纳滤制备葡萄糖的工艺

2019-11-30 09:16:46 admin 1

描述

  • [0001]

    本发明涉及 

    纳滤

     食品加工饲料流的一部分,特别是(但不仅限于)用于生产右旋糖。

  • [0002]

    蒸发,冷冻浓缩或冷冻干燥是食品,制药和生物加工工业中常用的脱水技术。蒸发需要为蒸发的每磅水输入约1000 BTU(540 kcal / kg),而冷冻需要为冻结的每磅水输入约144 BTU,仅是为了使水的状态从液体变为蒸气或液体分别为固体。

  • [0003]

    由于膜过滤不需要改变状态即可进行脱水,因此应可节省大量能源。不太明显的优点是不需要复杂的传热或生热设备的事实。驱动泵电动机只需要电能。另一个优点是可以在环境温度或更低的温度(例如,防止微生物生长问题或热敏组分变性)或更高的温度(例如,将微生物生长问题减至最小)下进行膜过滤,从而降低渗余物的粘度。降低抽水成本,或改善传质)。由于小分子通常应自由通过滤膜,它们在膜两边的浓度在处理过程中应大致相同,并且应与原始进料溶液相同。因此,膜过滤比其他脱水工艺具有许多优势。

  • [0004]

    由Technomics Publishing Co.,Inc.出版的Munir Cheryan出版的题为“超滤手册”的书。美国宾夕法尼亚州兰开斯特市New Holland Ave 851号,宾夕法尼亚州17604,美国描述了膜过滤是将两种或多种组分从流体中分离出来的方法。膜是一种选择性屏障,可防止物质运动,但允许一种或多种物质通过它而受到限制或调节。膜过滤包括使用这种屏障使某些组分通过,同时保留混合物的某些其他组分,以便分离液流中溶解的溶质。

  • [0005]

    膜可以通过其多孔结构与无孔结构进行分类。渗透涉及响应于膜两侧水之间的化学势差,溶剂从稀溶液侧通过半渗透膜移动到膜的浓溶液侧。

  • [0006]

    其他五个主要的膜分离过程是反渗透或超滤,微滤,渗析和电渗析,它们涵盖了各种粒径。反渗透或超滤可将溶解的分子分离到离子范围。反渗透或超滤涉及脱水,而超滤则通过浓缩和分级分离大分子或细胶体悬浮液同时进行纯化。反渗透或超滤保留了除溶剂(水)本身以外的大部分/几乎所有组分,而超滤仅保留了大于约10-200 A的大分子或颗粒。超滤仅需要相当低的操作压力。反渗透,超滤,

  • [0007]

    由于这些和其他原因,在某些食品例如葡萄糖的生产中使用膜过滤是有利的。迄今为止,使用右旋糖作为化学原料的缺点集中在获得具有足够高纯度的右旋糖流时遇到的困难,因为右旋糖分子必须与具有几乎相同特性的分子或其他材料(例如麦芽糖)分离。和更高的低聚糖。用于生产高纯度葡萄糖(即,大于99%的纯度)的常规方法需要非常高浓度的糖浆的昂贵且费时的结晶。因此,需要非结晶替代方法来提供廉价的高纯度葡萄糖流。

  • [0008]

    迄今为止,膜尚未能够分离紧密相似的材料。通过反渗透膜的扩散能够浓缩含有葡萄糖,麦芽糖和盐的物流以提供纯化的水流,但是不能通过去除麦芽糖和盐来纯化葡萄糖。尽管常规的超滤提供了纯化或分离某些发酵产物和化学产品的方法,但是它对于分离和纯化相当类似的化合物(如麦芽糖和右旋糖)的作用不大。

  • [0009]

    因此,本发明的目的是提供用于处理和纯化化学进料流的新的和新颖的装置和方法。此处的目的是纯化食品加工中使用的进料流。就此而言,目的是提供分离和纯化葡萄糖进料流的装置和方法。

  • [0010]

    另一个目的是提供用于生产葡萄糖的更快,更便宜和更节能的方法。在此,目的是将葡萄糖从食品加工原料流中与其密切相关的组分中分离出来。

  • [0011]

    根据本发明的一个方面,这些和其他目的是通过提供一种 

    纳滤

    进料流输出处或附近的膜。进料流从玉米淀粉的生产开始,通过糊化,糊精和糖化步骤进行以提供葡萄糖浆的进料流。前述方法可以产生具有约95%右旋糖,5%二糖和三糖的纯度的葡萄糖浆。本发明使用

    纳滤

    为了进一步精制糖浆并除去大部分剩余的5%的非右旋糖原料,请使用此方法。之后

    纳滤

    ,则该物质可能远远超过99%的纯葡萄糖。

  • [0012]

    在附图中:

    • 图1示出了结合本发明的方法中的步骤。

    • 图2是流程图,显示了由明尼苏达州Minnetonka的制造商Osmonics Inc.命名为“ Osmo 19T”的系统,该系统被用于进行导致一些工作实例的测试。

    • 图3是在工厂中使用的先导系统的流程,该先导系统实践本发明以产生其他工作示例。

  • [0013]

    所附附图1中所示的特定进料流中的初始步骤取自《新生物实用手册》,该手册由丹麦Baajsuaerd的Novo Industri A / S酶科出版。进料流以淀粉浆20开始,该淀粉浆由加工过的玉米产生。在液化步骤的一部分中,使浆料在高温(100℃)下暴露于α-淀粉酶,所述糊化使淀粉糊化和液化。如图22、24所示,在α-淀粉存在下的淀粉分两步蒸煮,以首先糊化,然后进行糊精化,以提供暴露于葡糖淀粉酶的糊精糖浆。作为该步骤的一部分和之后,进行糖化,如26所示,产生葡萄糖浆。

  • [0014]

    该过程产生葡萄糖浆27,其为约95%的葡萄糖和5%的二糖或三糖。迄今为止,没有简单的方法可以消除剩余的5%的二糖和三糖。制造商要么出售其中含糖的葡萄糖浆,要么进行了使用另一种酶的进一步处理,这使成本上升。

  • [0015]

    根据本发明,可以通过以下方式消除对进一步酶步骤的需要: 

    纳滤

    处理。更特别地,葡萄糖浆27通过

    纳滤

     膜28。该过滤将葡萄糖与二糖和三糖分离,并产生纯净的葡萄糖物流,比需要进一步酶处理的先前添加的步骤快得多且成本更低。

  • [0016]

    更详细地说, 

    纳滤

    使用介于反渗透膜和超滤膜之间的压力驱动膜,称为“纳米过滤器”膜。

    纳滤

     具有一价阴离子的盐和分子量低于150的非离子有机物的排斥率低。具有二价和多价阴离子的盐和分子量约为300的有机物的排斥率高。当与稀的盐和糖流混合使用时,这些纳米膜保留糖以及二价离子与一价离子

  • [0017]

    令人惊讶地,我们发现当与高浓度的葡萄糖进料流一起使用时,这些纳米膜产生初始渗透的葡萄糖进料流,其纯度比原始进料流高得多。进一步的工作还表明,当在下游加工步骤中使用时,这些纳米膜不仅去除二糖和高级糖,而且在一定程度上去除二价盐,从而提供高度纯化的产物。

  • [0018]

    目前,FilmTec是一家位于明尼苏达州明尼阿波利斯市7200 Ohms Lane的公司,地址为55435,该公司有两个 

    纳滤

     膜,NF70和NF40(NF代表 

    纳滤

    )。每个膜都具有尚未量化的负表面电荷。

  • [0019]

    滤膜NF70是交联的芳族聚酰胺。滤膜NF40和NF70相似;但是,膜NF40的NaCl截留率略低,这表明其孔稍大于NF70膜的孔。例如,FilmTec描述了他们的

    纳滤

     膜NF70如下:

    图imgb0001


    元素规格:规格基于在70 PSI净压力,25°C下1,000 mg / l溶质进料溶液。C,回收率10%,pH 5-8。

    图imgb0002


    性能数据:
    无机物:以下数据是基于70PSI净压力25°C得出的。X,10%回收率,pH7-8,无机物排斥可能随浓度而变化。

    图imgb0003


    有机物:以下数据基于70 PSI净压力25°。C和10%的回收率。

    图imgb0004


    表1显示了FilmTec纳滤膜的一些操作条件和性能。

    图imgb0005
  • [0020]

    另一个来源 

    纳滤

    膜是Filtration Engineering Co. inc。明尼苏达州新希望市4974 County Road 18 North,明尼苏达州55428。过滤工程公司将其FE-700-002膜描述为一种交联聚酰胺,具有排斥特性,可区分低分子量物质。该膜的排斥特性介于反渗透和超滤之间。膜的孔结构能够使氯化钠和硫酸钙分离。据说通过同时浓缩残留物质的能力进一步提高了膜的实用性。这种膜在工艺流参数(例如pH值,离子强度和温度的变化)方面为用户提供了很大的自由度。

  • [0021]

    制造商描述了FE-700-002薄膜的特性,如下所示:
    成分:交联聚酰胺
    渗透性:(标称)

    • Cl

    • 95 %

    • 乳糖

    • 0-4 %

    • 硫酸镁

    • 5 %

    • 氯化钙

    • 70 %

    • 磷酸钙

    • 20-60%(取决于pH)

    • 柠檬酸 

    • 10-95%(取决于pH)

    • 醋酸 

    • 10-95%(取决于pH)

    分子减肥:
    • 500以上的拒绝

    • 95 %

    • 低于200

    • 5 %

    通量率:20 l /m²/ h标称设计通量率40°C 
    膜尺寸:4˝x30˝螺旋形,每个滤膜面积6m²
    • 运营压力:

    • 最大41 Bar(600 PSIG)


    • 30-40巴(450-600 PSIG)


    • 推荐的。

    • 温度限制:

    • 57℃ 高温10-50°C。


    • 推荐的。

    • 耐酸碱度

    • 最低2.3


    • 短期最大暴露量为11.0


    • 推荐2.3至10.0

    • 氧化剂耐受性:

    • 没有

    • 拒绝率:

    • > 99%真蛋白(TRP)

    • 通量率:

    • 27 l /m²/ h的额定设计通量率(50°C)。

  • [0022]

    Osmonics Inc.公司生产实验膜“ Osmo MX-06”,该膜是类似于Filtration Engineering膜的薄膜。但是,制造商尚未对此膜发布任何规格。

  • [0023]

    对于所有的纳滤膜,硫酸镁的截留率很高(90-98%),而氯化钠的截留率在50%或更低。由于这些膜带负电,因此阴离子排斥主要决定了溶质的排斥。例如,氯化钙的截留率与氯化钠的截留率大致相同(甚至更低),而硫酸钠的截留率与硫酸镁的截留率大致相同。二价和多价阴离子被高度排斥。到目前为止,尚无已知案例发生,其中高电荷的阳离子与

    纳滤

     膜产生正的净表面电荷。

  • [0024]

    通常,根据本发明,将所需的低分子量化合物或分子的5.0至50%的溶液在约600PSI下进料至纳米过滤器。低分子量小于500MW。产物通过膜,而不同程度的较大分子不通过膜并被膜保留。穿过膜的任何给定分子的量取决于进料流中的分子量,离子电荷和分子浓度。

  • [0025]

    在本发明的实验实践中,葡萄糖以低浓度被膜保留。但是,当使用28%的葡萄糖时,葡萄糖渗透到一定程度,而实际上所有的高级寡糖都保留了下来。

  • [0026]

    在有机的情况下 

     盐,例如乳酸 

     或多或少的 

     是否以盐形式或游离形式存在于渗透物流中 

    溪流以游离态更快地渗透膜

     比盐还多

  • [0027]

    图2示出了由制造商指定为“ Osmo 19T”的实验室仪器。该仪器在实验室中用于进行实验,得出以下一些工作实例。它具有用于容纳葡萄糖浆27的开放罐50,该罐通过进料泵52和压力泵54连接至膜容器56。压力计58将压力维持在约450PSI,每分钟4-5加仑。合适的阀装置60通过有限的流量,该有限的流量形成由箭头A表示的反馈回路,以便将已经通过泵54的湍流的一些原料流混合回到新鲜的进入的原料流中。有限的流量还会缓冲存储一些材料,以将管路压力调节到450 PSI。

  • [0028]

    膜容器56可以被认为是具有在其内部沿直径方向拉伸的膜的无应变钢管,以将内部分成进入室和离开室,它们之间的唯一通道是通过膜。该膜可以被认为是不通过任何大于葡萄糖分子的分子的过滤器。实际上,膜是复杂的螺旋形。无论如何,材料在62处作为渗透物进入膜56的入口侧的容器56,穿过膜并从出口侧离开。

  • [0029]

    由于较小的分子(如果有的话)在该过程的早期被除去,因此在62处的渗透物几乎是纯葡萄糖。因此,在膜的入口侧,未通过膜的材料积聚并且会积聚而堵塞膜。为了避免这种堵塞,一些材料(“滞留物”)通过管道64从入口侧返回罐中。压力计66设定在大约430PSI,这在整个膜上建立了20PSI的净差。阀68设定为调节反馈的滞留物的体积。

  • [0030]

    在工厂中建立了一个试验系统(图1)来测试大规模生产。在该示例中,葡萄糖浆27通过进料管70进入,通过泵72和流量计74到达膜罐容器76,该膜罐容器的构造与容器56大致相同。压力计78控制输入。对膜的压力。再循环回路(箭头B所示)的流量由阀门80控制。

  • [0031]

    纯化的葡萄糖产物的流出产物出现在82处。压力计84以与压力计66保持膜的大致相同的方式维持膜上的背压。调节压力控制阀86以维持压力表84处的期望压力读数。一部分滞留物在88处再循环至泵72的输入。设置另一个阀90,以使一部分滞留物放出。可以以任何合适的方式利用该渗出材料,例如通过回到图1的方法中的某个合适的上游点或通过使用它来生产除基本上纯的右旋糖以外的产物。

  • 例1
  • [0032]

    使用Osmo 19T中试系统,对三个膜进行了葡萄糖提纯,测试了葡萄糖膜对糖化玉米淀粉衍生进料的纯化。

    图imgb0006
  • 例子2
  • [0033]

    使用Filtration Engineering UO膜进行较大规模的运行。建立了一个全天候系统,以确定生产规模的运营过程中的过滤。该膜具有1000平方英尺的过滤面积。结果如下所示:

    图imgb0007


    产品和饲料特性的日平均结果如下所示。

    图imgb0008
  • 实施例3
  • [0034]

    使用Filmtech NF-40膜,在Osmo 19T中试系统中处理20加仑的干固体百分比不同的葡萄糖液。进料和产物流的工艺条件,通量和纯度如下所示。

    图imgb0009
  • 实施例4
  • [0035]

    五天后从与示例2中使用的系统相同的结果。

    图imgb0010


    当天的平均结果。

    图imgb0011
  • 实施例5
  • [0036]

    含有约36%乳酸离子的浓缩的500,000 MW超滤干酪乳杆菌发酵液稀释至约10%乳酸,超滤(50,000插入,MW)并在pH 6.0和pH 2.3进行纳滤后进行纳滤。

    硫酸的

     

    实施例5中所用的发酵液取自溶液的48小时发酵,该溶液每升含140克葡萄糖,5克/升酵母提取物,30克浸泡水干固体/升和1.0克(NH 3)溶液。每升2 PO 3。将该糊状物用干酪乳杆菌鼠李糖亚种发酵,并添加氨以将pH控制在pH 6.0和110℃。当发酵所有葡萄糖时,将肉汤超滤并浓缩至36%乳酸离子。

  • [0037]

    对于此示例,在Osmo 19T引导系统上使用Osmo MX06膜在约400 PSI和45°C的温度下进行了测试。超滤材料(A)的样品,在pH 6(B)的条件下进行纳米过滤,在pH 2.3的条件下进行纳米过滤( C)全部调节至pH 2.4并浓缩至20-30%的乳酸 

    进行进一步处理。对这些样品进行HPLC(高压液相色谱)分析,结果如下所示。

    图imgb0012
    • DP₃+

    • =三糖和高级聚合物。

    • DP²

    • =二糖

    • =单糖

  • [0038]

    可以看出,纳米过滤器除去了大多数二糖和一些单糖。同样,在乳酸的pH值

     不被离子化,乳酸的比例 

     渗透液中无机盐的含量增加,从而提供更高的纯化系数。

  • [0039]

    本领域技术人员将容易理解如何修改本发明。因此,所附权利要求将被解释为覆盖落入本发明的真实范围和精神内的所有等同结构。