納濾制備葡萄糖的工藝

本發(fā)明涉及 

 食品加工飼料流的一部分，特別是（但不僅限于）用于生產(chǎn)右旋糖。

蒸發(fā)，冷凍濃縮或冷凍干燥是食品，制藥和生物加工工業(yè)中常用的脫水技術(shù)。蒸發(fā)需要為蒸發(fā)的每磅水輸入約1000 BTU（540 kcal / kg），而冷凍需要為凍結(jié)的每磅水輸入約144 BTU，僅是為了使水的狀態(tài)從液體變?yōu)檎魵饣蛞后w分別為固體。

由于膜過濾不需要改變狀態(tài)即可進(jìn)行脫水，因此應(yīng)可節(jié)省大量能源。不太明顯的優(yōu)點(diǎn)是不需要復(fù)雜的傳熱或生熱設(shè)備的事實(shí)。驅(qū)動(dòng)泵電動(dòng)機(jī)只需要電能。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以在環(huán)境溫度或更低的溫度（例如，防止微生物生長(zhǎng)問題或熱敏組分變性）或更高的溫度（例如，將微生物生長(zhǎng)問題減至*?。┫逻M(jìn)行膜過濾，從而降低滲余物的粘度。降低抽水成本，或改善傳質(zhì)）。由于小分子通常應(yīng)自由通過濾膜，它們?cè)谀蛇叺臐舛仍谔幚磉^程中應(yīng)大致相同，并且應(yīng)與原始進(jìn)料溶液相同。因此，膜過濾比其他脫水工藝具有許多優(yōu)勢(shì)。

由Technomics Publishing Co.，Inc.出版的Munir Cheryan出版的題為“超濾手冊(cè)”的書。美國(guó)賓夕法尼亞州蘭開斯特市New Holland Ave 851號(hào)，賓夕法尼亞州17604，美國(guó)描述了膜過濾是將兩種或多種組分從流體中分離出來的方法。膜是一種選擇性屏障，可防止物質(zhì)運(yùn)動(dòng)，但允許一種或多種物質(zhì)通過它而受到限制或調(diào)節(jié)。膜過濾包括使用這種屏障使某些組分通過，同時(shí)保留混合物的某些其他組分，以便分離液流中溶解的溶質(zhì)。

膜可以通過其多孔結(jié)構(gòu)與無孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類。滲透涉及響應(yīng)于膜兩側(cè)水之間的化學(xué)勢(shì)差，溶劑從稀溶液側(cè)通過半滲透膜移動(dòng)到膜的濃溶液側(cè)。

其他五個(gè)主要的膜分離過程是反滲透或超濾，微濾，滲析和電滲析，它們涵蓋了各種粒徑。反滲透或超濾可將溶解的分子分離到離子范圍。反滲透或超濾涉及脫水，而超濾則通過濃縮和分級(jí)分離大分子或細(xì)膠體懸浮液同時(shí)進(jìn)行純化。反滲透或超濾保留了除溶劑（水）本身以外的大部分/幾乎所有組分，而超濾僅保留了大于約10-200 A的大分子或顆粒。超濾僅需要相當(dāng)?shù)偷牟僮鲏毫Α?/span>反滲透，超濾，

由于這些和其他原因，在某些食品例如葡萄糖的生產(chǎn)中使用膜過濾是有利的。迄今為止，使用右旋糖作為化學(xué)原料的缺點(diǎn)集中在獲得具有足夠高純度的右旋糖流時(shí)遇到的困難，因?yàn)橛倚欠肿颖仨毰c具有幾乎相同特性的分子或其他材料（例如麥芽糖）分離。和更高的低聚糖。用于生產(chǎn)高純度葡萄糖（即，大于99％的純度）的常規(guī)方法需要非常高濃度的糖漿的昂貴且費(fèi)時(shí)的結(jié)晶。因此，需要非結(jié)晶替代方法來提供廉價(jià)的高純度葡萄糖流。

迄今為止，膜尚未能夠分離緊密相似的材料。通過反滲透膜的擴(kuò)散能夠濃縮含有葡萄糖，麥芽糖和鹽的物流以提供純化的水流，但是不能通過去除麥芽糖和鹽來純化葡萄糖。盡管常規(guī)的超濾提供了純化或分離某些發(fā)酵產(chǎn)物和化學(xué)產(chǎn)品的方法，但是它對(duì)于分離和純化相當(dāng)類似的化合物（如麥芽糖和右旋糖）的作用不大。

因此，本發(fā)明的目的是提供用于處理和純化化學(xué)進(jìn)料流的新的和新穎的裝置和方法。此處的目的是純化食品加工中使用的進(jìn)料流。就此而言，目的是提供分離和純化葡萄糖進(jìn)料流的裝置和方法。

另一個(gè)目的是提供用于生產(chǎn)葡萄糖的更快，更便宜和更節(jié)能的方法。在此，目的是將葡萄糖從食品加工原料流中與其密切相關(guān)的組分中分離出來。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，這些和其他目的是通過提供一種 

進(jìn)料流輸出處或附近的膜。進(jìn)料流從玉米淀粉的生產(chǎn)開始，通過糊化，糊精和糖化步驟進(jìn)行以提供葡萄糖漿的進(jìn)料流。前述方法可以產(chǎn)生具有約95％右旋糖，5％二糖和三糖的純度的葡萄糖漿。本發(fā)明使用

為了進(jìn)一步精制糖漿并除去大部分剩余的5％的非右旋糖原料，請(qǐng)使用此方法。之后

，則該物質(zhì)可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過99％的純葡萄糖。

在附圖中：

所附附圖1中所示的特定進(jìn)料流中的初始步驟取自《新生物實(shí)用手冊(cè)》，該手冊(cè)由丹麥Baajsuaerd的Novo Industri A / S酶科出版。進(jìn)料流以淀粉漿20開始，該淀粉漿由加工過的玉米產(chǎn)生。在液化步驟的一部分中，使?jié){料在高溫（100℃）下暴露于α-淀粉酶，所述糊化使淀粉糊化和液化。如圖22、24所示，在α-淀粉存在下的淀粉分兩步蒸煮，以首先糊化，然后進(jìn)行糊精化，以提供暴露于葡糖淀粉酶的糊精糖漿。作為該步驟的一部分和之后，進(jìn)行糖化，如26所示，產(chǎn)生葡萄糖漿。

該過程產(chǎn)生葡萄糖漿27，其為約95％的葡萄糖和5％的二糖或三糖。迄今為止，沒有簡(jiǎn)單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漿，要么進(jìn)行了使用另一種酶的進(jìn)一步處理，這使成本上升。

根據(jù)本發(fā)明，可以通過以下方式消除對(duì)進(jìn)一步酶步驟的需要： 

處理。更特別地，葡萄糖漿27通過

 膜28。該過濾將葡萄糖與二糖和三糖分離，并產(chǎn)生純凈的葡萄糖物流，比需要進(jìn)一步酶處理的先前添加的步驟快得多且成本更低。

更詳細(xì)地說， 

使用介于反滲透膜和超濾膜之間的壓力驅(qū)動(dòng)膜，稱為“納米過濾器”膜。的

 具有一價(jià)陰離子的鹽和分子量低于150的非離子有機(jī)物的排斥率低。具有二價(jià)和多價(jià)陰離子的鹽和分子量約為300的有機(jī)物的排斥率高。當(dāng)與稀的鹽和糖流混合使用時(shí)，這些納米膜保留糖以及二價(jià)離子與一價(jià)離子

令人驚訝地，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)與高濃度的葡萄糖進(jìn)料流一起使用時(shí)，這些納米膜產(chǎn)生初始滲透的葡萄糖進(jìn)料流，其純度比原始進(jìn)料流高得多。進(jìn)一步的工作還表明，當(dāng)在下游加工步驟中使用時(shí)，這些納米膜不僅去除二糖和高級(jí)糖，而且在一定程度上去除二價(jià)鹽，從而提供高度純化的產(chǎn)物。

目前，F(xiàn)ilmTec是一家位于明尼蘇達(dá)州明尼阿波利斯市7200 Ohms Lane的公司，地址為55435，該公司有兩個(gè) 

 膜，NF70和NF40（NF代表 

）。每個(gè)膜都具有尚未量化的負(fù)表面電荷。

濾膜NF70是交聯(lián)的芳族聚酰胺。濾膜NF40和NF70相似；但是，膜NF40的NaCl截留率略低，這表明其孔稍大于NF70膜的孔。例如，F(xiàn)ilmTec描述了他們的

 膜NF70如下：

元素規(guī)格：規(guī)格基于在70 PSI凈壓力，25°C下1,000 mg / l溶質(zhì)進(jìn)料溶液。C，回收率10％，pH 5-8。

性能數(shù)據(jù)：
無機(jī)物：以下數(shù)據(jù)是基于70PSI凈壓力25°C得出的。X，10％回收率，pH7-8，無機(jī)物排斥可能隨濃度而變化。

有機(jī)物：以下數(shù)據(jù)基于70 PSI凈壓力25°。C和10％的回收率。

表1顯示了FilmTec納濾膜的一些操作條件和性能。

另一個(gè)來源 

膜是Filtration Engineering Co. inc。明尼蘇達(dá)州新希望市4974 County Road 18 North，明尼蘇達(dá)州55428。過濾工程公司將其FE-700-002膜描述為一種交聯(lián)聚酰胺，具有排斥特性，可區(qū)分低分子量物質(zhì)。該膜的排斥特性介于反滲透和超濾之間。膜的孔結(jié)構(gòu)能夠使氯化鈉和硫酸鈣分離。據(jù)說通過同時(shí)濃縮殘留物質(zhì)的能力進(jìn)一步提高了膜的實(shí)用性。這種膜在工藝流參數(shù)（例如pH值，離子強(qiáng)度和溫度的變化）方面為用戶提供了很大的自由度。

制造商描述了FE-700-002薄膜的特性，如下所示：
成分：交聯(lián)聚酰胺
滲透性：（標(biāo)稱）

Osmonics Inc.公司生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)?zāi)ぁ?Osmo MX-06”，該膜是類似于Filtration Engineering膜的薄膜。但是，制造商尚未對(duì)此膜發(fā)布任何規(guī)格。

對(duì)于所有的納濾膜，硫酸鎂的截留率很高（90-98％），而氯化鈉的截留率在50％或更低。由于這些膜帶負(fù)電，因此陰離子排斥主要決定了溶質(zhì)的排斥。例如，氯化鈣的截留率與氯化鈉的截留率大致相同（甚至更低），而硫酸鈉的截留率與硫酸鎂的截留率大致相同。二價(jià)和多價(jià)陰離子被高度排斥。到目前為止，尚無已知案例發(fā)生，其中高電荷的陽(yáng)離子與

 膜產(chǎn)生正的凈表面電荷。

通常，根據(jù)本發(fā)明，將所需的低分子量化合物或分子的5.0至50％的溶液在約600PSI下進(jìn)料至納米過濾器。低分子量小于500MW。產(chǎn)物通過膜，而不同程度的較大分子不通過膜并被膜保留。穿過膜的任何給定分子的量取決于進(jìn)料流中的分子量，離子電荷和分子濃度。

在本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐中，葡萄糖以低濃度被膜保留。但是，當(dāng)使用28％的葡萄糖時(shí)，葡萄糖滲透到一定程度，而實(shí)際上所有的高級(jí)寡糖都保留了下來。

在有機(jī)的情況下 

 鹽，例如乳酸 

 或多或少的 

 是否以鹽形式或游離形式存在于滲透物流中 

。溪流以游離態(tài)更快地滲透膜

 比鹽還多

圖2示出了由制造商指定為“ Osmo 19T”的實(shí)驗(yàn)室儀器。該儀器在實(shí)驗(yàn)室中用于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出以下一些工作實(shí)例。它具有用于容納葡萄糖漿27的開放罐50，該罐通過進(jìn)料泵52和壓力泵54連接至膜容器56。壓力計(jì)58將壓力維持在約450PSI，每分鐘4-5加侖。合適的閥裝置60通過有限的流量，該有限的流量形成由箭頭A表示的反饋回路，以便將已經(jīng)通過泵54的湍流的一些原料流混合回到新鮮的進(jìn)入的原料流中。有限的流量還會(huì)緩沖存儲(chǔ)一些材料，以將管路壓力調(diào)節(jié)到450 PSI。

膜容器56可以被認(rèn)為是具有在其內(nèi)部沿直徑方向拉伸的膜的無應(yīng)變鋼管，以將內(nèi)部分成進(jìn)入室和離開室，它們之間的唯一通道是通過膜。該膜可以被認(rèn)為是不通過任何大于葡萄糖分子的分子的過濾器。實(shí)際上，膜是復(fù)雜的螺旋形。無論如何，材料在62處作為滲透物進(jìn)入膜56的入口側(cè)的容器56，穿過膜并從出口側(cè)離開。

由于較小的分子（如果有的話）在該過程的早期被除去，因此在62處的滲透物幾乎是純葡萄糖。因此，在膜的入口側(cè)，未通過膜的材料積聚并且會(huì)積聚而堵塞膜。為了避免這種堵塞，一些材料（“滯留物”）通過管道64從入口側(cè)返回罐中。壓力計(jì)66設(shè)定在大約430PSI，這在整個(gè)膜上建立了20PSI的凈差。閥68設(shè)定為調(diào)節(jié)反饋的滯留物的體積。

在工廠中建立了一個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)（圖1）來測(cè)試大規(guī)模生產(chǎn)。在該示例中，葡萄糖漿27通過進(jìn)料管70進(jìn)入，通過泵72和流量計(jì)74到達(dá)膜罐容器76，該膜罐容器的構(gòu)造與容器56大致相同。壓力計(jì)78控制輸入。對(duì)膜的壓力。再循環(huán)回路（箭頭B所示）的流量由閥門80控制。

純化的葡萄糖產(chǎn)物的流出產(chǎn)物出現(xiàn)在82處。壓力計(jì)84以與壓力計(jì)66保持膜的大致相同的方式維持膜上的背壓。調(diào)節(jié)壓力控制閥86以維持壓力表84處的期望壓力讀數(shù)。一部分滯留物在88處再循環(huán)至泵72的輸入。設(shè)置另一個(gè)閥90，以使一部分滯留物放出。可以以任何合適的方式利用該滲出材料，例如通過回到圖1的方法中的某個(gè)合適的上游點(diǎn)或通過使用它來生產(chǎn)除基本上純的右旋糖以外的產(chǎn)物。

使用Osmo 19T中試系統(tǒng)，對(duì)三個(gè)膜進(jìn)行了葡萄糖提純，測(cè)試了葡萄糖膜對(duì)糖化玉米淀粉衍生進(jìn)料的純化。

使用Filtration Engineering UO膜進(jìn)行較大規(guī)模的運(yùn)行。建立了一個(gè)全天候系統(tǒng)，以確定生產(chǎn)規(guī)模的運(yùn)營(yíng)過程中的過濾。該膜具有1000平方英尺的過濾面積。結(jié)果如下所示：

產(chǎn)品和飼料特性的日平均結(jié)果如下所示。

使用Filmtech NF-40膜，在Osmo 19T中試系統(tǒng)中處理20加侖的干固體百分比不同的葡萄糖液。進(jìn)料和產(chǎn)物流的工藝條件，通量和純度如下所示。

五天后從與示例2中使用的系統(tǒng)相同的結(jié)果。

當(dāng)天的平均結(jié)果。

將含有約36％乳酸離子的濃縮的500,000 MW超濾干酪乳桿菌發(fā)酵液稀釋至約10％乳酸，超濾（50,000插入，MW）并在pH 6.0和pH 2.3進(jìn)行納濾后進(jìn)行納濾。

。實(shí)施例5中所用的發(fā)酵液取自溶液的48小時(shí)發(fā)酵，該溶液每升含140克葡萄糖，5克/升酵母提取物，30克浸泡水干固體/升和1.0克（NH 3）溶液。每升2 PO 3。將該糊狀物用干酪乳桿菌鼠李糖亞種發(fā)酵，并添加氨以將pH控制在pH 6.0和110℃。當(dāng)發(fā)酵所有葡萄糖時(shí)，將肉湯超濾并濃縮至36％乳酸離子。

對(duì)于此示例，在Osmo 19T引導(dǎo)系統(tǒng)上使用Osmo MX06膜在約400 PSI和45°C的溫度下進(jìn)行了測(cè)試。超濾材料（A）的樣品，在pH 6（B）的條件下進(jìn)行納米過濾，在pH 2.3的條件下進(jìn)行納米過濾（ C）全部調(diào)節(jié)至pH 2.4并濃縮至20-30％的乳酸 

進(jìn)行進(jìn)一步處理。對(duì)這些樣品進(jìn)行HPLC（高壓液相色譜）分析，結(jié)果如下所示。

可以看出，納米過濾器除去了大多數(shù)二糖和一些單糖。同樣，在乳酸的pH值

 不被離子化，乳酸的比例 

 滲透液中無機(jī)鹽的含量增加，從而提供更高的純化系數(shù)。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易理解如何修改本發(fā)明。因此，所附權(quán)利要求將被解釋為覆蓋落入本發(fā)明的真實(shí)范圍和精神內(nèi)的所有等同結(jié)構(gòu)。