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DE10357707A1 - Process for the continuous production of galactosyl oligosaccharides - Google Patents

Process for the continuous production of galactosyl oligosaccharides Download PDF

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DE10357707A1
DE10357707A1 DE2003157707 DE10357707A DE10357707A1 DE 10357707 A1 DE10357707 A1 DE 10357707A1 DE 2003157707 DE2003157707 DE 2003157707 DE 10357707 A DE10357707 A DE 10357707A DE 10357707 A1 DE10357707 A1 DE 10357707A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
galactosyl
oligosaccharides
bioreactor system
chromatography
lactose
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE2003157707
Other languages
German (de)
Inventor
Peter Prof. Czermak
Dirk Nehring
Mehrdad Ebrahimi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fachhochschule Giessen Friedberg
Original Assignee
Transmit Gesellschaft fuer Technologietransfer mbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to PCT/DE2004/002686 priority patent/WO2005056810A1/en
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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.

Figure 00020001
Figure 00020001

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:

Figure 00020002
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:
Figure 00020002

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 US 4435389A vor, die Monosaccharide Glucose und Galactose durch zusätzliche Zugabe von Hefe zu verbrauchen. Nachteilig ist dabei, dass die Hefen, wie auch das lösliche Enzym letztlich im Produkt verbleiben und in einem zusätzlichen Schritt deaktiviert bzw. entfernt werden müssen. In der DE 68920814T2 wird vorgeschlagen das ein Teil der durch die Behandlung mit β-Galaktosidase entstehenden Glucose durch Zugabe von Glucose-Isomerase in Fructose umgewandelt wird. Auch hier verbleiben beide Enzyme im Produkt und müssen deaktiviert bzw. entfernt werden.For the preparation of galactosyl oligosaccharides numerous methods are described, which are usually carried out in a batch process, but all of which lead to lower yields of galactosyl oligosaccharides. As a reason, it is often described that the oligosaccharides rehydrolyze in the presence of the catalyst enzyme before they can be harvested, so that the overall yield of oligomers is reduced. It is believed that the poor yield results from enzymatic lactose hydrolysis using β-galactosidase as by-products of monosaccharides which have a disruptive effect of the reaction, with the monosaccharide glucose acting as a competing acceptor for β-galactosyl transfer. In addition, the monosaccharides inhibit the activity of β-galactosidase, so that there is a reduction in the speed of the transfer reaction. As a solution, Japanese Patent Laid-Open No. 62-130695 and the US 4435389A to consume the monosaccharides glucose and galactose by additional addition of yeast. The disadvantage here is that the yeasts, as well as the soluble enzyme ultimately remain in the product and must be deactivated or removed in an additional step. In the DE 68920814T2 It is proposed that a part of the glucose resulting from the treatment with β-galactosidase is converted into fructose by addition of glucose isomerase. Also here both enzymes remain in the product and must be deactivated or removed.

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.
The inventive method improves known methods, since
  • 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:

1 Konzept zur kontinuierlichen Herstellung von Galactosyl-Oligosacchariden im Enzym-Membranreaktor mit nativer β-Galaktosidase, Enzymrückhaltung mittels UF- Membranen und der Aufkonzentrierung mittels Chromatographie 1 Concept for the continuous production of galactosyl oligosaccharides in the enzyme membrane reactor with native β-galactosidase, enzyme retention using UF membranes and concentration by chromatography

2 Konzept zur kontinuierlichen Herstellung von Galactosyl-Oligosacchariden im Enzym-Membranreaktor mit nativer β-Galaktosidase, integrierter Enzymrückhaltung mittels UF-Membranen und Wasserentfernung aus der Reaktion sowie der Abtrennung der Monosaccharide mittels Chromatographie 2 Concept for the continuous production of galactosyl-oligosaccharides in the enzyme membrane reactor with native β-galactosidase, integrated enzyme retention by means of UF membranes and water removal from the reaction as well as the separation of the monosaccharides by chromatography

3 Konzept zur kontinuierlichen Herstellung von Galactosyl-Oligosacchariden im Enzym-Membran- oder Festbettreaktor mit immobilisierter β-Galaktosidase, integrierter Enzymrückhaltung und Wasserentfernung aus der Reaktion sowie der Abtrennung der Monosaccharide mittels Chromatographie 3 Concept for the continuous production of galactosyl-oligosaccharides in the enzyme membrane or fixed bed reactor with immobilized β-galactosidase, integrated enzyme retention and water removal from the reaction as well as the separation of the monosaccharides by chromatography

4 Modelldarstellung des erfindungsgemäßen Bioreaktorsystems. 4 Model representation of the bioreactor system according to the invention.

Das erfindungsgemäße Bioreaktorsystem (4) zeichnet sich durch einen Reaktor 1 aus, der beispielsweise ein Rührkesselreaktor ist. Der Reaktor enthält alle zum Funktionsablauf erforderlichen Zu- und Abläufe 2a, 2b, 2c, eine computergesteuerte Mess- und Regeleinheit 3, die die Fermentationsparameter in Reaktor misst bzw. steuert und beispielsweise pH-Wert, Temperatur, Sauerstoffpartialdruck, Zulauf von Substrat und Enzym und Ablauf der Produkte abhängig oder unabhängig voneinander optimal einstellt. Das Bioreaktorsystem beinhaltet eine dem Reaktor 1 vorgeschaltete Vorrichtung zur Aufkonzentrierung der Substrate 5, die beispielsweise aus einer Nanofiltrationseinrichtung oder einer Heiz/Kühlvorrichtung besteht. Substrat wird beispielsweise aus einem Behälter mit Substrat 6 zugeführt. An den Reaktor schließt sich eine, ebenfalls Temperatur-geregelte Membranfiltrationseinheit 4 an. Die Membranfiltrationseinheit 4 ist alternativ auch im Rührkesselre aktor integriert (nicht dargestellt). Sie ist eine anorganische oder organische Ultrafiltrationsmembran mit einem Porendurchmesser von 5 bis 50 nm. Insbesondere handelt es sich um eine Membran, die dampfsterilisierbar ist, damit diese steril im integrierten Prozess betrieben wird. Ganz besonders geeignet sind keramische Membranen aus bioinerten Materialien wie Zirkoniumoxid, Titanoxid, Aluminiumoxid oder einer Kombination dieser Materialien, da diese die Anforderungen an die Sterilität erfüllen und hohe Standzeit im Prozess aufweisen. Aufgrund der hydrophilen Eigenschaften der keramischen Membranen erfolgt eine wesentlich schonendere Abtrennung des Produktes. In der Membranfiltrationseinheit 4 wird beispielsweise das in der Reaktion verwendete Enzym β-Galaktosidase zurückgehalten und befindet sich daher im Retentat, während das Hauptprodukt Galactosyl-Oligosaccharide, aber auch Glucose, Galactose und Laktose die Membran passieren können und sich im Filtrat befinden. Filtrat wird in einem separaten Gefäß 9 gesammelt und Retentat über einen Rücklauf 2b wieder dem Reaktor 1 wahlweise mittels Pumpe P2 zugeführt.The bioreactor system according to the invention ( 4 ) is characterized by a reactor 1 from, for example, is a stirred tank reactor. The reactor contains all inflows and outflows required for the functional sequence 2a . 2 B . 2c , a computer-controlled measuring and control unit 3 which measures or controls the fermentation parameters in the reactor and optimally adjusts, for example, pH value, temperature, oxygen partial pressure, feed of substrate and enzyme, and sequence of the products depending on or independently of one another. The bioreactor system includes a reactor 1 upstream device for the concentration of the substrates 5 , which consists for example of a nanofiltration device or a heating / cooling device. Substrate, for example, from a container with substrate 6 fed. The reactor is followed by a likewise temperature-controlled membrane filtration unit 4 at. The membrane filtration unit 4 is alternatively also integrated in the Rührkesselre actuator (not shown). It is an inorganic or organic ultrafiltration membrane with a pore diameter of 5 to 50 nm. In particular, it is a membrane that is steam sterilizable, so that it is operated sterile in the integrated process. Especially suitable are ceramic Membranes made of bio-inert materials such as zirconium oxide, titanium oxide, aluminum oxide or a combination of these materials, as these fulfill the requirements for sterility and have a long service life in the process. Due to the hydrophilic properties of the ceramic membranes is a much gentler separation of the product. In the membrane filtration unit 4 For example, the enzyme β-galactosidase used in the reaction is retained and is therefore in the retentate, while the main product galactosyl-oligosaccharides, but also glucose, galactose and lactose, can pass through the membrane and be in the filtrate. Filtrate is placed in a separate container 9 collected and retentate via a reflux 2 B back to the reactor 1 optionally supplied by means of pump P2.

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung filtert die Membranfiltrationseinheit den in einem kontinuierlichen Zulauf vom Reaktor 1 wahlweise über eine Pumpe P1 kommenden Überstand aus dem Reaktor. Das Enzym-enthaltende Retentat aus der Membranfiltrationseinheit fließt über einen Rücklauf 2b wieder dem Reaktor zu oder wird in einem Abfallbehälter gesammelt und verworfen.In one embodiment of the invention, the membrane filtration unit filters in a continuous feed from the reactor 1 optionally supernatant coming from the reactor via a pump P1. The enzyme-containing retentate from the membrane filtration unit flows via a reflux 2 B back to the reactor or is collected in a waste container and discarded.

Um die Hydrolyse der Galactosyl-Oligosaccharide zu verhindern, beinhaltet das Bioreaktorsystem im Anschluss an die Membranfiltrationseinheit 4 in einer Ausführungsform zusätzlich eine Chromatographievorrichtung 7 zur Abtrennung der Monosaccharide und Nebenprodukte, die auch zur Aufkonzentrierung der Galactosyl-Oligosaccharide verwendet wird. Damit werden die im Filtrat enthaltenen Galactosyl-Oligosaccharide von Glucose, Galactose und Laktose abgetrennt und erheblich aufkonzentriert. Galactose und Laktose werden dem Reaktor über Zuläufe (nicht dargestellt) anschließend wieder zugeführt. Vor zugsweise ist die Chromatographievorrichtung eine simulated moving bed-Einrichtung (SMB), wie in DE 199 56010 beschrieben oder eine kontinuierliche annulare Chromatographie. Grundsätzlich wird auch eine diskontinuierliche Chromatographie mit Rückführung der Zwischenfraktionen verwendet.In order to prevent the hydrolysis of the galactosyl oligosaccharides, the bioreactor system includes following the membrane filtration unit 4 in one embodiment additionally a chromatography device 7 for separating the monosaccharides and by-products, which is also used to concentrate the galactosyl oligosaccharides. Thus, the galactosyl oligosaccharides contained in the filtrate of glucose, galactose and lactose are separated and significantly concentrated. Galactose and lactose are subsequently returned to the reactor via feeds (not shown). Preferably, the chromatography device is a simulated moving bed device (SMB), as in DE 199 56010 described or a continuous annulare chromatography. In principle, a discontinuous chromatography with recycling of the intermediate fractions is also used.

Die computergesteuerte Mess- und Regeleinheit 3 wird so geregelt und gesteuert, dass Retentat-, Filtrat- und Reaktorvolumen auch bei unterschiedlichen Prozesszuständen wie Temperaturniveaus, pH-Werten, oder Substrat- bzw. Metabolitenkonzentrationen gehalten werden. Die Temperaturregelung regelt und steuert beispielsweise eine individuelle Temperatur des Reaktors. So wird der Reaktor 1 auf einer für die enzymatische Reaktion optimalen Temperatur von beispielsweise 40°C gehalten. Die Galactosyl-Oligosaccharide werden so nach kurzer Verweilzeit im temperierten Reaktor 1 schnell ausgeschleust und können zusammen mit Glucose, Galactose und der nicht umgesetzten Laktose in der Membranfiltrationseinheit 4 die Membran passieren und vor weiterer Hydrolyse geschützt werden, so dass eine hohe Raum-Zeit-Ausbeute bei hoher Produktkonzentration ermöglicht wird. Je nach Art und Charakter der enzymatischen Reaktion wird der Temperaturunterschied beliebig reguliert und auf optimale Bedingungen eingestellt.The computer-controlled measuring and control unit 3 is controlled and controlled so that retentate, filtrate and reactor volumes are maintained at different process conditions such as temperature levels, pHs, or substrate or metabolite concentrations. The temperature control regulates and controls, for example, an individual temperature of the reactor. This is the reactor 1 maintained at an optimum temperature for the enzymatic reaction, for example 40 ° C. The galactosyl oligosaccharides are so after a short residence time in the tempered reactor 1 can be quickly removed and combined with glucose, galactose and unreacted lactose in the membrane filtration unit 4 Pass through the membrane and protected from further hydrolysis, so that a high space-time yield at high product concentration is made possible. Depending on the nature and character of the enzymatic reaction, the temperature difference is arbitrarily regulated and adjusted to optimal conditions.

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
The process for preparing concentrated solutions of galactosyl oligosaccharides in a bioreactor system consists of the following steps:
  • 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.

2 zeigt die integrierte Wasserentfernung im Zulauf von Membranfiltrationseinheit zum Reaktor 2b mittels Vakuumverdampfung. Dadurch erhält man bereits das erste wasserfreie Produkt. 2 shows the integrated water removal in the inlet of membrane filtration unit to the reactor 2 B by means of vacuum evaporation. This already gives the first anhydrous product.

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:

Figure 00110001
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:
Figure 00110001

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
The fermentation process using lactose takes place under the following conditions:
  • 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:

Figure 00120001
The β-galactosidase, for example, comes from the following manufacturers:
Figure 00120001

Die optimalen Reaktionsbedingungen im Reaktor zur Herstellung von Galactosyl-Oligosacchariden, bei Verwendung unterschiedlicher Membranen und Enzyme, sind beispielsweise:

Figure 00120002

  • d) Rückhaltung des Enzyms und Filtration der entstehenden Produkte
The optimum reaction conditions in the reactor for the production of galactosyl oligosaccharides, when using different membranes and enzymes, are, for example:
Figure 00120002
  • 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:

Figure 00130001

  • 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
The yield of galactosyl oligosaccharides can be up to 45% of the total amount of saccharides, depending on the enzyme source and substrate concentration. Example:
Figure 00130001
  • 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

Claims (20)

Verfahren zur Herstellung einer konzentrierten Lösung von Galactosyl-Oligosaccharide in einem Bioreaktorsystem kombiniert mit einer Membranfiltrationseinheit und einer Verdampfungseinrichtung gekennzeichnet durch die Schritte: 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 durch Verdampfung während der Reaktion f) Chromatographie des Filtrates und Trennung der Galactosyl-Oligosaccharide von Monosacchariden und Laktose g) Trocknung der Galactosyl-OligosaccharideProcess for the preparation of a concentrated solution of galactosyl-oligosaccharides in a bioreactor system combined with a membrane filtration unit and an evaporation device characterized by the steps: a) concentration of the substrates b) supply of the highly concentrated substrates into 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 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 Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Substrat Laktose-Lösung und/oder Molke verwendet wird.Method according to claim 1, characterized in that as a substrate lactose solution and / or whey is used. Verfahren gemäß der vorhergegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufkonzentrierung der Laktose durch Erhitzen auf 93,5°C und Umlagerung von Alpha- auf Beta-Laktose erfolgt.Method according to the previous Claims, characterized in that the concentration of lactose by Heating to 93.5 ° C and rearrangement of alpha to beta-lactose occurs. Verfahren der vorhergegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufkonzentrierung der Molke durch Nanofiltration erfolgt. Method of the preceding claims, characterized that the concentration of whey by nanofiltration takes place. Verfahren gemäß der vorhergegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der enzymatischen Umsetzung das isolierte Enzym β-Galaktosidase oder ein β-Galaktosidase produzierender Mikroorganismus verwendet wird.Method according to the previous Claims, characterized in that in the enzymatic reaction the isolated enzyme β-galactosidase or a β-galactosidase producing microorganism is used. Verfahren gemäß der vorhergegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die enzymatische Umsetzung mit β-Galaktosidase bei 37°C erfolgt.Method according to the previous Claims, characterized in that the enzymatic reaction with β-galactosidase at 37 ° C takes place. Verfahren gemäß der vorhergegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückhaltung des Enzyms β-Galaktosidase in einer Membranfiltrationseinheit erfolgt.Method according to the previous Claims, characterized in that the retention of the enzyme β-galactosidase in a membrane filtration unit takes place. Verfahren gemäß der vorhergegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufkonzentrierung der Produkte während der Reaktion Wasser durch Verdampfen entzogen wirdMethod according to the previous Claims, characterized in that for concentration of the products while the reaction water is removed by evaporation Verfahren gemäß der vorhergegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Chromatographie des Filtrates und Trennung der Galactosyl-Oligosaccharide von Monosacchariden durch SMB-Chromatographie oder annulare Chromatographie oder diskontinuierliche Chromatographie mit Rückführung der Zwischenfraktionen erfolgt.Method according to the previous Claims, characterized in that the chromatography of the filtrate and Separation of the galactosyl oligosaccharides of monosaccharides by SMB chromatography or annular chromatography or batch Chromatography with recycling of Intermediate fractions takes place. Verfahren gemäß der vorhergegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass Prozessparameter wie Temperatur und/oder pH-Wert insbesondere zur Aufkonzentrierung des Substrats individuell geregelt werden.Method according to the previous claims characterized in that process parameters such as temperature and / or pH especially for concentrating the substrate individually be managed. Bioreaktorsystem zur Herstellung einer konzentrierten Lösung von Galactosyl-Oligosaccharide mindestens bestehend aus einer Vorrichtung zur Aufkonzentrierung der Substrate, einem Reaktor mit Mess- und Regeleinheit, in den kontinuierlich aufkonzentrier tes Substrat zugeführt wird, einer Membranfiltrationseinheit, die Enzym zurückhält und Filtrat abgeführt und einer Chromatographievorrichtung wobei die Vorrichtung zur Aufkonzentrierung der Substrate dem Reaktor vorgeschaltet und der Reaktor der Chromatographievorrichtung vorgeschaltet ist, so dass ein kontinuierlicher Fluss gewährleistet ist.Bioreactor system for producing a concentrated solution of Galactosyl oligosaccharides at least consisting of a device for concentration of the substrates, a reactor with measuring and control unit, is fed into the continuously concentrated substrate, a membrane filtration unit that retains enzyme and removes filtrate and a chromatography device wherein the concentration device the substrates upstream of the reactor and the reactor upstream of the chromatography apparatus is so that a continuous flow is ensured. Bioreaktorsystem gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mess- und Regeleinheit Temperatur, pH-Wert, Zuläufe und Verweilzeiten steuert und regelt.Bioreactor system according to claim 11, characterized in that the measuring and control unit temperature, pH, feeds and residence times controls and regulates. Bioreaktorsystem gemäß Anspruch 11 und 12, gekennzeichnet dadurch dass die Membranfiltrationseinheit eine anorganische oder organische Ultrafiltrationsmembran ist.Bioreactor system according to claim 11 and 12, characterized in that the membrane filtration unit an inorganic or organic ultrafiltration membrane. Bioreaktorsystem gemäß Anspruch 11 bis 13, gekennzeichnet dadurch dass die Membranfiltrationseinheit eine keramische Membran aus bioinertem Material ist.Bioreactor system according to claim 11 to 13, characterized in that the membrane filtration unit a ceramic membrane of bioinertem material. Bioreaktorsystem gemäß Anspruch 11 bis 14, gekennzeichnet dadurch dass die Membranfiltrationseinheit dampfsterilisierbar ist.Bioreactor system according to claim 11 to 14, characterized in that the membrane filtration unit is steam sterilizable. Bioreaktorsystem gemäß Anspruch 11 bis 15, gekennzeichnet dadurch dass die Chromatographievorrichtung eine simulatedmoving-bed-Chromatographie ist.Bioreactor system according to claim 11 to 15, characterized in that the chromatography device is a simulatedmoving-bed chromatography. Verwendung eines Bioreaktorsystems gemäß Anspruch 11 bis 16 zur Herstellung einer konzentrierten Lösung an Galactosyl-Oligosacchariden.Use of a bioreactor system according to claims 11 to 16 for the production a concentrated solution on galactosyl oligosaccharides. Verwendung eines Verfahrens gemäß Anspruch 1 bis 9 zur Herstellung einer konzentrierten Lösung an Galactosyl-Oligosacchariden. Use of a method according to claims 1 to 9 for the preparation of a concentrated solution Galactosyl oligosaccharides. Verwendung eines Bioreaktorsystems gemäß Anspruch 11 bis 16 zur Herstellung von Galactosyl-Oligosacchariden in Pulverform.Use of a bioreactor system according to claims 11 to 16 for the production of galactosyl oligosaccharides in powder form. Verwendung eines Verfahrens gemäß Anspruche 1 bis 9 zur Herstellung von Galactosyl-Oligosacchariden in PulverformUse of a method according to claims 1 to 9 for the production of galactosyl oligosaccharides in powder form
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