DE10357707A1 - Process for the continuous production of galactosyl oligosaccharides - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Bioreaktorsystem mit einer integrierten Membranfiltrationseinheit und ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung konzentrierter Lösung von Galactosyl-Oligosacchariden.The invention relates to a bioreactor system with an integrated membrane filtration unit and a process for the continuous production of concentrated solution of galactosyl-oligosaccharides.
Description
Die Erfindung beinhaltet ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung einer Galactosyl-Oligosaccharid-Lösung und ein entsprechendes Bioreaktorsystem mit einer integrierten Membranfiltrationseinheit zur Durchführung des Verfahrens. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird alternativ Laktoselösung und/oder Molke als Substrat eingesetzt, das zuvor einen Aufkonzentrierungsprozess durchlaufen hat. Das Verfahren zeichnet sich durch die Entstehung eines streufähigen Produktes und durch Verhinderung von großen Mengen an Nebenprodukten aus.The Invention includes a continuous process for preparation a galactosyl oligosaccharide solution and a corresponding Bioreactor system with an integrated membrane filtration unit to carry out of the procedure. In the method according to the invention is alternatively lactose solution and / or whey used as a substrate, previously a concentration process has gone through. The process is characterized by the emergence a disposable one Product and by preventing large amounts of by-products out.
Stand der Forschungstate of research
Galactosyl-Oligosacchariden werden positive ernährungsphysiologische Eigenschaften zugesprochen, sie fördern beispielsweise selektiv das Wachstum von als nützlich angesehenen Bakterien (Bifidobacterien) des Darmes, verbessern die Calcium- und Magnesiumabsorption, die Beseitigung von toxischen Verbindungen und unterstützen die Leberfunktion. Galactosyl-Oligosaccharide sind nicht verdaubare Kohlenhydrate, aufgebaut in Form einer Galactosyl-Galactosekette mit einer Glucoseeinheit am Ende. Sie entstehen bei der enzymatischen Umsetzung der Laktose mittels β-Galaktosidase, die eine Transferase-Aktivität besitzt.Galactosyl oligosaccharides become positive nutritional physiological Attributed properties, they promote, for example selectively the growth of as useful distinguished bacteria (bifidobacteria) of the intestine, improve the Calcium and magnesium absorption, the elimination of toxic Connections and support the liver function. Galactosyl oligosaccharides are not digestible Carbohydrates, built up in the form of a galactosyl galactose chain with a glucose unit at the end. They arise in the enzymatic Conversion of lactose by means of β-galactosidase, the one transferase activity has.
Dabei resultiert eine Mischung aus verschiedenen Oligosacchariden, Laktose, Glucose (Glu) und Galactose (Gal). Die Zusammensetzung der Galactosyl-Oligosaccharide Fraktion variiert in der Kettenlänge (N = 1 bis 7) und der Art der Verbindung der Monomere. Die generelle chemische Struktur der Galactosyl-Oligosaccharide sieht wie folgt aus: This results in a mixture of different oligosaccharides, lactose, glucose (Glu) and galactose (Gal). The composition of the galactosyl-oligosaccharide fraction varies in the chain length (N = 1 to 7) and the kind of compound of the monomers. The general chemical structure of galactosyl oligosaccharides is as follows:
Zur
Herstellung der Galactosyl-Oligosaccharide sind zahlreiche Verfahren
beschrieben, die zumeist im batch-Verfahren durchgeführt werden,
die jedoch alle zu niedrigeren Ausbeuten an Galactosyl-Oligosacchariden
führen.
Als Grund wird vielfach beschrieben, dass die Oligosaccharide in
Gegenwart des Katalysator-Enzyms wieder hydrolysieren, ehe sie abgeerntet
werden können,
so dass die Gesamtausbeute an Oligomeren reduziert wird. Man vermutet,
dass die schlechte Ausbeute daraus resultiert, dass bei der enzymatischen
Laktosehydrolyse mittels β-Galaktosidase
auch Monosaccharide als Nebenprodukte gebildet werden, die eine
Unterbrechungswirkung der Reaktion haben, wobei das Monosaccharid
Glucose als konkurrierender Akzeptor für die β-Galactosyl-Übertragung wirkt. Zudem hemmen
die Monosaccharide die Aktivität
der β-Galaktosidase,
so dass es zu einer Verminderung der Geschwindigkeit der Übertragungsreaktion
kommt. Als Lösung
schlagen die japanische Offenlegungsschrift Nr. 62-130695 und die
Derzeit ist kein Verfahren bekannt, das die Herstellung von Galactosyl-Oligosacchariden in einem kontinuierlichen Verfahren ermöglicht, bei dem die Galactosyl-Oligosaccharide vor Hydrolyse geschützt sind und in hoher Produktausbeute angereichert werden.Currently There is no known method of producing galactosyl oligosaccharides in a continuous process in which the galactosyl oligosaccharides protected against hydrolysis are enriched and in high product yield.
Die Galactosyl-Oligosaccharide finden gewerbliche Anwendung als Nahrungsmittelergänzung im Kinderernährungsbereich, als diätetisches Nahrungsmittel in funktionellen und prebiotischen Lebensmitteln.The Galactosyl oligosaccharides are used commercially as a food supplement Child nutrition area, as a dietary Foods in functional and prebiotic foods.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die beschriebenen Nachteile im Stand der Technik zu beseitigen und ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung einer konzentrierten Lösung an Galactosyl-Oligosacchariden bereitzustellen.task The present invention is the disadvantages described in Prior art eliminate and a continuous process for preparing a concentrated solution of galactosyl oligosaccharides provide.
Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, ein Bioreaktorsystem bereitzustellen, das einen kontinuierlichen Betrieb zur Herstellung einer konzentrierten Lösung an Galactosyl-Oligosacchariden ermöglicht.Furthermore It is an object of the invention to provide a bioreactor system, this is a continuous operation for producing a concentrated solution on galactosyl oligosaccharides.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Ansprüche gelöst.The Task is achieved by the requirements solved.
Das erfindungsgemäße Verfahren verbessert bekannte Verfahren, da
- – es durch einen zusätzlichen Aufkonzentrierungsschritt die Ausbeute an Galactosyl-Oligosacchariden steigert,
- – durch individuelle Temperatur- und pH-Regelung des Prozessvorganges und kontinuierliche Abtrennung von Monosacchariden die Reaktionsgeschwindigkeit gesteigert,
- – durch den kontinuierlichen Rückhalt des Enzyms den Abbau der entstehenden Galactosyl-Oligosaccharide verhindert,
- – ein kontinuierliches Verfahren darstellt, dass einen längeren Betrieb des Bioreaktorsystems ermöglicht und das Enzym aus dem Produkt zurückhält.
- – als Substrate alternativ, Laktose-Lösung bzw. hochkonzentrierte Laktoselösung oder Molke bzw. hochkonzentrierte Molke-Lösung oder eine Kombination von Laktose-Lösung mit Molke-Lösung verwendet wird.
- It increases the yield of galactosyl oligosaccharides by an additional concentration step,
- - Increased by individual temperature and pH control of the process operation and continuous separation of monosaccharides, the reaction rate,
- - prevents the degradation of the resulting galactosyl oligosaccharides by the continuous retention of the enzyme,
- Represents a continuous process that allows for longer operation of the bioreactor system and retains the enzyme from the product.
- - As substrates alternatively, lactose solution or highly concentrated lactose solution or whey or highly concentrated whey solution or a combination of lactose solution with whey solution is used.
Die folgende Zeichnung erläutert die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahren:The the following drawing explains the individual steps of the process according to the invention:
Das
erfindungsgemäße Bioreaktorsystem
(
In
einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung filtert die Membranfiltrationseinheit den in einem
kontinuierlichen Zulauf vom Reaktor
Um
die Hydrolyse der Galactosyl-Oligosaccharide zu verhindern, beinhaltet
das Bioreaktorsystem im Anschluss an die Membranfiltrationseinheit
Die
computergesteuerte Mess- und Regeleinheit
Das Verfahren zur Herstellung konzentrierter Lösungen von Galactosyl-Oligosaccharide in einem Bioreaktorsystem besteht aus folgenden Schritten:
- a) Aufkonzentrierung der Substrate
- b) Zufuhr der hochkonzentrierten Substrate in das Bioreaktorsystem
- c) Zufuhr eines Enzyms zum enzymatischen Umsatz der Substrate
- d) Rückhaltung des Enzyms und Filtration der entstehenden Produkte
- e) Abtrennung von Wasser während der Reaktion durch Verdampfung während der Reaktion.
- f) Chromatographie des Filtrates und Trennung der Galactosyl-Oligosaccharide von Monosacchariden und Laktose
- g) Trocknung der Galactosyl-Oligosaccharide
- a) concentration of the substrates
- b) Supply of highly concentrated substrates in the bioreactor system
- c) supply of an enzyme to the enzymatic conversion of the substrates
- d) retention of the enzyme and filtration of the resulting products
- e) Separation of water during the reaction by evaporation during the reaction.
- f) Chromatography of the filtrate and separation of the galactosyl oligosaccharides from monosaccharides and lactose
- g) Drying of the galactosyl oligosaccharides
Das zur Herstellung von Galactosyl-Oligosaccharide durch enzymatischen Umsetzung von Laktose verwendete Enzym ist β-Galaktosidase, die aus verschiedenen Mikroorganismen stammt. Bekannt sind Pilze, wie Aspergillus oryzae und Aspergillus niger, Hefen, wie Bullera singularis, Candida und Klyveromyces lactis oder Bakterien wie Bacillus circulans, Lactobacillus bulgaricus, Streptococcus thermophilus. Handelsübliche Enzyme sind Maxilact® der Firma Gist Brocades, Lactase F® der Firma Amano Pharmaceutical Co., Lactase Y400® der Firma Vakult Honsha, Lactozym® der Firma Novo Industri, Godo-YNL® der Firma Godo Shusei und Biolacta® der Firma Daiwa Chemicals.The enzyme used to produce galactosyl oligosaccharides by enzymatic conversion of lactose is β-galactosidase derived from various microorganisms. Fungi are known, such as Aspergillus oryzae and Aspergillus niger, yeasts such as Bullera singularis, Candida and Klyveromyces lactis or bacteria such as Bacillus circulans, Lactobacillus bulgaricus, Streptococcus thermophilus. Commercially available enzymes are Maxilact ® Gist Brocades, Lactase F ® Amano Pharmaceutical Co., lactase Y400 ® from Vakult Honsha, Lactozym ® from Novo Industri, Godo-YNL ® from Godo Shusei and Biolacta ® by Daiwa Chemicals ,
Die eingesetzten Mengen betragen 1–100 Einheiten pro Gramm Laktose, wobei das Enzym in Lösung oder immobilisierter Form eingesetzt wird. Alternativ werden sämtliche. Mikroorganismen, die β-Galaktosidase enthalten in der Reaktion verwendet.The amounts used are 1-100 Units per gram of lactose, with the enzyme in solution or immobilized form is used. Alternatively, all. Microorganisms containing β-galactosidase used in the reaction.
Laktose, die mit β-Galaktosidase umgesetzt wird, stammt aus Molke und/oder Laktoselösung, wobei es bevorzugt wird, eine möglichst hochkonzentrierte Laktoselösung einzusetzen. Dies erfolgt in einem Aufkonzentrierungsschritt. Bei Temperaturen oberhalb von 93,5°C kristallisiert aus übersättigten Laktoselösungen überwiegend die β-Laktose. Beta-Laktose wird mit gleicher Affinität wie Alpha-Laktose von der β-Galaktosidase umgesetzt, besitzt aber eine höhere Löslichkeit. Daher wird bevorzugt hochkonzentrierte Beta-Laktose Lösung verwendet. Bei der Verwendung von Molke ist es bevorzugt, die entproteinierte Molke zunächst über Nanofiltration zu entsalzen und die Laktose aufzukonzentrieren. Im erfindungsgemäßen Verfahren werden daher einerseits hochkonzentrierte Laktose-Lösung oder konzentrierte Molke-Lösung, aber auch eine Kombinationen von Laktose- und Molke-Lösung erfolgreich eingesetzt.Lactose, which is reacted with β-galactosidase, comes from whey and / or lactose solution, wherein it is preferred to use a highly concentrated lactose solution as possible. This is done in a Aufkon centering step. At temperatures above 93.5 ° C, supersaturated lactose solutions predominantly crystallize the β-lactose. Beta-lactose is converted by the β-galactosidase with the same affinity as alpha-lactose, but has a higher solubility. Therefore, highly concentrated beta-lactose solution is preferably used. When using whey, it is preferred to first desalt the deproteinized whey via nanofiltration and to concentrate the lactose. In the method according to the invention, therefore, on the one hand highly concentrated lactose solution or concentrated whey solution, but also one combination of lactose and whey solution are successfully used.
Bei der enzymatischen Hydrolyse der Laktose mittels β-Galaktosidase entstehen in erster Linie die Monosaccharide Glucose und Galactose. Durch das erfindungsgemäße kontinuierliche Verfahren ist es möglich die Ausbeute an Galactosyl-Oligosaccharide bis zu 45% der Gesamtmenge der Saccharide zu steigern, allerdings bereiten die aus der Begleitreaktion immer entstehenden Monosaccharide in der Anwendung der Produkte als Nahrungsergänzungsmittel gewisse technische Probleme. Monosaccharide neigen insbesondere wenn sie als Pulver vorliegen zur Wasseraufnahme und Verklumpung und sind nicht mehr rieselfähig. Um dieses Problem bei der Herstellung der Galactosyl-Oligosaccharide zu verhindern und eine nicht-hygroskopische Pulverform herzustellen, sieht das erfindungsgemäße Verfahren einen zusätzlichen Schritt, die kontinuierliche chromatographische Abtrennung und Aufarbeitung der Galactosyl-Oligosaccharide von den Monosacchariden vor, wobei Galactosyl-Oligosaccharide, die eine größere Anwendungsbreite in der Nahrungsmittelindustrie haben, aufkonzentriert werden können. Die Galactosyl-Oligosaccharid-Lösung wird alternativ in einem letzten Schritt bis zur Pulverform getrocknet.at the enzymatic hydrolysis of lactose by means of β-galactosidase arise in first and foremost the monosaccharides glucose and galactose. By the continuous invention Procedure is possible the yield of galactosyl oligosaccharides up to 45% of the total to increase the saccharides, however, prepare those from the accompanying reaction always resulting monosaccharides in the application of the products as a dietary supplement certain technical problems. Monosaccharides are especially prone to they are present as a powder for water absorption and lumping and are no longer pourable. To address this problem in the production of galactosyl oligosaccharides prevent and produce a non-hygroscopic powder form, sees the method according to the invention An additional Step, the continuous chromatographic separation and workup the galactosyl oligosaccharides of the monosaccharides, wherein Galactosyl oligosaccharides, which have a wider scope in the Food industry, can be concentrated. The Galactosyl oligosaccharide solution is alternatively dried in a final step to the powder form.
Die Abtrennung von Wasser während der Reaktion durch Verdampfung erfolgt mittels eines Verdampfers z.B. Fallfilm- oder Dünnschichtverdampfer, der in den Reaktionskreislauf integriert wird oder durch eine Membranverdampfungseinheit, die in den Reaktionskreislauf integriert wird.The Separation of water during the reaction by evaporation is carried out by means of an evaporator e.g. Falling film or thin film evaporator, which is integrated into the reaction cycle or through a membrane evaporation unit, which is integrated into the reaction cycle.
Ausführungsbeispieleembodiments
Das Membranreaktorsystem besteht aus einem herkömmlichen Rührkesselreaktor kombiniert mit einer Membranfiltrationseinheit. Dem Reaktor, in dem sich das native Enzym befindet, strömt kontinuierlich die Laktoselösung (Feed) zu. Im Membranmodul wird das Enzym zurückgehalten und dem Reaktor wieder zugeführt (Retentat), um somit wieder für die Reaktion zur Verfügung zu stehen. Die entstehenden Produkte, Galactosyl-Oligosaccharide, Glucose und Galactose sowie die nicht umgesetzte Laktose können die Membran passieren und befinden sich im Filtrat (Permeat). Als Substrat für die enzymatische Laktosehydrolyse mittels β-Galaktosidase wird Laktoselösung und/oder Molke verwendet, wie sie in Molkereibetrieben als Nebenprodukt in großen Mengen anfällt. Obwohl Molke nur eine niedrige Laktosekonzentration aufweist, kann die Ausbeute an Galactosyl-Oligosaccharide so gesteigert werden, dass die Umsetzung des Verfahrens auch im industriellen Maßstab möglich ist.The Membrane reactor system consists of a conventional stirred tank reactor combined with a membrane filtration unit. The reactor in which the native enzyme is flowing continuously the lactose solution (Feed) too. In the membrane module, the enzyme is retained and returned to the reactor fed again (Retentate), thus again for the reaction available to stand. The resulting products, galactosyl oligosaccharides, Glucose and galactose as well as the unreacted lactose may be the Membrane happen and are in the filtrate (permeate). As a substrate for the enzymatic lactose hydrolysis by means of β-galactosidase is lactose solution and / or Whey used as a byproduct in dairies as a byproduct huge Quantities accumulate. Although whey has only a low lactose concentration, can the yield of galactosyl oligosaccharides can be increased so that the implementation of the method is also possible on an industrial scale.
Die Vorrichtung zur Aufkonzentrierung der Substrate, ist im Falle von Molke als Substrat eine Nanofiltrationseinrichtung, im Falle von Laktose als Substrat eine Heiz/Kühlvorrichtung.The Device for the concentration of the substrates, in the case of Whey as substrate a nanofiltration device, in the case of Lactose as substrate a heating / cooling device.
Die Membranfiltrationseinheit ist beispielsweise eine hydrophylisierte PES-Flachmembran in einem Membranmodul Typ TTP-90NR0019 der Firma Amafilter mit einer Membranfläche A = 64 cm2. Alternativ wird eine Keramikmembran der Firma Atech Innovations in einem Membranmodul Typ M05 der Firma Amafilter mit einer Membranfläche A = 0,1 m2 verwendet. Die verwendete Membranfiltrationseinheit hat folgende Spezifikation: The membrane filtration unit is, for example, a hydrophilicized PES flat membrane in a membrane module type TTP-90NR0019 from Amafilter with a membrane area A = 64 cm 2 . Alternatively, a ceramic membrane from Atech Innovations is used in a membrane module type M05 from Amafilter with a membrane area A = 0.1 m 2 . The membrane filtration unit used has the following specification:
Die Chromatographievorrichtung ist eine simulated moving bed-Einrichtung (SMB).The Chromatography device is a simulated moving bed device (SMB).
Laktose als Substrat zur Herstellung einer konzentrierten Lösung an Galactosyl-OligosaccharidenLactose as Substrate for producing a concentrated solution of galactosyl oligosaccharides
Der Fermentationsprozess unter Verwendung von Laktose erfolgt unter folgenden Bedingungen:
- a) Aufkonzentrierung der Substrate Aufkonzentrierung der Laktose (20%–45%), die hier als Substrat diente, in einem 5 mmol Kaliumphosphatpuffer. Die entsprechende Menge Laktose (200–450 g/l) wurde im Puffer gelöst und in 5 Liter-Gefäßen vorgelegt. Erhitzen der Laktoselösung bestehend aus Alpha-Laktose auf 93,5°C in einer Heizvorrichtung, wodurch eine Umlagerung der alpha- zur Beta-Laktose erfolgt, die eine höhere Löslichkeit besitzt, als Alpha-Laktose. Abkühlen der Substrate auf entsprechendes Temperaturoptimum des eingesetzten Enzyms (35–55°C)
- b) Zufuhr der hochkonzentrierten Laktose-Lösung in den 5 l Rührkesselreaktor
- c) Zufuhr der β-Galaktosidase zum enzymatischen Umsatz der Laktose-Lösung bezogen auf die Menge der Laktose, die kontinuierlich umgesetzt werden soll
- a) Concentration of the substrates Concentration of the lactose (20% -45%), which served as substrate here, in a 5 mmol potassium phosphate buffer. The appropriate amount of lactose (200-450 g / l) was dissolved in the buffer and placed in 5 liter containers. Heating the lactose solution consisting of alpha-lactose to 93.5 ° C in a heating device, resulting in a rearrangement of the alpha to beta-lactose, which has a higher solubility, than alpha-lactose. Cooling of the substrates to a corresponding temperature optimum of the enzyme used (35-55 ° C)
- b) Supply of highly concentrated lactose solution in the 5 l stirred tank reactor
- c) supplying the β-galactosidase to the enzymatic conversion of the lactose solution based on the amount of lactose to be reacted continuously
Die β-Galaktosidase stammt beispielsweise von folgenden Herstellern: The β-galactosidase, for example, comes from the following manufacturers:
Die optimalen Reaktionsbedingungen im Reaktor zur Herstellung von Galactosyl-Oligosacchariden, bei Verwendung unterschiedlicher Membranen und Enzyme, sind beispielsweise:
- d) Rückhaltung des Enzyms und Filtration der entstehenden Produkte
- d) retention of the enzyme and filtration of the resulting products
In der Membranfiltrationseinheit wird das Enzym zurückgehalten und dem Reaktor wieder zugeführt (Retentat), um somit wieder für die Reaktion zur Verfügung zu stehen. Die entstehenden Produkte, Galactosyl-Oligosaccharide, Glucose und Galactose sowie die nicht umgesetzte Laktose können die Membran passieren und befinden sich im Filtrat (Permeat)In the membrane filtration unit, the enzyme is retained and returned to the reactor fed back (retentate), so again for the reaction available to stand. The resulting products, galactosyl oligosaccharides, Glucose and galactose as well as the unreacted lactose may be the Membrane happen and are in the filtrate (permeate)
Die Filtration erfolgt über die Membranfiltrationseinheit beispielsweise PES 50 bei einem Transmembrandruck (TMP) von 1,5 bar. Das Retentat wird dem Reaktor wieder zugeführt.The Filtration takes place over the membrane filtration unit, for example, PES 50 at a transmembrane pressure (TMP) of 1.5 bar. The retentate is returned to the reactor.
Die Ausbeute an Galactosyl-Oligosacchariden kann je nach Enzymquelle und Substratkonzentration bis zu 45% der Gesamtmenge der Saccharide betragen. Beispiel:
- e) Chromatographie des Filtrates und Trennung der Galactosyl-Oligosaccharide von Monosacchariden Die Galactosyl-Oligosaccharide werden mit Hilfe der SMB-Chromatographie von den Neben- und Ausgangsprodukten Glucose, Galactose und Laktose abgetrennt, aufkonzentriert und in einem Gefäß aufgefangen.
- f) Trocknung der Galactosyl-Oligosaccharide
- e) Chromatography of the Filtrate and Separation of the Galactosyl Oligosaccharides from Monosaccharides The galactosyl oligosaccharides are separated from the by-products and starting products glucose, galactose and lactose by means of SMB chromatography, concentrated and collected in a vessel.
- f) Drying of the galactosyl oligosaccharides
Die Galactosyl-Oligosaccharid-Lösung wird zur Pulverform getrocknet.The Galactosyl oligosaccharide solution is dried to powder.
- 11
- Reaktorreactor
- 2a2a
- Zulauf vom Substratbehälter zum ReaktorIntake from the substrate container to the reactor
- 2b2 B
- Zulauf von Membranfiltrationseinheit zum ReaktorIntake from membrane filtration unit to the reactor
- 2c2c
- Ablauf vom Reaktor zur Membranfiltrationseinheitprocedure from the reactor to the membrane filtration unit
- 33
- Mess- und Regeleinheit des Reaktorsmeasurement and control unit of the reactor
- 44
- MembranfiltrationseinheitMembrane filtration unit
- 55
- Vorrichtung zur Aufkonzentrierung des Substratescontraption for concentration of the substrate
- 66
- Behälter mit SubstratContainer with substratum
- 77
- Chromatographievorrichtungchromatography
- 99
- Gefäß mit FiltratVessel with filtrate
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2004
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