DE69819738T2

DE69819738T2 - Verfahren zur enzymatischen synthese von saccharid-estern

Info

Publication number: DE69819738T2
Application number: DE69819738T
Authority: DE
Inventors: Gilles Pauly
Original assignee: Cognis France SAS
Current assignee: BASF Health and Care Products France SAS
Priority date: 1997-07-09
Filing date: 1998-07-08
Publication date: 2004-12-09
Anticipated expiration: 2018-07-09
Also published as: EP1003901A1; EP1003901B1; CA2295593A1; FR2765888A1; AU741812B2; JP2002510212A; ES2210785T3; ATE254184T1; AU8546198A; DE69819738D1; FR2765888B1; WO1999002722A1; US6355455B1; KR20010021593A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Syntheseverfahren von Stoffen; ihr Gegenstand ist ein Verfahren zur enzymatischen Synthese von Zuckerestern.
Bei den Zuckerestern handelt es sich um Tenside aus einer durch Esterbindung entstehenden Kombination eines Zuckers und einer Fettsäure. Dadurch, daß man die Art des Zuckers und die Länge der Fettsäurekette variiert, läßt sich eine Molekülgruppe erhalten, die über ein breites HLB-Wertsspektrum und daher ein breites Spektrum an funktionellen Eigenschaften verfügt. So lassen sich schäumende, wenig schäumende, verflüssigende, solubilisierende oder emulgierende Tenside herstellen.
Diese Produkte stellen interessante natürliche Bestandteile auf dem Gebiet der Reinigung, der Kosmetik, der Pharmazie sowie im Landwirtschafts- und Nahrungsmittelsektor dar.
Die zur Zeit vertriebenen Zuckerester werden im allgemeinen auf chemisch-synthetischem Weg hergestellt.
Es handelt sich im allgemeinen um komplexe Mischungen unterschiedlicher Verbindungen, die aufgrund der Unspezifität der chemischen Kondensationsreaktionen zwischen den Zuckern und den Fettsäuren entstehen. Die für diese Reaktionen erforderlichen erhöhten Drücke und Temperaturen führen daher ebenfalls zu unerwünschten Reaktionen und zu Färbungen, die bei den Produkten auftreten.
Zuckerester lassen sich auch durch enzymkatalysierte Kondensationsreaktionen, z. B. durch Lipasen katalysierte Reaktionen, erhalten. Der Vorteil dieser Enzymreaktionen ist, daß sie spezifischer als die chemischen Synthesen sind und bei normalen Drücken und Temperaturen ablaufen.
Von SEINO et al. (J. Am Oil Chem. Soc. 61, 1761–1765, 1984) wurde vorgeschlagen, Zucker (Saccharose, Glucose, Fructose, Sorbit) mit Fettsäuren (Stearinsäure, Ölsäure, Linolsäure) in Gegenwart eines Enzyms in einem wäßrigen Medium zu verestern. Durch diese Technik lassen sich jedoch keine wesentlichen Mengen an Zuckerestern erhalten.
Außerdem beschreiben die Druckschriften WO 90/09451 und WO 94/01575 Verfahren zur Gewinnung von Zuckerestern ganz ohne Wasser und ohne, daß ein Lösungsmittel verwendet wird. Bei dieser Technik müssen jedoch zuvor die Zucker alkyliert werden, um sie in der fetten Phase löslich zu machen. Diese Technik zur Produktion von Alkylzuckerestern und Fettsäureestern weist außerdem den Nachteil auf, daß sie zu einem Präparat führt, das einen Überschuß an nicht umgewandelter Fettsubstanz enthält, und daher aufwendige Reinigungsschritte erfordert, wenn man die entstandenen Zuckerester in höherer Reinheit erhalten will. Außerdem erschwert die erhöhte Zähigkeit der verwendeten Reaktionsmedien die Durchführung der Arbeitsschritte.
Von A. ZAKS und A. M. KLIBANOV (Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 82, 3192–3196, 1985) wurde zuerst die enzymatische Synthese von Zuckerestern von Fettsäuren in einem organischen Lösungsmittel beschrieben. Bei dem verwendeten Pyridin handelt es sich jedoch um ein giftiges Lösungsmittel, das für großtechnische Anwendungen verboten ist.
Außerdem wurde bereits zur Durchführung von enzymatischen Synthesen von Zuckerestern die Verwendung von tertiäralkoholartigen organischen Lösungsmitteln vorgeschlagen.
So wird in der Druckschrift FR-A-2 646 439 und bei KHALED et al. (Biotech. Letters, 13, 167–172, 1991) die Synthese von Fructoseoleat, Sorboseoleat, Sorbitoleat und Mannitoleat sowie Fructosepalmitat unter Verwendung einer immobilisierten Lipase und 2-Methyl-2-butanol als Lösungsmittel beschrieben. Die Leistungen dieser Syntheseverfahren sind jedoch nach wie vor nur wenig erhöht: die Endkonzentrationen der Zuckerester sind in einer Größenordnung von 20 g/l, die Ausbeuten der Zuckerumwandlung sind höchstens 50%, und die spezifischen Produktivitäten sind unter 0,01 g Zuckerester pro Stunde und Gramm Katalysator. Außerdem erfordern die verwendeten Überschüsse an Fettsäuren aufwendige Schritte zur Trennung der erhaltenen Zuckerester- und Fettkörpermischungen.
Außerdem beschreiben DUCRET et al. (Biotechnol. Bioeng. 48, 214–221, 1995) die Synthese von Fructoseoleat und Glucoseoleat in 2-Methyl-2-butanol mit einer immobilisierten Lipase, wobei oberhalb des Reaktionsmediums ein Unterdruck herrscht. Diese Technik führt zu höheren Umwandlungsraten von 93% bei Fructoseoleat und 70% für Glucoseoleat. Die Zuckerester-Endkonzentrationen sind jedoch nach wie vor nur wenig erhöht (23 g/l bei Fructoseoleat, 17 g/l bei Glucoseoleat), und die spezifischen Produktivitäten liegen unter 0,1 g Zuckerester pro Stunde und Gramm Katalysator. Außerdem lassen sich mit dieser Technik keine Saccharose- und Lactoseester darstellen.
Schließlich beschreiben WOUDENBERG et al. (Biotechnol. Bioeng. 49, 328–333, 1996) enzymatische Veresterungen von Disacchariden wie Saccharose mit Ethylbutanoat und Ethyldodecanoat unter Verwendung einer immobilisierten Lipase und 2-Methyl-2-butanol als Lösungsmittel. Die erhaltenen Endkonzentrationen und spezifischen Produktivitäten (0,04 g/h.g) sind jedoch sehr niedrig.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, insbesondere die genannten Nachteile zu überwinden und ein Verfahren zur enzymatischen Synthese von Zuckerestern vorzuschlagen, mit dem sich im Vergleich zu den oben genannten bekannten Verfahren wesentlich bessere Leistungen in bezug auf die Zuckerester-Endkonzentrationen, die Umwandlungsausbeuten (und zwar sowohl der anfänglich vorliegenden Zucker als auch der anfänglich vorliegenden Fettkörper) und die spezifischen Produktivitäten erzielen lassen und sich gleichzeitig die aufwendigen und mühsamen Reinigungsschritte nach der Synthese verringern lassen.
Die vorliegende Erfindung betrifft daher ein Verfahren zur enzymatischen Synthese von Zuckerestern, dadurch gekennzeichnet, daß man in ein geeignetes Reaktionsgefäß zur Herstellung eines Reaktionsmediums bestimmte Mengen eines organischen Lösungsmittels, eines Zuckers oder Zuckerderivats, eines Acyldonators und eines Enzyms als Katalysator einbringt, wobei die Menge mindestens eines Bestandteils dieses Reaktionsmediums im Unterschuß vorliegt, während des Reaktionsverlaufs auf kontrollierte Weise zusätzliche Mengen des oder der im Unterschuß vorliegenden Bestandteils/e zugibt und schließlich die erhaltenen Zuckerester mindestens durch Abtrennen der Enzymteilchen (zum Beispiel durch Abdekantieren, Filtration oder Zentrifugation) und des Lösungsmittels (zum Beispiel durch Abdampfen, Destillation oder Membranfiltration) reinigt.
Genauer gesagt besteht das erfindungsgemäße Verfahren darin, daß man während des Reaktionsablaufs der Synthese kontinuierlich oder periodisch zusätzliche bestimmte Mengen an Zucker oder Zuckerderivat in Form eines Festkörpers oder einer flüssigen Lösung, an Lösungsmittel, an Enzymkatalysator in löslicher oder immobilisierter Form und/oder an Acyldonor, und zwar allein oder in dem Lösungsmittel solubilisiert, zu dem Reaktionsmedium gibt.
Der Hauptunterschied zwischen dem erfindungsgemäßen Verfahren und den bereits bekannten und oben beschriebenen Verfahren besteht daher in der Durchführung der Enzymreaktion.
Bei den bekannten enzymatischen Zuckerester-Syntheseverfahren werden nämlich alle Mengen der Reaktionsmediumbestandteile zu Beginn der Reaktion in dem Reaktionsgefäß vorgelegt.
Erfindungsgemäß wird nur eine bestimmte Anfangsmenge eines oder mehrerer der Reaktionsmediumbestandteile zu Beginn in dem Reaktionsgefäß vorgelegt, und zusätzliche Mengen des zu Beginn teilweise vorgelegten Bestandteils, bzw. der zu Beginn teilweise vorgelegten Bestandteile, werden im Lauf der Synthesereaktion zugegeben.
Dadurch, daß man die Menge der zugegebenen Reaktionsteilnehmer kontrolliert, kann man die Entwicklung der Zusammensetzung des Reaktionsmediums im Zeitverlauf bestimmen und hierdurch unter Hintanhaltung der Nebenreaktionen die Enzymreaktion auf eine Maximalproduktion von Monoestern und/oder Diestern ausrichten.
Die Reaktion wird erfindungsgemäß so geführt, daß in erster Linie die Hemmerscheinungen bei der Enzymreaktion, die bei hohen Konzentrationen an Zuckern oder Acyldonatoren auftreten, hintangehalten werden.
So wurde gefunden, daß es zum Erhalt einer erhöhten Zuckerester-Endkonzentration bevorzugt ist, nicht zu Beginn alle erforderlichen Mengen an Reaktionspartnern vorzulegen, sondern, ganz im Gegenteil, sie nach und nach auf kontrollierte Weise während des Ablaufs der Reaktion unter Vermeidung von die Enzymreaktion hemmenden Konzentrationen zuzugeben.
Die Reaktion wird so geführt, daß man während des ganzen Reaktionsverlaufs das Molverhältnis zwischen Zucker(n) oder Zuckerderivat(en) und Acyldonator(en) kontrolliert.
Dieses Molverhältnis kann vorteilhafterweise 0,01 bis 10,00, vorzugsweise 0,02 bis 2,00, betragen je nach den Bestandteilen, die das betreffende Paar aus Zucker(n) oder Zuckerderivat(en) und Acyldonator(en) bilden.
Dadurch, daß man Werte des Molverhältnisses in den oben genannten Grenzen im Reaktionsmedium festlegt, kann man entweder höhere Reaktionsraten oder maximale Anteile an Zuckermono- oder -diestern erhalten.
Dadurch, daß man die Art und Menge der im Zeitverlauf zugegebenen Reaktionspartner kontrolliert, läßt sich dieses Molverhältnis entweder während der gesamten Reaktionsdauer bei einem konstanten Wert halten oder so kontrolliert verändern, daß es einem dem Zeitverlauf entsprechenden Variationsprofil folgt, jedoch während des gesamten Reaktionsverlaufs noch innerhalb des oben genannten Wertintervalls liegt.
Um den Syntheseablauf zu optimieren, kann man gegebenenfalls mindestens einen der Reaktionsmediumbestandteile periodisch oder kontinuierlich abziehen, wobei man gegebenenfalls den abgezogenen Bestandteil bzw. die abgezogenen Bestandteile nach Fraktionierung wieder in den Reaktor zurückführen kann bzw. können.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen werden, das gesamte Reaktionsmedium periodisch oder kontinuierlich abzuziehen, wobei ein Bestandteil bzw. mehrere Bestandteile dieses abgezogenen Mediums nach Fraktionierung wieder in das Reaktionsgefäß eingespritzt werden kann bzw. können.
Das für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete Reaktionsgefäß bzw. der für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete Reaktor ist vorteilhafterweise mit einer Temperaturregelung, einer Druckregelung, Elementen zur Zugabe von Reaktionspartnern und Elementen zur Abziehung von Produkten versehen.
Während des Syntheseablaufs wird die Temperatur vorteilhafterweise zwischen 20°C und 100°C eingestellt, der Partialdruck oberhalb des Reaktionsmediums wird vorteilhafterweise zwischen 10 mbar (10³ Pa) und 1000 mbar (10⁵ Pa) eingestellt, und das Reaktionsmedium wird vorteilhafterweise leicht bewegt.
Zur Gewinnung von Zuckeresterpräparaten mit erhöhter Reinheit kann außerdem vorgesehen sein, am Ende zusätzliche Fraktionierungsschritte durchzuführen, zum Beispiel die restlichen Zucker oder Fettkörper durch Extraktion mit organischen Lösungsmitteln oder mit überkritischen Flüssigkeiten zu entfernen oder die erhaltenen Monoester und/oder durch Fällung en) oder chromatographische Trennung en) Diester zu fraktionieren.
Der im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendete Zucker bzw. das im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendete Zuckerderivat kann aus einer beliebigen Verbindung bestehen, die den genannten Typen entspricht, insbesondere den Verbindungen aus der Familie der Osen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung stammt der Zucker bzw. das Zuckerderivat aus der Gruppe Fructose, Glucose, Saccharose, Trehalose, Ethyl- und Methylderivate dieser Zucker sowie strukturmäßig analoge Verbindungen, wie die Polyole.
Der Acyldonator stammt aus der Gruppe der bekannten Fettsäuren und kann vorzugsweise aus der Gruppe der geradkettigen oder verzweigten gesättigten oder ungesättigten Fettsäuren mit gerader oder ungerader Anzahl Kohlenstoffatomen, die über 4 Kohlenstoffatome aufweisen, der Fettsäureester, der Monoglyceride, Diglyceride und Triglyceride sowie der Öle ausgewählt werden.
Als organisches Lösungsmittel kann man alle organischen Verbindungen oder alle Mischungen aus organischen Verbindungen, die zu einer völligen oder teilweisen Solubilisierung der Zucker oder Zuckerderivate und der gewählten Acyldonatoren führen, verwenden.
So kann man das oder die Lösungsmittel insbesondere aus den folgenden Stoffen auswählen: Methanol, Ethanol, Propanol, Butanol, Aceton, Propanon, Butanon, 2-Pentanon, 1,2-Ethandiol, 2,3-Butandiol, Dioxan, Acetonitril, 2-Methyl-2-butanol, tert.-Butanol, 2-Methylpropanol und 4-Hydroxy-2-methylpentanon oder einer Mischung aus zwei oder mehrerer dieser Lösungsmittel.
Der verwendete Enzymkatalysator muß natürlich die Übertragung einer Acylgruppe eines Acyldonators auf einen Zucker oder ein Zuckerderivat induzieren und begünstigen und kann vorteilhafterweise aus einer Protease oder einer Lipase, vorzugsweise einer auf einem Träger immobilisierten Protease oder Lipase, bestehen.
Unter Einbeziehung der unterschiedlichen oben genannten Eigenschaften sind mehrere Ausbildungsformen der Erfindung denkbar, und zwar je nach der Art der verwendeten Reaktionsteilnehmer und den bevorzugten zu erreichenden Zielen.
So kann gemäß einer ersten Ausführungsform ein Syntheseverfahren denkbar sein, bei dem der Acyldonator und das Lösungsmittel im Verlauf der Reaktion zugegeben werden.
In diesem Fall enthält das Reaktionsgefäß zu Beginn das Lösungsmittel, die Gesamtzucker- oder -zuckerderivatmenge (im allgemeinen zwischen 10 g/l und 200 g/l), die erforderlich ist, um am Ende zu der gewünschten Menge Zuckerester zu gelangen, wobei die Menge des Acyldonators dem gewünschten Ausgangsmolverhältnis zwischen gelöstem Zucker/Acyldonator (im allgemeinen 1 g/l bis 500 g/l) entspricht, sowie das zugegebene Enzym in löslicher Form oder in immobilisierter Form (1 g/l bis 100 g/l, vorzugsweise 5 g/l bis 20 g/l).
Während des Reaktionsverlaufs gibt man einerseits Lösungsmittel so zu, daß die Verdampfungsverluste ausgeglichen werden und daß eine relativ konstante Lösungsmenge beibehalten wird, und andererseits Acyldonator in solch einer Menge pro Zeiteinheit zu, um das Molverhältnis zwischen gelöstem Zucker und Acyldonator auf dem gewünschten Wert zu halten.
Wenn es daher vorteilhaft ist, dieses Molverhältnis während des gesamten Reaktionsverlaufs konstantzuhalten, wird der Acyldonator so schnell zugegeben, wie er durch die Reaktion verbraucht wird, wobei diese Verbrauchsrate dadurch bestimmt werden kann, daß man vor der verwendeten Enzymreaktion eine kinetische Untersuchung durchführt. Die pro Zeiteinheit im Reaktionsverlauf zuzugebende Menge an Acyldonator beträgt im allgemeinen 0,01 bis 10 Gramm Acyldonator pro Stunde und pro Gramm in dem Reaktionsgefäß vorliegenden Enzymkatalysator.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung kann das Syntheseverfahren auch unter Zugabe von Zucker und Lösungsmittel durchgeführt werden.
In diesem zweiten Fall enthält das Reaktionsgefäß zu Beginn das Lösungsmittel, die Gesamtmenge des Acyldonators (im allgemeinen 1 g/l bis 500 g/l), die für die am Ende erwünschte Menge an Zuckerester erforderlich ist, die Zucker- oder Zuckerderivatmenge, die dem gewünschten Ausgangsmolverhältnis zwischen gelöstem Zucker und Acyldonator entspricht (im allgemeinen 1 g/l bis 200 g/l), sowie das beigegebene Enzym in löslicher oder immobilisierter Form (1 g/l bis 100 g/l, vorzugsweise 5 g/l bis 20 g/l).
Während des Reaktionsverlaufs gibt man einerseits Lösungsmittel so zu, daß die Verdampfungsverluste ausgeglichen werden und daß eine relativ konstante Lösungsmenge gehalten wird, und andererseits Zucker oder Zuckerderivat in solch einer Menge pro Zeiteinheit zu, um das Molverhältnis zwischen gelöstem Zucker und Acyldonator auf dem gewünschten Wert zu halten.
Wenn es daher vorteilhaft ist, dieses Molverhältnis während des gesamten Reaktionsverlaufs konstantzuhalten, wird der Zucker oder das Zuckerderivat so schnell zugegeben, wie er bzw. es durch die Reaktion verbraucht wird, wobei diese Verbrauchsrate dadurch bestimmt werden kann, daß man vor der verwendeten Enzymreaktion eine kinetische Untersuchung durchführt. Die pro Zeiteinheit im Reaktionsverlauf zuzugebende Menge an Zucker oder Zuckerderivat beträgt im allgemeinen 0,01 bis 10 Gramm Zucker oder Zuckerderivat pro Stunde und pro Gramm in dem Reaktionsgefäß vorliegenden Enzymkatalysator.
Gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung kann das Syntheseverfahren auch unter Zugabe von Zucker (oder Zuckerderivat), Acyldonator und Lösungsmittel durchgeführt werden.
In diesem dritten Fall enthält das Reaktionsgefäß zu Beginn das Lösungsmittel, den Zucker in einer beliebigen Konzentration (vorzugsweise in einer höheren Konzentration als die Löslichkeit des Zuckers in dem Lösungsmittel) und die Menge des Acyldonators entsprechend dem gewünschten Ausgangsmolverhältnis zwischen gelöstem Zucker und Acyldonator, sowie das Enzym, das in löslicher oder immobilisierter Form zugegeben wird.
Während des Reaktionsverlaufs schreitet man einerseits zur Zugabe des Lösungsmittels, um die Verdampfungsverluste auszugleichen, andererseits zur Zugabe von Zucker (oder von Zuckerderivat) und Acyldonator, und zwar in solchen Mengen pro Zeiteinheit, um das Molverhältnis der beiden Bestandteile bei dem gewünschten Wert zu halten.
Ist es vorteilhaft, das Molverhältnis während des gesamten Reaktionsverlaufs konstantzuhalten, so wird der Zucker (oder das Zuckerderivat) und der Acyldonator in Mengen pro Zeiteinheit zugegeben, die jeweils ihren Verbrauchsraten entsprechen, wobei sich diese Verbrauchsraten mittels einer vor der verwendeten Enzymreaktion durchgeführten kinetischen Untersuchung bestimmen lassen.
Entsprechend einer vierten Ausführungsform der Erfindung kann das kontinuierliche Syntheseverfahren auch unter Zugabe und Abziehen von Zucker (oder Zuckerderivat), Acyldonator und/oder Lösungsmittel sowie gegebenenfalls Enzymkatalysator durchgeführt werden.
In diesem vierten Fall enthält das Reaktionsgefäß zu Beginn das Lösungsmittel, den Zucker in einer beliebigen Konzentration (vorzugsweise in einer Konzentration über der Löslichkeit des Zuckers in dem Lösungsmittel) und die Menge an Acyldonator, die dem gewünschten Ausgangsmolverhältnis zwischen gelöstem Zucker und Acyldonator entspricht, sowie das zugegebene Enzym in löslicher oder immobilisierter Form.
Während des Reaktionsablaufs wird kontinuierlich oder periodisch Reaktionsmedium abgezogen, wobei das Enzym, wenn es in immobilisierter Form vorliegt, innerhalb des Reaktionsgefäßes zurückgehalten werden kann.
Nach der Trennung können Lösungsmittel und gegebenenfalls Zucker und/oder Acyldonator wieder in das Reaktionsgefäß rückgeführt werden.
Während des gesamten Reaktionsablaufs schreitet man einerseits zur Zugabe des Lösungsmittels, um die Verdampfungs- und Abzugsverluste auszugleichen, andererseits zur Zugabe von Zucker (oder von Zuckerderivat) und Acyldonator, und zwar in solchen Mengen pro Zeiteinheit, um das Molverhältnis der beiden Bestandteile bei dem gewünschten Wert zu halten.
Ist es vorteilhaft, dieses Molverhältnis während des gesamten Reaktionsverlaufs konstant zu halten, so werden der Zucker (oder das Zuckerderivat) und der Acyldonator in Mengen pro Zeiteinheit zugegeben, die jeweils ihrer Verbrauchsrate aufgrund des Umsatzes und des Abziehens entsprechen.
Es sollen nun verschiedene praktische Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft beschrieben werden, was jedoch keine Begrenzung darstellen soll.
Beispiel 1: Produktion von Fructoseoleat unter periodischer Zugabe von Fructose
Zu Beginn werden in einem Reaktionsgefäß aus Glas 1 Liter 2-Methyl-2-butanol, 25 Gramm Fructose, 106 Gramm Methyloleat und 5 Gramm immobilisierte Lipasepartikel wie sie unter dem Warenzeichen Novozym bekannt sind, vorgelegt. Die Temperatur des Reaktionsgefäßes wird auf 60°C, der Druck auf 200 mbar (2 × 10⁴ Pa) und die Rührgeschwindigkeit auf 200 U/min (Umdrehungen pro Minute) eingestellt. Nach einer Reaktionszeit von 8 Stunden gibt man 25 Gramm Fructose und nach einer Reaktionszeit von 16 Stunden nochmals 25 Gramm Fructose zu. Das zu Beginn auf einen Wert von 0,38 festgelegte Molverhältnis zwischen Fructose und Methyloleat wird während der Reaktion zwischen 0,12 und 5,00 gehalten.
Während des Syntheseablaufs erzielt man die folgende Fructoseoleatproduktion:

– nach einer Reaktionszeit von 8 Stunden findet man 45 g/l Monoester und 5 g/l Diester. Dies entspricht einem Gesamtumsatz von 78% der Fructose und einer spezifischen Produktivität von 1,2 g Zuckerester pro Stunde und pro Gramm Enzympartikel.
– nach einer Reaktionszeit von 16 Stunden findet man 65 g/l Monoester und 10 g/l Diester. Dies entspricht einem Gesamtumsatz von 58% der Fructose und einer spezifischen Produktivität von 0,9 g Zuckerester pro Stunde und pro Gramm Enzympartikel.
– nach einer Reaktionszeit von 20 Stunden findet man 80 g/l Monoester und 10 g/l Diester. Dies entspricht einem Gesamtumsatz von 46% der Fructose und einer spezifischen Produktivität von 0,9 g Zuckerester pro Stunde und pro Gramm Enzympartikel.

Beispiel 2: Produktion von Fructoseoleat unter kontinuierlicher Zugabe von Fructose und Methyloleat
Zu Beginn werden in einem Reaktionsgefäß aus Glas 500 ml 2-Methyl-2-butanol, 5 Gramm Fructose, 8,3 Gramm Methyloleat und 10 Gramm immobilisierte Lipasepartikel, wie sie unter dem Warenzeichen Novozym bekannt sind, vorgelegt. Die Temperatur des Reaktionsgefäßes wird auf 60°C, der Druck auf 200 mbar (2 × 10⁴ Pa) und die Rührgeschwindigkeit auf 200 U/min (Umdrehungen pro Minute) eingestellt. Im Verlauf der Reaktion gibt man mit einer Durchsatzleistung von 1 ml/min eine Lösung von 2-Methyl-2-butanol, die 55 mM Fructose und 55 mM Methyloleat enthält, zu. Das Molverhältnis zwischen Fructose und Methyloleat, das zu Beginn auf einen Wert von 1,0 festgelegt ist, wird im Verlauf der Reaktion zwischen 0,5 und 1,5 gehalten.
Nach 20stündigem Umsatz erhält man 40 Gramm Fructoseoleatmonoester, wobei der Diester unterhalb der Nachweisgrenze vorliegt. Dies entspricht einem Gesamtumsatz von 95% der Fructose und 95% des Methyloleats, einer spezifischen Produktivität von 0,15 Gramm Zuckerester pro Stunde und pro Gramm Enzympartikel.
Beispiel 3: Produktion von Fructoseoleat unter kontinuierlicher Zugabe von Methyloleat
Zu Beginn werden in einem Reaktionsgefäß aus Glas 500 ml 2-Methyl-2-butanol, 12,5 Gramm Fructose, 8,3 Gramm Methyloleat und 10 Gramm immobilisierte Lipasepartikel, wie sie unter dem Warenzeichen Novozym bekannt sind, vorgelegt. Die Temperatur des Reaktionsgefäßes wird auf 60°C, der Druck auf 200 mbar (2 × 10⁴ Pa) und die Rührgeschwindigkeit auf 200 U/min (Umdrehungen pro Minute) eingestellt. Im Verlauf der Reaktion gibt man mit einer Durchsatzleistung von 0,66 ml/min eine Lösung von 2-Methyl-2-butanol, die 206 mM Methyloleat enthält, zu. Das Molverhältnis zwischen Fructose und Methyloleat, das zu Beginn auf einen Wert von 2,0 festgelegt ist, wird im Verlauf der Reaktion zwischen 1,0 und 2,0 gehalten.
Nach 18stündigem Umsatz erhält man 60 Gramm Fructoseoleatmonoester, wobei der Diester unterhalb der Nachweisgrenze vorliegt. Dies entspricht einem Gesamtumsatz von 95% der Fructose und 95% des Methyloleats, einer spezifischen Produktivität von 0,3 Gramm Zuckerester pro Stunde und pro Gramm Enzympartikel.
Beispiel 4: Herstellung von Trehalosepelargonat unter kontinuierlicher Zugabe von Pelargonsäure
Zu Beginn werden in einem Reaktionsgefäß aus Glas 465 ml 2-Methyl-2-butanol, 14 Gramm Trehalose, 72 mmol Pelargonsäure und 10 Gramm immobilisierte Lipasepartikel, wie sie unter dem Warenzeichen Novozym bekannt sind, vorgelegt. Die Temperatur des Reaktionsgefäßes wird auf 60°C, der Druck auf 200 mbar (2 × 10⁴ Pa) und die Rührgeschwindigkeit auf 200 U/min (Umdrehungen pro Minute) eingestellt. Im Verlauf der Reaktion und während 12 aufeinanderfolgenden Stunden gibt man mit einer Durchsatzleistung von 0,66 ml/min eine Mischung von 32 ml 2-Methyl-2-butanol und 468 ml Pelargonsäure zu. Das Molverhältnis zwischen Fructose und Pelargonsäure, das zu Beginn auf einen Wert von 0,09 festgelegt ist, wird im Verlauf der Reaktion zwischen 0,01 und 0,09 gehalten.
Nach 18stündiger Reaktionszeit erhält man 3 Gramm Trehalosepelargonatmonoester und 22 g/l Trehalosepelargonatdiester. Dies entspricht einem Gesamtumsatz von 53% der Trehalose und 3% der Pelargonsäure und einer spezifischen Produktivität von 0,13 Gramm Zuckerester pro Stunde und pro Gramm Enzympartikel.
Nach 48stündiger Reaktionszeit erhält man 2 Gramm Trehalosepelargonatmonoester und 25 g/l Trehalosepelargonatdiester. Dies entspricht einem Gesamtumsatz von über 98% der Trehalose und 3% der Pelargonsäure und einer spezifischen Produktivität von 0,06 Gramm Zuckerester pro Stunde und pro Gramm Enzympartikel.
Wie aus den oben angeführten unterschiedlichen Beispielen, die der Erläuterung dienen, hervorgeht, weist das erfindungsgemäße enzymatische Syntheseverfahren für Zuckerester im Vergleich zu ähnlichen bekannten Verfahren viele Vorteile auf; mit seiner Hilfe kann man insbesondere die folgenden Leistungen erzielen, was besonders zu bemerkenswerten wirtschaftlichen Vorteilen führt:

– die Endkonzentrationen der Zuckerester können 90 g/l erreichen;
– die Umsatzausbeuten sind über 95%, und zwar sowohl beim Zucker oder den Zuckerderivaten als auch bei der Acyldonatorverbindung;
– die Reaktionsselektivität beträgt entweder über 99% Monoester oder über 90% Diester;
– die spezifische Produktivität erreicht Werte von 0,7 g Zuckerester pro Stunde und pro Gramm Enzympartikel.

Außer den genannten Leistungen ist ebenfalls anzumerken, daß man aufgrund der Erfindung eine bezüglich der Zuckerester gut definierte Zusammensetzung, die daher eine hohe Produktqualität aufweist, erhält.
Außerdem lassen sich aufgrund des Fehlens von unerwünschten Reaktionen und Färbungen bei den verwendeten Temperaturen (im allgemeinen um 60°C) die Reinigungsschritte sowie die Entstehung von Abwässern minimieren, wodurch man die wirtschaftliche Konkurrenzfähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens noch weiter verbessert.
Schließlich unterscheidet sich letztere auch von den bekannten Verfahren aufgrund seiner hohen Vielfältigkeit, wodurch es sich auf verschiedenste Zucker (Monosaccharide und Disaccharide) und Acyldona toren (Fettsäuren, Fettsäureester, Öle, Ölester) und daher auf die Schaffung verschiedenster neuer Zuckerester anwenden läßt.
Die Erfindung ist natürlich nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Abänderungen, insbesondere in bezug auf die Zusammensetzung einzelner Elemente oder dadurch, daß man entsprechende andere Techniken verwendet, sind möglich, ohne daß der Erfindungsrahmen überschritten wird.

Claims

Verfahren zur enzymatischen Synthese von Zuckerestern, dadurch gekennzeichnet, daß man in ein geeignetes Reaktionsgefäß zur Herstellung eines Reaktionsmediums bestimmte Mengen eines organischen Lösungsmittels, eines Zuckers oder Zuckerderivats, eines Acyldonators und eines Enzyms als Katalysator einbringt, wobei die Menge mindestens eines Bestandteils dieses Reaktionsmediums im Unterschuß vorliegt, während des Reaktionsverlaufs auf kontrollierte Weise zusätzliche Mengen des oder der im Unterschuß vorliegenden Bestandteils/e zugibt und schließlich die erhaltenen Zuckerester mindestens durch Abtrennen der Enzymteilchen und des Lösungsmittels reinigt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man kontinuierlich oder periodisch zusätzliche bestimmte Mengen an Zucker oder Zuckerderivat in Form eines Festkörpers oder einer flüssigen Lösung, an Lösungsmittel, an Enzymkatalysator in löslicher oder immobilisierter Form und/oder an Acyldonor, und zwar allein oder in dem Lösungsmittel solubilisiert, zu dem Reaktionsmedium gibt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man mindestens einen der Reaktionsmediumbestandteile periodisch oder kontinuierlich abzieht, wobei man den abgezogenen Bestandteil bzw. die abgezogenen Bestandteile nach Fraktionierung wieder in den Reaktor zurückführt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man das gesamte Reaktionsmedium periodisch oder kontinuierlich abzieht, wobei ein Bestandteil bzw. mehrere Bestandteile dieses abgezogenen Mediums nach Fraktionierung wieder in das Reaktionsgefäß eingespritzt wird bzw. werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man das Molverhältnis zwischen Zucker(n) oder Zuckerderivat en) und Acyldonator(en) in dem Reaktionsmedium so kontrolliert, daß dieses Molverhältnis während des gesamten Ver fahrensablaufs je nach den betreffenden Bestandteilskombinationen aus Zucker(n) oder Zuckerderivat en) und Acyldonator(en) 0,01 bis 10,00, vorzugsweise 0,02 bis 1,00 beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur während der Reaktion auf 20°C bis 100°C und der Partialdruck oberhalb des Reaktionsmediums auf 10 mbar bis 1000 mbar eingestellt wird und das Reaktionsmedium leicht bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man die verbleibenden Zucker oder Fettkörper durch Extraktion mit organischen Lösungsmitteln oder mit überkritischen Flüssigkeiten entfernt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man die erhaltenen Monoester und/oder Diester durch Fällungen oder durch chromatographische Trennungen fraktioniert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Zucker oder das Zuckerderivat aus der Gruppe Fructose, Glucose, Saccharose, Trehalose, Ethylderivate und Methylderivate dieser Zucker und strukturmäßig analoge Verbindungen, wie die Polyole ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Acyldonator aus der Gruppe der geradkettigen oder verzweigten gesättigten oder ungesättigten Fettsäuren mit gerader oder ungerader Anzahl Kohlenstoffatomen, die über 4 Kohlenstoffatome aufweisen, der Fettsäureester, der Monoglyceride, Diglyceride und Triglyceride sowie der Öle ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das organische Lösungsmittel aus einem der Gruppe Methanol, Ethanol, Propanol, Butanol, Aceton, Propanon, Butanon, 2-Pentanon, 1,2-Ethandiol, 2,3-Butandiol, Dioxan, Acetonitril, 2-Methyl-2-butanol, tert.-Butanol, 2-Methyl propanol, 4-Hydroxy-2-methylpentanon oder einer Mischung von zwei oder mehreren dieser Lösungsmittel besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Enzymkatalysator aus einer Protease oder einer Lipase, vorzugsweise aus einer auf einem Träger immobilisierten Protease oder Lipase, besteht.