НЕПРЕРЫВНЫЙ СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ БЕТАИНА Российский патент 1994 года по МПК C12P7/20 

Изобретение относится к производству бетаина, более конкретно - к выделению бетаина из барды, образующей в результате ферментации и дистилляции сахарной свеклы.

Бетаин обычно получают синтетически или кристаллизацией водных растворов свеклосахарной мелассы.

Сухую барду обычно получают в качестве побочного продукта процессов ферментации и дистилляции. Получаемые таким образом сухая барда или фильтрат барды обычно содержат побочные продукты, такие как глицерин, что придает им слабую текучесть и усложняет обращение с ними. Если субстратом, из которого получают дистилляты, является сахарный тростник или свекла, то остаток обычно используется только как жидкое удобрение, пищевая добавка или его удаляют в отход.

Производство бетаина описано в патенте США [1]. Хотя производство бетаина из свеклосахарной мелассы является коммерчески доступным способом, производство бетаина из барды ранее не проводилось, причина тому - значительное засорение хроматографического полимера клетками дрожжей, микроорганизмами и другими соединениями.

Впервые стало возможно восстанавливать бетаин из барды, полученной в результате ферментации сахарной свеклы. Для производства чистого бетаина решающими факторами являются приготовление исходного материала путем микрофильтрации и двух стадий хроматографического разделения. Поперечная микрофильтрация с неорганическими мембранами с последующим ферментным гидролизом белкового вещества и/или удаление (еcли необходимо) из растворенного вещества кристаллов сульфата калия дает действительно осветленную барду. Осветленная барда может быть далее сконцентрирована до очень высокой концентрации твердых веществ для дальнейшей обработки в две стадии хроматографического разделения, причем каждая со своим определенным полимером, что дает поток бетаина высокой чистоты. Этот новый способ имеет ряд преимуществ над существующими и применяемыми различными способами, которые заключаются, например, в экономии энергии и воды, уменьшении капиталовложений, очень высокой концентрации твердых веществ, высоком качестве бетаина.

Целью изобретения является производство сухой барды с растворимыми или без растворимых веществ, в которой отсутствуют липкие побочные продукты, что позволяет ей свободно течь и тем самым делает простой в обращении.

В общем смысле ферментированную пульпу дистиллируют в отпарной колонне, где испаренный этанол удаляется через верхнюю часть колонны. Оставшуюся барду осветляют центрифугированием (если требуется) с последующей микрофильтрацией. Стадия микрофильтрации, где частицы в пределах 0,1-10 мкм отделяются от барды, является ключом к восстановлению глицерина, бетаина и побочных продуктов в таких количествах, что делает это экономически выгодным.

В зависимости от сырья выделенная осветленная жидкость далее подвергается обработке, такой как частичная пластифи- кация (если необходимо), концентрация, ферментный гидролиз белкового вещества, удаление кристаллов сульфата калия, одна или более стадий хроматографического разделения (с различными полимерами при нескольких стадиях разделения), концентра- ция и очистка для получения глицерина и бетаина в экономически приемлемом количестве.

На чертеже схематично показан поток веществ в системе выделения глицерина и бетаина.

Ферментированную спиртовую пульпу приготавливают с дрожжевыми клетками и/или другими микроорганизмами.

Следующей стадией после ферментации обычно является дистилляция предпочтительно в отпарной колонне, сопровож- дающаяся удалением через верхнюю часть и сбором паров этанола.

Первой стадией после дистилляции вне зависимости от восстанавливаемого побочного продукта является процесс осветления, который может начинаться с под- готовки центрифугированием, с химической обработкой и без нее. В некоторых случаях при подготовке добавляют протеазу, усваивающий белок фермент для разрушения пептидов и белка, засоряющего фильтрующие мембраны. После подготовки, если она имела место, барда проходит через стадию поперечной микрофильтрации с неорганическими мембранами. Микрофильтрация, которая иногда в описании встречается как обработка барды поперечной микрофильтрацией с керамическими или неорганическими мембранами, имеющими размер пор в пределах от 0,1 до 10 мкм, разделяет барду на задерживаемое и проникшее вещество и является важной стадией для производства действительно осветленной барды и восстановления побочных продуктов в экономически выгодных количествах.

Задерживаемое вещество, содержащее более крупные твердые частицы, идет на обработку как удобрение или пища животных. Проникшее вещество в зависимости от сырья может быть пластифицировано для предотвращения засорения применяемых полимеров хроматографического разделения. Затем проникшее вещество концентрируют до наибольшей концентрации твердых веществ (50-75%).

Концентрированное растворенное вещество либо направляют в стадию хроматографического разделения или сначала подвергают кристаллизации для восстановления сульфата калия из барды.

Поток побочного продукта из упомянутой стадии хроматографического разделения направляют для переработки в пищу для животных или во вторую стадию хроматографического разделения.

П р и м е р. Как показано на чертеже, барду, дающую этанол из свеклосахарной мелассы, преобразовывают в сверхчистый глицерин и бетаин-НСl при непрерывном процессе. Во время ферментации повышенное образование глицерина не преследуется. Горячую барду осветляют в устройсте с поперечной микрофильтрацией с альфа-окись-алюминиевыми мембранами 0,2 мкм. Полученное растворенное вещество энзимно обрабатывают при 50^оС для гидролиза белкового вещества и выпаривают до концентрации твердых веществ в количестве более 66% веса. После охлаждения и кристаллизации образуются кристаллы сульфата калия, которые после центрифуги- рования, промывки и сушки восстанавливают технической H₂SO₄, что является более ценным, чем оставлять их в оставшейся барде (удобрении). Центрифугированное вещество затем помещают в первую систему хроматографического разделения, где смесь бетаина и глицерина отделяется от других веществ. Эта система исключения ионов использует катионообменную смолу сильной кислоты в форме калия со средним размером частиц приблизительно 375 мкм и способностью сдерживания влаги приблизительно 52,5% (Н⁺ форма 1 WT - SM - 51). Поток продукта содержит 36,3% всех твердых веществ с приблизительно 92% чистотой относительно глицерина и бетаина. В качестве десорбента используют воду. Затем этот поток продукта концентрируют до 75% общего количества твердых веществ и направляют во вторую значительно меньшую систему хроматографии, содержащую анионообменную гелевую смолу с сильным полистироловым основанием в форме сульфата. Средний размер частиц около 350 мкм, способность удерживать воду 41-46%. Продукты десорбируют водой. Вторая стадия хроматографического разделения дает поток глицерина с чистотой 96,6% (после ионообмена со смешанным слоем) и поток бетаина с чистотой 88,2% . Поток бетаина в дальнейшем преобразуют в чистый бетаин и бетаин НСl. Общий выход бетаина составляет 93,2%.

Оставшуюся барду смешивают с потоком побочных продуктов из первой стадии хроматографического разделения, оставшимся веществом после стадии микрофильтрации, а также с побочными продуктами после очистки глицерина и затем концентрируют, высушивают и помещают добавку к твердому удобрению или добавку к пищевым продуктам.

Во второй стадии хроматографического разделения применяют другую смолу, что приводит к получению потоков чистого глицерина и бетаина. Эта смола является катионообменной смолой сильной кислоты в форме кальция со средним размером частиц 350 мкм и способностью удерживать влагу (Н⁺ форма) 57,5-61,0% (таблица).

Использование: пищевая промышленность. Сущность изобретения: сахарную свеклу подвергают ферментации и дистилляции. Полученную барду осветляют центрифугированием. Осветленный раствор подвергают ферментативному гидролизу либо концентрируют до содержания твердых веществ 50 - 75% и отделяют кристаллы сульфата калия. Осветленный раствор направляют на перекрестную микрофильтрацию через мембраны из α -окиси алюминия с размером пор 0,1 - 10 мкм. Затем осуществляют хроматографическое разделение полученного раствора посредством ионообменных смол. Выделеный бетаин очищают дополнительной хроматографией на сильноосновных или сильнокислотных смолах. 11 з.п. ф-лы., 1 ил., 1 табл.

1. НЕПРЕРЫВНЫЙ СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ БЕТАИНА путем ферментации сахарной свеклы, дистилляции, хроматографического разделения полученной барды и очистки выделенного бетаина, отличающийся тем, что перед хроматографическим разделением проводят осветление барды путем перекрестной микрофильтрации с использованием неорганических мембран с размером пор 0,1 - 10 мкм, а хроматографическое разделение осуществляют на ионообменных смолах. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что стадия осветления дополнительно включает предварительное центрифугирование для отдельных твердых веществ. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что осветленный раствор со стадии микрофильтрации подвергают ферментативному гидролизу. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед проведением хроматографического разделения осветленный раствор концентрируют до содержания твердых компонентов 50 - 75% и отделяют полученные кристаллы сульфата калия. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что стадии осветления, хроматографического разделения и очистки являются частью непрерывного процесса. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что перекрестную микрофильтрацию осуществляют в ячейке с мембранами из α -окиси алюминия с размером пор 0,2 мкм. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что хроматографическое разделение проводят с использованием сильнокислотной катионообменной смолы в калиевой форме. 8. Способ по пп.1 и 7, отличающийся тем, что катионообменная смола имеет средний размер частиц 375 мкм и способность удержания влаги 52,5%. 9. Способ по п.1, отличающийся тем, что очистку бетаина осуществляют посредством дополнительной хроматографии на сильноосновной полистирольной анионообменной смоле в сульфатной форме. 10. Способ по пп.1 и 9, отличающийся тем, что полистирольная анионообменная смола имеет средний размер частиц 350 мкм и способность удержания влаги 41-46%. 11. Способ по пп.1 и 9, отличающийся тем, что очистку бетаина осуществляют путем подачи осветленного раствора на хроматографическое разделение с использованием сильнокислой катионообменной смолы в кальциевой форме. 12. Способ по пп.1, 9 и 11, отличающийся тем, что катионообменная смола имеет средний размер части 350 мкм и способность удержания влаги 57,6 - 61,0%.