SU1507799A1 - Способ получени кристаллической фруктозы и раствора глюкозы - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к микробиологической промышленности и может быть использовано дл  получени  фруктозы и глюкозы в пищевой промышленности и медицине. Цель изобретени  - повышение выхода чистых глюкозы и фруктозы и упрощение процесса. Способ заключаетс  в следующем. Инвертный сироп, полученный в результате гидролиза сырь , подвергают хроматографическому разделению на глюкозу и фруктозу в колонке, заполненной сульфокатионитом в кальциевой форме. При этом используют сульфокатионит, содержащий 5-40% водородной формы с размером зерен 0,10-0,35 мм и со степенью сшивки дивинилбензолом 3,5-10,0%. Затем осуществл ют концентрирование полученных фруктозных сиропов и кристаллизацию фруктозы. 2 ил., 3 табл.

Description

Изобретение относитс  к микробио логической промышленности и может быть использовано дл  получени  крис- талли 1еской фруктозы и раствора глюкозы в качестве химических реактивов в пищевой и медицинской прокп ш- ленности.

Цель изобретени  - повышение выхода чистых фруктозы и глюкозы и упрощение процесса.

Способ осуществл ют следующим образом.

Провод т гидролиз сырь , в качестве исходного сырь  дл  получени , инвертного сиропа используют с хзсро- зу,- которую подвергают кислотному гидролизу. Далее провод т хроматографическое разделение инвертного сиропа на глюкозу и фруктозу на катионообмен- нике в кальциевой форме. При хромЙ- тографическом разделении иннертного сиропа используют сульфокатионит, содержащий 5-40% водородной формы остальна  часть сульфокатионита на:л ч

к|

31507

ходитс  в кальциевой форме, с размером зерен 0,10-0,35 мм и со степенью сшивки дивинилбензолом 3,5 - 10%.

Целесообразно при хроматографическом разделении в колонне использовать инертный сироп с концентрацией 35 - 55%, причем объемна  нагрузка по инвертному сиропу составл ет 1-15% от объема колонны. Температура процесса может быть 10-60 С, скорость подвижной фазы воды О,1-1,0 см/мин. Затем осуществл ют концентрирование полученных фруктозных растворов и кристаллизацию фруктозы из водной фазы.

Наличие водородной формы в катио- ните в кальциевой форме благопри тно сказываетс  на выходе чистьЬс Сахаров, поскольку ускор ет процесс разделени  за счет сужени  пиков раздел емых веществ, особенно фруктозы. Содержание водородной формы вьппе 40% приводит к недостатку катионов каль- ци  дл  св зывани  фруктозы и глюкозы , вследствие чего резко падает выход чистых Сахаров. Кроме того, наличие водородной формы позвол ет исп6 1ьзовать дл  разделени  инверт- ные сиропы, содержащие-примеси сахарозы , поскольку водородна  форма создает кислое рН в слое смолы и небольшие количества сахарозы быстро гид- ролизуютс  в колонне с образованием глюкозы и фруктозы.

Чем меньше размеры зерен катионита тем вьше эффективность процесса разделени  (возрастают выходы чистых Сахаров). Это объ сн етс  ускорением диффузии Сахаров внутрь зерен. Однако при уменьшении размерэв зерен растет гидродинамическое сопротивление сло  смолы потоку жидкости, что существенно сказываетс  на работе хроматографических колонн большого размера (например 400)40 см). Дл  преодолени  гидродинамического сопротивлени  смолы приходитс  примен ть повьш1енные давлени , что удорожает процесс разделени . При использовании зерен с размерами до 0,10 мм гидро-- динамическое сопротивление не столь велико и это позвол ет подавать расворы в колонну самотеком, без приме- нени  насосов высокого давлени . При большом отклонении размерев зерен от среднего (большеi20%) ухудшаетс  упаковка зерен в слое, это приводит.

к по влению каналов в слое смолы, следовательно, часть смолы перестае работать и эффективность процесса разделени  падает.

Зависимость вьпсода чистых глюкозы и фруктозы от степени.сшивки смолы следующа : уменьшение степени сшивки катионита приводит к увеличению выхода чистых Сахаров. Однако уменьшение степени сшивки смолы ниже 3,5% дивинилбензола 1)езко снижает механическую прочность зерен катионита и они быстро разрушаютс  за 10-12 циклов разделени . Таким образом, оптимальнбй  вл етс  степень сшивки 3,5-10%, так как степень сшивки въте 10% затрудн ет диффузию Сахаров внут зерен смолы, что приводит к размыванию пиков Сахаров и заметному снижению выхода.

Использование инвертного сиропа с концентрацией 35-55% позвол ет про водить процесс разделени  фруктозы и глюкозы с достаточной эффективностью , поскольку с увеличением концентрации раздел емой смеси выход чистых Сахаров уменьшаетс  в допустимых пределах (в среднем с 70 до 57%) Меньша  концентраци  раздел емой смесит (30%) несколько увеличивает выход чистых Сахаров (до 72-74%), но при этом падает концентраци  чистых веществ в элюатах. Больша  концентраци  раздел емой смеси (60%) заметно снижает выход чистых веществ, йо не увеличивает концентрации чистых са- харов в элюатах по сравнению с. тем циклом разделени , используетс  концентраци  раздел емого инвертного сиропа 55.

Объемна  нагрузка по инвертному сиропу 1-15% обеспечивает эффективное проведение..процесса разделени . Несмотр  на то, что выход чистых са- харов с увеличением нагрузки заметно падает, в указанных пределах 1-15% производительность колонны достаточно высока, поскольку с увеличением объемной нагрузки резко возрастает концентраци  растворов чистой глюкоз и фруктозы.

Температура процесса раз)1елени  фруктозы и глюкозы оказьшает дво кое вли ние на конечный результат, С одной стороны, з величение температуры ускор ет диффузию Сахаров внутрь зерен смолы, с другой стороны, увеличенир . температуры должно снижать эффективность разделени , поскольку известно, что разделение глюкозы и

фруктозы на к атионитах в кальциевой форме основано на разности в прочно сти комплексов этих Сахаров с кальцием , а увеличение температуры снижает прочность комплексов. Так как последний фактор действует сильнее, чем выход чистых веществ с увеличением температуры постепеннно уменьшаетс , начина  с 20°С увеличение

температуры вьппе 60 С приводит к разрушению фруктозы. При температурах ниже 20°С большее вли ние оказывает первый фактор: скорость диффузии на- сталько мала, что увеличение прочности комплексов не компенсирует отрицательного воздействи  на эффективность разделени , а выход чистых Сахаров также постепенно снижаетс .

Некоторое падение выходов чистых Сахаров

с увеличением температуры вплоть до 60 С компенсируетс  сокращением времени полного элюировани  Сахаров из колонны, так как с ростом

.температуры пики раздел емьк веществ сз жаютс . Таким образом, процесс разделени  фруктозы и глюкозы можно проводить при любой температуре в диапазоне Ог60°С.

Оптимальный диапазон скоростей

-элюировани  О,1-1,О см/мин. Скорость элюировани  ниже 0,1 см/мин резко снижает эффективность разделени  из- .за большого з еличени  длительности процесса и Небольшого падени  выходов чистых Сахаров . Скорость, элюировани  вьш1е 1,0 см/мин приводит к

сильному размьгоанию пиков веществ, что также вызывает значительное уменшение выходов чистых Сахаров.

Пример 1. Дл  получени  смеси глюкозы и фруктозы берут сахарозу , которую подвергают кислотному гидролизу.

Глю козно-фруктозную смесь с концентрацией 45% ввод т в колонну размером см, заполненную катиони том КУ-2х6 в кальциевой форме, со-, держащей 20% водородной формы, с размером частиц 0,30 мм с отклонением размеров зерен от среднего не более ±16%. Объемна  нагрузка 7%, скорост элюировани  0,5 см/мин, температура процесса разделени  35°С, По окончании разделени  получают три фракгдии:

перва  - чиста  глюкоза, втора  - смесь глюкозы и фруктозы, треть  - чиста  фpyктoзk. Смесь глюкозы и фруктозы возвращают на стадию приготовлени  инвертного сиропа. Средн   концентраци  фракции чистой фруктозы составл ет 9%. Полученный разбавленный раствор фруктозы концентрируют.в вакуумном выпарном аппарате с падающей пленкой в смеси с активированным углем до концентрации 89%.

5

5

0

5

0

5

0

5

Гор чий сироп фруктозы фильтруют, отдел ют активированный уголь и направл ют на кристаллизацию. Кристал- лизацию провод т в кристаллизаторе периодического действи  объемом 5л. Дл  этого полученный фруктозный си- 0 роп с концентрацией 89% нагревают до 63 С, а затем медленно охлаждают до 30°С со скоростью снижени  температуры 0,65 град/ч, причем затравочные кристаллы фруктозы в количестве 25 г (0,5%) внос т при . По окончании кристаллизации кристаллы фруктозы отдел ют с помощью центробежного сепаратора . Кристаллы промывают небольшим количеством холодной воды с температурой 4-5 С в расчете 1 мл на 50 г фруктозы и сушат. ЙЭР вчные растворы в6звраи(ают на стадию кристаллизации , объедин   их со следующей порцией фруктозного сиропа. Выход кристаллов фруктозы от фруктозного сиропа составл ет , Таким образом, общий выход фруктозы за один цикл составл ет 42%, а глю- ко зы - 66%.

Одновременно осуществл ют процесс по известному способу.

Глюкозный сироп, полученный из картофельного крахмала -путем кисло - но-ферме нтативного гидролиза с со держанием 94% глюкозы и 6% олиго- сахаридов и имеющий концентрацию 72%, подвергают конверсии в смесь глюкозы и фр уктозы с помощью иммобинизоваН- ной глюкозоизомеразы. Степень кон- версии 42%.

Полученную смесь глюкозы-и фруктог зы, содержап1ую 42% фруктозы, 52% глюкозы и 6% олигосахаридов, подвергают хроматографическому разделеншо на катионите КУ-2 - 2 в кальциевой форме. В колонку размером ,5 см, заполненную смолой КУ 2x2 со средним зернением 0,4 мм, ввод т 50 мл глюко- зофруктозного сиропа (объемна  на

715

грузка 10%j и при 40°С элюируют водой со скоростью 0,1 см/мин.

Фракции, содержащие олигосахариды отбрасывают, фракции, содержащие глюкозу и фруктозу, снова изомери- зуют и подвергают хроматоГ-рафическо- му разделению, а фракции, содержащие только фруктозу, объедин ют, промывают в делительной воронке с хлороформом . После отделени  хлороформа водную фазу раствора фруктозы,встр хивают со смолой Амберлит IPA-400 в ОН-форме и после фильтрации упариваю на роторном испарителе при АО С под вакуумом до сиропообразного состо ни , затем добавл ют 5 мл глицерина. Полученный сироп раствор ют в 150 мл смеси спирта с водой (7:3) и упаривают в тех же услови х до посто нного веса. Приливают 150 мл абсолютного спирта и осторожно упаривают в тех же услови х до помутнени . Добавл ют кристаллик фруктозы дл  затравки и оставл ют на 8 ч в холодильнике. Образовавшиес  кристаллы отфильтровывают , дважды перекристаллизовывают, промывают 100 мл абсолютного спирта и высушивают в вакуум-эксикаторе с хлористым кальцием.

На стадии хроматографии выход фруктозы состал ет 50%, а общий выход фрзтстозы составл ет 69,8% за два цикла, причем в расчете на исходную глюкозу. Поскольку в полученной из исходной глюкозы после конверсии смеси содержитс  А2.% фруктозы, то в расчете на фруктозу общий выхо конечного Продукта составл ет 29,3%,

Таким образом, сравнива  способы получени  фруктозы и глюкозы согласн предлагаемому и известному способам, можно составить две принципиальные технологические схемы, характеризующие оба процесса. На фиг.1 и 2 представлены технологические схемы осуществлени  процесса по предлагаемому и известном способам соответственно. Схемы 1 и 2 нагл дно иллюстрируют достигнутое упрощение технологического процесса получени  кристалличес кой фруктозы и раствора глюкозы по предлагаемому спосооу по сравнению с известным.

П р и м е р 2. Способ осуществл ют аналогично примеру 1, но дл  процесса хроматографического разделени  инвертного сиропа используют сульфокатионит КУ-2х6 с различным

,

содержанием водородной формы. П ть проб инвертного сиропа одного качества пропускают через колонны . 400л40 см, заполненные катионитом, содержащим 2; 5;- 20; 40 и 45% Н -формы . Определ ют выход Глюкозы и фруктозы .

В табл.1 даны качестве нные показатели процесса разделени .

Как видно из данных табл.1, наличие водородной формы в катионите в кальциевой форме благопри тно сказываетс  на выходе чистых сахароз, поскольку ускор ет процесс разделени  за счет сужени  пиков раздел емых углеводов, особенно глюкозы. Содержание Н-формы вьше 40% приводит к недостатку катионов кальци .дл  св зывани  фруктозы и глюкозы, вследствие чего резко падает .выход чис-i тых Сахаров, Кроме того, начилие Н-формы позвол ет использовать дл  ... разделени  инвертные сиропы, содержи-; щие примеси сахарозы, поскольку водородна  форма создает кислое рН в слое смолы и небольшие количества сахарозы быстро гидролизуютс  в колонне с образованием глюкозы и фруктозы.

П р и м е р 3. Способ осуществл ют аналогично примеру 1, но дл  процесса хроматографического разделени  используют сульфокатионит с различными размерами зерен: 0,08; 0,10; 0,20; 0,35; 0,45 и 0,25 мм. Дл  этого щесть проб инвертного сиропа пропускают через коло нны, заполненные различного зернени  сульфокатионитом и определ ют выход глюкозы и фрукто зы.

в табл.2 показаны результаты Вли ни  размеров зерен катионита на процесс разделени .

Из табл.2 видно, что.чем меньше размеры зерен катионита, тем вьшзе эффективность процесса разделени .

Q

50

Однако при гранулометрическом составе смолы ,0 мм на больших колоннах (400x40 см) возникают значительные гидродинамические сопротивле- . 55 ни . Кроме того, фракции смолы КУ- содержат.более 80% зерен, имеющих размер 0,20-0,35 мм и, следовательно , рассев зерен с меньшим диаметром приводит к удорожанию стоимости

смолы. Частиц с размерами 0,08 - 0,10 мм содержитс  всего 2-4%.

При большом отклонении размеров зерен от среднего (больше t20%) ухуд- шаетс  упаковка зерен в слое и эффективность процесса разделени  падает,

П р и м е р 4. Способ осуществл ют аналогично примеру 1, но дл  хромато- графического разделени  инвертного сиропа примен ют сульфокатионит со . степенью сшивки дивинилбензолом 2,0; 3,5; 6,0; 10,0 и 12,0%.

Прочие услови  хррматографичес- кого разделени  следующие: температу- ра 35°С, скорость элюировани  0,5 см/ми объемна  нагрузка 7%, концентрационна  нагрузка 45%.

Концентрирование фруктозных растворов и кристг ллизаци  из водной фазы провод тс  Б известных услови х. Чистота.получаемои фруктозы составл ет 99,9%.

Предлагаемый способ получени  кристаллической фруктозы и раствора глюкозы по сравнению с известным упрощает процесс за счет повьппени  эф- :фективности хроматографического ..разделени  глюкозы и фруктозы и исключет ни  стадий, рециклинга, а также за- счет сырь , не требукщего после гидролиза проведени  изомеризации, позвол ет ., повысить выход конечных продуктов: глюкозы - до 66%,-а кристаллической фруктозы - на 12,7%.

В табл.3 представлены данные вли - ни  сшивки катионита на выход саха- ров.

Примечание: Смола КУ-2 со степенью сшивки ниже.3,5% механически непрочна и быстро разрушаетс .

Из табл.3 следует, что уменьшение степени сшивки катионита приводит к увеличению выхода чистых саХаров. Однако уменьшение степени сшивки смо- ЛЬ1 дивинилбензолом ниже 3,5% резко снижает механическую прочность зерен катионита и они быстро разрушаютс  - за 10-12 циклов разделени . Таким образом , оптимальной  вл етс  степень сшивки 3,5-10%, так как степень сшив- ки вьше 10% затрудн ет диффузию саха- ров внутрь зерен смолы. .6 ,0

0,20

1-20

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Способ получени  кристаллической фруктозы и раствора глюкозы, включающий гидролиз сырь , хроматографичес- кое разделение инвертного сиропа на фруктозу и глюкозу на катионнооб- меннике в кальциевой форме, сшитом дивинилбензолом, концентрирование фруктозного сиропа и кристаллизацию фруктозы, отличающийс  тем, Мто, с целью повьш1ени  выхода чистых фруктозы и глюкозы и упрощени  процесса, в качестве катионооб- менника используют сульфокатионит, содержащий 5-40% ионов водорода, при этом размер зерен катионита равен 0,10-0,35 мм, а степень сшивки диви- нилбензолом составл ет 3,5-10,0%.

   Таблица 1

   2 5

   20 40 45

   57 62 65 60 48

   54 62 62 58 45

   11

   1507799 2

   Таблица2

   ТаблицаЗ

   Гидролиз картофемно

   L

   I Нзонеразаци  глюкозы

   KpOMomotpaifjuvecKoe нив смеси гл1 1казы, сррух- тазы и олиеосажариМ

   блигоса ври и

   fpanttM снеси казн. Фруктозы и OAueocaxapudoS

   Фракци  чистой фруктоза