制造葡萄糖←的纳滤方法
权利要求（22）
（1）甲过程用于制备高纯度的右旋糖，所述方法包括以下步骤：（a）形成玉米淀粉▆浆;（b）在α-淀粉酶存在下将所述淀粉浆料烹煮足够长的时间以产生凝胶化和糊精化;（c）在-60℃下用葡糖淀粉酶处理步骤▼（c）的糊精产物以产Ψ生糖化，并且得◥到葡萄糖浆; 和（d）对所述葡萄糖浆々进行纳滤，以产生高≡纯度葡萄糖。
（2）根据权利要□ 求1所述的方法，其中步骤（e）的所述纳米过滤包括使所述葡萄糖浆通过具有通过葡萄糖分子的孔径的膜的步骤，同时排除葡萄糖的二糖和三糖分子。
（3）根据权利要々求1所述的方法，其中所述↘步骤（e）的所述纳米过滤包括将所述葡萄糖浆通过纳滤膜的添加■步骤，所述纳米⊙过滤膜的压力约为约400-425PSI，约120°F至约145°F
（4）根据▲权利要求1所述的方法，其中所述步骤←（e）的所述纳米过滤包括使所述葡萄糖浆通▓过纳滤膜的添加步骤，所述纳滤膜将葡萄糖纯度的溶液通过基本上◆在约96-99.7％的范围内。
（5）根据权▲利要求〒1所述的方法，其中步骤（e）的所述纳米过滤包括将所述葡萄糖浆通过纳滤膜的添加步骤，所述纳滤膜通过葡萄糖纯度的溶液为至少99％
（6）所述的方法，其中待纯化的有机酸溶液的pH为等于或的〗pK低于所述酸。
（7）所述的方法，根据权利】要求6和实施的「附加步骤的表示，其pK值低于纳米过滤1个pH单位。
（8）所述的方法，根据权利要求6以及调整◇所述纳米过滤材料的pH的附加步骤的为基本上在№约2.3至2.4的范围内。
（9）的过程，如权↙利要求6和提供超滤的加入步骤的干酪乳杆菌约10％的乳酸发酵液，和纳米过滤的稀释乳酸根离子。
（10）甲过程用于纯化含有右旋糖的葡萄糖浆混合物和二-和三糖的↓材料◣，所述方法包括纳米过滤＠ 的步骤，所述经过的混合︼物纳滤制成的交联聚↓酰胺的膜，大约具有以下特征：
（11）甲处理含有葡萄糖的葡萄糖浆混合物净⌒化材料和二-和三糖，所述方法，所述包括纳米过滤的步骤混合物通过纳滤具有大约为通过分子中的下列特性制成的交联聚酰胺的膜，尺寸为：分子???关于NaCl 95％乳糖0-4％MgSO 4 5％氯化钙70％磷酸钙20-60％柠檬酸10-95％醋酸10-95％
（12）权利要求10 的方法，其中所述膜■排斥约95％的分」子量至少为500的分子。
（13）权利要求10 的方法，其中所述膜排斥约5％的分子量▲不超过200的分子。
（14）一种用于进料进料流的系ζ统，包括流体载体和至少◆一些在葡萄糖的MW范围内的固体材∩料，所述系统包括具有纳米过滤膜ω的容器，所述纳米过滤膜将所述容器分成入口侧和出口侧所述容器内的所述侧面之间的通道仅通过所述膜，所述膜具有孔，所述孔通过分子直到并排除大于基本上大小为葡萄糖分子大小的分子，用于以预定的方式将∞所述进料流输送通过所述容器的装置所述入口侧和出口︻侧之间的压差，用于将所述入口侧中的一些材料反馈到所述★输送装置中位于所述容器上游的点的再循环装置，以及用于在所述入口侧排出一些所述材料的★装置。
（15）根据权利要求14所述的系◎统，其中所述压力差为大约20磅/平方英寸。
（16）根据权利要求14所述的系▃统，其中所述纳米过滤膜包括将所述葡萄糖浆通过纳滤膜的添加步骤，所述纳滤膜将葡萄糖纯度的溶液通过基本上☉在约96-99.7％的范围内。
（17）根据权利要求14所述的系〇统，其中所述进料流是葡萄糖∮浆，并且所述纳米过滤膜通过具有至少99％的葡萄糖纯度的干固体。
（18）根据权利要求14所述的∞系统，其中所述有机酸溶液的pH等于或低于所述有机酸的pK。
（19）如权利要求14所述的系Ψ统，其→特征在于，所述纳米过滤膜由交联聚酰≡胺制成，具有以下特征：
（20）根据权利要求14所述的系统，其中所述纳米过滤膜由交联聚酰胺制成，其具有以下特征：以下尺寸的通过分子：分子???关于NaCl 95％乳糖0-4％MgSO 4 5％氯化钙70％磷酸钙20-60％柠檬酸10-95％醋酸10-95％
（21）根据权利要求14所述的系统，其中所述纳米♂过滤膜排斥了约95％的分子量至少为500的分子。
（22）根据权利要求14所述的系统，其中所述膜
排斥约5％的分√子量不超过200的分子。
描述
[0001]本发明涉及纳食品加工的进料流的-尤其是但不排他-用于◥生产葡萄糖的。
背景技术蒸发，冷冻浓缩或冷冻干燥㊣ 是食品，制药和生物加工业中常用的脱水技术。蒸发需要为每磅蒸发的水（540kcal / kg）输入大约1000BTU，而对于每一磅冷↙冻水，冷冻需⊙要约144BTU，仅仅是为了实现水从液体到蒸█气或液体的状态的变化分别为固体。
[0003]由于膜过滤不需要改变状态【来实现脱水，因此可以节省大量的能源。不太明显的优点是不需要复杂的传热或发热设备。驱动泵电机只需要电能。另一『个优点是膜过滤可以在环境温度或较低的温度下进行（例如，为了＠防止微生物生长问题或热敏成分的变性）或在较高的温度下进行（例如，使微生物生长△问题*小化，从而降低滞◥留物的粘度，降低泵「送成本，或改〒善质量转移）。由于小分子通常通过过滤膜，它们在膜两侧的浓度在加工过程中约为相同，约等于原始进料溶液。因此，膜过滤与其他脱水工艺相比具有许多优点。
[0004]由Technirics Publishing Co.，Inc。出版的Munir Cheryan的“超滤手册”851 New Holland Ave.Lancaster，PA 17604 USA描述了膜过滤作为两种或多种组分与流体流的分离。膜是选〖择性屏障，其防︼止一种或多种物质通过它的质量运动，但允许受限◣制或调节通过。膜过滤包括使用这种屏障来＠ 通过某些组分，同时保留混合物的某些其它组分以便将溶解的溶质←分离在液体流中。
[0005]膜可以通过其多孔与无孔结构进行分类。渗透包括溶液从☆稀溶液侧通过半透膜向膜的浓缩溶液∮侧移动，响应于膜两侧的水之间的化学势差异。
[0006]其他五个主要的膜分离方法是反渗透，或超滤，微滤，透析和■电渗析，其涵盖范围广泛〓的粒径。反渗透或超滤允许将溶解分子分离到离子范♀围。反渗透或◣超滤涉及脱水，同时超滤同时通过浓缩和分级大分子或细胶体悬浮液进行∩纯化。反渗透或超◣滤保留除溶剂（水）本身以外的大◆多数/几乎所有组分，而超滤仅保留大于约10-200A的大分子或颗粒。超滤仅需要相●当低的操作压力。反渗透，超滤或超滤构成连续的分子分离过程，其不涉及相变或相间传质，从而使这些过程对于食品∴，药物和生物处理是◢重要的。
[0007]由于这些和其他∞原因，在生产某些食︼品如葡萄糖时使用膜过¤滤是有利的。迄今为止，使用葡萄糖作为化学原料的缺点围绕着ω 获得具有足够高纯度的葡萄糖流╳所遇到的困难，因为葡萄糖分子必须与几乎具有相同特征的分子或其他材料分离，例如麦芽糖和较高级的寡糖。常规方法用于制造↑高纯度的右旋糖（即大于99％纯度）需要非常高度浓缩的糖浆的昂贵且费时〇的结晶。因此，需要非结晶的替代方法来提供便宜的高纯度√葡萄糖流。
[0008]迄今为止，膜不能分开ζ密切相似的材料。通过反渗透膜的扩散能够◆浓缩含有葡萄糖，麦芽糖Ψ 和盐的流√，以提供纯化的水流，但不通过除去麦芽糖和盐来净化右旋糖。虽然传统的超滤提供了用于纯化或分离一些发酵和化学产品的手段，但是对于分离和纯化相当类似的化合物，例如麦芽糖和右旋糖，它不能做很※多事情。
[0009]因此，本发明的目的是提供新的和新颖的化学原料流↑处理和净化方法和方法。这里，目的是净化食品加工中使用的进料流。在这方面，目▃的是提供分离和纯化葡萄糖进料流的方法和◥方法。
[0010]另一个目的是提供更快，更便宜和更节能的手段¤和生产葡萄糖的方法。这里，目的是将葡萄糖与其紧★密相关的成分在食品加工进料流中分离。
[0011]根据本发▃明的一个方面，这些和其它目的通过在进料流的输出端处或附近提供∏纳滤膜来实现。进料流从玉米淀粉的▲生产开始，通过■凝胶化，糊精化和糖化步骤进行，以Ψ提供葡萄糖浆的进料流。上述方法可产生纯度约95％葡萄糖，5％二糖和三糖的葡萄糖浆。本发明使用纳滤 方法以进一步改善糖浆并除去大部分剩余的5％非葡萄糖材料。在纳滤之后，该材料可以显着超过99％纯的右旋糖。
[0012]附图中：
图。图1示出了结合本发明的方法中的步骤;
图。图2是其〗制造商Minnetonka，Minnesota的制造商Osmonics Inc.被指定为“Osmo 19T”的系统的流↙程图，该系统用于进行导致一些工作实∑ 例的测试; 和
图。图3是在工厂中使用的用于实施本发明以用于产生㊣其他工作实例的试验系统的流程。
[0013]在附图中所示的特定进料流中的初始步骤。1来自Novo Handbook of Practical Biotechnology，由Novo Industri A / S Enzyme Division，Baajsuaerd，Denmark出版。进料流从由加工的玉米生产的淀粉浆料20开始。将该浆㊣料在高温（100℃）下暴露于α-淀粉酶，其凝胶化并液化淀粉，作为液化步骤的一部分。在α-淀粉酶存在下的淀粉在两个步骤中煮熟，首先产生∑糊化，然后如22,24所示进行糊精化，以提供暴露『于葡糖淀粉酶的糊精糖浆。作为该步骤的一部分并且在该步骤之后，如26所示存在糖化】，导致葡萄「糖浆。
[0014]该过程导致葡萄糖浆▼27，其为约95％葡萄糖和5％二糖或Ψ三糖△。迄今为止，还没有简单的方法去除剩余的5％二糖和三糖。制造商或者将葡萄糖浆与其中的糖一起出售，或进行另一种使用另一种酶的处理，这增加了成本。
另外，根据本发明，可以通过纳滤 方法消除对另外的酶◎步骤的需要。更具体地说，葡萄糖浆27通过纳滤膜28.该过滤将葡㊣ 萄糖与二糖和三糖分离，并产生比先前添加的需要进一步酶加工︽的步骤更快，成本更低的更纯的葡萄糖⊙流。
[0016]更详细地，纳滤使用在反渗透和超滤膜之间的压力驱动膜，其被称为“纳滤膜”。分子量←低于150的单价阴离子和非离子有机物的⊙盐的纳滤滤除率较低。分子量约为300的二价和多价阴离子和有机物的盐的抑↓制率很高。当使用稀释的盐和糖流时，这些纳米膜保留糖和二价离子〓与一价离子。
[0017]令人惊讶〗的是，我们已经发现，当与高度ω浓缩的葡萄糖进料流一起使用时，这些纳米膜产生初始渗透葡萄糖进料流，其具有比原始进料流高得多的纯∩度。进一步的工作也表明，当在下游加工步骤中使用时，这些纳米膜不仅能去除二糖和更高级的糖，而且在一定程度上除去二价盐，从而提供高度纯化的产物。
[0018]目前，位于明尼苏达州明尼阿波利斯市7200 Ohms Lane的公司FilmTec有两◤个商业纳滤膜NF70和NF40（NF代表纳滤）。每个膜具有尚未量化的负表面∞电荷。
[0019]过滤膜NF70是交∴联的芳族聚酰胺。滤膜NF40和NF70相似; 然而，膜NF40具有略低◣的NaCl排斥，这表明其孔稍微大于NF70膜的孔。作为例子，FilmTec描述了它＠ 们的纳滤膜NF70，如下：
元素规格：规格基于70PSI净压力25℃下的1,000mg / l溶质进料溶液。C，10％回收率，pH 5-8。
性能数据：
无机物：以下◣数据基于70PSI净压力25度。X，10％回收率，pH7-8，无机排斥可随浓度而变化。
有机物：以下数据基于70 PSI净压25°。C和10％的回收率。
FilmTec纳滤膜◣的一些操作条件和性能如表1所示。[0020]纳滤膜的另一个来源是过滤工程公司。4974县道18号，新希望，明尼苏达州55428.过滤工程将其FE-700-002膜描述为交联聚酰胺，具有排斥特ㄨ性，使其能够区分低分子量物质。该膜具有在反渗透※和超滤中常见的那些之间的排斥特性。膜的孔结构使氯→化钠与硫酸钙分离。据说通过同时保留浓缩物质的能力进一步提高膜的用途。该膜为用户提供了相当★大的工艺流参↘数的自由度，如pH，离子强度和温度的变化。
[0021]制造商描述薄膜FE-700-002膜特性如下：
组成：交联
聚酰⌒胺渗透性：（标称）分子重量拒绝：通量速率：20 l /m2/ h标称设计流量率40°C
膜尺寸：4“x 30”螺旋形，每个元素6m2膜面积运营压力：
41 Bar（600 PSIG）*大
30-40 Bar（450-600 PSIG）
推荐的。
温度限制：
57°C。*高10-50°C。
推荐的。
耐pH值
2.3*小
11.0*大短期暴〇露
推荐2.3到10.0
氧化剂耐受性：
没有
拒绝率：
> 99％真蛋白（TRP）
通量率：
27 l /m2/ h标称设卐计通量（50°C）。
拒绝500以上
95％
拒绝低于200
5％
Na Cl
95％
乳糖
0-4％
硫酸镁
5％
氯化钙
70％
磷酸钙
20-60％（pH依赖）
柠檬酸
10-95％（pH依赖）
醋酸
10-95％（pH依赖）
[0022]一家公司Osmonics Inc.生产一种称〇为“Osmo MX-06”的实验膜，该膜※是薄膜，类似于过滤工程膜。然而，制造商尚未在该膜上发表任何规格。
[0023]对于所有纳滤膜，硫酸镁的排斥相当高（90-98％），而氯化钠的排斥度在50％以下。由于这些膜带负电荷，所以阴离子排斥→主要决定了溶质排斥。例如，氯化∑ 钙的排斥与氯化钠大致相同（甚至更低），而硫酸钠的排斥〗与硫酸镁大致相同。二价和多价阴离子被高度的↙拒绝。到目前为止，没有已知的情▂况已经发展，其中高度带电的阳离子与纳滤膜相互作用以产生正的净表面电荷。
[0024]通常，根据本发明，将所需低分子量化合物或分子的5.0至50％的溶液在约600PSI下进料至纳滤器。低分子量低★于500MW。产品通过膜，而不同程度的较大分子不⌒通过并被膜保留。通过膜的任何给定分子的量取决于进料流中分子△量，离子△电荷和分子浓度。
[0025]在本发明的ξ实验实践中，葡萄糖以低浓度被膜」保留; 然而，当使用28％葡萄糖时，葡萄糖渗透到一定程度，而实质上保留所有较高级的低聚糖。
[0026]在有机酸盐的情况下，如乳酸或多或少的酸出现在渗透物流中，这取决于它是以盐形式存在还是作为♀游离酸存在。游离酸盐比盐更快地渗透到膜中。
[0027]图。图2显示了其制造商被〖称为“Osmo 19T”的实验室仪器。该仪器在实验室㊣ 中用于进行实验运行，导致ξ 以下一些实施例。它具有用于保持葡萄糖浆27的开口罐50，罐通过进料泵52和压力泵54联接ξ 到膜容器56.压力计58以每分钟4-5加仑保持约450PSI。合适的阀装置60通过有限的流动，其产生ζ 由箭头A表示的反馈回路，以将已↓经经过泵54的湍流的一些进料流混合回到新鲜的进料进料流♀中。有限的流量还可【以存储一些材料，以将管线压力调整到450 PSI。
[0028]膜容器56可以被认为是具有沿其内部径向拉伸的膜的无应变钢管，以将内部分隔成入口和出口室，它们之间的唯一通道是通过膜。膜可以被认为是不通过大于葡萄糖分子的任何分子的过滤器。实际上，膜是复杂的螺旋形状; 在任何情况下，材料在膜的∴入口侧进入容器56，通过膜，并从出々口侧离开，作为渗透∮物在62处。
[0029]由于较小的分子（如果有的︼话）在该过程中较早去除，所以62处的渗透物几乎是纯葡萄糖。因此，在膜的入口侧，不通过膜的材料积聚并积聚以堵塞膜。为了避免这种堵塞，一些材料（“滞留物”）从入口侧通过管64返回到罐中【。压力计66设定在约430PSI，其确定膜的净差为20PSI。阀68被设定为调节反馈保留☉物的体积。
[0030]在工厂设立∮了一个试点系统（图1），以√测试较大规模的生产。在该实◣施例中，葡萄糖浆27经由进料》管70进入，通过泵72和流量计74到达膜容器76，膜容器76被构造成与容器56大致相同。压力计78控制输入对膜的压力。循环回路（由箭头B示出）具有由阀80控制的流量。
[0031]纯化的葡萄糖产品的流出物出现在82℃。压力计84以与测量器66保持的相同№的方式保持膜上的背压。压力控制阀86被调节以将期望的压力读※数保持在标尺84处。一部分←滞留物在88处被再循环∴到泵72的输入端。另外一个阀门90被设定成使得渗余物的百分比被排出。这种渗出材料可以以任何合适的方式使用，如通过返回到图1 的过程中的一些合适的上游点。1或通过使用它来生产除基本上纯的葡萄糖之外的其他产物。
[0032]使用Osmo 19T试验系统测试▆三个膜，用于葡萄糖纯化来自糖化玉米淀粉的进料流。
[0033]使用过滤工程UO膜进行更大规模■的运行。建立了一个全天候的系统〇，以确定生产规模的过程╱。膜有1000平方英尺的过滤面积。结果如下：
产品和饲料特性的日平均结果如下所示。[0034]使用Filmtech NF-40膜，在Osmo 19T试验系统中』处理20加仑的具有不同百分比的干固体的葡萄糖液。饲料和产物№流的工艺条件，通量和纯度如下所〒示。
[0035]五天后与实施例2中使用的相同系统的结果。
一天的平均结果。[0036]将含有约36％乳酸盐离子的浓缩的500,000MW 超滤乳酪乳杆菌☆发酵液稀释∏至约10％的乳酸盐，超滤（50,000个插入物，MW）并在pH6.0下进行纳滤，并且在用硫酸调节pH后为2.3。本实施例5中使用的发酵肉汤是∏从每升含有140克葡萄糖，5克/升酵母提取物，30克陡峭水干固体/升和1.0克（NH 4）的溶液的48小时发酵得到的） 2PO 4 /升。将该糊状物用干酪乳杆菌亚种鼠李糖发酵，在pH 6.0和110℃下加入氨进行pH控制。当所有▽葡萄糖发酵时，将肉汤超滤并浓缩◎至36％乳酸离子。
[0037]对于♀这个例子，在Osmo 19T试验系统上进行了测试，其中Osmo MX06膜的粘度约为400PSI和45℃。超滤材料（A）的样品在pH6（B）下纳米稀释，并在pH2.3 C）均调节至pH2.4，并浓缩至20-30％乳酸进一步处理。对这些样品进行HPLC（高压液相色谱）分析，结果如下所示。
DP 3 +
=三糖和高级聚合物。
DP 2
=二糖
DP1
=单糖
[0038]可以看出，纳米过滤器去除了ω 大多数二糖和一些单糖。此外，在乳酸未离子化的pH下，渗透物中〓的乳酸与无机盐的比例增加，从而提供更高的净化因子。
[0039]本领域技术人员将容易地察觉到『如何修改本发明。因此，所附权利要求将被解释为涵盖落入本发明的真实范围和精神内的所有等效结构。