Naslov (srp)

Intenzifikacija procesa kontinualne proizvodnje prebiotskih oligosaharida : doktorska disertacija

Autor

Pravilović, Radoslava N., 1982-

Doprinosi

Todić, Branislav, 1987-
Bezbradica, Dejan, 1974-
Nikačević, Nikola, 1976-
Đuriš, Mihal, 1984-
Simović, Milica, 1986-

Opis (srp)

Predmet ove teze je intenzifikacija procesa proizvodnje prebiotika i u radu je dokazano da seenzimska sinteza prebiotskih oligosaharida može prevesti sa šaržnog na kontinualni proces, uzpovećanje produktivnosti.U radu je predložen novi mehanistički kinetički model za sintezu galakto-oligosaharida (GOS)sa β-galaktozidazom iz Aspergillus orizae. Eksperimenti su izvedeni u šaržnom laboratorijskomsistemu. Ispitano je nekoliko kinetičkih modela sa različitim reakcionim mehanizmima, kojipokrivaju širok opseg početnih koncentracija laktoze (200-400 g/l) i enzima (0,5-2 mg/ml). Kinetičkiparametri su određeni istovremeno za sve eksperimentalne podatke korišćenjem hibridnog genetskogalgoritma. Izvršena je detaljna analiza uticaja parametara procesa na koncentracije laktoze i GOS.Predloženi model je pokazao veoma dobro kvantitativno slaganje sa eksperimentalnim rezultatima,sa srednjom greškom od 9,34 %. Što je još važnije, kvalitativni trendovi promene koncentracijelaktoze i proizvoda (glukoze, galaktore i GOS-a) u vremenu se odlično predviđaju, posebno ako seuzme u obzir da su koncentracije enzima i laktoze varirane u širem opsegu nego što je do sadaobjavljeno u literaturi. Takođe, analiza između dve uporedne reakcije, transglikozilacije i hidrolizelaktoze, potvrdila je pozitivan efekat povećanja koncentracije laktoze na proizvodnju GOS. S drugestrane, koncentracija enzima je odredila reakciono vreme u kome se postiže maksimalnakoncentracija GOS.U ovom radu je zatim razvijen novi mehanistički kinetički model enzimski katalizovanesinteze frukto-oligosaharida (FOS), koji pripadaju grupi etabliranih prebiotika, kao i GOS. Korišćenaje komercijalna mešavina enzima Pectinek® Ultra SP’L dobijena od Aspergillus aculeatus. Različitepočetne koncentracije enzima (1-5 zap%) i koncentracije saharoze (400–600 g/l) su korišćene ueksperimentima, a rezultati su korišćeni za određivanje kinetičkih konstanti. Ispitano je višekinetičkih modela (analogan pristup kao za GOS), a usvojen je model koji je dao srednju grešku od13,34 % i dobro kvalitativno slaganje promena koncentracija komponenti sa vremenom. Pokazalo se,kao i kod GOS, da početna koncentracija supstrata, u ovom slučaju saharoze, značajno utiče namaksimalno postignutu koncentraciju FOS, dok je koncentracija enzima odredila vreme u kome sedostiže maksimum FOS.U trećem delu ove teze je predložen inovativni spiralni reaktor sa pregradama (SORP) ioscilatornim tokom za kontinualnu proizvodnju prebiotika. Prikazan je dizajn SORP, prototip (dužine4 m, i prečnika 10 mm) izrađen pomoću 3D štampe, u kome su izvedeni prvo eksperimenti zaispitavanje strujanja, a zatim sa enzimskom reakcijom. Na primeru sinteze GOS sa slobodnimenzimom je pokazano da se kontinualna proizvodnja može uspešno ostvariti, uz visoku koncentracijuželjenog proizvoda. Takođe je pokazano da se sa povećanjem protoka kroz SORP, mešanjeintenzivira, a vreme zadržavanja skraćuje, pa se stacionarne koncentracije laktoze i proizvoda dostižuza vreme koje odgovara dvostrukoj vrednosti srednjeg vremena zadržavanja.Nezavisni eksperimenti sa obeleženom supstancom su izvedeni kako bi se kvantifikovalomešanje u SORP. Rezultati su pokazali da je strujanje tečnosti u SORP relativno blisko klipnom, uzodređena odstupanja koja zavise od protoka oscilatornog, kao i normalnog (nesocilatornog) toka. Uradu je korišćen model kaskade idealno izmešanih sudova u nizu, koji dobro opisuje strujanje, uzadekvatno određen broj sudova N. Predložena je i nova bezdimenzona koreleacija koja daje vezuizmeđu broja sudova N i Rejnoldsovih brojeva ocilatornog (Reo) i normalnog toka (Ren).U eksperimentima u SORP je ispitana i mogućnost korišćenja recikla, kako bi seintenzifikovalo mešanje i obezbedila velika vremena zadržavanja, što je povoljno za sporebiohemijske reakcije. Međutim, pokazano je da recikl nije neophodan, u slučaju da je dužina reaktora4 m. U eksperimentima je analizirano i ponašanje enzima u SORP, koji se u toku reakcije ne troši.Rezultati eksperimenata su pokazali razliku unete i izlazne mase enzima, odnosno da se određena, ane mala, količina enzima zadržava u reaktoru.Numeričkom optimizacijom su dobijeni optimalni protoci i ulazne koncentracije enzima.Korišćene su dve funkcije cilja, jedna koja daje maksimalnu proizvodnost GOS u datoj zapremini uodnosu na konverziju laktoze, i druga koja daje maksimalnu proizvodnost GOS, ali u odnosu naulaznu koncentraciju enzima. U oba slučaja optimizacija je potvrdila da nije potrebno uvoditi recikl,kao i da treba koristiti maksimalno moguću koncentraciju laktoze. Za aktivniji enzim optimizacija jedala veliku produktivnost GOS od 17 mmol/min u kratkom vremenu zadržavanja od samo 2,4 min iuz upotrebu maksimalne koncentracije enzima. Druga funkcija cilja je dala manju produktivnost GOSod oko 9 mmol/min u dužem vremnu zadržavanja od oko 4,3 min, ali uz uštedu enzima, jer jekoncentracija duplo manja, a potrošnja (protok) enzima za 73,2 % manja u odnosu na prvu funkcijucilja.U ovoj tezi je pokazano da je prelazak sa šaržnog na kontinualni način proizvodnje prebiotikapokazao bolje rezultate u vrednostima konverzije laktoze, selektivnosti i proizvodnosti. SORP sepokazao kao atraktivno rešenje za intenzifikaciju procesa proizvodnje etabliranih prebiotika.

Opis (srp)

Tehnološko inženjerstvo - Hemijsko inženjerstvo / Technological Engineering -: Chemical Engineering Datum odbrane: 27.09.2024.

Opis (eng)

The subject of this dissertation is the intensification of the prebiotic production process, andit has been demonstrated that batch-to-continuous prebiotic oligosaccharide enzymatic productioncan be achieved with a significant increase in productivity.In this thesis, a new mechanistic model for the synthesis of galacto-oligosaccharides (GOS)with β-galactosidase from Aspergillus oryzae is proposed. The experiments were performed in alaboratory batch system. Several kinetic models with different reaction mechanisms were tested,covering a wide range of initial concentrations of lactose (200–400 g/l) and enzyme (0.5-2 mg/ml).Kinetic parameters were estimated simultaneously for all experimental data using a hybrid geneticalgorithm. A detailed analysis of the influence of process parameters on lactose and GOSconcentrations was performed. The proposed model showed a very good quantitative agreement withthe experimental data, with a mean error of 9.34 %. More importantly, the qualitative trends of changein lactose and product concentration (glucose, galactose and and GOS) over time are excellentlypredicted, especially considering enzyme and lactose concentrations over a wider range thanpreviously reported in the literature. Also, the analysis between two comparative reactions,transglycosylation and lactose hydrolysis, confirmed the positive effect of increasing lactoseconcentration on GOS production. On the other hand, the enzyme concentration determined thereaction time at which the maximum GOS concentration was reached.Then, a new mechanistic model of enzyme-catalyzed synthesis of fructo-oligosaccharides(FOS), which belong to the group of established prebiotics as well as GOS, was also developed. Acommercial Pectinek® Ultra SP'L enzyme mixture obtained from Aspergillus aculeatus was used.Different initial enzyme concentrations (1–5 vol.%) and sucrose concentrations (400–600 g/l) wereused in the experiments, and the kinetic constants were determined from the results. Several kineticmodels were examined (analogous approach as for GOS), and the most favorable model was adopted,which gave a mean error of 13.34 % and a good qualitative agreement of changes in componentconcentrations with time. Similar to GOS, it was demonstrated that the maximum FOS concentrationachieved is greatly influenced by the initial concentration of the substrate—in this case, sucrose—while the enzyme concentration determines the reaction time at which the maximum FOS is reached.In the third part of this thesis, an innovative spiral reactor with baffles and oscillatory flow(SORP) is proposed for the continuous production of prebiotics. The SORP design is presented usinga prototype (4 m long and 10 mm in diameter) made using 3D printing, in which experiments wereperformed first to test the flow, and then with the enzymatic reaction. Using the example of GOSsynthesis with a free enzyme, it was shown that continuous production can be successfully achievedwith a high concentration of the desired product. Additionally, it was demonstrated that the stationaryconcentrations of lactose and product are reached in a time corresponding to double the meanresidence time when the flow rate through the SORP increases, intensifying mixing and reducingretention time.Independent tracer experiments were performed to confirm the well-quantified mixing inSORP. The results showed that flow in SORP is relatively close to plug flow, with some deviationsdepending on oscillatory flow as well as normal (non-oscillatory) flow. In the study, it was shownthat the cascade model of ideally mixed tanks-in-series describes the flow behavior well, with anadequately determined number of tanks in series N. A new dimensionless correlation was alsoproposed that gives a connection between the virtual number of tanks in series N and the oscillatoryReynolds numbers (Reo) and normal flowrate (Ren).In the SORP experiments, the possibility of using recycle was examined in order to intensifythe mixing and ensure long retention times, which is favorable for slow biochemical reactions.However, it was shown that recycling is not necessary if the length of the reactor is 4 m. Theexperiments also analyzed the behavior of the enzyme in SORP, which is not consumed during thereaction. The results of the experiments showed a difference between the input and output mass ofthe enzyme, indicating that a significant amount of enzyme is held in the reactor.Enzyme initial concentrations and optimal flows were obtained using numerical optimization.Two objective functions were used: one that gives the maximum GOS productivity in a given volumeversus lactose conversion, and another that gives the maximum GOS productivity but versus initialenzyme concentration. In both cases, the optimization confirmed that it is not necessary to introducerecycling and that the maximum possible concentration of lactose should be used. For the more activeenzyme, the optimization gave a high GOS productivity of 17 mmol/min with a short retention timeof only 2.4 min and using the maximum enzyme concentration. The second objective function gavea lower productivity of GOS of about 9 mmol/min in a longer retention time of about 4.3 min, butwith a saving of enzymes because the concentration is twice as low and the consumption (flow) ofenzymes is 73.2 % lower compared to the first objective function.The shift from batch to continuous prebiotic production provided better lactose conversion,selectivity, and productivity values, as demonstrated in this dissertation. SORP proved to be anattractive solution for the intensification of the established prebiotic production process

Jezik

srpski

Datum

2024

Licenca

Ovo delo je licencirano pod uslovima licence
Creative Commons CC BY-NC-ND 3.0 AT - Creative Commons Autorstvo - Nekomercijalno - Bez prerada 3.0 Austria License.

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/at/legalcode

Predmet

OSNO - Opšta sistematizacija naučnih oblasti, Hemijsko inženjerstvo

OSNO - Opšta sistematizacija naučnih oblasti, Prehrambena industrija. Industrijska mikrobiologija

prebiotics, enzymatic reaction, kinetic model, process intensification, process optimization, spiral reactor with baffles and oscillatory flow, model of non-ideal flow

OSNO - Opšta sistematizacija naučnih oblasti, Hemijsko inženjerstvo

OSNO - Opšta sistematizacija naučnih oblasti, Prehrambena industrija. Industrijska mikrobiologija

prebiotici, enzimska reakcija, kinetički model, intenzifikacija procesa, optimizacija procesa, spiralni reaktor sa pregradama i oscilatornim tokom, model neidealnog strujanja