FG Technische Mikrobiologie
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Um die technische Nutzung und die Vergleichbarkeit der grenzflächenaktivierten Lipase aus dem Mikroorganismus Thermomyces lanuginosus zu verbessern, sollten die kinetischen Parameter unter Berücksichtigung der Größe der reaktiven Grenzfläche und der Stofftransportvorgänge in Grenzflächennähe ermittelt werden. Da bisher keine Versuchsanordnung die Möglichkeit zur parallelen Reaktionsuntersuchung und zur Strömungsuntersuchung von Flüssig-Flüssigphasenreaktionen bot, wurde der Horizontal-Laminar-Fluss-Reaktor (HLFR) entwickelt und wesentliche Aspekte der Entwicklung eingehend beschrieben. Die Innovation des Reaktors bestand darin, dass eine kontinuierliche parallele Strömung zweier nicht mischbarer fluider Phasen ermöglicht wurde. An einer gemeinsamen Phasengrenzfläche mit einer konstanten Grenzflächengröße konnte die enzymatische Umsetzung stattfinden. Um den HLFR für eine kinetische Untersuchung anzuwenden, wurde das Mischungsverhalten mithilfe von Verweilzeitverteilungskurven aufgenommen und die Versuchsanordnung als Reaktorschaltung modelliert. Hierbei zeigte sich, dass unter Anwendung einer vergleichbaren Reaktionskinetik der Gesamtreaktor als kontinuierlich gerührter Satzreaktor modelliert werden kann. Zur Untersuchung der Stofftransporteinflüsse auf die Reaktion sollte neben der Konzentrationsuntersuchung die Strömungsvorgänge innerhalb der Phasen messtechnisch zugänglich gemacht werden. Aufgrund der begrenzten geometrischen Abmessungen wurde auf die Particle-Imaging-Velocimetry zurückgegriffen. Notwendige Anpassungen an der Versuchsanordnung zur Integration der Messmethode und eine Validierung der Strömungsmessung wurden detailliert beschrieben.
Anschließend an die Entwicklung der Versuchsanordnung wurde am Beispiel der Lipase aus dem Mikroorganismus Thermomyces lanoginosus die Bestimmung der kinetischen Parameter für die Hydrolyse von nativen Rapsöl mithilfe eines Michaelis-Menten-Ansatzes mit kompetitiver Produkthemmung durchgeführt. Die Ermittlung des Reaktionsfortschritts erfolgte durch Messung der Konzentration der freien Fettsäuren in der Ölphase durch nicht wässrige Titration. Zur Berechnung der kinetischen Parameter wurde sowohl die Differentialmethode als auch die Integralmethode angewendet. Parallel wurden die gewonnenen Daten mit den beobachteten Strömungsprofilen der PIV-Messung kombiniert und ein möglicher Einfluss der Schubspannung in Grenzflächennähe als maßgeblicher Faktor für die effektive Reaktionsgeschwindigkeit diskutiert. Des Weiteren konnte eine bereits durch die Literatur beschriebene Abhängigkeit zwischen dem Strömungszustand im Reaktionssystem und der Reaktionsgeschwindigkeit bestätigt werden. Als Ergebnis der Untersuchung wurde für die untersuchte Lipase unter Anwendung von nativen Rapsöl als Substrat eine maximale Reaktionsgeschwindigkeit von 2,1 mmol/m^2min und eine Inhibierungskonstante für das Produkt von 6,88 mol/m^3 ermittelt.
Due to the use of fossil fuel resources, many environmental problems have been increasingly growing. Thus, the recent research focuses on the use of environment friendly materials from sustainable feedstocks for future fuels, chemicals, fibers and polymers. Lignocellulosic biomass has become the raw material of choice for these new materials. Recently, the research has focused on using lignin as a substitute material in many industrial applications. The antiradical and antimicrobial activity of lignin and lignin-based films are both of great interest for applications such as food packaging additives. DPPH assay was used to determine the antioxidant activity of Kraft lignin compared to Organosolv lignins from different biomasses. The purification procedure of Kraft lignin showed that double-fold selective extraction is the most efficient confirmed by UV-Vis, FTIR, HSQC, 31PNMR, SEC, and XRD. The antioxidant capacity was discussed regarding the biomass source, pulping process, and degree of purification. Lignin obtained from industrial black liquor are compared with beech wood samples: Biomass source influences the DPPH inhibition (softwood > grass) and the TPC (softwood < grass). DPPH inhibition affected by the polarity of the extraction solvent. Following the trend: ethanol > diethylether > acetone. Reduced polydispersity has positive influence on the DPPH inhibition. Storage decreased the DPPH inhibition but increased the TPC values. The DPPH assay was also used to discuss the antiradical activity of HPMC/lignin and HPMC/lignin/chitosan films. In both binary (HPMC/lignin) and ternary (HPMC/lignin/chitosan) systems the 5% addition showed the highest activity and the highest addition had the lowest. Both scavenging activity and antimicrobial activity are dependent on the biomass source; Organosolv of softwood > Kraft of softwood > Organosolv of grass. Lignins and lignin-containing films showed high antimicrobial activities against Gram-positive and Gram-negative bacteria at 35 °C and at low temperatures (0-7 °C). Purification of Kraft lignin has a negative effect on the antimicrobial activity while storage has positive effect. The lignin leaching in the produced films affected the activity positively and the chitosan addition enhances the activity for both Gram-positive and Gram-negative bacteria. Testing the films against food spoilage bacteria that grow at low temperatures revealed the activity of the 30% addition on HPMC/L1 film against both B. thermosphacta and P. fluorescens while L5 was active only against B. thermosphacta. In HPMC/lignin/chitosan films, the 5% addition exhibited activity against both food spoilage bacteria.