DD242822A1 - PROCESS FOR IMMOBILIZING BIOLOGICAL MATERIAL - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zur Fixierung von biologischem Material vorgestellt, bei dem einige Nachteile der Fixierung, wie das Einwirken von aggressiven Agenzien, von Vernetzern u. ae. auf biologisches Material vermieden werden. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass als Traegermaterial zur Fixierung bakterielle Zellulose verwendet wird, die so hergestellt werden kann, dass ein Netzwerk entsteht. In dieses kann sich biologisches Material ohne weitere Massnahmen einlagern und steht zur Durchfuehrung enzymatischer Reaktionen (Produktbildung) zur Verfuegung.A method for the fixation of biological material is presented in which some disadvantages of fixation, such as the action of aggressive agents, of crosslinkers u. ae. be avoided on biological material. The method is characterized in that as a carrier material for fixing bacterial cellulose is used, which can be prepared so that a network is formed. In this biological material can be stored without further measures and is available for the implementation of enzymatic reactions (product formation) available.
Description
Spezifische enzymkatalysierte Reaktionen mit mikrobiellen Zellen bzw. mit immobilisierten Enzymen werden seit langem besonders in der pharmazeutischen Industrie durchgeführt (z. B. Steroidtransformationen). Die Immobilisierung ist dabei die praktische Nachahmung eines auch in der Natur sowie bei einigen industriellen Prozessen beobachtbaren Phänomens. Die spontane Bildung „biologischer Filme" durch mikrobiellen Wuchs auf Oberflächen von Sand, Mineralien, Polymeren, Holz, Fasern usw. ist seit langem bekannt (Abwasserreinigung, Essigsäuregewinnung). Neben den Vorteilen fixierter Enzyme weist die Immobilisierung mikrobieller Zellen zusätzliche Vorteile auf:Specific enzyme-catalyzed reactions with microbial cells or with immobilized enzymes have long been carried out particularly in the pharmaceutical industry (eg steroid transformations). The immobilization is the practical imitation of a phenomenon that can also be observed in nature as well as in some industrial processes. The spontaneous formation of "biological films" by microbial growth on surfaces of sand, minerals, polymers, wood, fibers, etc. has long been known (wastewater treatment, acetic acid recovery) .In addition to the advantages of fixed enzymes, the immobilization of microbial cells has additional advantages:
— Die in den Zellen enthaltenen Enzyme müssen nicht erst isoliert und gereinigt werden.- The enzymes contained in the cells do not have to be isolated and purified first.
— Multienzymreaktionen und cofaktor- bzw. coenzymfördernde Reaktionen mit in situ-Regenerierung sind leichter durchführbar.- Multi-enzyme reactions and cofactor- or coenzyme-enhancing reactions with in situ regeneration are easier to carry out.
— Die Enzyme befinden sich in ihrem natürlichen Mikromilieu und besitzen dadurch höhere Stabilität.- The enzymes are in their natural micromilieu and therefore have higher stability.
— Immobilisierte Zellen besitzen z.T. eine höhere Temperatur- bzw. pH-Stabilität als freie Zellen.- Immobilized cells have z.T. a higher temperature or pH stability than free cells.
— Immobilisierte Zellen tolerieren oft höhere Substrat- und Produktkonzentrationen (BERGER, R., 1981, Acta Biotechnolica 1/1, 73-102; BERGER, R., 1982, Acta Biotechnologica 2/4,343-358).Immobilized cells often tolerate higher substrate and product concentrations (BERGER, R., 1981, Acta Biotechnolica 1/1, 73-102, BERGER, R., 1982, Acta Biotechnologica 2 / 4,343-358).
Folgende Methoden der Immobilisierung sind bekannt:The following methods of immobilization are known:
1) Einschluß der Zellen1) Inclusion of the cells
Für die Immobilisierung der Zellen durch Einschluß in meist versetzte Gele, membran(film)-artige Gebilde, Faserhohlräume, Mikrokaspeln usw. werden verwendet:For the immobilization of cells by inclusion in mostly offset gels, membrane (film) -like structures, fiber cavities, micro-chips, etc. are used:
Gele aus Polyacrylamid, aus Polymethacrylamid, aus anderen Acrylat-Polymeren, aus ionischen Gelen usw. (Jap. Pat. 70884, Jap. Pat. 120185, Jap. Pat.7425189, Jap. Pat.7475782, Jap. Pat. 7481590, US Pat. 3791926, DE Offenleg. 2414128, DE Offenleg. 2420102.Gels of polyacrylamide, of polymethacrylamide, of other acrylate polymers, of ionic gels, etc. (Jap. Pat. 70884, Jap. Pat. 120185, Jap. Pat.7425189, Jap. Pat.7475782, Jap. Pat. 7481590, US Pat Pat., 3791926, DE Offenlegungsschrift 2414128, DE Offenlegungsschrift 2420102.
2) Adsorption der Zellen2) Adsorption of the cells
Adsorbiert werden mikrobielle Zellen an zahlreiche organische und anorganische Materialien bzw. Polymere wie Filterpapier, Silikagel, Nylonnetze, Sand, Aktivkohle usw.Microbial cells are adsorbed to numerous organic and inorganic materials or polymers such as filter paper, silica gel, nylon netting, sand, activated carbon, etc.
(Jap. Pat. 7399393, Jap. Pat.75160475, Jap. Pat. 7686142, DE Offenleg. 2413694, US Pat. 3769175, US Pat. 4032407). 3)lnterzelluläre VernetzungPat., No. 3,799,393, Japanese Patent No. 75160475, Japanese Patent No. 7686142, DE Offenlegungsschrift No. 2413694, US Pat. No. 3,769,175, US Pat. No. 4,032,407). 3) Intercellular crosslinking
(DE Offenleg. 2345185, DE Offenleg. 2345186, DE Offenleg. 1915970, US Pat. 3939041, US Pat. 3821086, Jap. Pat.7703891,(DE Offenleg 2345185, DE Offenlegungsschrift 2345186, DE Offenlegungsschrift 1915970, US Pat. 3939041, U. S. Patent 3821086, Japanese Patent 7703891,
Jap. Pat. 7703889)Jap. Pat. 7703889)
4) Covalente Fixierung 4) Covalent fixation
(DE Offenleg.2752499, DE Offenleg. 1915970, DE Offenleg. 2513929, US Pat.3957580, KLEIN, J. and WAGNER, F., 1978 DECHEMA-Monogr.82,142-164, KLEIN, J. and WAGNER, F., 1979DECHEMA-Monogr.84, 265-335).(DE Offenleg.2752499, DE Offenlegungsschrift 1915970, DE Offenlegungsschrift 2513929, US Pat.3957580, KLEIN, J. and WAGNER, F., 1978 DECHEMA-Monogr.82, 142-164, KLEIN, J. and WAGNER, F., 1979DECHEMA monogr.84, 265-335).
Alle diese Methoden haben den Nachteil, daß die Fixierung mit Hilfe einer oder mehrerer chemischer Reaktionen (Vernetzung, Funktionalisierung, Ausbildung covalenter Bindungen) erfolgt, wobei in der Regel von den Reaktionsbedingungen chemischtoxische oder physikalische Nebenwirkungen ausgehen, die den Zellstoffwechsel oder die Enzymaktivität beeinträchtigen.All of these methods have the disadvantage that the fixation with the aid of one or more chemical reactions (crosslinking, functionalization, formation of covalent bonds) takes place, usually emanating from the reaction conditions chemischoxische or physical side effects that affect the cell metabolism or enzyme activity.
Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Immobilisierung von biologischem Material zu entwickeln, mit welchem man die bisher einzeln ablaufenden Teilschritte gleichzeitig oder nacheinander im gleichen Reaktionsraum im diskontinuierlichen oder kontinuierlichen Betrieb durchführen kann.The aim of the invention is to develop a method for the immobilization of biological material, with which one can carry out the previously individually running partial steps simultaneously or successively in the same reaction chamber in discontinuous or continuous operation.
DerErfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen geeigneten Träger auszuwählen, der chemisch inert und thermisch stabil ist und eine solche Struktur aufweist, daß sich das zu fixierende biologische Material darin einlagern kann und daß der Stoffaustausch zwischen Zelle und Milieu mit hoher Geschwindigkeit ablaufen kann ohne dabei durch die Immobilisierung behindert zu werden.The invention is therefore based on the object to select a suitable carrier which is chemically inert and thermally stable and has such a structure that can store the biological material to be fixed therein and that the mass transfer between the cell and medium can proceed at high speed without to be hampered by the immobilization.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß man als Trägermaterial Bakteriencellulose verwendet.According to the invention, the object is achieved by using bacterial cellulose as the carrier material.
Die Bakteriencellulose muß für die Verwendung als Trägermaterial ein netzwerkförmige Struktur aufweisen und wird in bekannter Weise synthetisiert.The bacterial cellulose must have a network-like structure for use as a carrier material and is synthesized in a known manner.
Zweckmäßigerweise führt man die Immobilisierung in der gleichen Vorrichtung durch, in der die Synthese der Bakteriencellulose erfolgt. Das geschieht dadurch, daß man nach Bildung einer ausreichenden Zelluloseschicht die Zellulosesynthese durch Entfernung der Syntheselösung oder auch Auszehrung der Kohlenhydratquelle beendet. Falls erforderlich, können die Acetobacter-Zellen durch eine Hitzebehandlung abgetötet werden. Anschließend bringt man das zu fixierende Material in der gleichen Apparatur in Kontakt mit dem Zellulose-Träger und füllt die für die gewünschte Leistung des fixierten Materials notwendige Reaktionslösung ein. Die Nachführung verbrauchter Reaktionslösung bzw. das Austragen der gebildeten Produkte erfolgen erfindungsgemäß kontinuierlich oder chargenweise.It is expedient to carry out the immobilization in the same apparatus in which the synthesis of the bacterial cellulose takes place. This is done by terminating the cellulose synthesis by removal of the synthesis solution or by exhaustion of the carbohydrate source after formation of a sufficient cellulosic layer. If necessary, the Acetobacter cells can be killed by heat treatment. Subsequently, bringing the material to be fixed in the same apparatus in contact with the cellulose support and filling the necessary for the desired performance of the fixed material reaction solution. The tracking of spent reaction solution or the discharge of the products formed are carried out according to the invention continuously or batchwise.
Folgende Beispiele sollen die Erfindung näher erläutern:The following examples are intended to explain the invention in more detail:
Ein Vlies aus Bakteriencellulose, das in bekannter Weise erzeugt wurde, wird 15 Minuten auf 95°C erhitzt, wobei die zellulosebildenden Bakterien von Acetobacter xylinum abgetötet werden. Nach Abkühlen auf 3O0C wird die verbrauchte Kulturflüssigkeit entfernt und durch ein wäßriges Nährmedium ersetzt, das folgende Zusammensetzung hat: 0,5% Hefeextrakt 0,3% KH2PO4 A non-woven of bacterial cellulose, which was produced in a known manner, is heated at 95 ° C for 15 minutes, whereby the cellulosic bacteria of Acetobacter xylinum are killed. After cooling to 3O 0 C, the spent culture fluid is removed and replaced by an aqueous nutrient medium has the following composition: 0.5% yeast extract 0.3% KH 2 PO 4
Die erzeugte Trägerschicht muß dabei in Kontakt mit dem Nährmedium gebracht werden. Dieses wird mit 80 ml pro eingefüllten Liter Nährmedium einer Suspension von Gluconobacter oxydans CCM1783, die ca. 104 Zellen pro ml enthält, versetzt und 30 min bei 3O0C (pH 6,2) mit dem gesamten Träger in Kontakt gehalten. Danach erfolgt Zugabe von Glycerol bis zu einer Endkonzentration von 100g/l Nährmedium. Während des gesamten Verfahrens werden aseptische Bedienungen eingehalten. Das Glycerol wird innerhalb von 3 Tagen mit einer Ausbeute von 87% in Dihydroxyaceton umgewandelt.The carrier layer produced must be brought into contact with the nutrient medium. This is mixed with 80 ml per liter of culture medium filled a suspension of Gluconobacter oxydans CCM1783, which contains about 10 4 cells per ml, and kept for 30 min at 3O 0 C (pH 6.2) with the entire carrier in contact. Thereafter, glycerol is added to a final concentration of 100 g / l of nutrient medium. Throughout the procedure, aseptic operations are maintained. The glycerol is converted within 3 days with a yield of 87% in dihydroxyacetone.
Die Synthese eines Vlieses aus Bakterienzellulose wird in bekannter Weise eingeleitet. Bereits nach 48 Stunden, wenn die Zellulosematrix noch schwach entwickelt ist, werdender Nährlösung 40 ml pro Liter einer Suspension von Glukonobacter oxydans CCM1783, die ca. 104 Zellen pro ml enthält, aseptisch zugegeben.The synthesis of a nonwoven from bacterial cellulose is initiated in a known manner. Already after 48 hours, when the cellulose matrix is still poorly developed, the nutrient solution is aseptically added 40 ml per liter of a suspension of Glukonobacter oxydans CCM1783 containing approximately 10 4 cells per ml.
Diese Bakterien werden in den Kapillarräumen des Vlieses fixiert und zusätzlich durch neugebildete Zellulosefibrillen befestigt und abgedeckt, ohne daß dazu besondere Maßnahmen erforderlich sind. Die beschriebene Zugabe von Gluconobacter oxydans-Suspension wird nach weiteren 48 Stunden wiederholt. Nach weiteren 48 Stunden wird das Nähmedium entfernt und durch ein steriles wäßriges Medium folgender Zusammensetzung ersetzt:These bacteria are fixed in the capillary spaces of the fleece and additionally secured and covered by newly formed cellulose fibrils, without the need for special measures are required. The described addition of Gluconobacter oxydans suspension is repeated after a further 48 hours. After a further 48 hours, the suture medium is removed and replaced by a sterile aqueous medium of the following composition:
0,5% Hefeextrakt0.5% yeast extract
0,3% KH2PO4 0.3% KH 2 PO 4
6,0% Glycerol6.0% glycerol
12 Stunden danach beginnt der kontinuierliche Betrieb mit D = 0,1 h~\12 hours later, continuous operation starts with D = 0.1 h ~ \
Es wird verfahren wie in Beispiel 2. Anstelle der vermehrungsfähigen Zellen eines Produktbildners wird dem Medium ein Präparat zugesetzt, das aus Biomasse von Acetobacter methanolicus MB 58 besteht, die durch Vorbehandlung mit einer 20%igen wäßrigen Ethanollösung vermehrungsunfähig gemacht wurde. Das Präparat wird in einer Menge von 6g/l, bezogen auf die Bakterientrockensubstanz, zugesetzt. Der Zusatz erfolgt in drei gleichen Teilen im Abstand von 48 Stunden. Die Bestandteile des Präparates werden, ohne daß weitere Maßnahmen erforderlich sind, im Zellulosevlies fixiert und durch neugebildete Zellulosefibrillen eingewoben. Nach 96 Stunden wird das Nährmedium für die Zellulosesynthese ausgetauscht gegen ein Produktbildungsmedium, bestehend aus einer 2%igen wäßrigen Ethanollösung. 8 Stunden danach beginnt der kontinuierliche Betrieb mit D = 0,1h"1 und einer 95%igen Umwandlung von Ethanol in Essigsäure.The procedure is as in Example 2. Instead of the viable cells of a product-forming agent, a preparation is added to the medium, which consists of biomass of Acetobacter methanolicus MB 58, which was made incapable of reproduction by pretreatment with a 20% aqueous ethanol solution. The preparation is added in an amount of 6 g / l, based on the bacterial dry matter. The addition is made in three equal parts at intervals of 48 hours. The components of the preparation are, without further action required, fixed in the cellulose fleece and woven through newly formed cellulose fibrils. After 96 hours, the nutrient medium for the cellulose synthesis is exchanged for a product-forming medium consisting of a 2% aqueous ethanol solution. 8 hours later, the continuous operation begins with D = 0.1 h -1 and a 95% conversion of ethanol to acetic acid.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0293775A2 (en) * | 1987-06-05 | 1988-12-07 | Henkel Kommanditgesellschaft auf Aktien | Method for the determination of the disinfecting activity of a disinfectant and test-strip therefor |
CN102146167A (en) * | 2010-12-21 | 2011-08-10 | 东华大学 | Method for loading oil soluble additive into bacterial cellulose |
CN102146166A (en) * | 2010-12-21 | 2011-08-10 | 东华大学 | Method for loading oil soluble additive into bacterial cellulose |
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1985
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CN102146167A (en) * | 2010-12-21 | 2011-08-10 | 东华大学 | Method for loading oil soluble additive into bacterial cellulose |
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CN102146167B (en) * | 2010-12-21 | 2012-07-25 | 东华大学 | Method for loading oil soluble additive into bacterial cellulose |
CN102146166B (en) * | 2010-12-21 | 2012-08-08 | 东华大学 | Method for loading oil soluble additive into bacterial cellulose |
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