納濾制備葡萄糖的工藝

本發明涉及 

 食品加工飼料流的一部分，特别是（但不僅限于）用于生産右旋糖。

蒸發，冷凍濃縮或冷凍幹燥是食品，制藥和生物加工工業中常用的脫水技術。蒸發需要為蒸發的每磅水輸入約1000 BTU（540 kcal / kg），而冷凍需要為凍結的每磅水輸入約144 BTU，僅是為了使水的狀态從液體變為蒸氣或液體分别為固體。

由于膜過濾不需要改變狀态即可進行脫水，因此應可節省大量能源。不太明顯的優點是不需要複雜的傳熱或生熱設備的事實。驅動泵電動機隻需要電能。另一個優點是可以在環境溫度或更低的溫度（例如，防止微生物生長問題或熱敏組分變性）或更高的溫度（例如，将微生物生長問題減至*小）下進行膜過濾，從而降低滲餘物的粘度。降低抽水成本，或改善傳質）。由于小分子通常應自由通過濾膜，它們在膜兩邊的濃度在處理過程中應大緻相同，并且應與原始進料溶液相同。因此，膜過濾比其他脫水工藝具有許多優勢。

由Technomics Publishing Co.，Inc.出版的Munir Cheryan出版的題為“超濾手冊”的書。美國賓夕法尼亞州蘭開斯特市New Holland Ave 851号，賓夕法尼亞州17604，美國描述了膜過濾是将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，可防止物質運動，但允許一種或多種物質通過它而受到限制或調節。膜過濾包括使用這種屏障使某些組分通過，同時保留混合物的某些其他組分，以便分離液流中溶解的溶質。

膜可以通過其多孔結構與無孔結構進行分類。滲透涉及響應于膜兩側水之間的化學勢差，溶劑從稀溶液側通過半滲透膜移動到膜的濃溶液側。

其他五個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。反滲透或超濾可将溶解的分子分離到離子範圍。反滲透或超濾涉及脫水，而超濾則通過濃縮和分級分離大分子或細膠體懸浮液同時進行純化。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。超濾僅需要相當低的操作壓力。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産中使用膜過濾是有利的。迄今為止，使用右旋糖作為化學原料的缺點集中在獲得具有足夠高純度的右旋糖流時遇到的困難，因為右旋糖分子必須與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。用于生産高純度葡萄糖（即，大于99％的純度）的常規方法需要非常高濃度的糖漿的昂貴且費時的結晶。因此，需要非結晶替代方法來提供廉價的高純度葡萄糖流。

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。盡管常規的超濾提供了純化或分離某些發酵産物和化學産品的方法，但是它對于分離和純化相當類似的化合物（如麥芽糖和右旋糖）的作用不大。

因此，本發明的目的是提供用于處理和純化化學進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料流。就此而言，目的是提供分離和純化葡萄糖進料流的裝置和方法。

另一個目的是提供用于生産葡萄糖的更快，更便宜和更節能的方法。在此，目的是将葡萄糖從食品加工原料流中與其密切相關的組分中分離出來。

根據本發明的一個方面，這些和其他目的是通過提供一種 

進料流輸出處或附近的膜。進料流從玉米澱粉的生産開始，通過糊化，糊精和糖化步驟進行以提供葡萄糖漿的進料流。前述方法可以産生具有約95％右旋糖，5％二糖和三糖的純度的葡萄糖漿。本發明使用

為了進一步精制糖漿并除去大部分剩餘的5％的非右旋糖原料，請使用此方法。之後

，則該物質可能遠遠超過99％的純葡萄糖。

在附圖中：

所附附圖1中所示的特定進料流中的初始步驟取自《新生物實用手冊》，該手冊由丹麥Baajsuaerd的Novo Industri A / S酶科出版。進料流以澱粉漿20開始，該澱粉漿由加工過的玉米産生。在液化步驟的一部分中，使漿料在高溫（100℃）下暴露于α-澱粉酶，所述糊化使澱粉糊化和液化。如圖22、24所示，在α-澱粉存在下的澱粉分兩步蒸煮，以首先糊化，然後進行糊精化，以提供暴露于葡糖澱粉酶的糊精糖漿。作為該步驟的一部分和之後，進行糖化，如26所示，産生葡萄糖漿。

該過程産生葡萄糖漿27，其為約95％的葡萄糖和5％的二糖或三糖。迄今為止，沒有簡單的方法可以消除剩餘的5％的二糖和三糖。制造商要麼出售其中含糖的葡萄糖漿，要麼進行了使用另一種酶的進一步處理，這使成本上升。

根據本發明，可以通過以下方式消除對進一步酶步驟的需要： 

處理。更特别地，葡萄糖漿27通過

 膜28。該過濾将葡萄糖與二糖和三糖分離，并産生純淨的葡萄糖物流，比需要進一步酶處理的先前添加的步驟快得多且成本更低。

更詳細地說， 

使用介于反滲透膜和超濾膜之間的壓力驅動膜，稱為“納米過濾器”膜。的

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

令人驚訝地，我們發現當與高濃度的葡萄糖進料流一起使用時，這些納米膜産生初始滲透的葡萄糖進料流，其純度比原始進料流高得多。進一步的工作還表明，當在下遊加工步驟中使用時，這些納米膜不僅去除二糖和高級糖，而且在一定程度上去除二價鹽，從而提供高度純化的産物。

目前，FilmTec是一家位于明尼蘇達州明尼阿波利斯市7200 Ohms Lane的公司，地址為55435，該公司有兩個 

 膜，NF70和NF40（NF代表 

）。每個膜都具有尚未量化的負表面電荷。

濾膜NF70是交聯的芳族聚酰胺。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，FilmTec描述了他們的

 膜NF70如下：

元素規格：規格基于在70 PSI淨壓力，25°C下1,000 mg / l溶質進料溶液。C，回收率10％，pH 5-8。

性能數據：
無機物：以下數據是基于70PSI淨壓力25°C得出的。X，10％回收率，pH7-8，無機物排斥可能随濃度而變化。

有機物：以下數據基于70 PSI淨壓力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。

另一個來源 

膜是Filtration Engineering Co. inc。明尼蘇達州新希望市4974 County Road 18 North，明尼蘇達州55428。過濾工程公司将其FE-700-002膜描述為一種交聯聚酰胺，具有排斥特性，可區分低分子量物質。該膜的排斥特性介于反滲透和超濾之間。膜的孔結構能夠使氯化鈉和硫酸鈣分離。據說通過同時濃縮殘留物質的能力進一步提高了膜的實用性。這種膜在工藝流參數（例如pH值，離子強度和溫度的變化）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：交聯聚酰胺
滲透性：（标稱）

Osmonics Inc.公司生産實驗膜“ Osmo MX-06”，該膜是類似于Filtration Engineering膜的薄膜。但是，制造商尚未對此膜發布任何規格。

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

 膜産生正的淨表面電荷。

通常，根據本發明，将所需的低分子量化合物或分子的5.0至50％的溶液在約600PSI下進料至納米過濾器。低分子量小于500MW。産物通過膜，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料流中的分子量，離子電荷和分子濃度。

在本發明的實驗實踐中，葡萄糖以低濃度被膜保留。但是，當使用28％的葡萄糖時，葡萄糖滲透到一定程度，而實際上所有的高級寡糖都保留了下來。

在有機的情況下 

 鹽，例如乳酸 

 或多或少的 

 是否以鹽形式或遊離形式存在于滲透物流中 

。溪流以遊離态更快地滲透膜

 比鹽還多

圖2示出了由制造商指定為“ Osmo 19T”的實驗室儀器。該儀器在實驗室中用于進行實驗，得出以下一些工作實例。它具有用于容納葡萄糖漿27的開放罐50，該罐通過進料泵52和壓力泵54連接至膜容器56。壓力計58将壓力維持在約450PSI，每分鐘4-5加侖。合适的閥裝置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，以便将已經通過泵54的湍流的一些原料流混合回到新鮮的進入的原料流中。有限的流量還會緩沖存儲一些材料，以将管路壓力調節到450 PSI。

膜容器56可以被認為是具有在其内部沿直徑方向拉伸的膜的無應變鋼管，以将内部分成進入室和離開室，它們之間的唯一通道是通過膜。該膜可以被認為是不通過任何大于葡萄糖分子的分子的過濾器。實際上，膜是複雜的螺旋形。無論如何，材料在62處作為滲透物進入膜56的入口側的容器56，穿過膜并從出口側離開。

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，未通過膜的材料積聚并且會積聚而堵塞膜。為了避免這種堵塞，一些材料（“滞留物”）通過管道64從入口側返回罐中。壓力計66設定在大約430PSI，這在整個膜上建立了20PSI的淨差。閥68設定為調節反饋的滞留物的體積。

在工廠中建立了一個試驗系統（圖1）來測試大規模生産。在該示例中，葡萄糖漿27通過進料管70進入，通過泵72和流量計74到達膜罐容器76，該膜罐容器的構造與容器56大緻相同。壓力計78控制輸入。對膜的壓力。再循環回路（箭頭B所示）的流量由閥門80控制。

純化的葡萄糖産物的流出産物出現在82處。壓力計84以與壓力計66保持膜的大緻相同的方式維持膜上的背壓。調節壓力控制閥86以維持壓力表84處的期望壓力讀數。一部分滞留物在88處再循環至泵72的輸入。設置另一個閥90，以使一部分滞留物放出。可以以任何合适的方式利用該滲出材料，例如通過回到圖1的方法中的某個合适的上遊點或通過使用它來生産除基本上純的右旋糖以外的産物。

使用Osmo 19T中試系統，對三個膜進行了葡萄糖提純，測試了葡萄糖膜對糖化玉米澱粉衍生進料的純化。

使用Filtration Engineering UO膜進行較大規模的運行。建立了一個全天候系統，以确定生産規模的運營過程中的過濾。該膜具有1000平方英尺的過濾面積。結果如下所示：

産品和飼料特性的日平均結果如下所示。

使用Filmtech NF-40膜，在Osmo 19T中試系統中處理20加侖的幹固體百分比不同的葡萄糖液。進料和産物流的工藝條件，通量和純度如下所示。

五天後從與示例2中使用的系統相同的結果。

當天的平均結果。

将含有約36％乳酸離子的濃縮的500,000 MW超濾幹酪乳杆菌發酵液稀釋至約10％乳酸，超濾（50,000插入，MW）并在pH 6.0和pH 2.3進行納濾後進行納濾。

。實施例5中所用的發酵液取自溶液的48小時發酵，該溶液每升含140克葡萄糖，5克/升酵母提取物，30克浸泡水幹固體/升和1.0克（NH 3）溶液。每升2 PO 3。将該糊狀物用幹酪乳杆菌鼠李糖亞種發酵，并添加氨以将pH控制在pH 6.0和110℃。當發酵所有葡萄糖時，将肉湯超濾并濃縮至36％乳酸離子。

對于此示例，在Osmo 19T引導系統上使用Osmo MX06膜在約400 PSI和45°C的溫度下進行了測試。超濾材料（A）的樣品，在pH 6（B）的條件下進行納米過濾，在pH 2.3的條件下進行納米過濾（ C）全部調節至pH 2.4并濃縮至20-30％的乳酸 

進行進一步處理。對這些樣品進行HPLC（高壓液相色譜）分析，結果如下所示。

可以看出，納米過濾器除去了大多數二糖和一些單糖。同樣，在乳酸的pH值

 不被離子化，乳酸的比例 

 滲透液中無機鹽的含量增加，從而提供更高的純化系數。

本領域技術人員将容易理解如何修改本發明。因此，所附權利要求将被解釋為覆蓋落入本發明的真實範圍和精神内的所有等同結構。