Effect of process conditions and weak acid cation exchange resin on isomerization of glucose
Heinonen, Julia (2018)
Diplomityö
2018
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2018051724187
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2018051724187
Tiivistelmä
The aim of this thesis was to investigate effect of the most important process parameters on glucose isomerization into fructose. Based on literature review, pH, reaction time and temperature can be named as one of the most important process parameters affecting reactions of glucose. In the experimental part, effect of these process parameters on glucose isomerization was investigated with using a pure glucose solution and four different lignocellulosic sugar solutions. In addition, catalytic effect of metal addition and WAC resin on glucose isomerization was investigated.
Effect of pH on glucose isomerization was investigated within pH range of 6−12 at 60 °C. Glucose began to isomerize into fructose at initial pH 10. Fructose fraction of the total amount of glucose and fructose increased with higher initial pH. Initial pH 12 led to the highest fructose fractions which were between 55−65 %. However, fructose yield was low because most of glucose and fructose degraded into organic acids and other degradation products. Fructose formation slowed significantly or stopped after 6 hours because pH had decreased close to neutral or even lower due to formation of acidic compounds. Effect of process temperature on glucose isomerization was investigated within 23−60 °C. Higher temperatures led to higher fructose fractions and isomerization reaction was faster under higher temperatures. The pure glucose solution which initial pH was 11 led to fructose fraction of 10 % at 23 °C, 33 % at 40 °C and 48 % at 60 °C after 6 hours.
Addition of calcium chloride and sodium chloride to the pure glucose solution for 0,2 mol/l did not affect significantly to the isomerization of glucose into fructose or degradation into acidic compounds. Magnesium chloride addition resulted higher fructose fractions but it cannot be considered as an effective catalyst for producing fructose since decrease of total concentration of glucose and fructose lead to low yields of fructose. WAC resin increased pH of glucose solution which led to higher fructose fractions but fructose yields were low due to glucose and fructose degradation. In addition, effect of process conditions and WAC resin was investigated with lignocellulosic sugar solutions. Purity of glucose solution had no effect on glucose isomerization or degradation. Työn tarkoituksena oli tutkia tärkeimpien prosessiparametrien vaikutusta glukoosin isomeroitumiseen fruktoosiksi. Kirjallisuusselvityksen perusteella pH, viipymäaika ja lämpötila ovat tärkeitä tekijöitä, jotka vaikuttavat glukoosin reaktioihin. Kokeellisessa osassa tutkittiin näiden parametrien vaikutusta sekä puhtaalla glukoosiliuoksella että neljällä eri lignoselluloosasokeriliuoksella. Myös metallilisäyksen ja WAC hartsin katalysoivaa vaikutusta glukoosin isomeroitumiseen tutkittiin.
pH:n vaikutusta glukoosin isomeroitumiseen tutkittiin pH 6−12 välillä 60 °C lämpötilassa. Fruktoosia alkoi muodostua pH 10 tasolla. Fruktoosin osuus glukoosin ja fruktoosin kokonaismäärästä kasvoi mitä korkeampi lähtö pH oli. Fruktoosin osuus oli suurimmillaan 55−65 % pH:ssa 12. Fruktoosi saanto oli kuitenkin alhainen, koska suurin osa glukoosista ja fruktoosista hajosi edelleen orgaanisiksi hapoiksi ja muiksi hajoamistuotteiksi olosuhteissa, joissa fruktoosia muodostui. Fruktoosin muodostuminen hidastui merkittävästi tai pysähtyi kokonaan kuuden tunnin jälkeen, koska liuoksen pH oli laskenut lähelle neutraalia tai jopa alemmas muodostuneiden happoyhdisteiden vuoksi. Prosessilämpötilan vaikutusta glukoosin isomeroitumiseen tutkittiin 23−60 °C välillä. Korkeammissa lämpötiloissa isomeroitumisreaktio oli nopeampi ja fruktoosia muodostui enemmän. Fruktoosiosuus lähtö pH 11 näytteessä 6 tunnin jälkeen oli 10 % 23 °C:ssa, 33 % 40 °C:ssa ja 48 % 60 °C:ssa.
Kalsiumkloridin ja natriumkloridin lisäyksellä (0,2 mol/l) puhtaaseen glukoosiliuokseen ei ollut merkittävää vaikutusta glukoosin isomeroitumiseen fruktoosiksi tai hajoamiseen happoyhdisteiksi. Magnesiumkloridin lisäys katalysoi glukoosin isomeroitumista, mutta myös glukoosin ja fruktoosin hajoamista, jonka vuoksi myöskään magnesiumkloridia ei voida pitää tehokkaana katalyyttinä fruktoosin tuottamiseksi. WAC hartsi nosti glukoosiliuoksen pH:ta, jonka vuoksi fruktoosia muodostui enemmän, mutta tällöin saatiin alhainen fruktoosisaanto glukoosin ja fruktoosin hajoamisen seurauksena. Prosessiolosuhteiden ja WAC hartsin vaikutusta glukoosin isomeroitumiseen tutkittiin myös lignoselluloosasokeriliuoksilla. Glukoosiliuoksen puhtaudella ei ollut vaikutusta glukoosin isomeroitumiseen tai hajoamiseen.
Effect of pH on glucose isomerization was investigated within pH range of 6−12 at 60 °C. Glucose began to isomerize into fructose at initial pH 10. Fructose fraction of the total amount of glucose and fructose increased with higher initial pH. Initial pH 12 led to the highest fructose fractions which were between 55−65 %. However, fructose yield was low because most of glucose and fructose degraded into organic acids and other degradation products. Fructose formation slowed significantly or stopped after 6 hours because pH had decreased close to neutral or even lower due to formation of acidic compounds. Effect of process temperature on glucose isomerization was investigated within 23−60 °C. Higher temperatures led to higher fructose fractions and isomerization reaction was faster under higher temperatures. The pure glucose solution which initial pH was 11 led to fructose fraction of 10 % at 23 °C, 33 % at 40 °C and 48 % at 60 °C after 6 hours.
Addition of calcium chloride and sodium chloride to the pure glucose solution for 0,2 mol/l did not affect significantly to the isomerization of glucose into fructose or degradation into acidic compounds. Magnesium chloride addition resulted higher fructose fractions but it cannot be considered as an effective catalyst for producing fructose since decrease of total concentration of glucose and fructose lead to low yields of fructose. WAC resin increased pH of glucose solution which led to higher fructose fractions but fructose yields were low due to glucose and fructose degradation. In addition, effect of process conditions and WAC resin was investigated with lignocellulosic sugar solutions. Purity of glucose solution had no effect on glucose isomerization or degradation.
pH:n vaikutusta glukoosin isomeroitumiseen tutkittiin pH 6−12 välillä 60 °C lämpötilassa. Fruktoosia alkoi muodostua pH 10 tasolla. Fruktoosin osuus glukoosin ja fruktoosin kokonaismäärästä kasvoi mitä korkeampi lähtö pH oli. Fruktoosin osuus oli suurimmillaan 55−65 % pH:ssa 12. Fruktoosi saanto oli kuitenkin alhainen, koska suurin osa glukoosista ja fruktoosista hajosi edelleen orgaanisiksi hapoiksi ja muiksi hajoamistuotteiksi olosuhteissa, joissa fruktoosia muodostui. Fruktoosin muodostuminen hidastui merkittävästi tai pysähtyi kokonaan kuuden tunnin jälkeen, koska liuoksen pH oli laskenut lähelle neutraalia tai jopa alemmas muodostuneiden happoyhdisteiden vuoksi. Prosessilämpötilan vaikutusta glukoosin isomeroitumiseen tutkittiin 23−60 °C välillä. Korkeammissa lämpötiloissa isomeroitumisreaktio oli nopeampi ja fruktoosia muodostui enemmän. Fruktoosiosuus lähtö pH 11 näytteessä 6 tunnin jälkeen oli 10 % 23 °C:ssa, 33 % 40 °C:ssa ja 48 % 60 °C:ssa.
Kalsiumkloridin ja natriumkloridin lisäyksellä (0,2 mol/l) puhtaaseen glukoosiliuokseen ei ollut merkittävää vaikutusta glukoosin isomeroitumiseen fruktoosiksi tai hajoamiseen happoyhdisteiksi. Magnesiumkloridin lisäys katalysoi glukoosin isomeroitumista, mutta myös glukoosin ja fruktoosin hajoamista, jonka vuoksi myöskään magnesiumkloridia ei voida pitää tehokkaana katalyyttinä fruktoosin tuottamiseksi. WAC hartsi nosti glukoosiliuoksen pH:ta, jonka vuoksi fruktoosia muodostui enemmän, mutta tällöin saatiin alhainen fruktoosisaanto glukoosin ja fruktoosin hajoamisen seurauksena. Prosessiolosuhteiden ja WAC hartsin vaikutusta glukoosin isomeroitumiseen tutkittiin myös lignoselluloosasokeriliuoksilla. Glukoosiliuoksen puhtaudella ei ollut vaikutusta glukoosin isomeroitumiseen tai hajoamiseen.