Непрерывный процесс и аппарат для ферментативной обработки липидов - RU2412984C1

Чертежи

Описание

Описание изобретения

Данное изобретение касается способа непрерывной ферментативной обработки композиции, содержащей липид, в нескольких реакторах с неподвижным слоем и аппаратов для осуществления этого способа. Более конкретно, данное изобретение касается процесса и аппарата для непрерывной ферментативной обработки композиций, содержащих липид, с применением различных реакторов с неподвижным слоем, где поток композиции, содержащей липид, остается в основном постоянным даже по мере изменения ферментативной активности неподвижного слоя со временем, и даже в случае, когда неподвижный слой отключен, например, для ремонта, замены или восполнения. Также изобретение касается способов и аппаратов, которые предлагают неожиданно значительное увеличение ферментативной активности путем проведения предварительной обработки липидов перед их соприкосновением с ферментами и управления аппаратом в непрерывном процессе.

Жиры состоят из жирных кислот, присоединенных к трехуглеродной глицериновой основе. Жирные кислоты состоят из цепей атомов углерода с терминальной гидроксильной группой. Гидроксильные группы могут присоединяться к одной, двум или к трем гидроксильным группам глицериновой основы, образуя моно-, ди- или триглицериды, или жиры. Функциональные и питательные свойства жиров будут зависеть от различных факторов, включая являются ли они моноацилглицеридами (MAG), диацилглицеридами (DAG) или триацилглицеридами (TAG); числа атомов углерода в цепях жирных кислот; являются ли цепи насыщенными, одноненасыщенными или полиненасыщенными; находятся ли ненасыщенные двойные связи в цепи в форме цис- или трансизомера; положения двойных связей в цепях и положения различных типов жирных кислот по отношению к трем атомам углерода глицериновой основы.

Липиды являются классом, объединяющим разнообразные химические вещества, характеризуемые как жиры, масла, воски и фосфолипиды. В этот широкий класс включены триглицериды, диглицериды, моноглицериды, жирные кислоты, жирные спирты, мыла и детергенты, терпены, стероиды и витамины А, Е, D₂ и К. Липиды могут быть получены из семян масличных культур, таких как соевые бобы, канола, рапс, подсолнечник, масличная пальма и оливки; из животных продуктов, таких как рыба, свинина или говядина; также они могут являться синтетическими соединениями или синтетическими производными, такими как структурированные липиды для пищевого применения, продукты переработки масел для промышленного или фармацевтического применения, и биодизельное топливо, используемое в энергетических целях. Растительные масла получают путем прессования растительных семян или экстрагирования из них масла при помощи растворителя. Неочищенные масла содержат множество побочных компонентов. Некоторые из этих компонентов могут определять эффективность использования или эстетические особенности масла; другие, такие как стеролы или токоферолы, являются полезными питательными веществами.

Липиды, полученные из масличных семян (соевых бобов, канолы и т.п.) путем экстракции растворителем или механического прессования, могут быть очищены для удаления загрязнений, которые могут привести к возникновению нежелательного цвета и/или запаха конечного продукта. Традиционная очистка включает обработку масла гидроксидом натрия для нейтрализации свободных жирных кислот и удаление фосфолипидов путем центрифугирования. Затем масло промывают горячей мягкой водой и центрифугируют для удаления оставшегося мыла и фосфолипидов, присутствующих в масле. Затем масло, прошедшее «первую очистку», отбеливают «отбеливающей землей» и фильтруют для адсорбции хлорофилла и производных хлорофилла, а также всех оставшихся мыл, фосфолипидов и следов металла, присутствующих в масле. Использование отбеливающей земли или глины для удаления загрязнений в липидах хорошо известно в данной области техники. Первое общее наименование материала было «фуллерова земля». Современные отбеливающие земли могут быть нейтральными или активироваться кислотами. Обычно используются минеральные глины, представляющие собой бентонит, монтмориллонит, аттапульгит, смектит и/или хормит.

Альтернативный процесс, который полностью устраняет эти отмывки водой и заменяет их обработкой, силикагелем для адсорбции остаточных мыл, фосфолипидов и следов металлов, хорошо известен в данной области техники как «модифицированная очистка щелочью». В Pryor et al. U.S. Pat. №5336794 и Welsh et al U.S. Pat. №5231201 описывается двухфазный способ, в котором масло сначала контактирует с аморфным кремниевым адсорбентом для удаления из масла всего или, по существу, всего мыла или смолы или и того и другого и понижения содержания фосфолипидов, после чего фильтруется через уплотненный слой удаляющего пигмент препарата для осветления масла. После центрифугирования обработанного щелочью масла в масло добавляется от 0,01 до 1,0 процента суспензии силикагеля. Продукты на основе силикагеля, о которых известно, что они пригодны для этих целей, включают те, что продаются под торговой маркой TriSyl® (silica gel) by W.R. Grace & Co. в виде свободнотекучего порошка, содержащего от приблизительно 60 до приблизительно 65 процентов влаги с размером частиц не менее приблизительно 18,0 микрон, средним диаметром пор между 60 и 5000 ангстрем и объемной плотностью приблизительно 500 кг/м. Масло перемешивается с силикагелем, после чего высушивается в вакуумной сушилке-распылителе; затем силикагель удаляется из масла фильтрованием. Если отбеливающая глина уже находится на фильтре, процесс хорошо известен как «отбеливание на уплотненном слое». Влажность поддерживает целостность кремниевых пор и позволяет адсорбировать загрязнения внутри поры.

В последние годы увеличился интерес к созданию альтернатив жирам с высоким количеством транс-изомеров и продуктам укорачивания, используемым в традиционном приготовлении пищи. По традиции, жидкие масла перерабатывались в применяемые твердые жиросодержащие формы для производства различных маргаринов и кулинарных жиров путем гидрогенизации с использованием никеля. Такой процесс гидрогенизации приводит к образованию транс-жирных кислот. Считается, что жиры, содержащие пониженное количество транс-жирных кислот, могут обеспечивать определенное положительное влияние на здоровье потребителя. Соответственно, многие крупные производители продуктов питания заменяют жиры с высоким содержанием транс-композициями с низким или нулевым содержанием транс. Изначально, усилия по получению жировых продуктов с низким содержанием транс фокусировались на уменьшении уровня гидрогенизации жировых продуктов. В более поздний период, усилия были сфокусированы на изменении структуры жидкого масла с целью изменения особенностей плавления и функциональности без изменения сочетания жирных кислот или создания транс-жирных кислот. Одним из методов достижения этого является процесс, называемый интерэстерификацией.

Интерэстерификация представляет собой известную реакцию триацилглицериновых структур, в которой отдельные остатки жирных кислот в различных положениях интерэстерифицируемого триглицерида меняются местами на глицериновой группе. Иногда этот процесс упоминается или описывается как рандомизация, при которой остатки жирных кислот с одного глицеринового компонента триацилглицерина обмениваются с остатками с глицеринового компонента другого триацилглицерина. Это приводит к тому, что структура триацилглицеридов, в которых произошел обмен остатками жирных кислот, будет меняться от одной молекулы к другой. Работы в этой области включают Pellosa et al. U.S. Pat. №5434278, Doucet U.S. Pat. №5908655, Cherwin et al. U.S. Pat. №6124486, и Liu et al. U.S. Pat. №6238926.

Методика интерэстерификации была разработана для того, чтобы сделать возможным производство, например, триглицеридных композиций, имеющих определенный профиль плавления, представляющий интерес для определенного использования. Обычно они упоминаются как «структурированные липиды» для того, чтобы отличать интерэстерифицированные продукты от физических смесей тех же компонентов, не подвергнутых интерэстерификации. В Swern, Bailey′s Industrial Oil and Fat Products, 3^rd edition, pages 941-970 (1964) описана реэстерификация жирных кислот и глицерина, моно- и полигидроксиловых спиртов, интерэстерификация (ацидолиз и алкоголиз) и трансэстерификация липидов химическими методами.

Интерэстерификация может быть осуществлена химическим или ферментативным способом. Химическая интерэстерификация обычно выполняется с применением химического катализатора, такого как метоксид натрия. Хотя химическая интерэстерификация может иметь меньшую стоимость в том, что касается катализатора, она имеет несколько выраженных недостатков. Катализатор - метоксид натрия - может быть опасным и сложным в применении. Происходящая интерэстерификация является случайной и не предоставляет производителю предпочтительного контроля за структурой конечного продукта. Также химическая интерэстерификация может приводить к относительно высокому уровню потерь масла. Работы в этой области включают Kaita et al. U.S. Pat. Application №2002/0010359, Bayense et al. U.S. Pat. №6072064, Cooper et al. U.S. Pat. №5399728, и Stipp et al. U.S. Pat. №5142072.

При ферментативной интерэстерификации ферментативный катализатор стоит больше по сравнению с метоксидом натрия, имеет меньшую активность и меньшую стабильность. Однако ферментативный катализатор может обеспечить высокую степень контроля за структурой конечного интерэстерифицированного продукта. В частности, использование некоторых ферментов приводит к специфичной интерэстерификации в 1 и 3 положении цепи глицериновой основы, именно там, где это наиболее желательно. Хотя ферментативные катализаторы изначально использовались только для высоко прибыльных продуктов, в настоящее время они все шире используются при производстве жиров и смесей жиров массового потребления.

Ферменты представляют собой сложные белки, вызывающие химическую реакцию в других соединениях, не изменяясь при этом сами, т.е. являются биологическими катализаторами. Эти биологические катализаторы могут экспрессироваться или продуцироваться различными микроорганизмами. Ферменты, пригодные для использования в представленном изобретении, включают эстеразу; ацилазу; ферменты, содействующие реакциям ацидолиза, реакциям трансэстерификации, синтезу эфиров, или реакциям обмена эфиров; ферменты, обладающие фосфолипазной или протеазной активностью, включая активность термостабильных и термоустойчивых гидролаз; и полинуклеотиды. Описываемые в работе микроорганизмы включают Rhizopus, Aspergillus, Mucor, Geotrichum, Pseudomonas, Penicillium, Chromobacterium, Candida, Achromobacter, Alcaligenes, Corynebacterium, Humicora, Humicolo, Staphylococcus, Rhizomucor, Torulopsis и Bacillus. Подобные продуцируемые микроорганизмами ферменты раскрыты в Sugiura et al. U.S. Pat. Application №2001/0004462, Bosley et al. U.S. Pat. №5773266, Quinlan U.S. Pat №5658768, Miyamoto et al. U.S. Pat. №5461170, и Myojo et al. U.S. Pat. №521973.3.

В U.S. Pat. №5508182, Schneider et al. описаны различные методы производства амфифильных соединений при помощи биокатализируемой реакции гидрофильного субстрата, абсорбированного на твердой подложке, со вторым субстратом, возможно гидрофобным. У Schneider et al. описаны методы получения изомерно чистых 1,3-диглицеридов и 1-моноглицеридов, эфиров сахаров, эфиров аминокислот, пептидов и гликолипидов, а также фосфатов или спиртов, углеводородов и нуклеозидов. Патент описывает абсорбцию различных субстратов на твердой подложке с аминокислотой с защищенным амином или пептидом с защищенной карбоксильной группой. В сущности, реакция не протекает без присутствия абсорбированного на подложку субстрата, см. примеры 1 и 12, таким образом, подложка действует как катализатор реакции. Все приведенные примеры были периодическими реакциями, включая пример 19, в котором виниллауреат (растворенный в t-BuOMe) циркулировал через колонну с уплотненным слоем, содержащую абсорбированный на силикагеле глицерин и фермент. Конечный продукт, 1,3-дилауреат, удалялся из колонки при помощи экстракции свежим t-BuOMe. He было указано или предположено, что глицерин может быть повторно абсорбирован и реакция может быть проведена как реакция в реакторе с наполнителем, независящая от фермента и/иди силикагеля. Количество использованного в описании силикагеля изменялось от 60 до 1000 процентов по отношению к субстрату.

Ферменты, использованные в описании Schneider et al., были получены из Mucor mihei, Pseudomonas fluoresceins, Rhizopus delemar, Candida cylindracea и Penicillium cyclopium.

Одним из особенно предпочтительных ферментативных катализаторов является липаза из Thermomyces lanuginosus. Этот фермент является специфичным в отношении 1 и 3 положения глицериновой основы и является термостабильным до 7 5°С. Этот фермент, однако, может быть легко деактивирован радикалами, такими как пероксиды, некоторыми полярными примесями, такими как фосфатиды или мыла, побочными продуктами окисления, такими как альдегиды и кетоны, и следами металлов. Таким образом, является важным качество подающегося масла. В U.S. Patent Publication №2003/0054509 описана предварительная обработка масла перед ферментативной интерэстерификацией кремнеземом. Количество кремнезема, используемого в примерах, составляло 172 процента от использованного в реакции фермента (38 г кремнезема на 22 г ферментов).

Иммобилизованная гранулированная форма липазы из Thermomyces lanuginosus продается Novozymes Corporation под торговой маркой Lipozyme®TL IM. В сопутствующей литературе, которая предоставляется с ферментом, описан процесс применения, включающий охлаждение липидов до 70°С, подачу липидов в одну реакционную колонну или танк, и прохождение масла через колонку или перемешивание масла с ферментом в танке. Липиды контактируют с ферментом в колонне или танке и подвергаются непрерывной интерэстерификации. Интерэстерифицированные липиды могут быть смешаны с другими липидами, или дезодорированы, или отправлены конечному потребителю.

Факторы, которые должны быть учтены при разработке процесса ферментативной интерэстерификации, включают выбор, должна ли она быть периодической или непрерывной, включать один или несколько реакторов с неподвижным слоем, должен ли реактор иметь несколько неподвижных слоев, будут ли слои расположены последовательно или параллельно, будет ли скорость потока изменяемой или постоянной, как контролировать продолжительность ферментативного преобразования, и проблемы потенциальной кросс-контаминации. См., например, "Chemical vs. Enzymatic Interesterification, by Wim De Greyt of the DeSmet Group, Belgium, представлено на IUPAC-AOCS Workshop on Fats, Oils and Oilseeds Analyses and Production, Dec. 6-8, 2004, доступно на http://www.aocs.org/archives/analysis/pdfs/degreyt-interesterification-modifieddgw.pdf.

Как описано здесь, в случае если использован один реактор с неподвижным слоем, ферментативная активность снижается с течением времени. Скорость потока должна быть уменьшена для того, чтобы убедиться, что обеспечено протекание реакции до конца. Это требует насоса с регулируемым изменением скорости, а также регулярного мониторинга преобразования и приводит к низкой скорости производства в конце срока жизни фермента. Процесс не может проводиться непрерывно по причине частой необходимости удаления и замены фермента в колонке. Часто слой катализатора должен быть заменен даже в случае, если некоторое количество катализатора в неподвижном слое все еще остается активным, что приводит к потере активного катализатора. Размер колонки с ферментативным неподвижным слоем ограничен, поскольку если высота слоя слишком велика, гранулы фермента внизу могут быть раздавлены давлением, развиваемым насосом системы, а если слишком велик диаметр, гранулированный материал может распределиться таким образом, что образуются каналы, через которые масло может проходить без контакта, то есть без реакции с ферментом.

В системе реакторов с несколькими неподвижными слоями каждый неподвижный слой будет иметь различную активность фермента, первый неподвижный слой реактора будет иметь наименьшую активность, а последний - наибольшую. Это происходит потому, что первый реактор в последовательности абсорбирует больше загрязнений и вредных компонентов, защищая таким образом более активный фермент в следующих реакторах. В U.S. Pat. №4789528 описана последовательная ротация реакторов в использующей цеолиты многореакторной системе с неподвижным слоем в нефтехимической промышленности для производства различных очищенных нефтехимических продуктов.

В U.S. Pat. Publication №US 2005/0014237 описан способ ферментативной интерэстерификации, в котором исходный материал дезодорирован перед контактом с ферментом для увеличения периода полураспада фермента. Дезодорирование описано там как обычно завершающий этап в обычном процессе очистки масла и принципиально представляет собой дистилляцию с паром, в процессе которой вещества с более высокой летучестью удаляются при высокой температуре под вакуумом. Различные вещества, удаляемые в процессе дезодорирования, включают свободные жирные кислоты и различные соединения со вкусом и запахом, присутствующие изначально или образовавшиеся при окислении жиров и масел. Также удаляются вещества, образовавшиеся в результате теплового разрушения пероксидов и пигментов.

Как описано в Ten Brink et al. in US 2005/0019316, JP 08 000275 предварительная обработка активированной 2-процентной кислотой отбеливающей глиной в течение 20 минут при 110°С увеличивало период полураспада фермента. Однако, в Ten Brink et al. в U.S. Pat. Application №2005/00.19316 далее указано, что подобные предшествующие попытки увеличения периода полураспада катализатора путем очистки липидов проводились только в лабораторных процессах малого масштаба и что подобные процессы всегда оканчивались неудачей при попытке доведения до промышленных масштабов. Для того чтобы справиться с этой проблемой Ten Brink et al. описывают способ обработки «отбеленных» глицеридовых жиров «цеолитной отбеливающей землей» при высокой энергии сдвига от 0,5 до 2,5 Вт/кг на протяжении от 5 минут до 12 часов при температуре от 30 до 150°С перед соприкосновением липида с липазным катализатором для протекания интерэстерификации.

Известны другие способы ферментативной обработки липидных композиций. В дополнение к липазе, интересующие ферменты могут включать эстеразу; ацилазу; ферменты, усиливающие реакции ацидолиза, реакции транэстерификации, синтеза сложных эфиров или реакции перестановки сложных эфиров; ферменты, имеющие фосфолипазную или протеазную активность, включая активность термостабильных и термоустойчивых гидролаз; и полинуклеотиды.

Таким образом, объектом изобретения является способ и аппарат для непрерывной ферментативной обработки композиции, содержащей липид, в нескольких реакционных модулях, объединенных в последовательности, где способ может выполняться в непрерывном режиме, даже если один из модулей отключен для замены или восполнения обрабатывающей среды.

Таким образом, другим объектом изобретения является способ и аппарат для непрерывной ферментативной обработки композиции, содержащей липид, в котором активность фермента пролонгирована.

Другим объектом изобретения является способ и аппарат для непрерывной ферментативной обработки композиции, содержащей липид, в нескольких реакторах с неподвижным слоем, объединенных в последовательности, где реактор с неподвижным слоем может подвергаться замене или пополнению при поддержании процесса, по существу, при постоянной скорости потока.

Еще одним объектом изобретения является процесс и аппарат для непрерывной ферментативной обработки композиции, содержащей липид, в нескольких реакторах с неподвижным слоем, объединенных в последовательности, где может быть использована, по существу, вся активность определенного количества фермента, прежде чем это количество фермента потребуется заменить или пополнить.

Еще одним объектом изобретения является процесс и аппарат для непрерывной ферментативной обработки композиции, содержащей липид, при котором композиция не должна быть дезодорирована перед ферментативной обработкой.

Еще одним объектом изобретения является процесс и аппарат для непрерывной ферментативной обработки композиции, содержащей липид, требующий только ограниченного мониторинга процесса обработки.

Еще одним объектом изобретения является процесс и аппарат для непрерывной ферментативной обработки композиции, содержащей липид, способный производить липидный продукт, соответствующий заранее определенным техническим характеристикам.

Другим объектом изобретения является способ и аппарат для непрерывной ферментативной обработки композиции, содержащей липид, во множестве реакторов с неподвижным слоем, объединенных в последовательности, в которых скорость потока в основном остается постоянной, позволяющие производить содержащий липиды продукт, удовлетворяющий заранее определенным техническим характеристикам.

Краткое описание изобретения

Представленное изобретение касается процесса и аппаратов для непрерывной ферментативной обработки композиции, содержащей липид, в различных реакторах с неподвижным слоем, где поток композиции, содержащей липид, через реактор может оставаться в основном постоянным даже по мере того, как ферментативная активность неподвижного слоя уменьшается со временем, и даже когда неподвижный слой отключен для ремонта, замены или пополнения. В соответствии с этим аспектом изобретения способ непрерывной обработки композиции включает этапы

(a) подготовки содержащего липиды исходного материала,

(b) предварительной обработки указанного исходного материала первой технологической добавкой,

(c) обеспечения прохождения указанного исходного материала с, по существу, постоянной скоростью потока через систему обработки, включающую различные содержащие фермент реакторы с неподвижным слоем, соединенные последовательно один с другим, и

(d) указанные реакторы с неподвижным слоем могут обслуживаться индивидуально, скорость потока исходного материала через систему обработки оставляют, по существу, постоянной, когда один из указанных реакторов с неподвижным слоем отключают для обслуживания.

В одном варианте осуществления изобретения технологическая добавка может быть помещена в каждый реактор с неподвижным слоем, размещаясь над ферментативным слоем таким образом, что исходный материал, текущий в реактор, сначала контактирует с технологической добавкой, а потом с ферментом. В другом варианте осуществления технологическая добавка может находиться в одном или более реакторов, отличных от реактора, содержащего фермент. Таким образом, в другом аспекте изобретения система предварительной обработки, предназначенная для предварительной обработки исходного материала, может включать один или более реакторов предварительной обработки, содержащих технологическую добавку для предварительной обработки, подходящую для определенной подвергаемой обработке композиции, содержащей липид, обычно кремнезем. В соответствии с этим аспектом изобретения способ в соответствии с представленным изобретением может включать этапы:

(a) подготовки содержащего липиды исходного материала,

(b) осуществления контакта содержащего липиды исходного материала с определенным количеством технологической добавки в системе предварительной обработки в течение периода времени, достаточного для того, чтобы обеспечить образование предварительно обработанного исходного материала, система предварительной обработки включает несколько реакторов предварительной обработки, объединенных последовательно,

(c) обеспечения прохождения указанного исходного материала с, по существу, постоянной скоростью потока через систему обработки, включающую различные содержащие фермент реакторы с неподвижным слоем, соединенные в один с другим в другую последовательность, и

(d) реакторы предварительной обработки могут обслуживаться индивидуально, скорость потока исходного материала через оставшуюся систему предварительной обработки оставляют, по существу, постоянной, когда один из указанных реакторов предварительной обработки отключают для обслуживания.

В еще одном аспекте изобретения изобретатели также обнаружили, что активность ферментативных катализаторов значительно продлевается, если используемый на этапе предварительной обработки кремнезем, по существу, свободен от влаги. В этом состоит отличие от продуктов кремния, которые пытались использовать в предшествующих работах, подобные продукты кремния имели содержание влаги, приближающееся к 65%. Таким образом, в другом аспекте изобретения способ в соответствии с представленным изобретением включает этапы:

(a) подготовки липидсодержащего исходного материала,

(b) осуществления контакта содержащего липиды исходного материала с определенным количеством, по существу, свободного от влаги кремнезема для получения предварительно обработанного исходного материала,

(с) обеспечения прохождения указанного исходного материала с, по существу, постоянной скоростью потока через систему обработки, включающую один или более содержащих фермент реакторов с неподвижным слоем, последовательно соединенных.

В предпочитаемом варианте осуществления этого аспекта изобретения система предварительной обработки включает различные реакторы с неподвижным слоем, которые могут обслуживаться независимо, скорость потока исходного материала через систему обработки оставляют, по существу, постоянной в случае, если один из реакторов отключен для обслуживания.

В некоторых вариантах осуществления исходный материал может содержать одну или более композиций, содержащих липид, которые предпочтительно являются или очищенными и отбеленными; или очищенными, отбеленными и гидрогенизированными; или фракционированными, очищенными и отбеленными. Система предварительной обработки в соответствии с представленным изобретением может служить для удаления нежелательных компонентов исходного материала, вне зависимости от того, известны эти компоненты или неизвестны. Фермент, иммобилизированный в реакторах с неподвижным слоем, может быть липазой; эстеразой; ацилазой; ферментами, усиливающими реакции ацидолиза, реакции трансэстерификации, синтеза эфиров, или реакции обмена липидов; ферментами, имеющими фосфолипазную или протеазную активность, включая активность термостабильных и термоустойчивых гидролаз; и полинуклеотидами.

В другом аспекте изобретение касается аппарата для осуществления способа, описанного выше, аппарат включает:

(a) вход для исходного материала,

(b) выход для продукта,

(c) систему предварительной обработки, содержащую один или более модулей обработки,

(d) систему обработки, содержащую несколько реакторов с неподвижным слоем, объединенных последовательно,

(e) управляемое средство сообщения по текущей среде, которое позволяет исходному материалу течь в аппарат через вход для продукта, через систему предварительной обработки, через систему обработки, и покидать аппарат через указанный выход для продукта, средство сообщения по текучей среде должно допускать настройку, чтобы позволять отключение одного из модулей предварительной обработки и/или реакторов с неподвижным слоем при сохранении потока исходного материала через аппарат, таким образом, что при отключении модуля или реактора поток исходного материала через аппарат оставляют в основном постоянным. В предпочитаемом варианте осуществления система предварительной обработки содержит определенное количество, по существу, свободного от влаги кремнезема, помещенного в один или более указанных модулей предварительной обработки в форме реакторов с неподвижным слоем.

Поскольку модуль предварительной обработки или реактор с неподвижным слоем могут быть отключены, в то время как процесс продолжает протекать, процесс не должен подвергаться замедлению и остановкам, которые происходят в предшествующих системах при потере активности ферментативным слоем. Значительным преимуществом способа и аппарата в соответствии с представленным изобретением является то, что скорость реакции значительно не понижается по мере протекания реакции, так что не является необходимым понижение скорости подачи в аппарат исходного материала, и способ и аппарат могут работать, по существу, с постоянной скоростью потока, даже если модуль обработки подвергается пополнению или замене. Процесс и аппарат в соответствии с представленным изобретением делают возможным значительное продление активности фермента и позволяют использование в реакторе, по существу, всей активности фермента прежде, чем реактор будет отключен для пополнения. Процесс и аппарат в соответствии с изобретением также позволяют проводить обработку с использованием меньшего мониторинга процесса оператором, чем это требуется для методов обработки с одним модулем. Еще одним преимуществом является то, что становится возможным производство обработанного продукта, отвечающего заранее определенным техническим характеристикам. Еще одним преимуществом изобретения является то, что высокое качество продуктов может достигаться без дезодорирования композиции, содержащей липид, перед этапами предварительной обработки и обработки ферментом.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет собой схематическое изображение одного из вариантов аппарата, который может быть использован для осуществления способа в соответствии с представленным изобретением, аппарат включает систему предварительной обработки и систему обработки.

Фиг.2 представляет собой схематическое изображение одного из вариантов реактора с неподвижным слоем из предшествующих работ, который может быть использован в качестве модуля обработки как часть аппарата в соответствии с представленным изобретением.

Фиг.3 представляет собой увеличенное изображение системы предварительной обработки с Фиг.1

Фиг.4 представляет собой увеличенное изображение системы обработки с Фиг.1

Фиг.5 демонстрирует три различных типа набивных колонн, пригодных для использования в различных вариантах представленного изобретения.

Фиг.6 представляет собой диаграмму, показывающую соотношения изменений в содержании жира, твердого при 40° в жировом продукте, который подвергнут процессу предварительной обработки и обработке в соответствии с представленным изобретением с числом дней проведения испытаний.

Подробное описание изобретения

Согласно требованиям, здесь приведено детальное описание варианта осуществления изобретения. Необходимо понимать, однако, что приведенный вариант осуществления является полностью демонстративным в том, что касается изобретения, которое может быть воплощено в различных формах.

Таким образом, конкретные детали, описанные здесь, не должны трактоваться как ограничивающие, но только как основа для формулы изобретения и в качестве репрезентативной основы для обучения специалистов в данной области техники различному применению различных аспектов изобретения соответствующим образом.

Представленное изобретение касается процессов и аппаратов для обработки содержащих липид исходных материалов. Исходный материал может содержать одну или более композиций, содержащих липид, которые предпочтительно являются очищенными и отбеленными; очищенными, отбеленными и частично или полностью гидрогенизированными; или частично гидрогенизированными; или фракционированными, очищенными и отбеленными. Подобные композиции могут содержать жиры и масла как из растительных, так и из животных источников. Из растительного источника масло или жир могут быть получены путем механического прессования или химической экстракции. Жиры и масла, пригодные для использования в качестве композиции, содержащей липид, включают, например, но не ограничиваются маслом канолы, касторовым маслом, кокосовым маслом, кориандровым маслом, кукурузным маслом, хлопковым маслом, маслом фундука, конопляным маслом, льняным маслом, маслом семян мятлика лугового, оливковым маслом, пальмовым маслом, косточковым пальмовым маслом, арахисовым маслом, рапсовым маслом, маслом из рисовых отрубей, сафлоровым маслом, маслом камелии масличной, соевым маслом, маслом семян подсолнечника, таловым маслом, маслом японской камелии, разновидностями натуральных масел, имеющими измененное сочетание жирных кислот в результате генетической модификации организмов (ГМО) или традиционного выведения, такими как масла с высоким содержанием олеиновой или низким содержанием линоленовой кислот, низконасыщенные масла (высокоолеиновое масло канолы, низколиноленовое масло сои или высокостеариновые масла подсолнечника), растительным маслом, жиром американской сельди, жиром тихоокеанского калехита, рыбим жиром, жиром хоплостета, жиром сардины, жирами сельди, шпиком, салом и смесями любых вышеперечисленных жиров.

Продукты на основе кремнезема, использованные на этапе предварительной обработки в соответствии с представленным изобретением предпочтительно, по существу, лишены влаги. Под термином «по существу, лишены влаги» подразумевается, что продукт кремнезема содержит меньше чем приблизительно 10% испаряющегося вещества, и более предпочтительно менее чем приблизительно 5% испаряющегося вещества. Предпочтительно при анализе продукт, по меньшей мере, состоит из SiO₂, не менее «чем приблизительно на 95% и предпочтительно не менее чем приблизительно на 99% SiO₂, считая по сухому весу. В дополнение кремнеземовый продукт может иметь средний диаметр пор более чем приблизительно 150 ангстрем, предпочтительно более чем приблизительно 160 ангстрем. Для того чтобы избегнуть образования мыл в реакторе кремнезем имеет рН по меньшей мере приблизительно 7,0, рН приблизительно 6,8 является особенно предпочтительным. Было обнаружено, что применение подобного кремнезема в значительной мере продлевает срок жизни ферментного катализатора в системе обработки липидов. Кремнеземовая технологическая добавка может содержать один или более продуктов, выбранных из группы, состоящей из хроматографического кремнезема, сплавленного кремнезема, осажденного кремнезема, пирогенного кремнезема, коллоидного кремнезема, аморфного кремнезема, гидрогеля кремнезема и алюмосиликата натрия. Было обнаружено, что кремнезем хроматографического качества пригоден для использования в способе и аппарате в соответствии с представленным изобретением. Один из продуктов, о котором известно, что он особенно подходит для использования в системе предварительной подготовки в соответствии с представленным изобретением, представляет собой, по существу, свободный от влаги продукт на основе силикагеля, предлагаемый W.R. Grace & Со. под обозначением SP 535-10065. Было обнаружено, что когда используется, по существу, свободный от влаги силикагель, количество силикагеля, используемого на определенное количество фермента, может составлять приблизительно 50% или меньше, предпочтительно приблизительно 25% или меньше, и наиболее предпочтительно 15% или меньше.

Ферменты, используемые в процессе и аппарате в соответствии с представленным изобретением, представляют собой иммобилизированные ферменты в реакторах с неподвижным слоем и могут представлять собой липазу, эстеразу; ацилазу; ферменты, содействующие ацидолизу, реакциям трансэстерификации, синтезу эфиров, или реакциям обмена эфиров; ферменты, обладающие фосфолипазной или протеазной активностью, включая активность термостабильной и термоустойчивой гидролазы; и полинуклеотидами. Применимые ферменты включают, но не ограничены, ферментами, получаемыми из Achromobacter, Alcaligenes, Aspergillus, Bacillus, Candida, Chromobacterium, Corynebacterium, Geotrichum, Humicolo, Humicora, Mucor, Penicillium, Pseudomonas, Rhizomucor, Rhizopus, Staphylococcus, Thermomyces и Torulopsis. Применямые ферменты включают, но не ограничены, ферменты, полученные из Mucor mihei, Pseudomonas fluorescens, Rhizopus delemar, Candida cylindracea, Penicillium cyclopium и Thermomyces lanuginosus. Особенно предпочтительным ферментативным катализатором является липаза из Thermomyces lanuginosus.

Продуктивность системы ферментативной обработки жиров или масел может быть оценена исходя из количества килограммов успешно обработанного масла, на грамм фермента в системе обработки. Успешная обработка масла или жира означает, что обработанное масло или жир попадает в технические характеристики продукта, который должен быть получен в результате ферментативной обработки. Когда определенное количество фермента деактивируется, он более не способен обрабатывать масло или жир, с которым вступает в контакт. В методе и аппарате в соответствии с представленным изобретением фермент может обработать намного больше жира или масла по сравнению с тем же ферментом в процессах, описанных в предшествующих работах, даже в случае если жир или масло не были дезодорированы перед обработкой в процессе по изобретению. В соответствии с представленным изобретением активность фермента составляет, по меньшей мере, 1 кг масла/г фермента, более предпочтительно, по меньшей мере, 1,5 кг масла/г фермента, и наиболее предпочтительно, по меньшей мере, 1,8 кг масла/г фермента.

Процесс в соответствии с представленным изобретением может давать лучшие результаты, если осуществляется в условиях управляемого рН. Обычно, рН должен составлять меньше чем приблизительно 7,2. Хороших результатов можно ожидать, когда рН находится в диапазоне приблизительно 3-7, предпочтительный рН составляет приблизительно 6,8.

На чертежах одинаковые ссылочные позиции использованы для указания одинаковых элементов.

Согласно фиг.1, вариант осуществления аппарата 10 для использования в способе в соответствии с представленным изобретением включает вход 12 для исходного материала, систему 20 предварительной обработки, систему 50 обработки и выход для продукта 90. В показанном варианте осуществления и система 20 предварительной обработки и система 50 обработки включают несколько модулей или реакторов, соединенных последовательно. Необходимо, однако, принимать во внимание, что не во всех вариантах осуществления изобретения присутствует система предварительной обработки. Кроме того, когда присутствует система предварительной обработки, несколько модулей или реакторов может содержать или система предварительной обработки, или система обработки, или обе системы.

Фиг.2 иллюстрирует типичный реактор с неподвижным слоем, описанный в предшествующих работах, который может использоваться в качестве модуля для предварительной обработки или для обработки в аппарате в соответствии с представленным изобретением. Каждый реактор с неподвижным слоем содержит бак реактора 110, который содержит среду предварительной обработки или обработки 123, которая находится на поверхности удерживающего средства 121, такого как проволочный экран или иные проницаемые средства, задерживающие среду обработки, при этом позволяющие проходить потоку подвергаемого обработке исходного материала. Бак реактора 110 может состоять из основной части 112 и крышки 114, которая герметично соприкасается с прокладкой 116. Крышка 114 может быть снята при помощи механического рычага 118, имеющего шарнир 119. Крышка 114 снабжена манометром 115 и смотровым стеклом 117, что позволяет отслеживать условия внутри бака реактора 110. Основная часть 112 может быть снабжена установочными кронштейнами 113, входом 124, выходом 126 и дополнительным отверстием для очистки 128. Ниже выхода 126 находится смотровое стекло 127. Внутри бака реактора 110 находится система распределения потока исходного материала, имеющая форму зонта 125, называемая в просторечии «китайской шляпой». Основная часть 112, кроме того, может быть снабжена температурным зондом 129, расположенным выше средства удержания 121, и температурным зондом 131, расположенным ниже средства удержания 121. Предпочтительно отвод для отбора проб 132 может быть расположен после выхода 126 по ходу потока текучей среды. Необходимо учитывать, что устройство определенного реактора или модуля обработки само по себе не является критическим аспектом представленного изобретения и что для практического осуществления представленного изобретения могут быть использованы модули обработки и реакторы с иной структурой или конструкцией.

Предшествующее описание одной из возможных конструкций реактора приведено для улучшения понимания описания изобретения.

Когда требуется предварительная обработка исходного материала, подходящая система предварительной обработки может включать одиночный модуль или несколько модулей. Каждый модуль может быть представлен в виде реактора с неподвижным слоем, такого как показанный на фиг.2, или может быть реализован в другом варианте, который может быть более подходящим в определенной ситуации.

Фиг.3 демонстрирует вариант осуществления подобной системы предварительной обработки в соответствии с представленным изобретением, в котором используется несколько модулей предварительной обработки, каждый модуль предварительной обработки представлен в виде реактора с неподвижным слоем, в основном такого, как изображенный на фиг.2. В демонстрируемом варианте осуществления система предварительной обработки 20 включает реакторы с неподвижным слоем 22 и 22′ и регулируемое средство 30 сообщения по текучей среде, причем данное средство 30 включают систему трубопроводов, подводящую текучую среду в реакторы 22 и 22′, из них и между ними, содержащую соответствующие клапаны и измерители, как более полно описано ниже. Каждый реактор с неподвижным слоем содержит входное отверстие 24, 24′ и выходное отверстие 26, 26′. С каждым выходным отверстием связан клапан, позволяющий перекрыть выходной поток 27, 27′.

Каждый слой реактора снабжен подходящей средой предварительной обработки, не показано. В предпочтительном варианте осуществления среда предварительной обработки представляет собой, по существу, свободный от влаги кремнезем. Регулируемое средство 30 сообщения по текучей среде содержит трубопровод 32, выходящий из входа 12. Вслед за входом 12 расположен насос 14, который поддерживает, по существу, постоянный поток исходного материала через трубопровод 32. Трубопровод 32 проходит через теплообменник 33, имеющий вход и выход для среды теплообменника 31, 31′, теплообменник может применяться для поддержания температуры входящего потока исходного материала, оптимальной для конкретной среды предварительной обработки. Одной из приемлемых сред для теплового обмена является вода. Трубопровод 32 снабжен датчиком расхода 34, который отслеживает скорость потока исходного материала, и соединениями 36 и 36′, соединенными с входными отверстиями 24 и 24′ реакторов 22 и 22′, соответственно. Каждое из соединений 36 и 36′ снабжено закрывающим клапаном 38, 38′. Реакторы 22 и 22′ также соединены один с другим последовательно посредством основного межреакторного соединителя 39, снабженного закрывающим клапаном 40 и соединяющего выход 26 реактора 22 со входом 24′ реактора 22′. Реакторы 22 и 22′ также соединены один с другим последовательно посредством второго межреакторного соединителя 39′, снабженного закрывающими клапанами 40′ и 41′ и соединяющего выход 26′ реактора 22′ через закрывающие клапаны 41′ и 40′ со входом 24 реактора 22.

При нормальной работе в средстве 30 сообщения по текучей среде исходно клапаны 38, 40 и 27′ находятся в открытом положении, а клапаны 38′, 40′, 27 и 41′ в закрытом положении. При начале работы исходный материал протекает от входа 12 через трубопровод 32 при помощи насоса 14, после чего через теплообменник 33, затем через датчик расхода 34. Поскольку клапаны 38′ и 40′ закрыты, весь исходный материал потечет через открытый клапан 38 через трубопровод 36, через входное отверстие 24, а затем в реактор 22, где он встретится с первым слоем предварительной обработки. Исходный материал выходит через выход 26. Поскольку клапан 27 на выходе закрыт, исходный материал движется по межреакторному соединителю 39 и через открытый клапан 40′, через вход 24′, а затем в реактор 22′, где он встречается со вторым слоем предварительной обработки. Подвергнутый полной предварительной обработке исходный материал вытекает через выход 26′, затем через открытый клапан 27′. На этом этапе выходящий из реактора 22′ исходный материал полностью подвергнут обработке и может быть подан через трубопровод 42 в систему обработки 50.

Нужно учитывать, что в процессе предварительной обработки реактор 22 сначала будет сталкиваться со значительно большим числом загрязнений, чем реактор 22′, так что реактор 22 истощится значительно раньше, чем реактор 22′. Отверстия для отбора проб 28, 28′ на каждом из реакторов 22 и 22′ позволяют оператору отбирать образцы предварительно обработанной композиции на выходе из реактора для того, чтобы определить функциональность среды предварительной обработки в реакторе. В системах в соответствии с предшествующими работами результат работы реактора было нужно контролировать часто для того, чтобы определить, не уменьшилась ли функциональность среды обработки. Если наступало такое состояние, скорость обработки в реакторе 22 понижалась, так что должна была быть уменьшена скорость потока исходного материала через насос 14, измеряемая датчиком расхода 34. В конечном счете, всю систему было нужно отключать и заменять содержимое одного или более реакторов свежей средой предварительной обработки, даже если не вся среда на слое или слоях была деактивирована.

Эти недостатки предшествующих работ преодолены при помощи способа и аппарата в соответствии с представленным изобретением. В соответствии с изобретением, в случае, если определено, что среда предварительной обработки в реакторе 22 должна быть заменена, выполняется следующая процедура. Клапаны 38 и 40 закрываются, клапан 38′ открывается. В этой конфигурации, исходный материал более не попадает в трубопровод 36 и в реактор 22, вместо этого он течет через трубопровод 36′ в реактор 22′. Поскольку клапан 40′ закрыт, исходный материал не может течь обратно через межреакторный соединитель 39. Реактор 22′ становится первым реактором обработки. Исходный материал движется из реактора 22′ через выход 26′, затем через клапан 27′ в трубопровод 42 и выходит в систему обработки 50.

На этом этапе процесса реактор 22 отключен, что означает, что исходный материал не подается ни в реактор 22, ни из него. Реактор 22 может быть открыт, после чего может быть заменен «израсходованный» материал для предварительной обработки, или реактор 22 может быть подвергнут другим процессам обслуживания и сервиса. Когда обслуживание реактора 22 окончено, он может быть снова включен. Клапан 27′ закрывается, а клапаны 41′, 40′ и 27 открываются, что позволяет исходному материалу из реактора 22′ вытекать через клапан 41′, проходить через второй межреакторный соединитель 39′, затем через клапан 40′ и через вход 24, что позволяет исходному материалу вступить в контакт с новым материалом для предварительной обработки в реакторе 22. Теперь реактор 22 является вторым реактором предварительной обработки. Подвергнутый предварительной обработке исходный материал проходит через выход 26, затем через клапан 27 и через трубопровод 42 в систему обработки 50.

Принципы, сходные с теми, что были показаны и описаны выше для системы предварительной обработки с двумя модулями, также могут быть применены для системы с несколькими реакторами с неподвижным слоем, показанной на фиг.4. В иллюстрированном примере представлены пять модулей обработки 422, 522, 622, 722 и 822 в форме реакторов с неподвижным слоем, каждый слой содержит иммобилизованный фермент, пригодный для обработки композиции, содержащей липид. Каждый реактор с неподвижным слоем имеет входное отверстие 424, 524, 624, 724 и 824 и выходное отверстие 426, 526, 626, 726 и 826. С каждым выходным отверстием связан закрывающий выходной поток клапан 427, 527, 627, 727 и 827. Управляемое средство 930 сообщения по текучей среде включает систему трубопроводов, ведущих к реакторам, от реакторов и соединяющих реакторы 422, 522, 622, 722 и 822, снабженных датчиками и клапанами, как более полно описано ниже. Трубопровод 932 ведет от соединения 42 системы предварительной обработки 20. Трубопровод 932 снабжен датчиком расхода 934, который измеряет скорость потока предварительно обработанного исходного материала.

Соединения 436, 536, 636, 736, 836 ведут к входным отверстиям 424, 524, 624, 724, и 824 реакторов 422, 522, 622, 722 и 822 соответственно. Каждое соединение снабжено закрывающим клапаном 438, 538, 638, 738, 838. Реакторы соединены друг с другом последовательно при помощи первичных соединений между реакторами 439, 539, 639, 739, снабженных запорными клапанами 440, 540, 640 и 740, реакторы также соединены друг с другом последовательно при помощи вторичного соединения между реакторами 339, снабженного запорным клапаном 340.

При нормальном начале работы клапаны 438, 440, 540, 640, 740 и 827 открыты, а все остальные клапаны закрыты. Прошедший предварительную обработку исходный материал течет из соединения 42 в трубопровод 932, через измеритель расхода 934, затем через открытый клапан 438. Поскольку запорные клапаны 340, 538, 638, 738, и 838 закрыты, весь исходный материал будет течь через открытый запорный клапан 438 в трубопровод 436, через входное отверстие 424, а затем в реактор 422, где он вступает в контакт с первым обрабатывающим неподвижным слоем. Исходный материал выходит через выход 426. Поскольку выходной клапан 427 закрыт, исходный материал затем проходит через первичное соединение между реакторами 439 и через открытый клапан 440 во вход 524, а затем в реактор 522, где он вступает в контакт со вторым слоем обработки. Сходным образом, поток исходного материала продолжает движение через реакторы 622, 722 и 822. На этом этапе выходящий из реактора 822 материал подвергнут полной обработке, обработанная липидная композиция может течь через соединение 90 и выходить из аппарата.

По аналогии с системой предварительной обработки 20, первый модуль обработки в серии системы обработки 50 будет первым демонстрировать уменьшение ферментативной активности и в конечном итоге должен будет подвергнуться замене. Последующее описание применимо в случае отключения первого реактора 422 для обслуживания, такого как пополнение фермента, однако описание будет столь же применимо для отключения любого другого реактора, при указании соответствующих частей. В соответствии с изобретением, если выяснено, что реактор с неподвижным слоем 422 требует обслуживания, выполняется следующая процедура. Запорные клапаны 438 и 440 закрывают, запорный клапан 538 открывают. В этой конфигурации исходный материал более не течет через трубопровод 436 в реактор 422, а вместо этого течет через трубопровод 536 в реактор 522. Поскольку клапан 440 закрыт, исходный материал не может протекать через первичное соединение между реакторами 439. Реактор 522 теперь является первым слоем обработки. Исходный материал выходит из реактора 522 через выход 526, затем проходит через реакторы 622, 722 и 822 таким же образом и выходит из системы обработки 50 через трубопровод 90.

На этом этапе процесса реактор 422 отключен, что означает, что исходный материал не поступает в реактор 422 и не выходит из него. Реактор 422 может быть открыт, в нем может быть заменен обрабатывающий материал или же он может подвергаться другим процедурам текущего ремонта и обслуживания. Когда обслуживание реактора 422 завершено, он может быть снова запущен. Клапан 827 закрывается, клапаны 340 и 427 открываются, что позволяет исходному материалу перетекать из реактора 822 через выход 826 во вторичное соединение между реакторами 339, а затем через клапан 340 и вход 424, позволяя исходному материалу вступать в контакт с новым обрабатывающим материалом в реакторе 422.

Теперь реактор 422 является последним обрабатывающим слоем. Подвергнутый окончательной обработке исходный материал далее проходит через выход 426, затем через клапан 427, а затем через трубопровод 90 выходит из системы обработки 50.

Сходным образом, когда приходит время замены в реакторе 522, он подвергается отключению по такому же принципу, реактор 622 становится первым реактором в серии, реактор 522 подвергается обслуживанию, после чего вступает в строй как последний реактор в серии. Этот процесс может быть повторен для каждого из реакторов по мере того, как ферментативные слои теряют свою функциональность. Будет видно, что самый свежий слой фермента всегда является последним в серии, таким образом, вступая в контакт с липидной композицией после того, как она уже прошла через все оставшиеся реакторы. Композиция, когда она достигает последнего реактора в серии, уже была в значительной мере обработана и является относительно свободной от любых загрязнений по причине или их удаления или реакции с предшествующим ферментом в каждом из предшествующих реакторов, обеспечивая, по существу, полное осуществление реакции в композиции. Фермент в последнем реакторе в серии сохраняет свою функциональность намного дольше, чем в случае, если реактор является первым в серии. Кроме того, в реакторе используется больше фермента, прежде чем реактор требуется отключать снова. Неожиданно было обнаружено, при использовании способа и аппарата в соответствии с представленным изобретением может быть достигнуто шестикратное увеличение продолжительности работоспособной жизни ферментного слоя реактора по сравнению с системами в соответствии с предшествующими работами.

Способ и аппарат в соответствии с представленным изобретением предлагают значительные преимущества по сравнению со способами и аппаратами для обработки липидных композиций, описанными в предшествующих работах. Продолжительность работы катализатора может быть увеличена вплоть до шести раз. Предварительная обработка с помощью кремнезема или иной системы предварительной обработки является непрерывной и не прерывается по причине деактивации или замены среды предварительной обработки в отдельном модуле предварительной обработки. Сходным образом, модификация липидов является непрерывной и не прерывается по причине инактивации ферментов или замены иммобилизованных ферментов. Поток не только является непрерывным, также остается, по существу, постоянной его скорость. Без любого прерывания или изменения скорости потока в процессе может быть достигнуто, по существу, 100-процентное преобразование липидов. Для обеспечения, по существу, 100-процентного преобразования требуется ограниченный мониторинг процесса. Более того, продукты хорошего качества могут быть получены без необходимости этапа дезодорирования до или в процессе предварительной обработки кремниземом или ферментативной обработки.

Последующие примеры излагают разработку способа в соответствии с представленным изобретением, включая верификацию этапов в соответствии с представленным изобретением и сравнение с иными процессами. В той степени, в которой примеры касаются заявленного здесь изобретения, примеры приведены с целью иллюстрации, а не с целью ограничения и предназначены для иллюстрирования нескольких из множества возможных путей, которыми представленное изобретение может быть осуществлено практически.

Пример 1

Подтверждение ферментативной интерэстерификации (контроль)

Использованное во всех последующих примерах масло представляет собой смесь полностью гидрогенизированных очищенных и отбеленных масел, производимых из пальмовых косточек (РК) и масличной пальмы (РО) (смесь 60:40), использованную в качестве исходного материала для маргаринового продукта типа «ноль-транс», имеющего «ноль» транс-жирных кислот, приведенного к температуре плавления, и отбелено 1% отбеливающей земли и 0,5% кремнезема TrySil® в соответствии с известными методами. Вакуум нарушали введением азота, полученный материал хранили при температуре менее 10°С, пока использовали его для различных приведенных здесь примеров.

При первоначальном подтверждении ферментативной интерэстерификации образцы смеси масел подвергались интерэстерификации без какой бы то ни было предварительной обработки с использованием как традиционного метода CIE (химической интерэстерификации) с метоксидом натрия, так и процесса EIE (ферментативной интерэстерификации) с применением иммобилизованного фермента Novozymes Lipozyme® TL IM. В процессе CIE 400-500 г обезвоженной смеси масел нагревали до 95-105°С, добавляли 0,1%-0,2% катализатора - метоксида натрия, после чего позволяли реакции протекать 40-60 минут при перемешивании в стеклянном реакторе. В процессе EIE система ферментативной обработки лабораторного масштаба была сконструирована в виде серии из трех колонок, каждая колонка была высотой 250 миллиметров и диаметром 10 миллиметров, и содержала округленно 7 граммов фермента Novozymes Lipozyme® TL IM, каждая колонка была набита в соответствии с конфигурацией, в общих чертах соответствующей колонке типа «1» на фиг.5. В верхней и нижней части каждой из колонок помещали небольшое количество стеклянных шариков (диаметром 2 мм) между слоями стекловолокна для того, чтобы удержать иммобилизованный фермент в колонке и не позволить ему забивать соединения между колонками. Образец смеси масел весом 5,2 кг нагревали до 70°С, при этой температуре он находился в жидком состоянии, после чего подавали в систему обработки при помощи насоса с постоянной скоростью потока приблизительно 2 грамма масла на грамм фермента в час. Этот процесс дал 3,8 кг интерэстерифицированного ферментативным путем масла, что соответствует продуктивности или полного преобразования 0,14 кг масла на грамм фермента (3,8 кг/21 г фермента).

Было обнаружено, что профили плавления продуктов, полученных в процессах CIE и EIE, были по большей части одинаковы. В таблице 1 ниже приведено содержание твердого жира (SFC) для каждого из продуктов CIE и EIE при различных интересующих температурах и сравнение их со спецификациями желаемого маргаринового продукта с нулевым содержанием транс-жиров. Уровень токоферола в масле CIE составлял 50% от уровня токоферола в масле EIE. Можно видеть, что в процессе EIE сохранился, по существу, весь полезный токоферол, исходно присутствовавший в смеси масел до проведения любого из методов интерэстерификации, в то время как в процессе CIE было разрушено 50% токоферола.

Для дальнейшей оценки продуктов процессов CIE и EIE продукты включали в состав композиции масел, содержащей 14% продукта интерэстерификации, 85% соевого масла и 1,5% полностью гидрогенизированного пальмового масла. В таблице 2 приведено содержание твердого жира для двух смесей при различных интересующих температурах. Стабильность масляных композиций, измеренная с помощью Rancimat Metrohm (model 743) при 130°С, составляла 10 часов для смеси, в которой использовали продукт CIE, и 20 часов для смеси, в которой использованы продукты EIE.

Пример 2

Оценка лимонной кислоты в качестве технологической добавки для предварительной обработки (сравнительный пример)

Было высказано предположение, что следы металлов, присутствующие в маслопродуктах, могут окислять масло и вызывать преждевременную деактивацию фермента. Лимонная кислота будет действовать в качестве хелатирующего фактора в отношении следов металла, что будет приводить к их деактивации, как это описано в Dutton et al., J.A.O.C.S. (1948 и 1949). Соответственно, лимонная кислота была исследована в качестве технологической добавки в процессе предварительной обработки для определения, приведет ли ее использование к продлению активности фермента в последующем процессе EIE. Провели два исследования лимонной кислоты в качестве технологической добавки на этапе предварительной обработки. Использовали систему для интерэстерификационной обработки в лабораторном масштабе, такую как описанная в примере 1, но с использованием трех соединенных последовательно колонок. Вторая и третья колонки в серии соответствовали типу «1», показанному на фиг.5, и были использованы в примере 1 ранее, первая же колонка соответствовала типу «2», показанному на фиг.5. Каждую из трех колонок наполняли округленно 7 граммами фермента Novozymes Lipozyme® TL IM, вместе со стекловолокном и стеклянными шариками сверху и снизу фермента в каждой колонке, как описано в примере 1. В первую колонку типа 2 на поверхность слоя фермента в качестве технологической добавки добавляли 0,80 граммов гранулированной лимонной кислоты (полученной от Tate and LyIe, код продукта 510104176) (1 см по высоте). В первом исследовании всего использовали 21,57 граммов фермента. В каждом исследовании 5,2 кг примера смеси масел, описанной ранее, доводили до 70°С, после чего пропускали через систему в течение приблизительно пяти дней при скорости потока приблизительно 2,0 г жира/г фермента/час.

В таблице 3 ниже перечислены свойства использованных в примерах масел после их отбеливания, но до того, как они были подвергнуты ферментативной интерэстерификации. Можно видеть, что все свойства, кроме двух, находятся в границах внутренних спецификаций для этого типа продуктов.

Официальные методы американского общества нефтехимиков

Свободные жирные кислоты (FFA) Са 5а-40

Следы металлов (Р, Fe, Cu, and Ni) Ca 18b-91

Анизидиновое число Cd 18-90

Перикисное число (PV) Са 8b-90

Точка каплепадения Сс 18-80

Влажность Са 2е-84

Содержание твердого жира Cd 16b-93

Токоферолы Се 8-89

Rancimat Cd 12b-92

Ниже в таблице 4 приведены свойства масляного продукта после обработки EIE на трех колонках после предварительной обработки лимонной кислотой в первом исследовании. Можно увидеть, что по мере продолжения исследований к пятому дню все большее число свойств не соответствовало спецификации продукта, в частности содержание твердых жиров при повышенных температурах.

После двух дней продукции продукт вышел за пределы спецификации продукта SFC, что означает, что реакция более не проходит до конца при поддержании постоянной скорости потока. Для достижения более полного протекания реакции было необходимо понизить скорость потока композиции через систему, что входит в противоречие с целью представленного изобретения. По истечении периода в пять дней (только в первые два из которых производился приемлемый продукт) процесс привел к получению 2,4 кг интерэстерифицированного жира, отвечающего спецификациям желаемого продукта, что соответствует продуктивности преобразования 0,11 кг жира на грамм фермента.

Во втором исследовании масло из того же источника пропускали через тот же набор колонок, содержащий 0,80 грамм лимонной кислоты и 20,79 грамм фермента, при той же скорости потока, что и в первом испытании, но на протяжении только четырех дней. Свойства масла после отбеливания, но перед обработкой EIE приведены ниже в таблице 5. Этот образец исходного масла был отобран из начальной смеси, однако он имеет анализируемые показатели, слегка отличающиеся от примера, использованного в первом испытании.

Ниже в таблице 6 приведены свойства масла после 4-дневной обработки в системе EIE. После четырех дней значение содержания жиров, твердых при 45°С, значительно отклонилось от спецификации, и исследование было прекращено.

Через четыре дня в данном испытании было получено 3,5 кг интерэстерифицированного жира, что соответствует продуктивности 0,17 кг жира/г фермента. Причина различия в продуктивности между двумя испытаниями определена не была, но выдвинуто предположение, что определенное влияние оказала растворимость лимонной кислоты в масле. Оба исследования показали очень низкую степень преобразования/продуктивность. Сравнение содержания SFC 40°С в испытании без предварительной обработки из примера 1 и в испытаниях с предварительной обработкой из примера 2 приводит к заключению, что лимонная кислота не продлевает срок жизни фермента, на самом деле она действует как яд.

Пример 3

Оценка ЭДТА в качестве технологической добавки для предварительной обработки (сравнительный пример)

Поскольку сделано заключение, что в двух испытаниях из примера 2 лимонная кислота демонстрировала «отравляющее» действие на фермент, возникла идея, что другой хелатирующий агент может оказывать положительное действие на активность фермента путем удаления следов металлов, присутствующих в маслах. ЭДТА (натриевая соль этилендиаминтетраацетата) известна в качестве хелатирующего агента для инактивации следов металлов.

Проводили два испытания ЭДТА в качестве " технологической добавки для предварительной обработки. Колонка типа «2» и две колонки типа «1» были составлены последовательно, как описано выше в примере 2. В трех составленных колонках содержалось в общей сложности 21,3 г того же фермента, что описано выше. Для первого испытания в качестве технологической добавки на поверхности слоя ферментов в первой колонке было использовано 0,43 грамма ЭДТА (полученной от Aksell Quimica (lndaiatuba, SP Brazil), код продукта 1282710200), образовавшей слой высотой 1 см. Образец той же смеси масел, что и использованная в примерах 1 и 2, пропускали через колонки в течение семи дней при скорости потока 2,0 г жира/г фермента/час при температуре 70° Цельсия. В таблице 7 приведены свойства масла до ферментативной обработки. В таблице 8 приведены свойства масла после ферментативной обработки в сочетании с предварительной обработкой ЭДТА.

Исследования были прекращены через шесть дней по причине высокого давления в насосе. По всей видимости, слой технологической добавка ЭДТА оказался спрессованным. В результате этого исследования было получено 7,2 кг интерэстерифицированного жира, что соответствует продуктивности или преобразованию 0,39 кг жира на г фермента.

Для второго испытания установка была той же, что и для первого испытания, 21,3 г фермента в трех колонках, объединенных последовательно при скорости потока 2,0 г жира/г фермента/час, за исключением того, что в качестве технологической добавки использовали смесь ЭДТА (0,43 грамма) и стеклянных шариков (2 мм в диаметре) в соотношении 75:25 в попытке улучшить скорость потока и понизить давление при перекачке. Смесь ЭДТА и стеклянных шариков помещали на поверхность фермента в первой колонке слоем высотой 1 см. В таблице 9 приведены свойства масла до ферментативной обработки, свойства масла после ферментативной обработки приведены в таблице 10.

Второе испытание, как и первое испытание, показало уплотнение ЭДТА. Использованные во втором испытании стеклянные зерна замедляли скорость уплотнения, но после восьми дней испытания были прекращены по причине высокого давления. Второе испытание дало 9,6 кг интерэстерифицированного жира, соответствующего продуктивности, или преобразования 0,45 кг жира на г фермента. ЭДТА улучшала продуктивность системы примерно на 100 процентов по сравнению с системой EIE из примера 1, в которой не применялась технологическая добавка.

Пример 4

Оценка кремнезема в качестве технологической добавки для предварительной обработки

Для этого исследования подготавливали четыре колонки. Первую колонку в серии компоновали, как колонку типа «3», показанную на фиг.5, с использованием слоя кремнезема хроматографического качества, доступного под обозначением SP 535-10065 от W.R.Grace (3,3 г кремнезема); Силикагель был, по существу, свободен от влаги, имел площадь поверхности приблизительно 316 м²/г, объем пор 1,029 мл/г, рН 6,8, общее содержание летучих веществ 4,4 процента, плотность после уплотнения 358 г/л и среднюю плотность пор 163 ангстрем, распределение размеров частиц от 100 до 300 микрон, размер отверстий от 50 до 150 и содержание SiO₂ 99,1% сухого веса. Другие три колонки в серии компоновали как колонки типа «1», показанные на фиг.5, в общем в них содержалось 22,0 г Novozymes Lipozyme® TL IM, того же иммобилизированного ферментативного продукта, что и использованный в предшествующих трех примерах. Исследование продолжалось тридцать три дня при скорости потока 2,0 г жира/г фермента/ч.

В таблице 11 приведены свойства масла до ферментативной обработки, в таблицах 12 и 13 приведены свойства после ферментативной обработки в сочетании с предварительной обработкой, по существу, обезвоженным силикагелем. Активность и стабильность ферментативного процесса измерялась по изменениям данных SFC с 45 и 40°С.

Процесс давал 40 кг интерэстерифицированного жира, который при стабильности системы соответствовал внутренним спецификациям. Продуктивность фермента составила 1,82 кг жира на грамм фермента, что представляет собой более чем 1000% увеличение активности по сравнению с ферментативной активностью без предварительной обработки, которая составляла 0,14 кг масла/г фермента. Анализ масла до и после предварительной обработки, но до обработки ферментом не показывал значительных различий в обычно измеряемых в промышленности критериях. Чтобы не ограничиваться определенной гипотезой, было решено, что, по существу, свободный от влаги кремнезем удалял из композиции, содержащей липид, неохарактеризованное вещество.

Фиг.6 представляет собой диаграмму, иллюстрирующую данные по содержанию твердого жира из испытаний из примера 1 без предварительной обработки, примера 2 с предварительной обработкой лимонной кислотой и примера 4 с, по существу, свободным от влаги кремнеземом. Можно видеть, что предварительная обработка лимонной кислотой дает отрицательный эффект, т.е. результат даже хуже, чем полученный совсем без предварительной обработки. График данных, полученных с использованием, по существу, свободного от влаги кремнезема, имеет значительно меньший наклон, поскольку процесс способен работать в течение значительно большего периода испытаний.

Вышеупомянутые результаты демонстрируют, что лимонная кислота оказывает отрицательное действие на активность фермента и общее преобразование интерэстерифицируемого материала. Исследованная ЭДТА в форме порошка непригодна по причине уплотнения слоя и повышения давления, даже при смешивании со стеклянными шариками для улучшения протекания процесса. Обнаружено, что, по существу, свободный от влаги кремнезем исключительно полезен для активности и времени жизни ферментативного катализатора. Более того, эти результаты были получены с использованием значительно меньшего количества кремнезема, чем использовано в процессах лабораторного масштаба из предшествующих работ. Процесс из примера 4, представленный здесь, использовал 3,3, по существу, свободного от влаги кремнезема на 22,0 г иммобилизованного фермента, или приблизительно 15%. В U.S. Pat. Appl. Publ. №2003/0054509 и U.S. Pat. Appl. Publ. №2005/0014237, указано, что для 22 граммов фермента использовано 38 граммов кремнеземного продукта, который предположительно не был свободным от влаги, то есть приблизительно 172%. Таким образом представленное изобретение позволяет значительное снижение количества среды предварительной обработки, продолжая при этом получать интерэстерифицированный продукт высокого качества в непрерывном процессе.

Пример 5

Промышленный процесс (контроль)

Процесс ферментативной интерэстерификации (EIE) в промышленном масштабе был скомпонован в соответствии с фиг.4, за тем исключением, что последовательно было установлено только четыре колонны, наполненные 20 кг Novozymes Lipozyme® TL IM, что в целом составило 80 кг фермента. Продукт иммобилизованного фермента, использованный в каждом из предшествующих четырех примеров, был использован и в этом примере. Промышленный процесс проводили в непрерывном режиме, четыре реактора были соединены последовательно в соответствии с фиг.4. Реакторы были обозначены в пределах установки как «А», «В», «С» и «D», слева направо. Последовательность реакторов «CDBA» означает, что реактор «С» первым входит в контакт с липидным материалом, за ним следуют реакторы "D", "В" и "А". Реактор «С» будет представлять собой реактор, который дольше других пробыл во включенном состоянии, в то время как реактор «А» был наполнен свежим ферментом. В процессе этого испытания использовалась конфигурация реакторов «ABCD». До начала испытаний по примеру 5, реакторы обработали 10 тонн дезодорированного исходного масла, отвечающего спецификациям продукта. В этом контрольном примере промышленная конфигурация не была снабжена системой предварительной обработки, технологические добавки также не применялись ни в одной из колонн. Объем того же масла, что и использованное в примерах 1-4, поддерживали в танке при температуре выше температуры плавления (обычно 70-100°С), после чего прокачивали при постоянном потоке 200 кг/час через теплообменник, для того чтобы охладить масло до 70°С, а затем через серию заполненных колонн для осуществления контакта с ферментом.

В таблице 15 ниже приведены свойства масла перед ферментативной обработкой, в таблице 16 приведены свойства масла после ферментативной обработки без какой бы то ни было предварительной обработки.

На протяжении четырехдневного испытания процесса было обработано 20 метрических тонн смеси масел. Поток масла был уменьшен на второй день в попытке производства материала, отвечающего спецификации продукта. Процесс был остановлен через четыре дня, потому что продукт не отвечал требуемой спецификации. Продуктивность преобразования на протяжении этого периода испытаний равняется нулю, поскольку ни один из произведенных масляных продуктов не отвечал требуемой спецификации.

Пример 6

Промышленный процесс с предварительной обработкой кремнеземом

Промышленный процесс с использованием кремнезема был сконфигурирован сходным образом с процессом из примера 5, за тем исключением, что когда реакторам требовался новый фермент, их наполняли 20 кг Novozymes Lipozyme® TL IM с последующим добавлением 3 кг, по существу, свободного от влаги хроматографического кремнезема (SP 535-10065 sold by W.R.Grace), т.е. каждая колонна была наполнена, как колонна типа «2», на фиг.5 с использованием, по существу, свободного от влаги кремнезема в качестве технологической добавки. Процесс продолжали до тех пор, пока каждая из колонн не была заполнена заново, как колонна типа «2», после чего проводили оценку этого примера. Партии той же масляной смеси, что и использованная выше в примерах 1-5, прокачивали через систему с постоянной скоростью потока 200 кг/час в первый день и 170 кг/час на каждый следующий день, при температуре 70°С, в каждой колонне масло сначала вступало в контакт с кремнеземом, а затем с ферментом в каждой из колонн. В таблице 17 ниже приведены характеристики смесей масел, использованных в этом примере, отобранных на первый, шестьдесят девятый и сто первый дни оценки перед обработкой EIE, в таблице 18 приведены характеристики интерэстерифицированных масел, отобранных на те же дни оценки.

Для того чтобы определить продуктивность используемого в непрерывной системе фермента, был определен «цикл» для каждой из колонн. В пределах цикла новый реактор подключали, как четвертый, затем как третий, второй и, наконец, как первый реактор в серии. Ниже в таблице 1 цикл 1 представляет собой цикл для реактора «А», т.е. для реактора «А» цикл 1 проходит с 1 до 69 дня. Каждый раз, когда последовательность реакторов изменяется, как это показано в таблице 18, используется процедура, описанная ранее относительно фиг.4, и скорость потока через систему остается постоянной.

Продуктивность для цикла 1 была вычислена как сумма всего масла, прошедшего через реактор в то время, пока он был включен (190,000 кг), деленное на количество фермента, с которым контактировало масло (80 кг), что дает продуктивность 2,38 кг масла на грамм фермента. Продуктивность всех циклов приведена в таблице 20. Можно видеть, что все эти значения являются значительным улучшением по сравнению с процессами из более ранних работ в примерах 1-3 и даже с процессом лабораторного масштаба в соответствии с изобретением из примера 5.

Различия в продуктивности в процессе испытаний могут быть приписаны периодам, когда система ферментативной интерэстерификации не используется в течение некоторого времени по причине обслуживания и эксплуатационных отключений установки. Ожидается, что в индустриальных реакторах, когда подключены реакторы предварительной обработки типа, в общих чертах обозначенного на фиг.5 как тип «3», при 100% использовании фермента будет достигнута продуктивность приблизительно 3,5 кг/г. Примеры явно демонстрируют эффективность системы с несколькими реакторами и неожиданные преимущества, по существу, свободного от влаги кремнезема в качестве технологической добавки для предварительной обработки для улучшения и экономической коммерциализации непрерывных ферментативных процессов.

Здесь были описаны способ и аппарат для непрерывной ферментативной обработки композиции, содержащей липид, предпочтительно с использованием системы предварительной обработки, где система основной или дополнительной обработки выполнена в виде нескольких модулей обработки, соединенных в серии, модули установлены таким образом, что один из них может быть отключен во время работы системы, таким образом обеспечивая непрерывную работу. Способ и аппарат значительно увеличивают период жизни всего фермента в модулях обработки. Далее изобретение включает способ EIE с применением модулей предварительной обработки с, по существу, свободным от влаги кремнеземом, используемым или в виде отдельного реактора или системы или помещенного сверху фермента в каждой реакционной колонне.

Реферат

Изобретение относится к масложировой промышленности. Способ и система для ферментативной обработки содержащего липиды исходного материала, включающий осуществление контакта исходного материала с технологической добавкой, затем обеспечение прохождения исходного материала с, по существу, постоянной скоростью потока через систему обработки, включающую несколько содержащих фермент реакторов с неподвижным слоем, соединенных один с другим последовательно. Реакторы с неподвижным слоем могут обслуживаться индивидуально, скорость потока исходного материала через систему остается, по существу, постоянной при отключении одного реактора для обслуживания. Технологическая добавка представляет собой, по существу, свободный от влаги кремнезем, имеющий размер пор более чем 150 ангстрем. Технологическая добавка может быть помещена в один или более реакторов с неподвижным слоем, располагаясь поверх слоя фермента в реакторе, или может находиться в системе предварительной обработки, включающей один или более реакторов. Изобретение позволяет увеличить ферментативную активность обработки. 3 н. и 29 з.п. ф-лы, 6 ил., 20 табл.

Формула