SK281607B6

SK281607B6 - Spôsob výroby xylitolu

Info

Publication number: SK281607B6
Application number: SK240-90A
Authority: SK
Inventors: Heikki Olavi Heikkil�; Juha Veikko Nurmi; Leena Rahkila; Marja T�Yryl�
Original assignee: Cultor Ltd.
Priority date: 1989-01-17
Filing date: 1990-01-17
Publication date: 2001-05-10
Also published as: AU4836690A; NO912798L; NO300851B1; RU2108388C1; FI106265B; DE69026499T2; CA2046595C; DK0454702T3; CS24090A3; EP0454702A1; EP0454702B1; US5081026A; JPH04503750A; DE69026499D1; WO1990008193A1; PL163719B1; ES2088425T3; ATE136588T1; CA2046595A1; ZA90254B

Abstract

Opísaný spôsob spočíva vo fermentácii vodného roztoku xylózy kvasinkovým kmeňom, ktorý je schopný premeniť voľnú xylózu na xylitol a voľné hexózy prítomné v tomto roztoku na etanol, napr. z rodu Candida alebo Debaryomyces, a z fermentačného roztoku sa chromatograficky oddelí frakcia bohatá na xylitol.ŕ

Description

Tento vynález sa týka spôsobu výroby xylitolu z xylózy a/alebo materiálu, ktorý obsahuje xylán, a najmä z biomasy hydrolyzátu hemicelulózy kmeňom kvasiniek, ktorý je schopný premeniť voľnú xylózu na xylitol a zvyšovaním koncentrácií xylitolu na kryštalizáciu chromatografickým delením.

Doterajší stav techniky

Päťmocný alkohol xylitol je cukrový alkohol, ktorý je odvodený z xylózy podľa vzorca C5H10O5 jej redukciou. Xylitol je v prírode sa vyskytujúci cukrový alkohol s piatimi atómami uhlíka, ktorý má rovnakú sladkosť a energetický obsah, ako má cukor (16,75 kJ/g). Xylitol sa nachádza v malých množstvách v mnohých druhoch ovocia a zeleniny a produkuje sa v ľudskom tele počas normálneho metabolizmu. Xylitol má určité známe metabolické, dentálne a technické charakteristické vlastnosti, ktoré spôsobujú, že je cennou náhradou cukru v rôznych súvislostiach.

Xylitol sa metabolizuje nezávisle od inzulínu, tak že ho môžu bezpečne konzumovať diabetici bez závislosti od inzulínu. Okrem toho bolo zistené, že xylitol oneskoruje vyprázdňovanie žalúdka a možno napomáha premôcť sa pri príjme potravy, čo môže mať dôležitú úlohu pri redukčnej diéte, smerujúcej k zníženiu hmotnosti.

Xylitol je tiež nekariogénna a možno aj kariostatická látka. V ústach sa sacharóza a iné karbohydráty fermentujú mutantami Streptococcus a ďalšími baktériami, vytvárajúcimi kyselinu, ktorá znižuje hodnotu pH, demineralizuje zubnú sklovinu a vedie k zubným kazom. Mutanty Streptococcus a ďalšie baktérie však nefermentujú xylitol s vytváraním kyseliny ako vedľajší produkt fermentácie, čo je jednou z príčin zubného kazu. Štúdiami sa tiež dosiahli hodnoty, ktoré dokladujú, že xylitol môže taktiež aktívne potláčať tvorbu nových zubných kazov a môže rovnako „rušiť“ existujúce poškodenie vyvolávanou remineralizáciou.

Z hľadiska chuti, xylitol obyčajne neprejavuje nežiaduce dodatočné chuťové príznaky podobné iným náhradám cukru a pre vysokú spotrebu energie, vyžadovanú na rozpustenie jedného gramu xylitolu, sa vytvára príjemný chladiaci účinok v ústach.

Napriek výhodám xylitolu, jeho využitie v priemyselnom meradle je obmedzené jeho relatívne vysokou cenou, v dôsledku ťažkostí pri jeho produkcii v priemyselnom rozsahu. Xylitol sa bežne vyrába z materiálu obsahujúceho xylán, najmä z hydrolyzátov hemicelulózy. Hemicelulózy tvoria veľkú skupinu dobre charakterizovaných polysacharidov, nachádzajúcich sa v primárnych a sekundárnych stenách buniek zo všetkých oblastí poľnohospodárstva a sladkovodných rastlín. Hemicelulózy sa skladajú zo zvyškov cukrov, okrem iného D-xylózy, a zahrnujú D-mannózu, D-glukózu, D-galaktózu a L-arabinózu.

Podľa metód známych z doterajšieho stavu techniky sa xylitol vyrába z materiálu obsahujúceho xylán tým, že sa tento materiál hydrolyzuje pri vzniku zmesi monosacharidov, vrátane xylózy. Xylóza sa premieňa na xylitol, obyčajne za prítomnosti niklového katalyzátora, ako je Rančov nikel. Doterajší stav techniky uvádza celý rad metód výroby xylózy a/alebo xylitolu z materiálu obsahujúceho xylán. Medzi metódy známe z doterajšieho stavu techniky sa zahrnujú údaje z US patentu č. 3 784 408 (Jaffe a kol.), US patentu č. 4 066 711 (Melaja a kol.), US patentu č. 4 075 405 (Melaja a kol.), US patentu č. 4 008 285 (melaja a kol.) a US patentu č. 3 586 537 (Steiner a kol.)

Tieto metódy doterajšieho stavu techniky sú však komplikované viacstupňové procesy, ktoré sú relatívne nákladné a neúčinné. V tejto súvislosti sa zisťuje pri doterajšom stave techniky jeden zo základných problémov, ktorým je účinnosť a úplnosť oddelenia xylózy a/alebo xylitolu z polyolov a iných vedľajších produktov hydrolýzy, na získanie xylitolu s dostatočnou čistotou. Z toho dôvodu na dosiahnutie tejto základnej požiadavky sa obvykle vyžadujú viacstupňové separačné techniky, zahrnujúce mechanickú filtráciu a chromatografické delenie. Okrem toho doterajší stav techniky uvádza použitie iných čistiacich metód, ako je zrážanie lignínu s použitím kyselín. Ligníny všeobecne zvyšujú čas a náklady na produkciu xylitolu v priemyselnom meradle.

Známe je, že určitá kvasinka má enzým reduktázy xylózy, katalyzujúci redukciu D-xylózy na xylitol, ako prvý stupeň metabolizmu D-xylózy. Štúdie v experimentálnom rozsahu zužitkovali kvasinkové bunky schopné fermentovať D-xylózu alebo extrakty obsahujúce reduktázu xylózy pozbavenej buniek, na produkciu xylitolu z východiskového materiálu obohateného D-xylózou. [Gong a kol., Quantitative Production of Xylitol from D-Xylose ba a High Xilitol Producing Yeast Mutant Candida Tropicalis HXP2, Biotechnology Letters, zv. 3, č. 3, 125 - 130 (1981), V. Kitpreechavaních a kol.: Conversion of D-Xylose into Xylitol by Reductase from Candida Pelliculosa Coupled with the Oxidoreductase Systém of Methanogen Strain HU, Biotechnology Letters, zv. 10, 651 - 656 (1984), McCracken a Gong, Fermentation of Celulose and Hemicellulose Carbohydrates by Thermotolerant Yeasts, Biotechnology and Bioengeneering Symp. No. 12, str. 91 až 102 (John Wiley and Sons, 1982)]. Aj keď existujú kmene kvasiniek, ktoré sú schopné produkovať vo vysokých výťažkoch xylitol pri fermentácii D-xylózy, v doterajšom stave techniky nebol uvedený úplný proces výroby xylitolu, napríklad z biomasy hydrolyzátov hemicelulózy, ktoré okrem hexóz a ostatných nečistôt obsahujú xylózu, ktorý by bol použiteľný v priemyselnom meradle.

Podstata vynálezu

Podstatou navrhovaného riešenia je spôsob výroby xylitolu fermentáciou vodného roztoku xylózy tak, že sa vodný roztok xylózy fermentuje kmeňom kvasiniek, ktorý je schopný premeniť voľnú xylózu na xylitol a voľné hexózy prítomné v roztoku na etanol v čase postačujúcom na produkciu fermentovaného roztoku obsahujúceho xylitol a z fermentačného roztoku sa chromatografickým delením oddelí frakcia bohatá na xylitol alebo frakcie bohaté na xylitol. V danom spôsobe kmeňom týchto kvasiniek je rod Candida alebo Debaryomyces. Kmeňom kvasiniek Candida je Candida tropicalis a kmeňom kvasiniek Debaryomyces je Debaryomyces hansenii. Kmeň kvasiniek Candida tropicalis je označený číslom ATCC 9968 v zbierke kultúr American Type Culture Collection.

Pri navrhovanom riešení sa xylitol získava z frakcie alebo frakcií bohatých na xylitol, a to kiyštalizáciou.

Pri spôsobe výroby xylitolu fermentáciou vodného roztoku xylózy sa fermentácia uskutočňuje pri teplote cikalo 30 °C počas 48 hodín. Kvasinkové bunky sa pritom odstraňujú odstreďovaním alebo filtráciou po feimentácii a pred chromatografickým oddeľovaním. Pri chromatografickom oddeľovaní náplňou kolóny je katiónmeničová živica, ktorá má kostru sulfónovaného polystyrénu, ktorý je zosieťovaný divinylbenzénom. Pri chromatografickom oddeľovaní eluentom je voda. Vodným roztokom xylózy je hyd

SK 281607 Β6 rolyzát hemicelulózy a frakcia obohatená xylózou z vyčerpaného sulfitového výluhu.

Pri spôsobe podľa tohto vynálezu sa po fermentácii etanol odstráni odparením alebo destiláciou. Fermentácia sa uskutočňuje v prostredí, kde koncentrácia xylózy je v rozmedzí od 50 g/1 do 300 g/1 a hodnota pH je v rozmedzí od 3 do 9, výhodne od 5 do 7. Fermentácia sa uskutočňuje pri teplote v rozmedzí od 10 do 45 °C, výhodnejšie pri teplote v rozmedzí od 25 do 35 °C. Táto fermentácia sa uskutočňuje pri obmedzenom prívode kyslíka. Pred fermentáciou sa z vodného roztoku xylózy odstraňujú zložky alebo nečistoty toxické pre kvasinky a toto odstraňovanie zložiek alebo nečistôt sa uskutočňuje prostriedkami chromatografickej separácie.

Tento vynález sa zaoberá spôsobom výroby v podstate čistého xilytolu z vodného roztoku xylózy, ktorý tiež môže obsahovať hexózy, ako je glukóza, a iné nečistoty. Vynález sa zaoberá fermentáciou uvedeného roztoku s použitím kvasinkového kmeňa, ktorý je schopný premieňať v podstate celú voľnú xylózu na xylitol a väčšinu voľných hexóz na etanol. Fermentačný produkt sa čistí odstránením kvasinkových buniek z roztoku filtráciou, odstreďovaním alebo pomocou iných vhodných prostriedkov a odstránením etanolu odparením alebo destiláciou. Chromatografické delenie poskytuje frakciu alebo frakcie bohaté na xylitol, z ktorých sa môže xylitol nechať vykryštalizovať.

V niektorých prípadoch sa vyžaduje predbežné spracovanie vodného roztoku xylózy. Takéto predbežné spracovanie zahrnuje dodatočnú hydrolýzu a/alebo separačné kroky smerujúce na odstránenie zložiek, ktoré môžu byť toxické a/alebo škodlivé pre kvasinky použité na premenu xylózy na xylitol, alebo smerujúce na odstránenie iných zložiek, ktoré môžu mať nepriaznivý účinok na nasledujúce fermentačné a deliace stupne. Stupne predbežného spracovania môžu zahrnovať chromatografické separačné technické postupy.

Tento vynález využíva kvasinky, ktoré sú schopné redukovať xylózu na xylitol a hexózy na etanol. Medzi použité kvasinky, ale nie sú týmto obmedzené, sú zahrnuté kvasinky z rodu Candida, Pichia, Pachysolen a Debaryomyces. Z týchto rodov sú výhodné Candida a Debaryomyces, pričom zvlášť výhodné sú Candida tropicalis a Debaryomyces hansenii. Vhodným príkladom kmeňa Candida tropicalis je kultúra, ktorá je uložená v Američan Type Culture Collection a v zbierke je označená číslom 9968.

Prehľad obrázkov na výkresoch

V priložených obrázkoch obr. 1 znázorňuje elučný profil pre fermentovaný hydrolyzát, obr. 2 znázorňuje elučný profil delenia na odstránenie väčšieho podielu veľkých molekúl a ionizovaných látok stĺpcovou chromatografiou, obr. 3 znázorňuje fermentáciu xylózového roztoku pomocou kvasinky Candida tropicalis, obr. 4 znázorňuje elučný profil pre delenie stĺpcovou chromatografiou.

Príklady uskutočnenia vynálezu

A. Všeobecné údaje

Východiskové materiály pre príklady spôsobu podľa tohto vynálezu zahrnujú takmer ľubovoľný materiál obsahujúci xylán. Medzi potencionálne východiskové materiály sa zahrnujú listnaté a každoročne opadávajúce stromy, ako je breza, buk, topoľ, jelša a podobne, a také rastliny alebo časti rastlín, ako je pšenica a kukurica, šupky obiliek ovsa, jadrá vlašských orechov a stopky, škrupiny orechov, slama, repné odrezky a puzdrá semenníka bavlny. Pokiaľ sa ako východiskový materiál použije drevo, je výhodné, aby bolo rozmrvené na štiepky, piliny, drevitú vlnu a podobne a potom podrobené hydrolýze alebo spracované explóziou pomocou pary a podrobené hydrolýze, čim sa vytvor! hemicelulózový materiál, ktorý sa môže použiť podľa tohto vynálezu.

Okrem uvedených materiálov ako suroviny sú tiež použiteľné vedľajšie produkty bohaté na xylán alebo na xylózu z postupov pri spracovaní dreva. Napríklad vyčerpaná brečka produkovaná ako odpadový produkt pri výrobe technickej celulózy sulfitovým postupom - známa ako „sulfitový výluh“ - obsahuje nerozpustené častice dreva, ligníny, hexózy a pentózy vrátane xylózy a je použiteľná ako východiskový materiál na výrobu xylitolu. Tiež sa môžu použiť aj iné vedľajšie produkty alebo odpady z výroby papiera alebo buničiny, ktoré sú bohaté na xylán alebo xylózu.

Pre spôsob podľa tohto vynálezu sa vyžaduje vodný roztok, ktorý obsahuje voľnú xylózu. Preto môže byť požadovaná hydrolýza východiskového materiálu pôsobením kyselín alebo enzýmov, ktoré štiepia xylán na xylózu. Metódy hydrolýzy materiálu obsahujúceho xylán pri vzniku roztokov bohatých na xylózu sú opísané napríklad v US patente č. 3 784 408 (Jaffe a kol.) a US patente č.3 586 537 (Steinerakol.).

Fermentácia vodných roztokov obsahujúcich xylózu.

Ak je to žiaduce, východiskový materiál sa môže spra-, covať pred fermentáciou na odstránenie určitých zložieý ktoré môžu byť toxické alebo môžu inak škodiť kvasinkám, na fermentáciu. Pokiaľ je takéto predbežné spracovaný, potrebné, závisí od použitého východiskového materiálu a kvasiniek, ktoré sa použijú na fermentáciu. Vhodné predbežné spracovanie suroviny môže zahrnovať dodatočnú hydrolýzu a/alebo separačné kroky. Koncentrácia xylózy vo vodnom roztoku vhodnom na fermentáciu je závislá od použitého východiskového materiálu, ale výhodne je v rozmedzí asi od 50 do 300 g na liter.

Na uskutočnenie fermentácie sa podľa tohto vynálezu používa kvasinkový kmeň, ktorý je schopný premeniť xylózu na xylitol a väčšinu hexóz, ktoré sú tu prítomné, na etanol. Vzniknutý etanol sa môže ľahko odstrániť odparením, destiláciou alebo iným známym prostriedkom, ktorý je jednoduchší a účinnejší než oddeľovanie xylózy a/alebo xylitolu od iných cukrov.

Ako príklad kvasinkového kmeňa, ktorý je vhodný v súvislosti s opísaným riešením, je uvedený Candida tropicalis, uložený v Americkej zbierke typových kultúr pod číslom 9968. Iné vhodné kvasinkové kmene zahrnujú kmene z rodu Candida, Pichia, Pachysolen a Debaryomyces (porov. N. J. W. Kregr-van Rij, The Yeast. a Taxonomic Study, 3. vyd., Elsevier Science Publishers B. V. 1984), ktoré sú schopné premeniť xylózu na xylitol a hexózy na etanol.

Pred fermentáciou roztoku bohatého na xylózu sa roztok môže podrobiť chromatografickému deleniu, aby sa odstránili, po oddelení, väčšie molekuly a ionizované látky, pokiaľ sa ako suroviny použijú kvapaliny s nízkou čistotou. Napríklad predfermentačné chromatografické delenie môže byť výhodné, pokiaľ sa ako východiskový materiál použijú sulfitové výluhy.

Fermentácia roztoku bohatého na xylózu sa môže uskutočňovať v priemyselne najdostupnejších násadových fermentótoroch vybavených na aeráciu. Výhodné je miešadlo a možnosť kontroly pH. Tak sa napríklad používa zariadenie Braun-Biostat (Model # E). Výhodná teplota na fermentáciu je zhruba medzi 20 a 40 °C, pričom teplota približne 30 °C je zvlášť výhodná. Kvasinkové bunky sa pridávajú k roztoku bohatého na xylózu. Obvykle pri vyššej koncentrácii kvasiniek nastane rýchlejšia fermentácia. Optimálne koncentrácie kvasiniek závisia od kvapaliny obsahujúcej xylózu a ich charakteristických vlastností a od koncentrácie xylózy v kvapaline. Autori tohto vynálezu zistili, že pridávanie kvasinkových buniek do koncentrácie asi 0,1 až 10 g suchých kvasiniek (hmotnosť sušiny) na liter substrátu je výhodná, pokiaľ koncentrácia xylózy je približne medzi 50 a 300 g na liter.

Fermentácia sa zvýši pridaním živín a trvá, pokým väčšina xylózy sa nepremení na xylitol a v podstate všetky hexózy sa nepremenia na etanol. Fermentácia obvykle prebehne asi za 24 až 144 hodín, pričom čas fermentácie zhruba medzi 24 a 72 hodinami je zvlášť výhodný. Použitím spôsobu podľa vynálezu je možné konvergovať viac než 90 % xylózy na xylitol.

Postfermentačné čistenie a oddeľovanie xylitolu.

Po fermentácii, ale pred oddelením xylitolu sa roztok čerí. Pri násadovom fermentačnom postupe sa kvasinkové bunky odstraňujú po ukončení fermentácie. Odstraňovanie kvasinkových buniek sa môže uskutočni odstreďovaním, filtráciou a podobne. Akonáhle sa kvasinkové bunky odstránia a roztok sa vyčerí, etanol produkovaný fermentáciou sa môže odstrániť odparením, destiláciou alebo použitím iného zariadenia v tomto stupni.

Po odstránení kvasinkových buniek (a podľa potreby etanolu) sa xylitol vo fermentačnom roztoku obohacuje pomocou chromatografického delenia. Toto chromatografické delenie sa výhodne uskutočňuje na stĺpci naplnenom sulfónovanou polystyrénovou živicou, zosieťovanou divinylbenzénom, ktorá je v alkalickej forme alebo vo forme tvorenej s kovom alkalickej zeminy. Spôsob veľkoobjemovej chromatografie, vhodnej na použitie v tejto súvislosti, je opísaný v US patente č. 3 928 193 (Melaja a kol.). Chromatografické delenie sa môže tiež uskutočniť ako kontinuálny proces použitím spôsobu založeného na umelo sa pohybujúcom sa lôžku, ako je opísané v US patente č. 2 985 589 a tiež využívajúce sulfónovanú polystyrénovú živicu zosieťovanú divinylbenzénom.

Xylitol z frakcií bohatých na xylitol, získaných z chromatografického delenia, sa môže v nasledujúcej fáze kryštalizovať vo vysokom výťažku použitím bežných kryštalizačných technických postupov, vrátane kryštalizácie chladením a varom. Ak sa použije kryštalizácia chladením, frakcia bohatá na xylitol sa naočkuje kryštálmi xylitolu, ktoré majú stredný priemer asi 30 mikrometrov a teplota roztoku sa postupne znižuje. Výsledné kryštály, výhodne so stredným priemerom asi 250 až 600 mikrometrov, sa oddelia odstredením a premývajú sa vodou, aby sa dosiahol v podstate čistý kryštalický xylitol.

B. Experimentálna časť

Príklad 1

Spôsob výroby xylitolu z „vyčerpaného sulfitového výluhu“

Xylitol sa produkuje z „vyčerpaného sulfitového výluhu“ z tvrdého dreva, použitím fermentácie kvasinkami Debaryomyces hansenii, ktoré sú použité ako kmeň, ktorý môže fermentovať xylózu na xylitol a väčšia časť hexóz na etanol. Násada vyčerpaného sulfitového výluhu (z výroby vlákniny brezového dreva) sa spracuje, ako je opísané v US patente č. 4 631 129, aby sa získala frakcia bohatá na xylózu. Analýza tejto frakcie vykazuje parametre (zloženie uhľohydrátov sa stanovuje rozdeľovacou plynovou chromatografiou): sušina 30,4 hmotnosť/hmotnosť pH 2,5 vápnik (Ca⁴⁴) 2,0%, vztiahnuté na sušinu (ďalej sa uvádza „% suš.“) sodík (Na⁴) 0,1 % suš.

uhľohydráty: xylóza 39,3 % suš.

arabinóza 1,0 % suš. ramnóza 1,2 % suš. glukóza 2,5 % suš. manóza 0,1 % suš. galoktóza 2,0 % suš.

Frakcie sa neutralizujú oxidom vápenatým zhruba na hodnotu pH 6,2 pridaním 10 g oxidu vápenatého na liter frakcie. Frakcia sa potom zriedi na koncentráciu 51 g xylózy na liter roztoku a potom fermentuje bunkami kvasiniek. Fermentácia sa uskutočňuje vo vibračnej nádobe objemu 200 ml pri teplote približne 25 °C počas asi 48 hodin. Množstvo pridaných kvasinkových buniek je asi 1,7 x 10⁸buniek na mililiter frakcie, ktorá sa prispôsobila fermentačnému roztoku po počiatočnom raste v roztoku bohatom na xylózu. Kvasinkové bunky sa odstránia za 48 hodín odstreďovaním a číry roztok sa podrobí chromatografickému deleniu, na separáciu xylitolu vyprodukovaného fermentáciou pri týchto podmienkach: Zloženie roztoku:

sušina 24,0 hmotnosť/hmotnosť pH 5,9 uhľohydráty: xylitol 24,7 % suš.

xylóza 0,3 % suš. glukóza 2,1 %suš. arabinóza 0,6 % suš. octan vápenatý 2,5 % suš. stĺpec:

priemer 10 cm výška 200 cm živica Zerolit 225, katióntová iontomeničová polystyrénová živica zosieťovaná divinylbenzénom, priemerná veľkosť častíc 0,32 mm, obsah divinylbenzénu 3,5 %, vo vápnikovom cykle rýchlosť toku 50 ml/min.

teplota 65 °C dávkovaný objem 500 ml

Profil elúcie zo stĺpca iontomeniča je uvedený na obr.

1. Vzorky sa odoberajú na výtoku a analyzujú sa na obsah sušiny a zloženie, ako je ďalej uvedené v tabuľke 1. Výtok je rozdelený do troch frakcií.

Tabuľka 1
	Frakcia	Frakcia	Frakcia
	#1	#2	#3
sušina (g)	134	10	58
koncentrácia (g/1)	12	10	16
xylitol (% suš.)	0,7	40,0	79,0

Kryštalizácia xylitolu vyrobeného opísanou fermentačnou metódou sa uskutočňuje takto: Frakcia bohatá na xylitol sa pripraví, ako je opísané. Zloženie použitej xylitolovej frakcie je takéto:

SK 281607 Β6 sušina 20 g na liter xylitol 86,6 % suš.

ostatné cukry 13,4 % suš.

Z tohto roztoku sa xylitol získa kryštalizáciou chladnutím. Roztok sa najskôr odparí, aby koncentrácia sušiny bola

86,5 % a prenesie sa do kryštalizátora, ktorý je vybavený chladiacim systémom a miešadlom. Počiatočná teplota je približne 65 °C a hodnota pH asi 5,3. Roztok sa naočkuje kiyštálmi xylitolu, ktoré majú priemer asi 30 mikrometrov a sú suspendované v izopropanole. Teplota sa znižuje počas 3 hodín asi zo 65 °C na 50 °C. Pri týchto podmienkach kryštály xylitolu narastú na stredný priemer 250 mikrometrov. Kryštály sa oddelia od roztoku odstredením a premývajú sa vodou. Získané kryštály obsahujú nad 99 % čistého xylitolu.

Príklad 2

Spôsob výroby xylitolu z brezového dreva explodovaného parou

Surovinou v tomto príklade je hydrolyzát z brezového dreva explodovaného parou, ktorý bol podrobený dodatočnou hydrolýzou na odbúranie xylánu na voľnú xylózu. Parametre hydrolýzy uvádza K. Poutanen a J. Puls v „Enzymatic Hydrolysis of Steam-pretreated Lignocellulosic Materiál“, Proc. 3rd Eur. Congr. Biotechnol., Mníchov 1984, zv. II, str. 217 až 222. Zloženie výsledného roztoku bohatého na xylózu je takéto:

Zložka	Koncentrácia (g/1)
xylóza	76
glukóza	3,6
ramnóza	1,3
manóza	2,1
galoktóza	2,4
arabinóza	0,8
Celková sušina predstavuje 15 % hmotnostných roztoku.

Roztok sa fermentuje kvasinkami Candida tropicalis (ATCC 9968). Hodnota pH roztoku sa upraví asi na 6 pridaním 25 % roztoku hydroxidu sodného a roztok sa naočkuje 3 g/1 kvasinkového extraktu. Ako živiny sa pridajú 3 g/1 sladového extraktu a 5 g/1 peptónu. Inokulum sa pripraví tým, že sa nechajú rásť kvasinky v 5 % roztoku xylózy s pridanými rovnakými nutričnými látkami. Počas fermentácie je teplota asi 30 °C. Fermentácia sa uskutočňuje vo fermentore Braun Biostat (model # E), ktorý umožňuje prevzdušňovanie (0,18 1/min.), miešanie (frekvencia otáčok 200 min¹) a riadenie hodnoty pH (25 % roztok hydroxidu sodného), na udržovanie pH 6. Fermentor má pracovný objem 8 litrov a celkový objem 10 litrov. Penivosti sa zabráni protipenovým prostriedkom Mazu 6000. Analýza vzoriek z fermentora je uvedená v tabuľke 2. Zloženie vzoriek z fermentora sa stanovuje vysokoúčinnou kvapalinovou chromatografiou.

Xylitol obsiahnutý v roztoku získanom fermentáciou sa koncentruje vo frakciách bohatých na xilitol chromatografickým delením a kryštalizáciou. Tak ako v príklade 1 sa dosiahne xylitol s 99 % čistotou.

Príklad 3

Spôsob výroby xylitolu z brezového dreva explodovaného parou

V tomto príklade sa ako surovina používa posthydrolyzát z brezového dreva explodovaného parou, s parametrami podľa príkladu 2. Zloženie roztoku je nasledovné:

Zložka Koncentrácia (g/1) xylóza110,0 glukóza3,1 ramnóza3,5 manóza3,4 galoktóza1,5 arabinóza1,6

Koncentrácia celkovej sušiny je 15 % hmotnostných.

Pred fermentáciou sa roztok podrobí chromatografickému separačnému procesu na odstránenie väčšieho podielu veľkých molekúl a ionizovaných látok. Chromatografické delenie sa vykoná na stĺpci naplnenom Amberlitom BH-1 (polystyrén-divinylbenzénová živica) v sodíkovom cykle. Parametre sú uvedené ďalej:

živica: Amberlit BH-1 (sulfónovaná polystyrénová živica zosieťovaná divinylbenzénom (5,5 %) v sodíkovom cykle.

veľkosť častíc: 0,40 mm stĺpec: priemer 0,225 m, výška 5,0 m. ..

teplota: 65 °C rýchlosť prietoku: 0,04 m³/hod.

dávka: 18 litrov roztoku s koncentráciou 31,2 % hmotnostných. „

Výsledok opísaného chromatografického delenia je znázornený na obr. 2. Vzorky sa odoberajú v 5-minútových intervaloch. Celkový čas cykluje 170 minút.

Zloženie dávkovaného roztoku do oddeľovacej kolóny je nasledovné: arabinóza 0,6 % suš. ramnóza 0,5 % suš. xylóza 37,8 % suš. manóza 1,2% suš. galoktóza 1,6% suš. glukóza 1,6% suš. ostatné 57,3 % suš.

Eluent sa rozdelí do piatich frakcií. Frakcia 2 sa odloží z procesu a frakcia 4 sa zachytáva pre fermentačný stupeň. Zostávajúce frakcie sa vracajú k dávkovanému roztoku na chromatografické delenie, na zvýšenie výťažku separácie. Zloženie frakcií je ďalej uvedené v tabuľke 3.

Tabuľka 2

Čas	Kvasinky	Xylóza	Xylitol	Etanol
h	g/1	g/i	g/i	g/·
0	1,2	75,8	0,0	0,0
24	1,4	66,5	4,8	3,7
48	2,0	55,2	14,1	6,9
72	2,6	37,3	29,4	7,7
96	2,8	18,7	54,2	7,6
120	nemerané	9,4	61,9	8,5
144	nemerané	3,0	52,7	6,7

Tabuľka 3

Frakcia	1	2	3	4	5
(rez frakcie) čas - min.	15	100	115	140	155
arabinóza	1,3	0,1	0,2	1,0	2,1
ramnóza	0,0	0,0	1,2	0,9	0,0
xylóza	24,8	3,4	57,6	71,2	46,6
manóza	0,8	0,1	1,9	2,2	1,6
galaktóza	0,8	0,1	2,0	2,0	1,4
glukóza	0,5	0,5	4,7	1,9	0,7
ostatné	71,9	95,8	32,3	203	47,6

(Číselné hodnoty sú vyjadrené v % suš.)

Fermentácia sa uskutočňuje pomocou kvasinkových buniek Candida tropicalis, tak ako v príklade 2. Výsledky fermentácie sú graficky znázornené na obr. 3. Dosiahnutý výťažok xylitolu prekračuje 90 g na liter zo 100 g xylózy na liter. Nutričnou látkou použitou pri tomto experimente je kvasnicový extrakt (Gistex) v množstve 15 g na liter. Inokulum rastie v hydrolyzáte zriedenom vodou (1/10) s 3 % prídavkom glukózy a 3 % prídavkom kvasnicového extraktu.

Z roztoku bohatého na xylitol sa xylitol získava chromatogarfickým oddeľovaním s použitím poloprevádzkovej kolóny, pri týchto charakteristických podmienkach prevádzky: stĺpec: výška 4,5 m priemer 0,225 m, živica: sulfónovaný polymérovaný styrén, zosieťovaný 5,5 divinylbenzénom, s priemernou veľkosťou častíc 0,37 mm, v sodíkovom cykle, rýchlosť prietoku: 0,03 m³/hod., teplota: 65 °C dávkovaný roztok: 24 g/kg 24 % hmotn. roztoku (sušina 5,76 kg), zloženie: xylitol xylóza arabinóza + manóza galaktóza + ramnóza glukóza mannitol ostatné 30,1 % suš.

Delenie je graficky znázornené na obr. 4. Zachytáva sa 5 frakcií. Ich zloženie je ďalej uvedené v tabuľke 4. Frakciu 4 tvorí frakcia produktu, z ktorej sa kryštalizuje čistý xylitol, tak ako je uvedené v príklade 1.

64,0 % suš. 2,0% suš.

1,4 % suš. 1,2% suš.

0,4 % suš.

0,9 % suš.

Tabuľka 4

Frakcia	1	2	3	4	5
(rez frakcie)
čas - min.	10	100	105	155	165
xylitol	8,7	4,9	56,3	85,0	55,6
xylóza	0,2	2,0	4,4	2,0	0,4
arabinóza +
+ manóza	3,6	0,5	1,4	1,7	4,2
galaktóza +
+ ramnóza	0,3	0,6	3,8	1,4	0,5
glukóza	0,0	0,1	1,9	0,4	0,0
mannitol	0,2	0,2	2,0	1,1	0,7
ostatné	87,1	81,8	30,2	8,5	38,5
(Číselné hodnoty sú vyjadrené v % suš.)

Príklad 4

Spôsob kryštalizácie xylitolu z fermentačného roztoku

Xylitol sa kryštalizuje z roztoku bohatého na xylitol, ktorý sa získal chromatografickým delením z fermentačného roztoku. Roztok obsahujúci 82,5 % sušiny xylitolu sa odparí pri teplote 65 °C na koncentráciu 92 %. Odparený roztok s hmotnosťou 2200 g sa naočkuje kryštálmi xylitolu s priemerom 0,04 mm v množstve 0,03. Teplota roztoku sa znižuje na 45 °C v priebehu 55 hodín podľa vopred stanoveného programu, vyjadreného vzťahom:

T = T] - (t: t¹)² x (T, - T₂), kde T znamená teplotu roztoku (°C)

T¹ znamená teplotu pri očkovaní (65 °C)

T² znamená konečnú teplotu (45 °C) t znamená čas od očkovania, vyjadrený v hodinách ť znamená celkový čas kryštalizácie (55 h).

Kryštalizácia sa uskutočňuje vo vertikálnom kryštalizátore, ktorý je vybavený miešadlom. Kryštály sa oddelia od roztoku odstreďovaním (5 minút, preťaženie 2000 g) a premyjú sa vodou. Získané kryštály majú priemernú veľkosť 0,37 mm a čistotu 99,4 % (stanovené vysokoúčinnou kvapalinovou chromatografiou).

Uvedený všeobecný opis a experimenty opísané v príkladoch sú zamýšľané ako ilustrácia tohto vynálezu a nemôžu byť pokladané za jeho obmedzenie. Ďalšie varianty v duchu a rozsahu tohto vynálezu sú možné a budú zrejmé odborníkom v obore.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Spôsob výroby xylitolu, vyznačujúci sa tým, že sa vodný roztok xylózy fermentuje kmeňom kvasiniek, ktorý je schopný premeniť voľnú xylózu na xylitol a voľné hexózy prítomné v roztoku na etanol v priebehu času postačujúceho na produkciu fermentovaného roztoku obsahujúceho xylitol a z fermentačného roztoku sa chromatografickým delením oddelí frakcia bohatá na xylitol alebo frakcie bohaté na xylitol.
2. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa t ý m , že kmeňom kvasiniek je rod Candida alebo Debaryomyces.
3 . Spôsob podľa nároku 2, vyznačujúci sa t ý m , že kmeňom kvasiniek je Candida tropicalis.
4 . Spôsob podľa nároku 2, vyznačujúci sa t ý m , že kmeňom kvasiniek je Debaryomyces hansenii.
5 . Spôsob podľa nároku 2, vyznačujúci sa t ý m , že kmeň kvasiniek Candida tropicalis je označený číslom ATCC 9968 v zbierke kultúr Američan Týpe Culture Collcction.
6. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa t ý m , že xylitol sa získava z frakcie alebo frakcií bohatých na xylitol.
7. Spôsob podľa nároku 6, vyznačujúci sa t ý m , že xylitol sa získava z frakcie alebo frakcií bohatých na xylitol kryštalizáciou.
8. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že fermentácia sa uskutočňuje pri teplote okolo 30 °C počas 48 hodín.
9. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa t ý m , že kvasinkové bunky sa odstraňujú odstreďovaním po fermentácii a pred chromatografickým oddeľovaním.
10. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa t ý m , že kvasinkové bunky sa odstraňujú filtráciou po fermentácii a pred chromatografickým oddeľovaním.
11. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa t ý m , že pri chromatografickom oddeľovaní náplňou kolóny je katiónmeničová živica.
12. Spôsob podľa nároku 11, vyznačujúci sa t ý m , že živica má kostru sulfónovaného polystyrénu, ktorý je zosieťovaný divinylbenzénom.
13. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa t ý m , že pri chromatografickom oddeľovaní eluentom je voda.
14. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa t ý m , že vodným roztokom xylózy je hydrolyzát hemicelulózy.
15. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa t ý m , že vodným roztokom xylózy je frakcia obohatená xylózou z vyčerpaného sulfitového výluhu.
16. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa t ý m , že po fermentácii sa etanol odstráni odparením alebo destiláciou.

SK 281607 Β6
17. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa t ý m , že fermentácia sa uskutočňuje v prostredí, kde koncentrácia xylózy je v rozmedzí od 50 g/1 do 300 g/1.
18. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že fermentácia sa uskutočňuje pri hodnote pH v rozmedzí od 3 do 9.
19. Spôsob podľa nároku 18, vyznačujúci sa t ý m , že fermentácia sa uskutočňuje pri hodnote pH v rozmedzí od 5 do 7.
20. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa t ý m , že fermentácia sa uskutočňuje pri teplote v rozmedzí od 10 do 45 °C.
21. Spôsob podľa nároku 20, vyznačujúci sa t ý m , že fermentácia sa uskutočňuje pri teplote v rozmedzí od 25 do 35 °C.
22. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa t ý m , že fermentácia sa uskutočňuje pri obmedzenom prívode kyslíka.
23. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa t ý m , že pred fermentáciou sa z vodného roztoku xylózy odstraňujú zložky alebo nečistoty toxické pre kvasinky.
24. Spôsob podľa nároku 23, vyznačujúci sa t ý m , že odstraňovanie zložiek alebo nečistôt sa uskutočňuje prostriedkami chromatografickej separácie.

4 výkresy