DE4125186A1 - Biokatalysator sowie verfahren und vorrichtung zu seiner herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Biokatalysator mit immobilisierten Mikroorganismen oder Enzymen, die nach einer Geleinschlußmethode in eine Polymermatrix einge­ lagert sind sowie Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung desselben.

Die Immobilisierung von Mikroorganismen durch Kultivierung auf verfestigten Nährlösungen (Agar-Nährböden) gehört schon seit 1882 (Robert Koch) zu den Standardtechniken im mikrobiologischen Laboratorium. Davon ausgehend wurden in der Vergangenheit zahlreiche natürliche und synthetische Polymere auf ihre Eignung hin überprüft, Enzyme oder Mikroorganismen zu fixieren. Die Immobilisie­ rung verspricht eine Reihe von Vorteilen. Dazu gehören die Möglichkeit zur Rück­ haltung und wiederholten Verwendung der vergleichsweise teuren Biomasse sowie der Schutz empfindlicher Enzyme oder Organismen vor schädlichen Einwir­ kungen (kurzzeitige Änderungen der Substratzusammensetzung, Temperatur­ sprünge oder ähnliches). Im Vergleich zu anderen Immobilisierungsverfahren wie etwa der kovalenten Bindung oder der chemischen Quervernetzung ("cross­ linking") gilt die Geleinschlußmethode als sehr schonend.

Eine umfangreiche Auflistung von Substanzen, die als Gelbildner in Frage kom­ men, sowie zahlreicher Mikroorganismen oder Enzyme, die darin eingeschlossen werden können, findet sich in der DE-PS 27 28 622.

In dieser Schrift wie auch in den meisten Veröffentlichungen zum Thema Immobili­ sierung wird gern darauf hingewiesen, daß sich die betreffenden Gele in praktisch jeder beliebigen Form verfestigen lassen. Gleichwohl werden in konkreten Be­ schreibungen ausschließlich partikuläre Systeme erwähnt, die aus einfachen geo­ metrischen Körpern wie Kugeln, Quadern oder Säulen in ihren verschiedenen Er­ scheinungsformen (Längenverhältnissen) wie Platten, Filmen, Stäbchen oder Fä­ den bestehen. Die am weitesten verbreitete Gestalt ist die Kugelform (W. Hart­ meier: "Immobilized Biocatalysts", Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, 1988, Seite 36). Diese Beobachtung ist Ausdruck der Tatsache, daß die Immobili­ sierungstechnik mittels Geleinschluß nahezu ausschließlich im Labor, bestenfalls im Technikum praktiziert wird; industrielle Anwendungen in nennenswertem Um­ fang sind bisher nicht bekannt geworden. Ein wesentlicher Grund dafür, daß der Geleinschlußmethode der Durchbruch bisher versagt geblieben ist, dürfte darin liegen, daß selbst Fachleute bei der Umsetzung der Immobilisierungstechnik offensichtlich nur an solche Raumformen denken, wie sie im Labor mit den dort üblicherweise vorzufindenden Gegenständen wie z. B. Spritzen und Kanülen etc. leicht herstellbar sind. Diese Beschränkung auf die bevorzugte Kugelgeometrie wird aus der DE-OS 33 39 764 beispielhaft deutlich, in der eine vergleichsweise aufwendige Vorrichtung zur Herstellung von Biokatalysatorperlen beschrieben wird. Derartige Geräte haben jedoch keine beachtliche Verbreitung gefunden. Schließlich ist bisher auch kein Industriebetrieb hervorgetreten, der sich darauf spezialisiert hätte, Enzyme oder Mikroorganismen in immobilisierter Form anzu­ bieten, bei deren Herstellung eine der Geleinschlußmethoden zum Einsatz gekom­ men wäre.

Erhebliche Nachteile der bisher bekannten Ausführungsformen von Immobilisaten (Pellets), die nach einer der Geleinschlußmethoden hergestellt wurden, bestehen zum einen darin, daß der Dichteunterschied zwischen Gelpellet und dem substrat­ haltigen Medium in der Regel zu gering ist, als daß solche Pellets in einem an sich vorteilhaften Wirbelschichtreaktor eingesetzt werden könnten. Verfahrens­ technisch gesehen bleibt in diesem Fall zwar noch der Fest- oder Packbettbetrieb einer Schüttung von Pellets übrig, wie er in Laborapparaturen mit immobilisierten Mikroorganismen häufig anzutreffen ist. Eine Maßstabsvergrößerung dieses Prin­ zips scheitert jedoch zumeist wegen der Gefahr, daß die Pellets unter der Last ihres Eigengewichts deformiert werden können, an der vergleichsweise geringen mechanischen Stabilität der Gelpellets sowie an der häufig ungleichmäßigen Reaktionsdichteverteilung infolge der Ausbildung von Zonen verminderter Durch­ strömung und der damit verbundenen geringeren Effektivität des Reaktors. Dane­ ben erweist sich die erforderliche Rückhaltung der Pellets insbesondere dann als schwierig, wenn das Medium außer den löslichen Bestandteilen noch Feststoffe enthält. Dies kann zur Verstopfung der Rückhalteeinrichtungen führen. Enthält das Medium darüber hinaus auch Feststoffe, deren Abmessungen größer sind als die der Pellets, so ist die Rückhaltung der Pellets praktisch sogar unmöglich.

Weiterhin erscheint die Massenproduktion kugelförmiger, 2 bis 4 mm großer Pel­ lets schwierig, denn solche Pellets werden üblicherweise durch Eintropfen der Polymerlösung in die Vernetzerlösung gewonnen, wobei vielfach Ungleichmäßig­ keiten von Größe und Form sowie Probleme durch Klumpenbildungen oder Düsenverstopfungen auftreten können. Weil dieser Prozeß auch bei einer sehr großen Zahl von Einzeldüsen eine beträchtliche Zeit in Anspruch nimmt, besteht die Gefahr, daß die in der Polymerlösung suspendierten Zellen oder Enzyme durch die zur Verflüssigung der Lösung notwendigerweise erhöhte Temperatur geschädigt werden. Zwar ließen sich die Zellen auch unmittelbar vor dem Eintritt in das Düsensystem kontinuierlich beimischen, jedoch könnte eine solches Vorge­ hen leicht zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Biomasse auf die einzelnen Pellets führen. Schließlich wirft der angestrebte industrielle Einsatz insbesondere auch hinsichtlich der Gebrauchstüchtigkeit derartiger empfindlicher Systeme in der Praxis erhebliche Probleme auf. Eine industrielle Anwendung immobilisierter Mikroorganismen oder Enzyme bei der Be- und Verarbeitung von vergleichsweise preiswerten Massengütern wie Lebensmitteln oder chemischen Grundstoffen ist jedoch nur denkbar, wenn die einzusetzenden Bio-Katalysatoren annähernd so einfach zu behandeln sind wie andere Anlagenteile oder Maschinen, so daß auch weniger gut ausgebildete oder nur angelernte Kräfte in der Lage sind, damit umzugehen.

Daher bestand die Aufgabe, einen Biokatalysator mit immobilisierten Mikro­ organismen oder Enzymen, die nach einer Geleinschlußmethode in eine Polymer­ matrix eingelagert sind, sowie Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung des­ selben zu schaffen, bei dem die die Mikroorganismen oder Enzyme enthaltende Polymermatrix zwar über eine ausreichend große Phasengrenze zu dem substrat­ haltigen Medium verfügt, aber durch ihre Formgebung bereits eine gewisse Form­ stabilität aufweist, so daß dieses Produkt in einer festen Umhüllung, die mit geeig­ neten Anschlüssen versehen ist, nach Art eines Austauschmoduls in einer ver­ fahrenstechnischen Anlage betrieben und bei Bedarf gegen einen neuen Modul ausgewechselt werden kann. Darüber hinaus sollte dieser Biokatalysator leicht herstellbar sein, wobei es vorteilhaft erscheint, wenn das Gefäß, in welchem die­ ser Katalysator hergestellt wurde, oder zumindest wesentliche Teile davon, zu­ gleich als Behälter für die Aufbewahrung, den Transport und den späteren Betrieb des Biokatalysators verwendet werden könnten.

Diese Aufgabe wurde für einen Biokatalysator mit immobilisierten Mikroorganis­ men oder Enzymen, die nach einer Geleinschlußmethode in eine Polymermatrix eingelagert sind, dadurch gelöst, daß die die Enzyme oder Mikroorganismen ent­ haltende Polymermatrix als vergleichsweise großer Block ausgebildet ist, der eine Mehrzahl von Bohrungen, Kanälen oder sonstigen offenporigen Hohlräumen auf­ weist, durch die der blockförmige Katalysator von einem substrathaltigen Medium durchströmt werden kann.

Für die Herstellung eines so beschaffenen Polymerblocks kommen zahlreiche Verfahren in Betracht, die auf anderen Gebieten der Technik für andere Produkte zum Teil schon bekannt sind. Beispielsweise wäre ein modifiziertes Stranggußver­ fahren denkbar, dessen Grundprinzip bei der Herstellung von Halbzeugen aus Metall, bei der Erzeugung von Mehrkomponenten-Eiscreme oder auch zur Pro­ duktion von keramischen Hohlkörpern verwandt wird. Den Erfordernissen hin­ sichtlich der zu erzielenden Raumform am nächsten kommt sicherlich die Herstel­ lung von keramischen Wabenkörpern für die katalytische Abgasreinigung, bei­ spielsweise in Kraftfahrzeugen. Hierbei handelt es sich um eine keramische Hohl­ form mit zahlreichen feinen Kanälen, deren Oberfläche später mit katalytisch akti­ ven Substanzen ausgerüstet wird. Die Herstellung geschieht in der Weise, daß die teigige Ausgangsmasse durch eine hierfür besonders ausgestaltete Düsenplatte gepreßt, in die gewünschte Längen geschnitten, anschließend getrocknet und durch Brennen gehärtet wird. Zur Übertragung dieses Prinzips auf die Herstellung des erfindungsgemäßen Biokatalysators wäre aber gleichzeitig mit der Formge­ bung durch die spezielle Spritzdüse noch eine - zumindest provisorische - Härtung des Polymers sicherzustellen. Im Falle der thermoplastischen Polymere wäre also noch im Bereich der Formgebungszone -ähnlich dem Stranggießen von Metallen bzw. der Speiseeiskonfektionierung- eine Kühleinrichtung vorzusehen.

Eine andere Möglichkeit, einen erfindungsgemäßen Biokatalysator zu erhalten, besteht darin, eine Mehrzahl von gleichen, ein- oder beidseitig mit durchgehen­ den Längsnuten oder ähnlichen Vertiefungen ausgestattete Polymerplatten zu gießen und nach dem Verfestigen so zu stapeln, daß die Nuten zusammen mit der Fläche der nächstliegenden Platte die zur Durchströmung erforderlichen Kanäle bilden.

Weil das erstgenannte Verfahren jedoch hohe Anforderungen an das gezielte Ein­ stellen und Kontrollieren der Fließ- und Kühlbedingungen stellt und ebenso wie beim erwähnten "Stapelverfahren" ein vermehrter Aufwand für ein dichtes Einfas­ sen des Biokatalysators in ein festes Behältnis nötig ist, wird der Herstellung des erfindungsgemäßen Biokatalysators nach dem in den Ansprüchen beschriebenen Verfahren unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine größere Erfolgschance eingeräumt.

Die Erfindung wird an Hand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine dreidimensionale Skizze des biokatalytischen Wabenkörpers, beispielhaft mit quadratischen Querschnitten gezeichnet,

Fig. 2a, b eine einzelne biokatalytische Platte, sowie einen aus mehreren solcher Platten zusammengesetzten Wabenkörper im Querschnitt,

Fig. 3a, b, c die wesentlichen Bauteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung in drei "Momentaufnahmen" aus dem Ablauf des Herstellungsverfahrens.

Beispiel

Ein erfindungsgemäßer Biokatalysator wurde dadurch erhalten, daß eine wäßrige Lösung von 3% (w/w) kappa-Carrageenan (Fa. Sigma Chemie, Deisenhofen) nach Erwärmen auf etwa 65°C glattgerührt, nach Abkühlen auf ca. 45°C mit ei­ ner Bakteriensuspension versetzt und schließlich in eine besondere Hohlform ge­ gossen wurde. Bei der Gußform handelte es sich um ein zylindrisches Rohr (9), welches mit Deckeln an beiden Enden verschlossen werden konnte. Diese Deckel waren mit zahlreichen, jeweils paarweise fluchtenden Bohrungen (6) versehen, so daß eine entsprechende Zahl von genau passenden Stangen (4) als Verdränger­ kerne vorübergehend in die Gußform eingebracht werden konnte. Der zylindri­ sche Mantel (9) diente später als feste Umhüllung für den bakterienhaltigen Gel­ körper. Nach dem Erkalten des Gels wurden die Stangen herausgezogen und die mit den Bohrungen versehenen Deckel durch solche ersetzt (7), bei denen die Innenseiten so gestaltet waren, daß dadurch Hohlräume entstanden, die als Ver­ teiler bzw. Sammler dienen, und darüber hinaus auch eine formschlüssige Fixie­ rung und Abdichtung des bakterienhaltigen Gelkörpers zwischen beiden Deckeln ermöglicht wurde. Zur abschließenden ionotropen Verfestigung des Gels sowie zum Abspülen überschüssiger freier Mikroorganismen von der Oberfläche wurde der Biokatalysator noch mindestens für eine Stunde mit einer wäßrigen Kalium­ chloridlösung (2% w/w) durchströmt. Danach war der Biokatalysator für den Ein­ satz bereit und konnte in einem Bioprozeßkreislauf angeschlossen werden.

Im Laborexperiment erfolgte die primäre Verfestigung dadurch, daß die gesamte Gußform in einer Packung aus Eisbrocken in einem Kühlschrank gelagert wurde. In der Regel kommt es nämlich darauf an, die thermische Belastung der empfind­ lichen Mikroorganismen oder Enzyme so gering wie möglich zu halten. Deshalb wäre bei der Anwendung in größerem Maßstab dafür zu sorgen, daß die Polymer­ lösung möglichst rasch nach dem Vermischen mit den Mikroorganismen verarbei­ tet wird und daß die Temperatur so schnell wie möglich abgesenkt wird. Diese wesentliche Forderung wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung in nicht zu übertreffender Weise dadurch erfüllt, daß die gesamte zu verarbeitende Polymer­ menge nahezu schlagartig in die gewünschte Form gebracht werden kann, während beispielsweise beim Tropfenverfahren die biomassehaltige Polymer­ suspension zwangsläufig über einen wesentlich längeren Zeitraum hinweg bei erhöhten Temperaturen gehalten werden muß. Damit die Temperatur im Innern des gegossenen Polymerblocks rasch abgesenkt werden kann, ist es vorteilhaft, die Verdrängerkerne als Rohre auszuführen, so daß diese auf geeignete Weise von innen gekühlt werden können. Ebenso bietet es sich an, auch den äußeren Mantel der Gußform zu kühlen.

Je nach der verwendeten Gelart, der Konzentration der Vernetzerionen und evtl. weiteren Einflüssen ist damit zu rechnen, daß der Gelkörper nach der Verfesti­ gung einen geringeren Raum einnimmt als das Volumen der Hohlform. Daher übernimmt die Fixierung des Gelkörpers zwischen den beiden Deckeln auch eine gewisse Dichtungsfunktion, damit Kurzschlußströme durch den ggf. entstandenen Spalt zwischen Gelkörper und der Innenwand des Rohrmantels vermieden werden.

Es ist bekannt, daß eine partielle Trocknung der Gele zu einer Erhöhung der me­ chanischen Festigkeit führt. Weil dieser Wasserentzug nicht vollständig reversibel ist, bleibt das Volumen auch der wiederbefeuchteten Gelkörper kleiner als unmit­ telbar nach der Erzeugung. Obwohl eine solche Festigkeitserhöhung bei dem er­ findungsgemäßen Biokatalysator nicht unbedingt erforderlich ist, wären dennoch Anwendungen denkbar, bei denen eine solche Trocknung, beispielsweise zur Lagerung unter einer verminderten Wasseraktivität denkbar. In solchen Fällen wäre das Behältnis zur Aufnahme des rekonstituierten Gelkörpers dem zu erwar­ tenden Volumen entsprechend kleiner zu wählen.

Schließlich ist darauf hinzuweisen, daß die geschilderten Experimente nur unter keimarmen, nicht jedoch unter sterilen Bedingungen durchgeführt wurden. Das Kriterium einer sterilen Arbeitsweise, auch bereits bei der Herstellung des Biokata­ lysators, führt aber nicht dazu, daß die beschriebene technische Lehre hinfällig würde. Vielmehr sind lediglich spezifische Erfordernisse bei der konkreten Ausfüh­ rung, beispielsweise der Materialauswahl oder der konstruktiven Gestaltung im Detail zu beachten. So wären vorzugsweise in den Seitenteilen der Hohlform An­ schlüsse (5) vorzusehen, durch welche die bakterienhaltige Polymersuspension aus einem sterilisierbaren Vorratsbehälter in den Hohlraum gepumpt werden könnte. Weiterhin wäre dafür zu sorgen, daß das Austauschen der beiden Seiten­ teile gegen passende, sterilisierte und mit geeigneten Sterilkupplungen (8) versehene Deckel wie im übrigen auch alle anderen Handhabungen unter anti­ septischen oder sogar sterilen Bedingungen, beispielsweise in einem laminaren Reinluftstrom oder in einer abgeschlossenen Kammer vollzogen werden.

Claims (7)

1. Biokatalysator mit immobilisierten Mikroorganismen oder Enzymen, die nach einer Geleinschlußmethode in eine Polymermatrix eingelagert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die die Enzyme oder Mikroorganismen enthaltende Polymermatrix als vergleichsweise großer Block (1) ausgebildet ist, der eine Mehr­ zahl von Bohrungen, Kanälen oder sonstigen offenporigen Hohlräumen (2) auf­ weist, durch die der blockförmige Katalysator von einem substrathaltigen Medium durchströmt werden kann (vgl. Fig. 1).

2. Biokatalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ein offenes Porensystem aufweisende Polymer­ block aus über- bzw. nebeneinander geschichteten ein- oder beidseitig profilierten Polymerplatten (3) besteht (vgl. Fig. 2).

3. Biokatalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ein offenes Porensystem aufweisende, ggf. aus mehreren Schichten aufgebaute Polymerblock von einer dicht anliegenden, die mechanische Festigkeit des Polymerblocks erhöhenden sowie eine Strömung des Substrats durch das Porensystem ermöglichenden, festen Umhüllung umgeben ist und diese mit entsprechenden Anschlüssen ausrüstbar ist, so daß der Biokata­ lysator auf einfache Weise z. B. in eine Rohrleitung integriert werden kann.

4. Biokatalysator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Biokatalysatoren der beschrie­ benen Art, gegebenenfalls mit unterschiedlichen katalytischen Eigenschaften, pa­ rallel oder in Reihe zu einem Bündel von Biokatalysatoren zusammenschaltbar sind.

5. Biokatalysator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Porensystem des Polymerblocks während der Lagerung oder des Transports des Biokatalysators mit einem für die biologische bzw. biochemische Stabilität der immobilisierten Mikroorganismen oder Enzyme vorteilhaften Medium gefüllt ist.

6. Verfahren zur Herstellung von Biokatalysatoren mit immobilisierten Mikro­ organismen oder Enzymen, die nach einer Geleinschlußmethode in eine Polymermatrix eingelagert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die die Enzyme oder Mikroorganismen enthaltende, durch Temperaturänderung oder auf andere Weise zu verfestigende Polymerlö­ sung vorzugsweise durch Spritzgießen in eine zur Erhöhung der inneren Oberflä­ che eine Mehrzahl von sich in axialer Richtung, vorzugsweise parallel erstrecken­ den, die gesamte Gußform durchmessenden Verdrängerkernen aufweisende pris­ matische, vorzugsweise zylindrische Hohlform gedrückt und anschließend ver­ festigt wird, daß der auf diese oder andere Art, beispielsweise durch Stranggießen, Kokil­ lengießen mit anschließendem Bohren oder Schneiden oder Über- bzw. Neben­ einanderschichten von profilierten, bioaktiven Polymerplatten erzeugte biokatalyti­ sche Wabenkörper unter sterilen oder antiseptischen Bedingungen in eine seine äußere Kontur dicht umschließende feste Umhüllung, vorzugsweise in den bereits bei der Formgebung verwendeten Behälter, alternativ nach partieller Trocknung und bei Bedarf teilweiser Wiederbefeuchtung in einen entsprechend kleineren Behälter verbracht bzw. darin belassen wird, so daß dieser mit geeigneten Rohr­ anschlüssen ausrüstbare Behälter, bei Bedarf nach Auffüllen der den Wabenkör­ per durchziehenden Hohlräume oder Bohrungen mit einer für das Wachstum oder die Stabilisierung der den Gelkörper enthaltenden Mikroorganismen oder Enzyme vorteilhaften Nähr- oder Konservierungslösung, gegebenenfalls in Kombination mit einer geeigneten thermischen Behandlung eine materialgerechte Konfektionie­ rung und Lagerung von biokatalytisch aktivem Material ermöglicht, und daß schließlich einzelne solcherart oder auf andere Weise geschaffene bioaktive Behälter bei Bedarf zusammen mit weiteren gleichartigen Behältern zu Aggregaten von einzelnen Biokatalysatoren zusammenschließbar sind.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 6 bzw. zur Herstellung eines Biokatalysators nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von vorzugsweise rohrförmigen, als Wärmetauscher ausrüstbaren Verdrängerkernen (4) vorübergehend in eine tem­ perierbare, dicht verschließbare, jedoch an ihren Stirnseiten mit geeigneten Zu- und Abflüssen (5) sowie Bohrungen (6) für den Durchtritt bzw. zur Aufnahme der Verdrängerkerne versehene Hohlform geschoben werden können, von wo aus sie nach dem Erhärten der zwischenzeitlich in die Hohlform eingebrachten, die Mikroorganismen oder Enzyme enthaltenden Polymerlösung wieder herausgezo­ gen werden können, daß die Stirnseiten der Hohlform durch passende, den Gelkörper zusätzlich fixierende und abdichtende Deckel (7) ersetzt werden können, die einen oder mehrere geeignete, vorzugsweise in steriltechnischer Hinsicht günstig gestaltete Anschlüsse (8) aufweisen, während der Mantel (9) der genannten Hohlform als austauschbares Teil dieser Vorrichtung ausgebildet ist, damit dieser zusammen mit den passenden Deckeln zugleich als feste Umhüllung dienen kann, in welcher der hergestellte Poly­ merblock zunächst aufbewahrt und später betrieben werden kann (vgl. Fig. 3a bis 3c).