ES2342200T3 - Modificacion enzimatica en una columna de lecho empaquetado regenerada en continuo. - Google Patents
Modificacion enzimatica en una columna de lecho empaquetado regenerada en continuo. Download PDFInfo
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Abstract
Procedimiento para la modificación de un sustrato, que comprende pasar el sustrato por una columna de lecho empaquetado de un volumen específico de enzima inmovilizado, en el que: a)el sustrato entra en la columna en o en la proximidad de un extremo de la columna, el "extremo de entrada", y el sustrato modificado sale en o en la proximidad del extremo opuesto de la columna, el "extremo de salida", b)una parte del volumen del enzima inmovilizado se extrae periódicamente en o en la proximidad del extremo de entrada de la columna, y c)una parte del enzima inmovilizado se añade periódicamente en o en la proximidad del extremo de la salida de la columna.
Description
Modificación enzimática en una columna de lecho
empaquetado regenerada en continuo.
Se están utilizando crecientemente las
reacciones enzimáticas para el procesamiento de materiales a escala
industrial. Una etapa comercial importante ha sido el desarrollo de
enzimas inmovilizados, es decir, enzimas que se unen físicamente a
un soporte sólido, mediante adsorción o enlace químico, para
facilitar la separación del enzima respecto de la solución de
reacción. La inmovilización también permite la utilización múltiple
o repetida de los enzimas y con frecuencia incrementa su
estabilidad.
Se utilizan varios tipos de reactor
conjuntamente con los enzimas inmovilizados: reactores de lecho
empaquetado (también denominados reactores de lecho fijo),
reactores de lecho fluidizado, reactores por lotes con agitación,
reactores de tanque con agitación continua y reactores de membranas.
En la producción a gran escala, se utilizan comúnmente reactores de
lecho empaquetado para aplicaciones particulares. En este tipo de
reactores, el enzima inmovilizado se empaqueta en una columna o
lecho plano, bombeando simultáneamente los flujos de sustrato y de
producto hacia el interior y el exterior del reactor,
respectivamente. Las ventajas principales de este tipo de reactor
son su fácil adaptación a escalas grandes, su elevada eficiencia,
bajo coste, facilidad de operación y también un área superficial
incrementada por unidad de volumen en comparación con los sistemas
reactores de membranas (ver W.M. Willis y A.G. Marangoni, Enzymatic
Interesterification, en: Food Lipids - Chemistry, Nutrition, and
Biotechnology, editado por C.C. Akoh y D.B. Min, páginas 839 a
875).
Un tipo de reacción en el que la utilización de
enzimas como catalizadores ha crecido en importancia en los últimos
años en la industria de los aceites y grasas es la
interesterificación. La interesterificación es el intercambio de
grupos acilo entre un éster y un ácido (acidolisis), un éster y un
alcohol (alcoholisis) o entre dos ésteres (transesterificación).
Los enzimas capaces de reacciones de interesterificación son lipasas
tales como las glicerol éster hidrolasas (EC 3.1.1.3). Estos
enzimas se obtienen predominantemente a partir de bacterias, de
levaduras y de hongos. Estos microorganismos secretan lipasas a su
ambiente para digerir los materiales lipídicos para su posterior
incorporación. En un ambiente acuoso, las lipasas catalizan la
hidrólisis de triacilglicéridos para producir diacilglicéridos,
monoacilglicéridos, glicerol y ácidos grasos libres. Sin embargo,
bajo condiciones de limitación de agua, la reacción inversa, la
síntesis de ésteres, también puede llevarse a cabo. Por lo tanto,
la dirección de la reacción puede manipularse mediante la regulación
de la actividad de agua. A concentraciones de agua muy reducidas
predomina la síntesis de ésteres, con un contenido de agua superior
a unos cuantos puntos porcentuales, la reacción prevalente es la
hidrólisis, y entre ambas, habitualmente con un contenido de agua
inferior a 1% (p/v), la transesterificación es la más
efectiva.
efectiva.
Owusu-Ansar describió en 1994 la
utilización de lipasas inmovilizadas en un reactor de tanque con
agitación para la producción a gran escala de equivalentes de la
manteca de cacao mediante interesterificación catalizada por lipasa
(en: B.S. Carmail y Y. Kakuda (editores), Technological Advances in
Improved and Alternative Sources of Lipids, páginas 360 a 389).
Se ha dado a conocer un procedimiento de
interesterificación en lecho empaquetado en el documento WO
83/03844, en la que se disuelven triacilglicéridos en un solvente
orgánico polar. La lipasa se inmoviliza mediante precipitación
sobre kieselguhr, hidroxiapatito o partículas de alúmina.
El documento WO 97/01632 se refiere a otro
procedimiento para la inmovilización de un enzima, específicamente
una lipasa o una fosfolipasa, para el procesamiento de aceites
triglicéridos.
Unilever ha dado a conocer además un
procedimiento de dos etapas para la producción de equivalentes de
manteca de cacao y Betapol utilizando columnas de lecho empaquetado
(P. Quinlan y S. Moore, Inform 4, 580-585, (1993);
A. Rozendaal y A.R. Macrae, en: F.D. Gansdone y F.B. Padlee
(editores), Lipid Technologies and Applications, páginas 223 a 263,
1997).
X. Xu describe procedimientos adicionales con
lipasas inmovilizadas, entre ellas un reactor de lecho empaquetado
con una capacidad de 10 kg/día (en: U.T. Bornscheuer, Enzymes in
Lipid Modification, páginas 190 a 215, 2000). El mismo autor
describe un sistema de uno o varios reactores de lecho empaquetado
separados para la modificación enzimática de lípidos utilizando un
lecho empaquetado de enzima inmovilizado (Eur. J. Lipid Sci.
Technol. 105:289-304, (2003)). Un reactor de lecho
empaquetado similar para la hidrólisis de grasas líquidas se da a
conocer en la patente US nº 4.629.742.
La patente US nº 4.209.591 da a conocer un
reactor de columna que contiene varios lechos fluidizados discretos
de enzima inmovilizado granular conectados en serie. En este
reactor, las partículas de enzimas se pasan periódicamente de un
lecho fluidizado al siguiente en contracorriente respecto al flujo
del sustrato utilizando un sistema separado de tuberías y
bomba.
El reactor dado a conocer en la patente alemana
de utilidad DE nº 93 20 595 U1 utiliza un sistema similar de
sectores múltiples separados con un tornillo sinfín o un rastrillo
de agitación para transportar los microorganismos inmovilizados o
suspendidos conjuntamente con el sector entero.
Los reactores de lecho empaquetado existentes
adolecen del problema de una reducción de la tasa de conversión
durante el tiempo. Aunque algunos enzimas, tales como las lipasas,
son bastante estables, su eficacia inevitablemente cae durante el
tiempo, resultando en velocidades de reacción más bajas y en una
calidad del producto no uniforme. Esta reducción de la calidad
puede contrarrestarse mediante la reducción del caudal,
incrementando de esta manera el tiempo de residencia de los
reactivos en el reactor. Sin embargo, esta reducción del caudal
conduce a una tasa de producción no uniforme y, aunque puede
reducir las fluctuaciones de la calidad del producto, no puede
evitarlas por completo. Además, este tipo de procedimiento con
frecuencia utiliza varios reactores discretos en serie, lo que
requiere un control complejo del flujo para operar y mantener el
sistema. La presente invención resuelve este problema y los
problemas relacionados mediante la utilización de un nuevo tipo de
procedimiento de columna de lecho empaquetado para la modificación
enzimática de un sustrato.
La invención se refiere a un procedimiento para
la modificación de un sustrato, que comprende pasar el sustrato por
una columna de lecho empaquetado de un volumen específico de enzima
inmovilizado con un flujo de sustrato en una dirección y un
intercambio periódico de enzima inmovilizado en la dirección
contraria. El sustrato entra en la columna por uno de sus extremos
o próximamente al mismo (el "extremo de entrada") y el sustrato
modificado se descarga por su otro extremo o próximamente al mismo
(el "extremo de salida"). Una parte del volumen de enzima
inmovilizado se extrae periódicamente por el extremo de entrada de
la columna, mientras que periódicamente se añade una parte
equivalente de enzima inmovilizado por el extremo de salida, creando
de esta manera un flujo de enzima inmovilizado en dirección
contraria a la del flujo de sustrato.
En la presente solicitud, en las expresiones
"próximo al extremo de entrada" o "próximo al extremo de
salida" el término "próximo" hace referencia que se carga o
descarga material (por ejemplo sustrato, sustrato modificado,
enzima inmovilizado) del reactor (a través de una abertura, válvula
o similar) a una distancia razonable de dicho extremo según
determine el experto en la materia. Esta distancia podría ser, por
ejemplo, 1% a 5%, ó 10% de la longitud de una columna medida desde
el extremo real de la columna a la que se hace referencia. Además,
expresiones tales como "en el extremo" debe entenderse que
incluyen "en el extremo o próximo al mismo" en su utilización
en referencia a la columna, a menos que se indique específicamente
lo contrario.
En adelante en la presente memoria, las
expresiones "sustrato" y "solución de sustrato" se
utilizan sinónimamente para describir un compuesto líquido o mezcla
de compuestos o una solución líquida de un compuesto o de una
mezcla de compuestos, que se pretende hacer reaccionar en presencia
del enzima inmovilizado. De esta manera, se produce un compuesto o
mezcla de compuestos líquido, o una solución líquida de un compuesto
o de una mezcla de compuestos, que se denomina "producto" o
"sustrato modificado", sinónimamente.
La invención se refiere a un procedimiento para
la modificación enzimática de un sustrato en el que se hace pasar
el sustrato por una columna de lecho empaquetado de enzima
inmovilizado. El sustrato entra en la columna de lecho empaquetado
en un extremo de la columna o próximamente al mismo (en lo sucesivo
denominado "extremo de entrada") y pasa por la columna hacia
su otro extremo (en lo sucesivo en la presente memoria denominado
"extremo de salida"), donde el sustrato sale de la columna.
Preferentemente, la columna es una columna
vertical con su extremo de entrada en el fondo de la columna y su
extremo de salida en el tope de la columna. En la presente forma de
realización, el sustrato entra en el lecho en primer lugar por su
parte inferior o en la proximidad de la misma y sale de la columna
por su parte situada superior o en la proximidad de la misma.
Ventajosamente, los flujos de sustrato y de
sustrato modificado pueden ser esencialmente continuos. Lo anterior
significa que, aunque los flujos de sustrato y de sustrato
modificado pueden detenerse para permitir el cambio periódico de
una parte del volumen de enzima inmovilizado, no resulta necesario
un periodo prolongado de tiempo de inactividad. Esto diferencia el
presente procedimiento de los métodos existentes, en los que eran
necesarios periodos prolongados de inactividad, entre otras cosas
para cambiar el volumen completo de enzima inmovilizado. Lo
anterior no sólo reduce costes per se, sino que también puede
evitar fluctuaciones de los costes.
Según la presente invención, sólo se extrae
periódicamente de la columna una parte definida del enzima
inmovilizado. Esto puede conseguirse, a título únicamente
ilustrativo, siguiendo el procedimiento siguiente. Se detiene el
flujo continuo de sustrato. Se abre una válvula de descarga en el
extremo de entrada de la columna y se libera una parte definida de
la mezcla en suspensión que contiene material de enzima inmovilizado
del extremo del fondo de la columna. Tras descargar una cantidad
definida de mezcla en suspensión, se cierra la válvula de descarga
y se abre una válvula de alimentación situada en el extremo de
salida, o situada en una línea que alimenta hacia el extremo de
salida del reactor, permitiendo de esta manera la entrada de una
mezcla en suspensión fresca de material de enzima inmovilizado en
la columna procedente de su recipiente de suministro.
La suspensión de enzima inmovilizado puede
formarse mediante la introducción de una cantidad definida del
sustrato modificado en el recipiente de suministro. En caso
necesario, para potenciar la mezcla y para mejorar la humectación
de los poros del enzima inmovilizado, el recipiente puede dotarse de
un dispositivo de agitación y/o puede operarse al vacío. En el
momento de añadir al reactor una carga nueva de enzima, el
recipiente de suministro puede desairearse y la suspensión, o una
parte de la misma, vaciarse en la columna. Seguidamente se cierra
la válvula de alimentación, permitiendo que la suspensión fresca
sedimente al final del lecho empaquetado. Finalmente, se reabren
las válvulas que regulan los flujos de sustrato y de producto.
El reactor puede hacerse funcionar al vacío. Sin
embargo, preferentemente se hace funcionar bajo una presión
determinada ("presión de diseño"). La presión de diseño debe
seleccionarse para permitir una caída de presión máxima a lo largo
de la columna. La caída de presión dependerá de las características
de las partículas de enzima inmovilizado (por ejemplo la
distribución de tamaños de partícula), el caudal de sustrato y la
altura del lecho. A título de ejemplo únicamente, una presión de
diseño adecuada en un lecho de enzimas relativamente alto y con un
caudal de sustrato relativamente elevado puede ser de
aproximadamente 10 bares. Con una altura de lecho más baja y un
caudal más lento, este valor puede aproximarse más a 6 bares. La
presión de diseño apropiada para cualquier reactor dado será
fácilmente determinada por un experto en la materia.
Para garantizar que la presión de diseño no
resulta excedida por la presión de alimentación, las bombas de
alimentación no deben presentar una capacidad superior a la presión
de diseño. Además, las entradas del reactor deben estar dotadas de
válvulas de no retorno, de válvulas de apertura/cierre y de
dispositivos de control del caudal.
Idealmente, la descarga de enzima agotado y la
adición de enzima fresco se realizarán concurrentemente o de manera
sustancialmente concurrente. Lo anterior significa que la descarga y
la adición deben llevarse a cabo durante el mismo periodo de
inactividad. También resulta preferente que se descargue
sustancialmente la misma cantidad de material de enzima que la
cantidad añadida, garantizando de esta manera que el reactor
mantiene sus características de lecho empaquetado. La excepción a
ambas reglas puede producirse, por ejemplo, tras el arranque
inicial del reactor, debido a un determinado nivel de compactación
de la columna. En efecto puede resultar necesario en esta situación
añadir un poco más de suspensión que la descargada o incluso añadir
suspensión sin ninguna descarga.
Mediante la repetición de este cambio de una
parte del material de lecho, se garantiza un flujo gradual de
enzima inmovilizado de tope a fondo de la columna. En consecuencia,
la solución de sustrato primero entra en contacto con el material
de enzima más agotado y al final, con el enzima más fresco.
Ventajosamente, el cambio periódico de una parte
del enzima inmovilizado puede automatizarse en su mayor parte,
limitando de esta manera la función de un operador, reduciendo
costes asociados y restringiendo la probabilidad de que se
produzcan errores de funcionamiento.
Este sistema puede compararse con múltiples
reactores básicos pequeños separados en serie. En comparación con
esta serie, la complejidad de la presente invención se ha reducido
en gran medida, particularmente el número de válvulas de entrada y
de salida. Además, la solución procesada no necesita transportarse
entre los múltiples reactores. Esto resulta particularmente
importante en el caso de que se debe almacenar la solución de
sustrato y/o de producto a una temperatura determinada o en el caso
de que presenten una viscosidad elevada. Además, un sistema de
reactores pequeños requiere que uno o más de los reactores se
encuentre periódicamente fuera de servicio mientras se extrae el
enzima agotado y se añade enzima fresco. Ésta es una operación
manual intensiva y durante este tiempo se reduce mucho la
eficiencia del sistema entero. De acuerdo con lo anterior, el
capital global y los costes de funcionamiento para este tipo de
sistema no son óptimos. Además, el sistema de la presente invención
permite una gradación prácticamente infinita de actividad
enzimática, de enzima fresco a enzima agotado. Esto no podía
conseguirse ni siquiera con un número elevado de reactores
separados.
El procedimiento de la invención permite un
caudal esencialmente continuo, debido a que básicamente todo el
sustrato se encuentra con el mismo nivel de actividad de enzima
durante su paso por el reactor. Debido a que la actividad del
enzima inmovilizado varía con la edad y el uso, el contacto uniforme
del sustrato con el enzima en diversas etapas de actividad resulta
decisivo para garantizar una calidad del producto más constante.
Por lo tanto, puede aplicarse un caudal constante.
La frecuencia con la que se sustituye material
de enzima depende, entre otras cosas, de la tasa de reducción de la
actividad del enzima durante el tiempo y del tiempo de residencia
deseado de la solución de sustrato en el lecho de enzima
empaquetado. El volumen de material de enzima cambiado y la duración
de los intervalos entre estos cambios puede adaptarse fácilmente a
las necesidades del procedimiento y/o del sustrato. Además, existe
una relación entre la frecuencia con la que se refresca el enzima y
el volumen de enzima que ha sido refrescado. Con todas las demás
variables del procedimiento constantes, puede refrescarse una
cantidad pequeña de enzima frecuentemente o una cantidad más grande
de enzima menos frecuentemente. Preferentemente se refresca un
porcentaje fijo del volumen total de la columna diariamente.
Idealmente este porcentaje es inferior a 35% del volumen total de
enzima inmovilizado. Preferentemente es inferior a 25%, más
preferentemente es inferior a 10%, todavía más preferentemente es
inferior a 5%. Según una posible forma de realización, se refresca
diariamente entre aproximadamente 0,3% y aproximadamente 3% del
volumen total de enzima inmovilizado.
Tras el paso por la columna de lecho empaquetado
de enzima inmovilizado, debe alcanzarse una conversión suficiente
del sustrato. En el tope de la columna puede facilitarse la salida
de producto utilizando tamices de filtración pequeños de forma
cilíndrica. Estos regulan el flujo de salida del producto,
manteniendo el material de enzima inmovilizado en el interior del
reactor. Existen dos tipos de tamices: tamices de ventilación y
tamices estándares. Los tamices estándares e utilizan para el flujo
mismo de salida de producto, mientras que los tamices de ventilación
se encuentran más arriba en la columna y facilitan el flujo de aire
o gas durante el drenaje y el rellenado.
Las bombas que regulan la entrada y salida de
las suspensiones de enzima deben diseñarse para que no rompan el
enzima inmovilizado creando finos adicionales. Lo anterior ayuda a
producir un flujo uniforme y evitar que pasen finos a dispositivos
de filtración posteriores.
El enzima descargado será una suspensión de
enzima inmovilizado utilizado (o "agotado") y solución de
sustrato. Esta suspensión puede separarse y la solución de sustrato
puede reintroducirse en el tanque que proporciona la entrada de
sustrato a la columna de reacción. El enzima utilizado puede
eliminarse. Sin embargo, preferentemente se procesa para su uso
posterior.
El enzima extraído de la columna en efecto puede
reciclarse. Por ejemplo, en algunos casos el enzima extraído de la
columna todavía presenta cierta actividad residual, a la que puede
accederse en el caso de que el material inmovilizado se rompa en
partículas más pequeñas, exponiendo de esta manera sitios activos
del enzima que previamente no se encontraban disponibles en
absoluto o que simplemente eran accesibles al sustrato de manera
restringida (este procedimiento se conoce como "reactivación").
Alternativamente, el enzima puede regenerarse y reutilizarse. De
esta manera, en una forma de realización preferente del
procedimiento según la invención, el material de enzima descargado
de la columna se regenera o se reactiva o se reutiliza, por ejemplo
para pretratar el sustrato, antes de introducirlo en la columna o
de añadirlo al tanque que suministra la entrada de enzima
inmovilizado. También puede reutilizarse en otros sistemas como
modificación de lote.
El procedimiento de la presente invención puede
operarse en una única columna o mediante el paso del sustrato por
dos o más columnas de enzima inmovilizado dispuestas en paralelo. La
expresión "enzima inmovilizado" adopta su significado normal
de la técnica, es decir, de un enzima que se encuentra físicamente
unido a un soporte sólido. Entre los soportes preferentes se
incluyen los soportes de sílice y de resina. El enzima inmovilizado
puede encontrarse presente en forma de gránulos, partículas
aglomeradas o cualquier otra forma considerada adecuada por el
experto en la materia.
La elección de enzima evidentemente dependerá
del tipo de reacción que debe llevarse a cabo, es decir, de la
naturaleza del sustrato y de la modificación deseada del mismo.
Podría ser cualquier oxidorreductasa, transferasa, hidrolasa,
lisasa, isomerasa o ligasa disponible de la técnica. A título
ilustrativo, entre las hidrolasas adecuadas podrían incluirse
hidrolasas de éster carboxílico (EC-3.1.1), tales
como carboxilesterasas, triacilglicerol-lipasas,
fosfolipasa A2, esterol-esterasas,
acilglicerol-lipasas, fosfolipasa A1 e hidrolasas de
éster de cera; e hidrolasas de diéster fosfórico
(EC-3.1.4), tales como fosfolipasa C y fosfolipasa
D. Estos enzimas pueden utilizarse, por ejemplo, para catalizar
hidrólisis, alcoholisis o la conversión inversa correspondiente
(condensación). El experto en la materia conocerá otros enzimas
adecuados, dependiendo de la modificación específica que deba
llevarse a cabo.
El sustrato puede ser cualquier material o
sustancia sobre la que pueda actuar un enzima. Puede incluir, por
ejemplo, uno o más lípidos, una o más proteínas, uno o más
carbohidratos o una mezcla de los mismos. El término "lípido"
tal como se utiliza en la presente memoria se refiere no sólo a
aceites crudos o procesados y fracciones de los mismos, sino
también a triacilglicéridos, diacilglicéridos, monoacilglicéridos,
fosfolípidos, ácidos grasos libres, ésteres de ácido graso y
mezclas de los mismos. El término "proteína" puede referirse,
entre otros, a polipéptidos tanto complejos como simples, en su
estado plegado o desnaturalizado, a secuencias de péptido corto y a
aminoácidos individuales. El término "carbohidrato" se refiere,
por ejemplo, a unidades individuales de monosacárido, disacárido,
oligosacárido y polisacárido, tal como almidón, celulosa y
similares. El sustrato puede mezclarse con otros reactivos (tales
como un alcohol o agua), o con un solvente en caso necesario. Si se
desea, el sustrato puede refinarse antes de entrar en la columna. El
refinado se refiere a la eliminación de impurezas, tales como
residuos y productos secundarios, y contribuirá a prolongar la vida
de los enzimas inmovilizados.
Tal como se ha mencionado anteriormente, el
procedimiento de la presente invención puede utilizarse para llevar
a cabo cualquier tipo de reacción enzimática. Sin embargo, a
continuación se describen con mayor detalle algunas posibles formas
de realización a título de ilustración. Éstas no deben interpretarse
en modo alguno como limitativas del alcance de la invención. Por el
contrario, debe apreciarse que sus enseñanzas, en su caso, resultan
aplicables a la invención en su totalidad.
La presente forma de realización se refiere a la
interesterificación de aceites. La interesterificación modifica el
perfil acilglicerol del aceite o mezcla de aceites, modificando de
esta manera sus propiedades físicas.
Según la presente forma de realización, el
enzima de elección es una lipasa. Idealmente el enzima se encuentra
inmovilizado sobre un soporte de sílice. Un enzima inmovilizado
adecuado es la lipasa Lypozyme TL IM de
Novozymes.
Novozymes.
El sustrato, que puede utilizarse en un estado
refinado o no refinado dependiendo de las necesidades, típicamente
comprende un acilglicérido, tal como un triacilglicérido, un
diacilglicérido, un monoacilglicéridos, o una mezcla de dos o más
de los mismos. Puede derivarse de una planta, animal, pez, alga o
célula individual. Preferentemente se deriva de una planta. Por lo
tanto, entre los sustratos adecuados se incluyen, aunque sin
limitación, aceite de palmiste, aceite de palma, aceite de coco,
aceite de oliva, aceite de colza, aceite de canola, aceite de
linaza, aceite de nuez molida, aceite de soja, aceite de semilla de
algodón, aceite de girasol, aceite de semilla de calabaza, aceite
de maíz, aceite de ricino, aceite de nuez y mezclas de dos o más de
los mismos. El sustrato puede incluir aceites completos y/o
fracciones de aceite, tales como estearinas u oleínas.
Según una forma de realización, el sustrato
comprende estearina de palma, aceite de coco, aceite de palmiste o
una mezcla de dos o más de los mismos. Preferentemente el sustrato
comprende una mezcla de estearina de palma más aceite de coco o una
mezcla de estearina de palma más aceite de palmiste. Todavía más
preferentemente, la mezcla incluye 50% a 80% en peso de estearina
de palma y 50% a 20% en peso de aceite de coco y/o de palmiste,
basado en el peso total de sustrato. Idealmente la mezcla incluye
65% a 75% en peso de estearina de palma y 35% a 25% en peso de
aceite de coco o 60% a 70% en peso de estearina de palma y 40% a 30%
en peso de aceite de palmiste. Según una forma de realización más
preferente, el sustrato de la presente invención está constituido
por una de dichas mezclas.
El sustrato se bombea por una o más columnas en
paralelo rellenas del enzima inmovilizado. El sustrato y material
de enzima inmovilizado fluyen en direcciones contrarias, con la
entrada de aceite en el fondo de la columna o próximamente al
mismo, y añadiendo el material de enzima fresco en el tope o
próximamente al mismo. Periódicamente se intercambia una parte del
enzima inmovilizado por material de enzima fresco. Por lo tanto, el
enzima en la columna presentará un perfil de calidad prácticamente
constante. El enzima inmovilizado en el tope de la columna es el
más fresco, con actividad prácticamente máxima, y el enzima
inmovilizado próximo al fondo de la columna habrá agotado
prácticamente su actividad. De acuerdo con lo expuesto
anteriormente, existirá una gradación de actividad a lo largo de la
columna.
La reacción de interesterificación debe llevarse
a cabo a una temperatura definida. Esta temperatura se selecciona
considerando varios factores:
- -
- debido a que la mayoría de aceites y grasas interesterificados producidos según el presente procedimiento están destinados a productos alimenticios, el procedimiento preferentemente se encuentra libre de solventes orgánicos. Por lo tanto, el procedimiento debe llevarse a cabo a una temperatura que garantice que los aceites/grasas permanezcan en estado líquido,
- -
- la temperatura debe ser suficientemente elevada para permitir una velocidad de reacción elevada que, a su vez, permita tiempos de residencia más cortos,
- -
- la temperatura debe ser suficientemente baja para no afectar a la estabilidad y actividad del enzima. Las lipasas microbianas son bastante termoestables y se encontró que la inmovilización mejoraba adicionalmente la estabilidad de estos enzimas, de manera que las temperaturas óptimas para muchas lipasas se encuentran comprendidas entre 30ºC y 62ºC (W.M. Willis y A.G. Marangoni, en: Enzymatic Interesterification, Food Lipids - Chemistry, Nutrition, and Biotechnology, editado por C.C. Akoh y D.B. Min). Algunas lipasas incluso permiten temperaturas de entre 60ºC y 75ºC (patente WO 97/01632). El desarrollo futuro de los enzimas podría incluir variedades todavía más resistentes a la temperatura, por ejemplo resistentes a 80ºC, a 90ºC, a 100ºC o a temperaturas superiores. A estas temperaturas la mayoría de triacilglicéridos, incluso los totalmente saturados, se encontrarán en estado líquido.
Considerando dichos factores, el experto en la
materia podrá determinar la temperatura de reacción ideal.
A título de ejemplo, la interesterificación de
la estearina de palma con aceite de coco por la Lypozyme TL IM
(Novozymes) preferentemente se lleva a cabo a aproximadamente
70ºC.
Tras calentar los aceites a la temperatura
deseada y mezclar, en caso necesario, se envían a la válvula de
entrada en el extremo de entrada del reactor o próximamente al
mismo. El reactor preferentemente está diseñado para operar bajo
vacío y hasta una presión adecuada.
Se suministra enzima inmovilizado fresco en el
tope de la columna a intervalos regulares. Puede bombearse una
cantidad definida de aceite de producto interesterificado
introduciéndolo en el recipiente de suministro, y mezclarlo con el
enzima inmovilizado para producir una suspensión de flujo libre.
Para incrementar la mezcla y mejorar la humectación de los poros
del enzima inmovilizado, puede aplicarse un vacío al recipiente.
Ventajosamente el recipiente se purga con nitrógeno para impedir la
oxidación del aceite.
En el caso de que deba añadirse una carga fresca
de enzima a la columna, se desairea el recipiente de suministro, en
caso aplicable, y la suspensión o una parte de la misma se vacía en
el rector. En caso necesario, puede hacerse fluir un volumen
determinado de producto aceite por el recipiente y tuberías para
garantizar el vaciado completo del recipiente. Preferentemente, el
recipiente de suministro se sitúa en la parte superior del reactor
para facilitar la carga del enzima.
El procedimiento de la presente forma de
realización preferentemente es esencialmente continuo. El único
periodo de inactividad será el de unos cuantos segundos para
intercambiar una parte del enzima de la columna. Este periodo de
inactividad es sólo una fracción muy pequeña del tiempo global de
funcionamiento del procedimiento.
A menos que se indique lo contrario, los
detalles de la presente forma de realización son los mismos que para
la reacción de interesterificación indicada anteriormente.
El sustrato es una mezcla convenientemente
agitada de uno o más aceites y uno o más alcoholes. Entre los
alcoholes adecuados se incluyen, aunque sin limitación, metanol,
etanol, glicerol, monopropilenglicol, etilenglicol, butanodiol,
eritritol, pentaeritritol, sorbitol, esteroles, estanoles,
tocoferoles, polifenoles, ésteres de dichos alcoholes y mezclas de
dos o más de los mismos. El enzima inmovilizado preferentemente es
una lipasa.
La reacción preferentemente se lleva a cabo a
una temperatura de entre 50ºC y 70ºC. Tras su recolección en la
salida del reactor, los productos (ésteres de ácido graso y
glicerol) pueden aislarse. El aislamiento puede llevarse a cabo
mediante enfriamiento hasta una temperatura a la que se produzca la
separación de fases, seguido del aislamiento de la fase de éster de
ácidos grasos y una etapa de secado. El alcohol puede recuperarse
mediante evaporación directamente a partir de la mezcla, o tras
aislar los ésteres de ácido graso.
La glicerolisis es un tipo específico de
alcoholisis, tal como se ha indicado anteriormente. El sustrato es
una mezcla de uno o más aceites y glicerol. El enzima es una lipasa
inmovilizada sobre un portador que es inerte frente al
glicerol.
El sustrato se prepara mediante la mezcla o
disolución de glicerol en el aceite o aceites a la temperatura de
reacción o a una temperatura ligeramente superior. La cantidad de
glicerol mezclada con el aceite puede incrementarse mediante la
adición de un emulsionante. Dependiendo de la proporción de glicerol
a aceite, el enzima más próximo al extremo de entrada del reactor
actuará tanto purificando el sustrato como ajustando la
concentración de equilibrio del glicerol en el sustrato.
La reacción preferentemente se lleva a cabo a
una temperatura de entre 50ºC y 70ºC. El producto recuperado tras
la modificación dependerá de la proporción de glicerol a aceite del
sustrato.
En la presente forma de realización, que
contempla la forma de realización de interesterificación indicada
anteriormente, a menos que se indique lo contrario, el sustrato es
una lecitina bombeable o solución de lecitina. Puede obtenerse una
solución de lecitina mediante la mezcla de lecitina con un solvente,
tal como hexano y agua.
El enzima es una lipasa o fosfolipasa.
Dependiendo del enzima, se obtienen diferentes productos. De esta
manera, en el caso de que se utilice una lipasa, el producto es una
mezcla de fosfolípidos y monoglicéridos y/o diglicéridos. La
utilización de la fosfolipasa A o B, a una temperatura de reacción
preferente de entre 20ºC y 70ºC, conducirá a la producción de
lisofosfolípidos. La utilización de fosfolipasa C, a una temperatura
de reacción preferente de entre 20ºC y 50ºC, conducirá a la
producción de diglicéridos y/o triglicéridos. La utilización de
fosfolipasa D, a una temperatura de reacción preferente de entre
20ºC y 70ºC, conducirá a la producción de ácido fosfatídico. En
caso necesario puede utilizarse una mezcla de diferentes enzimas
para obtener el producto deseado.
Tras la conversión, pueden utilizarse las
mezclas de producto sin modificación o tras etapas de purificación
adicionales (por ejemplo de lavado, secado, evaporación,
fraccionamiento, etc.).
Otra posible reacción que podría llevarse a cabo
según el procedimiento de la presente invención es la isomerización.
Un ejemplo típico de isomerización es la conversión de glucosa en
fructosa. De esta manera, según una forma de realización, el
sustrato preferentemente es glucosa (o un jarabe de glucosa) y el
enzima inmovilizado preferentemente es una glucosa isomerasa (EC
5.3.1.5). La reacción idealmente se lleva a cabo a una temperatura
de entre 55ºC y 75ºC. El producto es un jarabe que contiene tanto
glucosa como fructosa. Si se desea, el contenido de fructosa puede
incrementarse adicionalmente mediante purificación o dividiendo la
glucosa y la fructosa en productos separados.
Claims (23)
1. Procedimiento para la modificación de un
sustrato, que comprende pasar el sustrato por una columna de lecho
empaquetado de un volumen específico de enzima inmovilizado, en el
que:
- a)
- el sustrato entra en la columna en o en la proximidad de un extremo de la columna, el "extremo de entrada", y el sustrato modificado sale en o en la proximidad del extremo opuesto de la columna, el "extremo de salida",
- b)
- una parte del volumen del enzima inmovilizado se extrae periódicamente en o en la proximidad del extremo de entrada de la columna, y
- c)
- una parte del enzima inmovilizado se añade periódicamente en o en la proximidad del extremo de la salida de la columna.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que la columna es sustancialmente vertical, con su extremo de
entrada en el fondo de la columna o próximo al mismo, y su extremo
de salida en la parte superior de la columna o próximo a la
misma.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2,
en el que el procedimiento es esencialmente un procedimiento
continuo.
4. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la parte de enzima
inmovilizado que se extrae de la columna es inferior a 35% del
volumen total.
5. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la parte de enzima
inmovilizado que se extrae de la columna es sustancialmente
equivalente en volumen a la parte de enzima inmovilizado que se
añade.
6. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que las etapas de extracción de
enzima inmovilizado de la columna y de adición de enzima
inmovilizado a la columna se producen de manera sustancialmente
concurrente.
7. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la parte extraída del enzima
inmovilizado se utiliza para pretratar el sustrato antes de que
entre en la columna.
8. Procedimiento según la reivindicación 7, en
el que la parte extraída del enzima inmovilizado se regenera o se
reactiva antes de utilizarse para pretratar el sustrato.
9. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la modificación es una
condensación o incluye etapas de condensación.
10. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 8, en el que la modificación es una
interesterificación.
11. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 8, en el que la modificación es una
isomerización.
12. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 10, en el que el enzima es una hidrolasa.
13. Procedimiento según la reivindicación 12, en
el que el enzima es una lipasa o un enzima modificador de lípidos y
el sustrato comprende uno o más aceites crudos, uno o más aceites
procesados o una mezcla de los mismos.
14. Procedimiento según la reivindicación 12, en
el que el sustrato comprende uno o más triacilglicéridos,
diacilglicéridos, monoacilglicéridos, fosfolípidos, ácidos grasos
libres, ésteres de ácidos graso o mezclas de dos o más de los
mismos.
15. Procedimiento según la reivindicación 14, en
el que el sustrato comprende además un alcohol.
16. Procedimiento según la reivindicación 15, en
el que el alcohol se selecciona de entre: metanol, etanol,
glicerol, monopropilenglicol, etilenglicol, butanodiol, eritritol,
pentaeritriol, sorbitol, esteroles, estanoles, tocoferoles,
polifenoles, ésteres de dichos alcoholes y mezclas de dos o más de
los mismos.
17. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 14 a 16, en el que el sustrato comprende
además
agua.
agua.
18. Procedimiento según la reivindicación 13, en
el que el sustrato comprende uno o más aceites o fracciones de
aceites a base de planta.
19. Procedimiento según la reivindicación 18, en
el que el sustrato comprende estearina de palma, aceite de coco,
aceite de palmiste o una mezcla de dos o más de los mismos.
20. Procedimiento según la reivindicación 19, en
el que el sustrato comprende 50% a 80% en peso de estearina de
palma y 50% a 20% en peso de aceite de coco.
21. Procedimiento según la reivindicación 20, en
el que el sustrato comprende 65% a 75% en peso de estearina de
palma y 35% a 25% en peso de aceite de coco.
22. Procedimiento según la reivindicación 19, en
el que el sustrato comprende 50% a 80% en peso de estearina de
palma y 50% a 20% en peso de aceite de palmiste.
23. Procedimiento según la reivindicación 22, en
el que el sustrato comprende 60% a 70% en peso de estearina de
palma y 40% a 30% en peso de aceite de palmiste.
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