DD285295A5 - Verfahren zur kontinuierlichen Konditionierung von Enzymen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Konditionierung von Enzymen, das in der stoffumwandelnden Industrie, insbesondere im Bereich der Biotechnologie Anwendung finden kann. Dabei wird ein aus 0,005 mm bis etwa 1,0 mm groszen enzymaktivitaetsfreien Traegermaterial-Partikeln und 0,006 mm bis etwa 3,0 mm groszen enzymaktiven komplexen Enzym-Traegermaterial-Teilchen bestehendes Haufwerk von einem Gas/Dampf-Gemisch durchstroemt, fluidisiert und auf eine Temperatur zwischen 58 und 73 Grad Celsius eingestellt. Dem fluidisierten Haufwerk wird kontinuierlich eine 0,05 bis 0,55 Masseanteile Trockensubstanz einschlieszlich Enzyme enthaltende waeszrige Suspension sowie koerniger Feststoff zugegeben und enzymaktive komplexe Emzym-Traegermaterial-Teilchen in dem Masze aus dem fluidisierten Haufwerk entfernt, dasz dessen Gesamtmasse konstant bleibt. Das erfindungsgemaesze Verfahren zeichnet sich durch einen geringen Apparateaufwand sowie geringe Verluste hinsichtlich der Enzymaktivitaet aus. Es entsteht ein gut handhabbares Enzymprodukt einstellbarer Aktivitaet.{Haufwerk, fluidisiert; Enzym; Biotechnologie; Konditionierung; Traegermaterial; Enzymaktivitaet; Feststoff, koernig; Suspension, waeszrig}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Konditionierung von Enzymen. Es ist in der stoffumwandelnden Industrie, insbesondere im Bereich der Biotechnologie, anwendbar.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es ist bekannt, im Ergebnis von Fermentationen und nachfolgender Aufarbeitungsstufen anfallende wäßrige Enzymsuspensionen mit Hilfe eines Sprühtrocknungsverfahrens zu behandeln (Aseptic and Closed Cycle Spray Drying in Pharmaceutical/Bio-themicals Manufacture; K.Masters, I.Vestergaard, Process Biochemistry Jan/Febr 1975, S.21-23). Bei diesem in der Regel eii.stufigen Gleichstromprozeß ist nur eine Verweilzeit der Enzyme von wenigen Sekunden erforderlich. Die eintretende Trocknungsluft besitzt jedoch mit etwa 150-180 Grad Celsius Temperaturen, die weit oberhalb der zur Aufrechterhaltung der Enzymaktivität zulässigen liegen. Eine unter diesen Trocknungsbedingungen nicht zu verhindernde Denaturierung bedingt Ausbejteverluste von etv/a 25%.

Weiter ist es bekannt, eine Enzyn.suspension einer zweitstufigen Trocknung zu unterwerfen (DE-OS 2134555). In der ersten Stufe wird als Vortrockner ein Sprühturrt, verwendet. Die Trocknung auf die Endfeuchte erfolgt mit Hilfe eines Fließbettapparates. Bei diesem Vorfahren wird eine hohe Ausbeute an biologisch aktiver Substanz erreicht. Nachteilig ist der hohe Apparateaufwand wegen der beiden notwendigen Verfahrtnsstufen. Die Aktivität des Produktes ist nicht wählbar.

Bei Versuchen zur Trocknung von Enzymen i.-η Trockenschrank wurde festgestellt, daß die Aktivitätsverluste mit der Zeit steigen. So lagen die Aktivitätsverluste nach einer Verwcilzeit von 90 Minuten und einer Temperatur von 70 Grad Celsius für Alpha-Amylase bei 40% und für Beta-Glucanase bei 25%.

Es ist bekannt (Charm, S.E.; Wong, B.L.:Biotechn. Bioeng. 12/1970/S. 1103 und Bailey, J.E.; Ollis, D. F.: Biochemical Engineering Fundamentals, Mc Graw- Hill Bock Company 1977, S. 135-136), daß Enzyme durch Scherbeanspruchungen denaturiert werden. Es scheint deshalb notwendig, ein Verfahren zu finden, bei dem die Enzyme keiner Scherbeanspruchung unterworfen werden.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur kontinuierlichen Konditionierung von Enzymen, das bei niedrigem Apparateaufwand und geringen Verlusten an Enzymaktivität ein gut handhabbares Enzymprodukt ergibt.

Dtrlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur kontinuierlichen Konditionierung von Enzymen zu finden, das die Denaturierung der Enzyme während der Trocknung verhindert und eine möglichst einfache Apparategestaltung ermöglicht, die niedrige Investitions- und Wartungskosten verursacht.

Die Aufgabe wird mit Hilfe eines Verfahrens zur kontinuierlichen Konditionierung von Enzymen gelöst, bei dem ein fluidisiertes Haufwerk einer mittleren spezifischen Enzymaktivität, welches aus 0,005 mm bis etwa 1,0 mm großen enzymaktivitätsfreien Trägermaterial-Partikeln sowie enzymaktiven komplexen Enzym-Trägermaterial-Teilchen mit Abmessungen zwischen 0,006mm und etwa 3,0mm zusammengesetzt ist, von einem Gas/Dampf-Gemisch durchströmt wird. Dem fluidisierten Haufwerk werden kontinuierlich eine 0,05 bis 0,55 Massenanteile Trockensubstanz einschließlich Enzyme enthaltende wäßrige Suspension sowie körniger Feststoff zugegeben. Die Dreiphasenmischtemperatur von Feststoffteilchen, Wasser und Gas/Dampf im Bereich des fluidisierten Haufwerkes wird innerhalb der Grenzen von 58 Grad Celsius und 73 Grad Celsius eingestellt. Aus dem fluidisierten Haufwerk werden enzymaktive komplexe Enzym-Trägermaterial-Teilchen in dem Maße entfernt, daß dessen Gesamtmasse konstant bleibt.

Vorteilhafterweise soll der körnige Feststoff aus 0,005mm bis etwa 1,0mm großen und enzymaktivitätsfreien Trägermaterial-Partikeln bestehen. Zusätzlich kann der körnige Festotoff enzymaktive komplexe Enzym-Trägermaterial-Teilchen mit Abmessungen zwischen 0,05mm und etwa 1,2 mm enthalten. Die mittlere spezifische Enzymaktivität wird auf die Trockensubstanz der in das f luidisierte Haufwerk zugegebenen Suspension und die enzymaktivitätsfreien Trägermaterial-Partikel bezogen. Sie ist vorzugsweise gleich der Enzymaktivität der in das fluidisierte Haufwerk zugegebenen enzymaktiven komplexen Enzym-Trägermaterial-Teilchen und entspricht der mittleren spezifischen Enzymaktivität des fluidisierten Haufwerkes.

Der körnige Feststoff oder die wäßrige Suspension können zusätzlich eine oder mehrere gegenüber bestimmten Flüssigkeiten semipermeable Substanzen enthalten. Dadurch ist eine einseitige Diffusion zwischen dem enzymaktiven komplexen Enzym-Trägermaterial-Teilchen und einer diese umgebenden Flüssigkeit möglich.

In der wäßrigen Suspension können verschiedenartige Enzyme gleichzeitig suspendiert sein. Besonders vorteilhaft läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren anwenden, wenn in der Enzymsuspension Alpha-Amylase, Beta-Glucanase oder Protease verwendet wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die fluidisierten enzymaktivitätsfreien Trägermaterial-Partikel und die enzymaktiven komplexen Enzym-Trägermaterial-Teilchen von der wäßrigen Suspension benetzt. Das Wasser verdampft im Gas/Dampf-Strom und die verbleibende Trockensubstanz läßt die Teilchen anwachsen. Ab einer bestimmten Größe verlassen sie das fluidisierte Haufwerk als staubfreies Produkt festgelegter Enzymaktivität.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur kontinuierlichen Konditionierung von Enzymen keine Verluste bezüglich der Enzymaktivität auftreten. Derartige Verluste waren wegen der gewählten Temperatur und der aufgrund der langen Verweilzeit intensiven Scherbeanspruchung des Bettmaterials zu erwarten.

Unter Berücksichtigung dieser vollständigen Ausbeute an Enzymaktivität kann mit der frei zu wählenden Relation zwischen der Trockensubstanzmasse bestimmter Enzymaktivität in der Suspension und der Masse an enzymaktivitätsfreien Trägermaterial-Partikeln die Enzymaktivität der entstehenden komplexen Enzym-Trägermaterial-Teilchen, die bei Notwendigkeit in das fluidisierte Haufwerk gegeben werden, sind so einstellbar, daß die Masse der fluidisierten Schicht gleichbleibt und die gewünschte Größe der entstehenden enzymaktiven komplexen Enzym-Trägermaterial-Teilchen eingehalten wird.

Ausführungsboisplel

Das erfindungsgemäße Verfahren soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In einer Fluidisationsstufe befinden sich 34kg enzymaktive komplexe Enzym-Trägermaterial-Teilchen, die von einem Gas/ Dampf-Gemisch, welches beim Eintritt eine Temperatur von 105 Grad Celsius und eine Geschwindigkeit von 3,6m/s besitzt, fluidisiert werden. Beim Enzym handelt es sich um Alpha-Amylase; als Trägermaterial wird Natriumsulfat verwendet. Das Spektrum der Teilchengrößen im fluidisierten Haufwerk liegt zwischen 0,050mm und 1,6mm. In das fluidisierte Haufwerk werden kontinuierlich folgende drei Stoffströme eingegeben:

- 24 kg/h einer wäßrigen Suspension mit 0,21 Massenanteilen Trockensubstanz einschließlich Enzymen (Alpha-Amylase) und mit 70000IE/ml Enzymaktivität,

- 25kg/h Natriumsulfat von 0,050 bis 0,090mm Teilchengröße als enzymaktivitätsfreie Trägermaterial-Partikel,

- 5kg/h enzymaktive komplexe Enzym-Trägermaterial-Teilchen (Alpha-Amylase/Natriumsulfat) im Bereich von Teilchengrößen zwischen 0,1 mm und 0,4mm mit 100000IE/g Enzymaktivität als Granulationskeime.

Die Mischtemperatur im fluidisierten Haufwerk beträgt 63 Grad Celsius.

Aus der Fluidisationsstufe werden kontinuierlich etwa 35kg/h enzymaktive komplexe Enzym-Trägermaterial-Teilchen (staubfreies Alpha-Amylase/Natriumsulfat-Produkt) mit3,3Ma.-% Restfeuchte und von 1,1 bis 1,6mm Größe abgezogen. Bei der gleichen Verfahrensdurchführung für Beta-Glucanase ergeben sich die folgenden technologischen Parameter:

- Eintrittstemperatur des Gas/Dampf-Gemisches: 1C3 Grad Celsius;

- Masse der enzymaktiven komplexen Enzym-Trägermaterial-Teilchen in der Fluidisationsstufe: 36kg;

- Eintrittsgeschwindigkeit des Gas/Dampf-Gemisches: 3,7m/s;

- Spektrum der Teilchengrößen im fluidisierten Haufwerk: 0,055mm bis 1,7mm;

- Suspension: 0,205 Massenanteile Trockensubstanz, 25,5 kg/h, 770 IE/ml Enzymaktivität;

- 26,5kg/h Natriumsulfat von 0,05 bis 0,09mm Teilchengröße;

- Mischtemperatur im Haufwerk: 64 Grad Celsius;

- Beta-Glucanase/Natriumsulfat-Produkt: 31,8kg/h,3,4Ma.-%Restfeuchte, 1,1 bis 1,6mmTeilchengröße, 1000IE/g Enzymaktivität.

Die Aufenthaltszeit sowohl der Alpha-Amylase als auch der Beta-Glucanase in der Fluidisationsstufe beträgt etwa 90 Minuten. Um in den enzymaktiven komplexen Enzym-Trägermaterial-Teilchen eine homogene semipermeable Wand aufzubauen, wird der wäßrigen Suspension Carboxymethylcellulose und dem körnigen Feststoff Aluminiumsulfat zugegeben. In besonderen Fällen kann es sich erforderlich machen, der Oberfläche der Produktteilchen durch Aufbringen einer zusätz'ichen Schicht bestimmte Eigenschaften zu verleihen. Das kann zum Beispiel dann der Fall sein, wenn das Produkt zum Agglomerieren neigt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist das Aufbringen einer zusätzlichen Schicht problemlos möglich, indem kurzzeitig die Aufgabe der Enzymsuspensicn unterbrochen und statt dessen eine Lösung des aufzubringenden Materials eingesprüht wird.

Claims (6)

1. Verfahren zur kontinuierlichen Konditionierung von Enzymen, gekennzeichnet dadurch, daß ein fluidisiertes Haufwerk einer mittleren spezifischen Enzymaktivität, welches aus 0,005 mm bis etwa 1,0mm großen, enzymaktivitätsfreien Trägermaterial-Partikeln sowie enzymaktiven komplexen Enzym-Trägermateiial-Teilchen mit Abmessungen zwischen 0,006 mm und etwa 3,0 mm zusammengesetzt ist, von einem Gas/Dampf-Gemisch durchströmt wird, daß dem fluidisierten Haufwerk kontinuierlich eine 0,05 bis 0,55 Massenanteile Trockensubstanz einschließlich Enzyme enthaltende wäßrige Suspension sowie körniger Feststoff zugegeben werden, daß die Dreiphasenmischtemparatur von Feststoffteilchen, Wasser und Gas/Dampf im Bereich des fluidisierten Haufwerkes innerhalb der Grenzen von 58 Grad Celsius und 73 Grad Celsius eingestellt wird und daß enzymaktive komplexe Enzym-Trägermaterial-Teilchen in dem Maße aus dem fluidisierten Haufwerk entfernt werden, daß dessen Gesamtmasse konstant bleibt.

2. Verfahren zur kontinuierlichen Konditionierung von Enzymen gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der körnige Feststoff aus 0,005 mm bis etwa 1,0 mm großen und enzymaktivitätsfreien Trägermaterial-Partikeln besteht.

3. Verfahren zur kontinuierlicher Konditionierung von Enzymen gemäß Anspruch 1 und Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß der körnige Feststoff zusätzlich aus enzymaktiven komplexen Enzym-Trägermaterial-Teilchen mit Abmessungen zwischen 0,05mm und etwa 1,2mm besteht.

4. Verfahren zur kontinuierlichen Konditionierung von Enzymen gemäß den Ansprüchen 1 und 2 oder

1 und 2 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß die mittlere spezifische Enzymaktivität, die auf die Trockensubstanz der in das fluidisierte Haufwerk zugegebenen Suspension und die enzymaktivitätsfreien Trägermaterial-Partikel bezogen wird, gleich ist der Enzymaktivität der in das fluidisierte Haufwerk zugegebenen enzymaktiven komplexen Enzym-Trägermaterial-Teilchen und diese beiden Enzymaktivitäten der mittleren spezifischen Enzymaklivität des fluidisierten Haufwerkes entsprechen.

5. Verfahren zur kontinuierlichen Konditionierung von Enzymen gemäß den Ansprüchen 1 und 2 oder

2 und 3 oder 1 und 2 und 3 und 4, gekennzeichnet dadurch, daß der körnige Feststoff oder die wäßrige Suspension zusätzlich eine gegenüber bestimmten Flüssigkeiten semipermeable Substanz enthält.

6. Verfahren zur kontinuierlichen Konditionierung von Enzymen gemäß den Ansprüchen 1 und 2 oder 1 und 2 und 3 oder 1 und 2 und 3 und 4 oder 1 und 2 und 3 und 4 und 5, gekennzeichnet dadurch, daß die wäßrige Suspension verschiedenartige Enzyme gleichzeitig enthält.