3. METODY OCZYSZCZANIA ROZTWORÓW POFERMENTACYJNYCH POLIOLI
3.2 Metody oczyszczania erytrytolu
Erytrytol można otrzymać na drodze syntezy chemicznej lub biotechnologicznej. Opis badań przedstawionych w literaturze dotyczy w dużej części metod syntezy erytrytolu, natomiast badania przeprowadzone w zakresie metod wydzielania i oczyszczania erytrytolu
36 zostały opisane w zdecydowanie mniejszej ilości doniesień literaturowych, w porównaniu do opisu metod separacji propano-1,3-diolu. Badania przedstawione w literaturze, głównie w formie opisów patentowych, uwzględniają metody oczyszczania erytrytolu zarówno pochodzenia chemicznego, jak i tego otrzymywanego na drodze produkcji biotechnologicznej.
Produkcja erytrytolu na drodze fermentacji surowców odnawialnych zachodzi w obecności odpowiednich szczepów drożdży. W opisach patentowych Chida i in. [36, 37, 38] przedstawiono proces produkcji erytrytolu z zastosowaniem szczepów Trichosporonoides oedocephalis oraz Trichosporonoides megachiliensis. Jako źródło węgla w procesie fermentacji wybrano glukozę, fruktozę, sacharozę oraz maltozę. Otrzymane brzeczki fermentacyjne poddano filtracji w celu separacji biomasy, następnie odbarwieniu na węglu aktywnym oraz odsoleniu metodą wymiany jonowej z wykorzystaniem silnie kwaśnej żywicy kationowymiennej oraz silnie zasadowej żywicy anionowymiennej. Najwyższe stężenie erytrytolu otrzymano na drodze fermentacji glukozy. W brzeczce obecne były produkty uboczne takie jak glicerol i rybitol, jednak nie określono wpływu obecności tych związków na czystość końcowego produktu. W procesie produkcji erytrytolu nie uwzględniono również możliwości zastosowania czystego lub odpadowego glicerolu.
W opisie patentowym De Zeeuw i in. [46] przedstawiono proces bioprodukcji erytrytolu z glukozy w obecności drożdży Candida lipolytica. Jako proces oczyszczania erytrytolu z brzeczki fermentacyjnej zaproponowano zastosowanie odwirowania, filtracji, a następnie wymiany jonowej w układzie trzech kolumn jonitowych: słaby anionit, mocny kationit, słaby anionit. W pracy wykazano obecność produktów ubocznych w brzeczce, w tym arabitolu i mannitolu, natomiast nie zaproponowano metody ich separacji.
W opisie patentowym Lin i in. [114] fermentację glukozy prowadzono z zastosowaniem grzybów Moniliella. Brzeczka fermentacyjna zawierała erytrytol oraz produkty uboczne takie jak glicerol i pięciowęglowy alkohol polihydroksylowy. Brzeczkę odwirowano, a następnie poddano odbarwieniu na węglu aktywnym. Roztwór poddano wymianie jonowej z zastosowaniem kationowymiennego złoża DIAION WA30 i anionowymiennego złoża AMBERLITE IR 120Na. W końcowym etapie roztwór zatężono i poddano krystalizacji oraz rekrystalizacji z użyciem bezwodnego alkoholu, a następnie wody.
W opisanych procesach produkcji erytrytolu na drodze biokonwersji glukozy jako metodę oczyszczenia wykorzystuje się głównie wymianę jonową. Na drodze biokonwersji glicerolu otrzymuje się jednak brzeczkę, której skład znaczenie się różni w porównaniu do
37 brzeczek uzyskiwanych w wyniku biokonwersji polisacharydów. Z tego powodu w opisanych badaniach nie uwzględniono konieczności separacji takich związków jak np. mannitol czy też kwasy organiczne i nieorganiczne.
W opisie patentowym Makoto i in. [118] jako źródło węgla w procesie bioprodukcji erytrytolu wskazano nie tylko glukozę i fruktozę, ale również glicerol. Jednak możliwości oczyszczenia brzeczki fermentacyjnej otrzymywanej z zastosowaniem szczepu Yarrowia lipolytica przedstawiono jedynie dla biokonwersji glukozy i fruktozy. Otrzymaną brzeczkę fermentacyjną poddano odwirowaniu, filtracji, odbarwieniu na węglu aktywnym oraz odsoleniu metodą wymiany jonowej z zastosowaniem silnej żywicy kationowymiennej DIAION SKIB i słabej żywicy anionowymiennej DIAION WA30. Na drodze fermentacji glicerolu otrzymano brzeczkę fermentacyjną zawierającą 43,2 g/dm3 erytrytolu. Nie przedstawiono jednak produktów ubocznych powstających podczas procesu, a także nie zaproponowano metody oczyszczania otrzymanej brzeczki. Podczas fermentacji glicerolu z zastosowaniem szczepu Yarrowia lipolytica stosuje się znaczne ilości soli nieorganicznych, które nie są metabolizowane przez drożdże. W rezultacie, odsolenie brzeczek jedynie metodą wymiany jonowej może być nieefektywne ze względu na ograniczoną pojemność wymienną złoża, generującą konieczność bardzo częstej ich regeneracji.
W opisie patentowym Morioka i in. [122] przedstawiono możliwość zastosowania metod chromatograficznych w procesie oczyszczania erytrytolu otrzymywanego na drodze biokonwersji glukozy w obecności szczepu Moniliella tomentosa. Otrzymano brzeczkę fermentacyjną zawierającą głównie erytrytol, glicerol, sole i polisacharydy. W pierwszym etapie zastosowano ceramiczne lub organiczne membrany w celu separacji biomasy z brzeczki fermentacyjnej podgrzanej do temperatury 70ºC. Otrzymany filtrat poddano oczyszczeniu na kolumnie wypełnionej słabo kwaśnym kationitem karboksylowym w formie sodowej DIAION WK-20 w celu oddzielenia jonów Ca(II) i Mg(II). Roztwór zatężono i ponownie przepuszczono przez kolumnę chromatograficzną, wypełnioną silnie kwaśnym kationitem sulfonowym sieciowanym diwinylobenzenem w formie sodowej DIAION UBK-550. Frakcję produktu poddano wymianie jonowej z zastosowaniem mocnego kationitu DIAION SK1B, słabego anionitu DIAION WA30 i złoża mieszanego DIAION PA408, a następnie końcowemu oczyszczeniu na węglu aktywnym. W wyniku krystalizacji, prowadzonej przy stopniowym obniżaniu temperatury z szybkością 7,5ºC/godz., otrzymano kryształy o czystości 99,9% zawierające 2,5% wody.
Wykorzystanie słabo kwaśnego kationitu karboksylowego i silnie kwaśnego kationitu sulfonowego w procesie oczyszczania erytrytolu zaproponowano również w opisie
38 patentowym Maeda i in. [117]. Proces produkcji erytrytolu przeprowadzono na drodze biokonwersji glukozy z zastosowaniem szczepu Aureobasidium. Po procesie fermentacji brzeczkę poddano odwirowaniu otrzymując roztwór zawierający głównie erytrytol i glicerol, który przepuszczono przez kolumnę upakowaną słabo kwaśną żywicą karboksylową w formie sodowej. Otrzymany filtrat zatężono i poddano procesowi chromatograficznemu na sulfonowym kationicie sieciowanym diwinylobenzenem w formie sodowej. W końcowym etapie frakcje produktu odbarwiono na węglu aktywnym, poddano wymianie jonowej, zatężono i przeprowadzono krystalizację. Przedstawiony schemat procesu oczyszczania wskazano jako możliwy do zastosowania także w przypadku brzeczek fermentacyjnych otrzymywanych na drodze biokonwersji produktów skrobiowych takich jak kukurydza, ziemniaki czy pszenica [161].
Zastosowanie metod chromatograficznych, zarówno w układzie okresowym jak i ciągłym, w procesach oczyszczania mieszanin otrzymywanych na drodze syntezy mikrobiologicznej przedstawiono również w opisach patentowych Paananen i in. [133, 134].
W procesie odzysku takich związków jak betaina, erytrytol, inozytol, sacharoza, mannitol, glicerol i aminokwasy z syropu melasowego zaproponowano możliwość wykorzystania słabo kwaśnej żywicy kationowymiennej, w tym słabego kationitu akrylowego z karboksylowymi grupami funkcyjnymi w różnej formie jonowej (H+, Na+, K+, Mg2+, Ca2+). Produktem procesu była jednak głównie betaina, a obecne w roztworze inne składniki, takie jak erytrytol, mannitol i glicerol odbierano jako mieszaninę nierozdzieloną.
W opisanych w literaturze badaniach w zakresie otrzymywania erytrytolu na drodze syntezy biotechnologicznej nie przedstawiono możliwości oczyszczania brzeczki fermentacyjnej erytrytolu otrzymywanej w wyniku fermentacji frakcji glicerynowej.
Uwzględniono natomiast możliwość otrzymywania erytrytolu na drodze syntezy chemicznej.
W wyniku katalitycznego uwodornienia kwasu winowego, przedstawionego w opisie patentowym Elseviers i in. [52], otrzymano mieszaninę polioli zawierającą erytrytol oraz glicerol, butano-1,2-diol i butano-1,2,4-triol. Mieszaninę rozdzielono z zastosowaniem kationowymiennego złoża w formie wapniowej uzyskując erytrytol o czystości powyżej 95%.
Proces mikrobiologicznej produkcji erytrytolu z glicerolu znacznie się różni od metod syntezy chemicznej nie tylko pod względem warunków prowadzenia reakcji, ale również pod względem jakości otrzymywanego produktu. Produkt otrzymywany na drodze katalitycznego uwodornienia kwasu winowego zawiera inne produkty uboczne w porównaniu z biotechnologiczną syntezą erytrytolu, co wiąże się z zastosowaniem różnych metod separacyjnych. Inną metodę chemicznej produkcji polioli przedstawiono w opisie
39 patentowym Heikkilä i in. [75]. Chemiczną syntezę ksylitolu i erytrytolu prowadzono na drodze hydrolizy polisacharydów zawierających arabinoksylany. Podczas produkcji ksylitolu otrzymuje się mieszaninę, którą poddaje się oczyszczeniu chromatograficznemu. Otrzymany strumień odpadowy zastosowano następnie w procesie chemicznej syntezy erytrytolu, który w kolejnym etapie poddano krystalizacji.
Ograniczenia możliwości zastosowania metod chemicznej syntezy erytrytolu, wynikające z wymagań stawianym produktom spożywczym, przedstawiono w poprzednim rozdziale niniejszej pracy. Z tego powodu, jedynie metody syntezy biotechnologicznej mogą znaleźć zastosowanie w procesie produkcji erytrytolu.
Badania nad separację erytrytolu z brzeczek fermentacyjnych otrzymanych na drodze fermentacji glicerolu przedstawione zostały również w pracy Staszak i in. [173]. Jako metodę separacji dobrano nanofiltrację z wykorzystaniem membran ceramicznych. Uzyskane wyniki wskazują na możliwość jedynie wstępnego oczyszczenia brzeczek erytrytolu metodą nanofiltracji.
W celu otrzymania kryształów erytrytolu, brzeczkę fermentacyjną należy poddać w pierwszym etapie oczyszczeniu, a następnie zatężeniu i krystalizacji. Proces krystalizacji erytrytolu prowadzono z zastosowaniem różnych technik krystalizacyjnych. W opisie patentowym De Troostembergh i in. [47], w wyniku fermentacji glukozy przy użyciu szczepu Monilliella tomentosa otrzymano brzeczkę fermentacyjną, którą poddano filtracji, a następnie bezpośredniej krystalizacji. Proces krystalizacji na drodze ochładzania zatężonej brzeczki fermentacyjnej w zakresie temperatury od 90ºC do 20ºC prowadzono w czasie 6 godzin.
Ohshima i in. [132] opisali możliwość otrzymywania kryształów erytrytolu (0,5-0,7 mm) z zastosowaniem suszenia fluidyzacyjnego. Przedstawiono również możliwość połączenia metody ekstrakcyjnej z procesem krystalizacji. W opisie patentowym Hiroshi i in. [80]
przeprowadzono proces jednoczesnej produkcji arabitolu, glicerolu i erytrytolu na drodze fermentacji cukrów, w tym glukozy i fruktozy. W celu separacji otrzymanych związków zaproponowano zastosowanie filtracji, ekstrakcji w obecności alkoholu etylowego, a następnie destylacji i krystalizacji. Roztwory erytrytolu otrzymywane w wyniku syntezy chemicznej również poddano krystalizacji. Na drodze chemicznej syntezy buta-1,3-dienu z nadtlenkiem wodoru otrzymano mieszaninę reakcyjną, która po wstępnych procesach oczyszczania, w tym destylacji, zawierała izomery erytrytolu [78, 79]. Separację izomerów erytrytolu metodą krystalizacji frakcyjnej przeprowadzono z wykorzystaniem różnicy ich rozpuszczalności w etanolu. Krystalizacja jest jednak końcowym etapem otrzymywania
40 erytrytolu w postaci kryształów, dlatego w procesie otrzymywania czystego erytrytolu najważniejszym etapem jest jego separacja od zanieczyszczeń.
Przedstawione w literaturze badania na temat oczyszczania erytrytolu ograniczają się głównie do opisów patentowych, w których nie umieszcza się szczegółowych informacji.
Dodatkowo, opisane badania opierają się na syntezie chemicznej lub też produkcji biotechnologicznej z wykorzystaniem surowców innych niż glicerol. Na drodze biokonwersji frakcji glicerynowej otrzymuje się zanieczyszczoną brzeczkę zawierającą erytrytol, której proces oczyszczanie wymaga przeprowadzenia dokładnych badań.