HU196240B

HU196240B - Improved process for production of izoglucose

Info

Publication number: HU196240B
Application number: HU85503A
Authority: HU
Inventors: Guenter Weidenbach; Boris Meyer; Dirk Bonse
Original assignee: Kali Chemie Ag
Priority date: 1984-02-13
Filing date: 1985-02-11
Publication date: 1988-10-28
Also published as: FI80474C; CA1241286A; DK162238B; DK162238C; FI850601L; KR850005848A; CS271310B2; DK63485D0; DE3405035C1; FI850601A0; AU568910B2; US4665025A; JPS60188090A; DD232311A5; AU3868885A; YU44252B; EP0152036A2; RO91651A; ES539153A0; ES8602131A1

Description

Találmányuk tárgya javított eljárás izoglükóz előállítására gkükóztartalmú oldatoknak szilícium-dioxid-alapú hordozón előállított, glükóz-izomeráz-aktivitással rendelkező katalizátoron glükózt és fruktózt tartalmazó oldattá történő átalakítása útján. Hasonló típusú eljárást a 3 148603, sz. német szövetségi köztársaságbeli nyilvánosságrahozatali iratban ismertettek. Az említett irodalmi helyen foglaltak szerint a szilícium-dioxid-alapú hordozón előállított ismert katalizátor glükóz-izomeráz-aktivitását jelentős mértékben növelik oly módon, hogy a glükóztartalmú oldatot reagáltatás előtt hordozó katalizátoron szilícium-dioxid vagy alumínium-szilikát formatestekkel hozzák érintkezésbe. Az eljárás hátránya, hogy bár a katalizátor élettartama ezzel a módszerrel növelhető, a katalizátornak az üzemeltetés megszakításával szemben mutatott érzékenysége nem csökkenthető és üzemszünet hatására a katalizátor aktivitása és élettartama erősen csökken.

Találmányunk célkitűzése az ismert glükóz-izomeráz aktivitással rendelkező szilícium-dioxid hordozó katalizátorok termelékenységének más módon történő javítása.

A „szilícium-dioxid-alapú hordozón előállított, glükóz-izomeráz-aktivitással rendelkező katalizátor”, illetve „szilícium-dioxid hordozóra felvitt, glükóz-izomeráz-aktivitással rendelkező ismert katalizátor” kifejezésen szilícium-dioxid alapú hordozóba (pl. porózus kovasavgél) bedolgozott (pl. együttes kicsapással) vagy arra felvitt (pl. az enzim abszorptív vagy kovalens megkötése vagy térhálósítása útján) glükóz-izomérázt tartalmazó katalizátorokat értünk. A fenti kifejezéseken előnyösen olyan katalizátorokat értünk, amelyek a glükóz-izomerázt porózus kovasavgélen adszorptív vagy kovalens kötéssel megkötve, vagy térhálósítással felvive tartalmazzák; adott esetben az enzimet a fenti megkötési eljárások kombinálásával is rögzíthetjük a hordozón. Előnyös katalizátorok pl. a 2726188 sz. német szövetségi köztársaságbeli kőzrebocsátási Hatból ismertek.

A találmány tárgyát cépező eljárás értelmében a termelékenységet oly módon fokozzuk, hogy a glükóztartalmú oldathoz legalább 30 ppm szilícium-dioxidnak megfelelő mennyiségben vízoldható alkálifém-szilikátot adunk.

A glükóz-tartalmú oldathoz bármely vízoldható alkálifém-szilikátot hozzáadhatunk. Ennek az adaléknak azt a követelményt kell kielégíteni, hogy megfelelő vízoldhatósággal rendelkezzék és a szilícium-dioxiddai a glükóz-oldatba bevitt idegen ionok az enzim-aktivitást ne befolyásolják. Amennyiben a kapott glükóz-fruktóz oldatot további felhasználása előtt különösképpen nem tisztítjuk (pl. ioncserével), úgy ügyelni kell arra, hogy a szihcium-dioxiddal bevitt idegen ionok a glükózfruktóz oldat későbbi felhasználását ne befolyásolják. Különösen előnyösnek bizonyultak az alkálifém-sziükátok.

A vízoldható alkálifém-szilikát hozzáadott mennyisége nem döntő jelentőségű tényező. A 3148603 sz. német szövetségi köztársaságbeli szabadalmi kőzrebocsátási iratban leírt eljárás termelékenység-növekedésének elérése céljából a hozzáadott szilícium-dioxid mennyiség legalább 30 ppm.

Előnyösen kb. 30—80 ppm szilicium-dioxidot adunk a glükóz-oldathoz.

Különösen egyszerűen és gazdaságosan járha-l tünk el oly módon, hogy vízüveg-oldatot— elónyö-i ₅ sen nátronvízüveg-oldatot — alkalmazunk.

A találmányunk szerinti eljárás segítségével á termelékenységet legalább olyan mértékben növeljük, mint a 3148603 számú német szövetségi köztársaságbeli kőzrebocsátási iratban ismertetett;

módszerrel. Meglepő módon azt találtuk, hogy amennyiben a szilícium-dioxid vagy alumíniumszilikát formatestekkel való előzetes érintkeztetés; helyett vízoldható alkálifém-szilikátot adunk a' rendszerhez, a katalizátor üzemszünet esetében mutatott stabilitását kedvezően befolyásoljuk. Azt találtuk ugyanis, hogy az ismert eljárások esetében (akár a 3148603 sz. német szövetségi köztársaságbeli kőzrebocsátási iratban leírt eljárás vagy más módszerek szerint) a katalizátor aktivitása üzem20 szünetkor (áramkiesés vagy más üzemzavar esetében) irreverzíbilis módon károsodik, hacsak külön nem gondoskodunk arról, hogy a katalizátort a lehető leggyorsabban szobahőmérsékletre lehűtsük. Bár áramkiesés esetében nem csupán a szivat25 tyúk állnak le, hanem a szubsztrátum melegítésére, szolgáló fűtés is, a katalizátor és azt körülvevő szubsztrátum-oldat hőkapacitása megakadályozza! a gyors lehűlést és ezért a katalizátor károsodik.j Az ilyen katalizátor-károsodások kiküszöbölése céljából például szükségáram aggregátorok segítségével üzemszünetkor hideg szubsztrátum-olda-i tót szivattyúznak a reaktoron keresztül az érzékeny katalizátor gyors lehűtése végett. A találmányunk szerinti eljárással a fenti biztonsági intézke35 déseket kiküszöböljük.

A találmányunk szerinti eljárást — különösen folyamatos üzemben — célszerűen oly módon végezhetjük el, hogy kb. 40—50 íömeg% szárazanyag-tartalmú vizes glükóz-oldathoz szilícium-di-j oxidot adunk, az oldatot a hordozóhoz kötött' glükóz-izonieráznak megfelelő, pl. 7 és 8,5 közötti, pH értékre állítjuk be és a hordozóhoz kötött glükóz-izomeráznak megfelelő, előnyösen kb. 55—65°C-os izomerációs hőmérsékletre melegít45 jük. Az ily módon előkészített glükóz-oldatot glükóz-izomeráz-aktivitással rendelkező, szilícium-dioxid-hordozóra felvitt katalizátorral töltött reaktorba szívatjuk. A reaktorból távozó glükóztfruktóz-oldat fruktóz-tartalmát folyamatosan vagy

5θ szabályos időközökben meghatározzuk (pl. polarinietriás analízissel vagy nagynyomású folyadékkromatográfiával). A térsebességet [térfogat/térfogatóra=glükóz-oldat térfogata katalizátor által igénybe vett reaktortérfogat/óra] oly módon állít₅₅ juk be, hogy az áthaladó oldat (szárazanyagra vonatkoztatva) pl. 42 tömeg% fruktóz-tartalom esetében pl. ±1 tömeg% ingadozási határokon belül állandó fruktóz-tartalommal rendelkezzék. Minthogy a katalizátor aktivitása az üzemelési θθ időtől és különösen az üzemelési hőmérséklettől függően állandóan károsodik, állandó izomerizá-) lási fok elérése céljából a térsebességet állandóan csökkenteni kell. Az izomerációs fok — százalék- > bán kifejezve — a kiindulási oldatban levő 100 ₆₅ glükóz-molekulából a reaktoron való átáramlás és ’ a katalizátorral való reagálás után a nyert glükóz-^;fruktóz-oldatban jelenlevő fruktóz-molekulák szái 'Ϊ

5λ'

f.

-2196240 'ηιάι jelenti. A glükóz-oldat készítéséhez felhasznált glükózt tisztaságától, illetve minőségétől fíig: gően a glükóz-fruktóz-oldat fent említett 42 tö• meg% fruktóz-tartalmának (szárazanyag) eléréséhez a katalizátort kb. 44—47% izomerizációs fokot biztosító térsebességgel kell átáramoltatni.

Amennyiben a hordozó-katalizátor készítése so: rán a glükóz-izomeráz-aktivitást Streptomyces al• bús glükóz-izomerázzal biztosítjuk, a glükóz-oldatot különösen előnyösen kb. 7,0-8,5 pH értékre állítjuk be és a glükóz-oldatot különösen előnyösen kb. 55 — 65 °C-ra melegítjük.

Streptomyces albus glükóz-izomeráz felhasználása esetén az izomerációt oly módon is elősegíthetjük, hogy a glükóz-oldathoz kobalt(II)- és mag; nézium(II)-ionokat adunk, kb. 0,1—2 ppm kobalt(II) és kb. 10 —200 ppm magnézium(II) 'mennyiségben. A kobalt(II)- és magnézium(II)ionokat célszerűen vízoldható sóik (pl. kloridok vagy szulfátok) alakjában alkalmazhatjuk.

Előnyösen járhatunk el továbbá oly módon, hogy a glükóz-oldathoz stabilizáló mennyiségben ; valamely antioxidánst adunk. így az oldathoz különösen előnyösen kén-dioxidot adhatunk, kb. •100—600 ppm mennyiségben, alkálifém-szulfit vagy alkálifém-hidrogén-szulfit alakjában.

A kapott glükóz-fruktóz-oldat végső felhasználása előtt a nemkívánatos ionos komponenseket (pl. ízrontó ionokat) a glükóz-fruktóz-oldatból kation- és anion-cserélőn előnyösen eltávolíthatjuk. Az oldatott adott esetben sziruppá bepárol‘hatjuk. A kereskedelmi forgalomban pl. Isosirup, .Isomerose vagy Isoglucose néven szerezhetők be ilyen szirupok.

Eljárásunk további részleteit az alábbi példákban ismertetjük anélkül, hogy találmányunkat a példákra korlátoznánk.

1. példa

Általános eljárás • Valamennyi példánál „szilícium-dioxid-alapú hordozón előállított, glükóz-izomeráz-aktivitással rendelkező katalizátor” gyanánt a 2726188 sz. német szövetségi kőztársaságbeli közrebocsátási irat szerint előállított katalizátort alkalmazunk. 5 g fenti katalizátort a reaktorba töltünk. A katalizátoron 60°C-ra melegített, az alábbiakban megadott összetételű glükóz-oldatot áramoltatunk keresztül. A térsebességet (a katalizátort tartalmazó reaktor-térfogatra vonatkoztatva) oly módon állítjuk be, hogy az izomerizációs fok a teljes üzemeltetési idő alatt állandóan 46,5% legyen. A kifolyó szubsztrátum-oldat izomerizációs fokát polarimetriásan mérjük. A katalizátor és az eljárás fontosabb paramétereit az alábbiakban ismertetjük.

Katalizátor

Hordozó SiO,

Aktivitás-felvétel 9000 E/g

Szemcsenagyság 0,1—0,2 mm

Rázatott tömeg (száraz) 0,45 kg/l

Gliikóz-oldat

Szubsztrátum

Ko-faktorok tömeg% glükóz vizes oldatban 120 ppm Mg(IÍ) ppm, Co(II) 200 ppm SO₂(Na₂SOj alakjában) pH-érték Szubsztrátum sűrűsége 1,2 kg/l

Eljárási körülmények Szubsztrátum bemeneti hőmérséklete Izomerizációs fok

Kezdeti térsebesség °C 46,5% 13,0 óraA glükóz-izorneráz-oldat aktivitásának meghatározása '

2Q A katalizátor készítéséhez felhasznált glükózizorneráz-oldat aktivitását Takasaki módszerével határozzuk meg (lásd: Y. Takasaki Ag. Bioi. Chem. Voí. 30, 12. sz., 1247-1253, 1966 és Z. Dische és E. Borertfreund: J.—Bioi. Chem. 192,

583, 1951). Aktivitás-egységen (E) az adott inkubációs körülmények között 1 mg fruktóz képzéséhez szükséges enzim-mennyiséget értjük.

Inkubációs körülmények:

Hőmérséklet ³⁰ Reakcióidő

Szubsztrátum °C lóra

0,1 móJ glükóz. HjO (Merck 8342) 0,05 mólos foszfát-pufferben, pH=8,0,0,0004 mól MgSOJelenlétében.

A katalizátor és a katalizátort felhasználó eljárás alapvető jellemzője az aktivitás-csökkenés felezési idején, valamint a kiindulási aktivitás 20%-ra való ⁴⁰ csökkenéséig (20%-os maradék aktivitás) eltelt üzemelési időn (20% = maradék aktivitás, a kezdeti aktivitásra=100% vonatkoztatva; ez az érték tekinthető a még gazdaságosan értékesíthető katalizátor aktivitás alsó határának) kívül a termelé⁴⁵ kenység. Termelékenységnek azt a szubsztrátummennyiséget tekintjük (kg szárazanyagban kifejezve), amely előre megadott izomerizációs fok mellett 1 kg katalizátor által a kiindulási aktivitás 20%-ra való csökkenéséig feldolgozható.

⁵⁰

1.1. példa

Találmányunk szerinti eljárás

E példa szerint a találmányunk tárgyát képező eljárás segítségével glükózt és fruktózt tartalmazó, 46,5% izomerizációs foknak megfelelő oldatot állítunk elő.

Az 1. példában megadott általános eljárás szerint a következőképpen járunk el.

g, az 1. példa szerint megadott, 9000 egység/g glükóz-izomcráz-aktivitású, szilicium-dioxid hordozó alapú katalizátort mérünk a reaktorba.

Az 1. példa szerinti, az alábbiakban megadott ₆5 összetételű, 7,5 pH értékű és 1,2 kg/liter szubsztrátumsűrüségű vizes glükóz-oldatot 60 °C-ra melegí-3tünk és nátronvízüveg-oldattal (50 ppm SiO₂) elegyítünk. A fenti oldat összetétele a következő:

Komponens

Glükóz

Ko-faktorok

Mg(ll)-ionok

Kobalt(II)-ionok

Kén-dioxid

Mennyiség 45 tömeg%

120 ppm 1 (vízoldható sók 1 ppm j alakjában)

200 ppm (nátrium-szulfit alakjában)

Az ily módon kapott oldatot 13,0 óra-' kezdeti térsebességgel szivattyúzzuk át a reaktoron. Az átfolyó szubsztrátum-oldat izomerizációs fokát polarimetriásan meghatározzuk és a reaktoron áthaladó oldat térsebességét a csökkenő katalizátoraktivitásnak megfelelően oly módon szabályozzuk, illetve mérsékeljük, hogy az izomerizációs fok a teljes üzemelési idő alatt állandóan 46,5% fruktóz legyen. A reaktoron addig szivattyúzunk át glükóz-oldatot, míg a katalizátor aktivitása a kiindulási aktivitás 20%-ára csökken. A felezési időt 1300 órás folyamatos üzemelés után érjük el, azaz ekkorra a katalizátor aktivitása a kiindulási crték felére csökken. Azt találtuk, hogy 3800 órás folyamatos üzemelés után a katalizátor aktivitása a kiindulási érték 20%-ára süllyed.

A 46,5 tömeg% fruktóz-tartalmú glükóz/fruktóz-keverék termelt összmennyisége 3800 üzemóra után 130 kg szárazanyag. Ennek megfelelően a katalizátor termelékenysége 3800 üzemóra után 26000 kg 46,5 tömeg% fruktóz-tartalmú szárazanyag/! kg katalizátor.

7.2. példa

A 3148603 sz. DÓS szerinti összehasonlító eljárás.

Az 1. példában ismertetett általános eljárást oly módon végezzük el, hogy a találmányunk szerinti, nátrium-szilíkít-adalékot tartalmazó glükóz-oldat alkalmazási helyett az oldatot a 3148 603 sz. német szövetségi köztársaságbeli közrebocsátási irat szerint a reaktorba történő betöltés előtt a reaktor elé kapcsolt eló-oszlopon át szívatjuk. Az eló-oszlopot 5 g, kereskedelmi forgalomban levő, golyóalakú, vízálló, porózus alumíniumszilikáttal töltjük meg [összetétel: kb. 97 tÖmeg% SiO₂ és 3 tömeg% A1₂O₃; szemcsenagyság: 1—2 mm; rázatott tömeg, száraz: 0,7 kg/1; KCT—WS típus, Káli—Chemie AG].

A kapott eredmények (felezési idő, üzemelési idő, termelékenység) az 1.1. példa szerintiekkel azonosak.

1.3. példa összehasonlító példa

Ez a példa az 1. példa szerinti általános eljárásnak felel meg, azaz a glükóz-oldat nem tartalmaz találmányunk szerinti szilícium-dioxid-adalékot és a glükóz-oldatot nem vezetjük át szilícium-dioxiddal vagy alumínium-szilikáttal töltött elő-oszlopon. Az alábbi eredményeket kapjuk:

Felezési idő A 20%-os maradékaktivitás eléréséig eltelt üzemelési idő

Termelékenység 1700 óra után

670 óra' ...... ' ι

1700 óra

500 kg szárazanyag,

46,5 tömeg% fruktóz/1 kg katalizátor

2. példa

Az üzemszünet előidézése céljából az 1.1., 1.2. és 1.3. példa szerinti eljárást azzal a változtatással végezzük cl, hogy 300 üzemóra után a glükóz-oldat átáramoltatását a reaktorhómérséklet megváltoztatása nélkül 3 órára megszakítjuk. Ez az alábbi következményekkel jár:

2.1. példa

Az 1.1. példához viszonyítva semmilyen változás nem következik be.

2.2. példa ;

Az áramoltatás újra megindítása után a katalizá-j 30 tor aktivitása 81% -ról 64%-ra csökken (a kiindulá-i si aktivitásra vonatkoztatva), ami 21%-os relatív! aktivitás-veszteségnek felel meg. A többi adatot az alábbiakban ismertetjük:

Felezési idő

A 20% -os maradékaktivitás eléréséig eltelt üzemelési idő

Termelékenység 40 2900 óra után

800 óra

2900 óra

200 kg szárazanyag; I

46,5 tömeg% fruktóz/1 kg katalizátor

2.3. példa

Az átáramoltatás újramegindítása után a katalizátor aktivitása 75%-ról 59%-ra csökken (kiindulási aktivitásra vonatkoztatva) és ez ugyancsak

5Q 21%-os relatív aktivitás-veszteségnek felel meg. A további adatokat az alábbiakban ismertetjük:

Felezési idő A 20% -os maradék55 aktivitás eléréséig eltelt üzemelési idő Termelékenység 1300 óra után

480 óra

1300 óra

9600 kg szárazanyag;

46,5 tömeg% fruktóz/1 kg katalizátor

Ezek a példák azt mutatják, hogy a találmányunk szerinti eljárás segítségével a termelékeny-; ség ugyanolyan kedvezően növelhető, mint a

3148 603 sz. német szövetségi köztársaságbeli közrebocsátási iratban ismertetett módszerrel, ugyanakkor azonban találmányunk tárgyát képező eljá-4* rás alkalmazása során az üzemeltetés megszakításakor a katalizátor aktivitása még a reaktorhőmérséklet állandó értéken tartásakor sem károsodik.

A példák bemutatása céljából a mellékelt diagramokon az aktivitás csökkenését (I. ábra), valamint a termelékenység alakulását (2. és 3. ábra) 'ábrázoljuk, minden cselben az üzemelési idő függvényében. Mindegyik diagram abeisszáján az 'üzemelési időt (órában) tüntetjük fel. Az l. ábra koordinátáján az aktivitást (%-ban), míg a 2. cs 3. ábra koordinátáján a termelékenységet [tonna szárazanyagig katalizátor] ábrázoljuk. A mérési eredményeket az egyes görbéken a következőképpen tüntetjük fel:

1.1., 1.2. és 2.1 példa

1.3. példa „x_x”

2.2. példa ---.”

2.3. példa „x---x

Claims

1. Javított eljárás izoglükóz elóállítására glükóztartalmú oldatnak szilícium-dioxid-alapú hordozón előállított, glükóz-izomeráz-aktivitássai ren- 25 delkezó katalizátoron glükózt és fruktózt tartalmazó oldattá történő átalakításával, azzal jellemezve, hogy a glükóz-oldathoz a katalizátoron történő átalakítás előtt legalább 30 ppm sziliéi um-dioxidnak megfelelő mennyiségben vízoldható alkálifém-szilikátot adunk.

2. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a glükóz-oldathoz 30—80 ppmszilícium-dioxidnak megfelelő mennyiségű vízoldható alkálifém-szilikátot adunk.

3. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jelle196240 2 mezve, hogy a glükóz-oldathoz vízoldható alkáíifém-szilikátkcnt vízüveget adunk.

4. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy 40—50 tömeg% glükóz-szárazanyag5 tartalmú glükóz-oldatot alkalmazunk.

5. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy 7—8,5 pH-értékú glükóz-oldatot alkalmazunk.

6. Az I. igénypont szerinti eljárás, azzal jelle10 mezve, hogy 55—65 °C hőmérsékletű glükóz-oldatot alkalmazunk.

7. Az I. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy kobalt(ll)-ionokat tartalmazó glükózoldatot alkalmazunk.

15

8. A 7. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy 0,1—2 ppm mennyiségű kobalt(II)-ionokat tartalmazó glükóz-oldatot alkalmazunk.

9. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy uiugnézium(ll)-ionokat tartalmazó

20 glükóz-oldatot alkalmazunk.

10. A 9. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a magnézium (

11 )-ionokat 10— 200 ppm mennyiségben tartalmazó glükóz-oldatot alkalmazunk.

ti. Az 1. igénypont szerinfi eljárás, azzal jellemezve, hogy antioxidánsként kén-dioxidot — előnyösen alkálifém-szulfit vagy -biszulfit alakjában — tartalmazó glükóz-oldatot alkalmazunk.

12. A 11. igénypont .szerinti eljárás, azzal jelle· 30 mezve, hogy 100— 600 ppm kén-dioxidot tartalmazó glükózoklalot alkalmazunk.

13. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy Streptomyces albus glükóz-izomeráz felhasználásával előállított katalizátort alkalma35 zunk; és 7—8,5 pH-értékú, valamint 55—65°C hőmérsékletű glükóz-oldatot alkalmazunk.