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

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.

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.

Sumario de la invención

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.

Descripción detallada de la invención

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....

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:

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.

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.