Produktion hochwertiger Oligosaccharide aus nachwachsenden Rohstoffen

Zwerenz, Anja Martina

Die biotechnologische Produktion von OS und insbesondere FOS gewinnt zunehmend an Bedeutung. Aufgrund ihrer präbiotischen Eigenschaften stellen sie interessante Produkte für die Pharma-, Kosmetik- und Ernährungsindustrie dar. Aus einer Ftf-Bibliothek konnte die SacB aus B. meg. als geeignetes Enzym für die Transfructosylierung der Akzeptoren Isomaltulose, Xylose und Galacturonsäure (GalA) ermittelt werden. Dabei erwies sich GalA als interessantester Akzeptor (Umsatz zu GalA-Fru 86%). Zur Etablierung einer kontinuierlichen Prozessführung konnte gezeigt werden, dass die Adsorption der SacB an den Träger Bentonit und dem anschließendem Einschluss in Alginat zu Immobilisat führt, das für den Einsatz im kontinuierlich betriebenem System zur Produktion von FOS geeignet ist. Zur kinetischen Beschreibung der SacB wurde ein kinetisches Modell entwickelt, das die Bestimmung der kinetischen Parameter der Akzeptorreaktion mit GalA zur Produktion des GalA-Fru ermöglicht. Die kinetischen Konstanten wurden dabei durch Integration nach Runge-Kutta in Kombination mit dem Simplexalgorithmus zur Parameteroptimierung ermittelt. Die Konzentrationsverläufe der Akzeptorreaktionen konnten sowohl für die native, die adsorbierte als auch die in Alginat eingeschlossene SacB gut durch das Modell beschrieben werden. Die ermittelten kinetischen Parameter verdeutlichten, dass die Immobilisierung der Ftf einen Shift von Hydrolyse zur Produktbildung bewirkt. Für die nachgeschaltete säulenchromatographische Aufreinigung des FOS wurde der Kationentauscher Purolite PCR642 gefunden. Dieser erlaubt eine präparative Gewinnung des GalA-Fru (Ausbeute 44%, Reinheit 75%). Für die kontinuierliche Produktion des GalA-Fru wurde eine Optimierung der Randbedingungen des Prozesses durch mathematische Simulation durchgeführt. Darüberhinaus konnte ein Reaktionssystem bestehend aus einer Wirbelschicht aus Bentonit-Alginat-Immobilisat der SacB aufgebaut werden, das eine kontinuierliche Produktion des GalA-Fru ermöglicht.

The biotechnological production of oligosaccharides, in particular FOS, is gaining increasing importance. Due to their prebiotic properties they represent interesting products for the pharmaceutical-, cosmetic- and nutrition industry. The fructosyltransferase SacB from B. meg. was obtained from a fructosyltransferase library which is able to transfructolyse the acceptors isomaltulose, xylose and galacturonic acid (GalA). As a result GalA proved to be the most interesting acceptor (conversion to GalA-Fru 86%). To establish a continuous process, it has been shown that adsorption of SacB on the carrier bentonite followed by encapsulation in alginate leads to immobilisates, which are suitable for the use in a continuously operating system for the production of FOS. For the kinetic description of SacB a kinetic model has been developed which allows the determination of the kinetic parameters of the acceptor reaction with GalA for the production of the GalA-Fru. The kinetic constants were determined through integration by Runge-Kutta in combination with the simplex algorithm of parameter optimization. With the proposed reaction model, the concentration gradient of the acceptor reactions were very well described both for native and adsorbed as well as embedded SacB. The kinetic parameters determined from the model show that the immobilization of the fructosyltransferase led to a shift from hydrolysis to product formation rate. A subsequent column chromatographic method for the purification of FOS was found by using the cation-exchange resin Purolite PCR642. This allows a preparative extraction of GalA-Fru (yield 44%, purity 75%). For the continuous production of GalA-Fru, an optimization of process boundary conditions was performed by mathematical simulation. Moreover a reaction system consisting of a fluidized bed of bentonite alginate immobilisate of SacB has been composed which enabled a continuous production of GalA-Fru.

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Zwerenz, Anja Martina: Produktion hochwertiger Oligosaccharide aus nachwachsenden Rohstoffen. 2012.

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