CS24090A3 - Process for preparing xylitol - Google Patents

Description

Tento vynález se týká způsobu výroby xylitolu : Ί\ ‘ z xylózy a/nebo materiálu, který obsahuje xylan, a zejménaz biomasy hydrolyzátu hemicelulóžy. Zvláštní znak vynalezuse týká způsobu výroby!xylitolu,fermentací biomasy hydrolyzá-tu hemicelulóžy kmenem kvasinek, který je schopen převést vol-nou xylózu na xylitol a zvyšováním'koncentrací xylitolu prokrystalizaci chromatografickým dělením. Pětisytný alkohol xylitol je cukrový alkohol, kte-rý je odvozen z xylózy vzorce její redukcí. Xylitol je v přírodě se vyskytující cukrový alkohol o pěti atomech:uhlíku, který má stejnou sladkost a energatický obsah, jakomá cukr (16,75 kJ/g). Xylitol se nachází v malých množstvíchv mnoha druzích ovoce a zeleniny a produkuje se v lidském .těle během normálního metabolizmu. Xylitol má určité známémetabolické, dentální a.technické charakteristické vlastnosti,které způsobují, že je cennou náhradou cukru v různých sou-vislostech. í •l - t -

Xylitol se metabolizuje nezávisle na insulinu, tak žemůže být bezpečně konzumován diabetiky bez závislosti nainsulinu. Kromě toho bylo zjištěno, že xylitol zpožóuje vy-prazdňování žaludku a možná napomáhá přemoci se při příjmupotravy, co může mít. důležitou roli v redukční diete, směřují-cí ke snížení hmotnosti.

Xylitol je také nekariogenní a možná rovněž kario-statická látka. V ústech se sacharóza a jiné karbohydráty fermentují mutanty Streptococcus a dalšími bakteriemi,, vyt-vářejícími kyselinu, která snižuje hodnotu pH, deminerali-zaje zubní sklovinu a vede k zubním kazům· Mutanty Strepto-coccus a další bakterie však nefermentují xylitol s vytváře-ním kyseliny,jako vedlejšího produktu fermentace, co je jed-nou z příčin zubního kazu. Studiemi se také dosáhlo hodnot,které dokládají, že xylitol může rovněž aktivně potlačovattvorbu nových zubních kazů a může rovněž "rušit” existujícípoškození vyvolávanou remineralizací· Z hlediska chuti, xylitol obvykle neprojevuje ne-žádoucí dodatečné chuťové příznaky podobné jiným náhražkámcukru a pro vysokou spotřebu energie, vyžadovanou k rozpuště-ní jednoho gramu xylitolu,se vytváří příjemný "chladící”účinek v ústech.

Navzdory výhodám xylitolu, jeho použití v průmyslo- vém měřítku je omezeno jehoku obtíží při jeho produkcise běžně vyrábí z materiáluz hydrolyzátů hemicelulózy. relativně vysokou cenou, v důsledv průmyslovém rozsahu. Xylitolobsahujícího xylan, zejména

Hemicelul.Qzy tvoří velikou sku- pinu dobře charakterizovaných pólysacharidů, nacházejících,se v primárních a sekundárních stěnách buněk ze všech zemědělských oblastí a sladkovodních rostlin. Hemicelulózy se skládají ze zbytků.cukrů, mimo jiné D-xylózy a zahrnují D- mannózu, D-glukózu, D-galaktózu a L-arabinózu.

Podle metod známých z dosavadního stavu techniky se -3-. "Μ xylitol vyrábí z materiálu obsahujícího xylan tím,, že seťtento materiál hydrolýzuje za vzniku směsi monosachyridů5,včetně xylózy. Xylóza se převádí na xylitol, obvykle v pří-tomnosti niklového katalyzátoru, jako je Raneyův nikl. Do-savadní stav techniky uvádí řadu metod výroby: xylózy a/neboxylitolu z materiálu obsahujícího xylan·Mezi metody známéz dosavadního stavu techniky se zahrnují údaje z US patentuč. 3 784 408 (Jaffe a kol.), US patentu č. 4 066 711 . (Melaja a kol.), US patentu č« 4 075'405 (Melaja a kol.), USpatentu č. 4 008 285 (Melaja a kol·), a US patentu č. 3 586 537 (Steiner a kol·).

Tyto metody dosavadního stavu techniky jsou všakkomplikované vícestupňové procesy, které jsou relativně ná-kladné a neúčinné. V této souvislosti se zjišíuje u dosavadníhostavu techniky jeden ze základních problémů, kterým je v z * 1 * 1 - - účinnost a úplnost oddělení; xylozyía/nebo xylitolu* z poly- olů a jiných vedlejších produktů hydrolýzyj k získání xyli- T ; Πύ ifi f í ' ; . tolu o dostačující čistotě. Za účélem;dosažení tohoto základ-ního požadavku se obvykle vyžadují vícestupňovéseparační: f i';é ' í 1 J p : |5 ÍJ : techniky, zahrnující mechanickou filtraci a<chromatografic-stav techniky uvádí použitísrážení ligninu/využívajícíddbu a náklady na produkci enzym reduktázy xylózy, kata- ké děleni. Kromě toho dosavadníjiných čistících metod, jako jekyselin. Ligniny obecně zvyšujíxylitolu v průmyslovém měřítku.Je známo, že určitá kvasinka má lyžující redukci D-xylozy na xylitol, jako první stupen raetabolizmu D-xylózy. Studie v experimentálním rozsahu zužitkovaly kvasinkové buňky schopné fermentovat D-xylózu -reduktázu nebo extrakty obsahuj ící/^cylozy zbavené buněk, k produkci -xylitolu z výchozího materiálu obohaceného D-xylózou. [Gonga kol., Quantitative Productión of Xylitol from D-Xyloseby a High Xylitol Producing Yeast Mutant Candida TropicalisHXP2, Biotechnology Letters, sv. 3» č. 3, 125 - 130 (1981), V. Kitpreechavánich a kol.: Conversion of D-Xylose intoXylitol by Xylose Reductase from Candida Pelliculosa- Coupledwith the Oxidoreductase System of Methanogen Strain HU,Biotechnology Letters, sve 10, 651 - 656 (1984), McCrackena Gong, Permentation of Cellulose and HemicelluloseCarbohydrátes i by Thermotolerant Yeasts, Biotechnology and -Bioengineer.ing Symp. No. 12, str. 91 až 102 (John Wiley andSons, 1982)J Třebaže existují kmeny kvasinek,.které jsou -schopné produkovat ve vysokých výtěžcích xylitol při fermen-taci D-xylózy, v dosavadním stavu techniky nebyl uveden úplný· proces výroby xylitolu, například z biomasy hydrolyzátů : ·ΐ- · · Λ· i hemicelulózy, které kromě hexóz a ostatních nečistot obsahu-jí xylózu, který by byl použitelný v průmyslovém měřítku.

Tento vynález uvádí jednoduchou a účinnou metoduvýroby.čistého xylitolu z výchozích materiálů obsahujícíchxylózu, která využívá kvasinkových kmenů schopných převádětxylózu na xylitol a většinu přítomných hexóz převádět na ethanpl. Takovým fermentačním postupem se produkuje roztokbohatý na xylitol, ze kterého se xylitol?.'·. může jednoduše a účinně čistit aniž by bylo třeba vyhledávat nějaké rozsáhléa nákladné separační prostředky. Obecně se xylitol můžečistit v jednom stupni chromátografickým dělením a následují-cí krýstalizací za vzniku čistého xylitolu. Malá množstvíethanolu se snadno odstraní odpařením nebo podobnými prostřed-ky, přičemž se vyhne nutnosti rozsáhlých technických opat- ření k oddělování xylitolu od hexitolů a jiných cukrů, kte-ré vznikají hydrolýzou a obvyklou hydrogenací.a které jsoupřítomny v roztoku, jenž je bohatý na xylitol.

Tento vynález se zabývá způsobem výroby v podstatěčistého xylitolu z vodného roztoku xylózy, který také můžeobsahovat hexózy, jako je glukóza, a jiné nečistoty. Vynálezse zabývá fermantací uvedeného roztoku za použitíkvasinko-výhh kmenu, který je schopen převádět v podstatě vešker-ouvolnou xylózu na xylitol a většinu.volných hexóz na ethanol.

Permentační produkt se čistí odstraněním kvasinkových buněkG b J1 H ' · z roztoku filtrací, odstřelováním nebojpomocí jiných vhod-ných prostředků a odstraněním ethanolu .odpařením nebo desti-lací. Chromatografické dělení poskytuje, frakci nebo frakcebohaté na xylitol, ze kterých se může xylitol nechat vykrys-talovat. V některých případech se.vyžaduje předběžné zpra-cování vodného roztoku xylózy. Takpvé předběžné zpracování zahrnuje dodatečnou hydrolýzu a/nebo separační; kroky smě- ,í řující k odstranění složek, které mohou být toxické a/neboškodlivé pro kvasinky použité pro převedeni xylózy na xyli-tol, nebo směřující o odstranění jiných složek, které mohoumít nepříznivý účinek na následující fermentační a dělicístupně. Stupně předběžného zpracování mohou zahrnovat chromátografické separační technické postupy.

Tento vynález využívá kvasinek, které jsou schop-·né redukovat xylózu na xylitol a hexózy na ethanol,.: Kvasin-ky zahrnují, ale nejsou omezeny, r,» kvasinky z rodu Can-dida, Pichia a Pachysolen a Debaryomyces. Z těchto rodů jsou výhodné Candida aiWbárýomyces ^přičemž-žvláštěh Výhodné jsouCandida tropicalis a Debaryomyces hansenii. Vhodný příkladkmene Candida tropicalis je- kultura, která je uloženau organizace American Type Culture Collection a je> označena čís-lem 9968 ve sbírce. ; í ’ : Dále se uvádí detailní popis výhodného provedení.· A. Obecné údaje r { í - - ! · ;i 1. Výchozí materiály j i· ' Výchozí materiály pro použití při -způsobu podletohoto vynálezu zahrnují téměř libovolný materiál obsahujícíxylan. Mezi; potenciální výchozí materiály se zahrnují, list-naté a každoročně opadávající stromy, jako je bříza, buk,topol, olše a podobně, a takové rostliny nebo části rostlin,jako je pšenice a kukuřice, slupky obilek ovsa, jádra vlašských ořechů a $tbhky, skořápky ořechů, sláma, řepnéřízky a pouzdra,semeníku bavlny. Pokud se jako výchozího ma-teriálu, použije dřeva, je výhodné, aby bylo rozmělněno na štěpiny, piliny,dřevitou vlnu a podobně a podrobeno hydřo- i lýze, nebo zpracováno explozí pomocí páry. a podrobeno, hyd-rolýze, čímž se vytvoří hemicelulózový materiál, který se mů--že použít podle tohoto vynálezu. , Kromě materiálů uvedených svrchu, jsou také skuteč-nými surovinami vedleggí produkty bohaté na xylan nebo xy- -lózu, z postupů zpracování dřeva..Například vyčerpaná břeěkaprodukovaná jako odpadní produkt z výroby,technické celulózysulfitovým postupem - známa jako "sulfitový výluh” - obsahu-je nerozpuštěné částice dřeva, ligniny, hexózy a pentózy :včetně xyiózy.a je použitelná jako výchozí materiál/i pro vý- .robu xylitolu. Mohou se také použít jiné vedlejší produkty..nebo', odpady z výroby.papíru nebo buničiny, které jsou bohaténa xylan nebo xylózu. V . í. I j Pro použití způsobu podle tohoto vynálezu se vyža- duje vodný roztok, který obsahuje volnou xylózu. Proto můžebýt požadována hydrolýza výchozího materiálu působením ky-seliny nebo enzymů, které štěpí xylan na xylózu.;Metody hyd-rolýzy materiálu obsahujícího xylan. za vzniku, roztoků boha- tých xylózou jsou popsány například v US patentu č. 3 784-408 (Jaffe a kol.) a US patentu č. 3 586 537 (Steinéra k o 1. ). — 8 ·* •i , • 1 2. Fermentace vodných roztoků obsahujících xylózu

Je-li to žádoucí, výchozí materiál.se může pracovatpřed fermentací k odstranění určitých’složek, které mohoubýt toxické nebo mohou jinak škodit kvasinkám pro fermenta-ci. Pokud takové předběžné zpracování je zapotřebí, závisína použitém výchozím materiálu a kvasinkách, které se pou- ·žijí pro fermentaci. Vhodné předběžné zpracování surovinymůže zahrnovat dodatečnou hydrolýzu a/nebo separační kro-ky. Koncentrace xylózy ve vodném roztoku vhodném pro fermen-taci závisí na použitém výchozím materiálu, ale výhodně jev rozmezí asi od 50 do 300 g na litr. K provedení fermentace se-podle tohoto vynálezu 'používá kvasinkového kmene, který je schopen:převést xylózuna xylitol a většinu hexóz , které jsou přítomné, na ethanol.Vzniklý ethanol se může snadno odstranit odpařením,- desti-lací nebo jiným známým prostředkem,'který je jednoduššía účinnější než oddělování xylózy a/nebo xylitolu od jiných

• - i- - £ ’ 'W cukrů. ' r ': ··'··' -,<·* j

Jako příklad kvasinkového-kmene, který je·· vhodnýv souvislosti s popsaným řešením, je Qvedeh Candida-tropí- .calis, uložený v Americké sbírce typových kultur pod číslem9968. Jiné vhodné kvasinkové kmeny zahrnují kmeny z-.rodu*.Candida, Pichia, Pachysoleň a Debaryomyces (srov, N. J. W.Kregr-van Rij, The Yeast. A Taxonomie Study, 4. vyd.,

Elsevier Science Publishers B. V. 1984), které jsou schopné 9 - převést xylózu na xylitol a hexózy na ethanol. Před fermentací roztoku bohatého na xylózu se roz-tok může podrobit chromatografickému dělení, aby se odstra-nily , po oddělení, větší molekuly a ionizované látky, pokudse jako surovin#, použijí kapaliny o nízké čistotě. Napří-klad předfermentační chromatografické dělení může být výhod-né, pokud se jako výchozího materiálu použije sulfitovýchvýluhů. ·

Permentace roztoku bohatého na xylózu se může prová-dět v průmyslově nej dostupnějších násadových fermentátořechvybavených pro aeraci. Výhodné je míchádlo a možnost kon-troly hodnoty pH. Tak například se používá zařízení Braun--Biostat (Model =^= E). Výhodná teplota pro fermentací jézhruba mezi 20 a 40 °C, přičemž teplota přibližně. 30 °0 jezvláště výhodná. Kvasinkové buňky se přidávají k roztoku .boha-tému na xylózu. Obvykle při vyšší koncentraci kvasinek nas- .tane rychlejší fermentace. Optimální koncentrace kvasinek'závisejí na kapalině obsahující xylózu a jejich charakte* . l· ' ristických vlastnostech a na koncentraci xylózy v kapalině.Autoři tohoto vynálezu zjistili, že přidávání kvasinkovýchbuněk do koncentrace asi 0,1 až 10 g suchých kvasinek < .(hmotnost sušiny) na litr substrátu jevýhodná, pokud koncen-trace xylózy je přibližně mezi 50 a 300 g na litr.

Permentace se zvýší přídavkem živin a trvá, dokudvětšina xylózy se nepřemění na xylitol a v podstatě veškeré 10 - hexózy se nepřevedou na ethanol. Obvykle fermentace proběh-ne asi za 24 až 144 hodin, přičemž doba fermentace zhrubamezi 24a 72 hodinami je zvláště výhodná· Při použití způsobupodle vynálezu je možné konvergovat více než 90 % xylózy na i · xylitol. 3. Postfermentační čistění a oddělování xylitolu

Po fermentaci, avšak před oddělením xylitolu se roztok čeří. Při násadovém fermentačním postupu se kvasinko-vé buňky odstraňují po dokončení fermentace. Odstraňováníkvasinkových.buněk se může provádět odstřelováním, filtracínebo podobně. Jakmile se kvasinkové buňky odstraní a roztokse vyčeří, ethanol produkovaný fermentaci se může odstranitodpařením, destilací nebo za použití jiného zařízení v tomtostupni. j . Po odstranění kvasinkových buněk (a podle potřebyethánolu)· se xylitol v fermentačním roztoku obohacuje pomo-cí chromatografického dělení. Toto chromatografické děleníse s výhodou.provádí na sloupci naplněném sulfonovanou póly-styrenovou pryskyřicí, zesilovanou divinylbenzenem,.. která jev alkalické formě nebo ve formě’tvořené s.kovem alkalické ze-miny. Způsob, velkoobjemové chromátografie, vhodné pro použitív této souvislosti, je popsán v US patentu č. 3 928 193(Melaja a kol.). Chromatografické. dělení se může také provádětjako kontinuální proces za použití způsobu založeného na umě-le se pohybujícím loži, jak je popsán v US patentu č. ·, ' i b-e! nr :z/j 11 - 2 985 589 a takávyužívající aulfonovanou polystyrénovou prys-kyřici zesítovanou divinylbenzenem.

Xylitol z frakcí bohatých na xylitol, získanýchz chromatografického dělení, se může v následující fázi krys-talovat ve vysokém výtěžku za použití běžných krystalizačníchtechnických postupů, včetně krystalování za chlazení a va-ru. Jestliže se použije krystalizace za chlazení, frakcebohatá na xylitol se naočkuje krystaly xylitolu, které mají..střední průměr asi 30 mikrometrů, a teplota roztoku se pos-tupně snižuje. Výsledné krystaly, výhodně o středním průměruasi 250 až 600 mikrometrů, se oddělí odstřeďováním a promyjívodou, aby se dostal v podstatě čistý krystalický xylitol. B. : Experimentální část

Příklad 1 Způsobvýroby xylitolu z "vyčerpaného sulfitového výluhu" ' v . JL8- ' , Xylitol se produkuje z "vyčerpaného sulfitovéhovýluhu" z tvrdého dřeva, za použití fermentace kvasinkami/.,Pebaryómyces hansenii, které jsou zavedeny jako kmen, jenž; .může fermentovat xylózu na xylitol a větší část hekóz najet-./

V hánol. Násada vyčerpaného sulfitového výluhu ( z výrobyVlákniny x břízpvého dřeva) se zpracuje, jak je popsáno v -US patentu č. 4 631 129, aby se získala .frakce, bohatá na xy-lózu. Analýza této frakce ukazuje parametry ( složení uhlo- ...hydrátů se stanovuje rozdělovači plynovou chromatografií): 12 - sušina 7 30,4 hmotnost/hmotnost pH íV'2,5 vápník (Ca++) 2,0 %, vztaženo na sušinu j. (dále se uvádí "% suš.") sodík (Na+) 0,1 % suš. uhlohydráty: xylóza 39,3 %' suš. arabinoza 1,0 % suš. rhamnóza 1,2 % sus. glukóza : 2,5 % suš. mannoza 0,1 % suš. galoktóza 2,0 % suš.

Frakce se neutralizují oxidem vápenatým zhruba nahodnotu pH 6,2 přídavkem 10 g oxidu vápenatého na litr frak-ce. Frakce ‘se potom zředí na koncentraci 51 g xylózy na: litrroztoku a potom fermentuje buňkami kvasinek. Fermantace seprovádí v třepací láhvi o objemu 200 ml za teploty přibližně25; °0 po dobu asi 48 hodin. Množství přidaných kvasinkovýchbuněk.je asi 1,7x10 buněk na mililitr frakce, která se přizpůsobila feřmentačnímu roztoku po počátečním růstu v roztokh bohaténr na xylózu. Kvasinkové buňky se odstraní za 48,hodin odstřelováním'a čirý roztok se podrobí chromatografic-kému dělení, k separaci xylitolu vyprodukovaného fermentacíza těchto podmínek:

Složení roztoku: - 13 - sušina í- 24}0 hmotnost/hmotnost pH 5,9 uhlohydráty: xylitol 24,7 % suš. xylóza 0,3 % suš. glukóza 2,1 % suš. : arabinóza 0,6 %suš. octan vápenatý 2,5 % suš. sloupec: průměr 10 cm výška 200 cm pryskyřice Zerolmt 225, kationtová iontoměniěová polystyrénová pryskyřice zesilovaná divinylbenzenem, průměrná velikost částic 0,32 mm, obsah divinylbenzenu 3,5 % , ve vápníkovém'cyklu rychost toku 50 ml/min teplota 65 °C dávkovaný objem 500 ml

Profil eluce ze sloupce iontoměniče je uveden naobr. 1. Vzorky se odebírají na výtoku· a analyzují na obsahsušiny a složení, jak je uvedeno dále v tabulce 1. Výtok ijerozdělen do tří frakcí. 14 -

Tabulka 1 í 1 ' ·, . | i Frakce Frakce Frakce =7^= 1 2 sušina (g) ; 134 10” 58 koncentrace (g/l) 12 10 16 xylitol (% sůš.) 0,7: 40,0 79,0

Krystalizace xylitolu vyrobeného farmentační meto-dou popsanou výše se provádí takto: Frakce bohatá na xylitolse připraví, jak je popsáno svrchu. Složení použité xyl&amp;tolo-vé frakce je.toto: sušina 20 g na litr xylitol 86,6 % suš. ostatní cukry 13,4 % sůš. Z tohoto roztoku se xylitol získá krystalizací zachlazení. Roztok se nejprve odpaří, aby koncentrace sušinybyla 86,5 % a přenese do krystalizátoru, který je vybavenchladícím systémem a míchadlem. Počáteční teplota je přibliž-ně 65 °C a hodnota pH asi 5,3. Roztok se naočkuje krystaly xylitolu,íkteré'mají' průměr asi 30 mikrometrů a jsou ^suspen-dovány v isbpropanolu. Teplota se snižuje během 3 hodin asiz.65 na 50 °C. Za těchto podmínek krystaly-xylitolu narostouna střední průměr 250 mikrometrů. Krystaly se.oddělí od roz-toku odstřelováním'á promyjí vodou. Získané krystaly obsahujínad 99 % čistého xylitolu. - 15 - Příklad 2 Způsob výroby xylitolu z březového dřeva explodo-vaného parou

Surovinou v tomto příkladě je hydrolyzát z březo-vého dřeva explodovaného parou, který byl ppdroben dodatečnéhydrolýze k odbourání xylanu na volnou xylózu. Parametry:hyd-rolýzy uvádí K. Poutanen a J. Puls v "Enzymatic Hydrolysis -of Steam-pretreated Lignocellulosic Materiál”, Proč* 3rdEur. Congr. Bioteohnol., Mnichov 1984, sv. II, strt 217 až222. Složení výsledného roztoku bohatého na xylózu je toto:

Složka xylóza glukóza rhamnóza mannóza galaktóza arabinoza

Koncentrace (g/1)76 ' 3,6 1,3 2,1 2,4· [0,8

Celková sušina představuje 15 % hmotnostních roztoku.

Roztok se fermentuje kvasinkami Candida tropica- ilis (ATCC 9968). Hodnota pH roztoku se upraví asi na 6 pří-j i > , : ;n vy davkem 25% roztoku hydroxidu sodného a roztok se naočkuje3 g/l kvasinkového extraktu. Jako živiny se přidají 3 g/1sladového extraktu a 5 g/1 peptonu. Inokulum se připravím tím,že se nechají růst kvasinky v 5% roztoku xylózy s přidanými“stejnými nutričními látkami. Během' fermentace je teplota^asi 30 °C. Fermentace se provádí ve fermentoru Braun Biostat - 16 - i (model=^=E), který umožňuje provzdušňování (0,18 1/min), · míchání (frekvence otáček 200 min-1) a řízení hodnoty pH(25% roztok hydroxidu sodného), k udržování pH 6. Fermentormá pracovní objem 8 litrů a celkový objem 10 litrů.Pěněníse zabrání přotipěnovým prostředkem Ivlazu 6000. Analýza vzor-ků z fermentoru je uvedena v tabulce 2. Složení vzorkůz fermenttíru se stanovuje vysokoúčinnou kapalinovou chroma-tografií.

Tabulka 2

Doba Kvasinky Xylóza Xylitol Ethanol h g/1 g/l g/1 g/1 0 1,2 75,8 0,0 0,0 24 1,4 . .... 66,5 4,8 3,7 '48 2,0 55,2 .. 14,1 6,9 72 2,6 37,3 29,4 7,7 96; 2,8 18,7 54,2 7,6 120 neměřeno 9,4 61,9 8,5 144 neměřeno 3,0 52,7 6,7 Xylitol obsažený v roztoku získaném fermentací koncentruj e ve frakcích bohatých na . xylitol chromatograf kým dělením a krystaližací. Jako v příkladě 1 §e dostane xylitol o čistotě 99 %· - 17 - Příklad 3 Způsob výroby xylitolu' z březového dřeva expíodo-váného parou ή 7 tomto příkladě se jako surovina používá posthyd- l „ . j.\ i rolyzát z březového dřeva explodovaného parou, o;< paramet- rech projednaných v příkladě 2. Složení Složka Koncentrace (g/1) xylóza 110,0 glukóza 3,1 rhamnóza 3,5 mannóza 3,4. galaktóza 1,5 arabinóza 1,6

Koncentrace celkové sušiny je 15 %\ hmotnostních. Před fermentací se roztok podrobí chromatografic- kému separačnímu procesu k odstranění? většího podílu velkých ' k" ; ·. L . v .i - · molekul a ionizovaných látek. Chromaťogřafické dělení se pro-vádí na sloupci naplněném Amberlitem BH-1 (polystyren-divi- a : i ., t i \ nylbenzenová pryskyřice) v sodíkovém:cyklu.! Parametry jsouuvedeny dále£ ? '' ; pryskyřice: Amberlit!BH-1 (sulfonobaná poly- styrénová pryskyřice zesilovaná; divinylbenzenera'(5,5 %) v sodíkovém cyklu. velikost částic: 0,40 mm.

Sloupec: průměr 0,225 m, výška 5,0 m. 18 teplota: 65 °C. rychlost průtoku.: 0,04'nr/h. dávka: 18 litrů roztoku o koncentraci 31,2 % hmotnostních Výsledek chormatografického dělení popsaného výše je znázorněn na obr. 2. Vzorky se odebírají v 5-minutovýchintervalech. Celková doba cyklu je 170 minut.

Složení dávkovaného roztoku do oddělovací kolony je toto: arabinóza 0,6 % suš. rhamnóza 0,5 % suš. xylóza 37,8 % suš. * z rnannoza 1,2 % suš. galaktóza 1,6 % suš. glukóza 1,6 °/o suš. ostatní 57,3 % suš. Eluent se rozdělí do pěti frakcí v ží z procesu a frakce 4 se zachycuje pro fermentačni stupen.Zbývající' frakce se vracejí k dávkovanému roztoku pro chro-maťografické dělení, ke zvýšení výtěžku separace. Složenífrakcí je uvedeno dále v tabulce 3·

Tabulka 3

Frakce (rez/ frakce)doba - min 15 '100 115 140 155 - 19 -

Tabulka·3 - pokračování árabinózá 1,3 i 0,1 0,2 1,0 2,1 rhamnóza 0,0 0,0 1,2 · 0,9 0,0 xylóza 2Í,8 ; 3,4 57,6 71,2 46,6 mannóza 0,8 : 0,1 1,9 2,2 1,6 galakt-o*za 0,8 0,1 2,0 •2,0 1,4 glukóza 0,5 0,5 4,7 1,9 oj ostatní 71,9 95,8 32,3 20,3 47,6 (Číselné hodnoty jsou vyjádřeny v % suš.)

Fermentace se provádí pomocí kvasinkových buněk

Candida tropicalis, jako v příklsdě 2. Výsledky fermentacejsou-graficky·uvedeny na obr. 3. Dosažený výtěžek xylitolupřekračuje 9O1 g na litr ze 100 g xylózy na litr. Nutričnílátkou použitou při tomto experimentu je kvasnicový extrakt(Gistex) v množství 15 g na litr. Inokulum roste v hydrolyzá-tu zředěném vodou (1/105 s 3% přídavkem glukózy a 3% přidav—·kem kvasnicového extraktu. 7'y j Z roztoku bohatého na xylitol se xylitol získává·· chromatografickým oddělováním za použití poloprovozní kolo-ny, při těchto charakteristických podmínkách· provozu:sloupec: výška 4,5 m, průměr 0,225 m, pryskyřice: suůfonovahý polymerovaný y 2/ styren, zesítovaný 5,5 &amp; divýnylbenzenu, o průměr-né velikosti částic 0,37 mm, v sodíkovém cyklu, rychlost průtoku: 0,03 m^/h, teplota: 65°G, ; r dávkovány roztok: 24 g/Kg 24% hmot. rpztpku ▼ (sušina 5,76 kg), složení: xylitol £4,0 0T 7° SUŠ. xylóza 2,0 /0 suš. arabinoza + mannóza 1,4 % suš. galaktoza + rhamnóza 1,2 % suš. glukóza * 0,4 % suš. mannitol o,9 % suš. ostatní 30,1 % suš. Dělení je uvedeno graficky na obr. 4. Zachycuje.; se5 frakcí. Jejich složení je uvedeno dále v tabulce 4« Frak-ci. 4 tvoří frakce produktu, ze které se .krystaluje čistý . ;xylitol, jak je uvedeno v příkladě 1. I.

Tabulka 4 í ; {

Frakce 1 2 3 4 5 (řez frakce) doba - min 10 100 105 155 165 xylitol 8,7 4,9 56,3 . 85,0 55,6 xylóza 0,2 2,0 "4,4 2,0 0,4 arabinoza + + mannóza 3,6 0,5 1,4 1,7 4,2 21

Tabulka 4 - pokračování' i galaktózá + + rhamnóza 0,3' 0,6 3,8 1,4 0,5 glukóza 0,0 0,1 1,9 0,4 0,0 mannitol 0,2 0,2 2,0 1,1 0,7 ostatní 87,1 81,8 30,2 8,5 38,5 (Číselné hodnoty jsou vyjádřeny v’% suš.) Příklad 4 Způsob krystalizace xyliťolu z fermentačního roztokuXylitol se krystaluje z roztoku bohatého na xyli- tol, který se získal chromatografickým dělením z fermentač-ní&amp;o roztoku. Roztok obsahující 82,5 % sušiny xylitolu seodpaří za teploty 65 °C na koncentraci 92 %. Odpařený roztoko hmotnosti 2200 g še naočkuje krystaly xylitolu o průměru0,04 mm v množství 0,03 %· Teplota roztoku se snižuje na45 °C v průběhu 55 hodin podle předem stanovného programu,vyjádřeného vztahem: . T = Ττ - (t : t1)2 x (Ττ - T2) , kde ' 'T znamená teplotu roztoku (° C), T-^ znamená teplotu při očkování (65 °C),

Tg znamená konečnou teplotu (45 °C), t-- znamená dobu od očkování, vyjádřenou v hodinách, t1 znamená celkovou dobu krystalizace (55 h).

Krystalizace se provádí ve vertikálním fcrýstalizá- toru, který je vybaven míchadlem. Krystaly se oddělí od roz-toku odstře dováním (5 minut, přetížení 2000 gi). a promyjí >.7Lib - 22 - vodou. Získané krystaly mají průměrnou velikosi 0,37 mm a ' π x čistotu 99,4 % (stanoveno vysokoúčinnou kapalihovoúchroma-tografií).

Svrchu uvedený gbecný popis a experimenty popsanév příkladech jsou zamýšleny jako ilustrace tohoto vynálezua nesmějí být pokládány za jeho omezení. Další varianty v duchu a rozsahu tohoto vynálezu jsou možné á budou zřejmé od-borníkům v oboru.

Claims (25)

&amp;fO~ 70 -23 - Z V E N A Roky

1. Způsob výroby xylitolu z vs, /roztoku xy-lózy, vyznačující se tím, že se fermentuje vodný roztok xylozy ^kmenem kvasinek, který je schopen převést volnou xylózu na xylitol a volné he-xózy přítomné v roztoku na ethanol, během doby dostačujícípro produkci fermentovaného roztoku obsahujícího xylitol a oddělí se frakce bohatá na xylitol nebo frakcebohaté na xylitol chromatografickým dělením z fermentačníhoroztoku.

2. Způsob podle bodu 1, vyznačující se tím, žese použije kvasinkových,rodů Candida nebo Debaryomyces. J

3· Způsob podle bodu 2, vyznačující se tím, žese použije kvasinkového kmene Candida tropicalis.

4. Způsob podle bodu 3, vyznačující se tím, žese použije kvasinkového kmene Candida tropicalis, který jeoznačen číslem 9968 ve sbírce American Type Culture Collection

5. Způsob' podle bodu 2, vyznačující se tím, žese použije kvasinkového kmene Debaryomyces hansenii.

6. Způsob podlé bodu 1, vyznačující se tím, žexylitol se získává z frakce nebo frakcí bohatých xylitolem.

7. Způsob podle bodu 6, vyznačující se tím, žexylitol se získává z frakce nebo"frakcí bohatých na xylitol • \ - 24 - η

8. Způsob podle bodu 1, vyznačující se tím, že ‘se fermentace provádí za teploty asi 30 °C po dobu zhruba48 hodin.

9. Způsob podle bodu 7, vyznačující se tím, žefermentace 'se provádí asi 48 hodin.

10. Způsob podle bodu 1, vyznačující se tím, žekvasinkové buňky se odstraňují odstřelováním po fermentacia před chromátografickým oddělováním.

11. Způsob podle bodu 1, vyznačující se tím, žekvasinkové buňky se odstraňují filtrací po:fermentaci a před chromátografickým oddělováním.

12. Způsob podle bodu 1, vyznačující: se tím, že : jako nápln kolony se při chromatografickém oddělování použí-vá kationmeničová pryskyřice. .

13. Způsob podle bodu 12, vyznačující se tím, že pryskyřice má skelet sulf ono váného-'polystyrenů, který je ze-silovaný divinylbenzenem. ; i 3 '· · ; u

14· Způsob podle-bodu 1, vyznačující se tím, žese jako eluěnt při chromatogpafickém dělení používá voda.

15. Způsob podle bodu 1, vyznačující·se tím, ževodným roztokem xylózy je hydrolyzát hemicelulózy.

16. Způsob podle bodu 1, vyznačující se.tím, že >vodným roztokem xylózy je frakce obohacená xylózóu z vyčerpáného sulfitového výluhu.

17. Způsob podle bodu 1, vyznačující se tím, že - 25 se ethanol odstraní odpařením nebo destilací po fermentaci. .. ' i : 1

18. Způsob podle bodu 1,;vyznačující se tím, že se fermentace provádí v prostředí, kde koncentrace xylózy jev rozmezí od 50 g/1 do 300 g/1. í

19. Způsob podle bodu 1, vyznačující se tím, žefermentace se provádí při hodnotě pH v rozmezí od 3 do 9·

20. Způsob podle bodu, 19, vyznačující sě tím, žefermentace se provádí při hodnotě pH v rozmezí od 5 ůo 7·

21. Způsob podle bodu 1, vyznačující se tím, že se fermentace provádí při teplotě v rozmezí od:10 do 45 °C. :

22. Způsob podle bodu 21, vyznačujíící se tím, žefermentace se provádí při teplotě v rozmezí- jrw. odí 25 do

23. Způsob podle bodu 1, vyznačující se tím, žefermentace se provádí při omezeném dodávání kyslíku.

[ , 24· Způsob podle bodu 1, vyznačující se; tím, že J·. :· I · f. . i i i .i: I' složky, které mohou být toxické pro kvasinky, nebo 'jiné nečiš- toty, se odstraňují z vodného roztoku xylíózy před fermentaci. ' í. v i , 1 ! 4,' Mí i,· ft

25. Způsob podle bodu 24, vyznačující se tím, žeoddělování se provádí prostředky k’’chromá to graf ické separaci.