Способ хроматографического разделения глюкозно-фруктозного сиропа и установка для его осуществления
METHOD FOR CHROMATOGRAPHIC SEPARATION OF A GLUCOSE-FRUCTOSE SYRUP AND AN UNIT FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к микробиологической промышленности и может быть использовано для получения высокофруктозных сиропов и экстракта глюкозы в качестве химических реактивов для пищевой, фармацевтической и медицинской промышленности.
Известен «Способ получения фруктозо-содержащего сиропа, предусматривающий введение в исходный сироп с содержанием СВ 30-80%, содержащий глюкозу и фруктозу, изопропанола в количестве 50-500% к массе сиропа для осаждения сахаров, перемешивание смеси при температуре 20-60°C, ее охлаждение до температуры 0-5°C, отстаивание в течение 24-72 ч, отделение кристаллической массы от жидкой фракции, выпаривание последней под вакуумом для удаления изопропанола и образования кристаллов глюкозы и фруктозы, последующую сушку полученных кристаллов обеих фракций, растворение кристаллов этих фракций в воде до сиропа, первый из которых содержит 1,0-20,0% фруктозы, а второй - 25-90% фруктозы к массе сухих веществ сиропа.
Патент РФ на изобретение №2347818 МПК: C13K 03/00; д. публ. 2009.02.27
Известен «Способ разделения глюкозно-фруктозного сиропа на две фракции, одна из которых обогащена фруктозой, а другая глюкозой путем введения в сироп ацетона в количестве 50-500% к массе сиропа, перемешивания, отстаивания, разделения образовавшихся фракций и их упаривания под вакуумом до содержания 35-85% сухих веществ.
Патент РФ на изобретение №2297457, МПК: C13K 11/00; д. публ. 2007.04.20
Известен «Способ разделения смеси глюкозы и фруктозы в растворе», предусматривающий пропускание исходного раствора через анионообменную смолу в бисульфитной форме и элюировании глюкозо-содержащей фракции водой, при этом исходный раствор пропускают снизу вверх последовательно через два слоя смолы, а фруктозо-содержащую фракцию удаляют после прохождения раствора через второй слой смолы.
Авт св-во СССР №1072818, МПК: C13K 11/00; д. публ. 1980.02.23.
Известен «Способ получения кристаллической фруктозы и раствора глюкозы, включающий гидролиз исходного раствора и хроматографическое разделение инвертного раствора на фруктозу и глюкозу на катионообменнике в кальциевой форме, сшитом дивинилбензолом, концентрирование фруктозного сиропа и кристаллизацию фруктозы, отличающийся тем, что в качестве катионообменника используют сульфокатионит, содержащий 5-40% ионов водорода, при этом размер зерен катионита равен 0,1-0,3 5 мм, степень сшивки дивинилбензолом составляет 0,35-10%. Авт св-во СССР №157799, МПК: C13K 11/00; д. публ. 1990.92.15.
Наиболее близким к предложенному способу является «Способ хроматографического разделения глюкозно-фруктозного сиропа, заключающийся в пропускании последнего через сульфокатионит, матрица которого содержит полистирол со степенью сшивки дивинилбензолом 2-8% в кальциевой форме и размером гранул 0,15-0,40 мм и элюирование разделенных компонентов водой со скоростью пропускания 0,3-2,5 см/мин., при этом используют сульфокатионит, матрица которого дополнительно содержит алкилметакрилат, а процесс ведут при концентрации пропускаемого исходного сиропа 50-70%, сухих веществ.
Патент РФ на изобретение №1778190, МПК: C13K 11/00; д. публ. 1992.11.30.
Наиболее близкой к установке для хроматографического разделения глюкозно-фруктозного сиропа, является «Установка для проведения ферментативных реакций», преимущественно для изомеризации глюкозного сиропа, включает вертикальный реактор с патрубками для подвода исходного раствора и отвода продукта, сборник исходного раствора, сборник для приготовленной суспензии ферментативного препарата, фильтр и насосы. При этом реактор разделен на секции перфорированными воронками с патрубками для ввода и вывода препарата, подключенными к сборнику приготовления суспензии иммобилизированного ферментативного препарата и фильтру, при этом реактор снабжен коллектором, подключенным к каждой его секции и служащим для отвода и подвода исходного раствора в период замены отработанного препарата в секциях, причем реактор снабжен перфорированной перегородкой для подвода исходного раствора.
Авт. св-во на изобретение №815039, МПК: C13K 11/00; д. публ. 1981.03.23.
Техническим результатом изобретения является повышение селективности процесса разделения глюкозно-фруктозного сиропа на установке, в которой использована система разделения глюкозно-фруктозного сиропа, состоящая из четырех колонок-ячеек, позволяющая повысить эффективность работы установки и осуществлять процесс разделения, состоящий из циклов, которые выполняют в четыре шага, каждый из которых в свою очередь содержит два периода, во время одного глюкозно-фруктозный сироп и элюент вводятся, а экстракт фруктозы и рафинат глюкозы частично выводятся из системы, а во время другого-потоки в системе только циркулируют, кроме того путем создания переменной направленности внутреннего циркуляционного потока, вызывающего соответственно переменное перемещение слоев адсорбента, то есть имитацию «псевдоожиженного слоя», а также за счет предварительной микробиологической очистки и дегазации исходных продуктов.
Достижение указанного результата обеспечивается за счет того, что
++
Способ хроматографического разделения глюкозно-фруктозного сиропа, заключается в пропускании исходного сиропа через гранулированный адсорбент в виде сульфокатионита, сшитого дивинилбензолом в кальциевой форме Са с размерами гранул 0,31 мм и элюирование разделенных компонентов водой. Причем используют глюкозно-фруктозный сироп, нагретый до температуры 70°C, при этом глюкозно-фруктозный сироп, с содержанием сухих веществ 60%, и также элюент, предварительно нагретый до 70°C, подвергают дегазации и микробиологической очистке. Затем подают одновременно в систему разделения глюкозно-фруктозного сиропа, состоящую из четырех колонок-ячеек, содержащих адсорбент, соединенных между собой трубопроводами, снабженными циркуляционными насосами с клапанами, управляющими потоками. Причем периодическое переключение клапанов в направлении внутреннего циркуляционного потока создает переменное перемещение слоев адсорбента, то есть имитацию «псевдоожиженного слоя». При этом процесс хроматографического разделения глюкозно-фруктозного сиропа состоит из циклов, которые выполняют в четыре шага, каждый из которых в свою очередь содержит два периода, во время одного из которых глюкозно-фруктозный сироп и элюент- вода вводятся, а экстракт фруктозы и рафинат глюкозы частично выводятся из системы. А во время другого - потоки в системе только циркулируют, причем в первом периоде глюкозно-фруктозный сироп и элюент-воду добавляют в контур, в то время как разделенные экстракт фруктозы и рафинат глюкозы отбирают из контура частично, поддерживая систему сепарации в равновесном и стабильном состоянии. При этом экстракт фруктозы с ее содержанием 90% направляют в емкость для гомогенизации. Установка для хроматографического разделения глюкозно-фруктозного сиропа в соответствии со способом по п. 1 содержит вертикальный секционный аппарат для обработки продукта, снабженный патрубками для подвода исходного раствора и отвода продукта, сборник исходного раствора, сборник для приготовленной суспензии, насосы для подачи и отвода продукта. При этом установка снабжена двумя пластинчатыми теплообменниками, служащими для нагрева подаваемого глюкозно-фруктозного сиропа и элюента-воды, связанными с двумя дегазаторами, выполненными в виде цилиндрических колонн с насадкой из инертного наполнителя. В свою очередь дегазаторы связаны с системой разделения глюкозно-фруктозного сиропа, выполненную в виде четырех колонок-ячеек, связанных между собой трубопроводами с четырьмя циркуляционными насосами, снабженными клапанами управления. При этом каждая колонка-ячейка выполнена в виде цилиндра с плоским дном и крышкой, по оси которого расположена полая труба, наружная боковая поверхность которой образует с внутренней стенкой корпуса колонки-ячейки концентрическую полость, заполненную слоем гранулированного адсорбента. Кроме того крышка и дно цилиндра снабжены устройствами для подачи и вывода продуктов, выполненными в виде мозаики, набранной из пластиковых сегментов, равномерно расположенных между четырех концентрических окружностей вокруг центрального круга диаметр, которого равен диаметру внутренней трубы. При этом пластиковые сегменты, в виде параллелограммов, по центру снабжены отверстиями, связанными поочередно с расположенными снаружи крышки и дна цилиндра трубками для подачи и вывода продуктов. Наконец для поддержания системы сепарации в равновесном и стабильном состоянии, установка снабжена линией вывода части экстракта фруктозы 90%, состоящей из емкости для гомогенизации экстракта фруктозы и накопительной емкости.
Установка для хроматографического разделения глюкозно-фруктозного сиропа в соответствии со способом по п. 1 поясняется чертежами на фиг.1, 2, 3.
Фиг. 1 - Установка для хроматографического разделения глюкозно-фруктозного сиропа (схема общего вида);
Фиг. 2 - Установка для хроматографического разделения глюкозно-фруктозного сиропа (схема колонок - ячеек системы разделения глюкозно-фруктозного сиропа);
Фиг. 3 - Установка для хроматографического разделения глюкозно-фруктозного сиропа (схема крышки и дна колонок - ячеек с устройствами для подачи и вывода продуктов).
Установка для хроматографического разделения глюкозно-фруктозного сиропа в соответствии со способом по п. 1 содержит:
1. Емкость глюкозно-фруктозного сиропа-фруктозы 42% (ГФС-42);
2. Насос подачи ГФС-42 на теплообменник для его нагрева;
3. Теплообменник нагрева ГФС-42;
4. Дегазатор для отделения кислорода от ГФС-42;
5. Насос подачи ГФС-42 в колонки-ячейки системы;
6. Теплообменник нагрева элюента;
7. Дегазатор элюента;
8. Насос подачи элюента в систему;
9, 10, 11. 12. Колонки - ячейки системы;
13, 14. 15, 16. Циркуляционные насосы системы;
17. Емкость гомогенизации экстракта фруктозы 90%;
18. Накопительная емкость экстракта фруктозы 90%;
19. Насос подачи экстракта фруктозы 90%;
20. Статический смеситель;
21. Накопительная емкость готового продукта- фруктозы 45-85%;
22. Накопительная емкость глюкозного рафината;
23. Насос подачи глюкозного рафината в смеситель;
24. Сегменты устройства для подачи и вывода продуктов;
25. Трубки устройства для подачи и вывода продуктов.
3
Установка для хроматографического разделения глюкозно-фруктозного сиропа содержит емкость для глюкозно-фруктозного сиропа- фруктозы 42% (ГФС-42); насосы 2 и 5 для подачи в теплообменники ГФС-42 и элюента, два пластинчатых теплообменника 3 и 6, служащих для нагрева подаваемого глюкозно-фруктозного сиропа и элюента-воды, связанных с двумя дегазаторами 4 и 7, выполненными в виде цилиндрических колонн с насадкой из инертного наполнителя, в свою очередь дегазаторы 4 и 7 связаны с системой разделения глюкозно-фруктозного сиропа, которая содержит 4 одинаковые колонки-ячейки 9, 10, 11. 12, связанные между собой трубопроводами, снабженными в свою очередь четырьмя циркуляционными насосами 13, 14, 15 и 16 с клапанами управления. Объем каждой ячейки 27 м. Каждая колонка-ячейка 9, 10, 11 или 12 выполнена в виде цилиндра с плоским дном и крышкой, по оси которого расположена полая труба, наружная боковая поверхность которой образует с внутренней стенкой корпуса колонки-ячейки концентрическую полость, заполненную слоем гранулированного адсорбента. Крышка и дно цилиндра снабжены устройствами для подачи и вывода продуктов, выполненными в виде мозаики, набранной из пластиковых сегментов 24, равномерно расположенных между четырех концентрических окружностей вокруг центрального круга диаметр, которого равен диаметру внутренней трубы. Пластиковые сегменты 24 выполнены в виде параллелограммов и по центру снабжены отверстиями, связанными поочередно с расположенными снаружи крышки и дна цилиндра трубками 26 для подачи и вывода продуктов. Кроме того установка снабжена линией вывода части экстракта фруктозы, состоящей из емкости для гомогенизации экстракта 17 и накопительной емкости 18 экстракта фруктозы (90%), связанной через насос 19 со статическим смесителем 20, в котором экстракт фруктозы (90%) смешивают с частью рафината глюкозы из его накопительной емкости 22 через насос 23 и получают продукт, который направляют в накопительную емкость 21.
Способ хроматографического разделения глюкозно-фруктозного сиропа осуществляют на установке, описанной выше, следующим образом: исходный сироп ГФС-42 с содержанием сухих веществ СВ 60% подается из емкости 1 насосом 2 в теплообменник 3. В теплообменнике 3 сироп нагревается до температуры 70°С и подается в дегазатор 4 для отделения кислорода от сиропа ГФС-42. Дегазация происходит за счет прохождения сиропа через слой колец Рашига. Одновременно с этим элюент (смесь конденсата и деминерализованной воды) подается в теплообменник 6, нагревается там до 70°С и также поступает в дегазатор 7 элюента. В дегазаторе 7 элюента также происходит освобождение элюента от кислорода. Дегазатор 7 элюента работает по принципу дегазатора 4 глюкозно- фруктозного сиропа. После дегазации продукт насосом 5 и элюент насосом 8 одновременно подаются в одну из четырех колонок-ячеек 9, 10, 11 и 12 системы разделения глюкозно-фруктозного сиропа (ГФС-42). Одновременно в одну из колонок-ячеек 9, 10, 11, 12 насосами 13, 14, 15 или 16 подаются глюкозно-фруктозный сироп и одним из насосов элюент-вода. Этими же насосами из одной из ячеек откачивается экстракт фруктозы, а из другой - рафинат глюкозы. Экстракт фруктозы подают в емкость для гомогенизации 17, перемешивают и самотеком сливают в накопительную емкость 18 для сбора экстракта фруктозы (90%). Отсюда экстракт фруктозы насосом 19 подают в смеситель 20. Одновременно в смеситель 20 подается часть глюкозного рафината насосом 23 из накопительной емкости 22. Полученный в смесителе 20 готовый продукт - фруктоза 45-85% поступает в накопительную емкость 21.
++
Технологический цикл работы четырех колонок - ячеек 9, 10, 11 и 12 системы хроматографическго разделения глюкозно-фруктозного сиропа показан на Фиг 2. В течение периода 1 система управляет питанием, элюентом, экстрактом фруктозы, рафинатом глюкозы и циркуляционным потоком. Во время 2-го периода в системе происходит только внутренняя циркуляция. Важно заметить, что система хроматографического разделения глюкозно-фруктозного сиропа (после первоначальной загрузки сиропа) работает в практически равновесном состоянии. Разделенный профиль концентраций поддерживается в системе и непрерывно циркулирует по контуру. Направление циркуляции внутри контура происходит с верхней части колонки-ячейки 9, через гранулированный адсорбент в виде сульфокатионита, сшитого дивинилбензолом в кальциевой форме Са’, в нижнюю часть колонки-ячейки 9 и потом в верхнюю часть колонки-ячейки 10, и т.д. Во время периода 1 фруктозно-глюкозный сироп и элюент-вода добавляются в контур, в то время как экстракт фруктозы и рафинат глюкозы удаляются из контура. Разделенные экстракт фруктозы и рафинат глюкозы никогда полностью не удаляются из системы, вместо этого фракции экстракта и рафината частично отбираются. Такой подход поддерживает систему разделения в равновесном и стабильном состоянии. Понять, что происходит, можно еще и представив, что расход в циркуляционных линиях, по которым проходит поток с равновесными концентрациями экстракта и рафината достаточно высокий, отбирается только часть всего потока. Таким образом, внутренний равновесный концентрационный профиль не нарушается. Такой принцип действия, основанный на практически стабильном состоянии, облегчает управление системой разделения. Концентрационный профиль определяется кориолисовым расходомером, размещенным между ячейками 12 и 9. В системе разделения поддерживают максимальный расход питания 14.5 м3/ч в течение периода 1. Это относится к питанию в форме фруктозно-глюкозного сиропа (60% СВ), содержащего 42% фруктозы. Это максимальная загрузка для этих условий предполагающая, что 90% всей фруктозы будет извлечено в виде экстракта, содержащего 90% фруктозы. Во время максимального ввода питания, питание закачивается только в течение первого периода, продолжительность которого 13 минут. Второй период при максимальной загрузке будет проходить в течение 13 минут. Таким образом рекомендованная продолжительность одного шага составляет 26 минут.
Колонки-ячейки 9, 10, 11 и 12 выполнены в виде колонны-цилиндра, снабженного по центру трубой, разделяющей его на секции, пространство между наружной поверхности внутренней трубы и внутренней поверхностью колонны заполнено гранулированным адсорбентом в виде ионообменной смолы в кальциевой форме. Фруктозно-глюкозный сироп и элюент (вода) подаются в циркуляционный контур в надлежащих точках, в то время как эквивалентные объемы экстракта фруктозы (фракция, содержащая высокое содержание фруктозы) и рафината глюкозы (фракция, обогащенная глюкозой) выводятся из системы. Работа системы разделения состоит из циклов, которые выполняют в четыре шага, каждый из которых в свою очередь содержит два периода, во время одного глюкозно-фруктозный сироп и элюент вводятся, а экстракт фруктозы и рафинат глюкозы частично выводятся из системы, а во время другого-потоки в системе только циркулируют, достигается это с помощью последовательного переключения клапанов внутри циркуляционного контура. Периодическое переключение клапанов в направлении внутреннего циркуляционного потока и создает переменное перемещение слоев адсорбента, то есть имитацию «псевдоожиженного слоя».
Предложенный в качестве изобретения способ хроматографического разделения глюкозно-фруктозного сиропа позволяет добиться повышения селективности процесса разделения глюкозно-фруктозного сиропа с помощью технологии и установки, в которой использована система разделения, состоящая из четырех колонок-ячеек, позволяющая осуществлять эффективный процесс разделения, который состоит из циклов, выполняемых в четыре шага, каждый из которых в свою очередь содержит два периода, во время одного глюкозно-фруктозный сироп и элюент вводятся, а экстракт фруктозы и рафинат глюкозы частично выводятся из системы, а во время другого - потоки в системе только циркулируют, кроме того путем создания переменной направленности внутреннего циркуляционного потока, вызывающего соответственно переменное перемещение слоев адсорбента, то есть имитацию «псевдоожиженного слоя», а также за счет предварительной микробиологической очистки и дегазации исходных продуктов.