AT408447B - Process for the enzymatic cleavage of lactose by means of membrane diffusion reactors - Google Patents

Process for the enzymatic cleavage of lactose by means of membrane diffusion reactors Download PDF

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Abstract

Process for the enzymatic cleavage of lactose by means of membrane diffusion reactors makes use of a thermally stable enzyme or mixture of thermally stable enzymes as lactose-cleaving enzyme, and is carried out at a temperature between 50 degree C and 85degreeC. <IMAGE>

Description

       

   <Desc/Clms Page number 1> 
 



   Die gegenständliche Erfindung betrifft ein Verfahren zur enzymatischen Lactosespaltung mit- tels Membrandiffusionsreaktoren. 



   Mit Hilfe eines solchen Verfahrens können einerseits Lactoselösungen behandelt werden und können andererseits Milch und Milchprodukte, wie Magermilch oder Molke, zu lactosereduzierten
Produkten verarbeitet werden. 



   Da etwa 75 % der erwachsenen   Weltbevölkerung   lactoseintolerant sind, besteht ein sehr gro- sser Bedarf an lactosereduzierten Milchprodukten. Zudem hat es sich herausgestellt, dass die Lac- tose der Milch oftmals auch von Tieren nicht vertragen wird, weswegen mit lactosearmen Milch- produkten In der Tierzucht bemerkenswerte Vorteile hinsichtlich der Ernährung und des Wachstums der Tiere erzielt werden. Schliesslich wird darauf verwiesen, dass es bei Anhebung des Feststoffgehaltes der Milch auf über 30 % zu einer Destabilisierung der Proteinphase kommen kann. Ähnliche Nachteile ergeben sich   z. B.   in der Speiseeisindustrie, da es deshalb, da das Protein wegen der Kristallisation der Lactose bei niedrigen Temperaturen nur schwer wieder suspendiert werden kann, nicht möglich ist, Milch mit einem hohen Feststoffgehalt zu verwenden.

   Ausserdem führt die Lactosekristallisation zu einer sog. Sandigkeit des Eises. 



   Lactose ist ein Disaccharid, weiches durch das Enzym   ss-Gtycosidase,   wie ss-Glucosidase und   ss-Galactosidase,   in seine Bestandteile Glucose und Galactose gespalten werden kann. Die direkte Zugabe dieser Enzyme wird von vielen Konsumenten abgelehnt. Da sie zudem auch sensorische
Nachteile mit sich bringen kann, wurde nach anderen Möglichkeiten zur enzymatischen Spaltung der Lactose gesucht. 



   Aus der DE 2151534 A1 ist es bekannt, ein Enzym auf oder in Trägern zu immobilisieren und die Milch oder das Milchprodukt mit diesen Feststoffen in Perkolationsanlagen zu behandeln. Es hat sich jedoch gezeigt, dass diese Anlagen zur Verblockung durch die Bestandteile der Milch neigen und dass ausserdem ein   mikrobieller   Befall der Milch bzw. der Molke nur schwer zu verhindern ist. Zudem ist die Sterilisation der Anlagen äusserst aufwendig, insbes. im Hinblick darauf, dass bei Hitzebehandlungen auch das verwendete Enzym geschädigt wird. 



   Eine Verbesserung auf diesem Gebiet schien in der Verwendung von Membrandiffusionsreaktoren zusammen mit mesophilen Enzymen zu liegen. In derartigen Reaktoren ist die Milch von der Enzymlösung durch eine Membran, deren Porengrösse eine Diffusion der Lactose in die   Enzymlö-   sung und eine Rückdiffusion der Spaltprodukte in die lactosearme Milch gestattet, getrennt. Es wird hiezu auf P. Czermak, BioEngineering 8, Seiten 47 bis 52, verwiesen. Prozesse dieser Art können bei Temperaturen bis zu maximal   45 C   ablaufen. 



   Membrandiffusionsreaktoren sind häufig als Hohlfaser-Reaktoren ausgebildet, in weichen das zu behandelnde Produkt im Inneren der Fasern, welche von der   Permeatiösung   umgeben sind, strömt. Dabei ist das Enzym in der Permeatlösung enthalten. Bei Membrandiffusionsverfahren wird durch die Trennung der   lactosehaltigen     Substratlösung   von der Enzymlösung neben mehreren anderen Vorteilen auch eine mögliche Inaktivierung des Enzyms durch die Milchbestandteile, nämlich durch Proteine und Restfette, verhindert. Von Bedeutung ist weiters die mögliche Erhöhung der Langzeitstabilität des Enzyms durch getrennte Behandlung der Enzymlösung sowie die Vereinfachung des Prozesses deshalb, da eine nachfolgende Abtrennung des Enzyms aus dem Produktstrom nicht erforderlich ist. 



   Auch bei diesen Anlagen besteht naturgemäss die Gefahr der mikrobiellen Infektion. Um diese zu vermeiden, wurde die Verwendung von dampfsterilisierbaren Membrandiffusionsreaktoren vorgeschlagen. Es wird hiezu auf P. Czermak,   DECHEMA-Biotechnol.   Conf. 2, Seiten 133 bis 145,   Elsevier   Applied Science, London 1991, verwiesen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass diese Reaktoren so aufwendig und teuer sind, dass sie für industrielle Verfahren derzeit nicht in Frage kommen. 



   Der gegenständlichen Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, durch welches die den bekannten Verfahren anhaftenden Nachteile vermieden werden. Dies wird   erfindungsgemäss   dadurch erzielt, dass als Enzym zur Lactosespaltung ein thermostabiles Enzym oder ein Gemisch thermostabiler Enzyme verwendet wird und dass das Verfahren bei einer Temperatur zwischen 50"C und   850C   durchgeführt wird. 



   In diesem Temperaturbereich, welcher der Pasteurisierungstemperatur gleichkommt, wird das Wachstum der meisten Mikroorganismen unterdrückt. Beim Arbeiten in einem Membrandiffusionsreaktor ergibt sich aufgrund der höheren Temperaturen eine gesteigerte Lactosediffusion, was zu einer besseren Ausnützung der Membran führt. 

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   Vorzugsweise wird als Enzym eine thermostabile   ss-Glycosidase, z. B.   eine   ss-Galactosidase   bzw. ss-Glucosidase, aus einem rekombinanten Mikroorganismus, verwendet. Eine solche ss-Glycosidase wird z. B aus Sulfolobus solfataricus oder Pyrococcus furiosus gewonnen. Es wird hiezu auf die Literaturstellen Enzyme and Microbial Technology 17 992-997,1995 von M. Moracci, R. Nucci, F. Febbraio, C. Vaccaro, N. Vespa, F. La Cara und M. Rossi, sowie"Journal of Bacteriology",   Dec. 1995 p. 7105-1711   von   W. G. B. Voorhorst, R. 

   <Desc / Clms Page number 1>
 



   The present invention relates to a process for enzymatic lactose cleavage by means of membrane diffusion reactors.



   With the aid of such a method, lactose solutions can be treated on the one hand and milk and milk products such as skimmed milk or whey can be reduced to lactose on the other hand
Products are processed.



   Since about 75% of the world's adult population is lactose intolerant, there is a very great need for lactose-reduced milk products. In addition, it has been found that the lactose of milk is often not tolerated by animals, which is why remarkable advantages in terms of nutrition and growth in animals are achieved with low-lactose milk products in animal breeding. Finally, reference is made to the fact that increasing the solids content of the milk to over 30% can lead to destabilization of the protein phase. Similar disadvantages arise e.g. B. in the ice cream industry, since it is not possible to use milk with a high solids content because the protein is difficult to resuspend at low temperatures due to the crystallization of the lactose.

   In addition, lactose crystallization leads to a so-called sandiness of the ice.



   Lactose is a disaccharide that can be broken down into its components glucose and galactose by the enzyme ss-glycosidase, such as ss-glucosidase and ss-galactosidase. The direct addition of these enzymes is rejected by many consumers. Since they are also sensory
Disadvantages, other options for the enzymatic cleavage of lactose were sought.



   From DE 2151534 A1 it is known to immobilize an enzyme on or in carriers and to treat the milk or the milk product with these solids in percolation plants. However, it has been shown that these systems tend to block due to the constituents of the milk and that it is also difficult to prevent microbial contamination of the milk or whey. In addition, the sterilization of the systems is extremely complex, especially in view of the fact that the enzyme used is also damaged during heat treatments.



   An improvement in this area appeared to be the use of membrane diffusion reactors with mesophilic enzymes. In such reactors, the milk is separated from the enzyme solution by a membrane, the pore size of which allows diffusion of the lactose into the enzyme solution and a back diffusion of the cleavage products into the low-lactose milk. For this, reference is made to P. Czermak, BioEngineering 8, pages 47 to 52. Processes of this type can run at temperatures up to a maximum of 45 ° C.



   Membrane diffusion reactors are often designed as hollow fiber reactors into which the product to be treated flows inside the fibers which are surrounded by the permeate solution. The enzyme is contained in the permeate solution. In membrane diffusion processes, the separation of the lactose-containing substrate solution from the enzyme solution, in addition to several other advantages, also prevents possible inactivation of the enzyme by the milk components, namely by proteins and residual fats. Also of importance is the possible increase in the long-term stability of the enzyme by separate treatment of the enzyme solution and the simplification of the process because a subsequent separation of the enzyme from the product stream is not necessary.



   With these systems, too, there is naturally a risk of microbial infection. To avoid this, the use of steam sterilizable membrane diffusion reactors has been proposed. It becomes P. Czermak, DECHEMA-Biotechnol. Conf. 2, pages 133-145, Elsevier Applied Science, London 1991. However, it has been shown that these reactors are so complex and expensive that they are currently out of the question for industrial processes.



   The object of the present invention is therefore to provide a method by which the disadvantages inherent in the known methods are avoided. This is achieved according to the invention in that a thermostable enzyme or a mixture of thermostable enzymes is used as the enzyme for lactose cleavage and in that the method is carried out at a temperature between 50 ° C. and 850 ° C.



   In this temperature range, which is the pasteurization temperature, the growth of most microorganisms is suppressed. When working in a membrane diffusion reactor, the higher temperatures result in increased lactose diffusion, which leads to better utilization of the membrane.

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   A thermostable ss-glycosidase, e.g. B. an ss-galactosidase or ss-glucosidase from a recombinant microorganism used. Such an ss-glycosidase is e.g. B obtained from Sulfolobus solfataricus or Pyrococcus furiosus. Reference is made to the references Enzyme and Microbial Technology 17 992-997, 1995 by M. Moracci, R. Nucci, F. Febbraio, C. Vaccaro, N. Vespa, F. La Cara and M. Rossi, and "Journal of Bacteriology ", Dec. 1995 p. 7105-1711 by W.G.B. Voorhorst, R.
    

Claims (16)

1. L. Eggen, E. J. Luesink und W. M. de Vos, verwiesen. Für diesen Zweck können jedoch auch andere thermostabile, lactosespaltende Enzyme eingesetzt werden. Eine Arbeitstemperatur von 500C bis 85 C bedeutet, dass immer noch extrem thermophile Mikroorganismen im Permeat vorliegen können. Es hat sich daher als vorteilhaft erwiesen, das Permeat mindestens teilweise sterilzufiltrieren und bzw. oder mit UV-Licht zu bestrahlen. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit einer kontinuierlichen Verfahrensführung, da die Anlage häufig stillgelegt und gereinigt werden muss. Die gegenständliche Erfindung betrifft weiters ein Verfahren zur enzymatischen Lactosespaltung mit Hilfe mesophiler Enzyme bei einer Temperatur von maximal 500C in einem Membrandiffusionsreaktor, bei weichem Verfahren erfindungsgemäss das Permeat mindestens teilweise sterilfiltriert und bzw. oder mit UV-Licht bestrahlt wird. Dadurch ergibt sich gleichfalls der Vorteil der kontinuierlichen Verfahrensführung. Beide Sterilisationsverfahren, nämlich die Sterilfiltration und die UV-Bestrahlung, sind an sich zum Zweck der Befreiung von Mikroorganismen bekannt, jedoch wurden sie bisher im Zusammenhang mit der Lactosespaltung in Membrandiffusionsreaktoren nicht eingesetzt. Dies ist offenbar darauf zurückzuführen, dass nur eine sehr sorgfältig Verfahrensführung dazu führt, dass nicht gleichzeitig mit der Abtötung von Mikroorganismen auch die Enzyme inaktiviert werden. Zu den Membrandiffusionsverfahren wird darauf verwiesen, dass die erforderliche Membranflache und die Kosten der Enzymibsung Faktoren sind, weiche die Wirtschaftlichkeit dieses Verfahrens stark beeinflussen. Jede Massnahme, durch welche die Stabilität der Enzymlösungen erhöht wird, ist als wesentliche Einsparung anzusehen. Da die Stoffwechselprodukte von Mikroorganismen die Enzyme inaktivieren können, trägt eine kontinuierliche Sterilisation der Permeatiösung ganz wesentlich zur Stabilisierung der Enzymlösung bei. Die Membranfläche, welche zur Herstellung einer bestimmten Menge lactosearmer Milch pro Zeiteinheit erforderlich ist, hängt in erster Linie von der Lactosediffusionsgeschwindigkeit ab. Dabei spielen neben verschiedenen chemisch-physikalischen Faktoren, wie Temperatur, Lactosekonzentration usw., auch modulspezifische bzw. membranspezifische Eigenschaften eine wichtige Rolle. Hierzu gehören beispielsweise der Hohlfaserdurchmesser, die Porengrösse der Membran und das Membranmaterial. Bei der Entwicklung der erfindungsgemässen Technologie stellt somit die Auswahl eines geeigneten Membranmoduls einen wichtigen Aspekt dar. Es wird ausserdem darauf verwiesen, dass die angeführten Einflussfaktoren teilweise voneinander abhängig sind. So kann beispielsweise durch die Erhöhung der Enzymkonzentration eine teilweise Reduzierung der Membranfläche erreicht werden. Bel einer gewünschten Qualität des Endproduktes (Hydrolysegrad) ist somit nur die Gesamtwirtschaftlichkeit für die Auswahl der Verfahrensführung ausschlaggebend. Das erfindungsgemässe Verfahren ist nachstehend anhand von Diagrammen und Darstellun- gen näher erläutert. Es zeigen : EMI2.1 cosidase aus Pyrococcus furiosus, Fig.1. L. Eggen, E.J. Luesink and W.M. de Vos. However, other thermostable, lactose-splitting enzymes can also be used for this purpose.    A working temperature of 500C to 85C means that extremely thermophilic microorganisms can still be present in the permeate. It has therefore proven to be advantageous to sterile-filter the permeate at least partially and / or to irradiate it with UV light. This results in the possibility of continuous process control, since the system often has to be shut down and cleaned.    The subject invention further relates to a method for enzymatic lactose cleavage with the aid of mesophilic enzymes at a temperature of at most 500 ° C. in a membrane diffusion reactor, in the soft method according to the invention the permeate is at least partially sterile filtered and / or irradiated with UV light. This also gives the advantage of continuous process control.    Both sterilization processes, namely sterile filtration and UV radiation, are known per se for the purpose of freeing microorganisms, but they have not previously been used in connection with lactose cleavage in membrane diffusion reactors. This is apparently due to the fact that only a very careful procedure leads to the fact that the enzymes are not inactivated at the same time as the killing of microorganisms.    Regarding the membrane diffusion process, reference is made to the fact that the membrane area required and the cost of the enzyme solution are factors which strongly influence the economics of this process. Any measure by which the stability of the enzyme solutions is increased is to be regarded as an essential saving. Since the metabolites of microorganisms can inactivate the enzymes, continuous sterilization of the permeate solution contributes significantly to the stabilization of the enzyme solution.    The membrane area that is required to produce a certain amount of low-lactose milk per unit of time depends primarily on the lactose diffusion rate. In addition to various chemical-physical factors such as temperature, lactose concentration, etc., module-specific or membrane-specific properties also play an important role. These include, for example, the hollow fiber diameter, the pore size of the membrane and the membrane material. In the development of the technology according to the invention, the selection of a suitable membrane module is therefore an important aspect. Reference is also made to the fact that the influencing factors mentioned are partly dependent on one another. For example, a partial reduction in the membrane area can be achieved by increasing the enzyme concentration.    In terms of the desired quality of the end product (degree of hydrolysis), only the overall economy is decisive for the selection of the process.    The method according to the invention is explained in more detail below with the aid of diagrams and representations. Show it :  EMI2.1  Pyrococcus furiosus cosidase, Fig. 2 die schematische Darstellung einer mit Membrandiffusionsverfahren arbeitenden Anlage, Fig. 3 die schematische Darstellung einer mit Membrandiffusionsverfahren arbeitenden Anlage, bei welcher das Permeat durch eine Sterilfiltration und bzw. oder eine UV-Bestrah- lungseinheit geführt wird, und Fig. 4 eine graphische Darstellung des Einflusses der UV-Bestrahlung auf Keimzahl und Enzymaktivität. Die vorzugsweise verwendeten Enzyme wurden aus rekombinanten E. coli gewonnen. Beispielsweise erfolgte die Produktion der ss-Glycosidase aus Pyrococcus furiosus durch Fermentation des rekombinanten E. coli BL 21 (DE3). Aus dem in Fig. 1 dargestellten Diagramm ist ein typischer Fermentationsverlauf ersichtlich. Unter Optimalbedingungen lag die Halbwertszeit des Enzyms aus <Desc/Clms Page number 3> S. solfataricus bei ca. 10 Tagen, wogegen das Enzym aus Pyrococcus furiosus unter den gleichen Bedingungen mehr als zwei Monate stabil war. Das pH-Optimum lag in beiden Fällen zwischen 5, 0 und 6, 0, was für die Anwendung zur Lactosespaltung in Milch (pH ca 6, 6) nahezu optimal ist Der Einfluss von hohen Ionenkonzentrationen bewirkt bei vielen mit Enzymen arbeitenden Prozessen eine Reduktion der Enzymaktivität. In der Milch sind im Durchschnitt insgesamt ca 200 mM Kalium, Calcium, Magnesium und Natrium enthalten. Im vorliegenden Fall reduziert sich die Aktivität der ss-Giycosidase aus S. solfataricus auf ca 85 %, wogegen die Aktivität der ss-Glycosidase aus P. furiosus um mehr als ein Drittel reduziert wird. Diese Werte sind für die Durchführung des erfin- dungsgemässen Verfahrens durchaus zufriedenstellend. Was die Produktion der Enzyme betrifft, so wurden im Schüttelkolben 3000 Ull Kulturlösung bzw. 24500 U/1 erzielt. Im 151-Fermenter konnte die Ausbeute für die ss-Gtycosidase aus P. furiosus auf mehr als das Vierfache erhöht werden. Die Überprüfung und Optimierung der Verfahrensbedingungen erfolgten an einer Laboranlage eines Membrandiffusionsreaktors, welcher nachstehend anhand der Fig. 2 erläutert ist. Die Milch wird kontinuierlich aus einem Vorratsbehälter 1, welcher sich in einem Kühlbad 2 befindet, ent- nommen und über eine Pumpe 3 und einen Wärmetauscher 4 in den Membrandiffusionsreaktor M geleitet. Währenddessen wird die Enzymlösung aus einem Enzymbehälter 5 im Gleichstrom ebenfalls durch den Membranreaktor M geleitet. Wesentlich sind der Druck und die Temperatur der Anlage, welche u. a. mit Hilfe von Temperaturfühlern 6 und Manometern 7 überwacht werden. Die Enzymlösung wurde über das externe Vorratsgefäss im Kreis gepumpt. Als Basis für die vorliegenden Arbeiten wurden vorerst folgende verfahrenstechnische Parameter gewählt : Porengrösse entsprechend ca. 5000 Dalton ("cut off') Faserinnendurchmesser ca. 200 Mikrometer spezifische Hydrolyse- ca. 2 Liter Milch pro m2 Leistung Membranfläche und Stunde (bei ca. 80 % Hydrolysegrad) Es zeigte sich jedoch, dass für das erfindungsgemässe Verfahren auch Membranen mit grösseren Poren (entsprechend ca. 10000 Dalton) eingesetzt werden können. Allerdings waren bei einer Porengrösse entsprechend ca. 30000 Dalton bereits Enzymverluste merkbar. Der Innendurchmesser der Fasern konnte auch bei 500 Mikrometer liegen. Versuche ergaben, dass dabei eine etwa gleiche Hydrolyseleistung wie bei einem Innendurchmesser der Fasern von 200 Mikrometer erzielbar war. In Fig. 3 ist eine Anlage gemäss Fig. 2 dargestellt, wobei zusätzlich die Permeatlösung in einer Vorrichtung 8 einer Sterilfiltration bzw. in einer Vorrichtung 9 einer UV-Bestrahlung ausgesetzt wird. Aus dem Diagramm gemäss Fig. 4 ist ersichtlich, dass bei Einwirkung von UV-Licht die Keimzahl innerhalb kürzester Zeit rasch absinkt. Die Enzymaktivität bleibt jedoch nahezu stabil, was für die Verwendbarkeit dieses Behandlungsverfahrens ausschlaggebend ist. Nachstehend sind sowohl für die Lactosehydrolyse mit thermostabilen Enzymen als auch für das analoge Verfahren mit mesophilen Enzymen jeweils Beispiele angegeben. BEISPIEL 1 Lactosehvdrolvse mit thermostabilen Enzymen In einer Anlage gemäss Fig. 2 wurde die Magermilch mit Hilfe eines Wärmetauschers auf ca. 65 C (338 K) erwärmt und durch den Hohlfasermodul gepumpt. Die Hohlfasern hatten einen Innendurchmesser von ca. 0, 0005 m. Der Milchdurchfluss wurde auf ca. 0, 002 m3 pro m2 Membranfläche und Stunde eingestellt, wobei ein Hydrolysegrad von etwa 80% erzielt wurde. Wie dies aus Fig 2 ersichtlich ist, wird die Enzymlösung im Kreis gepumpt, wobei die Temperatur von ca. 338 K eingehalten wurde. Bei dieser relativ hohen Prozesstemperatur wird das Wachstum von Mikrorganismen weitgehend verhindert. Die Lactosehydrolyse kann somit über einen längeren Zeitraum kontinuierlich geführt werden. Die Halbwertszeit des eingesetzten thermophile rekombinanten Enzyms aus Pyrococcus furiosus betrug ca. zwei Wochen. In diesen Abständen wurde die <Desc/Clms Page number 4> gesamte Anlage einer Reinigung und Spülung unterzogen. BEISPIEL 2 Lactosehvdrolvse mit mesophilen Enzymen A. Sterilfiltration der Enzvmlösung Die verfahrenstechnische Durchführung des Prozesses erfolgte in einer Anlage gemäss Fig. 3. Die Anlage entspricht mit Ausnahme der Zusatzeinrichtungen für die Sterilfiltration bzw. die UVBestrahlung im wesentlichen der Anlage von Beispiel 1. Die Milch wurde mittels eines Wärmetauschers auf ca. 300C (303 K) erwärmt und durch einen Hohlfasermodul gepumpt. Die Hohlfasern wiesen den gleichen Innendurchmesser wie in der Anlage von Beispiel 1 auf und der Milchdurchfluss wurde in der gleichen Weise eingestellt. Da bei einer Temperatur von 30 C die Mikroorganismen nahezu ideale Wachstumsbedingungen in der zuckerhaltigen Enzymlosung vorfinden, ist ein kontinuierlicher Prozess ohne Sterilisation nahezu nicht durchführbar. Deshalb wurde die Enzymlösung kontinuierlich sterilfiltriert. Im vorliegenden Fall wurde ein "Cross-flow"-Mikrofiltrationsmodul mit einer Porengrösse von ca. 0,2 m eingesetzt. Wesentlich dabei war, dass die Mikroorganismen vom eingesetzten Filter zurückgehalten wurden und dass die Enzyme den Sterilfilter ungehindert passieren konnten. B. UV-Bestrahluna der Enzvmlösuna In diesem Beispiel wurde die Enzymlösung mittels UV-Bestrahlung (254 nm) in einer handels- üblichen zylindrischen Bestrahlungskammer mit regelbarer Bestrahlungsteistung behandelt. Die Bestrahlungslampe hatte eine Leistung von 25 Watt. Die Einstellung der Bestrahlungsdosis musste sehr sorgfältig erfolgen, um die Enzymlösung dabei nicht wesentlich zu inaktivieren. C. Sterilfiltration und UV-Bestrahluna der Enzvmlösuna Die Effizienz des Systems konnte dadurch gesteigert werden, dass das Verfahren mit Sterilfiltration und UV-Bestrahlung der Enzymlösung durchgeführt wurde. Die Gesamtkeimzahl konnte über mehrere Stunden auf einem sehr niedrigen Niveau gehalten werden. Die Lebensdauer der Enzyme betrug einige Tage. PATENTANSPRÜCHE : 1. Verfahren zur enzymatischen Lactosespaltung mittels Membrandiffusionsreaktoren, da- durch gekennzeichnet, dass als lactosespaltendes Enzym ein thermostabiles Enzym oder ein Gemisch thermostabiler Enzyme verwendet wird und dass das Verfahren bei einer Temperatur zwischen 50 C und 85 C durchgeführt wird. 2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Enzym eine thermo- stabile ss-Glycosidase, wie eine ss-Gatactosidase bzw. eine ss-Glucosidase, aus einem rekombinanten Mikroorganismus verwendet wird. 2 shows the schematic representation of a system working with membrane diffusion processes, 3 shows the schematic representation of a plant working with membrane diffusion processes, in which the permeate is passed through a sterile filtration and / or a UV radiation unit, and Fig. 4 is a graphical representation of the influence of UV radiation on the number of bacteria and Enzyme activity.    The preferably used enzymes were obtained from recombinant E. coli. For example, the ss-glycosidase from Pyrococcus furiosus was produced by fermentation of the recombinant E. coli BL 21 (DE3). A typical fermentation process can be seen from the diagram shown in FIG. 1. The half-life of the enzyme was optimal  <Desc / Clms Page number 3>   S. solfataricus at about 10 days, whereas the enzyme from Pyrococcus furiosus was among the same Conditions was stable for more than two months.    The pH optimum was between 5, 0 and 6, 0 in both cases, which is almost optimal for use in lactose cleavage in milk (pH approx. 6, 6) Influence of high ion concentrations causes a reduction in enzyme activity in many processes using enzymes. There is an average of about 200 mM potassium in milk, Contain calcium, magnesium and sodium. In the present case, the activity of ss-glycosidase from S. solfataricus is reduced to about 85%, whereas the activity of ss-glycosidase from P. furiosus is reduced by more than a third. These values are quite satisfactory for the implementation of the method according to the invention. With regard to the production of the enzymes, 3000 Ull culture solution or 24500 U / 1 were achieved in the shake flask.    In the 151 fermenter, the yield for ss-gtycosidase from P. furiosus was increased more than fourfold.    The process conditions were checked and optimized on a laboratory system of a membrane diffusion reactor, which is explained below with reference to FIG. 2. The milk is continuously removed from a storage container 1, which is located in a cooling bath 2, and fed into the membrane diffusion reactor M via a pump 3 and a heat exchanger 4. In the meantime, the enzyme solution from an enzyme container 5 is also passed through the membrane reactor M in cocurrent. The pressure and temperature of the system, which u. a. be monitored with the help of temperature sensors 6 and pressure gauges 7. The Enzyme solution was pumped in a circle over the external storage vessel.    The following procedural parameters were initially selected as the basis for the present work: Pore size corresponding to approx. 5000 daltons ("cut off ') Inner fiber diameter about 200 microns specific hydrolysis - about 2 liters of milk per m2 Performance membrane area and hour (at approx. 80% degree of hydrolysis) However, it was found that membranes with larger pores (corresponding to approximately 10,000 Daltons) can also be used for the process according to the invention. However, with a pore size corresponding to approximately 30,000 Daltons, enzyme losses were already noticeable. The inside diameter of the fibers could also be 500 micrometers. Experiments have shown that the hydrolysis performance was approximately the same as with an inside diameter of the fibers of 200 micrometers.    FIG. 3 shows a system according to FIG. 2, the permeate solution being additionally subjected to sterile filtration in a device 8 or UV radiation in a device 9.    From the diagram according to FIG. 4 it can be seen that the number of germs drops rapidly within a very short time when exposed to UV light. However, the enzyme activity remains almost stable, which is crucial for the usability of this treatment method.    Examples are given below for both lactose hydrolysis with thermostable enzymes and for the analogous method with mesophilic enzymes.    EXAMPLE 1 Lactose Solvent with Thermostable Enzymes In a system according to FIG. 2, the skimmed milk was reduced to approx.     65 C (338 K) heated and pumped through the hollow fiber module. The hollow fibers had an inside diameter of approx. 0, 0005 m. The milk flow was set to approximately 0.002 m3 per m2 of membrane area and hour, a degree of hydrolysis of approximately 80% being achieved. As can be seen from FIG. 2, the enzyme solution is pumped in a circle, the temperature being maintained at approx. 338 K. At this relatively high process temperature, the growth of microorganisms is largely prevented. Lactose hydrolysis can thus be carried out continuously over a longer period of time. The half-life of the thermophilic recombinant enzyme from Pyrococcus furiosus used was about two weeks. At these intervals the  <Desc / Clms Page number 4>  entire system subjected to cleaning and rinsing.    EXAMPLE 2 Lactose Solvent with Mesophilic Enzymes A. Sterile filtration of the enzyme solution The process engineering implementation of the process was carried out in a system according to FIG. 3.   With the exception of the additional equipment for sterile filtration and UV irradiation, the system essentially corresponds to the system of Example 1. The milk was heated to approx. 300C (303 K) by means of a heat exchanger and pumped through a hollow fiber module. The hollow fibers had the same inside diameter as in the system of Example 1 and the milk flow was set in the same way. Since the microorganisms find almost ideal growth conditions in the sugar-containing enzyme solution at a temperature of 30 C, a continuous process without sterilization is almost impossible. Therefore, the enzyme solution was continuously sterile filtered.    In the present case, a "cross-flow" microfiltration module with a pore size of approx. 0.2 m was used. It was essential that the microorganisms were retained by the filter used and that the enzymes were able to pass the sterile filter unhindered.    B. UV irradiation of the Enzvmlösuna In this example, the enzyme solution was treated with UV radiation (254 nm) in a commercially available cylindrical radiation chamber with controllable radiation power. The radiation lamp had an output of 25 watts. The radiation dose had to be set very carefully in order not to inactivate the enzyme solution significantly.    C. Sterile filtration and UV irradiation of the environment The efficiency of the system could be increased by carrying out the process with sterile filtration and UV irradiation of the enzyme solution. The total number of bacteria could be kept at a very low level over several hours. The lifespan of the enzymes was a few days.    PATENT CLAIMS: 1. A method for enzymatic lactose cleavage by means of membrane diffusion reactors, characterized in that a thermostable enzyme or a mixture of thermostable enzymes is used as the lactose-cleaving enzyme and that the method is used in a Temperature between 50 C and 85 C is carried out.   2. The method according to claim 1, characterized in that a thermostable ss-glycosidase, such as an ss-gatactosidase or an ss-glucosidase, from a recombinant microorganism is used as the enzyme. 3. Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Enzym eine thermo- stabile ss-Gtycosidase, vorzugsweise aus Sulfolobus solfataricus oder Pyrococcus furiosus, verwendet wird.  3. The method according to claim 2, characterized in that a thermally stable ss-Gtycosidase, preferably from Sulfolobus solfataricus or Pyrococcus furiosus, is used as the enzyme. 4. Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Enzym eine rekombi- nante thermostabile ss-Glycosidase, vorzugsweise aus E. coli BL21 (DE3), Saccharomyces cerevisiae, Pichia stipitis oder Lactococcus lactis, verwendet wird.  4. The method according to claim 2, characterized in that a recombinant thermostable ss-glycosidase, preferably from E. coli BL21 (DE3), Saccharomyces cerevisiae, Pichia stipitis or Lactococcus lactis, is used as the enzyme. 5. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es in einem Membrandiffusionsreaktor durchgeführt wird, wobei die Enzymlösung im Per- meatraum vorliegt, und dass das Permeat mindestens teilweise sterilfiltriert und/oder mit UV-Licht bestrahlt wird.  5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that it is carried out in a membrane diffusion reactor, the enzyme solution being present in the permeate space, and that the permeate is at least partially sterile filtered and / or with UV light is irradiated. 6. Verfahren zur enzymatischen Lactosespaltung in Membrandiffusionsreaktoren, bei wei- chem als lactosespaltendes Enzym ein mesophiles Enzym oder ein Gemisch mesophiler Enzyme verwendet wird, die Enzymlösung im Permeatraum vorliegt und die Reaktions- <Desc/Clms Page number 5> temperatur maximal 50"C beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass das Permeat mindestens teilweise sterilfiltriert und/oder mit UV-Licht bestrahlt wird.  6. Process for enzymatic lactose cleavage in membrane diffusion reactors, in the case of which a lactose-cleaving enzyme is a mesophilic enzyme or a mixture of mesophilic ones Enzyme is used, the enzyme solution is in the permeate space and the reaction  <Desc / Clms Page number 5>  temperature is a maximum of 50 "C, characterized in that the permeate is at least partially sterile filtered and / or irradiated with UV light. 7. Verfahren nach einem der Patentansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sterilfiltration bei einer Porengrösse von ca. 0, 2 11m vorgenommen wird. 7. The method according to any one of claims 5 and 6, characterized in that the Sterile filtration is carried out with a pore size of approx. 0.11 m. 8. Verfahren nach einem der Patentansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die En- zymlösung durch ein"Cross-f "Cross-flow"-Mikrofiltrationsmodul geleitet wird. 8. The method according to any one of claims 5 to 7, characterized in that the enzyme solution is passed through a "cross-f" cross-flow "microfiltration module. 9. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Permeat über die Sterilfiltration und/oder UV-Bestrahlung im Kreis geführt wird. 9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the Permeate is circulated through sterile filtration and / or UV radiation. 10. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es kontinuierlich durchgeführt wird. 10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that it is carried out continuously. 11 Verfahren zur Herstellung eines lactosereduzierten Milchproduktes, gekennzeichnet durch die Anwendung eines der Verfahren nach den Patentansprüchen 1 bis 10. 11 A process for the production of a lactose-reduced milk product, characterized by the use of one of the processes according to claims 1 to 10. 12. Verfahren nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangssubstrat Milch jeglicher Fettstufe verwendet wird. 12. The method according to claim 11, characterized in that as the starting substrate Milk of any fat level is used. 13. Verfahren nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangssubstrat Molke sowie Molkefraktionen verwendet werden. 13. The method according to claim 11, characterized in that as the starting substrate Whey and whey fractions can be used. 14. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangssubstrat Lactoselösungen verwendet werden. 14. The method according to any one of claims 1 to 13, characterized in that as Starting substrate lactose solutions are used. 15 Verfahren nach einem der Patentansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangssubstrate vorkonzentriert werden. 15 The method according to any one of claims 11 to 14, characterized in that the Starting substrates are pre-concentrated. 16. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranen zur Vermeidung von Enzymverlusten durch Milchproteine oder andere Protei- ne vorbelegt werden. 16. The method according to any one of claims 1 to 14, characterized in that the Membranes are pre-populated to avoid enzyme loss through milk proteins or other proteins.
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