CS256203B3

CS256203B3 - Equipment for biocatalytic reactions using immobilized enzymes and cells

Info

Publication number: CS256203B3
Application number: CS44985A
Authority: CS
Inventors: Premysl Krovak; Vladimir Behunek; Vladimir Vojtisek; Miroslav Salvet; Pavel Hasal
Original assignee: Premysl Krovak; Vladimir Behunek; Vladimir Vojtisek; Miroslav Salvet; Pavel Hasal
Priority date: 1985-01-23
Filing date: 1985-01-23
Publication date: 1988-04-15
Also published as: CS44985A1

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.The device consists of a reaction vessel with a liquid medium in which a rotatably mounted hollow rotor is immersed with a driven shaft consisting of an outer and an inner shell which are perforated and coaxial, in addition to the rotor and the rotor bottom, in which the central fluid inlet port is central. One or more cavities are formed between the two shells which are filled with particles of the immobilized biocatalyst. A mesh sleeve with a defined mesh size and shape may advantageously be attached to the rotor skeleton. By rotating the hollow rotor, a spindle is formed by the centrifugal forces from the liquid medium inside the rotor, the fluid constantly flowing radially between the biocatalyst particles with which it enters the reaction and then again exiting the liquid medium through the outlet openings in the rotor outer shell.

Description

(54) Zařízení pro biokatalytické reakce pomocí imobilizovaných enzymů a buněk(54) Biocatalytic reaction equipment using immobilized enzymes and cells

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.The apparatus consists of a liquid medium reaction vessel in which a rotatably mounted hollow rotor with a driven shaft is immersed, consisting of an outer and an inner shell, which are perforated and coaxial, a rotor and a rotor bottom in which there is a central liquid media inlet. Between the two skins, one or more cavities are formed which are filled with particles of the immobilized biocatalyst. Preferably, a mesh sleeve of a defined mesh size and shape can be attached to the rotor shell. By rotating the hollow rotor, due to centrifugal forces, a spindle is formed from the liquid medium inside the rotor, the liquid continuously flowing in a radial direction between the biocatalyst particles, with which it enters the reaction and then exits back into the liquid medium through the orifices in the outer casing.

IAND

256203 2256203 2

Vynález se týká zařízení pro biokatalytické reakce pomocí imobilizovanýoh enzymů a buněk, podle čsl. AO č. 255 257.The invention relates to a device for biocatalytic reactions using immobilized enzymes and cells, according to art. AO No 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/.So far, biocatalysis is carried out with the particles in a stirred reactor in a particle suspension, for example at a concentration of 100 to 200 g of wet catalyst mass / liter of aqueous substrate solution. The stirrer type is usually anchor or paddle (screw or propeller blades).

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.In most cases, the biocatalysts consist of amorphous (irregular) particles with a size distribution of 0.01 to 5 mm. For this purpose, the particles can be sized according to size by floating on screens with a defined pore size, and thus the catalysts can be divided into several size classes. However, the larger the particles, the lower their specific activity due to their smaller specific surface area and the more pronounced application of diffusion resistances to the transport of dissolved substrates into the particle and products from the particle.

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.The permanent residence of the catalyst particles in the reactor is still ensured by a built-in filter partition at the bottom of the reactor above the outlet opening. After completion of the reaction, the converted liquid is separated from the particles by filtration through said septum either under vacuum (from the bottom of the reactor) or by overpressure to the surface of the liquid in the reactor. This filtration is problematic; the filter surface (pores of the textile material) becomes clogged and a wet cake is formed and considerable pressures (vacuum) are required to remove liquid from the reactor. These disadvantages are overcome by a device according to the invention comprising a vessel for a liquid reaction medium and a rotor rotatably mounted in the vessel, which consists of a jacket, a bottom and a rotor cover, with an inlet opening in the middle of the rotor bottom and outlet openings in the rotor jacket.

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/.It is an object of the device according to the invention that the rotor skeleton is formed by two coaxial perforated skins, preferably cylindrical or truncated cones, an inner skirt with inlet openings and an outer skirt with outlet openings for liquid medium, at least one a cavity for accommodating biocatalyst particles to immobilize enzymes and cells. A mesh sleeve, preferably of textile material, may be attached to the rotor shell. The inlet openings in the inner shell may be located directly opposite the outlet openings in the outer shell of the rotor to allow the liquid medium to penetrate the biocatalyst in the shortest radial direction. The mesh can be fastened with securing rings, flanges, etc. The mesh prevents the biocatalyst particles from escaping from the inside of the rotor. The webs can be of various materials, eg textile materials, plastic nets, plastic foils, metal nets and the like, with a defined mesh size and shape, i.e. with a defined porosity, which is governed by the particle size of the biocatalyst. The entire rotor or rotor frame may be made of metal, preferably stainless steel, some of which may be of plastics, fiberglass, porcelain or glass (for laboratory purposes).

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.If the biocatalyst particles (grains, beads, chunks, flakes, platelets, etc.) are larger in diameter than the inlet openings in the inner and outer perforated rotor shells, no mesh sleeve is required. This may be the case if both shells are made directly from a metal mesh with a defined mesh size.

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.The principle of the device according to the invention is based on the centrifugal field effects produced by the rotation of the rotor inside the rotor. The invention according to U.S. Pat. No. 228,221, however, which relates to an apparatus for fermentation of microorganisms, in particular viscous aerobic media. This equipment has only hydrodynamic functions (mixing, homogenization, liquid spray, centrifugal pumping of liquid, drying etc.). It differs from it mainly in that the rotor cavity is not filled with active matter, which affects the reaction biochemical processes in the reaction vessel.

Zařízení pro styk pevné a kapalné fáze v odstředivém poli, které je předmětem čsl.The device for contacting the solid and liquid phases in a centrifugal field, which is the subject of the art.

AO 255 257, je určeno pro fyzikální, fyzikálně-chemické a chemické účely, zejména pro absorpci chemisorpci organickou a anorganickou katalýzu.AO 255 257 is intended for physical, physicochemical and chemical purposes, in particular for the absorption of chemisorption by organic and inorganic catalysis.

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/.It has now been found that the principle of this device can be applied after some technical modification for biochemical reactions, especially for biocatalysis by means of water-soluble particles of biocatalysts, ie immobilized enzymes and cells. A rotating rotor with a biocatalyst particle particle submerged below the reaction liquid level, sucks in the reaction liquid / e.g. substrate solutions, nutrient medium.

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.Within the rotor, the reaction liquid is lifted by centrifugal force upward along the walls of the inner shell, passing through the spiral path into a spindle shape. The centrifugal field resulting in the wicking of the liquid ensures the active contact of the reaction liquid with the individual particles of the biocatalysts, the reaction rate of the enzyme biocatalysis being proportional to the rotor speed, ie the mass transfer.

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.The main advantage of the device according to the invention is that one charge of the biocatalyst located in the rotor cavity can be carried out immediately after the liquid reaction medium is replaced without further modification of the device. This will also reduce operating and investment costs (smaller apparatuses) compared to previous methods.

Na přiloženém výkresu je schematicky znázorněn příklad zařízení pro biokatalytické reakce pomocí imobilizovaných enzymů a buněk dle vynálezu.The attached drawing schematically shows an example of a device for biocatalytic reactions using immobilized enzymes and cells according to the invention.

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·The apparatus consists of a reaction vessel 7 which is filled with a liquid reaction medium. There are four vertical rods in the reaction vessel 2 which prevent the central vortex from forming in the vessel 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·The vessel 1 is provided with a lid 15 on which is mounted an electric motor 13 with a shaft 10 connected to a hollow rotor 3 which is completely immersed in the liquid reaction medium. The lower part of the shaft 10 is anchored in the bottom of the vessel 1. The hollow rotor 3 consists of a bottom 4 with a central inlet opening 16, a cover 6 and two coaxial perforated casings - an outer casing 5 with outlet openings 2 and an inner casing 11 with inlet openings 2.

Vnitřní pláš£ 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.The inner shell 52 has a cylindrical shape, the outer shell 5 has a frustoconical shape. On the outer conical casing 5 a netting 12, which is a mill nylon sheet, is fastened.

Návlek 12 je upevněn k víku 2 ke dnu £ dutého rotoru 2 pomocí horní a dolní příruby 11.The sleeve 12 is secured to the cover 2 to the bottom 6 of the hollow rotor 2 by means of the upper and lower flanges 11.

Mezi oběma-plášti 5. ^a 2. 3^e vytvořena dutina tvaru prstence, ve které jsou<ploženy částice 14 imobilizovaných buněčných katalyzátorů.Between the two-shell 5 ^and the second cavity ³ and is formed annularly in which <blanket particles 14 immobilized cell catalysts.

Teleso dutého rotoru 3 jako celek je rozebíratelné na jednotlivé díly, které lze vyměňovat podle potřeby /stavebnicové provedení/.The hollow rotor housing 3 as a whole can be disassembled into individual parts which can be replaced as required (modular design).

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.A rotating rotor with a biocatalyst cartridge completely submerged below the surface of the medium sucks the liquid reaction medium into the bottom of the rotor 4 through an inlet central opening 16 in the middle of the bottom 6.

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.From there, the liquid medium is lifted up along the wall of the inner shell 11, passing through a spiral path into the spindle shape. The centrifugal force field causes the liquid medium to gradually pass through the particles 14 of the biocatalyst located in the space between the two skins 2 ^and 2, thereby causing the catalyst to interact with the liquid medium cyclically, i.e. a biochemical reaction.

Vlivem odstředivých sil vytéká neustále kapalné reakční médium z dutého rotoru 3. výstupními otvory £ ve vnějším plášti 5_ zpět do kapalného média.Due to centrifugal forces, the liquid reaction medium flows continuously from the hollow rotor 3 through the outlet openings 5 in the outer casing 5 back into the liquid medium.

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.After the reaction capability of the liquid medium has been exhausted, the liquid product is drained and the reaction vessel is filled with a new reaction medium, then the whole process is repeated with the same biocatalyst.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

Apparatus for biocatalytic reactions using immobilized enzymes and cells according to MS. AO No. 255 257 comprising a vessel for a liquid reaction medium and a rotor rotatably mounted therein, comprising a shell, a bottom and a rotor cover, with an inlet opening in the middle of the rotor bottom and outlet openings in the rotor jacket, characterized in that is formed by two coaxial perforated skins (5, 7), preferably cylindrical or truncated cones, an inner skirt (7) with inlets (8) and an outer skirt (5) with outlets (9) for liquid medium, wherein at least one cavity is formed between the two shells (5, 7) for accommodating the particles of biocatalysts with immobilized enzymes and / or cells.

2. Device according to claim 1, characterized in that a sieve sleeve (12), preferably of a textile material, is fastened to the rotor shell (3).

Device according to Claims 1 and 2, characterized in that the inlet openings (8) in the inner casing are located directly opposite the outlet openings (9) in the outer casing (5) of the rotor (3).