FI72142B - Foerfarande och anordning foer framstaellning av isomeros - Google Patents

Description

x 72142

Menetelmä ja laite isomeroosin valmistamiseksi.

Förfarande och anordning för framställning av isomeros.

Keksintö käsittelee menetelmää, jolla valmistetaan glukoosia ja fruktoosia sisältävää liuosta glukoosiliuoksesta Si02~poh-jaiselle kantajalle valmistetulla glukoosi-isomeraasiaktii-visuutta omaavalla katalysaattorilla.

Tämä glukoosin entsymaattinen muuttaminen glukoosi-fruktoosi-seokseksi on saanut kasvavaa merkitystä. Seos myydään useimmiten siirapin, isomeroosin, muodossa ja se korvaa ennen kaikkea elintarvike- ja juomateollisuudessa maailmanlaajuisesti niukemmin käytetyn ja kalliimman kristallisokerin (ruokosokeri, juurikassokeri, sakkaroosi), joka on valmistettu sokeriruo'-osta tai sokerijuurikkaasta. Glukoosi-fruktoosiseoksen valmistamiseen tarvittavan glukoosin lähteenä voivat olla luonnolliset tärkkelykset, esim. maissi- tai perunatärkkelys, jotka muutetaan glukoosiksi happo- tai entsymaattisella hydrolyy-sillä.

Glukoosin muuttamiseksi entsymaattisesti fruktoosiksi lisätään glukoosivesiliuokseen toimivaa glukoosi-isomeraasia, mahdollisesti myös isomerointia edistäviä yhdisteitä (esim. koboltteja magnesium-ioneja), kun haluttu isomeroitumisaste on saavutettu, erotetaan liuoksesta siihen mahdollisesti lisätyt yhdisteet ja liuos tiivistetään siirapiksi.

Aikaisemmin on työskennelty panosmenetelmin ja käytetty joko eristettyä glukoosi-isomeraasia tai glukoosi-isomeraasia, joka on jätetty luonnollisessa solusidoksessa sitä tuottaviin mikro-organismeihin. Koska näin lisättynä glukoosi-isomeraasi ei ole, tai on vain vaikeasti kerättävissä takaisin ja uudelleenkäytettävissä, käytetään nykyään lisääntyvässä määrin solusidoksessa kiinnittämällä veteen liukenemattomaksi tehtyä ja lisäyksin mekaanisesti lujitettua glukoosi-isomeraasia. Edelleen voidaan glukoosi-isomeraasi sitoa epäorgaaniseen tai 721 42 2 orgaaniseen kantajaan adsorptiolla tai kovalenttisesti ja tehdä se siten veteen liukenemattomaksi. Tällä tavoin kiinnitettyä ja lujitettua tai kantajaan sidottua glukoosi-isomeraasia voidaan käyttää useasti ja tällöin voidaan käyttää jatkuvia menetelmiä, esim. täyttämällä reaktori kantajaan sidotulla glukoosi-isomeraasilla ja antamalla glukoosiliuoksen (substraatin) virrata reaktorin läpi.

Tällaiseen jatkuvaan menetelmään tarvittava, kantajaan sidottu glukoosi-isomeraasi, jota kutsutaan myöhemmin glukoosi-iso-meraasiaktiivisuutta omaavaksi katalysaattoriksi tai kantaja-katalysaattoriksi, edustaa sinänsä tekniikan tasoa. Esimerkkinä mainittakoon DE-patenttijulkaisu 27 26 188, jossa kuvataan erityisesti SiC>2-kantajaan perustuva glukoosi-isomeraa-siaktiivisuutta omaava katalysaattori.

Keksinnön mukainen menetelmä glukoosia ja fruktoosia sisältävän liuoksen valmistamiseksi perustuu sellaiselle jatkuvasti toimivalle menetelmälle, jossa glukoosiliuos (substraatti) virtaa reaktorin läpi, joka sisältää glukoosi-isomeraasiak-tiivisuutta omaavan kantajakatalysaattorin.

Keksintö perustuu lisäksi seuraaville tiedoille:

Isomeroosin kilpailukelpoisuus määräytyy suhteessa luonnolliseen sakkaroosiin paitsi hintansa, pääasiassa sen fruktoosi-pitoisuuksien mukaan, sillä tämä on ratkaiseva tekijä sen makeudessa. Päinvastoin kuin luonnollisessa sakkaroosissa, joka on glukoosin ja fruktoosin muodostama disakkaridi, jossa glukoosi ja fruktoosi esiintyvät molekyylisuhteessa 1:1, vaih-televat glukoosin ja fruktoosin pitoisuudet isomeroosissa ja siten sen makeus on ensisijaisesti riippuvainen ajasta, jonka glukoosi-isomeraasi vaikuttaa glukoosiliuokseen, sekä lämpötilasta, jossa reaktio tapahtuu. 60 °C:ssa, riittävän pitkän reaktioajan jälkeen saavutettava maksimaalinen termodynaaminen tasapaino on suunnilleen 51%:ssa isomeroitumisasteessa, s.o.

Il 72142 3 lOOista käytetystä glukoosimolekyylistä on 51 muuntunut fruktoosiksi. Nykyään hyväksytään kaupan isomeroosi, jonka kuiva-ainepitoisuudesta on fruktoosia 42%. Koska teknisen lähtöaineen glukoosipitoisuus on tavallisesti 90 - 95%, on käytännössä isomeroitumisaste 44 - 46% pakollinen, jotta saavutettaisiin em. fruktoosipitoisuus. Jotta em. isomeroitumisaste saavutettaisiin, voidaan glukoosi-isomeraasiaktiivisuutta omaavia kantajakatalysaattoreita käyttää vain tietyllä tila-vuusnopeudella, joka on riippuvainen niiden silloisesta aktiivisuudesta. Nykyaikaisia, korkea-aktiivisia katalysaattoreita, joita voidaan esim. valmistaa DE-patenttijulkaisussa 27 26 188 kuvatulla menetelmällä, voidaan käyttää alkutilavuus-nopeudella 10 - 20 tilavuus/tilavuutta tunnissa.

Käyttöajan lisääntyessä laskee tunnettujen katalysaattoreiden aktiivisuus riippuen reaktiolämpötilasta ennemmin tai myöhemmin .

DE-patenttijulkaisun 27 26 188 mukainen tunnettu katalysaattori omaa vielä 670 käyttötunnin jälkeen reaktiolämpötilan ollessa 60 °C 50% lähtöaktiivisuudestaan. Jotta saavutettaisiin sama isomeroitumisaste kuin alussa, voidaan sellaista katalysaattoria käyttää enää vain puolella lähtötilavuusno-peudella. 20% loppuaktiivisuus, jota pidetään alimpana taloudellisena rajana, saavutetaan 1700 käyttötunnin jälkeen.

Yllättäen havaittiin, että glukoosi-isomeraasiaktiivisuutta omaavan Si02~kantajalle perustuvan katalysaattorin käyttöaikaa voidaan lisätä yli kaksinkertaiseksi, kun glukoosiliuos ennen muuntamista kantajakatalysaattorilla saatetaan kosketukseen Si02_ tai alumiinisilikaattikappaleiden kanssa. Massasuhde katalysaattori:kappaleet vaihtelevat välillä 3:1 ja 1:3, esim. 1:1. Näin menetellen lisääntyy katalysaattorin tuottoisuus kaksinkertaiseksi. Tuottoisuus on laskettu substraatti-määränä, substraattikuiva-aineena (kg), joka yhdellä kilolla katalysaattoria tietyllä isomeroitumisasteella voidaan käyttää 20% loppuaktiivisuuteen lähtöaktiivisuudesta.

4 72142

Laitteistossa, joka on erityisesti tarkoitettu jatkuvatoimiseen glukoosin muuntamiseen fruktoosiksi ja jossa laitteistossa on glukoosi-isomeraasiaktiivisuuden omaavan kantajakata-lysaattorireaktorin lisäksi tarvittavat lisälaitteet kuten varasto- ja keräyssäiliöt, liitäntäjohdot, pumput, mittauslaitteet, lämpötilansäätölaitteet ja vastaavat, on keksinnön mukaisesti reaktorin asennettu esikolonni, S1O2- tai alumiini-silikaattikappaleita vasten. Esikolonnin tilavuus on suhteutettu reaktorin tilavuuteen siten, että huomioimalla katalysaattorin ja esikolonnimateriaalin syöttöpainot voidaan saavuttaa yllä mainitut massasuhteet.

Keksinnön mukaisen menetelmän toteutus tapahtuu erityisesti jatkuvatoimisesti työskennellen siten, että glukoosin vesi-liuos, esim. kuiva-ainepitoisuus 40 - 50 p-%, säädetään pH- arvoon, joka on sopiva kantajaan sidotulle glukoosi-isomeraa-siile, lämmitetään sopivaan isomeroimislämpötilaan ja sitten pumpataan S1O2 tai alumiinisilikaatilla täytetyn esikolonnin läpi ja sitten glukoosi-isomeraasiaktiivisuuden omaavalla SiC>2-kanta jakatalysaattorilla täytetyn reaktorin läpi. Ulos tulevan glukoosi-fruktoosiliuoksen fruktoosipitoisuus mitataan säännöllisin väliajoin, esim. polarometrisesti tai HPLC:llä. Virtausnopeus, jolla katalysaattoria käytetään, asetetaan sellaiseksi, että ulos tulevan liuoksen fruktoosipitoisuus on 42 p-%, kuiva-aineeksi laskettuna.

Esikolonnimateriaalin raekoko on 0,5 - 5,0 mm ja kantajaka-talysaattorin raekooksi 0,08 - 0,5 mm on osoittautunut erityisen sopivaksi.

Kun glukoosi-isomeraasiaktiivisuuden omaavan kantajakataly-saattorin valmistamiseen on käytetty S treptomyces albus'en glukoosi-isomeraasia, on erittäin sopivaksi osoittautunut glukoosiliuoksen pH:n säätö 7,0 -8,5:ksi ja sen lämpötilan säätäminen 55 - 65 °C:een.

Il 5 721 42

Lisäksi Streptomyces albus'en glukoosi-isomeraasille on osoittautunut isomeroitumista edistäväksi tekijäksi Co(II)- ja Mg (11)-ionien lisääminen glukoosiliuokseen pitoisuuksin 0,1 -2 ppm Co(ll):ta ja 10 - 200 ppm Mg(II):ta niiden vesiliukoisina suoloina kuten klorideina tai sulfaatteina.

Edelleen on hyödyllistä lisätä glukoosiliuokseen stabiloiva määrä antioksidanttia, esim. SC^Jta, pitoisuudessa 100 -600 ppm alkalimetallisulfiittina tai -bisulfiittina.

Ennen kuin saatu glukoosi-fruktoosiliuos haihdutetaan siirapiksi tai tehdään käyttötarkoitukseensa sopivaksi liuokseksi, on suositeltavaa poistaa siitä ei-toivotut ioniset komponentit kuten esim. makua antavat ionit kationi- ja anionivaihdon avulla.

Keksintöä selvennetään seuraavien esimerkkien avulla:

Esimerkki 1.

5 g glukoosi-isomeraasiaktiivisuutta omaavalla kantajakata-lysaattorilla, joka oli valmistettu DE-patenttijulkaisun 27 26 188 mukaisesti, ja jolla on alla esitetyt ominaisuudet, täytettiin reaktori, jonka eteen oli asennettu kolonni, joka oli täytetty 5 g:11a kaupallisesti saatavaa pallomuotoista veden kestävää, huokoista alumiinisilikaattia (esim. Typ KCT-WS der Kali-Chemie AG, koostumukseltaan 97 p-% SiC>2 ja 3 p-% AI2O3). Tämän esikolonni-reaktorijärjestelmän läpi pumpattiin 60 °C:sta glukoosiliuosta. Läpivirtausnopeus säädettiin sellaiseksi (laskettuna katalysaattorille, huomioon ottaen vaaditut reaktiotilavuudet), että isomeroitumisaste pysyi koko käyttöajan vakiona 46,5%:na. Ulosvirtaavan substraatti-liuoksen isomeroitumisaste mitattiin polarometrisesti. Yksityiskohdittain ovat katalysaattori, esikolonnin täyte ja menetelmä tunnettuja seuraavista parametreistä: 6 72142 1. Katalysaattori 1.1 Kantaja: S1O2 1.2 Aktiivisuusaste: 9000 U/g 1.3 Raekoko: 0,1 - 1»2 mm 1.4 Tärypaino (kuiva) 0,45 kg/1 2. Esikolonnin täyte 2.1 Täyttömateriaali: KCT-WS (Kali-Chemie AG) 2.2 Raekoko: 1-2 mm 2.3 Tärypaino (kuiva) 0,7 kg/1 3. Menetelmä 3.1 Substraatti: 45 p-% glukoosin vesiliuos 3.2 Kofaktorit: 120 ppm Mg(ll) 1 ppm Co(II) 200 ppm SO2 (Na2S03:na) 3.3 pH: 7,5 3.4 Substraattitiheys: 1,2 kg/1 3.5 Substraatin syöttö-

lämpötila 60 °C

3.6 Isomeroitumisaste 46,5% 3.7 Aloitussyöttönopeus: 13,0 h~l 4. Glukoosi-isomeraasiliuoksen aktiivisuuden määritys Katalysaattorin valmistukseen käytetyn glukoosi-isomeraasiliuoksen aktiivisuus määritettiin Takasakin menetelmällä (vrt.

Y. Takasaki: Agr. Biol. Chem. Voi. 30, nro 12, s. 1247-1253 ja Z. Dische ja E. Borenfreud: J.Biol. Chem. 192, 583, 1951). Aktiivisuusyksikkö on määritelty entsyymimääränä, joka inku-baatio-olosuhteissä muodostaa 1 mg:n fruktoosia.

Inkubaatio-olosuhteet:

Lämpötila: 65 °C

Reaktioaika: 1 h

Substraatti: 0,1 mol glukoosi χ H2O (Merck 8342) 0,05 mol fosfaattipuskurissa, pH 8,0, jossa 0,0004 mol MgSC>4 7 721 42

Esimerkillä saatiin seuraavat tulokset:

Puolikäyttöaika: 1300 h Käyttöaika 20%:n loppuaktiivisuuteen: 3800 h

Keskimääräinen aktiivisuus 3800 käyttötunnin jälkeen: 44,4% (laskettuna 100%:n lähtöaktiivisuudesta)

Tuottoisuus 3800 h:n jälkeen: 26000 kg kuiva-aineena 46,5% fruktoosia/kg katalysaattoria

Esimerkki 2.

Reaktori täytettiin 5 g:11a esimerkin 1. mukaista kantajaka-talysaattoria ja sen eteen oli asennettu esikolonni, jossa oli 10 g kaupallista, pallomuotoista vedenpitävää, huokoista Siesta (esim. Typ AF 125 der Kali-Chemie AG, Si02~pitoisuus suurempi kuin 99 p-%). Muut työmenetelmät olivat esimerkin 1. mukaiset. Esikolonnin parametrit olivat seuraavat: 1. Täyte: AF 125 (Kali-Chemie AG) 2. Raekoko: 1 - 2 mm 3. Tärypaino (kuiva): 0,45 kg/1

Koetulokset olivat identtiset esimerkin 1. kanssa.

Esimerkki 3.

Vertailuksi toistettiin esimerkki 1. samanlaisella katalysaattorilla, ilman esikolonnia, mutta muuten samanlaisissa koeolosuhteissa .

Esimerkissä 3. saatiin seuraavat tulokset:

Puolikäyttöaika: 670 h Käyttöaika 20%:n loppuaktiivisuuteen: 1700 h 8 72142

Keskimääräinen aktiivisuus 1700 h:n käytön aikana: 47.2% (laskettuna 100%:n alkuaktiivisuudesta)

Tuottoisuus 1700 h:n jälkeen: 12500 kg kuiva-ainetta 46,5% fruktoosia/kg katalysaattoria

Esimerkkien 1., 2. ja 3. mukaisten tulosten havainnollista miseksi esitettiin akviivisuuden vähenemisen riippuvuus käyttöajasta kuvassa 1. Näin esitettynä käy selvästi ilmi, että keksinnön mukaisen alumiinisilikaatti- tai SiC>2-helmillä täytetyn esikolonnin käyttö (esimerkit 1. ja 2.) stabiloi katalysaattorin aktiivisuuden pitkän käyttöjakson aikana.

Kuvassa 2 on esitetty menetelmän ratkaiseva vaikutus tuottoisuuteen verrattuna käyttöaikaan. Keksinnön mukaisissa mene-telmäolosuhteissa toteutetut esimerkit 1. ja 2. nostivat katalysaattorin taloudellisesti käyttökelpoista, spesifistä suorituskykyä kertoimella 2,08, s.o. tietyn isomeroosimäärän valmistamiseksi tarvitaan vähemmän kuin puolet katalysaattorin määrästä. Koska keksinnön mukaisesti tarvittavan esikolonni-materiaalin kustannukset ovat vain murto-osa katalysaattorin kustannuksista, on keksinnön mukaisen menetelmän taloudellinen etu huomattava.