Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Galactosyl- Oliqosacchariden Die Erfindung beinhaltet ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung einer Galactosyl-Oligosaccharid-Lösung und ein entsprechendes Biore- aktorsystem mit einer integrierten Membranfiltrationseinheit zur Durch- führung des Verfahrens. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird alterna- tiv 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.

Stand der Forschung 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 Leber- funktion. Galactosyl-Oligosaccharide sind nicht verdaubare Kohlenhyd- rate, aufgebaut in Form einer Galactosyl-Galactosekette mit einer Glu- coseeinheit am Ende. Sie entstehen bei der enzymatischen Umsetzung der Laktose mittels ß-Galaktosidase, die eine Transferase-Aktivität be- sitzt. ß-Galaktosidase N (Gal-Glu) > (Gal) n-Glu + (N-1) Glu Laktose Galactosyl-Oligosaccharide Glucose 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 :

Zur Herstellung der Galactosyl-Oligosaccharide sind zahlreiche Verfah- ren 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 hydroly- sieren, ehe sie abgeerntet werden können, so dass die Gesamtausbeu- te an Oligomeren reduziert wird. Man vermutet, dass die schlechte Ausbeute daraus resultiert, dass bei der enzymatischen Laktosehydro- lyse mittels ß-Galaktosidase auch Monosaccharide als Nebenprodukte gebildet werden, die eine Unterbrechungswirkung der Reaktion haben, wobei das Monosaccharid Glucose als konkurrierender Akzeptor für die ß-Galactosyl-Übertragung wirkt. Zudem hemmen die Monosaccharide die Aktivität der ß-Galaktosidase, so dass es zu einer Verminderung der Geschwindigkeit der Übertragungsreaktion kommt. Als Lösung schla- gen die japanische Offenlegungsschrift Nr. 62-130695 und die US 4435389A vor, die Monosaccharide Glucose und Galactose durch zu- sätzliche 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 müs- sen. In der DE 68920814T2 wird vorgeschlagen das ein Teil der durch die Behandlung mit ß-Galaktosidase entstehenden Glucose durch Zu- gabe von Glucose-Isomerase in Fructose umgewandelt wird. Auch hier verbleiben beide Enzyme im Produkt und müssen deaktiviert bzw. ent- fernt werden.

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.

Die Galactosyl-Oligosaccharide finden gewerbliche Anwendung als Nahrungsmittelergänzung im Kinderernährungsbereich, als diätetisches Nahrungsmittel in funktionellen und prebiotischen Lebensmitteln.

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.

Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, ein Bioreaktorsystem be- reitzustellen, das einen kontinuierlichen Betrieb zur Herstellung einer konzentrierten Lösung an Galactosyl-Oligosacchariden ermöglicht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Ansprüche gelöst.

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 Prozessvorgan- ges und kontinuierliche Abtrennung von Monosacchariden die Reakti- onsgeschwindigkeit gesteigert, - durch den kontinuierlichen Rückhalt des Enzyms den Abbau der ent- stehenden Galactosyl-Oligosaccharide verhindert, - ein kontinuierliches Verfahren darstellt, dass einen längeren Betrieb des Bioreaktorsystems ermöglicht und das Enzym aus dem Produkt zu- rückhält.

- als Substrate alternativ, Laktose-Lösung bzw. hochkonzentrierte Lak- toselösung oder Molke bzw. hochkonzentrierte Molke-Lösung oder eine Kombination von Laktose-Lösung mit Molke-Lösung verwendet wird.

Die folgende Zeichnung erläutert die einzelnen Schritte des erfindungs- gemäßen Verfahren : Figur 1 Konzept zur kontinuierlichen Herstellung von Galactosyl- Oligosacchariden im Enzym-Membranreaktor mit nativer ß-Galaktosidase, Enzymrückhaltung mittels UF-

Membranen und der Aufkonzentrierung mittels Chroma- tographie Figur 2 Konzept zur kontinuierlichen Herstellung von Galactosyl- Oligosacchariden im Enzym-Membranreaktor mit nativer ß-Galaktosidase, integrierter Enzymrückhaltung mittels UF-Membranen und Wasserentfernung aus der Reaktion sowie der Abtrennung der Monosaccharide mittels Chro- matographie Figur 3 Konzept zur kontinuierlichen Herstellung von Galactosyl- Oligosacchariden im Enzym-Membran-oder Festbettreak- tor mit immobilisierter ß-Galaktosidase, integrierter En- zymrückhaltung und Wasserentfernung aus der Reaktion sowie der Abtrennung der Monosaccharide mittels Chro- matographie Figur 4 Modelldarstellung des erfindungsgemäßen Bioreaktorsys- tems.

Das erfindungsgemäße Bioreaktorsystem (Figur 4) zeichnet sich durch einen Reaktor 1 aus, der beispielsweise ein Rührkesselreaktor ist. Der Reaktor enthält alle zum Funktionsablauf erforderlichen Zu-und Abläu- fe 2a, 2b, 2c, eine computergesteuerte Mess-und Regeleinheit 3, die die Fermentationsparameter in Reaktor misst bzw. steuert und bei- spielsweise pH-Wert, Temperatur, Sauerstoffpartialdruck, Zulauf von Substrat und Enzym und Ablauf der Produkte abhängig oder unabhän- gig 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 orga- nische Ultrafiltrationsmembran mit einem Porendurchmesser von 5 bis 50 nm. Insbesondere handelt es sich um eine Membran, die dampfsteri- lisierbar 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 Ste- rilität erfüllen und hohe Standzeit im Prozess aufweisen. Aufgrund der hydrophilen Eigenschaften der keramischen Membranen erfolgt eine wesentlich schonendere Abtrennung des Produktes. In der Membranfilt- rationseinheit 4 wird beispielsweise das in der Reaktion verwendete Enzym ß-Galaktosidase zurückgehalten und befindet sich daher im Re- tentat, 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 ge- sammelt und Retentat über einen Rücklauf 2b wieder dem Reaktor 1 wahlweise mittels Pumpe P2 zugeführt.

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung filtert die Membranfiltrati- onseinheit den in einem kontinuierlichen Zulauf vom Reaktor 1 wahl- weise 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.

Um die Hydrolyse der Galactosyl-Oligosaccharide zu verhindern, bein- haltet das Bioreaktorsystem im Anschluss an die Membranfiltrations- einheit 4 in einer Ausführungsform zusätzlich eine Chromatographievor- richtung 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 ei- ne diskontinuierliche Chromatographie mit Rückführung der Zwischen- fraktionen verwendet.

Die computergesteuerte Mess-und Regeleinheit 3 wird so geregelt und gesteuert, dass Retentat-, Filtrat-und Reaktorvolumen auch bei unter- schiedlichen 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 en- zymatische Reaktion optimalen Temperatur von beispielsweise 40°C gehalten. Die Galactosyl-Oligosaccharide werden so nach kurzer Ver- weilzeit 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 wei- terer 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 Temperaturunter- schied beliebig reguliert und auf optimale Bedingungen eingestellt.

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 Das zur Herstellung von Galactosyl-Oligosaccharide durch enzymati- schen Umsetzung von Laktose verwendete Enzym ist ß-Galaktosidase, die aus verschiedenen Mikroorganismen stammt. Bekannt sind Pilze, wie Aspergillus oryzae und Aspergillus niger, Hefen, wie Bullera singu- laris, Candida und Klyveromyces lactis oder Bakterien wie Bacillus cir- culans, Lactobacillus bulgaricus, Streptococcus thermophilus. Handels- übliche Enzyme sind MaxilacC der Firma Gist Brocades, Lactase Fe der Firma Amano Pharmaceutical Co., Lactase Y400@ der Firma Vakult Honsha, Lactozyme der Firma Novo Industri, Godo-YNLe der Firma Godo Shusei und Biolactae der Firma Daiwa Chemicals.

Die eingesetzten Mengen betragen 1-100 Einheiten pro Gramm Lakto- se, wobei das Enzym in Lösung oder immobilisierter Form eingesetzt wird. Alternativ werden sämtliche Mikroorganismen, die ß- Galaktosidase enthalten in der Reaktion verwendet.

Laktose, die mit ß-Galaktosidase umgesetzt wird, stammt aus Molke und/oder Laktoselösung, wobei es bevorzugt wird, eine möglichst hoch- konzentrierte Laktoselösung einzusetzen. Dies erfolgt in einem Aufkon- zentrierungsschritt. Bei Temperaturen oberhalb von 93,5 °C kristallisiert aus übersättigten Laktoselösungen überwiegend die ß-Laktose. Beta- Laktose wird mit gleicher Affinität wie Alpha-Laktose von der ß- 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 aufzukon- zentrieren. Im erfindungsgemäßen Verfahren werden daher einerseits hochkonzentrierte Laktose-Lösung oder konzentrierte Molke-Lösung, aber auch eine Kombinationen von Laktose-und Molke-Lösung erfolg- reich eingesetzt.

Bei der enzymatischen Hydrolyse der Laktose mittels ß-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 Gesamt- menge der Saccharide zu steigern, allerdings bereiten die aus der Be- gleitreaktion immer entstehenden Monosaccharide in der Anwendung der Produkte als Nahrungsergänzungsmittel gewisse technische Prob- leme. Monosaccharide neigen insbesondere wenn sie als Pulver vorlie- gen zur Wasseraufnahme und Verklumpung und sind nicht mehr riesel- fähig. Um dieses Problem bei der Herstellung der Galactosyl- Oligosaccharide zu verhindern und eine nicht-hygroskopische Pulver- form herzustellen, sieht das erfindungsgemäße Verfahren einen zusätz- lichen Schritt, die kontinuierliche chromatographische Abtrennung und Aufarbeitung der Galactosyl-Oligosaccharide von den Monosacchariden vor, wobei Galactosyl-Oligosaccharide, die eine größere Anwendungs- breite in der Nahrungsmittelindustrie haben, aufkonzentriert werden können. Die Galactosyl-Oligosaccharid-Lösung wird alternativ in einem letzten Schritt bis zur Pulverform getrocknet.

Die Abtrennung von Wasser während der Reaktion durch Verdampfung erfolgt mittels eines Verdampfers z. B. Fallfilm-oder Dünnschichtver- dampfer, der in den Reaktionskreislauf integriert wird oder durch eine Membranverdampfungseinheit, die in den Reaktionskreislauf integriert wird.

Figur 2 zeigt die integrierte Wasserentfernung im Zulauf von Membran- filtrationseinheit zum Reaktor 2b mittels Vakuumverdampfung. Dadurch erhält man bereits das erste wasserfreie Produkt.

Bezugszeichenliste 1 Reaktor 2a Zulauf vom Substratbehälter zum Reaktor 2b Zulauf von Membranfiltrationseinheit zum Reaktor 2c Ablauf vom Reaktor zur Membranfiltrationseinheit 3 Mess-und Regeleinheit des Reaktors 4 Membranfiltrationseinheit 5 Vorrichtung zur Aufkonzentrierung des Substrates 6 Behälter mit Substrat 7 Chromatographievorrichtung 9 Gefäß mit Filtrat

Ausführungsbeispiele Das Membranreaktorsystem besteht aus einem herkömmlichen Rühr- kesselreaktor kombiniert mit einer Membranfiltrationseinheit. Dem Re- aktor, in dem sich das native Enzym befindet, strömt kontinuierlich die Laktoselösung (Feed) zu. Im Membranmodul wird das Enzym zurück- gehalten und dem Reaktor wieder zugeführt (Retentat), um somit wie- der für die Reaktion zur Verfügung zu stehen. Die entstehenden Pro- dukte, 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 Laktosehyd- rolyse mittels ß-Galaktosidase wird Laktoselösung und/oder Molke ver- wendet, wie sie in Molkereibetrieben als Nebenprodukt in großen Men- gen anfällt. Obwohl Molke nur eine niedrige Laktosekonzentration auf- weist, kann die Ausbeute an Galactosyl-Oligosaccharide so gesteigert werden, dass die Umsetzung des Verfahrens auch im industriellen Maßstab möglich ist.

Die Vorrichtung zur Aufkonzentrierung der Substrate, ist im Falle von Molke als Substrat eine Nanofiltrationseinrichtung, im Falle von Laktose als Substrat eine Heiz/Kühlvorrichtung.

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 Membranmo- dul Typ M05 der Firma Amafilter mit einer Membranfläche A=0,1 m2 verwendet. Die verwendete Membranfiltrationseinheit hat folgende Spezifikation : UF-PES-050 H PW UF-Ti02 Membran-Permanent Permanent Aluminiumoxid material hydrophylisiertes hydrophylisiertes Trennschicht : Polyethersulfon Polyethersulfon Zr02/Ti02 Cut off 50 kDa 10 kDa 20kDa/10 kDa pH-Bereich 0 bis 14 2 bis 11 1 bis 14 Temperatur 95 OC 50"C 121 OC

Die Chromatographievorrichtung ist eine simulated moving bed- Einrichtung (SMB).

Laktose als Substrat zur Herstellung einer konzentrierten Lösung an Galactosyl-Oligosacchariden Der Fermentationsprozess unter Verwendung von Laktose erfolgt unter folgenden Bedingungen : a) Aufkonzentrierung der Substrate Aufkonzentrierung der Laktose (20%-45%), die hier als Substrat dien- te, 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 I Rührkes- selreaktor

c) Zufuhr der ß-Galaktosidase zum enzymatischen Umsatz der Lakto- se-Lösung bezogen auf die Menge der Laktose, die kontinuierlich um- gesetzt werden soll Die ß-Galaktosidase stammt beispielsweise von folgenden Herstellern : Hersteller Enzymname Herkunfts-pH-Temp. Op-Aktivität organismus Optimum timum [°C] lU/g] Gist-Brocades Maxilact LX Kluyveromy-7, 0-7,5 35-40 5000 5000 ces lactis Gist-Brocades Maxilact LX Kluyveromy-6, 8-7, 0 35-40 2000 2000 ces lactis. Quest Interna-Biolactase L Kluyveromy-6 40-45 48000 tional ces lactis Recordatie ß-Kluyveromy-4, 5 50 886,4 wet Galactosi-ces lactis 2088,5 dase beads dry Amano Phar-Lactase F Aspergillus 5 55 10100 maceutical Co. oryzae Gamma Che-Gammalac-Aspergillus 4,5 50 50000 mie GmbH tase A50P oryzae Die optimalen Reaktionsbedingungen im Reaktor zur Herstellung von Galactosyl-Oligosacchariden, bei Verwendung unterschiedlicher Memb- ranen und Enzyme, sind beispielsweise :

Laktose Enzym Temp. [°C] pH-Opt. TMP [bar] Membran cut off 35% Maxilact L 2000 40 6,7 1,5 anorganisch 20 kDa 45% Lactase F 50 4, 8 2 PES 50 kDa

d) Rückhaltung des Enzyms und Filtration der entstehenden Produkte In der Membranfiltrationseinheit wird das Enzym zurückgehalten und dem Reaktor wieder zugeführt (Retentat), um somit wieder für die Re- aktion zur Verfügung zu stehen. Die entstehenden Produkte, Galacto- syl-Oligosaccharide, Glucose und Galactose sowie die nicht umgesetz- te Laktose können die Membran passieren und befinden sich im Filtrat (Permeat) Die Filtration erfolgt über die Membranfiltrationseinheit beispielsweise PES 50 bei einem Transmembrandruck (TMP) von 1,5 bar. Das Reten- tat wird dem Reaktor wieder zugeführt.

Die Ausbeute an Galactosyl-Oligosacchariden kann je nach Enzym- quelle und Substratkonzentration bis zu 45% der Gesamtmenge der Saccharide betragen. Beispiel : oligo.- Lactose Enzym Temp. pH-Opt. TMP [bar] Membran cut off Ausbeute Maxilact 45% 40 °C 6, 7 1, 5 anorganisch 20 kDa 38% L 2000 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 Die Galactosyl-Oligosaccharid-Lösung wird zur Pulverform getrocknet.