专利名称：集成反应分离制备果葡糖浆的区域选择性控制方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种集成反应分离制备果葡糖浆的区域选择性控制方法及装置。
背景技术：
果葡糖浆是一种以淀粉为主要原料、运用生物工程技术生产的健康型糖类制品，其组成主要是果糖和葡萄糖。果葡糖浆是蔗糖产品的最有力替代者，有可能完全替代后者大量应用于高档食品、饮料和乳制品等食品领域，以及医疗保健和饲料工业等。目前，采用酶异构化葡萄糖生产果葡糖浆是国际上生产果葡糖浆的首选工业生产方法。该方法能确保反应时间短、异构糖的质量变化少、后续精制手续简 单等，不仅符合规模化化工业生产要求，而且生产成本大大降低，反应的PH值适中，能满足产物的稳定性要求。采用此方法得到的果葡糖浆成品一般浓度为70%以上，其中果糖含量42%。其次，目前果葡糖浆的分离主要采用的是同时分离葡萄糖和果糖的两组分色谱分离技术。在现有技术中，有很多关于这方面的详细描述。中国专利CN101177716A提供了一种从果葡糖浆中分离葡萄糖、果糖和低聚多糖的方法。该方法采用经典的模拟移动床分离方法，将整个过程分成5个区，采用自制的分离树脂，实现对两个组分同时分离的目的。中国专利CN101766289A提出了一种制备果葡糖浆的方法，其通过蔗糖酶水解蔗糖溶液后并浓缩分离得到葡萄糖液和果糖液，其中，果糖液浓缩成果葡糖浆F90，葡萄糖液通过异构化及后续处理得到果葡糖浆F42，两种不同的浓度最后调制成果葡糖浆F55。中国专利CN102242168A提出了一种在异构化反应结束后进行纳滤膜分离的方法，最终得到果葡糖浆F55。然而以上技术存在的共性问题是，尽管分离后的未及时转化的葡萄糖可以收集起来重新用于反应，但是由于其反应过程与分离过程是独立进行，实际生产中易产生副反应等会影响最终反应转化率和品质，原料难以得到充分利用而影响最终得率，且单元操作过程离散导致能耗、运行成本和废物排放量等均相对较高。因此，本发明的目的在于提供一种将反应过程和分离过程进行耦合的控制方法，在高效节能减排同时，更加充分地提高原料利用率，获得最好的产物品质、收率和生产效率等。该技术紧扣当前国际上的“节约资源”、“绿色化工”和“节能减排”等重要发展方向。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种集成反应分离制备果葡糖浆的区域选择性控制方法及装置。为解决技术问题，本发明提供了一种集成反应分离制备果葡糖浆的区域选择性生产的装置，包括用于异构化葡萄糖生产果糖的异构酶柱、用于后续处理的离交柱、蒸发罐和脱色罐，以及用于提取果糖和葡萄糖的色谱分离柱；所述异构酶柱、离交柱、蒸发罐和脱色罐通过管路依次连接并组成异构化反应区，脱色罐经管路依次连接进料罐和输送泵；提纯分离区包括由色谱分离柱组成的多元分流式集成系统，多元分流式集成系统的进料口通过管路分别连接至输送泵和洗脱剂储存罐，出料口则通过管路分别与循环回收罐、果葡提取罐和废液回收罐相连；循环回收罐还通过管路连接至异构酶柱的进口处，该管路上设置循环泵；所述多元分流式集成系统通过与异构化反应区的耦合控制，实现反应系统与分离系统的集成；所述异构化反应区的数量为J个，4 < J < 8 ;各异构化反应区相互并联且能互为切换；所述多元分流式集成系统包括K组色谱分离柱，4 < 16 ;各色谱分离柱的进出口之间由管道相连，并通过阀门的开关实现串连及并联模式的切换与控制；本装置中，各管路上均设置阀门。本发明中，所述洗脱剂储存罐有3个，分别通过管路与各色谱分离柱进料口相连。进一步地，本发明提供了一种基于前述装置的集成反应分离制备果葡糖浆的区域选择性生产的方法，葡萄糖在异构酶柱中反应产生果糖，是通过多元分流式色谱分离系统实现提纯分离，且异构酶柱的反应与色谱分离柱的分离是选择性耦合的过程；具体为(I)经过酶异构化及后处理的产物送入通过串并联模式切换控制的多元分流式集成系统，实现分离提纯； (2)在提纯分离过程中，先流出的未转化葡萄糖送入循环回收罐，然后由循环泵送至对应的异构酶柱，实现循环利用；(3)通过对各异构化反应区中异构酶柱的流量控制实现各区不同反应时间的控制，以获得不同浓度比的葡萄糖和果糖混合液，对应每吨酶处理能力的物料流量为2.5 5. OmVh ;对异构化反应区出口处的产物进行取样并测试，将产物中的果糖浓度控制在30°/Γ44%，使当前产物更加适宜于分离；(4)产物经色谱分离柱提纯分离后，废液和果葡产物分别送入废液回收罐和果葡提取罐；未能完全分离的混合物则流入串联的下一组色谱分离柱，并通过其完成进一步分离；(5)根据前级反应产物的不同浓度以及分离后的最终产品的浓度要求，控制阀门的切换时间和通路选择，在不同的浓度阶段切换出不同分离程度的产物。果糖含量在40%-70%之间时(注意这是指整个区间都可以，而不是控制单一值)是F55果葡糖浆提取阶段，通过阀门切换接通至F55果葡糖浆提取罐，果糖含量在85%以上时是F90果葡糖浆提取阶段，通过阀门切换接通至F90果葡糖浆提取罐；。所述区域选择性生产的方法是基于前述集成反应分离制备果葡糖浆的区域选择性生产的装置而实现的。本发明中，在异构酶柱中装填固相异构酶，控制反应温度为53°C 65°C，调整葡萄糖液的PH值7. 7^8. 7，由柱顶进料，流过异构酶柱进行异构化反应，从柱底出料。本发明中，所述色谱分离柱的填料为钙型分离树脂，多元分流式集成系统的进料折光率为55%-65%，分离温度为62°C -70°C。多元分流式集成系统的基本单元是一个小的模拟移动床分离区，通过各阀门的切换成为一组串联的色谱分离柱；通过上述集成反应分离装置应用，在所述的区域选择性控制方法中，可在某一阶段有选择性地在不同分区获得不同浓度的产物和切出不同分离度的产物。集成反应分离技术及装备是将反应器制备与机械分离提取相耦合的一种机电一体化高新技术及装备，在食品、医药和能源等领域均具有很好的应用前景。特别是，在集成反应分离系统中，通过区域选择性方法能有效地耦合控制反应与分离过程，使得反应分离效果达到最佳调配，能有效地抑止能耗和排放，以高效率获得高纯度产品，使得原料最大化利用和高效节能减排等。与现有技术相比，本发明的优点是(I)洗脱剂为纯水，过程绿色环保且可循环利用，排放量减少且无后患；(2)原料利用充分，直接提高产率，反应程度可控，有利于每一区都达到最好的分尚效果；(3)生产系统稳定可靠，产品纯度提高，且可以根据实际情况获得所需浓度的产品;(4)过程和装备高度集成，能耗低且自动化程度高，实现一体化连续生产。
图I为8柱4区集成反应分离制备果葡糖浆的工艺流程及装置结构示意图；附图标记R1 R4为异构酶柱；Pl为循环泵，P2 P5为输送泵；Α1 Α4、ΒΓΒ4,Cl C4、Dl D8、El E8、Fl F8、Gl G8、K1 K8、Ml Μ8、NI Ν8、Vl V9均为阀门(切换阀或自控阀)；ΤΓΤ4为进料储槽，Τ5^Τ7为洗脱剂储存槽，Τ8为废液回收槽，T9、TlO为果葡提取槽、Tll为葡萄糖循环回收槽；ΗΓΗ8为色谱分离柱。图2为16柱4区集成反应分离制备果葡糖浆的工艺流程及装置结构示意图；图3为4柱4区集成反应分离制备果葡糖浆的工艺流程及装置结构示意图；图4为一个分区中的分离图谱；其中I和VII为废液回收阶段，II为葡萄糖回收阶段，III和V为再分离阶段(切入下一个区作进一步分离)，IV为F55提取阶段，VI为F90提取阶段。图5为分离前果葡糖浆F42的高效液相色谱测试结果图；图6为分离后果葡糖浆F55的高效液相色谱测试结果图；图7为分离后果葡糖浆F90的高效液相色谱测试结果图。
具体实施例方式本发明的核心技术为(具体以8柱4区为例)由葡萄糖流过异构酶柱反应产出果葡糖浆，并经离交、脱色和蒸发后，与多柱4区多元分流式集成系统分离进行耦合提纯，采用区域选择性控制方法进行集成反应分离的过程控制。其中，异构化反应条件为反应温度53°C 65°C，葡萄糖液PH值调整为7. 7 8. 7，由柱顶进料，流过酶柱，进行异构化反应，从柱底出料，通过对4个反应区异构酶柱进行流量控制，实现各区不同反应时间的控制，以获得不同浓度比的葡萄糖和果糖混合液，对应每吨酶处理能力的物料流量为2. 5 5. OmVh ;对异构化反应区出口处的产物进行取样并测试，将产物中的果糖浓度控制在30°/Γ44%，使当前产物更加适宜于分离；8柱4区多元分流式集成系统包括8根色谱分离柱，两两色谱分离柱串联形成一个小的模拟移动床分离区，共形成4个区，通过区域选择性软件控制来切换阀门，以实现4个区内和4个区之间的串并联模式转换。洗脱剂为纯水，分离温度为62°C 82°C。制备果葡糖浆的集成反应分离装置异构酶柱内装填固相异构酶；以上装置有4个异构酶柱Rl、R2、R3、R4组成，分别为4个区，其进口处通过各自的切换阀Al、A2、A3、A4与循环回收槽Tll相连，且通过切换阀B1、B2、B3、B4控制反应进料，R1、R2、R3、R4的出口管路经过离交柱、脱色罐和蒸发罐后，与Tl、T2、T3、T4进料储槽相连，并由输送泵P2、P3、P4、P5输送到分离区，通过与D1、D2、…、D8串联后，分别与色谱分离柱HI、H2、...、H8的进料口连接。T5为洗脱剂储存槽，通过自控阀E1、E2、…E8串接后，分别与色谱分离柱Cl、C2、…、C8的进料口连接。T6为洗脱剂储存槽，通过自控阀FI、F2、…F8串接后，分别与色谱分离柱Cl、C2、…、C8的进料口连接。T7为洗脱剂储存槽，通过自控阀G1、G2、…G8串接后，分别与色谱分离柱C1、C2、…、C8的进料口连接。葡萄糖循环回收槽Tll的进口管路通过自控阀K1、K2、…、Κ8串联后与色谱分离柱C1、C2、…、C8的出料口连接，Tll出口管路通过自控阀Vl I接输送泵Pl，将料液输送至反应区。废液回收槽T8的进口管路通过自控阀N1、N2、…、N8串联后分别与色谱分离柱Cl、C2、…、C8的出料口连接。果葡提取槽T9,TlO分别通过自控阀V9、V10与M1、M2、.'M8串接后分别与色谱分离柱C1、C2、...、C8的出料口连接。VI、V2、…、V8为柱与柱之间的自控阀门。集成反应分离制备果葡糖浆的区域选择性控制方法的实际操作将固相异构酶装 填于直立的异构柱内，反应温度控制在53°C 65°C，调整葡萄糖液的PH值为7. 7 8. 7，由柱顶进料，流过酶柱，进行异构化反应，从柱底出料。通过控制流量来控制异构化反应时间，在异构化反应后，经过离交、脱色、蒸发等后处理后，得到不同浓度的果葡糖浆。再进入8柱4区进行循环分离，分离过程中8柱形成4区，每一个区内进行一个由两根色谱分离柱串联形成的模拟移动床分离过程，在每个区不同阶段各自切出相应的分离产物，如在分离过程中，达到要求果葡糖浆的提取阶段时，打开相应果葡提取槽的自控阀；葡萄糖的回收阶段时，接通葡萄糖回收槽的自控阀并通过循环泵打入对应的异构化柱；葡萄糖与果糖的混合提取阶段时，切入下一个区作进一步分离。设定一个循环周期为T，其循环切换控制的流程图如下表所示。
权利要求
1.一种集成反应分离制备果葡糖浆的区域选择性生产的装置，包括用于异构化葡萄糖生产果糖的异构酶柱、用于后续处理的离交柱、蒸发罐和脱色罐，以及用于提取果糖和葡萄糖的色谱分离柱；其特征在于，所述异构酶柱、离交柱、蒸发罐和脱色罐通过管路依次连接并组成异构化反应区，脱色罐经管路依次连接进料罐和输送泵；提纯分离区包括由色谱分离柱组成的多元分流式集成系统，多元分流式集成系统的进料口通过管路分别连接至输送泵和洗脱剂储存罐，出料口则通过管路分别与循环回收罐、果葡提取罐和废液回收罐相连；循环回收罐还通过管路连接至异构酶柱的进口处，该管路上设置循环泵；所述多元分流式集成系统通过与异构化反应区的耦合控制，实现反应系统与分离系统的集成； 所述异构化反应区的数量为J个，4 < J < 8 ;各异构化反应区相互并联且能互为切换； 所述多元分流式集成系统包括K组色谱分离柱，4 16 ;各色谱分离柱的进出口之间由管道相连，并通过阀门的开关实现串连及并联模式的切换与控制； 本装置中，各管路上均设置阀门。
2.根据权利要求I所述的装置，其特征在于，所述洗脱剂储存罐有3个，分别通过管路与各色谱分离柱进料口相连。
3.一种集成反应分离制备果葡糖浆的区域选择性生产的方法，葡萄糖在异构酶柱中反应产生果糖，其特征在于，是通过多元分流式集成系统实现提纯分离，且异构酶柱的反应与色谱分离柱的分离是选择性耦合的过程；具体为 (1)经过酶异构化及后处理的产物送入通过串并联模式切换控制的多元分流式集成系统，实现分离提纯； (2)在提纯分离过程中，先流出的未转化葡萄糖送入循环回收罐，然后由循环泵送至对应的异构酶柱，实现循环利用； (3)通过对各异构化反应区中异构酶柱的流量控制实现各区不同反应时间的控制，以获得不同浓度比的葡萄糖和果糖混合液，对应每吨酶处理能力的物料流量为2. 5 5. Om3/h ;对异构化反应区出口处的产物进行取样并测试，将产物中的果糖浓度控制在30°/Γ44%，使当前产物更加适宜于分离； (4)产物经色谱分离柱提纯分离后，废液和果葡产物分别送入废液回收罐和果葡提取罐；未能完全分离的混合物则流入串联的下一组色谱分离柱，并通过其完成进一步分离； (5)根据前级反应产物的不同浓度以及分离后的最终产品的浓度要求，控制阀门的切换时间和通路选择，在不同的浓度阶段切换出不同分离程度的产物；果糖含量在40%-70%之间时是F55果葡糖浆提取阶段，通过阀门切换接通至F55果葡糖浆提取罐，果糖含量在85%以上时是F90果葡糖浆提取阶段，通过阀门切换接通至F90果葡糖浆提取罐； 所述区域选择性生产的方法是基于下述装置而实现的 该装置包括用于异构化葡萄糖生产果糖的异构酶柱、用于后续处理的离交柱、蒸发罐和脱色罐，以及用于提取果糖和葡萄糖的色谱分离柱；所述异构酶柱、离交柱、蒸发罐和脱色罐通过管路依次连接并组成异构化反应区，脱色罐经管路依次连接进料罐和输送泵；提纯分离区包括由色谱分离柱组成的多元分流式集成系统，多元分流式集成系统的进料口通过管路分别连接至输送泵和洗脱剂储存罐，出料口则通过管路分别与循环回收罐、果葡提取罐和废液回收罐相连；循环回收罐还通过管路连接至异构酶柱的进口处，该管路上设置循环泵；所述多元分流式集成系统通过与异构化反应区的耦合控制，实现反应系统与分离系统的集成；所述异构化反应区的数量为J个，4 < J < 8 ;各异构化反应区相互并联且能互为切换；所述多元分流式集成系统包括K组色谱分离柱，4 < 16 ;各色谱分离柱的进出口之间由管道相连，并通过阀门的开关实现串连及并联模式的切换与控制；本装置中，各管路上均设置阀门。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在异构酶柱中装填固相异构酶，控制反应温度控制为53°C 65°C，调整葡萄糖液的PH值7. 7 8. 7，由柱顶进料，流过异构酶柱进行异构化反应，从柱底出料。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述色谱分离柱的填料为钙型分离树脂，多元分流式集成系统的进料折光率为55%-65%，分离温度为62°C -70°C。
全文摘要
本发明涉及果葡糖浆分离技术，旨在提供一种集成反应分离制备果葡糖浆的区域选择性控制方法及装置。经过酶异构化及后处理的产物送入通过串并联模式切换控制的多元分流式集成系统，实现分离提纯；产物经色谱分离柱提纯分离后，废液和果葡产物分别送入废液回收罐和果葡提取罐；未能完全分离的混合物则流入串联的下一组色谱分离柱，并通过其完成进一步分离。本发明过程绿色环保且可循环利用，排放量减少且无后患；原料利用充分，直接提高产率，反应程度可控，有利于每一区都达到最好的分离效果；生产系统稳定可靠，产品纯度提高，且可以根据实际情况获得所需浓度的产品；过程和装备高度集成，能耗低且自动化程度高，实现一体化连续生产。
文档编号C13K1/00GK102816875SQ20121033797
公开日2012年12月12日 申请日期2012年9月13日 优先权日2012年9月13日
发明者杨健, 丁力, 廖承军, 毛宝兴, 詹国平, 李洋, 程新平, 陈德水, 贾宏元, 郑毅 申请人:浙江华康药业股份有限公司, 浙江大学