CS256203B3 - Zařízení pro biokatalytické reakce pomocí imobilizovaných enzymů a buněk - Google Patents

Abstract

Zařízení sestává z reakční nádoby s kapalným médiem, ve kterém je ponořen otočně uložený dutý rotor s hnanou hřídelí, sestávající z vnějšího a vnitřního pláště, které jsou perforované a souosé, dále rotoru a dna rotoru, ve kterém je centrální vstupní otvor pro kapalné médium. Mezi oběma plášti je vytvořena jedna nebo více dutin, které jsou vyplněny částicemi imobilizovaného biokatalyzátoru. Na skeletu rotoru může být s výhodou upevněn návlek ze sítoviny s definovanou velikostí a tvarem ok. Otáčením dutého rotoru vytváří se vlivem odstředivých sil z kapalného média uvnitř rotoru vřeteno, přičemž kapalina neustále proudí radiálním směrem mezi částicemi biokatalyzátoru, s kterým vstupuje do reakce a poté opět vystupuje zpět do kapalného média výstupními otvory ve vnějším plášti rotoru.

Description

(54) Zařízení pro biokatalytické reakce pomocí imobilizovaných enzymů a buněk

Zařízení sestává z reakční nádoby s kapalným médiem, ve kterém je ponořen otočně uložený dutý rotor s hnanou hřídelí, sestávající z vnějšího a vnitřního pláště, které jsou perforované a souosé, dále rotoru a dna rotoru, ve kterém je centrální vstupní otvor pro kapalné médium. Mezi oběma plášti je vytvořena jedna nebo více dutin, které jsou vyplněny částicemi imobilizovaného biokatalyzátoru. Na skeletu rotoru může být s výhodou upevněn návlek ze sítoviny s definovanou velikostí a tvarem ok. Otáčením dutého rotoru vytváří se vlivem odstředivých sil z kapalného média uvnitř rotoru vřeteno, přičemž kapalina neustále proudí radiálním směrem mezi částicemi biokatalyzátoru, s kterým vstupuje do reakce a poté opět vystupuje zpět do kapalného média výstupními otvory ve vnějším plášti rotoru.

I

256203 2

Vynález se týká zařízení pro biokatalytické reakce pomocí imobilizovanýoh enzymů a buněk, podle čsl. AO č. 255 257.

Biokatalýza se dosud provádí s částicemi v míchaném reaktoru ve vznosu částic např. při koncentraci 100 až 200 g vlhké hmoty katalyzátoru /litr vodného roztoku substrátu. Typ míchadla je obyčejně kotvový nebo lopatkový/ šroubové nebo vrtulové lopatky/.

Biokatalyzátory jsou ve většině případů tvořeny amorfními /nepravidelnými/ částicemi o distribuci velikosti 0,01 až 5 mm. Pro uvedený účel lze částice dělit podle velikosti plavením na sítech s definovanou velikosti pórů a tak katalyzátory rozdělit do několika velikostních tříd. Platí ovšem, že čím jsou částice větší, tím mají nižší specifickou aktivitu v důsledku jejich menšího specifického povrchu a výraznějšího uplatnění difúzních odporů vůči transportu rozpuštěných substrátů do částice a produktů z částice.

Trvale setrvání částic katalyzátoru v reaktoru je dosud zajištováno vestavěnou filtrační přepážkou na dně reaktoru nad výstupním otvorem. Po skončení reakce se konvertovaná kapalina oddělí od částic filtraci přes zmíněnou přepážku bud vakuově /spodem reaktoru/, nebo přetlakem na povrch kapaliny v reaktoru. Tato filtrace je problematická; dochází k ucpává ní filtrační plochy /pórů textilního materiálu/ a tvorbě vlhkého koláče a je třeba značných tlaků /vakua/ k odstranění kapaliny z reaktoru. Tyto nevýhody odstraňuje zařízení podle vynálezu, obsahující nádobu pro kapalné reakční médium a rotor otočně uložený v této nádobě, který sestává z pláště, dna a víka rotoru, se vstupním otvorem uprostřed dna rotoru a výstupními otvory v plášti rotoru.

Podstatou zařízení podle vynálezu je, že skelet rotoru je tvořen dvěma souosými perforovanými plášti, s výhodou tvaru válce nebo komolého kužele, a to vnitřní plášt se vstupními otvory a-vnější plášt s výstupními otvory pro kapalné médium, přičemž mezi oběma plášti je vytvořena alespoň jedna dutina pro umístěni částic biokatalyzátorů pro imobilizaci enzymů a buněk. Na skeletu rotoru může být upevněn návlek ze sítoviny s výhodou z textilního materiálu. Vstupní otvory ve vnitřním plášti mohou být umístěny přímo proti výstupním otvorům ve vnějším plášti rotoru, aby kapalné médium pronikalo biokatalyzátorem nejkratším radiálním směrem. Upevnění sítoviny může být provedeno jistícími kroužky, pomocí přírub apod. Sítovina zabraňuje úniku částic biokatalyzátoru z vnitřní části rotoru. Sítoviny mohou být z různých materiálů např. textilní materiály, sítky z plastické hmoty, plastické fólie, kovové sítky apod. s definovanou velikostí a tvaru ok tj. s definovanou porositou, která se řídí velikostí částic biokatalyzátoru. Celý rotor nebo skelet rotoru může být zhotoven z kovu s výhodou z nerezové oceli, přičemž některé jeho části mohou být z plastických hmot, sklolaminátů, případně porcelánu nebo skla / pro laboratorní účely/.

Pokud částice biokatalyzátoru /zrna, kuličky, kousky, vločky, destičky apod./ jsou většího průměru než vstupní otvory ve vnitřním a vnějším perforovaném plášti rotoru, není třeba používat návleku ze sítoviny. Tak tomu může být i v případě jsou-li oba pláště zhotoveny přímo z kovového síta s definovanou velikostí ok.

Princip zařízení dle vynálezu je založen na účincích odstředivého pole, které vzniká otáčením rotoru uvnitř rotoru. Na podobném účinku je založen i vynález dle čsl. AO č. 228 221, který se však týká zařízení pro fermentace mikroorganismů, zejména viskosních aerobních médií. Toto zařízení má jen hydrodynamické funkce /mícháni, homogenizace, rozstřik kapaliny, čerpání kapaliny odstředivým polem vzhůru, sušení apod./. Liší se od něho především tím, že dutina rotoru není vyplněná aktivní hmotou, která ovlivňuje reakční biochemické děje v reakční nádobě.

Zařízení pro styk pevné a kapalné fáze v odstředivém poli, které je předmětem čsl.

AO 255 257, je určeno pro fyzikální, fyzikálně-chemické a chemické účely, zejména pro absorpci chemisorpci organickou a anorganickou katalýzu.

Nyní bylo zjištěno, že princip tohoto zařízení lze po určité technické modifikaci použít pro biochemické reakce, zejména pro biokatalýzu pomocí ve vodě rozpustných částic biokatalyzátorů tj. imobilizovaných enzymů a buněk. Otáčející se rotor s náplní částic biokatalyzátoru ponořený pod hladinu reakční kapaliny, nasává vstupním otvorem umístěným uprostřed jeho dna reakční kapalinu /např. roztoky substrátů, živné médium/.

Uvnitř rotoru je reakční kapalina zvedána odstředivou silou vzhůru podél stěn vnitřního pláště, přičemž přechází spirálovitou drahou do tvaru vřetene. Odstředivé pole mající za následek vzlínání kapaliny zabezpečuje aktivní styk reakční kapaliny s individuálními částicemi biokatalyzátorů, přičemž reakční rychlost enzymové biokatalýzy je úměrná otáček rotoru, tedy přestupu hmoty.

Hlavní výhoda zařízení podle vynálezu je, že jednu náplň biokatalyzátoru umístěnou v dutině rotoru lze bez dalších úprav zařízení bezprostředně v dalších cyklech po výměně kapalného reakčního média. Tím se sníží i provozní a investiční náklady /menší aparatury/ oproti dosavadním způsobům.

Na přiloženém výkresu je schematicky znázorněn příklad zařízení pro biokatalytické reakce pomocí imobilizovaných enzymů a buněk dle vynálezu.

Zařízení sestává z reakční nádoby 1_, která je naplněna kapalným reakčnim médiem. V reakční nádobě 2 jsou čtyři zarážky ve tvaru svislých tyčí, které zabraňují vytvoření centrálního víru v nádobě 2·

Nádoba 1_ je opatřena víkem 15, na kterém je upevněn elektromotor 13 se hřídeli 10 spojenou s dutým rotorem 3_, který je zcela ponořen do kapalného reakčního média.· Spodní Část hřídele 10 je zakotvena ve dnu nádoby 1_. Dutý rotor 3 sestává ze dna 4. s centrálním vstupním otvorem 16, z víka 6_ a ze dvou souosých perforovaných plášíů - vnějšího pláště 5 s výstupními otvory 2 a vnitřního pláště ]_ se vstupními otvory 2·

Vnitřní plᚣ 2 má tvar válcovitý, vnější plášt 5 má tvar komolého kužele. Na vnějším kuželovitém plášti _5 je upevněn návlek 12 ze sííoviny, který tvoří mlynářská silonová plachetka.

Návlek 12 je upevněn k víku 2 ke dnu £ dutého rotoru 2 pomocí horní a dolní příruby 11.

Mezi oběma-plášti 5. ^a 2. 3^e vytvořena dutina tvaru prstence, ve které jsou<ploženy částice 14 imobilizovaných buněčných katalyzátorů.

Teleso dutého rotoru 3 jako celek je rozebíratelné na jednotlivé díly, které lze vyměňovat podle potřeby /stavebnicové provedení/.

Otáčející se rotor s náplní biokatalyzátoru zcela ponořený pod hladinou média nasává vstupním centrálním otvorem 16 uprostřed dna £ kapalné reakční médium na dno 4. rotoru.

Odtud je kapalné médium zvedáno vzhůru podél stěny vnitřního pláště ]_, přičemž prochází spirálovitou drahou do tvaru vřetene. Odstředivé silové pole způsobuje, že kapalné médium postupně prostupuje částicemi 14 biokatalyzátoru, který je umístěný v prostoru mezi oběma plášti 2 ^a 2» čímž dochází k cyklické interakci katalyzátoru s kapalným médiem, tedy k biochemické reakci.

Vlivem odstředivých sil vytéká neustále kapalné reakční médium z dutého rotoru 3. výstupními otvory £ ve vnějším plášti 5_ zpět do kapalného média.

Po vyčerpání reakční schopnosti kapalného média se kapalný produkt vypustí a reakční nádoba se naplní novým reakčnim médiem, načež se celý postup opakuje s týmž biokatalyzátorem.

Claims (3)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   1. Zařízení pro biokatalytické reakce pomocí imobilizovaných enzymů a buněk podle čs. AO Č. 255 257 obsahující nádobu pro kapalné reakční médium a rotor otočně uložený v této nádobě, který sestává z pláště, dna a víka rotoru, se vstupním otvorem uprostřed dna rotoru a výstupními otvory v plášti rotoru, vyznačené tím, že skelet rotoru /3/ je tvořen dvěma souosými perforovanými plášti /5, 7/, s výhodou tvaru válce nebo komolého kužele, a to vnitřní plášt /7/ se vstupními otvory /8/ a vnější plášt /5/ s výstupními otvory /9/ pro kapalné médium, přičemž mezi oběma plášti /5, 7/ je vytvořena alespoň jedna dutina pro umístění částic biokatalyzátorů s imobilizovanými enzymy a/nebo buňkami.
2. 2. Zařízení podle bodu 1, vyznačené tim, že na skeletu rotoru /3/ je upevněn návlek /12/ ze sítoviny, s výhodou z textilního materiálu.
3. 3. Zařízení podle bodu 1 a 2, vyznačené tím, že vstupní otvory /8/ ve vnitřním plášti jsou umístěny přímo proti výstupním otvorům /9/ ve vnějším plášti /5/ rotoru /3/.