Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2633
Main Title: Entwicklung stabiler Enzympräparate zur Verwendung als industrielle Biokatalysatoren
Translated Title: Development of stable enzyme preparations for the application as industrial biocatalysts
Author(s): Wiemann, Lars Ole
Advisor(s): Ansorge-Schumacher, Marion B.
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Charakteristische Probleme, die sich häufig in technischen Prozessen bei der Verwendung adsorptiv an Träger gebundener Enzyme wie Lipasen ergeben, sind eine allmähliche Desorption der Enzyme im Reaktionsverlauf (Enzymleaching) sowie eine unzureichende mechanische Stabilität unter starken Scherbelastungen. Diese Limitierungen können bei kontinuierlicher oder repetitiver Nutzung zu Schwierigkeiten bei der Prozessführung und zu deutlichen Abnahmen der Katalysatorstandzeiten führen. In der vorliegenden Arbeit wurde eine neue Methode zur Stabilisierung von Enzymimmobilisaten entwickelt. Diese ermöglicht eine Erhöhung der mechanischen Stabilität und schützt zugleich vor Enzymleaching, ohne jedoch dadurch drastische Aktivitätseinbußen zu verursachen. Als Beispiel für ein gängiges Enzymimmobilisat diente das kommerzielle Lipasepräparat Novozym 435 (adsorptiv an Polymethylmethacrylat-Träger gebundene Lipase B aus Candida antarctica), das mit 2-Komponenten-Siliconsystemen beschichtet wurde. Bei der Beschichtung füllt das Silicon das gesamte Porenvolumen der Partikel auf und bewirkt so eine Erhöhung der strukturellen Partikelintegrität und verhindert desorptionsbedingte Enzymverluste. Die erzielten Aktivitätsausbeuten bei der Estersynthese von Propyllaurat mit siliconbeschichtetem Novozym 435 liegen mit 35-60 % ebenfalls in einem für technische Anwendungen interessanten Bereich. Auf Basis dieser Ergebnisse wurde versucht, das Beschichtungsverfahren im Hinblick auf ein mögliches Scale-up weiter zu entwickeln. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Verwendung eines Wirbelschichtreaktors, in dem die Silicone via Zweistoffdüse auf die fluidisierten Partikel aufgebracht wurden, zu reproduzierbaren Beschichtungsresultaten führte. Ferner konnte exemplarisch gezeigt werden, dass die neu entwickelte Methode zur Siliconbeschichtung mit Einschränkungen auch auf weitere Enzymimmobilisate wie Lipase-, Esterase-, Protease- und Laccasepräparate, übertragen werden konnte. Demnach ist davon auszugehen, dass die in dieser Arbeit entwickelte Beschichtungsmethode einen Beitrag zur Etablierung und Ausweitung enzymkatalysierter Prozesse auf industrieller Ebene leisten wird.
Typical problems that often occur when using carrier-bound enzymes such as lipases in technical processes are a successive desorption of enzymes (enzyme-leaching) during the reaction and an insufficient mechanical stability under strong shear stress. These limitations are likely to cause difficulties in technical processes and significantly decrease the catalyst’s lifetime. In this work a novel method to stabilize enzyme preparations was developed. This method allows an increase in mechanical stability and protects the enzyme from desorbing from the carrier without inducing considerable losses in enzymatic activity. Therefore Novozym 435 (Lipase B from Candida antarctica adsorptively bound to a poly(methyl methacrylate) carrier), a widespread commercially available lipase preparation, was herein used as a state-of-the-art biocatalyst for the coating with 2-component silicone systems. The deposited silicone filled-up the complete pore volume of the macroporous particle and in that way induced the observed increase in structural integrity and at the same time averts enzyme loss by desorption. The gained activity yields of silicone-coated Novozym 435 in the ester synthesis of propyl laurate averaged between 35-60 % - a range that is still interesting for industrial ester synthesis. Based on these results, a technical coating process that can easily be scaled-up was developed. A fluidized bed-coating system in which the silicone was applied to the fluidized Novozym 435 particles via a jet nozzle resulted in reproducible, homogenous coatings. It can be expected that stabilization against leaching and/or mechanical stress by formation of silicone composites can easily be transferred to a whole range of alternative biocatalytic systems as already has been demonstrated for lipases, esterases, proteases and laccases in this work. This should considerably advance their general technical applicability and overall implementation of biocatalysts in large-scale industrial synthesis.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-28270
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2930
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2633
Exam Date: 28-Sep-2010
Issue Date: 10-Nov-2010
Date Available: 10-Nov-2010
DDC Class: 500 Naturwissenschaften und Mathematik
Subject(s): Enzymleaching
Immobilisierte Enzyme
Industrielle Estersynthese
Lipase
Siliconbeschichtung
Enzyme leaching
Immobilized enzyme
Industrial ester synthesis
Lipase
Silicone-coating
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