Способ получения кристаллической фруктозы и раствора глюкозы — SU 1507799 (original) (raw)

(192 1112 12 С 13 0 ГОСУДАРСТВЕННЫЙПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ ИПРИ ГКНТ СССР ОМИТЕТ ТНРЫТИЯ Г, е 711 сгЦОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНмышленности и мож логическои прбыть использоталли 4 еской ано для получения крисруктоэы и растворастве химических реактии медицинской промьппкозы в кач ов в пище ленно Цет ь изобретения -чистых фруктоэщение процессасоб осуществляю ышение 1 и глюкозы выход и упр ледующим п образом,ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ 1(71) Всесоюзный научно-исследовательский институт биотехнологии,Институт физической химии АН СССР,Таллинский политехнический институти Краснодарский химический комбинат(56) Патент США 1 Ф 3692582,кл. С 13 К 11/О, 1972.Ананичев А.В. и др, Получениекристаллической фруктозы из глюкозно-фруктозного сиропа, - Прикладная: биохимия и микробиология. Т. ХХ 1,1985, Р 2, с. 260 бретение относится к микробио(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКОИ ФРУКТОЗЫ И РАСТВОРА ГЛЮКОЗЫ(57) Иэобретение относится к микробиологической промышленности и можетбыть использовано для получения фруктозы и глюкозы в пищевой промьппленности и медицине. Цель изобретенияповьппение выхода чистых глюкозы ифрутозы и упрощение процесса. Способзаключается в следующем, Инвертныйсироп, полученный в результате гидролиза сырья, подвергают хроматографическому разделению на глюкозу и фруктозу в колонке, заполненной сульфокатионитом в кальциевой Форме, Приэтом используют сульфокатионит, содержащий 5-407. водородной формы сразмером зерен 0,10-0,35 мм и со степенью сшивки дивинилбензолом 3,510,07. Затем осуществляют концентрирование полученных фруктозных сиропови кристаллизацию фруктозы. 2 ил.,3 табл. Проводят гидролиз сырья. В качестве исходного сырья для получения. инвертного сиропа используют сахарозу; которуюподвергают кислотному гиДролизу. Далее проводят хроматограФическое разделение инвертного сиропа на глюкозу и фруктоэу на катионообмен нике в кальциевой форме. При хромаФтографическом разделении инвертного сиропа используют сульфокатионит, содержащий 5-407 водородной формы ;остальная часть сульфокатнонита на 3 1507799ходится в кальциевой форме, с размером зерен 0,10-0,35 мм и со степенью сшивки дивинилбензолом 3,510%,5Целесообразно при хроматографическом разделении в колонне использоватьинертный сироп с концентрацией 3555%, причем объемная нагрузка поинвертному сиропу составляет 1-15% 1 Оот объема колонны, Температура прооцесса может быть 10-60 С, скоростьподвижной фазы воды 0,1-1,0 см/мин.Затем осуществляют концентрированиеполученных Фруктозных растворов и 15кристаллизацию Фруктозы из воднойфазы.Наличие водородной формы в катионите в кальциевой форме благоприятносказывается на выходечистых сахаров, 20поскольку ускоряет процесс разделения за счет сужения пиков разделяемых веществ, особенно фруктозы. Содержание водородной формы вьппе 40%приводит к недостатку катионов кальция для связывания фруктозы и глюкозы, вследствие чего резко падает выход чистых сахаров. Кроме того, наличие водородной формы позволяетиспольэовать для разделения инвертные сиропы, содержащие примеси сахарозы, поскольку водородная форма создает кислое рН в слое смолы и небольшие количества сахарозы быстро гидролизуются в колонне с образованием З 5глюкозы и фруктозы,Чем меньше размеры зерен катионита,тем вьппе эффективность процесса разделения (возрастают выходы чистыхсахаров), Это объясняется ускорением 40диффузии сахаров внутрь зерен. Однако при уменьшении размеров зеренрастет гидродинамическое сопротивление слоя смолы потоку жидкости, чтосущественно сказывается на работе 45хроматографических колонн большогоразмера (например 40040 см), Дляпреодоления гидродинамического сопротивления смолы приходится применятьповьппенные давления, что удорожает 50процесс разделения. При использованиизерен с размерами до 0,10 мм гидродинамическое сопротивление не стольвелико и это позволяет подавать растворы в колонну самотеком, без применения насосов высокого давления, Прибольшом отклонении размерев зеренот среднего (больше + 20%) ухудшаетсяупаковка зерен в слое, это приводит 411к появлению каналов" в слое смолы,следовательно, часть смолы перестаетработать и эффективность процессаразделения падает,Зависимость выхода чистых глюкозыи Фруктозы от степени.сшивки смолыследующая: уменьшение степени сшивкикатионита приводит к увеличению выхода чистых сахаров. Однако уменьшение степени сшивки смолы ниже 3,5%дивинилбенэола резко снижает механическую прочность зерен катионитаи они быстро разрушаются за 10-12циклов разделения. Таким образом,оптимальнбй является степень сшивки3,5-10%, так как степень сшивки вьппе10% затрудняет диффузию сахаров внутрьзерен смолы, что приводит к размыванию пиков сахаров и заметному снижению выхода.Использование инвертного сиропас концентрацией 35-55% позволяет про-,водить процесс разделения фруктозыи глюкозы с достаточной эффективностью, поскольку с увеличением концентрации разделяемой смеси выходчистых сахаров уменьшается в допустимых пределах (в среднем с 70 до 57%).Меньшая концентрация разделяемойсмесите (30%) несколько увеличиваетвыход чистых сахаров (до 72-74%), нопри этом падает концентрация чистыхвеществ в элюатах, Большая концентрация разделяемой смеси (60%) заметноснижает выход чистых веществ, но неувеличивает концентрации чистых сахаров в элюатах по сравнению с. темциклом разделения, гпе используетсяконцентрация разделяемого инвертногосиропа 557,.Объемная нагрузка по инвертномусиропу 1-15% обеспечивает эффективное проведениепроцесса разделения.Несмотря на то, что выход чистых сахаров с увеличением нагрузки заметнопадает, в укаэанных пределах1-15%производительность колонны достаточно высока, поскольку с увеличениемобъемной нагрузки резко возрастаетконцентрация растворов чистой глюкозыи 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, уве15077996личение температуры должно снижатьэффективность разделения, посколькуизвестно, что разделение глюкозы ифруктозы на катионитах в кальциевойформе основано на разности в прочности .комплексов этих сахаров с кальцием, а увеличение температуры снижает прочность комплексов. Так какпоследний фактор действует сильнее, 10чем выход чистых веществ с увеличением температуры постепеннно уменьошается, начиная с 20 С увеличениеотемпературы выше 60 С приводит к разрушению фруктозы. При температурахниже 20 С большее влияние оказываетпервый фактор: скорость диффузии насталько мала, что увеличение прочности комплексов не компенсирует отрицательного воздействия на эффективность разделения, а выход чистыхсахаров также постепенно снижается.Некоторое падение выходов чистыхсахаров с увеличением температурыовплоть до 60 С компенсируется сокращением времени полного элюированиясахаров из колонны, так как с ростомтемпературы пики разделяемых веществсужаются. Таким образом, процесс разделения фруктозы н глюкозы можно проводить при любой температуре в диапазоне 10-, 60 С,Оптимальный диапазон скоростей.элюирования 0,1-1,0 см/мин, Скоростьэлюирования ниже 0,1 см/мин резкоснижает эффективность разделения из 35.за большого увеличения длительностипроцесса и небольшого падения выходов чистых сахаров. Скорость элюирования выше 1,0 см/мин приводит к 40сильному размыванию пиков веществ,что также вызывает значительное уменьошение выходов чистых сахаров.П р и м е р 1, Для полученияФсмеси глюкозы и фруктозы берут сахароэу, которую подвергают кислотномугидролизу. Глюкозно-фруктозную смесь с концентрацией 45% вводят в колонну размером 40040 см, заполненную катионитом КУиб в кальциевой форме, содержащей 207 водородной формы, с размером частиц 0,30 мм с отклонением размеров зерен от среднего не более + 16%, Объемная нагрузка 7%, скорость элюирования 0,5 см/мин, температураопроцесса разделения 35 С. По окончании разделения получают три фракции: первая - чистая глюкоза, втораясмесь глюкозы и фруктозы, третьячистая фруктозы, Смесь глюкозы и фруктозы возвращают на стадию приготовления инвертного сиропа. Средняя концентрация фракции чистой фруктозысоставляет 97. Полученный разбавленный раствор фруктозы концентрируют ввакуумном выпарном аппарате с падающей пленкой в смеси с активированнымуглем 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 доо65 С, а затем медленно охлаждают доо30 С со скоростью снижения температуры 0,65 град/ч, причем затравочные кристаллы фруктозы в количестве 25 г (0,5%) вносят при 54 .С. По окончанйи кристаллизации кристаллы фруктозы отделяют с помощью центробежного сепаратора, Кристаллы промывают небольшим количеством холодной воды сотемпературой 4-5 С в расчета 1 млна 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 62%, Таким образом, общий выход фруктозы за один цикл составляет 42%, а глюкозы - 66%.Одновременно осуществляют процесс по известному способу.Глюкозный сироп, полученный из картофельного крахмала путем кислот- но-ферментативного гидролиза с содержанием 947. глюкозы и 6% олигосахаридов и имеющий концентрацию 72%, подвергают конверсии в смесь глвкозй и фруктозы с помощью иммобилизоваМ- ной глюкозоизомеразы. Степень кон" версии 42%.Полученную смесь глюкозы и фрукто, зы, содержащую 42% фруктозы, .52% глюкозы и 6% олигосахаридов, подвергают хроматографическому разделению на катионите КУв кальциевой форме. В колонку размером 902,5 см, заполненную смолой КУ 22 со средним зернением 0,4 мм, вводят 50 мл глюкозофруктозного сиропа (объемная на 1507799груэка 107 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 1 РАв ОН-форме и после Фильтрации упариваюто 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 весаПриливают 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. 30На стадии хроматографии выход фруктозы состаляет 507, а общий выход фруктозы составляет 69,83 за два цикла, причем в расчете на исходную глюкозу. Поскольку в полученной из исходной глюкозы после конверсии смеси содержится 427 фруктозы, то в расчете на фруктоэу общий выход конечного продукта составляет 29,3 Е,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 кристалличес 50 кой фруктозы и раствора глюкозы по предлагаемому спосооу по сравнению с известным.П р и м е р 2. Способ осуществляют аналогично примеру 1, но для процесса хроматографического разделения инвертного сиропа используют сульфокатионит КУХ б с различным содержанием водородной формы. Пятьпроб инвертного сиропа одного качества пропускают через колонны,400 м 40 см, заполненные катионитом,содержащим 2; 5; 20; 40 и 453 Н -формы, 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 403 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 дляразделения 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.П р и м е р 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 (400 х 40 см) возникают значи" тельные гидродинамические сопротивле- .ния, Кроме того, фракции смолы КУ содержат более 807. зерен, имеющих размер 0,20-0,35 мм и, следовательно, рассев зерен с меньшим диаметром приводит к удорожанию стоимости10 15077 о 9 В табл.З представлены данные влия Ф о р м у л а и э о б р е т е н и яния сшивки катионита на выход сахаров.Степень сшивки РазмерзеренкатиониОтклонени СодержаниеН-формы, Х размеров зерен от среднего,% та, мм 6,0 0,20 120 2 5 20 40 45 57 54 62 62 65 62 60 58 48 45 смолы. Частиц с размерами 0,080,10 мм содержится всего 2-4%,При большом отклонении размеровзерен от среднего (больше + 20%) ухудшается упаковка зерен в слое и эффективность процесса разделения падает,П р и м е р 4. Способ осуществляютаналогично примеру 1, но для хроматографического разделения инвертного 1 Осиропа применяют сульфокатионит состепенью сшивки дивинилбензолом 2,0;3,5; 6,0; 10,0 и 12,0%.Прочие условия хроматографического разделения следующие: температура 35 фС, скорость элюирования 0,5 см/мин,объемная нагрузка 7%, концентрационная нагрузка 45%,П р и м е ч а н и е: Смола КУсо степенью сшивки ниже 3,5% механи 25 чески непрочна и быстро разрушается.Иэ табл.З 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 катионитаи они быстро разрушаются - за 10-12 циклов разделения, Таким образом, оптимальной является степень сшивки 3,5-10%, так как степень сшивки 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 получениякристаллической фруктозы и раствораглюкозы по сравнению с известным упрощает процесс за счет повышения эффективности хроматографического разделения глюкозы и фруктозы и исключения стадий. рециклинга, а также эа.счет сырья, не требующего после гидролиза проведения изомеризации, позволяетповысить выход конечных продуктов: глюкозы - до 66%, а кристаллической фруктозы - на 12,7%,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, о т л и ч а ю щ и й с я тем, Что, 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 дивинилбенэолом составляет 3,5-10,0%.% сшивки зеренкатиофруктоза Глюкоза нита,мм% 2,0 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,1507799 Составитель А,Гаврилова Техред М .Моргентал Корректо рн Редактор М Подписно ираж 31

Смотреть

Способ получения кристаллической фруктозы и раствора глюкозы