The Effect of Plasma Modified Membrane Separation on Enzymatic Oligosaccharide Production

Abstract

Bu çalışmada selüloz asetat (SA) ultrafiltrasyon membranları monomer olarak etilendiamin (EDA) kullanılan plazma polimerizasyon (PlzP) yöntemiyle yüzeylerinde monosakkarit/disakkarit ayrımına olanak verecek gözenek büyüklüğü ve dağılımının oluşturulması amacıyla modifiye edilmiştir. Bu amaçla düşük ve radyo frekanslı (LF-, RF-) plazma sistemleri kullanılmıştır. En iyi şeker ayrışımını sağlayan plazma koşulları düşük frekans (LF) plazma sisteminde 120 W güç ve 10 dak EDA monomer uygulamasıyla elde edilmiştir. Bu koşullarda hazırlanan membran, monosakkaritler için ~% 73; disakkaritler için ~% 94 ve oligosakkaritler için ise ~% 99.9 düzeyinde alıkonma oranları sağlamıştır. Galakto-oligosakkarit (GOS) ve frukto-oligosakkarit (FOS) üretim verimleri serbest enzimlerle PlzP-modifiye membranların eş zamanlı olarak kullanıldığı sistemde % 30-40 monosakkarit ayrışımında, % 50-56 oranında artmıştır. Üretim verimindeki artış tutuklu enzim sisteminde % 16-29 monosakkarit ayrışımında, % 25-30 seviyesindedir. A. oryzae ve K. lactis ? -galaktozidaz (AOG ve KLG) ve S. cerevisiae invertaz (SCİ) enzimleri etkin şeker ayrımını sağlayan plazma koşullarında hazırlanan membran yüzeylerine polietilenimin (PEI) çok katmanlı enzim tutuklama yöntemiyle tutuklanmışlar ve % 80-90 tutuklama verimi ve % 66-89 aktivite verimi elde edilmiştir. Tutuklu enzimlerin sıcaklık dayanımları önemli ölçüde arttırılmıştır. Serbest enzimlerle kıyaslandığında her bir enzim için yarı ömür bazında 10 ila 30 kat artış saptanmıştır. Düşük basınç plazma yöntemiyle modifiye edilen membran yüzeyleri temas açısı, Fourier Transform Infrared (FTIR) with Horizontal Attenuated Total Reflectance (HATR) spektroskopisi ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile karakterize edilmiştir. Geliştirilen sistem OS üretim verimini arttırmış ve son ürün karışımında istenmeyen monosakkaritlerin miktarını azaltmıştır.

Cellulose acetate ultrafiltration membranes (CAs) were modified by plasma polymerization (PlzP) of ethylenediamine (EDA) to prepare extremely hydrophilic and effective nanofiltration membranes for monosachharide/disaccharide removal. Low and Radio-Frequency (LF-, RF-) excitations were used for this purpose. From the fractination point of view, 120 W and 10 min seem to be a better plasma conditions for membrane modification using LF plasma system with EDA monomer. Very high retention ratios (>94% and %99.9) were obtained with the LF/PlzP (EDA) modified CA membrane for disaccharides and oligosaccharides, respectively, while the retention for monosaccharides was rather low (<73%) at the same reaction time. The GOS and FOS contents increased approximately 50-56% in the simultaneous reaction/separation using PlzP-modified membrane and soluble enzymes, with approximately 32-40% of monosaccharides removed. They increased ~25-30% in the simultaneous reaction/seperation using PlzP-modified membrane and immobilized enzymes, with approximately 16-29% of monosaccharides removed. A. Oryzae and K. lactis ? -galactosidase (AOG and KLG) and S. cerevisiae invertase (SCI) were immobilized on PlzP-modified CA membrane with 80-90% immobilisation and ~66-89% activity yield, respectively. Thermal stabilities of the immobilized enzymes were greatly increased, with PEI-immobilized enzymes showing 10 to 30-fold increases as compared with their free forms. The membrane surfaces modified by low pressure plasma technique were characterized in details by contact angle method, Fourier Transform InfraRed (FTIR) spectroscopy with Horizontal Attenuated Total Reflection (HATR) attachment and scanning electron microscopy (SEM). The designed system can improve product yield and reduce the undesirable monosaccharides in the final OS product.