制造葡萄糖的納濾方法
權(quán)利要求（22）
（1）甲過程用于制備高純度的右旋糖，所述方法包括以下步驟：（a）形成玉米淀粉漿;（b）在α-淀粉酶存在下將所述淀粉漿料烹煮足夠長的時間以產(chǎn)生凝膠化和糊精化;（c）在-60℃下用葡糖淀粉酶處理步驟（c）的糊精產(chǎn)物以產(chǎn)生糖化，并且得到葡萄糖漿; 和（d）對所述葡萄糖漿進(jìn)行納濾，以產(chǎn)生高純度葡萄糖。
（2）根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟（e）的所述納米過濾包括使所述葡萄糖漿通過具有通過葡萄糖分子的孔徑的膜的步驟，同時排除葡萄糖的二糖和三糖分子。
（3）根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述步驟（e）的所述納米過濾包括將所述葡萄糖漿通過納濾膜的添加步驟，所述納米過濾膜的壓力約為約400-425PSI，約120°F至約145°F
（4）根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述步驟（e）的所述納米過濾包括使所述葡萄糖漿通過納濾膜的添加步驟，所述納濾膜將葡萄糖純度的溶液通過基本上在約96-99.7％的范圍內(nèi)。
（5）根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中步驟（e）的所述納米過濾包括將所述葡萄糖漿通過納濾膜的添加步驟，所述納濾膜通過葡萄糖純度的溶液為至少99％
（6）所述的方法，其中待純化的有機(jī)酸溶液的pH為等于或的pK低于所述酸。
（7）所述的方法，根據(jù)權(quán)利要求6和實施的附加步驟的表示，其pK值低于納米過濾1個pH單位。
（8）所述的方法，根據(jù)權(quán)利要求6以及調(diào)整所述納米過濾材料的pH的附加步驟的為基本上在約2.3至2.4的范圍內(nèi)。
（9）的過程，如權(quán)利要求6和提供超濾的加入步驟的干酪乳桿菌約10％的乳酸發(fā)酵液，和納米過濾的稀釋乳酸根離子。
（10）甲過程用于純化含有右旋糖的葡萄糖漿混合物和二-和三糖的材料，所述方法包括納米過濾的步驟，所述經(jīng)過的混合物納濾制成的交聯(lián)聚酰胺的膜，大約具有以下特征：
（11）甲處理含有葡萄糖的葡萄糖漿混合物凈化材料和二-和三糖，所述方法，所述包括納米過濾的步驟混合物通過納濾具有大約為通過分子中的下列特性制成的交聯(lián)聚酰胺的膜，尺寸為：分子???關(guān)于NaCl 95％乳糖0-4％MgSO 4 5％氯化鈣70％磷酸鈣20-60％檸檬酸10-95％醋酸10-95％
（12）權(quán)利要求10 的方法，其中所述膜排斥約95％的分子量至少為500的分子。
（13）權(quán)利要求10 的方法，其中所述膜排斥約5％的分子量不超過200的分子。
（14）一種用于進(jìn)料進(jìn)料流的系統(tǒng)，包括流體載體和至少一些在葡萄糖的MW范圍內(nèi)的固體材料，所述系統(tǒng)包括具有納米過濾膜的容器，所述納米過濾膜將所述容器分成入口側(cè)和出口側(cè)所述容器內(nèi)的所述側(cè)面之間的通道僅通過所述膜，所述膜具有孔，所述孔通過分子直到并排除大于基本上大小為葡萄糖分子大小的分子，用于以預(yù)定的方式將所述進(jìn)料流輸送通過所述容器的裝置所述入口側(cè)和出口側(cè)之間的壓差，用于將所述入口側(cè)中的一些材料反饋到所述輸送裝置中位于所述容器上游的點的再循環(huán)裝置，以及用于在所述入口側(cè)排出一些所述材料的裝置。
（15）根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述壓力差為大約20磅/平方英寸。
（16）根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述納米過濾膜包括將所述葡萄糖漿通過納濾膜的添加步驟，所述納濾膜將葡萄糖純度的溶液通過基本上在約96-99.7％的范圍內(nèi)。
（17）根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述進(jìn)料流是葡萄糖漿，并且所述納米過濾膜通過具有至少99％的葡萄糖純度的干固體。
（18）根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述有機(jī)酸溶液的pH等于或低于所述有機(jī)酸的pK。
（19）如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述納米過濾膜由交聯(lián)聚酰胺制成，具有以下特征：
（20）根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述納米過濾膜由交聯(lián)聚酰胺制成，其具有以下特征：以下尺寸的通過分子：分子???關(guān)于NaCl 95％乳糖0-4％MgSO 4 5％氯化鈣70％磷酸鈣20-60％檸檬酸10-95％醋酸10-95％
（21）根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述納米過濾膜排斥了約95％的分子量至少為500的分子。
（22）根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述膜
排斥約5％的分子量不超過200的分子。
描述
[0001]本發(fā)明涉及納食品加工的進(jìn)料流的-尤其是但不排他-用于生產(chǎn)葡萄糖的。
背景技術(shù)蒸發(fā)，冷凍濃縮或冷凍干燥是食品，制藥和生物加工業(yè)中常用的脫水技術(shù)。蒸發(fā)需要為每磅蒸發(fā)的水（540kcal / kg）輸入大約1000BTU，而對于每一磅冷凍水，冷凍需要約144BTU，僅僅是為了實現(xiàn)水從液體到蒸氣或液體的狀態(tài)的變化分別為固體。
[0003]由于膜過濾不需要改變狀態(tài)來實現(xiàn)脫水，因此可以節(jié)省大量的能源。不太明顯的優(yōu)點是不需要復(fù)雜的傳熱或發(fā)熱設(shè)備。驅(qū)動泵電機(jī)只需要電能。另一個優(yōu)點是膜過濾可以在環(huán)境溫度或較低的溫度下進(jìn)行（例如，為了防止微生物生長問題或熱敏成分的變性）或在較高的溫度下進(jìn)行（例如，使微生物生長問題*小化，從而降低滯留物的粘度，降低泵送成本，或改善質(zhì)量轉(zhuǎn)移）。由于小分子通常通過過濾膜，它們在膜兩側(cè)的濃度在加工過程中約為相同，約等于原始進(jìn)料溶液。因此，膜過濾與其他脫水工藝相比具有許多優(yōu)點。
[0004]由Technirics Publishing Co.，Inc。出版的Munir Cheryan的“超濾手冊”851 New Holland Ave.Lancaster，PA 17604 USA描述了膜過濾作為兩種或多種組分與流體流的分離。膜是選擇性屏障，其防止一種或多種物質(zhì)通過它的質(zhì)量運動，但允許受限制或調(diào)節(jié)通過。膜過濾包括使用這種屏障來通過某些組分，同時保留混合物的某些其它組分以便將溶解的溶質(zhì)分離在液體流中。
[0005]膜可以通過其多孔與無孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類。滲透包括溶液從稀溶液側(cè)通過半透膜向膜的濃縮溶液側(cè)移動，響應(yīng)于膜兩側(cè)的水之間的化學(xué)勢差異。
[0006]其他五個主要的膜分離方法是反滲透，或超濾，微濾，透析和電滲析，其涵蓋范圍廣泛的粒徑。反滲透或超濾允許將溶解分子分離到離子范圍。反滲透或超濾涉及脫水，同時超濾同時通過濃縮和分級大分子或細(xì)膠體懸浮液進(jìn)行純化。反滲透或超濾保留除溶劑（水）本身以外的大多數(shù)/幾乎所有組分，而超濾僅保留大于約10-200A的大分子或顆粒。超濾僅需要相當(dāng)?shù)偷牟僮鲏毫?。反滲透，超濾或超濾構(gòu)成連續(xù)的分子分離過程，其不涉及相變或相間傳質(zhì)，從而使這些過程對于食品，藥物和生物處理是重要的。
[0007]由于這些和其他原因，在生產(chǎn)某些食品如葡萄糖時使用膜過濾是有利的。迄今為止，使用葡萄糖作為化學(xué)原料的缺點圍繞著獲得具有足夠高純度的葡萄糖流所遇到的困難，因為葡萄糖分子必須與幾乎具有相同特征的分子或其他材料分離，例如麥芽糖和較高級的寡糖。常規(guī)方法用于制造高純度的右旋糖（即大于99％純度）需要非常高度濃縮的糖漿的昂貴且費時的結(jié)晶。因此，需要非結(jié)晶的替代方法來提供便宜的高純度葡萄糖流。
[0008]迄今為止，膜不能分開密切相似的材料。通過反滲透膜的擴(kuò)散能夠濃縮含有葡萄糖，麥芽糖和鹽的流，以提供純化的水流，但不通過除去麥芽糖和鹽來凈化右旋糖。雖然傳統(tǒng)的超濾提供了用于純化或分離一些發(fā)酵和化學(xué)產(chǎn)品的手段，但是對于分離和純化相當(dāng)類似的化合物，例如麥芽糖和右旋糖，它不能做很多事情。
[0009]因此，本發(fā)明的目的是提供新的和新穎的化學(xué)原料流處理和凈化方法和方法。這里，目的是凈化食品加工中使用的進(jìn)料流。在這方面，目的是提供分離和純化葡萄糖進(jìn)料流的方法和方法。
[0010]另一個目的是提供更快，更便宜和更節(jié)能的手段和生產(chǎn)葡萄糖的方法。這里，目的是將葡萄糖與其緊密相關(guān)的成分在食品加工進(jìn)料流中分離。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，這些和其它目的通過在進(jìn)料流的輸出端處或附近提供納濾膜來實現(xiàn)。進(jìn)料流從玉米淀粉的生產(chǎn)開始，通過凝膠化，糊精化和糖化步驟進(jìn)行，以提供葡萄糖漿的進(jìn)料流。上述方法可產(chǎn)生純度約95％葡萄糖，5％二糖和三糖的葡萄糖漿。本發(fā)明使用納濾 方法以進(jìn)一步改善糖漿并除去大部分剩余的5％非葡萄糖材料。在納濾之后，該材料可以顯著超過99％純的右旋糖。
[0012]附圖中：
圖。圖1示出了結(jié)合本發(fā)明的方法中的步驟;
圖。圖2是其制造商Minnetonka，Minnesota的制造商Osmonics Inc.被指定為“Osmo 19T”的系統(tǒng)的流程圖，該系統(tǒng)用于進(jìn)行導(dǎo)致一些工作實例的測試; 和
圖。圖3是在工廠中使用的用于實施本發(fā)明以用于產(chǎn)生其他工作實例的試驗系統(tǒng)的流程。
[0013]在附圖中所示的特定進(jìn)料流中的初始步驟。1來自Novo Handbook of Practical Biotechnology，由Novo Industri A / S Enzyme Division，Baajsuaerd，Denmark出版。進(jìn)料流從由加工的玉米生產(chǎn)的淀粉漿料20開始。將該漿料在高溫（100℃）下暴露于α-淀粉酶，其凝膠化并液化淀粉，作為液化步驟的一部分。在α-淀粉酶存在下的淀粉在兩個步驟中煮熟，首先產(chǎn)生糊化，然后如22,24所示進(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并且在該步驟之后，如26所示存在糖化，導(dǎo)致葡萄糖漿。
[0014]該過程導(dǎo)致葡萄糖漿27，其為約95％葡萄糖和5％二糖或三糖。迄今為止，還沒有簡單的方法去除剩余的5％二糖和三糖。制造商或者將葡萄糖漿與其中的糖一起出售，或進(jìn)行另一種使用另一種酶的處理，這增加了成本。
另外，根據(jù)本發(fā)明，可以通過納濾 方法消除對另外的酶步驟的需要。更具體地說，葡萄糖漿27通過納濾膜28.該過濾將葡萄糖與二糖和三糖分離，并產(chǎn)生比先前添加的需要進(jìn)一步酶加工的步驟更快，成本更低的更純的葡萄糖流。
[0016]更詳細(xì)地，納濾使用在反滲透和超濾膜之間的壓力驅(qū)動膜，其被稱為“納濾膜”。分子量低于150的單價陰離子和非離子有機(jī)物的鹽的納濾濾除率較低。分子量約為300的二價和多價陰離子和有機(jī)物的鹽的抑制率很高。當(dāng)使用稀釋的鹽和糖流時，這些納米膜保留糖和二價離子與一價離子。
[0017]令人驚訝的是，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)與高度濃縮的葡萄糖進(jìn)料流一起使用時，這些納米膜產(chǎn)生初始滲透葡萄糖進(jìn)料流，其具有比原始進(jìn)料流高得多的純度。進(jìn)一步的工作也表明，當(dāng)在下游加工步驟中使用時，這些納米膜不僅能去除二糖和更高級的糖，而且在一定程度上除去二價鹽，從而提供高度純化的產(chǎn)物。
[0018]目前，位于明尼蘇達(dá)州明尼阿波利斯市7200 Ohms Lane的公司FilmTec有兩個商業(yè)納濾膜NF70和NF40（NF代表納濾）。每個膜具有尚未量化的負(fù)表面電荷。
[0019]過濾膜NF70是交聯(lián)的芳族聚酰胺。濾膜NF40和NF70相似; 然而，膜NF40具有略低的NaCl排斥，這表明其孔稍微大于NF70膜的孔。作為例子，F(xiàn)ilmTec描述了它們的納濾膜NF70，如下：
元素規(guī)格：規(guī)格基于70PSI凈壓力25℃下的1,000mg / l溶質(zhì)進(jìn)料溶液。C，10％回收率，pH 5-8。
性能數(shù)據(jù)：
無機(jī)物：以下數(shù)據(jù)基于70PSI凈壓力25度。X，10％回收率，pH7-8，無機(jī)排斥可隨濃度而變化。
有機(jī)物：以下數(shù)據(jù)基于70 PSI凈壓25°。C和10％的回收率。
FilmTec納濾膜的一些操作條件和性能如表1所示。
[0020]納濾膜的另一個來源是過濾工程公司。4974縣道18號，新希望，明尼蘇達(dá)州55428.過濾工程將其FE-700-002膜描述為交聯(lián)聚酰胺，具有排斥特性，使其能夠區(qū)分低分子量物質(zhì)。該膜具有在反滲透和超濾中常見的那些之間的排斥特性。膜的孔結(jié)構(gòu)使氯化鈉與硫酸鈣分離。據(jù)說通過同時保留濃縮物質(zhì)的能力進(jìn)一步提高膜的用途。該膜為用戶提供了相當(dāng)大的工藝流參數(shù)的自由度，如pH，離子強(qiáng)度和溫度的變化。
[0021]制造商描述薄膜FE-700-002膜特性如下：
組成：交聯(lián)
聚酰胺滲透性：（標(biāo)稱）分子重量拒絕：通量速率：20 l /m2/ h標(biāo)稱設(shè)計流量率40°C
膜尺寸：4“x 30”螺旋形，每個元素6m2膜面積運營壓力：
41 Bar（600 PSIG）*大
30-40 Bar（450-600 PSIG）
推薦的。
溫度限制：
57°C。*高10-50°C。
推薦的。
耐pH值
2.3*小
11.0*大短期暴露
推薦2.3到10.0
氧化劑耐受性：
沒有
拒絕率：
> 99％真蛋白（TRP）
通量率：
27 l /m2/ h標(biāo)稱設(shè)計通量（50°C）。
拒絕500以上
95％
拒絕低于200
5％
Na Cl
95％
乳糖
0-4％
硫酸鎂
5％
氯化鈣
70％
磷酸鈣
20-60％（pH依賴）
檸檬酸
10-95％（pH依賴）
醋酸
10-95％（pH依賴）
[0022]一家公司Osmonics Inc.生產(chǎn)一種稱為“Osmo MX-06”的實驗?zāi)?，該膜是薄膜，類似于過濾工程膜。然而，制造商尚未在該膜上發(fā)表任何規(guī)格。
[0023]對于所有納濾膜，硫酸鎂的排斥相當(dāng)高（90-98％），而氯化鈉的排斥度在50％以下。由于這些膜帶負(fù)電荷，所以陰離子排斥主要決定了溶質(zhì)排斥。例如，氯化鈣的排斥與氯化鈉大致相同（甚至更低），而硫酸鈉的排斥與硫酸鎂大致相同。二價和多價陰離子被高度的拒絕。到目前為止，沒有已知的情況已經(jīng)發(fā)展，其中高度帶電的陽離子與納濾膜相互作用以產(chǎn)生正的凈表面電荷。
[0024]通常，根據(jù)本發(fā)明，將所需低分子量化合物或分子的5.0至50％的溶液在約600PSI下進(jìn)料至納濾器。低分子量低于500MW。產(chǎn)品通過膜，而不同程度的較大分子不通過并被膜保留。通過膜的任何給定分子的量取決于進(jìn)料流中分子量，離子電荷和分子濃度。
[0025]在本發(fā)明的實驗實踐中，葡萄糖以低濃度被膜保留; 然而，當(dāng)使用28％葡萄糖時，葡萄糖滲透到一定程度，而實質(zhì)上保留所有較高級的低聚糖。
[0026]在有機(jī)酸鹽的情況下，如乳酸或多或少的酸出現(xiàn)在滲透物流中，這取決于它是以鹽形式存在還是作為游離酸存在。游離酸鹽比鹽更快地滲透到膜中。
[0027]圖。圖2顯示了其制造商被稱為“Osmo 19T”的實驗室儀器。該儀器在實驗室中用于進(jìn)行實驗運行，導(dǎo)致以下一些實施例。它具有用于保持葡萄糖漿27的開口罐50，罐通過進(jìn)料泵52和壓力泵54聯(lián)接到膜容器56.壓力計58以每分鐘4-5加侖保持約450PSI。合適的閥裝置60通過有限的流動，其產(chǎn)生由箭頭A表示的反饋回路，以將已經(jīng)經(jīng)過泵54的湍流的一些進(jìn)料流混合回到新鮮的進(jìn)料進(jìn)料流中。有限的流量還可以存儲一些材料，以將管線壓力調(diào)整到450 PSI。
[0028]膜容器56可以被認(rèn)為是具有沿其內(nèi)部徑向拉伸的膜的無應(yīng)變鋼管，以將內(nèi)部分隔成入口和出口室，它們之間的唯一通道是通過膜。膜可以被認(rèn)為是不通過大于葡萄糖分子的任何分子的過濾器。實際上，膜是復(fù)雜的螺旋形狀; 在任何情況下，材料在膜的入口側(cè)進(jìn)入容器56，通過膜，并從出口側(cè)離開，作為滲透物在62處。
[0029]由于較小的分子（如果有的話）在該過程中較早去除，所以62處的滲透物幾乎是純葡萄糖。因此，在膜的入口側(cè)，不通過膜的材料積聚并積聚以堵塞膜。為了避免這種堵塞，一些材料（“滯留物”）從入口側(cè)通過管64返回到罐中。壓力計66設(shè)定在約430PSI，其確定膜的凈差為20PSI。閥68被設(shè)定為調(diào)節(jié)反饋保留物的體積。
[0030]在工廠設(shè)立了一個試點系統(tǒng)（圖1），以測試較大規(guī)模的生產(chǎn)。在該實施例中，葡萄糖漿27經(jīng)由進(jìn)料管70進(jìn)入，通過泵72和流量計74到達(dá)膜容器76，膜容器76被構(gòu)造成與容器56大致相同。壓力計78控制輸入對膜的壓力。循環(huán)回路（由箭頭B示出）具有由閥80控制的流量。
[0031]純化的葡萄糖產(chǎn)品的流出物出現(xiàn)在82℃。壓力計84以與測量器66保持的相同的方式保持膜上的背壓。壓力控制閥86被調(diào)節(jié)以將期望的壓力讀數(shù)保持在標(biāo)尺84處。一部分滯留物在88處被再循環(huán)到泵72的輸入端。另外一個閥門90被設(shè)定成使得滲余物的百分比被排出。這種滲出材料可以以任何合適的方式使用，如通過返回到圖1 的過程中的一些合適的上游點。1或通過使用它來生產(chǎn)除基本上純的葡萄糖之外的其他產(chǎn)物。
[0032]使用Osmo 19T試驗系統(tǒng)測試三個膜，用于葡萄糖純化來自糖化玉米淀粉的進(jìn)料流。
[0033]使用過濾工程UO膜進(jìn)行更大規(guī)模的運行。建立了一個全天候的系統(tǒng)，以確定生產(chǎn)規(guī)模的過程。膜有1000平方英尺的過濾面積。結(jié)果如下：
產(chǎn)品和飼料特性的日平均結(jié)果如下所示。
[0034]使用Filmtech NF-40膜，在Osmo 19T試驗系統(tǒng)中處理20加侖的具有不同百分比的干固體的葡萄糖液。飼料和產(chǎn)物流的工藝條件，通量和純度如下所示。
[0035]五天后與實施例2中使用的相同系統(tǒng)的結(jié)果。
一天的平均結(jié)果。
[0036]將含有約36％乳酸鹽離子的濃縮的500,000MW 超濾乳酪乳桿菌發(fā)酵液稀釋至約10％的乳酸鹽，超濾（50,000個插入物，MW）并在pH6.0下進(jìn)行納濾，并且在用硫酸調(diào)節(jié)pH后為2.3。本實施例5中使用的發(fā)酵肉湯是從每升含有140克葡萄糖，5克/升酵母提取物，30克陡峭水干固體/升和1.0克（NH 4）的溶液的48小時發(fā)酵得到的） 2PO 4 /升。將該糊狀物用干酪乳桿菌亞種鼠李糖發(fā)酵，在pH 6.0和110℃下加入氨進(jìn)行pH控制。當(dāng)所有葡萄糖發(fā)酵時，將肉湯超濾并濃縮至36％乳酸離子。
[0037]對于這個例子，在Osmo 19T試驗系統(tǒng)上進(jìn)行了測試，其中Osmo MX06膜的粘度約為400PSI和45℃。超濾材料（A）的樣品在pH6（B）下納米稀釋，并在pH2.3 C）均調(diào)節(jié)至pH2.4，并濃縮至20-30％乳酸進(jìn)一步處理。對這些樣品進(jìn)行HPLC（高壓液相色譜）分析，結(jié)果如下所示。
DP 3 +
=三糖和高級聚合物。
DP 2
=二糖
DP1
=單糖
[0038]可以看出，納米過濾器去除了大多數(shù)二糖和一些單糖。此外，在乳酸未離子化的pH下，滲透物中的乳酸與無機(jī)鹽的比例增加，從而提供更高的凈化因子。
[0039]本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地察覺到如何修改本發(fā)明。因此，所附權(quán)利要求將被解釋為涵蓋落入本發(fā)明的真實范圍和精神內(nèi)的所有等效結(jié)構(gòu)。