DE2553649A1 - METHOD FOR CARRYING OUT ENZYMATIC REACTIONS - Google Patents
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Description
Verfahren zur Durchführung von enzymatischen ReaktionenProcess for carrying out enzymatic reactions
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung von enzymatischen Reaktionen und insbesondere zur Durchführung von enzymatischen Reaktionen mit Hilfe von unlöslichen Enzymen, die in den Poren von mikroporösen Membranen vernetzt sind.The invention relates to a method for carrying out enzymatic Reactions and in particular for carrying out enzymatic reactions with the aid of insoluble enzymes which are present in the Pores of microporous membranes are networked.
Der Vorteil der Verwendung von unlöslichen Enzymen für enzymatische Reaktionen liegt in der Möglichkeit, katalytisch mit einem Enzym auf eine Substratströmung in kontinuierlicher Weise einwirken zu können, ohne daß eine Notwendigkeit zur Abtrennung des Enzyms von dem durch die katalytische Reaktion erhaltenen Produkt gegeben ist.The advantage of using insoluble enzymes for enzymatic Reactions lies in the possibility of acting catalytically with an enzyme on a substrate flow in a continuous manner can be given without the need to separate the enzyme from the product obtained by the catalytic reaction is.
Die Verwendung von unlöslichen Enzymen bei der Durchführung von enzymatischen Reaktionen ist bekannt. So seien z.B. die folgenden bekannten Methoden einer solchen Anwendung genannt:The use of insoluble enzymes in performing enzymatic reactions is known. So, for example, are the following known methods of such an application called:
1. Die unlöslichen Enzymteilchen werden in einem Behälter unter Rühren suspendiert, wobei die austretende Strömung durch ein Filter durchtritt;1. The insoluble enzyme particles are suspended in a container with stirring, with the exiting flow passes through a filter;
2. die unlöslichen Enzymteilchen werden in eine Säule oder Kolonne gepackt, durch welche das Substrat kontinuierlich durchströmt.2. The insoluble enzyme particles are packed into a column or column through which the substrate is continuous flows through.
Beide Systeme wurden von unterschiedlichen Gruppen untersucht, und in zahlreichen Fällen wurden Diffusionsbeschränkungen beobachtet, die aus nichtgerührten Schichten innerhalb der Teilchen und rings um die Teilchen auftraten. Diese Einschränkungen werden von größerem Einfluß, wenn die Diffusionsgeschwindigkeit des Substrates am langsamsten und die Geschwindigkeiten der enzymatischen Reaktion am höchsten sind. So wurde gefunden, daß diese Beschränkungen hinsichtlich der Diffusion die Wirksamkeit der nichtsolubilisierten Enzymteilchen erniedrigen, und manchmal wird nur ein geringer Prozentsatz ihrer potentiellen Aktivität ausgenutzt. Daher ware es vorteilhaft, ein Verfahren zur Durchführung von enzymatischen Reaktionen mit Hilfe von unlöslichen Enzymen zur Verfugung zu haben, bei welchen diese Nachteile der bekannten Arbeitsweisen im wesentlichen vermieden werden.Both systems have been studied by different groups, and diffusion restrictions have been observed in numerous cases, those of non-agitated layers within the particles and appeared all around the particles. These limitations become more important when the rate of diffusion increases of the substrate are slowest and the speeds of the enzymatic reaction are the highest. So it was found that this Limitations on diffusion lower the effectiveness of the unsolubilized enzyme particles, and sometimes only a small percentage of their potential activity is used. Therefore it would be advantageous to have a method for Carrying out enzymatic reactions with the help of insoluble enzymes to have available, in which these disadvantages the known working methods are essentially avoided.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines solchen Verfahrens ohne die obengenannten Nachteile.The object of the invention is to create such a method without the disadvantages mentioned above.
Überraschenderweise wurde nun ein Verfahren zur Durchführung von enzymatischen Reaktionen gefunden, wobei dieses Verfahren das Anlegen von Druck auf eine wässrige Lösung eines Substrates umfaßt und wobei das Substrat mittels einer enzymatischen Reaktion chemisch verändert werden kann, wozu die Lösung unter einem Differentialdruck durch eine vernetzte Enzymmembran strömt und nach an sich bekannten Methoden die erhaltenen Produkte der Lösung entfernt werden, wobei die vernetzte Enzymmembran eine mikroporöse Membran ist, in deren Poren ein Enzym mit Hilfe eines bifunktionellen Kupplungsmittels vernetzt worden ist.Surprisingly, there has now been a method of carrying it out found from enzymatic reactions, this process being the application of pressure to an aqueous solution of a substrate comprises and wherein the substrate can be chemically changed by means of an enzymatic reaction, including the solution below a differential pressure flows through a cross-linked enzyme membrane and the products obtained from the solution are removed by methods known per se, the crosslinked enzyme membrane being a is a microporous membrane in the pores of which an enzyme has been crosslinked with the aid of a bifunctional coupling agent.
Eine wässrige Lösung, wie sie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird, bedeutet eine Lösung, in welcher die Wassermenge ausreicht, um die enzymatische Reaktion möglich ,zu machen. In einigen Fällen ist das Substrat nicht ausreichend in Wasser löslich, und dann muß ein weiteres Lösungsmittel, z.B. Äthanol, zugesetzt werden. In den meisten Fällen enthält das Lösungsmittel Jedoch wenigstens 50 % Wasser. An aqueous solution as used in the method according to the invention means a solution in which the amount of water is sufficient to make the enzymatic reaction possible. In some cases the substrate is not sufficiently soluble in water and an additional solvent such as ethanol must then be added. In most cases, however, the solvent will contain at least 50 % water.
Enzymmembrane, die den bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten ähnlich sind, sind bereits hergestellt und in der Literatur beschrieben worden, z.B. von Goldman et al., Science Vol. I50 (1965) S. 758-760 und DT-OS 1 915 970 (Avrameas et al.), jedoch betreffen diese Druckschriften die Herstellung und die Untersuchung von biologischen Membranen unter Diffusionsbedingungen und die Mikroumgebungsbedingungen solcher Membrane, und hierdurch wird das erfindungsgemäße Verfahren und die hierbei erzielten, überraschenden Ergebnisse nicht vorweggenommen.Enzyme membranes similar to those used in the method of the invention are already made and shown in FIG in the literature, e.g. by Goldman et al., Science Vol. 150 (1965) pp. 758-760 and DT-OS 1 915 970 (Avrameas et al.), but these publications relate to the production and investigation of biological membranes under diffusion conditions and the microenvironmental conditions of such membranes, and this does not anticipate the process according to the invention and the surprising results achieved thereby.
Weiterhin ist in der britischen Patentschrift 1 183 260 die Herstellung und Verwendung von insolubilisierten Enzymen beschrieben. Insbesondere ist in dieser Patentschrift eine Methode zur Durchführung von enzymatischen Reaktionen unter Verwendung von Enzymen beschrieben, die chemisch an einen nichtlöslichen· Träger gebunden sind. Von besonderem Interesse ist die Tatsache, daß in dieser Patentschrift der zuvor genannte Aufsatz von Goldman et al. erwähnt ist, und daß mit Bezug hierauf ausgeführt wird, daß ein Versuch 'der Anwendung von vernetzten, in einer Membran eingeschlossenen Enzymen zur Durchführung von enzymatischen Reaktionen nicht praktisch wäre und daß stattdessen direkt kovalent an Membrane gebundene Enzyme ausgewählt wurden.Furthermore, the preparation and use of insolubilized enzymes is described in British patent specification 1,183,260. In particular, a method for carrying out enzymatic reactions is included in this patent Described use of enzymes which are chemically bound to an insoluble carrier. Of particular interest is the The fact that in this patent the aforementioned article by Goldman et al. is mentioned and that is set out with reference thereto that an attempt to use crosslinked membrane-entrapped enzymes to carry out enzymatic reactions would not be practical and that enzymes directly covalently bound to membranes would be selected instead became.
Im Gegensatz zu diesen Lehren und Annahmen in dieser Patentschrift wurde nun überraschenderweise bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Durchführung von enzymatischen Reaktionen gefunden, daß dieses zahlreiche Vorteile im Vergleich zuContrary to the teachings and assumptions in this patent has now surprisingly been used in the method according to the invention for carrying out enzymatic reactions found this to have numerous advantages compared to
CU9826M030CU9826M030
■- 2553549■ - 2553549
den zuvor beschriebenen Methoden, welche auf der Verwendung von unlöslichen Enzymteilchen oder kovalent gebundenen Enzymmembranen beruhen, besitzt.the methods previously described, which rely on the use of insoluble enzyme particles or covalently bound Enzyme membranes are based, owns.
Die meisten vorbekannten Auslegungen für Reaktionsgefäße mit unbeweglich gemachtem Enzym berühren auf Enzymteilchen, bei denen die Diffusionswiderstände eine überragende Rolle spielen.Most of the prior art designs for reaction vessels with immobilized enzyme touching enzyme particles, in which the diffusion resistances play a major role.
Im Gegensatz zu löslichen Enzymen wirken von einer Matrix getragene Enzyme in einer heterogenen Umgebung, und es können fünf Einzelstufen bei dem enzymatischen Gesamtprozeß unterschieden werden:In contrast to soluble enzymes, enzymes carried by a matrix act and can in a heterogeneous environment A distinction can be made between five individual stages in the overall enzymatic process:
1) Diffusion des Substrates aus der als Masse vorliegenden Phase zu der Trägeroberfläche (externe Diffusion),1) Diffusion of the substrate from the phase present as a mass to the carrier surface (external diffusion),
2) Transport des Substrates von der Trägeroberfläche zu dem Bereich des Enzyms (interne Diffusion);2) transport of the substrate from the support surface to the area of the enzyme (internal diffusion);
3) enzymkatalysierte Umwandlung des Substrates;3) enzyme catalyzed conversion of the substrate;
4) Transport des Produktes aus den mit Enzym gefüllten Innenporen zu der Teilchenoberfläche·,4) Transport of the product from the inner pores filled with enzyme to the particle surface,
5) Diffusion des Produktes von der Teilchenoberfläche in die als Masse vorliegende Phase.5) Diffusion of the product from the particle surface in the phase present as a mass.
Die Stufen 1 und 5 sind äußere Diffusiönseffekte oder Raumdiffusionseffekte, die sich aus der Anwesenheit einer nahezu stehenden Schicht an Flüssigkeit rings um die Oberfläche des von der Matrix getragenen Enzyms ergeben. Der Transport von Substrat durch diesen Bereich erfolgt hauptsächlich durch Moleküldiffusion und ergibt Diffusionswiderstände. Raumdiffusionseinschränkungen wurden im Fall von kleinen, gepackten Säulen und im Fall von Enzymmembranen beobachtet. Substrate mit hohem Molekulargewicht werden am stärksten durch Diffusionswiderstände wegen ihres geringen Diffusionsvermögens beeinflußt. So wurde eine verminderte Aktivität für Levels 1 and 5 are external diffusion effects or room diffusion effects, resulting from the presence of a near-standing layer of liquid around the surface of the enzyme carried by the matrix. The transport of substrate through this area occurs mainly through Molecular diffusion and gives diffusion resistances. Room diffusion restrictions were observed in the case of small, packed columns and in the case of enzyme membranes. High molecular weight substrates are most affected by diffusion resistances because of their low diffusivity. So there was decreased activity for
•0 U y 8 2 4 / 10 3 0• 0 U y 8 2 4/10 3 0
gebundenes Papain, Ficin und Chymotrypsin bei der Einwirkung auf Casein im Vergleich mit deren Aktivität auf Substrate mit niedrigem Molekulargewicht beobachtet.bound papain, ficin and chymotrypsin on exposure observed on casein compared to its activity on low molecular weight substrates.
Die Stufen 2 und 4 sind innere Diffusionseffekte oder Porendiffusionseffekte, die sich daraus ergeben, daß der größere Teil des unbeweglichen Enzyms im Inneren der porösen Trägermatrix gebunden ist, und daß das Substrat oder das Produkt in und aus engen, internes Enzym enthaltenden Poren diffundieren muß, um den Reaktionsplatz zu erreichen oder zu verlassen. In zahlreichen Fällen setzen solche inneren Diffusionswiderstände die angegebene katalytische Aktivität des Enzymes wesentlich herab. So zeigt kovalent an einen porösen Träger gebundene Enolase nur ein Viertel ihrer potentiellen Aktivität, da nur der Teil des Enzyms nahe der Oberfläche des Trägers liegt und Aktivität zeigt.Levels 2 and 4 are internal diffusion effects or pore diffusion effects, which result from the fact that the greater part of the immobile enzyme is inside the porous support matrix is bound and that the substrate or product diffuse into and out of narrow, internal enzyme-containing pores must in order to reach or leave the reaction site. In numerous cases such internal diffusion resistances set the stated catalytic activity of the enzyme substantially down. Enolase covalently bound to a porous support shows only a quarter of its potential activity, since only the part of the enzyme is near the surface of the support and shows activity.
Einschränkungen der inneren Diffusion können ebenfalls zu einer erhöhten Produkthemmung wegen der langsamen Diffusion der Reaktionsprodukte aus der Mikroumgebung führen. Dies wurde für die Hydrolyse von Estern von Aminosäuren durch proteolytische Enzyme beobachtet. Die durch die enzymatische Reaktion gebildeten Wasserstoffionen bewirken eine Erniedrigung des örtlichen pH-Wertes im Vergleich zu dem pH-Wert der Masse, was eine Verschiebung der Kurve der pH-Aktivität ergibt. Solche Verschiebungen in den Profilen der pH-Aktivität wurden für Papain, Trypsin, Chymotrypsin und Glukoseoxidase beobachtet.Limitations on internal diffusion can also result in increased product inhibition due to slow diffusion of the reaction products from the microenvironment. This was done for the hydrolysis of esters of amino acids proteolytic enzymes observed. The hydrogen ions formed by the enzymatic reaction cause a decrease the local pH compared to the pH of the mass, resulting in a shift in the pH activity curve. Such shifts in the profiles of pH activity were observed for papain, trypsin, chymotrypsin, and glucose oxidase observed.
Wie bereits zuvor beschrieben, wurde jedoch überraschenderweise gefunden, daß die meisten, falls nicht alle, dieser Diffusionsbeschränkungen in einem enzymatischen Reaktionsgefäß überwunden werden können, das auf der Druckfiltration durch mikroporöse Membrane basiert, in denen die Porenwände mit einer Schicht von vernetzten Enzymmolekülen bedeckt sind. Die Substratströmung in die Poren wird durch einen Drückgra-As previously described, however, it has surprisingly been found that most, if not all, of these Diffusion restrictions can be overcome in an enzymatic reaction vessel based on pressure filtration based on microporous membranes in which the pore walls are covered with a layer of cross-linked enzyme molecules. The substrate flow into the pores is controlled by a pressure
o υ a 8 2 u 4 ro 3 0o υ a 8 2 u 4 ro 3 0
dienten gesteuert. Die enzymkatalysierte Umwandlung erfolgt innerhalb der Poren, und die Produkte werden je nach ihrer Bildung entfernt. Die auf Diffusion basierenden Stufen der zuvor beschriebenen Arbeitsweise werden vollständig ausgeschaltet, wenn mikroporöse Membrane mit kleinen Porengrößen verwendet werden. Äußere, nichtgerührte Schichten fehlen, da das Substrat zwangsweise zum Strömen in die Poren durch einen Druckgradienten gebracht wird, und die interne Porendiffusion ist wegen des kleinen Radius der Poren vernachlässigbar. served controlled. The enzyme-catalyzed conversion takes place inside the pores, and the products are depending on their Education removed. The diffusion-based stages of the procedure described above are completely switched off, when microporous membranes with small pore sizes are used. Outer, unmixed layers are missing because the substrate is forced to flow into the pores by a pressure gradient, and the internal pore diffusion is negligible because of the small radius of the pores.
Die Ausschaltung von Beschränkungen des äußeren und inneren Massentransportes bei den oben angegebenen, mit Druck betriebenen Reaktionsgefäßen mit enzymatischer Membran ergeben eine wesentliche Steigerung der biochemischen Leistungsfähigkeit:The elimination of restrictions on external and internal mass transport in the above-mentioned pressurized ones Reaction vessels with an enzymatic membrane result in a significant increase in biochemical performance:
a) da der Reaktionsprozeß kinetisch gesteuert und nicht diffusionsgesteuert ist; unda) because the reaction process is kinetically controlled and not controlled by diffusion; and
b) da die an die Porenwände der Membrane gebundenen Enzyme für die katalytische Reaktion in wesentlich wirksamerer Weise verfügbar sind als Enzyme, die an poröse Teilchen gebunden sind, bei denen wegen der Beschränkungen durch Porendiffusion die Reaktion oft nur auf die Teilchenoberfläche beschränkt ist.b) because the enzymes bound to the pore walls of the membrane for the catalytic reaction are much more effective Ways are available as enzymes that are bound to porous particles, which because of the restrictions imposed by Pore diffusion the reaction is often limited to the particle surface.
Darüberhinaus gibt das große Verhältnis von Porenwand-Oberfläche zu Porenvolumen (2 χ Λθτ für eine Pore mit 0,1 η Durchmesser) eine sehr hohe örtliche Konzentration an Enzym in einer Pore. Falls angenommen wird, daß die Poren als untereinander gleiche, gerade Zylinder vorliegen, und falls angenommen wird, daß die Enzymmoleküle die Porenwände in Form einer dichten, monomolekularen Schicht bedecken, kann die Enzymkonzentration wie folgt berechnet werden:In addition, the large ratio of pore wall surface to pore volume (2 χ Λθτ for a pore with 0.1 η diameter) gives a very high local concentration of enzyme in a pore. If it is assumed that the pores exist as equal, straight cylinders, and if it is assumed that the enzyme molecules cover the pore walls in the form of a dense, monomolecular layer, the enzyme concentration can be calculated as follows:
60^824/103060 ^ 824/1030
Enzymkonzentration (M/ccm)= ψβ- = Enzyme concentration (M / ccm ) = ψβ- =
A = Porenwand-OberflächeA = pore wall surface
a = Oberfläche des Enzymmoleküls = X2 (X = 100 Ä)a = surface of the enzyme molecule = X 2 (X = 100 Å)
V = PorenvolumenV = pore volume
N = AvogadrozahlN = Avogadro's number
r = Porenradius.r = pore radius.
Die Enzymkonzentration in einer Membran mit 0,1 um Porengröße würde 0,6 um/ccm betragen. Umgerechnet in mg würde dies 15 mgu eines Enzyms mit einem Molekulargewicht von 25 000 (d.h. Chymotrypsin) bedeuten. Diese hohe örtliche Konzentration ergibt eine hohe Umwandlungsgeschwindigkeit von Substraten.The enzyme concentration in a 0.1 µm pore size membrane would be 0.6 µm / cc. Converted to mg, this would be 15 mgu of an enzyme with a molecular weight of 25,000 (i.e. chymotrypsin). This high local concentration results in a high conversion speed of substrates.
Die Verwendung von Membranen mit vernetztem Enzym gemäß der Erfindung weist u.a. noch folgende Vorteile im Vergleich zu den kovalentes Enzym gebunden enthaltenden Membranen, wie sie in der britischen Patentschrift 1 183 260 beschrieben sind, auf:The use of membranes with crosslinked enzyme according to the The invention has, inter alia, the following advantages compared to the membranes containing covalent enzyme bound, such as them are described in British patent specification 1,183,260 on:
1. Die Beladungskapazität der Membrane, d.h. die Menge an vernetztem, insolubilisiertem Enzym pro Membraneeinheit, ist größer. Die Enzymmoleküle bilden eine dicht gepackte Schicht auf der Porenoberfläche, so daß eine sehr hohe örtliche Konzentration an Enzym in der Pore erreicht wird;1. The loading capacity of the membrane, i.e. the amount of cross-linked, insolubilized enzyme per membrane unit greater. The enzyme molecules form a tightly packed layer on the pore surface, so that a very high local concentration of enzyme is reached in the pore;
2. Das dreidimensionale Netzwerk des Enzyms in der Membrane verstärkt die Matrix und erhöht die Beständigkeit der Membrane gegenüber einer Verdichtung, wie sie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorkommt;2. The three-dimensional network of the enzyme in the membrane strengthens the matrix and increases the resistance of the membrane compared to compaction, as occurs in the method according to the invention;
3· Das vernetzte Enzym ist gegenüber einer Hitzedenaturierung und gegenüber längeren Lagerzeiten stabiler als kovalent gebundene Enzyme. Darüberhinaus kann man durch Vernetzen der Enzymmoleküle mit einem inaktiven Protein den Schutzeffekt von inaktiven Umgebungsproteinen mit dem stabilisierenden Effekt des Vernetzens auf einer Matrix kombinieren;3 · The crosslinked enzyme is against heat denaturation and more stable than covalently bound enzymes towards longer storage times. In addition, by networking the Enzyme molecules with an inactive protein have the protective effect of inactive surrounding proteins with the stabilizing one Combine the effect of networking on a matrix;
G Uy 824/ 1 030'G Uy 824/1 030 '
— 8 — λ r r- λ λ ί- 8 - λ r r- λ λ ί
/ h ;■> .1 Ώ α/ h; ■> .1 Ώ α
2 5 52 5 5
4. Das Vernetzen von Enzymen innerhalb einer vorher ausgebildeten Membrane ist eine allgemeine und nicht spezifische Methode, die für jede beliebige Matrix und .jedes beliebige Enzym geeignet ist. Sie vermeidet die Notwendigkeit der Ausbildung von aktiven Plätzen auf der Membrane und erfordert lediglich ein geeignetes, bifunktionelles, reaktionsfähiges Mittel.4. The cross-linking of enzymes within a previously trained Membrane is a general and non-specific method that applies to any matrix or any Enzyme is suitable. It avoids the need for the formation of active places on the membrane and requires just a suitable, bifunctional, reactive agent.
Hieraus ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren einen großen Fortschritt darstellt und zahlreiche Vorteile bei der Durchführung von enzymatischen Reaktionen bietet.It can be seen from this that the method according to the invention represents a great advance and numerous advantages in carrying out enzymatic reactions.
Y/eiterhin betrifft die Erfindung einen optimalen V/eg zur Herstellung von Membranen mit vernetztem Enzym zur Verwendung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren. Die Erfindung umfaßt daher auch ein Verfahren zur Herstellung von vernetzten Enzym-Membranen, die insbesondere zur Anwendung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren geeignet sind, wobei eine Enzymlösung durch die Poren einer Membrane gepreßt wird und danach die mit Enzym beladene Membrane in eine Lösung eines bifunktionellen Vernetzungsmittels eingetaucht wird.The invention also relates to an optimal method of manufacture of membranes with crosslinked enzyme for use in the method of the invention. The invention includes hence a process for the production of cross-linked enzyme membranes, which are particularly suitable for use in the method according to the invention, wherein an enzyme solution by the pores of a membrane is pressed and then the membrane loaded with enzyme into a solution of a bifunctional crosslinking agent is immersed.
Im Gegensatz zu den Angaben von Goldman und in der DT-OS 1 915 97O5 wobei beides Mal diese Enzym-Membrane mittels eines Diffusionsprözesses hergestellt wurden, wobei diese Methode nicht vollständig zufriedenstellend ist, wurde es als vorteilhaft angesehen, ein neues Verfahren zur Herstellung der Enzym-Membrane zu entwickeln, das die Nachteile des Diffusionsprozesses aufhebt. Nach zahlreichen Untersuchungen wurde gefunden, daß die Anwendung von Druck zur Einführung der Enzymmoleküle in die Membranporen die Möglichkeit ergab, die Beladungskapazität der Membrane zu steuern und sie im Vergleich zu dem bekannten Diffusiansprozeß zu erhöhen. Darüberhinaus wurde gefunden, daß das erfindungsgemäße Verfahren ein einfacherer und raschererIn contrast to the information from Goldman and in DT-OS 1 915 97O 5, in which both times these enzyme membranes were produced by means of a diffusion process, this method not being completely satisfactory, it was considered advantageous to use a new method for producing the To develop an enzyme membrane that eliminates the disadvantages of the diffusion process. After numerous investigations it was found that the use of pressure to introduce the enzyme molecules into the membrane pores made it possible to control the loading capacity of the membrane and to increase it in comparison to the known diffusion process. In addition, it has been found that the process according to the invention is simpler and faster
G U a 8 2 U / 1 Π 3 0GU a 8 2 U / 1 Π 3 0
25 5 325 5 3
35493549
Weg zur Herstellung ist. Zusätzlich weist es besondere Vorteile bei der Herstellung von enzymatischen Membranen in
großem Maßstab auf.Way to manufacture is. In addition, it has particular advantages in the production of enzymatic membranes in
large scale.
Das Verfahren zur Herstellung der vernetzten Enzym-Membrane
umfaßt folgende Stufen: das Nehmen einer Membrane und das
Durchpressen einer Enzymlösung durch die Poren dieser Membrane unter einem Druckdifferential, z.B. in einer Druckzelle,
wobei die Poren der Membrane mit der Enzynlösung gefüllt werden, sowie anschließend das Eintauchen der mit Enzym
beladenen Membrane in eine Lösung eines bifunktionellen Vernetzungsmittels
.The process for making the crosslinked enzyme membrane comprises the following steps: taking a membrane and the
Forcing an enzyme solution through the pores of this membrane under a pressure differential, for example in a pressure cell, the pores of the membrane being filled with the enzyme solution, and then immersing the membrane loaded with enzyme in a solution of a bifunctional crosslinking agent.
Vorzugsweise ist der angewandte Druck derart, daß die Strömungsgeschwindigkeit der Enzymlösung durch die Membrane etwa 0,05 bis etwa 0,5 cnr/min'cm beträgt.Preferably the pressure applied is such that the flow rate the enzyme solution through the membrane is about 0.05 to about 0.5 cnr / min-cm.
Die Enzymlösung besitzt vorzugsweise eine Konzentration von 1 bis 10 mg/ccm und einen pH-Wert von 5~9· Die Enzymlösung kann weiterhin ein inaktives Protein, z.B. Albumin, enthalten. Dieses Protein schützt labile Enzyme vor einer Inaktivierung. Darüberhinaus enthält die Lösung vorzugsweise ebenfalls einen reversiblen Inhibitor oder ein Substrat, das keine Gruppen enthält, die mit dem Vernetzungsmittel reagieren können. The enzyme solution preferably has a concentration of 1 to 10 mg / cc and a pH of 5 ~ 9 · the enzyme solution may also contain an inactive protein, e.g. albumin. This protein protects labile enzymes from inactivation. In addition, the solution preferably also contains a reversible inhibitor or a substrate that does not contain any Contains groups that can react with the crosslinking agent.
Das Eintauchen der Membrane in die Lösung des Vernetzungsmittels erfordert etwa 1 bis 10 h bei etwa 1 bis 3O0CImmersing the membrane in the solution of the crosslinking agent requires about 1 to 10 hours at about 1 to 3O 0 C.
Die Membrane wird dann vorteilhafterweise in einer Druckfiltrationszelle gewaschen, um nicht gebundenes Enzym und Vernetzungsmittel zu entfernen. Freier Aldehyd oder andere aktive Gruppen können durch Glycin oder ein anderes geeignetes Biockierungsiaittel blockiert werden.The membrane is then advantageously placed in a pressure filtration cell washed to remove unbound enzyme and crosslinking agent. Free aldehyde or other active groups can with glycine or another suitable blocking agent blocked.
Die verwendete Membrane kann eine beliebige vorgefertigte Membrane mit Porengrößen im Bereich der Ultrafiltration oder Mikro-The membrane used can be any prefabricated membrane with pore sizes in the range of ultrafiltration or micro-
e u y s 2 u /10 3 0euys 2 u / 10 3 0
filtration, d.h.. mit Porengrößen von O,O1 bis 10 Mikron und
vorzugsweise zwischen etwa 0,025 und 0,5 Mikron, sein, z.B. aus Celluloseacetat, Cellulosetriacetat, Cellulosenitrat,
gemischten Estercellulosen, Nylon, Polyelectrolytkomplexen, usw. hergestellte Membrane.filtration, ie. with pore sizes of 0.1 to 10 microns and preferably between about 0.025 and 0.5 microns, e.g. made of cellulose acetate, cellulose triacetate, cellulose nitrate,
mixed ester celluloses, nylon, polyelectrolyte complexes, etc.
Als geeignete "Vernetzungsmittel seien z.B. genannt: Dialdehyde, z.B. Glutaraldehyd, Dioxobenzidin, Hexamethylendiisocyanate, 1,5-Difluor-2,4-dinitrobenzol, N, N' -Hexamethylenbis j odacetamid, usw..Suitable "crosslinking agents are, for example: dialdehydes, e.g. glutaraldehyde, dioxobenzidine, hexamethylene diisocyanate, 1,5-difluoro-2,4-dinitrobenzene, N, N'-hexamethylene bisiodacetamide, etc..
Das Enzym kann tierischen oder pflanzlichen Ursprungs sein. Als Beispiele seien genannt: Hydrolasen, z.B. Chymotrypsin, Trypsin, Amilasen, Carboxypeptidase, Aminoacylase und Carboxypeptidase; Oxidasen, z.B. Glukoseoxidase, Katalase, Alkoholdehydrogenase und Peroxidase; Amidasen, z.B. Urease, Asparaginase; alkalische Phosphatase usw..The enzyme can be of animal or vegetable origin. Examples are: hydrolases, e.g. chymotrypsin, Trypsin, amilases, carboxypeptidase, aminoacylase and carboxypeptidase; Oxidases such as glucose oxidase, catalase, alcohol dehydrogenase and peroxidase; Amidases, e.g., urease, asparaginase; alkaline phosphatase etc ..
Falls ein Inhibitor verwendet wird, ist ein solcher Inhibitor für -jedes Enzym spezifisch. So wird z.B. Glukose angewandt, um Glukoseoxidase zu schützen und ßr-Phenylpropionat, um Chymotrypsin zu schützen, usw.If an inhibitor is used, such an inhibitor is specific for each enzyme. For example, glucose is used to To protect glucose oxidase and ßr-phenylpropionate to chymotrypsin to protect, etc.
Wie bereits zuvor beschrieben, umfaßt das Verfahren zur Durchführung von enzymatischen Reaktionen gemäß der Erfindung, daß eine wässrige Lösung eines Substrates, das chemisch durch enzymatische Reaktion verändert werden kann, unter einem Druckdifferential durch eine vernetzte Enzym-Membran strömen gelassen wird, und jedes beliebige Enzym, das enzymatische Reaktionen hervorrufen kann, kann als Teil der Enzym-Membrane verwendet werden. So kann eine nicht eingeschränkte Anzahl von Möglichkeiten für die Durchführung von enzymatischen Reaktionen ins Auge gefaßt werden. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Verfahren angewandt werden, um racemische Mischungen von N- oder O-Acylaminosäuren zu spalten. Hierzu wird eine solche Mischung durch dieAs previously described, the method includes performing of enzymatic reactions according to the invention that an aqueous solution of a substrate chemically by enzymatic Response can be changed under a pressure differential passed through a cross-linked enzyme membrane, and any enzyme that will cause enzymatic reactions Can be used as part of the enzyme membrane. So there can be an unlimited number of possibilities for the implementation of enzymatic reactions should be envisaged. For example, the method according to the invention can be used be to racemic mixtures of N- or O-acylamino acids to split. For this purpose, such a mixture is used by the
6 U y 8 2 4 / 1 0 3 06 U y 8 2 4/1 0 3 0
geeignete Enzym-Membrane durchgepreßt, in welcher ein Isomeres hydrolysiert wird, da ein Gemisch einer L- oder D-optisch reinen Aminosäure und der D- oder L-Acylaminosäure des nichthydrolysierten Isomeren erhalten wird, wobei dieses nach an sich bekannten Methoden gespalten bzw. aufgetrennt werden kann.suitable enzyme membrane pressed through, in which an isomer is hydrolyzed, as a mixture of an L- or D-optically pure Amino acid and the D- or L-acyl amino acid of the non-hydrolyzed Isomers is obtained, which can be split or separated by methods known per se.
Weiterhin ist es möglich, Glukose zu Glucoronsäure unter Verwendung von Glukoseoxidase als Enzym zu oxidieren.Furthermore, it is possible to use glucose to glucuronic acid of glucose oxidase as an enzyme to oxidize.
Weiterhin kann Urease zur Zersetzung von Harnstoff eingesetzt werden.Urease can also be used to decompose urea.
Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von Katalase zur Zersetzung von Peroxiden.Another option is to use catalase for Decomposition of peroxides.
Der zur Durchführung der enzymatischen Reaktion erforderliche Druck hängt von der Enzym-Membrane, der Substratkonzentration, dem gewünschten Ausmaß der Umwandlung und/oder der gewünschten Reaktionsgeschwindigkeit ab. Es gibt jedoch keine Schwierigkeiten bei der Bestimmung des optimalen Druckdifferentials für jede enzymatische Reaktion, wie sie durch die verwendeten Reaktionsteilnehmer und die erwünschten Ergebnisse vorgegeben sind. So ergeben bei einer spezifischen,vernetzten Enzym-Membrane erhöhter Druck erhöhte Reaktionsgeschwindigkeiten zusammen mit abnehmenden Umwandlungsgraden, und optimale Ergebnisse können in Übereinstimmung hiermit erreicht werden. In der Praxis wurde gefunden, daß die Druckunterschiede von etwa 0,05 bis etwa 10 atm variieren können, und daß sie vorzugsweise im Bereich von etwa 0,05 bis etwa 5 atm liegen. Diese Druckunterschiede der Druckdifferentiale können entweder durch Anlegen von direktem Druck an die Substratlösung oder durch Aufenthalten eines Vakuums auf der anderen Seite der vernetzten Enzym-Membrane erreicht werden. The one required to carry out the enzymatic reaction Pressure depends on the enzyme membrane, the substrate concentration, the degree of conversion desired and / or the desired Reaction speed. However, there is no difficulty in determining the optimal pressure differential for any enzymatic reaction as directed by the reactant used and the desired results are given. Thus, with a specific, cross-linked enzyme membrane, increased Increased reaction rates along with decreasing degrees of conversion, and optimal results can be achieved in pressure Agreement can be achieved herewith. In practice it has been found that the pressure differences from about 0.05 to about 10 atm and that they preferably range from about 0.05 to about 5 atm. These pressure differences of the Pressure differentials can be created either by applying direct pressure to the substrate solution or by maintaining a vacuum can be achieved on the other side of the crosslinked enzyme membrane.
Die Erfindung wird im folgenden in Verbindung mit bestimmten bevorzugten Ausführungsformen anhand von Beispielen näher erläutert, es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die ErfindungThe invention is hereinafter described in connection with certain preferred embodiments explained in more detail using examples, however, it should be noted that the invention
G ü BS 24 / 1030G ü BS 24/1030
25535492553549
nicht auf diese speziellen Ausführungsformen beschränkt ist. Die folgenden Beispiele zeigen bevorzugte Ausführungsformen, die die praktische Durchführung des erfindungsgeraö.ßen Verfahrens näher erläutern und die Prinzipien des erfindungsgemäßen Verfahrens aufzeigen.is not limited to these specific embodiments. The following examples show preferred embodiments, the practical implementation of the process according to the invention explain in more detail and the principles of the invention Show procedure.
Wie sich aus den Beispielen im folgenden ergibt, wurden mehrere vernetzte Enzym-Membrane hergestellt, und jede Membran wurde unter verschiedenen Strömungsbedingungen, welche das kontinuierliche Strömen des Substrates unter Druck durch die Membran umfaßten, analysiert. Zusätzlich wurde jede Membrane unter Bedingungen einer ansatzweisen Verfahrensführung untersucht, welche das turbulente Rühren der Membrane in einem Ansatz des Substrates umfaßte. Es sei darauf hingewiesen, daß die vernetzte Enzym-Membrane sich im letzteren Pail in ähnlicher Weise wie ein an Teilchen gebundenes Enzym verhält. Die Reaktionsgeschwindigkeiten für identische Umwandlungsgrade unter Strömungsbedingungen und unter Bedingungen einer ansatzweisen Verfahrensführung wurden in jedem Fall miteinander verglichen, wobei unter Strömungsbedingungen ein höherer Wert als unter Bedingungen einer ansatzweisen Verfahrensführung gefunden wurde. Dieser Unterschied in den Geschwindigkeiten ergibt sich aus dem Fehlen der Diffusionseinschränkungen auf die Substratbewegung in dem einen Fall und aus dem Vorhandensein dieser Einschränkungen im anderen Fall. Unter Strömungsbedingungen wird das Substrat in die Membrane zwangsweise eingeführt und tritt leicht mit den in den Poren immobilisierten Enzymmolekülen in Kontakt. Bei Bedingungen einer ansatzweisen Verfahrensweise muß das Substrat andererseits in die Membrane diffundieren, zuerst durch eine stillstehende (nicht gerührte) Schicht, die sich längs der Membranoberflache bildet, und dann in die Membranporen. Daher ergibt sich die Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit unter Strömungsbedingungen gegenüber derjenigen unter Bedingungen einer ansatzweisen Verfahrensführung aus der Überwindung der Diffusionseinschränkungen, und dasAs will be seen from the examples below, several crosslinked enzyme membranes were prepared and each membrane was made under different flow conditions, which the continuous Flow of the substrate under pressure through the membrane was analyzed. In addition, each membrane was under conditions a batch-wise process management investigated, which the turbulent stirring of the membrane in a batch of the substrate included. It should be noted that the crosslinked enzyme membrane in the latter pail in a similar way to a Particle bound enzyme behaves. The reaction rates for identical degrees of conversion under flow conditions and under batch process conditions were compared in each case, where a higher value was found under flow conditions than under conditions of a batch process. This difference in speeds results from the lack of diffusion restrictions on substrate movement in one case and from the existence of these restrictions in the other. Under flow conditions will the substrate is forcibly inserted into the membrane and easily enters with the enzyme molecules immobilized in the pores Contact. On the other hand, under batch conditions, the substrate must diffuse into the membrane, first through a stationary (not stirred) layer that forms along the membrane surface, and then into the membrane pores. Therefore, the result is the increase in the reaction rate under flow conditions compared to that under the conditions of a rudimentary process management from overcoming the diffusion restrictions, and that
CUaö2-.4/ 10 3 0CUaö2-.4 / 10 3 0
2 5 5 3 6 A 92 5 5 3 6 A 9
Verhältnis der beiden Geschwindigkeiten - V /V^ - das als "Geschwindigkeitsverhältnis" in den Beispielen angegeben ist, ist ein Maß und eine Bestimmung der erhöhten Leistungsfähigkeit für die Ausnutzung des Enzyms unter Strömungsbedingungen. Ratio of the two speeds - V / V ^ - that as "Speed ratio" reported in the examples is a measure and determination of increased performance for the utilization of the enzyme under flow conditions.
Dieses Beispiel beschreibt die Herstellung und Untersuchung einer Chymotrypsin-Membrane.This example describes the production and testing of a chymotrypsin membrane.
Eine Chymotrypsinlösung, \tfelche ß-Phenylproprionat als Inhibitor (6 mg Chymotrypsin und 7 rag Inhibitor/ccm) in 0,5 M Phosphatpuffer, pH = 7,0, enthielt, wurde unter einem Druck von 0,1 atm durch eine Cellulosetriacetat-Membrane mit Porengrößen von annähernd 0,1 η (Angabe des Herstellers) durchgeschickt. Die Membrane wurde kurz mit V/asser gewaschen und in eine 2,5 #ige Glutardialdehydlösung für 1 Stunde eingetaucht. Sie wurde dann in einer Druckzelle angeordnet und mit Wasser, 10 ^ N HCl (zum Aufbrechen des Enzym-Inhibitor-Komplexes) und Puffer gewaschen, bis im Waschwasser keine UV-Absorption und keine enzymatische Aktivität mehr gefunden wurden. Die Membrane wurde dann auf ihre enzymatische Aktivität unter Verwendung von N-Benzoyl-L-tyrosinäthylester (BTEE) in Puffer aus 30 % AtOH 70 % Tris, pH = 7,8 (0,05 M), von N-Acetyl-L-tryptophanmethylester in Tris-Puffer, pH = 7,8 (0,05 M), der CaCl2 (0,05 M) enthielt, und von N-Acetyl-DL-phenylalaninäthylester in Tris-Puffer, pH = 7,3 (0,05 M), der CaCl2 (0,05 M) enthielt, als Substrate untersucht. Diese Substrate wurden durch die Membrane unter verschiedenen Drucken bei einer Temperatur von 260C durchgedrückt, und das gebildete Produkt wurde in den austretenden Flüssigkeiten gemessen.A chymotrypsin solution containing β-phenylproprionate as an inhibitor (6 mg chymotrypsin and 7 mg inhibitor / ccm) in 0.5 M phosphate buffer, pH = 7.0, was passed through a cellulose triacetate membrane under a pressure of 0.1 atm with pore sizes of approximately 0.1 η (manufacturer's information). The membrane was briefly washed with water and immersed in a 2.5 # glutaraldehyde solution for 1 hour. It was then placed in a pressure cell and washed with water, 10 ^ N HCl (to break up the enzyme-inhibitor complex) and buffer until no UV absorption and no enzymatic activity were found in the wash water. The membrane was then tested for enzymatic activity using N-benzoyl-L-tyrosine ethyl ester (BTEE) in buffer of 30 % AtOH 70 % Tris, pH = 7.8 (0.05 M), of N-acetyl-L- tryptophan methyl ester in Tris buffer, pH = 7.8 (0.05 M) containing CaCl 2 (0.05 M), and of N-acetyl-DL-phenylalanine ethyl ester in Tris buffer, pH = 7.3 (0 0.05 M) containing CaCl 2 (0.05 M) as substrates. These substrates were pressed through the membrane under various pressures at a temperature of 26 ° C., and the product formed was measured in the exiting liquids.
Die Membrane wurde dann unter Bedingungen einer ansatzweisen Verfahrensführung untersucht, d.h. mit einem Ansatz des Sub-The membrane was then examined under the conditions of a batch procedure, i.e. with a batch of the sub-
G U y 8 2 U f 1 0 3 0GU y 8 2 U f 1 0 3 0
25535492553549
strates unter turbulentem Rühren. Die Ergebnisse und das Verhältnis der Reaktionsgeschwindigkeiten unter Strömungsbedingungen und Bedingungen einer ansatzweisen Verfahrensführung, bei denen die gleichen Umwandlungsprozentsätze erhalten wurden, sind in den folgenden Tabellen angegeben, wobei folgende Abkürzungen verwendet werden:strates with turbulent stirring. The results and the ratio the reaction rates under flow conditions and conditions of a batch process, where the same conversion percentages were obtained, are given in the following tables, using the following abbreviations:
P = Druckdifferential quer zur Membrane Q = Strömungsgeschwindigkeit V = Reaktionsgeschwindigkeit % = % an in Produkt umgewandeltem SubstratP = pressure differential across the membrane Q = flow rate V = reaction rate % = % of substrate converted into product
Ansatz = Durchführung der enzymatischen Reaktion unter Bedingungen einer ansatzweisen Verfahrensführung.Approach = carrying out the enzymatic reaction under conditions a rudimentary procedure.
ReaktionsgeschwindigkeitReaction speed
unter Bedingungen einer ansatzweisen Verfahrensführungunder the conditions of a batch procedure
LO LTj O! LO LTj O!
atmP.
atm
lungConversion
lung
atmP.
atm
uM/min.cmV 2
um / min.cm
lungConversion
lung
keitsverhält
nisFast
employment relationship
nis
SubstratSubstrate
N-Acetyl-L-tryptophanmethylesterN-acetyl-L-tryptophan methyl ester
Konzentration concentration
2·1Ο 5 M2 · 1Ο 5 sts
atmP.
atm
nM/min.cmV ρ
nM / min.cm
lung
% Conversion
lung
%
1
2
5,50.5
1
2
5.5
0,21
0,83
1,460.125
0.21
0.83
1.46
0,375
1,45
2,30.23
0.375
1.45
2.3
100
100
90100
100
100
90
keit sverhaLt-Fast
behavior-
SubstratSubstrate
N-Acetyl-DL-phenylalaninäthylesterN-acetyl-DL-phenylalanine ethyl ester
tionConcentration
tion
lungConversion
lung
atmP.
atm
c cm/min, cm iiM/, Q 2
c cm / min, cm iiM /
0,36
0,56
0,8950.198
0.36
0.56
0.895
50
50
4650
50
50
46
1
1,5
20.5
1
1.5
2
0,26
0,36
0,6250.125
0.26
0.36
0.625
keÜBverhält-
nisG-speedy-
keÜB ratio-
nis
+ durch das Enzym wird nur der L-Ester hydrolysiert + only the L-ester is hydrolyzed by the enzyme
M Π 30M Π 30
Aus den Werten in den oben angegebenen Tabellen ist ersichtlich, daß Umwandlungsorozentsätze von 75 %■> 50 #, 90 % und 4-6 % bei einer Reaktionsgeschwindigkeit erreicht wurden, die i5 mal, 6 mal, 13 mal bzw. 6 mal schneller war bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, verglichen mit einem ansatzweisen Proze3, bei welchem die gleichen jeweiligen Substrate in der gleichen Konzentration und mit den gleichen Membranen verwendet wurden.From the values in the tables given above, it can be seen that conversion percentages of 75%,> 50 #, 90 % and 4-6 % were achieved at a reaction rate that was 15 times, 6 times, 13 times and 6 times faster, respectively Application of the method of the invention compared to a batch process in which the same respective substrates were used in the same concentration and with the same membranes.
Dieses Beispiel zeigt die Herstellung und Untersuchung einer Trypsin-Membrane.This example shows the production and testing of a trypsin membrane.
Eine Lösung von Trypsin (5 mg/ccm) in 0,05 M CaCIp wurde bei einem Druck von 0,1 atm durch eine Cellulosetriacetat-Membrane mit einer Porengröße von etwa 0,1 η durchgepreßt. Die Membrane wurde dann kurz mit Wasser gewaschen und danach für 1 h bei Zimmertemperatur in eine 2,5 $ige Glutaraldehydlösung eingetaucht, die auf pH = 7 mit 0,1 M NaOH gebracht wurde.A solution of trypsin (5 mg / cc) in 0.05 M CaCIp was pressed through at a pressure of 0.1 atm by a cellulose triacetate membrane with a pore size of about 0.1 η. The membrane was then washed briefly with water and then immersed for 1 h at room temperature in a 2.5% glutaraldehyde solution which was brought to pH = 7 with 0.1 M NaOH.
Die Membrane xvurde dann in eine Ultrafiltrationszelle eingesetzt und mit V/asser und Puffer (Phosphat, pH = 7,0) gewaschen, bis keine UV-Absorption und Enzymaktivität im Waschwasser mehr gefunden xvurden. Die Membrane wurde dann auf ihre Aktivität unter Verwendung von N-Benzoylargininäthylester in Tris-Puffer, pH = 8,0 (0,05 M), der CaCl2 (O,O1 M) enthielt, und von N-Benzoyl-DL-lysinäthylester in Tris-Puffer, pH = 8,0 (0,05 M), der CaClp (0,01 M) enthielt, als Substrate untersucht. Die Substrate wurden unter Druck durch die Membrane bei 260C durchgeschickt, und die Menge an gebildetem Produkt wurde in der austretenden Flüssigkeit gemessen. Die Membrane wurde ebenfalls unter Bedingungen einer ansatzweisen Verfahrensführung untersucht, d.h. mit einem Ansatz des Substrates unter turbulentem Rühren. Das Verhältnis der Geschwindigkeiten unter Strömungsbedingungen und Bedingungen einer ansatzweisen Verfahrensführung für den gleichen Umwandlungsgrad wurde berechnet. Die Ergebnisse sind in den folgenden Tabellen IV und V zusammengestellt.The membrane was then inserted into an ultrafiltration cell and washed with water and buffer (phosphate, pH = 7.0) until UV absorption and enzyme activity were no longer found in the washing water. The membrane was then tested for activity using N-Benzoylargininäthylester in Tris buffer, pH = 8.0 (0.05 M), CaCl 2 (O, O1 M) containing and N-benzoyl-DL-lysinäthylester in Tris buffer, pH 8.0 (0.05 M), containing CaCl p (0.01 M), examined as substrates. The substrates were sent through the membrane at 26 ° C. under pressure, and the amount of product formed was measured in the exiting liquid. The membrane was also examined under the conditions of a batch procedure, ie with a batch of the substrate with turbulent stirring. The ratio of the velocities under flow conditions and batch processing conditions for the same degree of conversion was calculated. The results are summarized in Tables IV and V below.
•6US82W1030• 6US82W1030
+ durch die enzymatische Reaktion
wird nur der L-Ester hydrolysiert + by the enzymatic reaction
only the L-ester is hydrolyzed
cn cz cc cn cz cc
atmP.
atm
lung
o/
/0 Conversion
lung
O/
/ 0
atmP.
atm
nM/min.cmV ρ
nM / min.cm
lung
i Conversion
lung
i
1,5
2,00.5
1.5
2.0
92
76100
92
76
1,0
1,5
2,00.5
1.0
1.5
2.0
1,25
1,48
1,710.35
1.25
1.48
1.71
97
63
41100
97
63
41
ccm/min/cm yuM/rnin.cmQo V P
ccm / min / cm yuM / rnin.cm
0,187
0,34
o,620.125
0.187
0.34
o, 62
0,31 0,63
0,62 1,090.18 0.41
0.31 0.63
0.62 1.09
keitsverhält
nisFast
employment relationship
nis
SubstratSubstrate
Tabelle V N-Benzoyl-DL-lysinäthylester Table V N-Benzoyl-DL-lysine ethyl ester
atmP.
atm
lungConversion
lung
lungConversion
lung
1,6
2,10.5
1.6
2.1
ccm/min/cm yuM/min.cmQPV ρ
ccm / min / cm yuM / min.cm
48
4350
48
43
1
1,5
2,00.4
1
1.5
2.0
1,46
1,77
2,190.33
1.46
1.77
2.19
46 J^
37 <£ 50 ι ro
46 J ^
37 <£
0,33 0,75
0,63 1,150.16 0.43
0.33 0.75
0.63 1.15
1,16
0,31
0,630.08
1.16
0.31
0.63
keit verhältnisFast
speed relationship
5 5 3 65 5 3 6
Dieses Beispiel zeigt die Herstellung und Untersuchung einer Carboxypeptidase-B-membrane.This example shows the production and testing of a carboxypeptidase B membrane.
Eine Lösung von Carboxypeptidase-B (3,3 mg/ccm) in LiCl (1O
Gew.-/Vol.-#) wurde unter Druck (0,1 atm) durch eine Mikrofiltrationsmembrane
(Produkt Millipore MF-GS) mit einer Porengröße von 0,22 Hm durchgeschickt. Die Membrane wurde kurz
gewaschen und in eine Vernetzungslösung aus Glutardialdehyd
(2,5 #, pH = 7,0) für 1 h-bei Zimmertemperatur eingetaucht.
Die Membrane wurde dann in einer Ultrafiltrationszelle angeordnet und mit V/asser und Veronal-Puffer (0,05 M, pH = 7,0)
gewaschen, bis keine UV-Absorption und keine Enzymaktivität in dem Y/aschwasser gefunden wurden. Die Membrane wurde dann
auf ihre Aktivität unter Strömungsbedingungen und Bedingungen einer ansatzweisen Verfahrensführung, wie in den vorangegangenen
Beispielen, untersucht, und die Geschwindigkeitsverhältnisse wurden berechnet. Das verwendete Substrat war
N-Hippurilarginin in Tris-Puffer, pH =7,6 (0,03 M), der
NaCl (0,1 M) enthielt. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle VI gezeigt.A solution of carboxypeptidase-B (3.3 mg / ccm) in LiCl (10 wt .- / vol .- #) was under pressure (0.1 atm) through a microfiltration membrane (product Millipore MF-GS) with a pore size of 0.22 Hm sent through. The membrane was washed briefly and immersed in a crosslinking solution of glutaraldehyde (2.5 #, pH = 7.0) for 1 hour at room temperature. The membrane was then placed in an ultrafiltration cell and washed with V / ater and veronal buffer (0.05 M, pH = 7.0) until no UV absorption and no enzyme activity were found in the Y / ash water. The membrane was then tested for activity under flow and batch conditions as in the previous examples, and the rate ratios were calculated. The substrate used was
N-Hippurilarginine in Tris buffer, pH = 7.6 (0.03 M), the
NaCl (0.1 M). The results are shown in Table VI below.
atmP.
atm
lungConversion
lung
1,50.3
1.5
yuM/min.cm2 V 2
yuM / min.cm
56100
56
1,04-0.31
1.04-
1,880.1
1.88
IseitsverhältnisSpeed
Relationship
G U 9 8 2 L / 1 Π 3 0GU 9 8 2 L / 1 Π 3 0
2 5 5 3 6 Λ 92 5 5 3 6 Λ 9
Dieses Beispiel zeigt die Herstellung und Untersuchung einer Katalase-Membran.This example shows the manufacture and investigation of a Catalase membrane.
Eine Lösung von Katalase (3 mg/ccm) in Phosphatpuffer, pH = 7,0 (0,05 M), welche 1 % NaCl enthielt, wurde durch eine Mikrofiltrationmembrane mit einer Porengröße von 0,22 um (Produkt Millipore MP-GS) durchgeschickt. Die Membrane wurde kurz mit Wasser gewaschen und in eine Glutardialdehydlösung (2,5 0P) in Phosphatpuffer 9 (pH =7,0), (0,05 M) für zwei Stunden eingetaucht. Die Membrane wurde dann unter Druck in einer Ultrafiltrationszelle mit V/asser und 1O % NaCl gewaschen, bis keine UV-Absorption und keine enzymatische Aktivität im Waschwasser mehr gefunden wurden. Die Membrane wurde dann auf ihre enzymatische Aktivität mit einer Lösung von HpO2 (0,035 M) in Phosphatpuffer (0,05 M), pH = 7,0, unter Strömungsbedingungen und unter Bedingungen einer ansatzweisen Verfahrensführung, wie in Beispiel 1 beschrieben, untersucht. Das Verhältnis der Geschwindigkeiten unter Strömungsbedingungen und Bedingungen einer ansatzweisen Verfahrensführung für die gleiche Umwandlung wurde berechnet.A solution of catalase (3 mg / ccm) in phosphate buffer, pH = 7.0 (0.05 M), which contained 1% NaCl, was passed through a microfiltration membrane with a pore size of 0.22 µm (product Millipore MP-GS) sent through. The membrane was washed briefly with water and immersed in a glutaraldehyde solution (2.5 0 P) in phosphate buffer 9 (pH = 7.0), (0.05 M) for two hours. The membrane was then washed under pressure in an ultrafiltration cell with v / ater and 10 % NaCl until no UV absorption and no enzymatic activity were found in the wash water. The membrane was then examined for its enzymatic activity with a solution of HpO 2 (0.035 M) in phosphate buffer (0.05 M), pH = 7.0, under flow conditions and under conditions of a batch procedure as described in Example 1. The ratio of the velocities under flow conditions and batch processing conditions for the same conversion was calculated.
Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle VII zusammengestellt. The results are shown in Table VII below.
atmP.
atm
lung
% Conversion
lung
%
20.5
2
2,70.37
2.7
5555
yuM/min.cmV ρ
yuM / min.cm
55,4-10.5
55.4-
lceilBverhältnisSpeed
Acceptance ratio
25 5 3 625 5 3 6
Dieses Beispiel zeigt die Herstellung und Untersuchung einer Glukoseoxidase-Membrane.This example shows the production and testing of a glucose oxidase membrane.
Eine Lösung von Glukoseoxidase (5 mg/ccm) in 0,05 M Phosphatpuffer mit pH =s 6, welche 1 ρ Glukose enthielt, wurde in die Poren einer Millipore-Membrane mit einer Porengröße von 0,45^m (Produkt HA-MP) gepreßt. Die Membrane wurde dann für 2 h bei Zimmertemperatur in eine Glutaraldehydlösung (2,5 #) eingetaucht. Sie wurde dann mit V/asser und einem Phosphatpuffer von pH = 6,8 gewaschen, bis keine UV-Absorption und keine enzymatische Aktivität im Waschwasser mehr gefunden wurden.A solution of glucose oxidase (5 mg / cc) in 0.05 M phosphate buffer with pH = 6, which contained 1 ρ glucose, was in the Pores of a Millipore membrane with a pore size of 0.45 ^ m (Product HA-MP) pressed. The membrane was then immersed in a glutaraldehyde solution (2.5 #) for 2 hours at room temperature. It was then washed with v / ater and a phosphate buffer of pH 6.8 until no UV absorption and none more enzymatic activity was found in the wash water.
Die Membrane wurde untersucht, indem eine 5 #ige Glukoselösung in einem Phosphatpuffer von pH = 6,0 (0,05 M) durch sie durchströmen gelassen wurde und die Menge an in der Ausströmungsflüssigkeit gebildetem HpOp gemessen wurde. Die Ergebnisse wurden mit denjenigen für die gleiche Reaktion unter Bedingungen einer ansatsweisen Verfahrensführung verglichen. Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle VIII zusammengestellt.The membrane was examined by using a 5 # solution of glucose flow through them in a phosphate buffer of pH = 6.0 (0.05 M) and the amount of HpOp formed in the effluent liquid was measured. The results were compared with those for the same reaction under normal operating conditions. the Results are summarized in Table VIII below.
SubstratSubstrate
GlukoseGlucose
atmP.
atm
1
3 4th
1
3
lungConversion
lung
2
40.5
2
4th
22,
59, 4,
22
59,
liM/min.cmV ρ
liM / min.cm
0,03
0,050.016
0.03
0.05
keits^rarhälinisSpeed
keits ^ rarhälinis
6 U-y 824/10306 U-y 824/1030
Dieses Beispiel zeigt die Herstellung und Untersuchung einer Urease-Membrane.This example shows the production and testing of a urease membrane.
Eine Lösung von Urease (5 mg/ccm) in 0,02 M Phosphatpuffer von pH = 7, Vielehe 1O~*M EDTA enthielt, wurde in eine Membrane (Produkt Gelman-Metrcel TGM 200) mit einer Porengröße von 0,2 um gepreßt. Die Membrane wurde dann mit V/asser und Phosphatpuffer gewaschen, bis keine UV-Absorption und keine enzymatische Aktivität in dem Waschwasser mehr gefunden wurden. A solution of urease (5 mg / ccm) in 0.02 M phosphate buffer of pH = 7, polyglot 10 ~ * M EDTA contained, was in a membrane (Gelman-Metrcel TGM 200 product) pressed with a pore size of 0.2 µm. The membrane was then filled with water and Phosphate buffer washed until no UV absorption and none enzymatic activity was found more in the wash water.
Die Membrane wurde dann auf ihre Aktivität mit einer 0,3 zeigen
Lösung von Harnstoff in einem Phosphatpuffer, pH = 7,0 (0,1 M), welche EDTA (1O~^M) enthielt, unter Strömungsbedingungen und
Bedingungen einer ansätzweisen Verfahrensführung, wie in Beispiel
1 beschrieben, untersucht.
Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle IX zusammengestellt.The membrane was then tested for its activity with a 0.3 solution of urea in a phosphate buffer, pH = 7.0 (0.1 M), which contained EDTA (10 ~ ^ M), under flow conditions and conditions of a batch procedure, as described in Example 1, investigated.
The results are shown in Table IX below.
atmP.
atm
lungConversion
lung
0,50.05
0.5
0,55
0.5
c cm/min.cm uM/min.cmQ 2 V ρ
c cm / min.cm uM / min.cm
0,42 0,020.04 0.02
0.42 0.02
keits-
verhältnisFast
ability
relationship
6U982 4/10306U982 4/1030
Dieses Beispiel zeigt die Herstellung und Untersuchung von Chymotrypsin-Membranen mit verschiedenen Porengrö3en.This example shows the production and investigation of chymotrypsin membranes with different pore sizes.
Eine ChymotrypsinlÖsung, welche ß-Phenylproprionat als Inhibitor enthielt, (3>3 mg Chymotrypsin und 7 mg Inhibitor/ccm) in 0,05 M Phosphatpuffer von pH = 7,0, wurde unter Druck durch Millipore-Membrane mit verschiedenen Porengrößen durchgeschickt:A chymotrypsin solution containing ß-phenylproprionate as an inhibitor contained (3> 3 mg chymotrypsin and 7 mg inhibitor / ccm) in 0.05 M phosphate buffer of pH = 7.0, was carried out under pressure Millipore membrane with different pore sizes sent through:
1) O,O25yum (VS-MF-Millipore)1) O, O25yum (VS-MF-Millipore)
2) 0,1 ma (VC-MF-Millipore)2) 0.1 ma (VC-MF-Millipore)
3) 0,22 um (GS-MF-Millipore)3) 0.22 µm (GS-MF-Millipore)
Die Druckdifferentiale, welche zum Durchleiten der Enzymlösung und zum Beladen der Membrane angewandt wurden, betrugen etwa 0,4 atm, 0,1 atm bzw. 0,02 atm. Die Membrane wurden kurz gewaschen und in eine GlutardialdehydlÖsung (2,5 #) in 0,05 M Phosphatpuffer von pH = 75O eingetaucht. Nach 2 h wurden die Membrane in eine Druckzelle eingesetzt und mit 1O ^M HCl zum Aufbrechen des Enzym-Inhibitorkomplexes und mit Puffer gewaschen, bis keine UV-Absorption und keine enzymatische Aktivität mehr im Waschwasser gefunden wurden. Die Membrane wurden dann auf ihre enzymatisch^ Aktivität untersucht, indem eine Lösung von N-Benzoyl-tyrosinäthylester (2,5 x 1O ^M) unter Druck in Puffer aus 30 f& ÄtOH - 70 % Tris-Puffer von pH = 7,8 (0,05 M) durchgeschickt und die Menge des in der ausströmenden Flüssigkeit gebildeten Produktes gemessen wurde. Die Membrane wurden ebenfalls unter" Bedingungen einer ansatzweisen Verfahrensführung untersucht, d.h. mit einem Ansatz des Substrates unter turbulentem Rühren, wobei dann das Verhältnis der Geschwindigkeiten unter Strömungsbedingungen und Bedingungen einer ansatzweisen Verfahrensführung für die gleiche Umwandlung berechnet wurde. Die Ergebnisse sind in der folgenden '-^abelle X zusammengestellt. The pressure differentials used to pass the enzyme solution and load the membrane were about 0.4 atm, 0.1 atm and 0.02 atm, respectively. The membranes were washed briefly and immersed in a glutaraldehyde solution (2.5 #) in 0.05 M phosphate buffer of pH 7 5 O. After 2 hours, the membranes were placed in a pressure cell and washed with 10 ^ M HCl to break up the enzyme-inhibitor complex and with buffer until no UV absorption and no enzymatic activity were found in the wash water. The membranes were then tested for enzymatic activity ^ by a solution of N-benzoyl-tyrosinäthylester (2.5 x 1O ^ M) under pressure in the buffer of 30 f & EtOH - 70% Tris-buffer of pH = 7.8 ( 0.05 M) and the amount of product formed in the outflowing liquid was measured. The membranes were also examined under "batch processing conditions, ie with a batch of the substrate with turbulent stirring, the ratio of the velocities under flow conditions and batch processing conditions then being calculated for the same conversion. The results are shown in the following" ^ abelle X compiled.
10301030
SubstratSubstrate
2,5x10 M Benzoyl-tyrosinäthylester2.5x10 M benzoyl tyrosine ethyl ester
größePores
size
% Umw.
%
% Umw.
%
% etc.
%
digkeits-
verhältnisSpeed
dignity
relationship
Dieses Beispiel zeigt die Herstellung und Untersuchung von Chymotrypsin-Membranen aus nichtcelluloseartigen Materialien.This example shows the production and testing of chymotrypsin membranes made of non-cellulosic materials.
Eine Chymotrypsinlösung, welche ß-Phenylproprionat enthielt (3 ^g Chymotrypsin und 7 W> Inhibitor/ccm) in 0,05 M Phosphatpuffer von pH = 7,0 wurde durch Membrane durchgeschickt, die aus den folgenden, nichtcelluloseartigen Materialien hergestellt waren:A chymotrypsin solution containing ß-phenylproprionate (3 ^ g chymotrypsin and 7 W> inhibitor / ccm) in 0.05 M phosphate buffer of pH 7.0 was passed through membranes made from the following non-cellulosic materials:
a) inertes, synthetisches, nichtcelluloseartiges Polymerisat - Diaflo-Ultrafiltrationmembrane XM 300 (MG = Grenzwert 300 000, Produkt von Amicon) unda) inert, synthetic, non-cellulose-like polymer - Diaflo ultrafiltration membrane XM 300 (MW = limit value 300,000, product of Amicon) and
b) Polycarbonat-Nukleopore-Membrane mit einer Porengröße von 0,4yum und einer Stärke von 11 /um.b) Polycarbonate nucleopore membrane with a pore size of 0.4yum and a thickness of 11 / µm.
Die Membrane wurden kurz gewaschen und in eine Glutardialdehydlösung (2,5 #) für 2 h eingetaucht. Sie wurden dann gewaschen und mit BTEE (2,5 x 1O"~*M), wie in Beispiel 1 beschrieben, untersucht .The membranes were briefly washed and placed in a glutaraldehyde solution (2.5 #) immersed for 2 h. They were then washed and with BTEE (2.5 x 10 "~ * M) as described in Example 1, examined .
2 5 5 3 R 4 92 5 5 3 R 4 9
Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle XI aufgeführtThe results are shown in Table XI below
TypMembrane-
Type
0,20.1
0.2
digkeits-
verhäLtnisSpeed
dignity
relationship
Nucleopore-
MembranePolycarbonate
Nucleopore
membrane
2436
24
synthetischem,
loseartigemMembrane off
synthetic,
loose-like
nichtcellu-
Polymerisatinert,
non-cellu-
Polymer
0,93 P\450.3 0.29
0.93 P \ 45
3,0 0,36 0,872.0 0.22 0.55
3.0 0.36 0.87
98100
98
Selbstverständlich ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf die Einzelheiten der zuvor beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen beschränkt.Of course, the method according to the invention is not limited to the details of the embodiments described above by way of example limited.
- Patentansprüche- claims
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