Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5165
Main Title: Development of continuous lactulose production in parallel membrane reactors
Translated Title: Entwicklung der kontinuierlichen Lactulose-Produktion in parallelen Membranreaktoren
Author(s): Sitanggang, Azis Boing
Advisor(s): Kraume, Matthias
Drews, Anja
Referee(s): Kraume, Matthias
Drews, Anja
Ansorge-Schumacher, Marion
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: The automated and parallel small-scale reactors are considered as an efficient and a time-saving tool since these reactors can facilitate a straightforward bioprocess development to reach its commercial success. Within this study, a screening and characterization system for continuous biocatalytic processes that had been coined by Lyagin et al. (2010, 2015) was upgraded. The previously established program in Visual DesignerTM 4.0 was successfully transferred into the Laboratory Virtual Instrument EngineeringWorkbench (LabVIEWTM) program with a completely new structure of the data acquisition system (i.e., hardwares). By these changes, the maximum number of parallel reactors that could be controlled (i.e., constant flux and enzyme dosing) could be increased from only two (Lyagin et al., 2010, 2015) to twelve parallel reactors. By the application of the PID controller with fast setting, the control accuracy of a constant flux operation was more than 95 %. In addition, an automated protocol of the enzyme addition has also been developed with a control error of less than 2 %. For its applications, the automated EMR system is suited for process characterizations of newly isolated/improved/genetically modified enzyme-based biotransformations. These are the reactions, where (i) the enzymes are freely dissolved in the reaction media, (ii) products are susceptible to undergo further degradation by the same enzyme and (iii) either product or substrate inhibition is pronounced during the reaction. As a model reaction, continuous synthesis of lactulose using β-galactosidase in the presence of lactose and fructose was investigated. Under batch operation, the specific productivity Pspec of lactulose production using K. lactis β-galactosidase decreased abruptly from 2.72 to 0.04 mg/(U[E]h) over 35 h. This was presumably caused by the action of β-galactosidase that performed secondary hydrolysis upon the produced lactulose. The continuous operation of an EMR system led to continuous removal of lactulose in the reactor. Hereby, the degradation of lactulose due to secondary hydrolysis could be tackled. Continuous lactulose synthesis in the EMR system yielded relatively constant Pspec values, approximately 0.70 and 0.50 mg/(U[E]h) at τ = 5 and 7 h, respectively. Besides comparing batch and continuous production of lactulose, this study also addressed three main issues which are commonly encountered in membrane-assisted enzymatic reactions, such as membrane-enzyme electrostatic interaction, optimum operating conditions (with industrially relevant parameters) and maintenance of the catalytic activity during a long-term synthesis. The optimum pH value for K. lactis and A. oryzae β-galactosidase are different for lactulose synthesis. There will be a shifting on electrostatic interaction between the membrane surface and the enzyme molecules whenever K. lactis β-galactosidase is substituted by A. oryzae β-galactosidase. Considering A. oryzae β-galactosidase charge distribution at pH 4.6 is largely positive, a negatively charged PES membrane was not suited for continuous lactulose synthesis. With this membrane, a rapid increase in transmembrane pressure ΔP was pronounced. The UFX10 membrane MWCO = 10 kDa is permanently hydrophilic and exhibited the repulsion of the enzyme molecules. During the synthesis, the transmembrane pressure ΔP increase was not significant. The UFX10 membrane was therefore, selected for further investigations. The operating conditions of lactulose synthesis were validated and the values turned out to be: enzyme concentration [E] = 10 U/mL, molar ratio of lactose to fructose mL/mF = 1/4, hydraulic residence time τ = 9 h (or JSP = 8.07 L/(m2h)) and the incubation temperature T = 40 ◦C. Moreover, a long-term synthesis of lactulose was performed for 28 days. The enzyme activity was controlled by the addition of fresh enzyme as much as 10 % from the initial concentration every 48 h. The average lactulose outlet concentration CLu could be kept constant at 8.67 g/L. It is worth mentioning that this study was the longest continuous lactulose synthesis ever reported in fully automated membrane reactor. The established EMR system was proven to be a useful instrument for the characterizations of continuous lactulose synthesis. On the other hand, the EMR system can bridge the gap between typical laboratory scale where the reactions are mostly carried out in batch mode and industrial scale where reactions are often continuously operated especially for serial reactions.
Automatisierte, parallel betriebene kleine Reaktoren sind eine effiziente und zeitsparende Möglichkeit um eine einfache Bioprozessentwicklung und somit wirtschaftlichen Erfolg zu realisieren. Im Rahmen dieser Studie wurde ein System für das Screening und die Charakterisierung kontinuierlicher biokatalytischer Prozesse basierend auf vorigen Arbeiten Lyagin et al. (2010, 2015) erweitert und aktualisiert. Das zuvor in Visual DesignerTM 4.0 entwickelte Programm wurde mit einer völlig neu strukturierten Datenerfassung (Hardware) in das Programm Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench (LabVIEWTM) übertragen. Durch diese Veränderungen wurde die maximale Anzahl an steuerbaren Reaktoren (d.h. konstanter Fluss und Enzymdosierung) von nur zwei (Lyagin et al., 2010, 2015) auf zwölf parallele Reaktoren erhöht. Durch die Nutzung einer PID-Regelung konnte eine Regelgenauigkeit des Flusses im kontinuierlichen Betrieb von mehr als 95 % erreicht werden. Zusätzlich dazu wurde ein automatisiertes Protokoll für die Enzymzugabe mit einem Regelungsfehler von weniger als 2 % entwickelt. Das automatisierte EMR System ist für die Prozesscharakterisierung von neu isolierten bzw. entwickelten oder genetisch modifizierten enzymbasierten Biotransformationen geeignet, besonders für Reaktionen, bei denen: (i) das Enzym frei in dem Reaktionsmedium solubilisiert wird, (ii) die Produkte für weitere Abbauvorgänge durch dasselbe Enzym anfällig sind oder (iii) entweder das Produkt oder das Substrat die katalytische Aktivität des Enzyms inhibiert. Als Reaktionsmodell wurde in Gegenwart von Lactose und Fructose die kontinuierliche Synthese von Lactulose mittels ß-Galactosidase untersucht. Die spezifische Produktivität Pspec der Lactuloseproduktion im Batch-Verfahren mittels K. lactis β-Galactosidase nahm drastisch über 35 Stunden Reaktionszeit von 2,72 auf 0,04 mg/(U[E]h) ab. Dies wurde möglicherweise durch die Sekundärhydrolyseaktivitäten der β-Galactosidase während der Lactuloseproduktion verursacht. Der kontinuierliche Betrieb des EMR Systems führt dagegen zur kontinuierlichen Abfuhr der Lactulose aus dem Reaktor und verhindert somit den Lactuloseabbau durch Sekundärhydrolyse. Über 35 Stunden ergab die kontinuierliche Lactulose-Synthese in dem EMR System eine relativ konstante Ausbeute von etwa 0,70 und 0,5 mg/(U[E]h) mit hydraulischen Verweilzeiten von τ = 5 und 7 Stunden. Neben dem Vergleich zwischen Batch- und kontinuierlichen Verfahren zur Lactuloseproduktion befasste sich diese Arbeit mit drei Hauptthemen, die üblicherweise in membranbasierten enzymatischen Reaktionen auftauchen: (i) elektrostatische Membran-Enzym Interaktionen, (ii) optimale Reaktionsbedingungen (mit industriell relevanten Parametern) und (iii) die Regulierung der katalytischen Aktivitäten bei langanhaltender Synthese. Die optimalen pH-Werte für K. lactis und A. oryzae β-Galactosidase sind für die Synthese von Lactulose unterschiedlich. Wenn K. lactis β-Galactosidase durch A. oryzae β-Galactosidase ersetzt wird, verändern sich die elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen der Membranoberfäche und den Molekülen des Enzyms. Da die Ladungsverteilung von A. oryzae β-Galactosidase stark positiv ist (pH-Wert 4,6), wurde eine negativ geladene PES Membran als ungeeignet für die kontinuierliche Lactulose-Synthese im EMR System eingestuft. Dadurch kann auch die rasche Steigerung des Transmembrandruckes ΔP während der Synthese mit dieser Membran erklärt werden. Die hydrophile UFX10 Membran mit MWCO 10 kDa dagegen stieß die Enzymmoleküle ab und verursachte nur eine insignifikante TMP Steigerung. Diese Membran wurde daher für weitere Untersuchungen zur Bestätigung der Betriebsbedingungen ausgewählt, welche folgende optimalen Werte ergab: Enzymkonzentration [E] = 10 U/mL, Molverhältnis von Lactose zu Fructose mL/mF = 1/4, hydraulische Verweilzeit τ = 9 h (or JSP = 8.07 L/m2h) und Inkubationstemperatur T = 40 ◦C. Eine Langzeitsynthese von Lactulose wurde für einen Zeitraum von 28 Tagen mit einer durchschnittlichen Konzentration von 8,67 g/L Lactulose im Ablauf des Reaktors durchgeführt. Die Enzymaktivität wurde alle 48 Stunden durch Zugabe von frischem Enzym mit 10 % der Ausgangskonzentration reguliert. Zu erwähnen ist insbesondere, dass diese Arbeit die längste jemals publizierte kontinuierliche Lactulose-Synthese im voll automatisierten Membranreaktor ist. Somit wurde erwiesen, dass das EMR-System ein praktisches Instrument für die Charakterisierung der kontinuierlichen Lactulose-Synthese ist und zudem die Lücke zwischen typischem Batch-Verfahren (meist Labormaßstab) und kontinuierlichen Verfahren (Industriemaßstab) überbrücken kann.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5497
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5165
Exam Date: 26-May-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 6-Jun-2016
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): enzymatic membrane reactor
ultrafiltration
transgalactosylation
lactulose
beta-galactosidase
EMR
UF
enzymatischer Membranreaktor
Ultrafiltration
Transgalactosylation
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 3 Prozesswissenschaften » Institut für Prozess- und Verfahrenstechnik » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
sitanggang_azis.pdf70.59 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.