DK162238B - Fremgangsmaade til fremstilling af isoglucose - Google Patents

Description

! DK 162238 8

Opfindelsen en fremgangsmåde til fremstilling af en opløsning indeholdende glucose og fructose ved omsætning af en glucoseholdig opløsning på en på basis af en SiC^-bærer fremstillet katalysator med glucoseisomeraseaktivi-5 tet-

En sådan fremgangsmåde er kendt fra DE patentskrift nr.

3148603. Ifølge dette patentskrift kan produktaktiviteten af en på basis af en SiC^-bærer fremstillet bærerkataly-10 sator med glucoseisomeraseaktivitet forøges betydeligt, når den glucoseholdige opløsning før omsætningen på bærerkatalysatoren bringes i berøring med smålegemer af SiC^ eller aluminiumsilikat.

15 Formålet med den foreliggende opfindelse er at tilveje bringe andre muligheder til forøgelse af produktiviteten af de kendte Si02~bærerkatalysatorer med glucoseisomeraseaktivitet.

20 Ved udtrykket "på basis af en SiC^-bærer fremstillet katalysator med glucoseisomeraseaktivitet" eller "kendt SiC^-bærerkatalysator med glucoseisomeraseaktivitet" skal forstås sådanne katalysatorer, for hvilke i en eller på en bærer på basis af Si02, f.eks. porøs silicagel, gluco-25 seisomerase er indarbejdet (f.eks. ved coudfældning) eller påført (f.eks. ved adsorptiv eller covalent binding eller befugtning af enzymer). Fortrinsvis skal der forstås sådanne katalysatorer, for hvilke glucoseisomerase er påført en porøs silicagel adsorptivt eller covalent 30 bundet eller ved befugtning, idet ligeledes kombinationer er sådanne bindingsfremgangsmåder kan anvendes. De i denne henseende foretrukne katalysatorer er f.eks. kendt fra DE patentskrift nr. 2726188.

35 Fremgangsmåden ifølge opfindelsen er ejendommelig ved det i krav l's kendetegnende del anførte.

DK 162238 B

2

Si02 tilsættes som angivet i form af et vandopløseligt alkalimetalsilikat. Såfremt den opnåede glucose-fructose-opløsning ikke renses specielt, f.eks. ved ionbytning, før sin yderligere anvendelse, må man sørge for, at even-5 tueile med SiC^ indførte fremmedioner ikke påvirker den senere anvendelse af glucose-fructose-opløsningen.

Den foretrukne mængde af SiC^ er ikke særlig kritisk. Undergrænsen på ca. 30 ppm er valgt for at opnå en produk-10 tivitetsstigning af samme omfang som ved den kendte fremgangsmåde ifølge DE patentskrift nr. 3148603. Fordelagtigt sætter man mellem 30 og 80 ppm Si02 til glucose-opløsningen.

15 Særlig enkelt og prisgunstigt sker tilsætningen af Si02, når man anvender vandglasopløsning, fortrinsvis natron-vandglasopløsning.

I henseende til stigningen af produktiviteten opnår man 20 ved at gå frem efter fremgangsmåden ifølge opfindelsen værdier svarende til dem, man opnår ved fremgangsmåden ifølge DE patentskrift nr. 3148603. Det har dog overraskende vist sig, at tilsætning af Si02 i stedet for forkontakt med smålegemer eller aluminiumsilikat udviser en 25 fordelagtig påvirkning på stabiliteten af katalysatoren ved driftsstilstand. Det har nemlig vist sig, at ved at arbejde ved den kendte fremgangsmåde, f.eks. ifølge DE patentskrift nr. 3148603 eller andre fremgangsmåder, påvirkes katalysatorens aktivitet ved driftsstilstand, 30 f.eks. på grund af strømsvigt eller på grund af andre forstyrrelser, irreversibelt, hvis man ikke sørger for, at katalysatoren så hurtigt som muligt afkøles til rumtemperatur. Ganske vist standser f.eks. ved et strømsvigt ikke blot pumperne, men også opvarmningen til opvarmning 35 af substratet. Den i katalysatoren og i den omgivende substratopløsning indeholdte varmekapacitet hindrer dog den nødvendige hurtige afkøling og er tilstrækkelig til 3

DK 16223? B

at beskadige katalysatoren. For at undgå sådanne skader må man f.eks. ved nødstrømsaggregater drage omsorg for, at der ved driftsstilstand pumpes kold substratopløsning gennem reaktoren, således at man opnår den nødvendige 5 hurtige afkøling af den ømfindtlige katalysator. Ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen kan man dog undgå sådanne foranstaltninger fuldstændig.

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen anvendes især ved kon-10 tinuerlig arbejdsmåde og hensigtsmæssigt således, at man til en vandig glucoseopløsning med et indhold på ca. 40-50 vægt-% tørstof sætter Si02, opløsningen indstilles på en for den bærerbundne glucoseisomerase egnet pH-værdi og opvarmes til en for den bærerbundne glucoseisomerase eg-15 net isomeriseringstemperatur. Den således forberedte glucoseopløsning pumpes gennem en reaktor, der er fyldt med Si02~bærerkatalysator med glucoseisomeraseaktivitet. Den fra reaktoren udgående glucose-fructose-opløsning undersøges kontinuerligt eller med regelmæssige mellemrum for 20 sit indhold af fructose, f.eks. ved hjælp af polarime-trisk analyse eller HPLC. Rumhastigheden (v/vh = volumen glucoseopløsning pr. af katalysator beslaglagt reaktorvolumen pr. time), ved hvilken katalysatoren drives, indstilles således, at den fraførte opløsning, baseret på 25 tørstofindhold, har et ringe udsving på f.eks. + 1% indhold af fructose ved f.eks. 42 vægt-%. Da katalysatoren til stadighed taber aktivitet i afhængighed af driftstid og især af driftstemperatur, betyder det, at rumhastigheden til stadighed må nedsættes for at opnå en konstant 30 isomeriseringsgrad. Isomeriseringsgraden angiver derved, udtrykt i %, antallet af molekyler fructose, der pr. 100 molekyler af den i udgangsopløsningen indeholdte glucose efter omsætning på katalysatoren er indeholdt i den afgående glucose-fructose-opløsning. Alt efter renhed eller 35 kvalitet af den til fremstillingen af glucoseopløsningen anvendte glucose må katalysatoren drives med rumhastigheder, der muliggør opnåelse af en isomeriseringsgrad 4

DK 162238 B

på ca. 44-47% for at opnå den nævnte værdi på 42 vægt-% fructose i tørstoffet for den fraførte glucose-fructose-opløsning.

5 Såfremt der ved fremstillingen af bærerkatalysatoren med glucoseisomeraseaktivitet anvendes en Streptomyces albus glucoseisomerase, har indstillingen af glucoseopløsningen på et pH på ca. 7,0 til 8,5 og en opvarmning af glucoseopløsningen til en temperatur på ca. 55-65 °C vist sig 10 særlig gunstig.

Desuden har tilsætningen af Co(II)- og Mg(II)-ioner til glucoseopløsningen i mængder på ca. 0,1 til 2 ppm Co(II) og ca. 10-200 ppm Mg(II) ved en Streptomyces albus gluco-15 seisomerase, hensigtsmæssigt i form af vandopløselige salte deraf, som f.eks. chlorider eller sulfater, vist sig isomeriseringsfremmende.

Endelig er det også fordelagtigt at tilsætte glucose-20 opløsningen en stabiliseringsmængde af en antioxidant, fortrinsvis S02 i en mængde på ca. 100-600 ppm i form af alkalimetalsulfit eller -bisulfit.

Før den opnåede glucose-fructose-opløsning anvendes, er 25 det tilrådeligt at fjerne de uønskede ioniske komponenter fra glucose-fructose-opløsningen ved hjælp af kation- og anionbyttere, fordi de f.eks. påvirker smagen. Opløsningen kan eventuelt yderligere inddampes til sirup. På markedet findes en sådan sirup under betegnelser som iso-30 merose eller isoglucose.

Opfindelsen forklares nærmere ved hjælp af de efterfølgende eksempler.

35

DK 162238B

5 EKSEMPEL 1 Alment eksempel 5 For alle eksempler blev som "på basis af en SiC^-bærer fremstillet katalysator med glucoseisomeraseaktivitet" anvendt en ifølge DE patentskrift nr. 2726188 fremstillet katalysator. I hvert tilfælde blev 5 g af denne katalysator fyldt i en reaktor. Gennem reaktoren strømmede en til 10 60 0C opvarmet glucoseopløsning. Indstillingen af rumhas tigheden skete således, at isomeriseringsgraden over den samlede driftstid konstant androg 46,5%. Isomeriseringsgraden af den fragående substratopløsning blev målt pola-rimetrisk. I enkeltheder er katalysator og fremgangsmåde 15 karakteriseret ved følgende væsentlige parametre:

Katalysator: Bærer S1O2 20 Aktivitetsoptagelse 9000 E/g

Kornstørrelse 0,1-0,2 mm

Massefylde efter udhældning (tør) 0,45 kg/liter 25 30 35 DK 162238 3 6

Fremgangsmåde:

Substrat 45 vægt-% glucose i vandig opløsning 5 Cofaktorer 120 ppm Mg(II) 1 ppm Co(II) 200 ppm SO2 (i form af Na2S0g) pH-værdi 7,5 10 Substrattæthed_ 1,2 kg/liter

Substratindgangstemperatur 60 0 C

Isomeriseringsgrad 46,5%

Begyndelsesrumhastighed 13,0 time 15

Aktivitetsbestemmelse for glucoseisomeraseopløsning:

Aktiviteten af den til fremstilling af katalysatoren anvendte glucoseisomeraseopløsning blev bestemt efter 20 Takasaki-metoden (jvf. Y. Takasaki: Agr. Biol. Chem. bind 30 nr. 12, 1247-1253, 1966 og Z. Dische og E. Boren-freund: J. Biol. Chem. 192, 583, 1951). En aktivitetsenhed (E) er defineret som den enzymmængde, der under inkuber ingsbetingel ser danner 1 mg fructose.

25

Inkuberingsbetingelser:

Temperatur 65 °C

Reaktionstid 1 time 30 Substrat 0,1 M glucose x H20 (Merck 8342) i 0,05 M phosphat-puffer, pH 8,0 med 0,0004 M MgS04.

Afgørende kriterier for kvaliteten af katalysatoren eller fremgangsmåden, under hvilken katalysatoren anvendes, er 35

DK 162238 B

7 foruden halveringstiden for aktivitetsaftageisen, driftstiden til reaktivitet på 20% af udgangsaktiviteten (20% restaktivitet baseret på udgangsaktivitet = 100% har vist sig som nedre grænse for endnu økonomisk anvendelig kata-5 lysatoraktivitet) og frem for alt produktiviteten. Produktiviteten er derved defineret som den substratmængde, beregnet som tørstof i kg, der kan forarbejdes til en restaktivitet på 20% af udgangsaktiviteten ved en forud given isomeriseringsgrad pr. kg katalysator.

10 EKSEMPEL 1.1

Eksempel ifølge opfindelsen 15 Det almene eksempel 1 blev udført således, at glucoseop-løsningen i overensstemmelse med opfindelsen indeholdt 50 ppm Si02 i form af natronvandglasopløsning. Resultaterne var følgende: 20 Halveringstid 1300 timer

Driftstid til restaktivitet 20% 3800 timer

Produktivitet efter 3800 timer 26000 kg TS med 46,5 vægt-% fruc-tose/kg katalysa- 25 tor.

EKSEMPEL 1.2

Sammenligningseksempel ifølge DE patentskrift nr. 3148603 30

Det almene eksempel 1 blev udført således, at glucoseop-løsningen ikke indeholdt den omhandlede tilsætning af Si02, at opløsningen dog ifølge DE patentskrift nr. 3148603 før indføringen i reaktoren blev pumpet gennem en 35 forsøjle til reaktoren. Forsøjlen var fyldt med 5 g af et i handelen tilgængeligt kugleformet, vandfast, porøst aluminium-silikat (sammensætning ca. 97 vægt-% Si02 og 3 8

DK 162238 B

vægt-% Al^Og; kornstørrelse 1-2 mm; massefylde efter ud-hældning, tør 0,7 kg/liter; type "KCT-WS" fra Kali-Chemie AO).

5 De opnåede resultater (halveringstid, driftstid, produk tivitet) var identiske med de i eksempel 1.1 opnåede.

EKSEMPEL 1.3 10 Sammenligningseksempel

Dette eksempel svarer til det almene eksempel 1, men glu-coseopløsningen indeholdt ikke den i foreliggende opfindelse omhandlede tilsætning af Si02, og glucoseopløsnin-15 gen blev heller ikke ledt gennem en med formlegemer af Si02 eller aluminiumsilikat fyldt forsøjle. Resultaterne var som følger;

Halveringstid 670 timer 20 Driftstid til restaktivitet 20% 1700 timer

Produktivitet efter 1700 timer 12500 kg TS med 46,5 vægt-% fructose/ kg katalysator.

25 EKSEMPEL 2

Til simulering af en driftstilstand blev eksemplerne 1.1, 1.2 og 1.3 gentaget således, at efter 300 driftstimer med 30 gennemstrømning af glucoseopløsning blev driften afbrudt i 3 timer uden ændring af reaktionstemperaturen. Dette gav følgende udslag: 35

DK 162238 B

9 EKSEMPEL 2.1 I forhold til eksempel 1.1 udvistes ingen ændringer.

5 EKSEMPEL 2.2

Efter genoptagelse af gennemstrømningen var aktiviteten af katalysatoren faldet fra 81% til 64% af begyndelsesaktiviteten, hvilket svarede til et relativt aktivitetstab 10 på 21%. X øvrigt opnåedes følgende slutresultater:

Halveringstid 800 timer

Driftstid til restaktivitet 20% 2900 timer

Produktivitet efter 2900 timer 19200 kg TS med 15 46,5 vægt-% fruc tose/ kg katalysator.

EKSEMPEL 2.3 20 I dette eksempel var katalysatoraktiviteten efter genoptagelse af gennemstrømningen faldet fra 75% til 59% af begyndelsesaktiviteten, hvilket svarede til et relativt aktivitetstab på ligeledes 21%. Slutresultaterne udviste 25 følgende værdier:

Halveringstid 480 timer

Driftstid til restaktivitet 20% 1300 timer

Produktivitet efter 1300 timer 9600 kg TS med 30 46,5 vægt-% fruc tose/ kg katalysator.

Eksemplerne viser, at ved fremgangsmåden ifølge opfindel-35 sen kan opnås en lige så god produktivitetsforøgelse som ved fremgangsmåden ifølge DE patentskrift nr. 3148603, idet man dog ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen i for-

DK 162238 B

10 .

bindelse med driftsafbrydelser selv ved konstant reaktortemperatur ikke kan iagttage nogen beskadigelse eller nedsættelse af katalysatoraktiviteten, mens dette ikke er tilfældet ved fremgangsmåden ifølge DE patentskrift nr.

5 3148603.

Til at anskueliggøre eksemplerne der blev optegnet diagrammer over aktivitetsfaldet (fig. 1) samt afviklingen af produktiviteten (fig. 2), hele tiden i afhængighed af 10 driftstiden. I alle diagrammer er driftstiden afsat på abscissen i timer. På ordinaten i fig. 1 er aktiviteten anført i procent og på ordinaten i fig. 2 og 3 produktiviteten i t (ton) tørstof (TS) pr. kg katalysator. Måleværdierne for de enkelte kurver er vist som følger: 15 * -- Eksempel 1.1, 1.2, 2.1 • -· Eksempel 2.2 x-* Eksempel 1.3 x-x Eksempel 2.3 20 25 30 35

Claims (3)

1. Fremgangsmåde til fremstilling af en opløsning inde-5 holdende glucose og fructose ved omsætning af en glucose- holdig opløsning på en på basis af en Si02~bærer fremstillet katalysator med glucoseisomeraseaktivitet, kendetegnet ved, at man sætter mindst 30 ppm Si02 til glucoseopløsningen i form af et vandopløseligt 10 alkalimetalsilikat.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at man sætter Si02 til glucoseopløsningen i en mængde på 30-80 ppm. 15

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at man tilsætter glucoseopløsningen Si02 i form af vandglas. '20 25 30 35