Способ получения кристаллической фруктозы и раствора глюкозы

 

Изобретение относится к микробиологической промышленности и может быть использовано для получения фруктозы и глюкозы в пищевой промышленности и медицине. Цель изобретения - повышение выхода чистых глюкозы и фруктозы и упрощение процесса. Способ заключается в следующем. Инвертный сироп, полученный в результате гидролиза сырья, 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 осуществляют концентрирование полученных фруктозных сиропов и кристаллизацию фруктозы. 2 ил., 3 табл.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ.

СОЦИАЛ ИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) SU (1и (50 4 С 13 К 11/00

ОПИСАНИЕ HSOEPETEHHR

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГННТ СССР (21) 4189789/30-13 (22) 27.11.86 (46) 15,09.89. Бюл. У 34 (7l) Всесоюзный научно-исследова:тельский институт биотехнологии, Институт физической химии АН СССР, Таллинский политехнический институт и Краснодарский химический комбинат (72) lO.Е.Купцевич, О.Н.Соседов,.

И.Д.Стальная, В.В.Александрович, Л,А.Нахапетян, В.Я.Филимонав, А.Я.Пронин, О.Г.Ларионов, Э.А,Кравченко, К,А.Сорокопуд, В.А.Зверев, В.А,Бухтояров, А.И.Кестнер и Э.X.Сиймер. (53) 664.1 (088.8) (56) Патент США 1Ф 3692582, кл. С 13 К ll/О, 1972.

Ананичев А.В. и др, Получение кристаллической фруктозы из глюкозно-фруктоэного сиропа. — Прикладная

: биохимия и микробиология. Т. XXI

1985, 9 2, с. 260

Изобретение относится к микробиологической промышленности и может быть использовано для получения кристалли1еской фруктозы и раствора глюкозы в качестве химических реактивов в пищевой и медицинской промьппленности.

Цель изобретения — повышение выхода чистых фруктозы и глюкозы и упрощение процесса °

Способ осуществляют следующим образом.

2 (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКОИ ФРУКТОЗЫ И РАСТВОРА ГЛЮКОЗЫ (57) Иэобретение относится к микробиологической промышленности и может быть использовано для получения фруктозы и глюкозы в пищевой промьппленности и медицине. Цель изобретения повышение выхода чистых глюкозы и фрутозы и упрощение процесса. Способ заключается в следующем, Инвертный сироп, полученный в результате гидролиэа сырья, подвергают хроматографическому разделению на глюкозу и фруктозу в колонке, заполненной сульфокатионитом в кальциевой форме. При этом используют сульфокатионит, содержащий 5-407. водородной формы с размером зерен 0,10-0,35 мм и со степенью сшивки дивинилбензолом 3,510,0Х. Затем осуществляют концентрирование полученных фруктозных сиропов и кристаллизацию фруктозы. 2 ил., 3 табл.

Проводят гидролиз сырья. В качестве исходного сырья для получения. инвертного сиропа используют сахарозу; которую подвергают кислотному ги1 ролизу. Далее проводят хроматографическое разделение инвертного сиропа аЬ на глюкозу и фруктоэу на катионообмен- Й нике в кальциевой форме. При хромйтографическом разделении инвертного сиропа используют сульфокатионит, содержащий 5-40Х водородной формы

;остальная часть сульфокатнонита на3 1507799 ходится 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 объемная нагрузка по инвертному сиропу составляет 1-15Х 10 от объема колонны, Температура проо цесса может быть 10-60 С, скорость подвижной фазы воды 0 1-1,0 см/мин.

Затем осуществляют концентрирование полученных фруктозных растворов и 15 кристаллизацию фруктозы из водной фазы.

Наличие водородной формы в катионите в кальциевой форме благоприятно сказывается на выходе чистых сахаров, 20 поскольку ускоряет процесс разделения за счет сужения пиков разделяемых веществ, особенно фруктозы. Содержание водородной формы выше 40 приводит к недостатку катионов кальция для связывания фруктозы и глюкозы, вследствие чего резко падает выход чистых сахаров. Кроме того, наличие водородной формы позволяет испольэовать для разделения инверт- 30 ные сиропы, содержащие примеси сахарозы, поскольку водородная форма создает кислое рН в слое смолы и небольшие количества сахарозы быстро гидролизуются в колонне с образованием З5 глюкозы и фруктозы, Чем меньше размеры зерен катионита, тем выше эффективность процесса разделения (возрастают выходы чистых сахаров), Это объясняется ускорением 40 диффузии сахаров внутрь зерен. Однако при уменьшении размеров зерен растет гидродинамическое сопротивление слоя смолы потоку жидкости, что существенно сказывается на работе 45 хроматографических колонн большого размера (например 400»40 см). Для преодоления гидродинамического сопротивления смолы приходится применять повышенные давления, ITo удорожает 50 процесс разделения. При использовании зерен с размерами до 0,10 мм гидро-. динамическое сопротивление не столь велико и это позволяет подавать растворы в колонну самотеком, без применения насосов высокого давления, При большом отклонении размерев зерен от среднего (больше «+ 20 ) ухудшается упаковка зерен в слое, это приводит

11 к появлению каналов" в слое смолы, следовательно, часть смолы перестает работать и эффективность процесса разделения падает, Зависимость выхода чистых глюкозы и фруктозы от степени.сшивки смолы следующая: уменьшение степени сшивки катионита приводит к увеличению выхода чистых сахаров. Однако уменьшение степени сшивки смолы ниже 3,5 дивинилбенэола резко снижает механическую прочность зерен катионита и они быстро разрушаются за 10-12 циклов разделения. Таким образом, оптимальнбй является степень сшивки

3,5-10Х так как степень сшивки выше

10% затрудняет диффузию сахаров внутрь зерен смолы, что приводит к размываННК1 пиков сахаров и заметному cHHKp нию выхода.

Использование инвертного сиропа с концентрацией 35-55 . позволяет про-. водить процесс разделения фруктозы и глюкозы с достаточной эффективностью, поскольку с увеличением концентрации разделяемой смеси выход чистых сахаров уменьшается в допустимых пределах (в среднем с 70 до 57X).

Меньшая концентрация разделяемой смеси(: (30 ) несколько увеличивает выход чистых сахаров (до 72-74 ), но при этом падает концентрация чистых веществ в элюатах. Большая концентрация разделяемой смеси (60 ) заметно снижает выход чистых веществ, но не увеличивает концентрации чистых сахаров в элюатах по сравнению с. тем циклом разделения, rpe используется концентрация разделяемого инвертного сиропа 55 .

Объемная нагрузка по инвертному сиропу 1-15Х обеспечивает эффективI ное проведение..процесса разделения.

Несмотря на то, что выход чистых сахаров с увеличением нагрузки заметно падает, в укаэанных пределах 1-15Х производительность колонны достаточно высока, поскольку с увеличением объемной нагрузки резко возрастает концентрация растворов чистой глюкозы и фруктозы, Температура процесса раз)вселения фруктозы и глюкозы оказывает двоякое влияние на конечный результат, С одной стороны, увеличение температуры ускоряет диффузию сахаров внутрь зерен смолы, с другой стороны, уве1507799

6 личение температуры должно снижать эффективность разделения, поскольку известно, что разделение глюкозы и фруктозы на катионитах в кальциевой форме основано на разности в прочности .комплексов этих сахаров с кальцием, а увеличение температуры снижает прочность комплексов. Так как последний фактор действует сильнее, 10 чем выход чистых веществ с увеличением температуры постепеннно уменьо шается, начиная с 20 С увеличение о температуры выше 60 С приводит к разрушению фруктозы. При температурах ниже 20 С большее влияние оказывает первый фактор: скорость диффузии насталько мала, что увеличение прочности комплексов не компенсирует отрицательного воздействия на эффектив- 20 ность разделения, а выход чистых сахаров также постепенно снижается.

Некоторое падение выходов чистых сахаров с увеличением температуры о вплоть до 60 С компенсируется сокра- 25 щением времени полного элюирования сахаров из колонны, так как с ростом температуры пики разделяемых веществ сужаются. Таким образом, процесс разделения фруктозы л глюкозы можно про- 30 водить при любой температуре в диапазоне 10-. 60 С.

Оптимальный диапазон скоростей .элюирования 0,1-1,0 см/мин. Скорость злюирования ниже 0,1 см/мин резко снижает эффективность разделения из35 .за большого увеличения длительности процесса и небольшого падения выходов чистых сахаров . Скорость элюирования выше 1,0 см/мин приводит к 40 сильному размыванию пиков веществ, что также вызывает значительное уменьо шение выходов чистых сахаров.

Пример 1, Для получения

Ф смеси глюкозы и фруктозы берут саха- 45 розу, которую подвергают кислотному гидролизу.

Глюкозно-фруктозную смесь с концентрацией 45 вводят в колонну размером 400 40 см, заполненную катионитом КУ-2 6 в кальциевой форме, со-. держащей 20Х водородной формы, с размером частиц 0,30 мм с отклонением размеров зерен от среднего не более

+ 167, Объемная нагрузка 7%, скорость элюирования 0 5 см/мин, температура о процесса разделения 35 С. По окончании разделения получают три фракции. первая — чистая глюкоза, вторая смесь глюкозы и фруктозы, третья чистая фруктоза, Смесь глюкозы и фруктозы возвращают на стадию приготовления инвертного сиропа. Средняя концентрация фракции чистой фруктозы составляет 97. Полученный разбавленный раствор фруктозы концентрируют в вакуумном выпарном аппарате с падающей пленкой в смеси с активированным углем до концентрации 897, Горячий сироп фруктозы фильтруют, отделяют активированный уголь и направляют на кристаллизацию. Кристаллизацию проводят в кристаллизаторе периодического действия объемом 5 л.

Для этого полученный фруктозный сироп с концентрацией 897 нагревают до о

65 С, а затем медленно охлаждают до о

30 C со скоростью снижения температуры 0,65 град/ч, причем затравочные кристаллы фруктозы в количестве 25 r. (0,5%) вносят при 54 .С. По окончанйи кристаллизации кристаллы фруктозы отделяют с помощью центробежного сепаратора. Кристаллы промывают небольшим количеством холодной воды с о температурой 4-5 С в расчета 1 мл на 50 г фруктозы и сушат. Млечные растворы возвращают на стадию кристаллизации, объединяя их со следующей порцией фруктозного сиропа.

Выход кристаллов фруктозы от фруктозного сиропа составляет 62Х.

Таким образом, общий выход фруктозы за один цикл составляет 42Х, а глюко зы — 667 .

Одновременно осуществляют процесс по известному способу.

Глюкозный сироп, полученный из картофельного крахмала -путем кислоФно-ферментативного гидролиза с содержанием 947. глюкозы и 6Х олигосахаридов и имеющий концентрацию 72Х, подвергают конверсии в смесь глвкозй и фруктозы с помощью иммобилизоваМной глюкозоизомеразы. Степень конверсии 427.

Полученную смесь глюкозы и фрукто» зы, содержащую 42Х фруктозы, .32Х глюкозы и 6Х олигосахаридов, подвергают хроматографическому разделению на катионите КУ-2 2 в кальциевой форме. В колонку размером 90 2,3 см, заполненную смолой КУ 2 2 со средним зернением 0,4 мм, вводят 50 мл глюкозофруктозного сиропа (объемная на 1507799 груэка 10Х и при 40 С элюируют водой со скоростью 0,1 см/мин.

Фракции, содержащие олигосахариды, отбрасывают, фракции, содержащие глюкозу и фруктоэу, снова изомеризуют и подвергают хроматографическому разделению, а фракции, содержащие только фруктозу, объединяют, промывают в делительиой воронке с хлороформом. После отделения хлороформа водную фазу раствора фруктозы.встряхивают со смолой Амберлит IPA-400 в

0Н-форме и после фильтрации упаривают о на роторном испарителе при 40 С под 15 вакуумом до сиропообразного состояния, затем добавляют 5 мл глицерина.

Полученный сироп растворяют в 150 мл смеси спирта с водой (7:3) и упарива" ют в тех же условиях до постоянного 20 веса ° Приливают 150 мл абсолютного спирта и осторожно упаривают в тех же условиях до помутнения. Добавляют кристаллик фруктозы для затравки и оставляют на 8 ч в холодильнике. Об" 25 разовавшиеся кристаллы отфильтровывают, дважды перекристаллизовывают, промывают 100 мл абсолютного спирта и высушивают в вакуум-эксикаторе с хлористым кальцием. 30

На стадии хроматографии выход фруктозы состаляет 50Х, а общий выход фруктозы составляет 69,8Х за два цикла, причем в расчете на исходную глюкозу-. Поскольку в полученной из исходной глюкозы после конверсии смеси содержится 42Х фруктозы, то в расчете на фруктоэу общий выход конечного продукта составляет 29,3%.

Таким образом, сравнивая способы получения фруктозы и глюкозы согласно предлагаемому и известному способам, можно составить две принципиальные технологические схемы, характеризующие оба процесса. На фиг.1 и 2 представлены технологические схемы осуществления процесса по предлагаемому и известном способам соответственно.

Схемы 1 и 2 наглядно иллюстрируют достигнутое упрощение технологического процесса получения кристалличес50 кой фруктозы и раствора глюкозы по предлагаемому спосооу по сравнению с известным.

11 р и м e P 2. Способ осуществляют аналогично примеру 1, но для процесса хроматографического разделения инвертного сиропа используют сульфокатионит КУ-2)cб с различным содержанием водородной формы. Пять проб инвертного сиропа одного качества пропускают через колонны, 400 40 см, заполненные катионитом, Ф содержащим 2; 5; 20; 40 и 45Х Н -форMbI, Определяют выход глюкозы и фруктозы.

В табл.1 даны качественные показатели процесса разделения.

Как видно из данных табл,!, наличие водородной формы в катионите в кальциевой форме благоприятно сказывается на выходе чистых сахаров, поскольку ускоряет процесс разделения за счет сужения пиков разделяемых углеводов, особенно глюкозы. Содержание Н-формы выше 40Х приводит к недостатку катионов кальция для связывания фруктозы и глюкозы, вследствие чего резко падает выход чис-, тых сахаров. Кроме того, начилие

Н-формы позволяет использовать для .. разделения инвертные сиропы, .содержа. щие примеси сахарозы, поскольку водо. родная форма создает кислое рН в слое смолы и небольшие количества сахарозы быстро гидролизуются в колонне с образованием глюкозы и фруктозы.

Пример 3. Способ осуществляют аналогично примеру 1, но для процесса хроматографического разделения используют сульфокатионит с различными размерами зерен: 0,08; 0,10;

0,20; 0,35; 0,45 и 0,25 мм. Для этого шесть проб инвертного сиропа пропускают через колонны, заполненные различного эернения сульфокатионитом, и определяют выход глюкозы и фруктозы.

В табл.2 показаны результаты влия-, ния размеров зерен катионита на процесс разделения.

Иэ табл.2 видно, что чем меньше размеры зерен катиоиита, тем выше эффективность процесса разделения.

Однако при гранулометрическом составе смолы ниже 0,10 мм на больших колоннах (400x40 см) возникают значи" тельные гидродинамические сопротивле- . ния. Кроме того, фракции смолы КУ2 2 содержат более 80Х зерен, имеющих размер 0,20-0,35 мм и, следовательно, рассев зерен с меньшим диаметром приводит к удорожанию стоимости

15077о9

В табл.320формулаиэобрет ения ния сшивки катионита на выход сахаров °.Степень сшивки

Размер зерен катиониОтклонени

Содержание

Н-формы, X размеров зерен от среднего, X дивинил.бензолом

% та, мм

6,0

0,20

220

5

57 54

62 62

65 62

60 58

48 45 смолы. Частиц с размерами 0,08

0,10 мм содержится всего 2-4%.

При большом отклонении размеров зерен от среднего (больше + 20%) ухуд- шается упаковка зерен в слое и эффективность процесса разделения падает.

Пример 4. Способ осуществляют аналогично примеру 1 но для хроматографического разделения инвертного 1О сиропа применяют сульфокатионит со степенью сшивки дивинилбензолом 2,0;

3,5; 6,0; 10,0 и 12,0%.

Прочие условия хроматографического разделения следующие: температу- 15 ра 35 С, скорость элюирования 0,5 см/мин, объемная нагрузка 7%, концентрационная нагрузка 45%.

П р и м е ч а н и е. Смола КУ-2 со степенью сшивки ниже 3 5% механи- 25 чески непрочна и быстро разрушается.

Иэ табл.3 следует, что уменьшение степени сшивки катионита приводит к увеличению выхода чистых сахаров.

Однако уменьшение степени сшивки смо- .30 лы дивинилбензолом ниже 3,5% резко снижает механическую прочность зерен катионита и они быстро разрушаются— за 10-12 циклов разделения, Таким образом, оптимальной является степень 35 сшивки 3 5-10% так как степень сшив ки выше 10% затрудняет диффузию сахаров внутрь зерен смолы.

Концентрирование фруктозных растворов и кристаллизация из водкой фазы проводятся в известных условиях.

Чистота получаемой фруктозы составляет 99,9%.

Предчагаемый способ получения кристаллической фруктозы и раствора глюкозы по сравнению с известным упрощает процесс за счет повышения эф.фективности хроматографического ..разделения глюкозы и фруктозы и исключе ния стадий. рециклинга, а также эа счет сырья, не требующего после гидролиза проведения изомеризации, позволяет..повысить выход конечных продуктов. глюкозы — до 66%, а кристаллической фруктозы — на 12,7Х.

Способ получения кристаллической фруктозы и раствора глюкозы, включающий гидролиз сырья, хроматографическое разделение инвертного сиропа на фруктозу и глюкозу на катионнообменнике в кальциевой форме, сшитом дивинилбенэолом, концентрирование фруктозного сиропа и кристаллизацию фруктозы, отличающийся тем, 1то, с целью повышения выхода чистых фруктозы и глюкозы и упрощения процесса, в качестве катионообменника используют сульфокатионит, содержащий 5-40% ионов водорода, при этом размер зерен катионита равен

0,10-0,35 мм, а степень сшивки диви-! нилбенэолом составляет 3,5-10,0Х.

1507799

Таблица 2

Выход, %

Степень сшивки

Размер

Содержание

Н-формы, % зерен катио-

Фр уктоза

Глюкоза нита, мм

0,08 +10

0,10 +10

0,20 .+20

0,35 +16

0,40 20

0,25 30

Та блица 3

Размер зерен

КатиоСодержание

Н-формы, %

Выход, %

Степень сшивки нита, мм

20 ррдьтдзь фиг. 7 див инил бензолом, %

6.,0

6,0 .6,0

6,0

6,0

6,0 дивинилбензолом, %

2i0

3,5

6,0

10,0

12,0

0;20

0,20

0,20

0,20

0,20

Отклонение размеров зерен от среднего, %

Отклонение размеров зерен от. среднего, % 20 20

+20

80 80

73, 70

65 61

50 46

32 28

33 30

Глюко- Фрукза тоза

70 60

70 66

65 61

60 53

48 45

1507799

Составитель A.Ãàâðèëîâ

Редактор М.Петрова Техред М .Моргентал Корректор С.Черни

Подписное

Заказ 5518/30 Тираж 311

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГИ

ГЫТ СССР

113035, Москва, Ж-35, .Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г.ужгород, ул. Гагар !! !!

Г ина 101