DE2337056A1 - Vorrichtung zum inkontaktbringen von reaktionsteilnehmern - Google Patents

Description

• Vorrichtung zum Inkontaktbringen von Reaktionsteilnehmern Priorität: 21. Juli 1972, V.St.A., Nr. 273 990 11. Mai 1973, V.St.A., Nr. 359 225 Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Verwendung biologischer Reaktionsteilnehmer, beispielsweise Enzyme und Hormone,in der Industrie und im Labor und betrifft Insbesondere eine Vorrichtung zum Behandeln verschiedener Substratlösungen mit einem immobilisierten biologischen Reaktionsteiinehmer dadurch-, daß in der Substratlösung in der Nähe des biologischen Reaktionsteilnehmers eine lokale Turbulenz erzeugt wird, um den bestmöglichen Kontakt zwischen der Substrat lösung und dem biologischen Reaktionsteilnehmer zu erzeugen.
• Die Anwendung der Enzymkatalyse im Labor und in der Industrie ist bisher wegen der hohen Kosten der Enzymreinigung und wegen Schwierigkeiten bei der Entfernung des Enzyms aus dem Endprodukt begrenzt gewesen. Der Entzug des Enzyms und dazugehöriger Verunreinigungen bei rohen Präparaten aus homogenen Reaktionssystemen (lösliche Enzyme und Substrat) erfordert nëm-Ich normalerweise das Ausfällen durch Hitzeanwendung, das Ansäuern oder Hinzufügen eines organischen Lösungsmittels gefolgt von einer Zentrifugierung oder Fi Itrierung. Die Rückgewinnung des Enzyms zur erneuten Verwendung ist unprak:Cl. wegen der labilen Natur des Enzymmoleküls.
• Mit der Erfindung können diese beiden Hindernisse umgangen werden, denn sie erfordert das Immobilisieren von Enzymmolekülen auf einem unlöslichen Träger, bei dem das Enzym ohne weiteres vom Endprodukt getrennt und erneut verwendet werden kann. Es ist wahrscheinlich, daß Enzyme in ihrem ursprüngeichen, gut organisierten Zustand als den Stoffwechsel bewirkende Fermente im Zellgewebe auf diese Weise stabilisiert sind. Eine solche Hypothese wird zum Beispiel durch die Arbeit von E.S. Kempner und J.H. aller unterstützt, die in der Veröffentlichung "Experimental Cell Research", Band 51, 1968, Seite 150 beschrieben ist, wo angegeben ist, daß intrazel lulare Algenenzyme dem Teilchenanteil der Zelle zugeordnet sind.
• Das Interesse an diesen Dingen ist außerordentlich groß und resultiert in erster Linie aus einem Bericht von A. Bar-Eli und E. Kalchalski in "Nature" Band 188, 1960, Seite 856 über das Unlöslichmachen von Trypsin. silber frühere Arbeiten auf diesem Gebiet und damit einhergehende Probleme ist von G. Kay in "Process Biochemistry, Band 3 (8), 1968, Seite 36 und von l.H. Silman und E. Kalchalski in "Annual Review of Biochemistry", Band 35, Seite 655, herausgegeben von Annual Reviews Incorporated, Palo Alto, Kalifornien, 1966, berichtet worden.
• Enzyme bestehen aus Proteinen mit kennzeichnenden Struktureigenschaften, die eine katalytische Wirkung zeigen, das heißt eine chemische Veränderung in einem Substratmolekül veranlassen, ohne daß das Enzymmolekül selbst dauerhaft geändert wird. Proteine bestehen aus einer oder mehreren Ketten von Aminosäuren, das heißt Polypeptidketten. Die Anzahl und Reihenfolge der die einzelnen Bestandteile bildenden Aminosäuren, von denen es so um die zwanzig Arten gibt, bestimmt die Struktur und die funktionalen Eigenschaften eines Proteinmolekls. Die Konformation des natürlichen, das heiß aktiven Enzyms wird von nicht kovalenten Wechselwirkungen zwischen Aminosaureseitenketten miteinander und mit dem Lösungsmittel, das heißt durch Hydratation bestimmt. Weitere beeinflussende Faktoren sind der pH-Wert, die lonenstärke, die Lösungsmitteizusammensetzung, die Temperatur und andere gelöste Substanzen.
• Die aktive Enzymstruktur hat mindestens ein "aktives Zentrum" bzw. eine aktive Stelle", wo die räumliche Anordnung der des Substratmoleküls sehr eng angenähert ist. Dies Verhältnis, das man als analog zu einem Sch IUssel-Sch loß-Verhä ltnis bezeichnet hat, erklärt die außerordentlich begrenzte Auswahl an Substraten, auf die ein gegebenes Enzym einwirkt. Das Ausmaß der Spezifität ist je nach den verschiedenen Enzymen unterschied-.
• 1 ich; in vielen Fällen wirkt ein Enzym nur auf ein einziges Substrat, während es in anderen Fällen auf eine Reihe von eng verwandten Substanzen einwirken kann. Es ist diese Spezifität der Wirkung zusammen mit einem hohen "Umsatz", das heißt ein Molekül eines Enzyms kann auf praktisch unzählige Floleküle eines Substrats in rascher Aufeinanderfolge einwirken, die den Enzymen so große Möglichkeiten In der chemischen Verarbeitung eröffnet.
• In den vergangenen zwölf Jahren hat sich gezeigt, daß viele Enzyme immobilisiert und an einen unlöslichen Träger geheftet werden können, ohne daß man das aktive Zentrum blockiert.
• Zum immobilisieren werden dabei hauptsächlich folgende Verfahren angewandt: 1.) Adsorption - Dies Verfahren hat sich wegen der Tendenz zur Desorption als nicht sehr zufriedenstellend erwiesen.
• 2.) Einschluß - Das Enzymmolekül wird in einem Gitter eines Gels eingeschlossen oder eingefangen, dessen Poren zu klein sind, als daß das Enzym entweichen könnte, aber groß genug, um Substratmoleküle einzulassen und die Endprodukte freizugeb£n.
• 3.) Kovalente Bindung - In diesem Fall besteht eine chemische Bindung zwischen dem Enzymmolekiil und Stützmolekül, ohne daß dabei die aktive Stelle mit betroffen wäre. Dies Verfahren wird bis heute am meisten angewendet.
• 4.) Vernetzung - Die Enzymmolekule sind kovalent untereinander verbunden, und bilden eine Vernetzung innerhalb und um geeignete unlösliche Polymerisate herum.
• Da die Nützlichkeit immobilisierter Enzyme von der Exponierung der aktiven Stelle gegenüber dem Substrat abhängt, hat man sich beim Aufbau des Enzym-Stütz-Trägers um den größtmöglichen Flächenbereich bemüht. Aus diesem Grund werden immobilisierte Enzyme meistens in Tei lchenform verwendet. Die Teilchen können in einem fixierten Bett verwendet werden, durch das die Substratlösung geleitet wird, beispielsweise in einer kontinuierlich arbeitenden Säule oder auf einem Filtertrichter.
• Andererseits können die Teilchen auch in der Substrat lösung gerührt werden, und die Rückgewinnung daraus kann durch Zentrifugieren, Filtrieren oder Dekantieren erfolgen. Ein Vergleich der Wirksamkeit zwischen einem Reaktionsgefäß mit einem verdichteten Bett und einem Reaktionsgefäß, welches kontinuierlich arbeitet und gerührt wird, unter Verwendung von kovalent an DEAE-Cellulose gebundener Amyloglucosidase ist von S.P. O'Neil, P. Dunnill und M.D. Lilly in "Biotechnology and Bioengineering" Band 13, 1971, Seite 337 gegeben worden. K.L. Smiley hat in "Biotechnology and Bloengineering", Band 13, 1971, Seite 309 die kontinuierliche Umwandlung von Stärke in Glukose mit immobilisierter Glucoamylase in einem Reaktionsgefäß unter Rühren beschrieben und gibt an, daß Säulen nicht zufriedenstellend sind, da sie zu lang sein müssen, um eine ausreichende Verweilzeit für eine angemessene Substratkonversion zu erzielen, und daß der Cellulose-Enzym-Komplex sich eng verdichtet bzw. aufstaut und die Strömung beeinträchtigt wird. In "3iotechnology and Bioengineering" Band 13, 1971, Seite 709 haben M.J. grobe, G.W. Strandberg und K.L. Smiley über ein erfolgreiches kovalentes Anheften eines Steroide modifizierenden Enzyms an Glasperlen beschrieben, bei dem eine bessere Strömungsgeschwindigkeit möglich ist.
• Die Geschwindigkeit der Enzymkatalyse wird als Umsatz ausgedrückt, das heißt die Anzahl der Substratmoleküle, die pro Enzymmolekül pro Minute umgesetzt werden. Die Auswirkung der Substratkonzentration auf die Reaktionsgeschwindigkeit wird als Michaelis-Konstante ausgedrückt, das ist eine kinetische Konstante, die die Geschwindigkeit der Bildung und des Verfalls des zwischenzeitlichen Enzym-Substrat-Komplexes unter optimalen Bedingungen regelt. Diese Faktoren sind r4erkmale des Enzyms und werden von den hier untersuchten Bedingungen beeinflußt. Im Fall der immobilisierten Enzyme kommt'eine weitere außerordentlich wichtige, die Reaktionsgeschwindigkeit begrenzende Wirkung hinzu, nämlich das Hingelangen des Substratmoleküls an die aktive Stelle. In t'Process Blochemistryn, Band 3, Nr. 8, 1968, Seite 36 führt G. Kay zwei Diffusionseinschränkungen auf: Eine ist der stagnierend wirkende Flüssigkeitsfilm, der die Teilchen in einer Flüssigkeit umgibt, und die andere betrifft die Porengröße. So ist die Strömungsgeschwindigkeit der vierten Potenz des Porenradius proportional.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Hingelangen des Substrats zur aktiven Stelle des Enzyms zu beschleu- zu beschleuneigen.
• mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung werden drei hauptsächliche Vorteile für die praktische Anwendung biologischer Reaktionen beispielswe rIer enzymatischen Katalyse erzielt: 1.) Der biologische Reaktionsteilnehmer, beispielsweise ein Enzym wird in einem abgestützten Fi Im mit einem beliebigen bekannten Verfahren immobilisiert, wodurch das Abtrennen des Enzyms bzw. Enzymsystems aus dem Endprodukt ohne weiteres möglich ist.
• 2.) Die Vorrichtung kann entweder für kontinuierlichen Betrieb oder für chargenweisen Betrieb verwendet werden.
• 3.) Die Oberflächen des aktiven Enzymeinbettungsmaterials hängen zusammen mit Xeaktionsprallplatten, die eine Turbulenz erzeugen, welche den Kantakt zwischen dem Substrat und dem Enzym fördert.
• Die Vorrichtung gemäß der Erfindung für den immobilisierten biologischen Reaktionsteilnehmer besteht aus einem langgestreckten Gefäß mit einer Einlaßöffnung und einer Aus laßöffnung. Durch die llitte des Gefäßes erstreckt sich eine von einem rotor angetriebene Welle, an der eine Reihe von Reaktionsscheiben befestigt sind. Der Durchmesser dieser Scheiben ist etwas kleiner als der Innendurchmesser des Gefäßes.
• Zwischen den Reaktionsscheiben sind dünne, massive, ortsfeste Strömungsleitelemente an der Innenwand des Gefäßes befestigt. Durch die Mitte der Strömungsleitelemente erstrecken sich Löcher, deren Durchmesser etwas größer ist als der Durchmesser der Welle Wenn die Substrat lösung in das Reaktionsgefäß durch die Einlaßöffnung eingeleitet wird, fließt sie in enger Berührung mit der sich drehenden Reaktionsscheibe um den Rand der Scheibe. und zur Mitte hin, wohin sie vom ortsfesten Strömungsleitelement geleitet wird, wobei sie aber noch in enger Berührung mit der sich drehenden Reaktionsscheibe steht.
• An der Welle fließt die Substratlösung wiederum durch die Öffnung zwischen dem ortsfesten Strömungsleitelement und der Welle hindurch und nach außen und wiederum längs der nächsten sich drehenden ReaktionsscheTbe, Dieser Zyklus wiederholt sich, während die Lösung durch die Vorrichtung hindurchfließt, bis die umgewandelte Substratlösung durch die Auslaßöffnung aus der Vorrichtung abfließt.
• Die Reaktionsscheibe ist eine dünne, allgemein ebene Scheibe, auf der ein biologischer Reaktionsteilnehmer, beispielsweise ein Enzym oder ein Hormon, festlegbar ist. Die Scheibe kann beispielsweise eine feste Scheibe aus Kunststoff oder einem anderen Material sein, welches den biologischen Reaktionsteilnehmer in smmob AI-sierter Form festhalten kann. Alternativ läßt sich die Reaktionsscheibe als durchlässige bzw. durchlöcherte Scheibe, beispielsweise als Scheibe aus einem Metallsieb oder einem Kunststoffsieb, ausbilden, wobei an ihr bzw. in ihr ein zugängliches, aktives Enzym oder Enzymsystem befestigt-bzw. eingegrenzt ist.
• Wenn ein hohes Maß an Turbulenz an der Oberfläche der Scheibe gewUnscht ist, können eine oder beide Flachseiten der Scheibe mit durchlässigen bzw. durchlöcherten Reaktionsleitelementen bzw. Reaktionsprallplatten solcher Dicke versehen sein, daß die vertikalen Bereiche der Perforation als Prallelemente wirken und die laminare Strömung der Subst Sldsung unterbrechen. Die lokalisierte, das heißt örtliche Turbulenz, die auf diese Weise an der Oberfläche der stützenden Scheibe erzeugt wird> fördert die biologische Reaktion ganz deutlich.
• Die Reaktionspraliplatten, die außerdem den flachen Enzymträger verstelfen.ond abstützen, können aus Metall oder Glasfasereinem steifen material, aus Nylon oder sogar aus einem Plastiksleb hergestellt sein. Die Geschwindigkeit, mit der die Substrat-Lösung in das Reaktionsgefãß eingepumpt wird, steuert das Ausmaß der Umwandlung.
• Ein Tmmobilisierter biologischer Reaktionsteilnehmer, dessen Verwendung die Anmeldung vorsieht, ist ein Enzym oder Hormon, das eine biologische Reaktion beeinflußt, aber nicht Teil des Produktes jener biologischen Reaktion wird. Die Erfindung ist zwar besonders nützlich für immobilisierte Enzyme, ist jedoch nicht auf Immobilislerte Enzyme noch überhaupt auf Enzyme beschränkt. Die besondere Form des immobilisierten biologischen Reaktlonsteilnehmers ist für die Erfindung nicht von entscheidender Bedeutung.
• Die Erfindung wird nachfolgend mit vorteilhaften Einzelheiten anhand schematischer Zeichnungen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; Fig. 2 einen Querschnitt durch Fig. 1, in dem eine Reaktionsscheibenanordnung dargestellt ist; Fig. 3 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung der Reaktionsscheibenanordnung gemäß Fig. 2 Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum Erzeugen einer örtlichen Turbulenz, um dadurch den orößtmöglichen Kontakt zwischen einem immobilisierten biologischen Reaktionsteilnehmer und einer Substratlösung zu erzielen, ist in Fig. 1 gezeigt.
• In Fig. 1 ist die Vorrichtung insgesamt mit 1 bezeich-5. . L . .. .
• net. Diese Vorrichtung 1 umfaßt ein langgestrecktes Gefäß 3 mit einer Einlaßöffnung 5 am Boden des Gefäßes und einer Auslaßöffnung 7 an der Oberseite des Gefäßes 3. Die Substratlösung trltt durch die Einlaßöffnung 5 In das Gefäß 3 ein, strömt durch das Gefäß nach oben und verläßt es durch die Auslaßöffnung 7.
• In der Mitte erstreckt sich in Längsrichtung eine Welle 9 durch das Gefäß 3, die drehbar ist. Auf der Welle 9 sind Reaktionsscheiben 11 in Form von im Abstand voneinander mehrere \TReaktionsscheibenanordnungen angebracht, die innerhalb des Gefäßes liegen und gemeinsam mit der Welle 9 drehbar sind. Von diesen Reaktionsscheiben 11 wird der immobilisierte biologische Reaktionsteilnehmer abgestützt.
• An der Innenwand des länglichen Gefäßes 3 sind mehrere ortsfeste Strömungsleitlemente 13 befestigt, die jeweils einen Innenumfang haben, der um die Welle 9 herum einen Ring bildet.
• Der innere Umfang der ortsfesten Strömungsleitelemente 13 ist so groß, daß die Welle 9 hindurchpaßt und sich frei drehen kann.
• Zwischen jeweils zwei der Reaktionsscheiben 11 ist ein Strömungsleitelement 13 vorgesehen, so daß sich eine abwechselnde Anordnung von Reaktionsscheiben 11 und Strömungsleitelementen 13 ergibt.
• Zum Umdrehen der Welle 9 innerhalb des lang gestreckten Gefäßes 3 ist ein Motor 14 vorgesehen.
• Bei dem Bei, d,e,rp,.h,ie,,F,, gezeigten AusfphrungsbeispTel ist das bngXgestreckte Gefäß 3 zylindrisch und mit seiner Längsachse in vertikaler Ausrichtung angeordnet. Es sind jedoch auch andere Ausführungsbeisplele möglich, bei denen das Gefäß die Gestalt eines anderen Rotationskörpers mit einem kreisförmigen Querschnitt hat. Die Ebene der Reaktionsscheiben 11 und der Strömungsleitelemente 13 verläuft senkrecht zur Längsachse des langgestreckten Gefäßes 3. Der Innenumfang jedes Strömungsleitelements 13 ist so groB, daß die Substratlösung zwischen der Welle 9 und dem Innenumfang des Strömungsleitelements 13 hindurchfließen kann. Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung können fUr eine AusrIchtung in anderer als vertikaler Lage ausgelegt sein, beispielsweise für horizontale Erstreckung.
• Jede dar in Fig. 2 gezeigten Reaktionsscheiben 11 dreht sich mit der Welle 9 innerhalb des Gefäßes 3.
• Die Gestalt des Außenumfangs der innerhalb des langgestreckten Gefäßes 3 liegenden Reaktionsscheiben 1l entspricht der Gestalt des Innenumfangs des langgestreckten Gefäßes 3 im Querschnitt, und der Spielraum zwischen dem Außenumfang der Reaktlonsscheiben 11 und der Innenwand des langgestreckten Gefäßes 3 ermöglicht ein Hindurchströmen der Substrat lösung. Es sei noch darauf hingewiesen, daß das ortsfeste Strömungsleitelement 13 in Fig, 2 nicht gezeigt ist.
• als ReaRtionsscheibé 1 I~aYerwendhare Wie aus Fig. 3 hervorgeht, weist JedeWlReaktionsscheibenanordnung eine durchlässige oder durchlöcherte Stützscheibe 15, dIe, den tmmobilislerten biologischen, Reaktionstei Inehmer, beispielsweise ein Immobilisiertes Enzym abstützt, und zwei durchlässige oder durchlöcherte Reaktionsprallplatten 17 auf.
• Von diesen Reaktionsprallplatten 17 ist jeweils eine auf jeder Seite der Stützscheibe 15 angeordnet, so daß die Stützscheibe 15 schlchtartl,g zwischen den beiden durchlässigen Reaktionsprallplatten 17 vorgesehen ist, die alle gemeinsam auf der Welle 9 angebracht sind.
• Die durchlässige StUtzscheibe 15 kann aus einem Kunststoffsieb hergestellt sein, während die durchlässigen Reaktionsprallplatten 17 aus Drahtsieben hergestellt sein können. Als immobilisierter biologischer Reaktionsteilnehmer kann ein Enzym, beispielsweise Lactase dienen, während die Substratlösung milch oder ein Mi lchprodukt sein kann. Das Enzym Glucoamylase, welches Stärke hydrolisiert, arbeitet ebenfalls gut in dieser Vorrichtung.
• Auf der Welle 9 kann ein hier nicht gezeigter Antriebspropeller.
• vorgesehen sein, um die Strömung der Substratlösung durch das Gefäß 3 zu verstärken.
• Die in den Zeichnungen dargestellte und oben beschriebene Vorrichtung arbeitet wie folgt. Ein immobilisierter biologischer Reaktionsteilnehmer, beispielsweise ein Enzym, ist.auf mehreren Reaktionsscheiben 11 abgestützt, die Stützscheiben 15 aufweisen können, die den immobilisierten biologischen Reaktionsteilnehmer enthalten und schichtartig zwischen zwei durchlässigen Reaktionsprallplatten 17 angeordnet sind. Eine Substratlösung wird über die Reaktionsscheiben 11 geleitet. Die Drehung der Reaktionsscheiben 11 erhöht die Berührungsgeschwindigkeit der durch das Reaktionsgefäß strömenden strömenden Substratlösung. Wenn fleak'ti-' onsprallplatten 17 vorhanden sind, :ird die laminare Strömung der Substratlösung durch die durchlässigen Reaktionsprallplatten 17 unterbrochen, die örtliche Turbulenzen an der Oberfläche jeder Stützscheibe 15 erzeugen, durch der Kontakt zwischen dem immobilisierten biologischen Reaktionsteilnehmer und der Substratlösung auf ein Höchstmaß gebracht wird. Die Strömung der Substratlösung wird durch das Einpumpen der Substratlösung in das langgestreckte Gefäß 3 an der Einlaßöffnung 5 erzeugt.
• Die Geschwindigkeit, mit der die Substratlösung, während sie im Gefäß 3 nach oben fließt, aber die Reaktionsscheibe 11 strömt, wird von der Geschwindigkeit, mit der diese Substratlösung in die Einlaßöffnung 5 eingepumpt wird, gesteuert.
• Die Substretlösung wird durch die Einlaßöffnung 5 in das langgestreckte Gefäß 3 hineingepumpt und fließt dann längs der Unterseite der untersten Reaktionsscheibe 1l zum äußeren Umfang dieser untersten Reaktionsscheibe hin.
• Dann fließt die Substratlösung nach oben zwischen dem äußeren Umfangsrand der untersten Reaktionsscheibe 11 und der Innenwand des langwgestreckten Gefäßes 3 hindurch. Von dort strömt die Substratlösung über die obere horizontale Oberfläche der untersten Reaktionsscheibe, - 11 zwischen der untersten Reaktlonsschelbe 11 und dem untersten ortsfesten Strömungsleltelement 13 hindurch zur Welle 9 hin. Von dort fließt die Substrat lösung nach oben zwischen dem Innenumfang des untersten Strömungsleitelements 13 und der Welle 9 hindurch zur Unterseite der nächsten Reaktionsscheibe. 1l. Dann fließt die Substratlösung wieder längs der Unterseite der nächsten Reaktionsscheibe ii zum äußeren Umfangsrand dieser Reaktionsscheibe hin, und dies wird so lange wiederholt, bis die Substratlösung die Oberseite des Gefäßes 3 erreicht und das Gefäß durch die Auslaßöffnung 7 verläßt.
• Der Reaktionsteilnehmer, beispielsweise ein Enzym, kann auf oder in einem Träger immobilisiert sein, der in dem zu behandelnden Substrat unlöslIch ist. Der Träger kann eine halbdurchlässige Membran sein, und der Reaktionsteilnehmer ist in dieser halbdurchlässigen Membran durch geeignete Verfahren eingebettet. Zu diesem Zweck geeignete Verfahrensschritte sind beispielsweise in der deutschen Patentschrift 1 227 855 offenbart.
• Als "halbdurchlessige Membran ist ein Fi Im bzw. eine Membran eines linearen, das heißt nicht vernetzten Polymerisats bezeichnet, welches gegenüber Verbindungen von niedrigem Molekulargewicht durchlässig, aber fürmakromolekulare Verbindungen wie Proteine undurchlässig ist. Im allgemeinen haben solche Filme oder membrane Poren, deren durchschnittliche Größe zwischen den elolekulargrößen der Verbindungen mit niedrigem Molekulargewicht und den makromolekularen Verbindungen liegt. Die .. 1 tatsächliche Porengröße ist nicht von entscheidender Bedeutung.
• Wichtig ist statt dessen das Verhältnis der Porengröße der Membran zur wirksamen Größe des Reaktionsteilnehmers und der Reaktlonsteilnehmermolek(ile. Die Größte der Poren sollte kleiner sein als die wirksame Größe des Reaktionsteilnehmermoleküls, um zu gewährleisten, daß der Reaktionsteilnehmer in der Membran zurückgehalten wird. Andererseits sollte die Größe der Poren aber so bemessen sein, daß das Substrat hindurch gelangt, auf das der Reaktionsteilnehmer einwirkt. Im allgemeinen haben sich embrane mit Porengröße im Bereich von ca. 20 bis ca. 60 Angströmeinheiten als nützlich erwiesen.
• Ein wichtiges Merkmal des Polymerisats, aus dem die Membran aufgebaut ist, besteht darin, daß es in einem verhältnismäßig flüchtigen Lösungsmittel unter Bedingungen, bei denen der Reaktionsteilnehmer stabil ist, löslich sein sollte, während es in dem zu behandelnden Substrat unlöslich ist.
• Darüber hinaus sollte das Polymerisat inert sein, das heißt es sollte nicht mit dem Reaktionsteilnehmer oder dem Substrat reagieren. Geeignete Polymerisate gehören zum Stand der Technik und sind bereits für Olalyse-embrane verwendet worden. Zu diesen Polymerisaten gehören Gellulosederivate, wie Cellophan, regenerierte Cellulose und Ester, wie Celluloseacetat und die teilweise nitrierte Baumwolle, die Pyroxylin yenannt wird, einschließlich Cellqloid und Kol odium; Proteine, wie Kollagen; Vinylpolymerisate, insbesondere Vinylester, beIspielsweIse Poly-(Methylmethacrylat); und dergleichen.
• Kollodium wird bevorzugt.
• '"' Der Reaktionsteilnehmer wird in der halbdurchlässigen Membran selbst durch Dispergieren oder durch Auflösen in einer Lösung des den Film bildenden Polymerisats eingefangen. Das Lösungsmittel für das Polymerisat ist nicht von entscheidender Bedeutung, vorausgesetzt, daß es inert ist, das heißt daß es nicht mit dem Polymerisat oder dem als Reaktionsteilnehmer gewählten Enzym reagiert und verhältnismäßig flüchtig ist, das heißt unter Bedingungen verdampi werden kann, bei denen der Reaktionsteilneher stabil ist, vorzugsweise Umgebungstemperatur und -druck. Das jeweils gewählte Lösungsmittel hängt natürlich von dem gewählten Polymerisat ab; aber flüchtige Ather, z.B.
• Diäthyläther, Ketone, z.B. Aceton, chlorierte Kohlenwasserstoffe, z.B. 1,2-Dichloräthan und dergleichen ebenso wie Gemische derselben sind im allgemeinen geeignet. Das Lösungsmittel kann auch ein Lösungsmittel für den Reaktionsteilnehmer sein; aber das ist nicht nötig.
• Die Konzentration des Polymerisats in der Lösung ist nicht von entscheidender Bedeutung, vorausgesetzt daß die Lösung nicht so viskos ist, daß sie die g!eichmäßige Verteilung des Reaktionstel lnehmers im ganzen Polymerisat verhindert oder das jeweilige Aufbringungsverfahren beeinträchtigt und ferner vorausgesetzt, daß genugend Lösungsmittel vorhanden ist, um gegebenenfalls den Reaktionstei Inehmer aufzulösen. Es wird jedoch bevorzugt, nicht mehr Lösungsmittel als nötig zu verwenden, um die Zeit zum Trocknen auf ein Minimum einzuschränken. Im allgemeinen haben sich Lösungen, die von ca. 10 bis 50 Gew. Polymerisat enthalten, als 4. . . - - . . . . f .. .. . .
• nützlich erwiesen.
• Ahnlich ist auch das Verhältnis von Reaktionsteilnehmer : Polymerisatnicht in engen Grenzen entscheidend, vorausgesetzt, daß der Reaktionstei nehmer ausreicht, um eine Membran oder einen Film von nützlicher Aktivität zu schaffen und daß genügend Polymerisat vorhanden ist, um ein Einbettungsmaterial um den Reaktionsteilnehmer herum zu bilden. Im allgemeinen' ist es wünschenswert, daß die Membran mindestens von ca. 0,3 Millionen bis ca. 1 Million Einheiten des Reaktionsteilnehmers pro Gramm des die Membran bildenden Polymerisats enthält.
• Die Suspension oder Lösung aus Reaktionsteilnehmer, Polymerisat und Lösungsmittel wird auf eine beliebige geeignete Oberfläche aufgebracht, um einen Fi Im in der.gewünschten Dicke, normalerweise im Bereich von ca. 10 bis ca. 1 mm zu bilden, und das Lösungsmittel wird verdampft. Wenn der Fi!m in nicht abgestützter Weise verwendet werden soll, wird auf eine nicht anhaftende Unterstutzung, beispielsweise Glas gegossen und nach dem Trocknen abgezogen. Andererseits kann die den Reaktionsteilnehmer enthaltende Polymerisatlösung auch unter Anwendung bekannter Verfahren durch eine Sprltzform in ein Koagul ierbad extrudiert werden.
• Es ist wünschenswert, den Film auf einer Stütze-zu verwenden, und die den Reaktionsteilnehmer enthaltende Lösung kann unmittelbar auf der Unterstützung abgelagert werden. Beispielsweise kann die Lösung auf ein Sieb aus einem inerten Werkstoff, beispielsweise Nylon aufgebracht und getrocknet werden. Für den Durchschnittsfachmann liegen andere Arten von Unterstützung buf der Hand. Bevorzuote Unterstützungen sind jedoch solche, die den Bereich exponierter t-lembranoberfläche pro Gewichtseinheit der membran auf das größtmögliche daß bringen, wie das bei Sieben der Fall ist. Der dabei entstehende Gegenstand weist eine embran auf, in die das Sieb eingebettet ist.
• Beispiel Ein Volumenteil einer konzentrierten Enzymlösung wird langsam zwei Volumenteilen rasch gerührtem Kollodium (4 % zugegeben.
• Die so hergestellte Emulsion wird gerührt, bis sie eine melasseartige Konsistenz aufweist, und dann auf ein kreisrundes Sieb mit für eine Reaktionsscheibe geeigneter Größe gegossen. Dabei befindet sich das Sieb auf einer Glasplatte. Die Emulsion härtet zu einer gummiartigen T1embran, die das Sieb enthält.
• Diese Membran wird dann für einige Stunden in Ghtaraldehyd (2,:, - 5 %) mit einem pH-Wert von 8 eingetaucht. Das Glutaraldehyd vernetzt das Enzym, indem es das Enzym mit den linearen Ketten des Koilodiums verbindet. Die Zeit der Behandlung mit Glutaraldehyd variiert umgekehrt bzw. ist umgekehrt proportional seiner Stärke. Nach dem Abspülen überschüssigen Glutaraldehyds ist die Enzymscheibe verwendungsfertig.

Claims (12)

Ansprüche

1. Vorrichtung zum Erzeugen örtlicher Turbulenz und dadurch hervorgerufener Kontaktverbesserung zwischen einem immobilisierten biologischen Reaktionsteilnehmer und einer Substratlösung, gekennzeichnet durch ein langgestrecktes Gefäß (3) mit einer Einlaßöffnung (5) und einer Auslaßöffnung (7), durch das die Substratlösung geleitet wird; durch eine Welle (9), die sich durch die Mitte des langgestreckten Gefäßes in Längsrichtung erstreckt; durc;...lehrere Reaktionsscheiben (11), die den immobilisierten biologischen Reaktionsteilnehmer abstützen und die auf der Welle (9) im Abstand voneinander gemeinsam mit der Welle drehbar innerhalb des langgestreckten Gefäßes (3) angebracht sind; durch mehrere ortsfeste Strömungsleitelemente (13), die innerhalb des langgestreckten Gefäßes (3) angeordnet und an der Innenwand des Gefäßes befestigt sind, und deren Innenumfang jeweils einen Ring um die Welle bildet,.wobei der Innenumfang so groß ist, daß die Welle (9) hindurchpaßt und sich frei drehen kann, wobei jeweils ein Strömungsleitelement so zwischen den Reaktionsscheiben vorgesehen ist, daß sich eine abwechselnde Anordnung aus Reaktionsscheiben und Strömungsleitelementen ergibt; und durch eine Einrichtung (14), mit der die Welle (9) innerhalb des langgestreckten Gefäßes (3) drehbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Reaktionsscheibe als Reaktionsscheibenanordnung (11) ausgebildet ist, die eine durchlässige bzw. durchlöcherte Stützscheibe (15), einz von dieser Stützscheibe abgestützten immobilisierten biologischen Reaktionsteilnehmer und zwei durchlässige bzw. durchlöcherte Reaktionsprallplatten (17) aufweist, von denen jeweils eine an jeder Seite der Stützscheibe angeordnet ist, wobei die Stützscheibe schichtartig zwischen zwei Reaktionsprallplatten vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durchlässige Stützscheibe (15) aus einem Kunststoffsieb hergestellt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die durchlässigen Reaktionsprallplatten (17) aus Drahtsieben hergestellt sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß der immobilisierte biologische Reaktionsteilnehmer ein Enzym ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daR der immobilierte biologische Reaktionsteilnehmer Lactase ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der immobilisierte biologische Reaktionsteilnehmer Glucoamylase ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenumfang jedes Strömungsleitelements (13) so groß ist, daß die Substratlösung zwischen der Welle (9) und diesem Innenumfang hindurchfließen kann.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das. langgestreckte Gefäß (3) von zylindrischer Gestalt und mit seiner Längsachse in vertikaler Richtung angeordnet ist, daß die Einlaßöffnung (5) am Boden des zylindrischen Gefäßes vorgesehen ist, und daß die Auslaßöffnung (7) am Kopf des zylindrischen Gefäßes angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9; dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene der Reaktionsscheiben (11) sowie der Strömungsleitelemente (13) senkrecht zur Längsachse des langgestreckten Gefäßes (3) angeordnet ist, und daß die Gestalt des Außenumfangs der innerhalb des langgestreckten Gefäßes (3) angeordneten Reaktionsscheiben (11) der Gestalt des Innenumfangs des langgestreckten Gefäßes im Querschnitt entspricht und der Spielraum zwischen der äußeren Umfangskante der Reaktionsscheiben und der Innenwand des langgestreckten Gefäßes ein Hindurchströmen der Substratlösung ermöglicht.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Antriebspropeller auf der Welle (9) zur Verstärkung der Strömung der Substratlösung durch das Gefäß (3) angebracht ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Drehen der Welle (9) ein Motor (14) ist. Leerseite