayores del 90%. Es importante obtener conversiones mayores de 90% puesto que de otra manera la sacarosa residual puede cristalizar y degradar la calidad del jarabe. La ¡nvertasa trabaja óptimamente a un pH de 4.5 a 6.0 y a una temperatura de 45 a 60°C, así que se prefiere que el paso de conversión se realice bajo un control de temperatura y pH. El jarabe invertido resultante puede ser opcionalmente concentrado usando evaporadores convencionales (típicamente a aproximadamente 70°Brix), ajustado su pH (dentro de un intervalo de 4.0 a 5.0) o adicionalmente refinado usando una columna aniónica como la descrita anteriormente u otro medio de adsorción, como por ejemplo, un sistema empleando carbón activado. La concentración, reduce el volumen e incrementa el contenido de grados Brix y tiene el efecto de disuadir el desarrollo de microorganismos y reducir costos de transporte. El tratamiento adicional postconversión elimina la proteína residual y otros remanentes de compuestos coloreados indeseables. En otro aspecto, la invención está dirigida a aparatos que incluyen equipos para realizar las operaciones unitarias continuas anteriormente descritas, esto es, principalmente una unidad de microfiltración, una unidad de ultrafiltración conectada en serie y corriente debajo de la unidad de microfiltración para recibir el jugo microfiltrado y producir jugo ultrafiltrado, una columna de intercambio aniónico con o sin capacidad de reflujo (la corriente de reflujo saliente de la columna puede ser opcionalmente conectada a una etapa de concentración y el material saliente regresado a la columna), una columna de intercambio aniónico que recibe al jugo ultrafiltrado y produce un jugo de caña de azúcar tratado con la resina de intercambio aniónico y un reactor de columna que contiene la invertasa montada en un soporte sólido. Las ventajas de la presente invención incluyen sin limitación la habilidad para realizar la conversión a jarabe invertido de una manera efectiva y continua usando un proceso que fácilmente se puede adaptar a escala comercial, y la habilidad para prolongar o extender la vida de la enzima en un reactor de columna con operación ininterrumpida que por lo tanto mejora la eficiencia del proceso. Los objetivos, características, y ventajas adicionales de la invención pueden ser más fácilmente entendibles de la descripción detallada presentada posteriormente.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es un diagrama de flujo del procedimiento para elaborar jarabe invertido de acuerdo a la presente invención.

La Figura 2 es un diagrama de flujo de otro procedimiento para elaborar jarabe invertido de acuerdo a la presente invención. La Figura 3 es una gráfica de la actividad remanente de ¡nvertasa nativa y modificada graficada contra tiempo de incubación. La Figura 4 es una gráfica de la invertasa modificada (2U/ml) recuperada por su uso en diferentes membranas de diálisis.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN En una modalidad, la presente invención está enfocada a un proceso novedoso para producir jarabe invertido utilizando jugo crudo de caña de azúcar (guarapo) obtenido vía procesos de extracción convencionales. La invención incluye una primera etapa (purificación y concentración parcial opcional del jugo crudo de caña de azúcar) y una segunda etapa (conversión enzimática del jugo refinado de caña de azúcar utilizando invertasa inmovilizada y opcionalmente la concentración adicional del jarabe invertido resultante tal como se ilustra en la Figura 1). Después de la obtención del jugo crudo de caña de azúcar por procedimientos extractivos tradicionales (maceración, tratamiento con cal y/o otros pasos de refinación convencionales para eliminar sólidos burdos o gruesos, por consiguiente estos pasos para mejorar la claridad y la remoción de color pueden ser y son de manera preferida, omitidos excepto posiblemente por el paso de sedimentación usado para eliminar sólidos gruesos), el jugo es filtrado y purificado con resinas de intercambio aniónico en preparación al paso de conversión. Adicionalmente, pasos de refinación posteriores pueden seguir al paso de conversión. El jugo de caña de azúcar se somete a operaciones de remoción de sólidos tales como microfiltración y ultrafiltración o filtración de partículas y microfiltración con el objetivo de eliminar contaminantes insolubles finos y una primera fracción significativa de contaminantes solubles. La unidad de microfiltración equipada con una membrana de 0.2 µm de diámetro seguida en serie por una unidad de ultrafiltración equipada con una membrana para separar contaminantes con pesos moleculares mayores a 10,000 daltons (lo cual corresponde a tamaños mayores que 0.005 µm) son particularmente preferidas. Equipos con un corte de peso molecular menor son aceptables, tal como se describió supra, mientras no causen la retención de moléculas de azúcar ni incrementen innecesariamente los costos de proceso y equipo. (Tal como se utiliza en este documento, la "retención substancial de azúcares contenidos en el jugo de caña de azúcar significa retener al menos 85% y de manera preferida, al menos 90% del contenido original de azúcar en el jugo). Estas dos técnicas de separación practicadas en serie reducen significativamente (típicamente por más del 90%) el contenido de proteína insoluble del jugo de caña crudo original, determinado por la técnica de Biuret (Gornall et al, 1949). Alternativamente, una combinación de filtración de partículas mediante el paso a través de un filtro por ejemplo, malla No. 100 seguida por microfiltración tal como se describió anteriormente puede ser practicada. De manera preferida, el jugo se pasteuriza y opcionalmente y simultáneamente se concentra a 35-50° Brix entre el primero y segundo pasos de filtración. El paso de pasteurización es de mucho beneficio en las modalidades donde la ultrafiltración no se emplea. Cada uno de los pasos de proceso puede ser realizado más de una vez, resultando en una mejor remoción de sólidos. Sin embargo, a pesar del uso de estas técnicas sofisticadas de remoción de solidos, el jugo de caña de azúcar todavía contendrá componentes solubles que afectan adversamente a la invertasa y/o el desempeño del reactor. Por esta razón, el jugo de caña de azúcar parcialmente refinado es adicionalmente sometido a un paso de intercambio aniónico para reducir la cantidad de compuestos solubles indeseables. Una gran variedad de materiales de intercambio aniónico pueden ser usados: por ejemplo, dietilaminoetil celulosa, estireno, acrílico y agarosa. La agarosa es preferida desde el punto de vista de costo; la celulosa es preferida debido a que tiene tanto un buen desempeño como un bajo costo. La remoción de componentes solubles indeseables puede ser de manera preferida, lograda a través de una columna de intercambio aniónico que posee una fuerte afinidad por compuesto fenólicos y nitrogenados. Este paso de intercambio aniónico ha probado ser muy efectivo para clarificar el jugo y eliminar todavía más los compuestos indeseables en preparación a la conversión enzimática. La pasteurización puede ser llevada a cabo a una temperatura tan baja como de 61.5°C o a una temperatura mayor, por ejemplo, 72°C. Se debe tener cuidado de no afectar adversamente la calidad del jarabe invertido de tal manera que después de la conversión, deben ser empleadas menores temperaturas de concentración y pasteurización.

EJEMPL0 1 Con referencia particular a la Figura 1 , la caña de azúcar fue extraída usando técnicas convencionales en la etapa de extracción 1. El extracto crudo 101 (características mostradas en el Cuadro 1) alimentado a una velocidad de flujo de 12.0L/hora fue pasado a través de un sistema Quick Stan Benchtop equipado con una unidad de microfiltración (2 en la Figura 1) manufacturado por A/G Technology modelo no. QSM-04SAP equipado con una membrana de filtración de 0.2µm que resiste una caída de presión máxima de 2.1092 kgf/cm2 (30 psi) para producir un jugo de caña de azúcar microfiltrado 201 cuyas características se ilustran en la segunda columna del Cuadro 1. Los contaminantes 202 fueron principalmente proteínas, péptidos, fenólicos y otros compuestos coloreados. El jugo microfiltrado 201 fue posteriormente sometido a una ultrafiltración con una unidad manufacturada por A/G Technology, modelo no. QSM-04SAP (3 en la Figura 1) que trabaja bajo una caída de presión máxima de 2.1092 kgf/cm2 (30 psi) para producir una jugo de caña de azúcar ultrafiltrado 301. Los contaminantes 302 fueron principalmente proteínas, péptidos, fenólicos y otros compuestos coloreados. El jugo ultrafiltrado 301 fue posteriormente pasado a una columna de intercambio aniónico (4 en la Figura 1) bajo condiciones de pH 5.5 usando una columna de vidrio y una resina débil de intercambio aniónico (Diaion WA 30) comercialmente disponible de la compañía Sigma Aldrich (St. Louis Missouri). La resina tuvo un tamaño de partícula promedio de 16-50 µm, de naturaleza porosa, activada con alquilamina y con una capacidad de 1.5 meq/ml (Supelco). La resina fue previamente tratada con una solución de fosfato de sodio 0.05 M ajustada a un pH de 5. La columna de vidrio utilizada para empacar a la resina tenía 30 cm de largo y un diámetro interno de 2.5 cm. La resina empacada de 15 cm de largo fue tratada con una solución amortiguada de acetato de sodio hasta que el pH de la solución de salida fuera de 4.5. El jugo de caña ultrafiltrado fue pasado una sola vez a través de la columna. En este paso, aproximadamente el 50% de los compuestos fenólicos fueron eliminados de acuerdo a la técnica analítica Folin Ciocalteau (S ain y Hillis 1959). El jugo de caña de azúcar tratado con la resina de intercambio aniónica 401 contuvo las características especificadas en una de las columnas del Cuadro 1. En este punto, la corriente entera 401 puede ser concentrada en la etapa de concentración (5 en la Figura 1) y pasada a través de la misma columna de intercambio aniónico o una porción de reflujo de la misma, corriente 401 A puede ser concentrada, antes de retornarla a través de la misma columna (corriente 501 en la Figura 1) la cual podría también regresar a un punto intermedio de la columna dependiendo del contenido de impurezas de la corriente de reflujo concentrada. Alternativamente, la corriente 401 , puede ser concentrada y pasada a través de una segunda columna de intercambio aniónico (no mostrada). La redirección del concentrado 501 a través de la columna de intercambio aniónico 4 (o el paso a través de otra columna de intercambio aniónico) elimina los contaminantes solubles adicionales resultando en una corriente más purificada (no mostrada por separado en la Figura 1). La corriente 401 posteriormente se convierte en la alimentación del reactor en columna (6 en la Figura 1).

EJEMPLO 2 La invertasa (Grado Vil, No. Catalogo I 4504, Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri) fue inmovilizada por simple adsorción en perlas de quitosana (Chitopearl BCW 3505, Wako Chemicals USA, Inc.). El tamaño de las perlas fue de 350-390 µm y contenían una capacidad de intercambio iónico de 0.2 -0.3 meg/ml con una superficie específica de 150-200 m2/g. Las perlas de quitosana fueron lavadas tres veces con agua destilada y una solución de acetato de sodio 0.02 M (pH 4.5). La invertasa fue adicionada a las perlas de quitosana a aproximadamente 2,000 unidades enzimáticas/g de perlas y la suspensión resultante fue mantenida bajo agitación por 60 minutos a temperatura ambiente. La solución fue filtrada y las perlas de quitosana que contenían a la invertasa inmovilizada fueron lavada una vez con la solución de acetato de sodio 0.02 M (pH 4.5).

El material enzimático inmovilizado en perlas de quitosana fue utilizado para empacar una columna enchaquetada de 20 cm de largo (Tipo XK-16 Pharmacia) con un diámetro interno de 16 mm. El largo del sistema de soporte de enzima inmovilizada fue ajustado a 120 mm. Perlas de zirconio fueron colocadas en la parte superior e inferior de la columna. El zirconio fue utilizado como material inerte simplemente para evitar la pérdida del soporte de la columna. En operaciones comerciales son utilizados platos o bandejas especiales provistos con mallas en lugar del zirconio u otros materiales inertes. La columna fue equilibrada a una temperatura de 50°C mediante la circulación de agua calentada a través de la chaqueta de la columna. El concentrado refinado de caña de azúcar 401 con 50-55° Brix fue bombeado a través de la columna a una velocidad de flujo ajustada para propiciar un tiempo de residencia de 10 minutos. La cantidad de azúcar en el sustrato y el producto fue determinada con el método colorimétrico de ácido dinitrosalicilato y mediante cromatografía líquida de alto rendimiento equipada con un detector de índice de refracción. Bajo estas condiciones, más del 95% de la sacarosa fue convertida en glucosa y fructosa (jarabe invertido). La relación glucosa a fructosa en el producto fue de 1 :1. Las características restantes de la corriente del producto 601 también se muestran en el Cuadro 1. Finalmente el producto jarabe invertido 601 fue concentrado para contener 68-70° Brix en el evaporador 7 y opcionalmente puede ser más refinado para llenar las especificaciones requeridas por la industria. Estos ajustes finales pueden ser llevados a cabo usando operaciones unitarias convencionales y técnicas de refinación como el uso de columnas empacadas de adsorción con carbón activado para mejorar el color del jarabe.

EJEMPLO 3 Este ejemplo es una simulación por lotes secuenciales de un proceso continuo como una modalidad alternativa preferida de la presente invención. Con referencia particular a la Figura 2, la caña de azúcar fue extraída usando técnicas convencionales de la etapa de extracción 21. En la primera etapa de filtración 22, el extracto crudo 1001 con características mostradas en el Cuadro 2 fue primeramente pasado a través de la malla No. 100 (tamiz 100) a presión atmosférica. Los sólidos contaminantes relativamente gruesos 2002 fueron recolectados por un filtro y descartados. El jugo primeramente filtrado 2001 es primeramente pasteurizado en la etapa 23 a 61.5°C por 0.5 horas (o a una temperatura mayor, por ejemplo, 72°C por un período más corto de tiempo, por ejemplo, 15 segundos) y al mismo tiempo concentrado mediante evaporación hasta a 50° Brix. El jugo pasteurizado/concentrado 3001 fue pasado a través de un cartucho de microfiltración 24 (2800 cm2, CFP-2E-6A elaborado por Amersham Biosciences Buckinghamshire, RU) que tenía una membrana con un diámetro de poro de 0.2 µm equipado con una bomba (E-trac WFCHT elaborada por Inverter), operando a una presión de 0.9139 kgf/cm2 (13 psi) para eliminar las partículas sólidas finas (cenizas finas, compuestos coloreados) así como para reducir la carga de levaduras y bacterias, y proteínas de alto peso molecular (peso molecular de aproximadamente > 100kD) los cuales fueron descartados (4001). Periódicamente, después de 6 a 8 horas de uso de la unidad de microfiltración, la membrana fue regenerada mediante dos lavados con una solución 0.2 M de NaOH a 50°C. El NaOH requirió de lavados (3 veces) con agua o neutralización con una solución 1 N de HCl. El jugo microfiltrado, corriente filtrada fina 4002, representa el producto intermedio filtrado en dos etapas. Las características de este producto intermedio son mostradas en el Cuadro 2. El producto intermedio aún tenía un color indeseable marrón oscuro, lo cual indicaba que tenía presentes fenólicos y otros compuestos coloreados. El producto intermedio 4002 fue posteriormente sometido a la etapa de intercambio aniónico 25: fue alimentado en la parte superior de la columna de 500 ml (450 ml de volumen de trabajo) equipado con resina microgranular de intercambio aniónico Whatman DE52, con una capacidad de 0.88-1.08 meq/g (Whatman, New York, USA). El amortiguador de fosfato de sodio fue utilizado para equilibrar a la columna a un pH de 5 antes de alimentar al producto intermedio 4002. El producto resultante del Intercambio aniónico 5001 que eluyó de la columna tuvo las características mostradas en el Cuadro 2. Los contaminantes eliminados 5002 incluyeron ácidos fenólicos y otros compuestos coloreados, dejando un producto de tonalidad amarillo pálido 5001. Estos pasos también disminuyeron el contenido de compuestos nitrogenados inhibidores de la invertasa aunque las medidas no fueron realizadas en este ejemplo. El producto tratado con la resina anióníca 5001 fue posteriormente sometido a una hidrólisis enzimática del paso 27 usando una columna en la cual la invertasa (Maxivert L10000 de Saccharomyces cereviciae con una actividad de 10,000 U/ml, DSM, Francia) fue inmovilizada en Chitopearls™ utilizadas como soporte. La carga del soporte con la enzima fue lograda tal como se describe en el Ejemplo 4. La columna fue mantenida a 60°C, pH 5 y la conversión a jarabe invertido se realizó en el producto tratado con la resina de intercambio aniónico que fluyó a través de la columna. Las Chitopearls™ fueron escogidas entre otros soportes en parte debido a su eficiencia, bajo costo y bajos costos de operación y en parte debido a que posee algo de capacidad de intercambio iónico que mejoró aún más el color del jarabe. Un liquido incoloro 7001 eluyó de la columna catalítica. Después de que la invertasa se agotó (debido a crecimiento microbiano como resultado del uso intermitente por un total de aproximadamente 7 días) el soporte fue lavado con NaOH 1 N para que eluyera la invertasa, lavado tres veces con agua destilada y cargada con enzima nueva tal como se describió anteriormente. El soporte tiene una vida útil prolongada y puede ser limpiado, cargado con enzima nueva y reutilizado varias veces antes de que tenga que ser reemplazado. La restricción del crecimiento microbiano puede extender los días de operación de la invertasa. El jarabe invertido que eluye de la columna catalítica posee las características especificadas en el Cuadro 2. El jarabe invertido puede ser concentrado a 68-70° Brix después de la conversión enzimática. La concentración postconversión puede ser efectuada en un evaporador con vacío a 60°C para evitar la formación de color en el jarabe invertido ocasionado por efecto de altas temperaturas. La concentración preconversión produce un producto con 40-50° Brix inmediatamente antes de la conversión (esto puede ser hecho usando una porción o todo el producto de la columna de intercambio aniónico tal como se ilustra en la Figura 2, corriente 5001A dentro del paso 26 y la corriente concentrada 5002 que regresa a un punto superior o intermedio no mostrado del paso 25). Los diferentes lugares o locaciones de las etapas de concentración del proceso tienen diferentes ventajas y desventajas. La concentración preconversión permite trabajar con volúmenes reducidos y disminuyen la tasa de crecimiento de microorganismos debido a la alta concentración de solutos; sin embargo, la mayor viscosidad de la solución afecta negativamente el desempeño de las membranas de microfiltración (y ultrafiltración, si hay) causando un incremento en la caída de presión.

EJEMPLO 4 Inmovilización enzimática Una solución de 2500 U/mL de invertasa (Maxinvert L10,000, DSM, Francia) en un amortiguador de fosfato 50 mM con pH 5 fue modificada de acuerdo al protocolo reportado por Hsieh (2000). 30 mg de invertasa (412 U/mg) se disolvieron en 29 ml de amortiguador de fosfato 50 mM, pH 5.0 y se mezclaron con 1 ml de peryodato de sodio 30 mM por 3 hora a 4°C en la oscuridad. El peryodato de sodio que no reaccionó fue eliminado mediante la adición de 0.2 ml de etilenglicol y mezclado por 30 minutos. La invertasa resultante oxidada con peryodato fue dializada contra un amortiguador de fosfato 50 mM, pH 6.0. La Figura 3 (una gráfica de la actividad remanente a 55°C en sacarosa 1M pH 6 de invertasa nativa y modificada (2U/ml) previamente incubada a la misma temperatura graficada contra el tiempo de incubación) muestra que la invertasa modificada tuvo una mayor actividad que la enzima nativa y que el paso de modificación incrementó la vida útil de la enzima. Por ejemplo, la enzima nativa perdió 75% de su actividad inicial en 6 horas, mientras que la enzima modificada demoró aproximadamente 27 horas. Durante el proceso de modificación, la diálisis se utilizó para eliminar a los reactivos necesitados para la modificación (peryodato de sodio y etilenglicol). La diálisis puede ser hecha usando una membrana con un corte de peso molecular de 10 kDa (una membrana con un corte mayor del peso molecular puede ser usada por ejemplo, en exceso de 25 kDa). Los resultados mostrados en la Figura 4 (una gráfica de actividad a 55°C en una solución de sacarosa 1 M a pH 6 de la invertasa modificada (2U/ml) recuperada por diferentes membranas dializadoras con cortes de peso molecular de 10 kDa, 15 kDa, y 25 kDa demostraron que la actividad de la enzima modificada no es influenciada por el tipo de membrana dializadora. Más experimentos fueron realizados usando enzima modificada para seleccionar el soporte más conveniente para la inmovilización. Alúmina, Sephabeads® y Chitopearls™ fueron utilizados para estos propósitos. Las perlas de quitosana fueron seleccionadas como soporte para la inmovilización enzimática ya que son muy fáciles de preparar, su uso es más barato, y su preparación es más rápida en comparación con otros soportes comúnmente empleados. Además, las perlas de quitosana tienen una vida útil mucho mayor y requieren de menos enzima de tal manera que el proceso de inmovilización fue eficiente. Finalmente, tal como se resaltó en el Ejemplo 3, este soporte tiene algo de habilidad de intercambio ¡ónico lo cual mejora aún más el color claro del jarabe producido. Antes de la inmovilización las Chitopearls™ BCW 3505 (Fuji Spinning Co., Ltd, Japón) fueron lavadas tres veces con agua destilada. El exceso de agua fue decantado y 40g (50 ml) de Chitopearls™ fueron empacados dentro de una columna de vidrio de 30 cm largo y un diámetro interno de 1.5 cm (50 ml de volumen de trabajo) equipada con una chaqueta y tapas permeables de malla y tela en ambas terminaciones de la columna. La invertasa modificada fue inmovilizada por simple absorción es decir, pasando la solución enzimática a través de una columna para alcanzar una concentración de 1000-3000 lU/g. Antes de su uso, un amortiguador 50 mM de NaH2PO , pH 5 fue pasado a través de la columna hasta que la solución de salida tuviera un pH de 5. La temperatura de operación fue fijada a 60°C. La enzima inmovilizada fue utilizada para convertir las soluciones de prueba (sacarosa en agua conteniendo 34-50% de sacarosa) en jarabes invertidos. La tasa de conversión fue alta, al inicio en 100%. Después de 3 días de operación continua las conversiones fueron todavía mayores que el 80%. Adicionalmente, debido a las propiedades de intercambio ¡ónico de las perlas de quitosana o Chitopearls™, el jarabe invertido resultante fue casi transparente como el cristal (L=66.14, a*= 0.39, b*= 2.11). No se observó una diferencia substancial en la caída de presión cuando se incrementó la concentración de azúcar debido a que el tamaño y forma de las Chitopearls™ permitió un flujo fácil a través de la columna, indicando que un jugo más concentrado puede ser utilizado. A esta escala, el flujo fue fijado en el intervalo de de 5-12 ml/minuto.

EJEMPLO 5 Efecto del intercambio iónico en la decoloración El jugo de caña microfiltrado fue pasado a través de una resina débil de intercambio aniónico (Resina Whatman DE52 prehinchada microgranular de intercambio aniónico, Whatman, New York, USA) para eliminar los compuestos fenólicos y proteínas. Antes de ser utilizada, la resina Whatman DE52 prehinchada microgranular de intercambio aniónico fue activada mediante la adición de un amortiguador de NaH2P0 , 50 mM, pH 5 hasta lograr la hidratación completa. Una vez que la resina estaba hidratada y lista para usarse, 40 g fueron empacados dentro de una columna plástica de 15 cm largo y 2 cm de diámetro interno (50 ml de volumen de trabajo) equipada con un filtro en la parte inferior. El flujo de jugo de caña de azúcar microfiltrado (hacia abajo) se fijó a 8 ml/minuto usando una bomba peristáltica. Los compuestos coloreados presentes en 2 L del jugo microfiltrado fueron eliminados usando 40g de resina, dando un líquido translúcido de tonalidad amarilla ligera. Los parámetros de color fueron medidos con un colorímetro Minolta usando un estándar blanco y una fuente de luz D65. Los parámetros CIELa*b* (coordenadas de color en el espacio) indicaron un color más luminoso de la muestra después del intercambio aniónico, cambiando el valor L de 34.02 a 63.72. La coloración roja también disminuyó con un cambio de +3.92 a -2.85 en los valores de a*. Esta columna fue regenerada usando 2 volúmenes de cama o lecho (100 ml) de una solución 1 N de NaOH seguido de 2 volúmenes de lecho de agua desmineralizada y 2 volúmenes de lecho de un amortiguador de NaH2P04 50 mM, pH 5. El NaOH residual (100 ml, 1.0 N) fue eliminado por neutralización con ácido HCl 1 N.

EJEMPLO 6 Conversión de sacarosa en escala piloto La invertasa fue inmovilizada en Chitopearls™ tal como se describió en el Ejemplo 2 y empacada en una columna de vidrio equipada con una chaqueta intercambiadora de calor y con tapas permeables en ambas terminaciones de la columna de 70 cm de largo y 7 cm de diámetro interno (2700 ml de volumen de trabajo). Antes de su uso, un amortiguador 50 mM de NaH2P04, pH 5 fue pasado a través de la columna hasta que la solución saliente tuviera un pH de 5. La temperatura de operación fue fijada en 60°C mediante el uso de agua caliente. El jugo inicial fue desviado hasta que estuviera estable. El sistema fue probado primero con una solución de sacarosa de 32° Brix a 9.6 L/hora usando una bomba centrífuga (Fasco, Modelo 71632363). Con un tiempo de residencia de 14 segundos, la conversión promedio total fue de 96.0%. La concentración de fructosa y glucosa en el jarabe invertido fue determinada con el método colorimétrico de ácido dinitrosalicílico (DNS) reportado por Miller (1959). G.L., Anal Chem., 1959, 31: 426-428.

EJEMPLO 7 Producción de jarabe invertido de jugo de caña de azúcar a escala piloto sin pasteurización o ultrafiltración El jugo de caña de azúcar fue extraído con técnicas convencionales que consisten de la maceración de la caña de azúcar en un molino de impacto mecánico. Durante las pruebas, el jugo crudo de la caña de azúcar (guarapo) fue manualmente pasado a través de la malla No. 100 (equivalente Tyler 100) en lotes de 2 L con el objeto de eliminar las partículas sólidas gruesas que pueden afectar las otras etapas del proceso. Los sólidos (incluyendo cenizas, piedras y material orgánico) fueron retenidos por la malla mientras que el jugo de caña de azúcar prefiltrado pasó a través de la malla y fue colectado en tanques para el procesamiento adicional. Este Ejemplo está también ilustrado en la Figura 2 pero no se realizó ni pasteurización ni el paso opcional de concentración (no se efectúo el paso 22). Los números de referencia de las varias corrientes en este Ejemplo 7 no implican que las corrientes tengan las características proporcionadas en el Cuadro 2 para otro experimento distinto. El jugo de caña de azúcar primeramente filtrado fue posteriormente filtrado finamente a través de una membrana de microfiltración (Amersham Biosciences, CFP-2-E-6A) equipada con una bomba (E-Trac WFCHT AC Inverter). La unidad consistió de una membrana de microfiltración de 2800 cm2 de 0.2 µm. Las presiones de entrada y salida fueron mantenidas en 0.9139 y 0 kgf/cm2 (13 y 0 psi), respectivamente y la velocidad de la bomba mantenida a 200 RPM. Bajo estas condiciones, la velocidad de flujo a través del cartucho fue de 900 L/hora, mientras que el jugo de caña de azúcar retenido (4001) tuvo un flujo de 895.2 L/hora, el cual fue recirculado al tanque almacenador de donde el jugo de caña de azúcar era obtenido. El jugo de caña de azúcar microfiltrado (4002) tuvo un flujo promedio de 4.8 L/horas y fue recolectado en tanques de almacenamiento para procesarse posteriormente. Después de su uso, la membrana requirió ser lavada con 20 L de NaOH 0.2 N a 50°C, esto con el objeto de eliminar los sólidos adheridos a la superficie y para fines de sanitización. El NaOH (20, 0.2 N) residual fue eliminado por neutralización con 4 L de HCl 1 N. El equipo de microfiltración no tuvo suficiente capacidad, y por lo tanto una unidad más grande debió ser utilizada. Pero esto es cuestión de optimización, dentro de las destrezas de la técnica. El jugo de caña de azúcar microfiltrado (4002) pasa hacia abajo a través de' una columna de vidrio de 70 cm de largo y 7 cm de diámetro interno empacada con resina Whatman DE52 (1350 ce de volumen de trabajo) previamente tratada tal como se describe en el Ejemplo 5. El jugo microfiltrado (4002) fue bombeado por la acción de una bomba peristáltica (Stenner 170DM5) a una velocidad de flujo promedio de 1.1 L/hora, produciendo un líquido translúcido de color amarillo claro (5001) a la salida de la unidad que fue recolectado en tanques de almacenamiento para el procesamiento adicional. Los cambios colorimétricos en el jugo de caña de azúcar fueron determinados usando la escala CIELa*b* (Colorímetro Minolta), dando los siguiente parámetros: L* 41.7, a* +6.75, b* +24.42 en el jugo de entrada a L* 61.17, a* -1.52, b* +14.94 en la salida. El tiempo de operación dependió del contenido de fenólicos de la caña de azúcar y de la compresión hacia abajo en la columna causada por la resina debido a caídas en diferenciales de presión del jugo fluyendo desde arriba hacia abajo. Esto indica la necesidad de optimizar el tipo de resina, posiblemente cambiando hacia una más eficiente: los candidatos son Dowex 66 de Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, U.S.A. o aún Chitopearls™, empleadas en el paso de conversión, las cuales tienen capacidad considerable de intercambio iónico y que probablemente son capaces de soportar la presión de la columna de una mejor manera. El tiempo de operación promedio usando las condiciones aquí descritas fue de 5 horas, mayores tiempos de operación produjeron productos con mayores cantidades de compuestos fenólicos debido a la pérdida progresiva de la capacidad de intercambio de la resina, afectando las propiedades ópticas. Algunas columnas aniónicas pueden ser usadas para operarse en una base semicontinua, cambiando de una a otra una vez que el nivel de saturación de la resina se alcanza. La saturación de la resina puede ser determinada. indirectamente mediante la medición de parámetros de color CIELa*b* en el producto eluyente de salida. Después de que la resina ha perdido la mayoría de su capacidad de intercambio iónico debido a la saturación con compuestos fenólicos, es regenerada con NaOH 1.0 N tal como se describe en el Ejemplo 3. El jugo tratado con intercambio iónico (5001 ) fue pasado a través de una columna de conversión enzimática (27) descrita en el Ejemplo 6. El jugo de caña de azúcar tratado con intercambio iónico fluyó hacia arriba por la acción de una bomba ajustable centrífuga (Fasco, Modelo 71632363). Cuando el flujo de jugo de caña de azúcar que fluyó a través de la columna fue fijado a 12 L/hora (con un tiempo de residencia de10.5 segundos), la conversión promedio total fue de 89.7%, y cuando fue fijado a 6 L/hora (con un tiempo de residencia de 21 segundos), la conversión promedio total fue de 98.0%. El jarabe invertido fue recolectado en tanques de almacenamiento para procesarse posteriormente. Después de la conversión, el jarabe invertido (7001) puede ser concentrado utilizando un evaporador equipado con una bomba de vacío. El evaporador puede ser cargado con el jarabe invertido con 20° Brix hasta que el volumen operacional sea alcanzado. Después de cargarlo, el evaporador de lotes es cerrado y encendido. El evaporador se reguló para operar a una temperatura promedio de 55°C y a una presión de -0.9 baras que se alcanza en un cierto período de tiempo de acuerdo a las características del evaporador. El flujo del jarabe invertido en la entrada debe ser ajustado automáticamente por el sistema de control del evaporador al mismo tiempo que el agua condensada sale a un flujo determinado. El jarabe invertido dentro del evaporador se concentrará hasta alcanzar 70° Brix. La concentración de azúcar (°Brix) se determina con un refractómetro (tal como el SPER SCIENTIFIC, 0% - 80%). En su modalidad, la invención incluye el paso de convertir al jugo/concentrado de la caña de azúcar (de manera preferida, libre de contaminantes, como se bosquejó arriba, usando cuando menos dos etapas de filtración que combinadas eliminan a contaminantes mayores de 0.2µm y de manera preferida, aún partículas más grandes de O.OOdµm) usando invertasa inmovilizada, colocada en un reactor de lecho empacado (fijo, móvil o fluidizado). Existen varios reportes (Akgol et al., 2001 , Bahar y Tuncel 2002, D 'Souza y Godbole 2002, Tanriseven y Dogan 2001 , Tumturk et al., 2000 y Torres et al., 2003) que muestran diferentes maneras para inmovilizar a la invertasa en distintos soportes. Cualquiera de los previos en principio pueden ser utilizados, sujetos a limitaciones por costo. Técnicas adicionales de inmovilización y soportes son bien conocidas y descritas en literatura de patentes revisadas en la sección de antecedentes. Existe una gran variedad de soportes de inmovilización basados en adsorción, atrapamiento, encapsulación, intercambio iónico, reticulación y enlace covalente. Los sistemas de soporte más ampliamente utilizados emplean agar, alginatos, quitosana, polímeros variados, poliacrilamida, celulosa, celulosa sustituida, pectina, carbón y alúmina (Akgol et al., 2001 , Bahar y Tuncel 2002, D'Souza y Godbole 2002, Rosevear 1984, Tanriseven y Dogan 2001 y Tumturk et al., 2000) como material de soporte. El glutaraldehído y polietilenimina son los agentes más efectivos para inmovilizar enzimas en soportes sólidos y para cargar las mismas en las columnas (Avrameas et al., 1969 y Torres et al., 2003). Existen diferentes fuentes de invertasa con distintos grados de actividad. La invertasa ha sido exitosamente inmovilizada en diferentes sistemas. La invertasa de levadura grado Vil con una actividad específica de 2000 Ul/g es preferida. Es importante optimizar las condiciones para hacer más eficiente el uso del reactor enzimático. Los parámetros de proceso que deben ser principalmente considerados son las condiciones operacionales de temperatura y pH. Un intervalo de temperatura preferido es de 45-60°C y un intervalo de pH preferido es de 4.5-6.0. La temperatura óptima es de 50°C y pH 4.5. Los soportes preferidos son alúmina, quitosana, y acrilamidas los cuales tienen los siguientes intervalos de características: tamaño 350 - 590 µm y superficie específica 150 - 200 m2/g. Con el propósito de demostrar la efectividad de la invención, tres diferentes sistemas de inmovilización fueron probados: atrapamiento, adsorción y reticulación. La técnica de inmovilización mediante adsorción es la más sencilla. Opcionalmente, el producto de jarabe invertido puede ser concentrado aún más lo cual puede ser logrado por evaporación convencional para llegar a al menos 68° Brix y/o refinado aún más, si es necesario para eliminar la proteína residual, fenólicos y compuestos coloreados indeseables por adsorción en una columna de intercambio de aniones con las condiciones tales como se describieron arriba y/o en una columna de carbón activado.

El proceso entero puede ser mejorado y automatizado con equipos actuales de automatización e instrumentación. Entre las ventajas del presente proceso están: (i) la habilidad de operar en una línea de proceso completamente continua empezando con el extracto crudo extraído de caña y terminando con el producto de jarabe invertido; (ii) la habilidad de operar usando un reducido número de operaciones unitarias y/o operaciones unitarias más eficientes para lograr producir jarabe invertido. En otras palabras, mientras en principio es posible obtener azúcar refinada de mesa, disolverla en agua y cargarla en un reactor de invertasa inmovilizada para convertirla en jarabe invertido, el costo total de ese procedimiento (costo de refinación del azúcar de mesa más el costo de convertirla en jarabe invertido) sería desfavorable, de hecho prohibitivo. Similarmente, mientras es posible añadir pasos convencionales de refinación y para pretratar el jugo de caña de azúcar antes de su entrada a la operación de remoción de sólidos/solubles descritos aquí, este pretratamiento no es necesario y su adición debe ser balanceado contra el incremento en costo para realizarlo y el beneficio derivado de él. A pesar de que la presente invención se ha demostrado y descrito con respecto a sus modalidades preferidas, varios cambios y modificaciones, pudieran hacerse evidentes para una persona con experiencia en la técnica a la cual pertenece esta ¡nvención, se considera que caen dentro del espíritu y alcance de esta invención, tal como se reivindica abajo. Todos los documentos citados y listados abajo han sido incorporados por referencia en su totalidad (excluyendo los sitios electrónicos de la red).

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Miller, G.L., Anal. Chem., 1959, 31; 426-428, 1959. Hsieh, H.J, Liu, P.Ch, Liao, W.J. Immobilization of invertase vía carbohydrate moiety on chitosan to enhance its thermal stability. Biotechnology Letters. 22: 1459-1464, 2000.

CUADRO 1 Características del jugo de caña de azúcar purificado secuencialmente con microfiltración. ultrafiltración y resinas de intercambio aniónico. n.m.=no medido por un método analítico 1 L = Luminosidad; a* (+) = color rojo; a* (-) = color verde; b* (+) amarillo; b* (-) = azul; E (índice de color) = (L2 + a2 + b2)1/4 b CUADRO 2 Características del jugo de caña de azúcar purificado secuencialmente mediante filtración de partículas, microfiltración e intercambio aniónico. n.m.=no medido por un método analítico 1 L =Luminosidad; a* (+) = color rojo; a* (-) =color verde; b* (+) amarillo; b* (-) = azul; E (índice de color) = (L2 + a2 + b2 ) v* b

Claims (40)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1.- Un método para producir un jarabe invertido a partir de jugo crudo de caña de azúcar (guarapo) que comprende los pasos de: (a) someter al jugo de caña de azúcar a microfiltración para eliminar una primera fracción de contaminantes sólidos de dicho jugo produciendo un jugo de caña de azúcar microfiltrado; (b) someter al jugo de caña de azúcar microfiltrado a ultrafiltración para eliminar una segunda fracción de contaminantes sólidos de dicho jugo microfiltrado y una primera fracción de contaminantes solubles de dicho jugo microfiltrado y produciendo así un jugo de caña de azúcar ultrafiltrado; (c) pasar el jugo de caña ultrafiltrado a través de una columna de intercambio aniónico para eliminar una segunda fracción de contaminantes solubles de dicho jugo de caña de azúcar ultraf?ltrado, y por consiguiente producir un jugo de caña de azúcar tratado con intercambio aniónico; (d) poner en contacto dicho jugo de caña de azúcar tratado con intercambio aniónico con la enzima invertasa inmovilizada para convertir cuando menos el 90% de la sacarosa contenida en dicho jugo tratado en una mezcla de glucosa y fructosa y por consiguiente producir así dicho jarabe invertido.

2.- El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el paso (c) es repetido cuando menos una vez antes de proceder al paso (d).

3.- El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque comprende el paso de: (e) concentrar dicho jugo tratado con intercambio aniónico antes de proceder al paso (d).

4.- El método de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque comprende el paso de: (e) concentrar dicho jugo tratado con intercambio aniónico antes de proceder al paso (d).

5.- El método de conformidad con la reivindicación 4, caracterizada además porque el paso (e) es llevado a cabo inmediatamente después de realizar una vez el paso (c).

6.- El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el jugo de caña de azúcar sometido a una microfiltración en el paso (a) es jugo crudo de caña de azúcar no sometido a ningún paso de procesamiento después de su extracción de la caña de azúcar y antes del paso (a).

7.- El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el jugo de caña de azúcar es sometido a una microfiltración en dicho paso (a) ha sido sometido solamente a un paso de sedimentación o centrifugación después de su extracción de la caña de azúcar para eliminar los sólidos gruesos.

8.- Ei método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque comprende el paso de: (f) refinación adicional del producto del jarabe invertido producido en el paso (d).

9.- El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque comprende el paso de: (g) concentración del producto del jarabe invertido producido como en el dicho paso (d).

10.- El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque comprende los pasos de: (h) concentración del producto del jarabe invertido producido en dicho paso (d); y (i) refinación adicional del producto del jarabe invertido producido en dicho paso (d).

11.- El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el jugo de caña de azúcar que fue sometido al paso (a) tiene un contenido de azúcar entre aproximadamente 16 y 23° Brix del cual cuando menos el 90% es sacarosa.

12.- El método de conformidad con la reivindicación 11 , caracterizado además porque el jarabe invertido producido en el paso (d) tiene un contenido de azúcar dentro del intervalo de aproximadamente 50° a aproximadamente 70° Brix, del cual cuando menos el 90% es una mezcla de fructosa y glucosa.

13.- El método de conformidad con la reivindicación 11 , caracterizado además porque antes de ser sometido a dicho paso (d), el jugo tratado con intercambio aniónico tiene un contenido de sólidos no mayor que aproximadamente 1%, basado en el contenido de azúcar; un contenido de fenólicos no mayor que aproximadamente 130 ppm; un contenido de proteína no mayor que aproximadamente 15 ppm; y un contendido de minerales no mayor que aproximadamente 0.08%, basado en el contenido de azúcar.

14.- El método de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque el jugo concentrado tratado con intercambio aniónico tiene un contenido de azúcar de aproximadamente 50° Brix; antes de ser sometido a dicho paso (d).

15.- El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque en el paso (c) una porción de reflujo del jugo tratado con intercambio aniónico se concentra antes de ser regresada a la columna de intercambio aniónico.

16.- El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque dicho paso (d) se lleva a cabo bajo condiciones controladas de pH y temperatura.

17.- El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizada además porque cuando menos uno de los pasos (a) hasta (d) es llevado a cabo como operación unitaria continua.

18.- El método de conformidad con la reivindicación 17, caracterizada además porque todos los pasos (a) hasta (d) son llevados a cabo como operaciones unitarias continuas.

19.- Un método para la producción de un producto de jarabe invertido partiendo de jugo crudo de caña de azúcar (guarapo) que comprende los pasos de: (a) someter el jugo de caña de azúcar a una primera filtración para eliminar una primera fracción de contaminantes sólidos de dicho jugo y producir así un jugo de caña de azúcar de primera filtración; (b) someter al jugo de caña de azúcar de primera filtración a una filtración más fina para eliminar una segunda fracción de sólidos contaminantes de dicho jugo de primera filtración y eliminar una primera fracción de contaminantes solubles de dicho jugo de primera filtración y por consiguiente producir un jugo de caña de azúcar más finamente filtrado; (c) pasar el jugo de caña de azúcar más finamente filtrado a través de una columna de intercambio aniónico para eliminar una segunda fracción de contaminantes solubles de dicho jugo de caña de azúcar más finamente filtrado, produciendo así un jugo de caña de azúcar tratado con intercambio aniónico; (d) poner en contacto dicho jugo de caña de azúcar tratado con intercambio aniónico con enzima invertasa inmovilizada para convertir cuando menos el 90% de la sacarosa contenida en dicho jugo tratado en una mezcla de glucosa y fructosa y por consiguiente producir un producto de jarabe invertido.

20.- El método de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado además porque el paso (c) es repetido cuando menos una vez antes de proceder al paso (d).

21.- El método de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado además porque comprende el paso de: (e) concentrar ei dicho jugo tratado con intercambio aniónico antes de proceder al paso (d).

22.- El método de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado además porque el jugo de caña de azúcar sometido a la primera filtración en el paso (a) ha sido sometido solamente a un paso de sedimentación o centrifugación después de su extracción de la caña de azúcar para eliminar los sólidos gruesos.

23.- El método de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado además porque comprende el paso de: (f) refinación adicional del producto del jarabe invertido producido en dicho paso (d).

24.- El método de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado además porque comprende el paso de (g) concentrar el producto del jarabe invertido producido en el paso (d).

25.- El método de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado además porque el jugo de caña de azúcar sometido al paso (a) tiene un contenido de azúcar de entre aproximadamente 16° y 23° Brix, del cual cuando menos el 90% es sacarosa y donde el producto del jarabe invertido producido en el paso (d) tiene un contenido de azúcar en el intervalo de aproximadamente 50° a aproximadamente 70° Brix, del cual al menos 90% es una mezcla de fructuosa y glucosa.

26.- El método de conformidad con la reivindicación 25, caracterizado además porque antes de ser sometido al paso (d), el jugo tratado con intercambio aniónico tiene un contenido de sólidos no mayor que aproximadamente 1%, basado en el contenido de azúcar; un contenido de fenólicos no mayor que aproximadamente 130 ppm; un contenido proteico no mayor que aproximadamente 15 ppm; y un contenido de minerales no mayor que aproximadamente 0.08%, basado en el contenido de azúcar.

27.- El método de conformidad con la reivindicación 21 , caracterizado además porque el jugo concentrado tratado con intercambio aniónico tiene un contenido de azúcar de aproximadamente 40 a 50° Brix; antes de ser sometido a dicho paso (d).

28.- El método de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado además porque en dicho paso (c) una porción de reflujo del jugo tratado con intercambio aniónico se concentra antes de ser regresada a la columna de intercambio aniónico.

29.- El método de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado además porque dicho paso (d) es llevado a cabo bajo condiciones controladas de pH y temperatura.

30.- El método de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado además porque cuando menos uno de los pasos (a) hasta (d) es llevado a cabo como una operación unitaria continua.

31.- El método de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado además porque el primer paso de filtración (a) comprende pasar dicho jugo a través de un filtro de partículas provisto con una malla no mayor que Malla US 100 (100 Tyler).

32.- El método de conformidad con la reivindicación 31, caracterizado además porque el paso de filtración fina (b) comprende microfiltración.

33.- El método de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado además porque dicho paso de primera filtración (a) comprende microfiltración.

34.- El método de conformidad con la reivindicación 33, caracterizado además porque dicho paso de filtración fina comprende ultrafiltración teniendo un límite retentivo de peso molecular de 10,000 kDa.

35.- El método de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado además porque comprende el paso de: (j) concentrar evaporativamente al intervalo de 35° a 55° Brix dicho jugo de caña de azúcar primeramente filtrado del paso (a) previo al paso (b).

36.- El método de conformidad con la reivindicación 35, caracterizado además porque el paso (j) es realizado a una temperatura de pasteurización entre aproximadamente 61.5° y aproximadamente 72° C durante un tiempo suficiente para pasteurizar al jugo resultante de la primera filtración.

37.- El método de conformidad con la reivindicación 35, caracterizado además porque dicho paso (a) comprende la filtración de partículas y el paso (b) comprende microfiltración.

38.- El método de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado además porque el paso (a) comprende la filtración de partículas y el paso (b) comprende microfiltración.

39.- El método de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado además porque el paso (a) comprende la filtración de partículas y el paso (b) comprende microfiltración seguida de ultrafiltración.

40.- Un método para producir un producto del jarabe invertido de jugo crudo de caña de azúcar (guarapo) que comprende los pasos de: (i) someter al jugo de caña de azúcar a un proceso de filtración de cuando menos dos etapas, una primera etapa y una etapa más fina, para eliminar los contaminantes mientras substancialmente se mantienen los azúcares presentes en el jugo, (ii) someter el jugo filtrado de caña de azúcar a intercambio aniónico para eliminar los contaminantes solubles del dicho jugo filtrado de caña de azúcar, que no fueron eliminados en el proceso de filtración, por consiguiente produciendo un jugo de caña de azúcar tratado mediante intercambio aniónico; (¡ii) poner en contacto dicho jugo de caña de azúcar tratado mediante intercambio aniónico con enzima ¡nvertasa inmovilizada para convertir cuando menos 90% de la sacarosa contenida en el jugo tratado y así producir una mezcla de glucosa y fructosa y por consiguiente producir un producto del jarabe invertido.