Integration of reaction and product separation for tri-enzymatic catalyzed syntheses of high-value oligo-saccharides from sucrose

• Applicants: Professor Dr. Hans Joachim Jördening; Professor Dr.-Ing. Stephan Scholl
• Subject Area: Chemical and Thermal Process Engineering ; Biological Process Engineering
• Term: from 2009 to 2018
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 123310015

• Final Report Year: 2017

Final Report Abstract

Das Forschungsprojekt befasste sich mit der Umsetzung einer enzymatischen Katalyse von Laminaribiose aus Saccharose mit den Enzymen Saccharosephosphorylase, Glucoseisomerase und Laminaribiosephosphorylase mit reaktionsintegrierter Adsorption. Da die kommerziell erhältliche Glucoseisomerase eine deutlich geringere Aktivität zeigte sowie nicht eliminierbare Kontaminationen enthielt, wurde bei den folgenden Untersuchungen anstelle der trienzymatischen eine bienzymatische Synthese mit Saccharosephosphorylase und Laminaribiosephosphorylase realisiert. Dafür wurde zur Stabilisierung der Enzyme eine zweistufige Immobilisierungsmethode aus kovalenter Anbindung über Epoxygruppen auf einem Träger und anschließendem Einschluss in Chitosan entwickelt. Diese Methode ermöglichte die Herstellung von LP-Immobilisaten mit einer Halbwertszeit von (202 ± 13) h und SP-Immobilisaten mit einer Halbwertszeit von (115 ± 42) h unter Prozessbedingungen bei Saccharoseanwesenheit. Die Prozessbedingungen wurden nach Charakterisierung der LP-Immobilisate auf 0,05 M Natriumphosphatpuffer (pH 6) und 35 °C festgelegt. Untersuchungen zur Kinetik der Immobilisate, der Diffusion in Chitosan und zur reaktionsintegrierten Adsorption in Batchansätzen zeigten, dass die enzymatisch katalysierte Reaktion der geschwindigkeitsbestimmende Schritt ist. Für die Diffusion wurde ein Modell entwickelt, das die vorhandenen Grenzschichten berücksichtigt. Mit dem Zeolith BEA 150 wurde ein Adsorptionsmaterial gefunden, das sich noch besser für die Adsorption von Laminaribiose eignet als der angedachte Zeolith BEA 50. Für die Gewinnung von Laminaribiose wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem Laminaribiose in hoher Reinheit desorbiert werden kann. Das Modell des Gesamtsystems, das die Enzymkinetiken und die Adsorptionsgleichgewichte verbindet, kann die auftretenden Konzentrationen sowie die Beladungen der Zeolithe über 160 Stunden mit guter Näherung beschreiben.

Publications

• (2015) Process Design Aspects for Reaction-Integrated Adsorption in Multi-Enzymatic Catalysis. Chem Eng Technol 38:1817–1826
  Waluga T, Scholl S
  
• (2015): Expanding the Elution by Characteristic Point Method to Columns with a Finite Number of Theoretical Plates. J Chrom A 1413:77–84
  Hartig D, Waluga T und Scholl S
  
• (2017) Chitosan-based hybrid immobilization in bienzymatic reactions and its application to the production of laminaribiose. Bioprocess Biosyst Eng.
  Müller C, Hartig D, Vorländer K, Sass A-C, Scholl S, Jördening H-J
  
• (2017) Immobilization and Characterization of E. gracilis Extract with Enriched Laminaribiose Phosphorylase Activity for Bienzymatic Production of Laminaribiose. Appl Biochem Biotechnol 182 (1):197–215
  Müller C, Ortmann T, Abi A, Hartig D, Scholl S, Jördening H-J
  
• (2017) Improved laminaribiose phosphorylase production by Euglena gracilis in a bioreactor: A comparative study of different cultivation methods. Biotechnol Bioprocess Eng 22:272–280
  Abi A, Müller C, Jördening H-J
  
• (2017) Using the local adsorption equilibrium distribution based on a Langmuir type adsorption model to investigate liquid phase adsorption of sugars on zeolite BEA. Adsorption 23:433–441
  Hartig D, Schwindt N, Scholl S