DE2003732B2 - Kontinuierliches verfahren zur gewinnung von gluconsaeure - Google Patents
Kontinuierliches verfahren zur gewinnung von gluconsaeureInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein kontinuierliches Verfahren Zur Gewinnung von Gluconsäure durch enzymatische
Umwandlung eines glucosehaltigen Materials mittels Glucoseoxydase in flüssigem Medium.
Der Ausdruck »Glucoseoxydase«, wie es hier in der Beschreibung verwendet wird, bedeutet beta-d-Glucose:
O2 Oxidorektase (E. C. 1.1.3.4.). Hinsichtlich
des zuvor genannten Identifizierungssystems wird auf »Emzyme Nomenclature; Recommendations (1964)
of International Union of Biochemistry; Elsevier (1965)« verwiesen. Glucoseoxydase überträgt zwei
Wasserstoffatome aus der >CHOH-Gruppe von Glucose auf O2 unter Bildung von
>C = O und H2O2.
Bisher hat Glucoseoxydase industrielle Verwendung Zur Entfernung von Glucosespuren und zur Entfernung
von Sauerstoff aus Nahrungsmitteln gefunden. Beispielsweise wurde Glucoseoxydase in der Technik
benutzt, um restliche Spuren reduzierender Zucker aus Trockeneinweiß und Trockenganzei zu entfernen.
Sie wurde auch zu Nahrungsmitteln, beispielsweise zu Bier, Wein, Fruchtsäften und Mayonnaise, zugesetzt,
«welche oxydativer Verschlechterung unterworfen sind, <wenn sie der stetigen Anwesenheit kleiner Sauerstoffinengen
ausgesetzt sind. Zusätzlich zu diesen technischen Anwendungen wurde Glucoseoxydase als
analytisches Mittel zur Bestimmung von Glucose ein- !gesetzt.
Jedoch wurde bisher Glucoseoxydase nicht für die technische Gewinnung von Gluconsäure angewendet.
Ein wesentlicher Grund für diese NichtVerwendung (ist der hohe Preis des Enzyms.
Aufgabe der Erfindung ist ein praktisches, kontinuierliches Verfahren für die enzymatische Gewinnung
von Gluconsäure, wobei Glucoseoxydase wiedergewonnen und wiederbenutzt werden kann, ohne in
irreversibler Weise inaktiviert zu werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Lösung dieser Aufgabe zeichnet sich dadurch aus, daß man die
erhaltene Reaktionslösung zur Abtrennung von Gluconsäure und Glucoseoxydase einer Elektrodiolyse
unterwirft.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Elektrodialyse durchgeführt, nachdem 50% der Glucose
umgewandelt worden sind.
Die Ausgangsstufe, nämlich die enzymatische Umwandlung, beim erfindungsgemäßen Verfahren ist an
sich bekannt und bildet daher für sich keinen Teil der Erfindung. Diese enzymatische Umwandlung von
Glucose zu Gluconsäure umfaßt die Behandlung eines glucosehaltigen Materials in einem flüssigen Medium
mit einer Enzymzubereitung, welche Glucoseoxydaseaktivität besitzt, in Gegenwart einer Quelle für freien
Sauerstoff, z. B. von Wasserstoffperoxyd. Während dieser Enzymkonvertierungsstufe wird das Reaktionsmedium so geregelt, daß die gewünschte Reaktion
begünstigt wird. Weil die meisten Enzymzubereitungen am wirksamsten innerhalb eines bestimmten pH-Bereiches
sind und weil bei der Glucoseoxydaseumwandlung von Glucose die Gluconsäure in stetiger Weise
gebildet wird, ist es notwendig, den pH-Wert des Reaktionsmediums in stetiger Weise während der
ganzen Dauer der enzymatischen Umwandlung zu regeln. Im allgemeinen, wenn der pH-Wert zwischen
etwa 4,2 und etwa 7, vorzugsweise zwischen etwa 5 und etwa 6, gehalten wird, schreitet die Umwandlung
in zufriedenstellender Weise voran. Ein übliches Verfahren zur Regelung des pH-Wertes besteht in dem
kontinuierlichen Zusatz eines Alkali, z. B. Natriumhydroxyd. Das Alkali wirkt naturgemäß neutralisierend
auf die Gluconsäure unter Bildung eines entsprechenden Gluconates, z. B. Natriumgluconat. Bisher
haben Versuche, das pH durch Verwendung \ on Alkali zu regeln, zusätzliche Probleme geschaffen.
Beispielsweise kann der Alkalizusatz zur irreversiblen Inaktivierung des Enzyms führen, was die Verwendung
zusätzlicher Enzymmengen erfordert. Die US-Patentschrift 26 51 592 offenbart eine Arbeitsweise für
die von Glucose zu Gluconsäure mittel Glucoseoxydase, offenbart aber nicht ein praktisches Verfahren
für das Abtrennen der Gluconsäure und Wiedergewinnen aktiver Glucoseoxydase.
Während der Stand der Technik die enzymatische Umwandlung von Glucose zu Gluconsäure offenbart,
lehrt er aber nicht ein Verfahren zur Ausführung einer solchen Umwandlung in einer brauchbaren Weise,
welche zur Abtrennung von Gluconsäure und Wiedergewinnung eines in dem Verfahren wiederverwendbaren
Enzyms führt.
Demgegenüber schafft die zweite Stufe (Elektrodialyse) des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Mittel
für die praktische Abtrennung von Gluconsäure und die Wiedergewinnung des aktiven Enzyms.
Hierzu wird die aus der vorhergehenden Stufe anfallende Flüssigkeit in Mehrmembran-Elektrodialyseapparaten
einer Elektrodialyse unterworfen.
Für die Erfindung brauchbare Elektrodialyseapparate können von üblicher Art sein. Gewöhnlich wird
die Elektrodialyseapparatur eine große Zahl, vielleicht mehrere Hundert, abwechselnd voneinander getrennte
für Anionen und für Kationen durchlässige Membranen mit Abstandshaltern dazwischen umfassen.
Die Abstandshalter schaffen Abteile, durch welche Verfahrensströme über die Oberflächen der Membranen
umlaufen. Die Endkammern der Apparatur enthalten Elektroden zum Durchleiten eines Gleichstroms
durch alle Abteile. Ein Strom der Flüssigkeit aus der ersten Stufe des Verfahrens und ein Abwasserstrom
werden durch abwechselnde Kammern mittels geeigneter Verteiler geleitet. Beide Ströme werden
hinsichtlich Fließgeschwindigkeit, Druck, Temperatur u. dgl. geregelt. Wenn eine Gleichstromspannung an
die Elektroden der Apparatur angelegt wird, bewegen sich in dem Strom der Flüssigkeit anwesende Gluconatanionen
durch die benachbarte für Anionen durchlässige Membran in den Abwasserslrom, worin sie sich
mit Wasserstoffionen unter Bildung von Gluconsäure vereinigen. Das Enzym bleibt in dem abfließenden
Flüssigkeitsstrom, welcher in die erste Verfahrensstufe zurückgeführt wird. Eine Erörterung der Elektrodialyse
als Einheitsbehandlung kann in Encyclopedia of Chemical Technology, Kirk — Othmer,2. Auflage,
Band 7, Seiten 846—865 gefunden werden.
Das folgende Beispiel erläutert das erfindungsgemäße Verfahren noch weiter. In diesem Beispiel wie in der
ganzen übrigen Beschreibung und den Ansprüchen beziehen sich alle Angaben von Teilen oder Prozentsätzen
auf das Gewicht, wenn nichts anderes angegeben ist.
Das in diesem Beispiel verwendete glucosehaltige Ausgangsmaterial besteht aus 31 eines 'väßrigen
Sirups, welcher 688 g Trockensubstanz an Glucose enthält. Dieser Sirup mit einer Temperatur von 25° C,
einem anfänglichen pH von 5,5 und einem D. Ä. von 100 und 0,688 g einer handelsüblichen Glucoseoxydasezubereitung
mit dem Handelsnamen »Ovazyme« (geliefert von Fermco Laboratories), wurden in ein
Reaktionsgefäß gegeben.
50 Volumenteile Wasserstoffperoxyd wurden mit einer Fließgeschwindigkeit von 45 cm3 pro Stunde
in das Gefäß gegeben. Nach etwa 18 Stunden in dem Reaktionsgefäß war das D. Ä. des Sirups auf etwa
65,9 gefallen. Während dieser Zeit war das pH des Reaktionsmediums zwischen etwa 4,0 und 6,0 durch
Zusatz von 1 N Natriumhydroxyd gehalten worden.
Die Konvertierungsflüssigkeit mit einem D. Ä. von 65,9 wurde dann einer Elektrodialyse unterworfen.
Diese Stufe bestand aus neun Durchgängen durch eine Fünfzellen-Elektrodialyseeinheit, welche mit 50 Volt
und 1,76 kg/cm2 betrieben wurde.
Die Elektrodialyseapperatur enthielt 7 für Anionen durchlässige und 5 für Kationen durchlässige Membramen.
Der Strom der Flüssigkeit wurde zu dem Gerät mit einer Fließgeschwindigkeit von etwa
400 cm*/Minute, einem Druck von etwa 1,75 kg/cm*
und einer Temperatur von etwa 25 bis 30° C geschickt. Der Abwasserstrom zu dem Gerät umfaßte 0,05%
wäßriges Natriumgluconat und wurde zu dem Gerät mit einer Fließgeschwindigkeit von etwa 600 cm3/
Minute, einem Druck von etwa 1,75 kg/cm2 und einer Temperatur von etwa 25 bis 30° C geschickt. Während
der Elektrodialyse gehen Gluconationen aus dem Strom der Flüssigkeit durch die für Anionen durchlässige
Membran in den Abwasserstrom. Aktive Enzymzubereitung in dem Strom der Flüssigkeit ging
nicht durch irgendeine der Membranen und verblieb somit in dem abfließenden Flüssigkeitsstrom zusammen
mit Glucose. Dieser abfließende Strom wurde zu dem Reaktionsgefäß für weitere enzymatische
Umwandlung zurückgeführt. Der Abwasserstrom enthielt als Produkt Gluconsäure in Form von Natriumgluconat.
Die enzymatische Umwandlungsstufe und die FJektrodialysestufe wurden abwechselnd
während 'j Cyclen wiederholt, wobei zusätzliche Glucose zu dem Reaktionsgefäß zu Beginn jeder
enzvmatischen Umwandlungsstufe zugegeben wurde.
Keine zusätzliche Enzymzubereitung wurde während der 6 Cyclen zugeführt. Die Ergebnisse dieses Beispiels
folgen in der Tabelle
Die Tabelle zeigt an, daß das erfindungsgemäße Verfahren eine praktische Arbeitsweise für das Abtrennen
von Gluconsäure aus der Umwandlungsflüssigkeit und Wiedergewinnung von Glucoseoxydase
zwecks ihrer Wiederbenutzung schafft. Die Elektrodialysestufe inaktivierte nicht die Glucoseoxjdase.
| Zeit in Stunden |
zugesetzte Glucose (g) |
D. Ä. | Zahl der Elektro- dialyse- durchgänge |
Entferntes Natrium gluconat (g) |
| 0 | 688 | 100 | _ | _ |
| 18 | — | 65,9 | — | — |
| 20 | — | 76,6 | 9 | 102 |
| 20 | 1250 | 92,0 | — | — |
| 43 | — | 62,2 | — | — |
| 44 | — | 85,3 | 7 | 524 |
| 50 | 850 | 91 | — | — |
| 67 | — | 69,0 | — | — |
| 68 | — | 78,0 | 4 | 262 |
| 70 | 350 | 81,5 | — | — |
| 90 | — | 70,0 | — | — |
| 91 | — | 78,3 | 6 | 293 |
| 118 | — | 65,1 | — | — |
| 120 | — | 84,3 | 10 | 447 |
| 120 | 1250 | 91,0 | — | — |
| 154 | — | 61,0 | — | — |
| 157 | 91,2 | 15 | 830 |
Bei der vorliegenden Erfindung wurde überraschenderweise festgestellt, daß die Reaktionsgeschwindigkeit,
mit welcher die enzymatische Umwandlung voranschreitet, in beträchtlicher Weise verringert wird
bei dem Punkt, wo etwa 50% der anfänglich vorhandenen Glucose in dem Reaktionsmedium umgewandelt
worden sind. Daher wird bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Elektrolysestufe
mit der Reaktionsflüssigkeit durchgeführt, wenn etwa 50% der Glucose umgewandelt sind.
Geeignete Enzymzubereitungen zur Ausführung enzymatischer Umwandlungen sind in der Technik
bekannt. Eine solche Enzymzubereitung ist geeignet zur Verwendung gemäß der Erfindung, vorausgesetzt,
sie wird nicht durch den in der Elektrodialysestufe eingesetzten elektrischen Strom inaktiviert.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird die pH-Kontrolle während c'er enzymatischem Umwandlung
durch Elektrodialyse bewirkt. Bei einer solchen Ausführungsform wird Gluconsäure (und nicht Natriumgluconat)
gebildet und unverzüglich durch die Membran übertragen.
Claims (2)
1. Kontinuierliches Verfahren zur Gewinnung von Gluconsäure duich enzymatische Umwandlung
eines glycodehaltigen Materials mittels GIucoseoxydase in flüssigem Medium, dadurch
gekennzeichnet, daß man die erhaltene Reaktionslösung zur Abtrennung von Gluconsäure
und Glucoseoxydase einer Elektrodialyse unterwirft.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Elektrodialyse durchführt,
nachdem 50% der Glucose umgewandelt worden sind.
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