DD285295A5

DD285295A5 - Process for the continuous conditioning of enzymes

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Publication number: DD285295A5
Authority: DD
Publication date: 1990-12-12

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}The invention relates to a process for the continuous conditioning of enzymes which can find application in the material-converting industry, in particular in the field of biotechnology. A stock consisting of 0.005 mm to about 1.0 mm enzyme-free carrier material particles and 0.006 mm to about 3.0 mm large enzyme-active complex enzyme-carrier material particles is flowed through by a gas / vapor mixture, fluidized and heated to a temperature set between 58 and 73 degrees Celsius. The fluidized debris is continuously added with a 0.05 to 0.55 parts by weight dry substance including enzyme-containing aqueous suspension and granular solid, and enzymatic enzyme complex carrier entrainer particles in the bulk are removed from the fluidized debris so that its total mass remains constant. The inventive method is characterized by a low cost of equipment and low losses in terms of enzyme activity. The result is a well-handled enzyme product of adjustable activity {bulk, fluidized; Enzyme; Biotechnology; conditioning; Traegermaterial; Enzymaktivitaet; Solid, granular; Suspension, watery}

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Konditionierung von Enzymen. Es ist in der stoffumwandelnden Industrie, insbesondere im Bereich der Biotechnologie, anwendbar.The invention relates to a process for the continuous conditioning of enzymes. It is applicable in the material converting industry, especially in the field of biotechnology.

Characteristic of the known state of the art

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%.It is known to treat aqueous enzyme suspensions obtained as a result of fermentations and subsequent work-up stages by means of a spray-drying process (Aseptic and Closed Cycle Spray Drying in Pharmaceutical / Bio-themicals Manufacture; K. Masters, I. Vestergaard, Process Biochemistry Jan / Feb. 1975, S.21-23). In this generally eii.stufigen DC process only a residence time of the enzymes of a few seconds is required. However, the incoming drying air at temperatures of about 150-180 degrees Celsius has temperatures well above those allowed for maintaining enzyme activity. A denaturation which can not be prevented under these drying conditions causes losses of 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.It is also known to subject a Enzyn.suspension a two-stage drying (DE-OS 2134555). In the first stage, a spray dryer is used as the predryer. The drying to the final moisture is carried out by means of a fluidized bed apparatus. In this ancestor, a high yield of biologically active substance is achieved. The disadvantage is the high apparatus cost because of the two necessary Verfahrnsstufen. The activity of the product is not selectable.

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%.In experiments on the drying of enzymes i.-η drying oven was found that the activity losses increase over time. For example, activity losses were 40% for alpha-amylase and 25% for beta-glucanase after 90 minutes at 70 ° C.

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.It is known (Charm, SE, Wong, BL: Biotechn., Bioeng., 12/1970 / S 1103 and Bailey, JE; Ollis, DF: Biochemical Engineering Fundamentals, Mc Graw-Hill Bock Company 1977, pp. 135-136). that enzymes are denatured by shear stresses. It therefore seems necessary to find a method in which the enzymes are not subjected to shear stress.

Ziel der ErfindungObject of the invention

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.The aim of the invention is a process for the continuous conditioning of enzymes, which results in a manageable enzyme product with low equipment costs and low losses of enzyme activity.

Dtrlegung des Wesens der ErfindungImplication of the essence of the invention

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.The invention has for its object to find a method for the continuous conditioning of enzymes, which prevents the denaturation of the enzymes during drying and allows the simplest possible apparatus design, which causes low investment and maintenance costs.

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.The object is achieved by means of a process for the continuous conditioning of enzymes comprising a fluidised aggregate of mean specific enzyme activity consisting of 0.005 mm to about 1.0 mm enzyme activity-free carrier particles and enzyme-active complex enzyme carrier particles having dimensions between 0.006mm and about 3.0mm is composed, is traversed by a gas / steam mixture. To the fluidized bed of a 0.05 to 0.55 parts by mass of dry matter including enzymes containing aqueous suspension and granular solid are added continuously. The three-phase mixing temperature of particulate matter, water and gas / vapor in the fluidized bed area is set within the limits of 58 degrees Celsius and 73 degrees Celsius. Enzyme-active complex enzyme-carrier particles are removed from the fluidized debris to the extent that its total mass remains constant.

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.Advantageously, the granular solid should consist of 0.005 mm to about 1.0 mm and enzyme-active carrier material particles. In addition, the granular Festotoff may contain enzyme-active complex enzyme-carrier particles ranging in size from 0.05 mm to about 1.2 mm. The mean specific enzyme activity is related to the dry substance of the suspension added to the fluidized suspension and the enzyme-activity-free carrier particles. It is preferably equal to the enzyme activity of the enzyme-active complex enzyme-carrier material particles added to the fluidized bed and corresponds to the mean specific enzyme activity of the fluidized bed.

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.The granular solid or the aqueous suspension may additionally contain one or more semipermeable substances with respect to certain liquids. This allows unilateral diffusion between the enzyme-active complex enzyme-carrier particles and a liquid surrounding them.

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.In the aqueous suspension, various enzymes may be suspended at the same time. The process according to the invention can be used particularly advantageously if alpha-amylase, beta-glucanase or protease is used in the enzyme suspension.

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.In the method according to the invention, the fluidized enzyme-activity-free carrier material particles and the enzyme-active complex enzyme carrier material particles are wetted by the aqueous suspension. The water evaporates in the gas / vapor stream and the remaining dry matter causes the particles to grow. Above a certain size, they leave the fluidized debris as a dust-free product of defined enzyme activity.

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.Surprisingly, it has been found that with the method according to the invention for the continuous conditioning of enzymes no losses occur with respect to the enzyme activity. Such losses were to be expected because of the selected temperature and due to the long residence time intensive shear stress of the bed material.

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.Taking into account this complete yield of enzyme activity can with the freely chosen relation between the dry matter mass of certain enzyme activity in the suspension and the mass of enzyme activity-free carrier particles, the enzyme activity of the resulting complex enzyme carrier material particles, which are added in case of necessity in the fluidized debris , are adjustable so that the mass of the fluidized layer remains the same and the desired size of the resulting enzyme-active complex enzyme carrier material particles is maintained.

AusführungsboisplelAusführungsboisplel

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:The method according to the invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. In a Fluidisationsstufe are 34kg enzyme-active complex enzyme carrier material particles, which are fluidized by a gas / vapor mixture, which has a temperature of 105 degrees Celsius and a speed of 3.6 m / s on entry. The enzyme is alpha-amylase; As support material, sodium sulfate is used. The spectrum of particle sizes in the fluidized bedding is between 0.050mm and 1.6mm. The following three material flows are continuously introduced into the fluidized bed:

- 24 kg/h einer wäßrigen Suspension mit 0,21 Massenanteilen Trockensubstanz einschließlich Enzymen (Alpha-Amylase) und mit 70000IE/ml Enzymaktivität,24 kg / h of an aqueous suspension with 0.21 mass fraction of dry matter including enzymes (alpha-amylase) and with 70000 IE / ml of enzyme activity,

- 25kg/h Natriumsulfat von 0,050 bis 0,090mm Teilchengröße als enzymaktivitätsfreie Trägermaterial-Partikel,25 kg / h of sodium sulfate of 0.050 to 0.090 mm particle size as enzyme-active-free carrier particles,

- 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.- 5kg / h enzyme-active complex enzyme-carrier particles (alpha-amylase / sodium sulfate) in the range of particle sizes between 0.1 mm and 0.4 mm with 100,000 IE / g enzyme activity as granulation.

Die Mischtemperatur im fluidisierten Haufwerk beträgt 63 Grad Celsius.The mixing temperature in the fluidized pile is 63 degrees 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:About 35 kg / h of enzyme-active complex enzyme carrier material particles (dust-free alpha-amylase / sodium sulfate product) with 3.3% by weight residual moisture and of 1.1 to 1.6 mm in size are continuously withdrawn from the fluidization stage. The same procedure for beta-glucanase results in the following technological parameters:

- Eintrittstemperatur des Gas/Dampf-Gemisches: 1C3 Grad Celsius;- inlet temperature of the gas / steam mixture: 1C3 degrees Celsius;

- Masse der enzymaktiven komplexen Enzym-Trägermaterial-Teilchen in der Fluidisationsstufe: 36kg;Mass of the enzyme-active complex enzyme-carrier particles in the fluidization step: 36 kg;

- Eintrittsgeschwindigkeit des Gas/Dampf-Gemisches: 3,7m/s;- Entry velocity of the gas / vapor mixture: 3.7 m / s;

- Spektrum der Teilchengrößen im fluidisierten Haufwerk: 0,055mm bis 1,7mm;- Spectrum of particle sizes in fluidized debris: 0.055mm to 1.7mm;

- Suspension: 0,205 Massenanteile Trockensubstanz, 25,5 kg/h, 770 IE/ml Enzymaktivität;Suspension: 0.205 parts by mass of dry substance, 25.5 kg / h, 770 IU / ml of enzyme activity;

- 26,5kg/h Natriumsulfat von 0,05 bis 0,09mm Teilchengröße;- 26.5kg / h of sodium sulfate of 0.05 to 0.09mm particle size;

- Mischtemperatur im Haufwerk: 64 Grad Celsius;- mixing temperature in the heap: 64 degrees Celsius;

- Beta-Glucanase/Natriumsulfat-Produkt: 31,8kg/h,3,4Ma.-%Restfeuchte, 1,1 bis 1,6mmTeilchengröße, 1000IE/g Enzymaktivität.Beta-glucanase / sodium sulfate product: 31.8kg / h, 3.4Ma% residual moisture, 1.1 to 1.6mm particle size, 1000IU / g enzyme activity.

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.The residence time of both alpha-amylase and beta-glucanase in the fluidization step is about 90 minutes. In order to build up a homogeneous semipermeable wall in the enzyme-active complex enzyme-carrier material particles, aluminum sulfate is added to the aqueous suspension of carboxymethyl cellulose and the granular solid. In special cases, it may be necessary to impart certain properties to the surface of the product particles by applying an additional layer. This may be the case, for example, when the product tends to agglomerate. With the method according to the invention, the application of an additional layer is easily possible by temporarily stopping the task of the enzyme suspensions and instead spraying a solution of the material to be applied.

Claims

A process for the continuous conditioning of enzymes, characterized in that a fluidized agglomeration of a mean specific enzyme activity, consisting of 0.005 mm to about 1.0 mm, enzyme activity-free carrier particles and enzyme-active complex enzyme Trägermateiial particles with dimensions between 0.006 mm and about 3.0 mm, is traversed by a gas / vapor mixture that the fluidized bed of a 0.05 to 0.55 parts by mass of dry matter including enzymes containing aqueous suspension and granular solid are added continuously that the three-phase mixing of solid particulates, Water and gas / vapor in the area of the fluidized bed within the limits of 58 degrees Celsius and 73 degrees Celsius is set and that enzyme-active complex enzyme carrier particles are removed from the fluidized bed to the extent that its total mass remains constant.

2. A process for the continuous conditioning of enzymes according to claim 1, characterized in that the granular solid consists of 0.005 mm to about 1.0 mm and enzyme-free carrier material particles.

3. A process for the continuous conditioning of enzymes according to claim 1 and claim 2, characterized in that the granular solid additionally consists of enzyme-active complex enzyme-carrier particles having dimensions between 0.05 mm and about 1.2 mm.

4. A process for the continuous conditioning of enzymes according to claims 1 and 2 or

1 and 2 and 3, characterized in that the mean specific enzyme activity, which is related to the dry matter of the suspension added to the fluidized bed and the enzyme activity-free carrier particles, is equal to the enzyme activity of the enzyme-active complex enzyme carrier material added to the fluidized bed Particles and these two enzyme activities correspond to the mean specific enzyme activity of the fluidized bed.

5. A process for the continuous conditioning of enzymes according to claims 1 and 2 or

2 and 3 or 1 and 2 and 3 and 4, characterized in that the granular solid or the aqueous suspension additionally contains a semi-permeable substance to certain liquids.

6. A process for the continuous conditioning of enzymes according to claims 1 and 2 or 1 and 2 and 3 or 1 and 2 and 3 and 4 or 1 and 2 and 3 and 4 and 5, characterized in that the aqueous suspension contains various enzymes simultaneously ,