EA017266B1 - Biocatalyst, method of its preparation and method of obtaining glucose-fructose syrups - Google Patents
Biocatalyst, method of its preparation and method of obtaining glucose-fructose syrups Download PDFInfo
- Publication number
- EA017266B1 EA017266B1 EA200900703A EA200900703A EA017266B1 EA 017266 B1 EA017266 B1 EA 017266B1 EA 200900703 A EA200900703 A EA 200900703A EA 200900703 A EA200900703 A EA 200900703A EA 017266 B1 EA017266 B1 EA 017266B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- biocatalyst
- glucose
- microbial biomass
- silicon dioxide
- cobalt
- Prior art date
Links
Landscapes
- Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)
- Enzymes And Modification Thereof (AREA)
- Immobilizing And Processing Of Enzymes And Microorganisms (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к биотехнологии, в частности, к способам приготовления биокатализаторов для производства из возобновляемого крахмалсодержащего сырья натуральных сахарозаменителей глюкозофруктозных сиропов.The invention relates to biotechnology, in particular, to methods for the preparation of biocatalysts for the production of renewable starch-containing raw materials of natural sweeteners for glucose-fructose syrups.
Известно, что глюкозофруктозные сиропы широко применяются в пищевой промышленности при производстве безалкогольных напитков, кондитерских изделий и продуктов диетического питания, а также при консервировании плодов и овощей. Использование этих сиропов в рецептурах приготовления различных изделий существенно улучшает их потребительские свойства, замедляет процессы высыхания и затвердевания (черствления).It is known that glucose-fructose syrups are widely used in the food industry in the production of soft drinks, confectionery and diet foods, as well as in the preservation of fruits and vegetables. The use of these syrups in the recipes for the preparation of various products significantly improves their consumer properties, slows down the drying and hardening (staling) processes.
Гетерогенный (многофазный) режим проведения биокаталитической конверсии природных субстратов с участием твердых биокатализаторов, загруженных в проточный реактор, является наиболее экономически выгодным. Неорганические матрицы (оксиды металлов, силикаты, углерод-минеральные носители) как носители для иммобилизации ферментативно-активных субстанций (ферментов или содержащих их микробных клеток) отличаются инертностью, высокой устойчивостью в водных средах, стойкостью к химическому и микробному разрушению. Высокая механическая прочность неорганических носителей позволяет использовать их в реакторах различного типа, в том числе в высокопроизводительных вихревых реакторах.The heterogeneous (multiphase) mode of biocatalytic conversion of natural substrates with the participation of solid biocatalysts loaded into a flow reactor is the most economically advantageous. Inorganic matrices (metal oxides, silicates, carbon-mineral carriers) as carriers for immobilizing enzymatically active substances (enzymes or microbial cells containing them) are characterized by inertness, high stability in aqueous media, and resistance to chemical and microbial destruction. The high mechanical strength of inorganic carriers allows their use in reactors of various types, including high-performance vortex reactors.
Актуальной задачей в области приготовления высокостабильных и активных биокатализаторов является оптимизация их состава и разработка новых способов иммобилизации.An urgent task in the preparation of highly stable and active biocatalysts is to optimize their composition and develop new methods of immobilization.
Известен способ иммобилизации клеток актинобактерий Аг(11гоЬас(ег шеоБапае, обладающих глюкозоизомеразной активностью и катализирующих ферментативную реакцию изомеризации глюкозы во фруктозу, путем их физической адсорбции на неорганических носителях [Коваленко Г. А., Перминова Л.В., Терентьева Т.Г., Сапунова Л.И., Лобанок А.Г., Чуенко Т.В., Рудина Н.А., Черняк Е.И. Активность глюкозоизомеразы в суспензиях клеток Аг(НгоЬас1ег шеоБапае и адсорбционная иммобилизация микроорганизмов на неорганических носителях//Прикладн. Биохим. Микробиол. 2008. - Т. 44. - Вып. 2. С. 193-201]. Установлено, что актинобактерии А.шеоБапае обладают слабой способностью к адгезии на поверхности твердых носителей, которая не зависит ни от текстурных характеристик носителя, ни от химической природы, ни от морфологии поверхности носителя. Величина адгезии не превышает 1,6 мг сухих клеток на 1 г носителя. Максимальная глюкозоизомеразная активность (ЕА ^мкмоль/мин) биокатализаторов, приготовленных путём адсорбции бактериальных клеток на макропористом углеродминеральном носителе Сапропеле с последующим совместным высушиванием суспензии клеток и носителя, составляет 2ЕА/г. Максимальной стабильностью обладают биокатализаторы, полученные в процессе глубинного культивирования микроорганизмов в присутствии углеродсодержащей пенокерамики; данные биокатализаторы сохраняют первоначальную активность в реакции изомеризации моносахаридов в течение 10 ч работы при 70°С. Недостатками данного способа являются:There is a method of immobilizing cells of actinobacteria Ar (11gbac (er chebobae, possessing glucose isomerase activity and catalyzing the enzymatic reaction of glucose isomerization to fructose by physical adsorption on inorganic carriers [G. Kovalenko, L. Perminova, T. Terentyeva, Sapunova L.I., Lobanok A.G., Chuenko T.V., Rudina N.A., Chernyak E.I. Glucose isomerase activity in suspensions of Ar cells (HbObacobacterium and adsorption immobilization of microorganisms on inorganic carriers // Prikl. Biochem Microbiol. 2008. - T. 44. - Issue 2. P. 193-201]. It has been established that the actinobacteria A. Sheo Bapae have a weak ability to adhere to the surface of solid carriers, which does not depend on the textural characteristics of the carrier, nor on the chemical nature, nor on the surface morphology The adhesion does not exceed 1.6 mg of dry cells per 1 g of carrier Maximum glucose isomerase activity (EA ^ μmol / min) of biocatalysts prepared by adsorption of bacterial cells on a macroporous carbon-mineral carrier Sapropel followed by joint height stallation of cell suspension and carrier is 2Ea / g. The maximum stability is possessed by biocatalysts obtained in the process of deep cultivation of microorganisms in the presence of carbon-containing foam ceramics; These biocatalysts retain their initial activity in the monosaccharide isomerization reaction for 10 hours at 70 ° C. The disadvantages of this method are:
1) низкая величина адсорбции;1) low adsorption;
2) низкая биокаталитическая активность (<2 ЕА/г);2) low biocatalytic activity (<2 EA / g);
3) низкая стабильность в реакционных условиях (время полуинактивации 11/2< 18 ч).3) low stability under reaction conditions (half-inactivation time 1 1/2 <18 h).
Известен способ иммобилизации глюкозоизомеразы, выделенной из клеток 81гер1отусе5 тиЫдтокик, путем адсорбции на частицах 8ίΘ2 с последующей сшивкой глутаровым диальдегидом [Вйо8а1е 8.Н., Као М.В., Ое^Ерапбе ν.ν. Мо1еси1аг апб ίηάιΐ5ΐιύι1 акреей οί д1иео8е щотета8е//М1сгоЬю1. Веу. 1996, уо1. 60, № 2, р. 280-300]. По данной технологии компания Мйек Ка11-Сйет1е (И8) производит коммерческий биокатализатор ОрЯ5\\'ее1 2®, активность которого составляет 22 ЕА/г при 60°С. Недостатком данного способа является низкая глюкозоизомеразная активность биокатализатора.Known is a method of immobilization of glucose isomerase extracted from cells 81ger1otuse5 tiYdtokik, by adsorption on the particles 8ίΘ 2 followed by cross-linking with glutaric dialdehyde [Vyo8a1e 8.N., Kao MV, Ge ^ Erapbe ν.ν. Mo1essi1ag apb ίηάιΐ5ΐιύι1 acrea οί d1ieo8e schoteta8e // M1goyu1. Wow. 1996, wo. 60, No. 2, p. 280-300]. According to this technology, the company Mjek Ka11-Syet1e (I8) produces a commercial biocatalyst ORYA5 \\ 'ee1 2®, whose activity is 22 EA / g at 60 ° C. The disadvantage of this method is the low glucose isomerase activity of the biocatalyst.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ иммобилизации микробной биомассы путем ее включения в ксерогель диоксида кремния [ВИ 2341560, С12Р 19/24, С12Ы 11/04, 20.12.2008]. Для этого используют микробную биомассу в виде пасты влажностью 75-80%. Диоксид кремния используют в виде гидрогеля с набором свойств, описанных в (ВИ 2341560), а именно: влажность 60-95%, величина удельной поверхности и насыпной плотностью продукта, получаемого после высушивания гидрогеля при 105-120°С, составляет соответственно 30-550 м2/г и 0,1-0,7 г/см3. Иммобилизацию бактериальных клеток проводят путем смешения микробной биомассы в виде влажной пасты, диоксида кремния в виде гидрогеля и солей магния и двухвалентного кобальта в виде водных растворов сульфатов, или нитратов, или хлоридов с последующей сушкой полученной смеси на воздухе при температуре 50-70°С в течение не более 2 ч, прессованием и грануляцией в частицы размером 0,4-3,0 мм.Closest to the claimed invention is a method of immobilization of microbial biomass by incorporating it into a xerogel of silicon dioxide [VI 2341560, С12Р 19/24, С12Ы 11/04, 12/20/2008]. To do this, use microbial biomass in the form of a paste with a moisture content of 75-80%. Silicon dioxide is used in the form of a hydrogel with a set of properties described in (VI 2341560), namely: humidity 60-95%, the specific surface area and bulk density of the product obtained after drying the hydrogel at 105-120 ° C, respectively 30-550 m 2 / g and 0.1-0.7 g / cm 3 . Immobilization of bacterial cells is carried out by mixing microbial biomass in the form of a wet paste, silicon dioxide in the form of a hydrogel and magnesium salts and divalent cobalt in the form of aqueous solutions of sulfates, or nitrates, or chlorides, followed by drying the resulting mixture in air at a temperature of 50-70 ° C in no more than 2 hours, pressing and granulation into particles of 0.4-3.0 mm in size.
Существенными недостатками данного способа являются:Significant disadvantages of this method are:
1) низкая ферментативная активность биокатализатора, составляющая 25 ЕА/г при 70°С;1) low enzymatic activity of the biocatalyst, component 25 EA / g at 70 ° C;
2) сравнительно низкая устойчивость к разрушению в водных буферных средах при рН 7,8, обусловленная введением в состав биокатализатора ионов магния и кобальта в виде растворимых солей;2) a relatively low resistance to destruction in aqueous buffer media at pH 7.8, due to the introduction of magnesium and cobalt ions in the form of soluble salts into the biocatalyst composition;
3) низкая стабильность биокатализатора, время полуинактивации (11/2) которого составляет 22 ч при 70°С.3) low stability of the biocatalyst, the half-inactivation time (1 1/2 ) of which is 22 hours at 70 ° C.
- 1 017266- 1 017266
Изобретение решает задачу оптимизации состава биокатализатора с целью увеличения его активности и стабильности и разработки эффективного способа получения глюкозофруктозных сиропов с участием приготовленного биокатализатора.The invention solves the problem of optimizing the composition of the biocatalyst in order to increase its activity and stability and to develop an effective method for producing glucose-fructose syrups with the participation of the prepared biocatalyst.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в увеличении ферментативной активности, стабильности биокатализатора и его устойчивости к разрушению в водной реакционной среде путем оптимизации его состава.The technical result of the invention is to increase the enzymatic activity, stability of the biocatalyst and its resistance to destruction in an aqueous reaction medium by optimizing its composition.
Задача решается использованием в процессе изомеризации моносахаридов твердого биокатализатора, приготовленного путем иммобилизации биомассы микроорганизмов, продуцирующих клеточносвязанную глюкозоизомеразу (микробная биомасса).The problem is solved by using a solid biocatalyst prepared by immobilizing the biomass of microorganisms producing cell-bound glucose isomerase (microbial biomass) during the isomerization of monosaccharides.
Биокатализатор содержит микробную биомассу, диоксид кремния (8Ю2) и нерастворимые гидроксосоединения кобальта (СохОу), при этом соотношение компонентов биокатализатора (микробной биомассы, диоксида кремния и нерастворимых гидроксосоединений кобальта) зависит от таксономической принадлежности микроорганизмов, продуцирующих глюкозоизомеразу. Например, для актинобактерий рода Лг111гоЬае1сг оптимальный состав биокатализатора, в пересчете на сухой вес (в мас.%), следующий: микробная биомасса - 10-15; 8Ю2 - 45-60; СохОу - 20-40.Biocatalyst containing microbial biomass, silicon dioxide (2 occupies 8) and gidroksosoedineniya insoluble cobalt (Co x O y), wherein the mixing ratio of the biocatalyst (biomass of microbial, silicon dioxide and insoluble cobalt gidroksosoedineny) depends on the keys for microorganisms producing glucose isomerase. For example, for actinobacteria of the genus Lg111goLae1sg, the optimal composition of the biocatalyst, in terms of dry weight (in wt.%), Is as follows: microbial biomass - 10-15; 8U 2 - 45-60; So x Oy - 20-40.
Предлагаемый биокатализатор для получения глюкозофруктозных сиропов в процессе изомеризации моносахаридов включает микробную биомассу с глюкозоизомеразной активностью, диоксид кремния и соединение кобальта(П) в виде нерастворимых гидроксосоединений и имеет состав, в мас.% по сухим веществам: микробная биомасса - 10-60; диоксид кремния - 20-70; нерастворимое гидроксосоединение кобальта(П) - 20-40.The proposed biocatalyst for producing glucose-fructose syrups in the process of isomerization of monosaccharides includes a microbial biomass with glucose isomerase activity, silicon dioxide and cobalt compound (P) in the form of insoluble hydroxy compounds and has a composition, in wt.%, On dry matter: microbial biomass - 10-60; silicon dioxide - 20-70; insoluble hydroxy compound of cobalt (P) - 20-40.
Диоксид кремния содержится в виде гидрогеля со следующим набором свойств: величина удельной поверхности продукта, получающегося после высушивания гидрогеля при 105-120°С, равна 30-550 м2/г, насыпная плотностью продукта, получающегося после высушивания гидрогеля при 105-120°С, равна 0,1-0,7 г/см3.Silicon dioxide is contained in the form of a hydrogel with the following set of properties: the specific surface area of the product obtained after drying the hydrogel at 105-120 ° C is 30-550 m 2 / g, bulk density of the product obtained after drying the hydrogel at 105-120 ° C equal to 0.1-0.7 g / cm 3 .
Готовый (сухой) биокатализатор имеет величину удельной поверхности 50-300 м2/г, объем пор 0,3-0,9 см3/г; диаметр пор - 10-15 нм.The finished (dry) biocatalyst has a specific surface area of 50-300 m 2 / g, a pore volume of 0.3-0.9 cm 3 / g; pore diameter - 10-15 nm.
Задача решается также способом приготовления биокатализатора для получения глюкозофруктозных сиропов, по которому микробные клетки, обладающие глюкозоизомеразной активностью, иммобилизуют в диоксид кремния путем тщательного смешения диоксида кремния в виде гидрогеля, свежеосажденных гидроксосоединений кобальта в виде влажного осадка, микробной биомассой в виде влажной пасты и раствора бифункционального сшивающего реагента с последующей сушкой полученной смеси до суховоздушного состояния, прессованием при избыточном давлении 150 атм и грануляцией в частицы размером 0,2-4,0 мм, полученный биокатализатор имеет состав, в мас.% по сухим веществам: микробная биомасса - 10-60; диоксид кремния - 20-70; нерастворимое гидроксосоединение кобальта(П) - 20-40.The problem is also solved by the method of preparation of a biocatalyst for the production of glucose-fructose syrups, in which microbial cells with glucose isomerase activity are immobilized into silicon dioxide by thoroughly mixing silicon dioxide in the form of a hydrogel, freshly precipitated cobalt hydroxocompounds in the form of a wet sediment, microbial biomass biomass a crosslinking reagent, followed by drying the resulting mixture to a dry air state, pressing at an excess pressure of 150 tm granulation and particle size of 0.2-4.0 mm obtained biocatalyst has the composition in wt% on dry substance: microbial biomass - 10-60;. silicon dioxide - 20-70; insoluble hydroxy compound of cobalt (P) - 20-40.
Для увеличения стабильности биокатализатора проводят обработку бифункциональными сшивающими реагентами - диальдегидом (глутаровым альдегидом, ГА) или карбодиимидом (1-циклогексил-3(2-морфолиноэтил) карбодиимид мето-4-толуолсульфонат, КД), добавляя данные реагенты в расчете 20-400 мг на 1 г сухой микробной биомассы. Поскольку сшивающий реагент уменьшает глюкозоизомеразную активность микробной биомассы, то для уменьшения негативного действия его добавляют на последней стадии приготовления биокатализатора. Следовательно, порядок смешения компонентов является существенным признаком приготовления биокатализаторов: сначала тщательно смешивают гидрогель диоксида кремния и влажный осадок гидроксосоединений кобальта, к этой смеси добавляют микробную биомассу и перемешивают до однородного состояния, затем в эту смесь добавляют раствор сшивающего реагента, снова тщательно перемешивают и высушивают до суховоздушного состояния (влажность 10-12%).To increase the stability of the biocatalyst, they are treated with bifunctional cross-linking reagents - dialdehyde (glutaraldehyde, GA) or carbodiimide (1-cyclohexyl-3 (2-morpholinoethyl) carbodiimide meto-4-toluenesulfonate, CD), adding these reagents per 20-4 mg 1 g of dry microbial biomass. Since the crosslinking reagent reduces the glucose isomerase activity of microbial biomass, it is added at the last stage of preparation of the biocatalyst to reduce the negative effect. Therefore, the mixing order of the components is an essential sign of the preparation of biocatalysts: first, silica hydrogel and a wet precipitate of cobalt hydroxo compounds are thoroughly mixed, microbial biomass is added to this mixture and mixed until homogeneous, then a solution of a crosslinking reagent is added to this mixture, it is thoroughly mixed again and dried to dry air condition (humidity 10-12%).
Для приготовления биокатализатора используют микробную биомассу, обладающую глюкозоизомеразной активностью не менее 600 ЕА на 1 г сухих клеток, в виде пасты влажностью 75-80%.To prepare the biocatalyst, a microbial biomass is used, which has a glucose isomerase activity of at least 600 EA per 1 g of dry cells, in the form of a paste with a moisture content of 75-80%.
Диоксид кремния используют в виде гидрогеля со следующим набором свойств: влажность 60-95%, величина удельной поверхности и насыпной плотности продукта, получающегося после высушивания гидрогеля при 105-120°С, составляет соответственно 30-550 м2/г и 0,1-0,7 г/см3.Silicon dioxide is used in the form of a hydrogel with the following set of properties: humidity 60-95%, the specific surface area and bulk density of the product obtained after drying the hydrogel at 105-120 ° C, respectively 30-550 m 2 / g and 0.1- 0.7 g / cm 3 .
Гидрогель диоксида кремния получают путем взаимодействия силиката натрия или калия с минеральной кислотой, выбранной из ряда серная, азотная или угольная кислоты, или путем взаимодействия с аммонийными солями серной, или азотной, или угольной кислот, при рН 6,5-9,0, температуре 20-90°С, скорости осаждения 30-300 г 81О2/лсусп-ч с последующей отмывкой и фильтрацией гидрогеля [КИ 234156020].Silicon dioxide hydrogel is obtained by reacting sodium or potassium silicate with a mineral acid selected from the range of sulfuric, nitric or carbonic acids, or by reacting with ammonium salts of sulfuric or nitric or carbonic acids, at pH 6.5-9.0, temperature 20-90 ° C, the deposition rate of 30-300 g 81O 2 / l susp- h, followed by washing and filtering the hydrogel [KI 234156020].
Нерастворимые гидроксосоединения кобальта получают осаждением из растворов нитрата кобальта Со(ИОз)2 раствором аммиака при интенсивном перемешивании при 20-22°С. Осадок формируют в течение 20 ч при 22°С, затем многократно отмывают дистиллированной водой.Insoluble cobalt hydroxyl compounds are obtained by precipitation from solutions of cobalt nitrate Co (IO3) 2 with an ammonia solution with vigorous stirring at 20-22 ° C. A precipitate is formed for 20 hours at 22 ° C, then it is washed many times with distilled water.
- 2 017266- 2 017266
Задача решается также способом получения глюкозофруктозных сиропов в процессе изомеризации моносахаридов (глюкозы), в котором используют описанный выше биокатализатор. Процесс проводят в проточном реакторе с неподвижным слоем при температуре (65±5)°С и при скорости непрерывного потока реакционной среды через слой биокатализатора, не превышающей 2 мл/ч. Биокатализатор используют в виде частиц размером 0,2-4,0 мм, для улучшения гидродинамических свойств неподвижного слоя биокатализатора используют стеклянные шарики диаметром 2 мм в качестве инертного наполнителя,The problem is also solved by the method of producing glucose-fructose syrups in the process of isomerization of monosaccharides (glucose), which use the biocatalyst described above. The process is carried out in a flow reactor with a fixed bed at a temperature of (65 ± 5) ° C and at a continuous flow rate of the reaction medium through the biocatalyst layer not exceeding 2 ml / h. The biocatalyst is used in the form of particles with a size of 0.2-4.0 mm, to improve the hydrodynamic properties of the fixed layer of the biocatalyst, glass balls with a diameter of 2 mm are used as an inert filler,
Технический результат достигается вследствие реализации следующих групп отличительных признаков:The technical result is achieved due to the implementation of the following groups of distinctive features:
1) оптимизацией состава биокатализатора по массовому содержанию составляющих компонентов;1) optimization of the composition of the biocatalyst by the mass content of the constituent components;
2) введением Со(11) в состав биокатализатора в виде нерастворимых гидроксосоединений;2) the introduction of Co (11) into the biocatalyst in the form of insoluble hydroxy compounds;
3) порядком смешения составляющих компонентов биокатализатора;3) the order of mixing the constituent components of the biocatalyst;
4) проведением процесса изомеризации моносахаридов (глюкозы) до глюкозофруктозного сиропа в проточном реакторе с неподвижным слоем приготовленного биокатализатора, имеющего оптимальный состав.4) by conducting the process of isomerization of monosaccharides (glucose) to glucose-fructose syrup in a flow reactor with a fixed bed of a prepared biocatalyst having an optimal composition.
Метод приготовления биокатализатора отличается простотой и универсальностью, все компоненты доступны и имеют относительно низкую стоимость. Использование Со(11) в виде нерастворимых гидроксосоединений приводит к значительному снижению (на порядок) концентрации ионов переходного металла Со2+ в конечном продукте - глюкозофруктозном сиропе.The method of preparation of the biocatalyst is simple and versatile, all components are available and have a relatively low cost. The use of Co (11) in the form of insoluble hydroxo compounds leads to a significant decrease (by an order of magnitude) in the concentration of transition metal ions of Co 2+ in the final product, glucose-fructose syrup.
Биокатализатор для получения глюкозофруктозных сиропов содержит следующие компоненты, в мас % по сухим веществам: микробная биомасса - до 60; диоксид кремния - до 70; СохОу - до 40. Содержание микробной биомассы в биокатализаторе определяется таксономической принадлежностью микроорганизма, продуцирующего глюкозоизомеразу. Гидрогель диоксида кремния, используемый для приготовления биокатализатора, получают описанным способом [КП 234156020]. Гидрогель диоксида кремния инертен, отличается высокой химической и микробной устойчивостью. Гидроксосоединения Со(11), используемые для приготовления биокатализатора, получают осаждением из растворов нитрата кобальта Со(ИО3)2 раствором аммиака при интенсивном перемешивании при 20-22°С. Осадок формируют в течение 20 ч при 22°С, затем многократно отмывают дистиллированной водой. Использование Со(11) в виде нерастворимых гидроксосоединений СохОу повышает устойчивость приготовленных биокатализаторов к разрушению в водной среде (по сравнению с прототипом), обеспечивает поступление в микроокружение клеток ионов Со2+, необходимых для увеличения термостабильности клеточно-связанной глюкозоизомеразы. При этом добавление в реакционную среду ионов Со2+ не требуется, что повышает качество и чистоту конечного продукта - глюкозофруктозного сиропа. При использовании описанных в научнотехнической литературе биокатализаторов ионы кобальта добавляют в реакционную среду в концентрации не менее 1 мМ, затем проводят очистку конечного продукта на ионообменных смолах.The biocatalyst for the production of glucose-fructose syrups contains the following components, in wt%, on dry matter: microbial biomass - up to 60; silicon dioxide - up to 70; From x O y - up to 40. The content of microbial biomass in the biocatalyst is determined by the taxonomic affiliation of the microorganism producing glucose isomerase. The silica hydrogel used to prepare the biocatalyst is prepared as described [KP 234156020]. The silica hydrogel is inert and has a high chemical and microbial stability. Hydroxy compounds Co (11) used to prepare the biocatalyst are obtained by precipitation from solutions of cobalt nitrate Co (IO 3 ) 2 with an ammonia solution with vigorous stirring at 20-22 ° С. A precipitate is formed for 20 hours at 22 ° C, then it is washed many times with distilled water. The use of Co (11) in the form of insoluble hydroxo compounds Co x O y increases the resistance of the prepared biocatalysts to destruction in an aqueous medium (compared to the prototype), ensures the entry of Co 2+ ions into the microenvironment of cells, which are necessary to increase the thermal stability of cell-bound glucose isomerase. Moreover, the addition of Co 2+ ions to the reaction medium is not required, which increases the quality and purity of the final product - glucose-fructose syrup. When using biocatalysts described in the scientific and technical literature, cobalt ions are added to the reaction medium at a concentration of not less than 1 mM, and then the final product is purified on ion-exchange resins.
Биокатализатор для изомеризации глюкозы готовят путем смешения до однородного состояния гидрогеля диоксида кремния, нерастворимых гидроксосоединений СохОу, микробной биомассы, затем в данную смесь добавляют раствор бифункционального сшивающего реагента. В качестве бифункционального сшивающего реагента используют диальдегиды, предпочтительно глутаровый диальдегид. Полученную смесь высушивают до суховоздушного состояния, например, в течение 2-8 ч при 20-25°С. Температура сушки не должна превышать 70°С, дальнейшее повышение температуры приводит к потере ферментативной активности биокатализатора. Высушенную смесь прессуют при избыточном давлении 150 атм и механически измельчают до частиц размером 0,2-4,0 мм.A biocatalyst for glucose isomerization is prepared by mixing silicon dioxide hydrogel, insoluble Co x O y hydroxy compounds, microbial biomass until a homogeneous state, then a solution of a bifunctional cross-linking reagent is added to this mixture. Dialdehydes, preferably glutaraldehyde, are used as the bifunctional crosslinking agent. The resulting mixture is dried to a dry air state, for example, for 2-8 hours at 20-25 ° C. The drying temperature should not exceed 70 ° C, a further increase in temperature leads to a loss of enzymatic activity of the biocatalyst. The dried mixture is pressed at a pressure of 150 atm and mechanically crushed to particles with a size of 0.2-4.0 mm
В результате получают гранулированный твердый биокатализатор, обладающий глюкозоизомеразной активностью, равной 100-350 ЕА/г сухого биокатализатора (в прототипе 25 ЕА/г). Время полуинактивации приготовленного биокатализатора в условиях реакции изомеризации глюкозы при 70°С превышает 500 ч (в прототипе 22 ч). Таким образом, заявляемый состав биокатализатора, а также способ его приготовления обеспечивают высокую активность и стабильность биокатализатора в условиях проведения реакции изомеризации глюкозы до конечного продукта - глюкозофруктозного сиропа.The result is a granular solid biocatalyst with glucose isomerase activity equal to 100-350 EA / g dry biocatalyst (in the prototype 25 EA / g). The half-inactivation time of the prepared biocatalyst under the conditions of the glucose isomerization reaction at 70 ° C exceeds 500 hours (in the prototype 22 hours). Thus, the claimed composition of the biocatalyst, as well as the method of its preparation provide high activity and stability of the biocatalyst in the conditions of the glucose isomerization reaction to the final product - glucose-fructose syrup.
Биокатализатор обладает следующим набором свойств: удельная поверхность - 50-300 м2/г; суммарный объем пор - 0,6-0,9 см3/г; средний размер пор - 10-15 нм. Как видно из приведенных текстурных параметров, биокатализатор имеет мезопористую структуру, что обеспечивает его работу в реакции изомеризации моносахаридов в кинетической области (без диффузионных ограничений). Начальная глюкозоизомеразная активность биокатализатора составляет 100-350 ЕА/г сухого биокатализатора.The biocatalyst has the following set of properties: specific surface - 50-300 m 2 / g; the total pore volume is 0.6-0.9 cm 3 / g; the average pore size is 10-15 nm. As can be seen from the above texture parameters, the biocatalyst has a mesoporous structure, which ensures its operation in the monosaccharide isomerization reaction in the kinetic region (without diffusion restrictions). The initial glucose isomerase activity of the biocatalyst is 100-350 EA / g dry biocatalyst.
Таким образом, существенными отличительными признаками заявляемого биокатализатора и способа его приготовления, по сравнению с прототипом, являются следующие:Thus, the salient features of the inventive biocatalyst and the method of its preparation, in comparison with the prototype, are the following:
1) высокая глюкозоизомеразная активность биокатализатора (в >10 раз выше, чем в прототипе);1) high glucose isomerase activity of the biocatalyst (> 10 times higher than in the prototype);
2) более высокая стабильность биокатализатора в процессе изомеризации моносахаридов при 6070°С (в >20 раз выше, чем в прототипе);2) higher stability of the biocatalyst in the process of isomerization of monosaccharides at 6070 ° C (> 20 times higher than in the prototype);
3) более высокое качество конечного продукта (глюкозофруктозного сиропа) из-за значительного (в 70 раз) снижения содержания в нем ионов переходного металла Со2+.3) higher quality of the final product (glucose-fructose syrup) due to a significant (70-fold) decrease in the content of transition metal ions Co 2+ in it .
- 3 017266- 3 017266
Заявляемый набор свойств биокатализатора (состав, способ приготовления, ферментативная активность и стабильность) обеспечивают высокую эффективность работы данного биокатализатора в реакции изомеризации глюкозы в глюкозофруктозные сиропы в проточных реакторах различного типа (с неподвижным слоем биокатализатора, вихревые реакторы).The claimed set of properties of the biocatalyst (composition, preparation method, enzymatic activity and stability) ensure the high efficiency of this biocatalyst in the reaction of glucose isomerization into glucose-fructose syrups in various types of flow reactors (with a fixed biocatalyst layer, vortex reactors).
Для характеристики приготовленных биокатализаторов используют следующие физико-химические методы.The following physicochemical methods are used to characterize the prepared biocatalysts.
Текстурные параметры биокатализатора измеряют следующими методами. Величину удельной поверхности определяют по тепловой десорбции аргона (метод БЭТ). Объем пор и диаметр пор определяют методом ртутной порометрии.The texture parameters of the biocatalyst are measured by the following methods. The specific surface area is determined by thermal desorption of argon (BET method). Pore volume and pore diameter are determined by mercury porosimetry.
Ферментативную активность приготовленных биокатализаторов определяют по скорости превращения (в мкмоль/мин^ЕА) 2 М (44% по сухим веществам) раствора моносахарида (глюкозы или фруктозы) в 0,02 М фосфатном буфере рН 7,0-7,8 в глюкозофруктозный сироп в присутствии ионов магния Мд24 (1 мМ) при температуре 60-75°С. Ферментативную активность микробных клеток в суспензии и в иммобилизованном состоянии выражают либо в ЕА/г сухих клеток, либо ЕА/г сухого биокатализатора.The enzymatic activity of the prepared biocatalysts is determined by the rate of conversion (in μmol / min ^ EA) of 2 M (44% by dry matter) solution of monosaccharide (glucose or fructose) in 0.02 M phosphate buffer pH 7.0-7.8 to glucose-fructose syrup in the presence of magnesium ions MD 24 (1 mm) at a temperature of 60-75 ° C. The enzymatic activity of microbial cells in suspension and in an immobilized state is expressed either in EA / g dry cells or EA / g dry biocatalyst.
Термостабильность биокатализаторов оценивают в условиях периодического испытания биокатализатора в реакции изомеризации моносахаридов при температуре выше 60°С по времени его полуинактивации (11/2). Время полуинактивации - это время, при котором отношение величины активности в текущем времени (А1) к начальной активности (Ао) биокатализатора составляет 0,5.The thermal stability of biocatalysts is evaluated under the conditions of periodic testing of the biocatalyst in the reaction of isomerization of monosaccharides at a temperature above 60 ° C according to the time of its half-inactivation (1 1/2 ). The half-inactivation time is the time at which the ratio of the amount of activity in the current time (A 1 ) to the initial activity (A o ) of the biocatalyst is 0.5.
Операционную стабильность биокатализатора оценивают по времени полуинактивации биокатализатора (Т1/2) следующим образом. В проточный колоночный реактор загружают биокатализатор с размером гранул 0,2-4,0 мм и инертный наполнитель (стеклянные шарики) в объемном соотношении 1:(1-3), через этот неподвижный слой непрерывно прокачивают раствор глюкозы/фруктозы со скоростью 1,8 мл/ч. Концентрация субстрата составляет 2 М (44% по сухим веществам) в 0,02 М фосфатном буфере рН 7,0-7,8. Температура процесса поддерживается в диапазоне 65±5°С с помощью терморегулятора.The operational stability of the biocatalyst is evaluated by the half-inactivation time of the biocatalyst (T 1/2 ) as follows. A biocatalyst with a granule size of 0.2–4.0 mm and an inert filler (glass beads) in a volume ratio of 1: (1-3) are loaded into a flow-through column reactor; a glucose / fructose solution is continuously pumped through this fixed bed at a rate of 1.8 ml / h The concentration of the substrate is 2 M (44% by dry matter) in 0.02 M phosphate buffer, pH 7.0-7.8. The process temperature is maintained in the range of 65 ± 5 ° C using a thermostat.
Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.The invention is illustrated by the following examples.
Оптимизация состава биокатализатора по содержанию микробной биомассы.Optimization of the biocatalyst composition according to the content of microbial biomass.
Пример 1. Приготовление биокатализатора.Example 1. Preparation of a biocatalyst.
В качестве микробной биомассы используют биомассу актинобактерий Лг111гоЬас1ег шеойаиае, продуцирующих глюкозоизомеразу [патент РБ № 11170, 30.10.2008]. Актинобактерии выращивают на благоприятных для роста средах, содержащих сахарозу или любой другой источник углерода, и собирают в поздней логарифмической фазе роста путем центрифугирования при 3-5 тыс. об/мин. Микробная биомасса представляет собой пасту бежевого цвета влажностью 75-80%. Глюкозоизомеразная активность микробной биомассы равна в среднем 600 ЕА/г сухих клеток при 70°С.As the microbial biomass, the biomass of actinobacteria Lg111b0ac1eaaaaaaaa producing glucose isomerase is used [patent of RB No. 11170, 10.30.2008]. Actinobacteria are grown on growth-friendly media containing sucrose or any other carbon source, and collected in the late logarithmic growth phase by centrifugation at 3-5 thousand rpm. Microbial biomass is a beige paste with a moisture content of 75-80%. The glucose isomerase activity of microbial biomass is on average 600 EA / g dry cells at 70 ° C.
Гидрогель диоксида кремния получают путем взаимодействия силиката натрия с нитратом аммония при температуре 70°С, рН 7,5, скорости осаждения диоксида кремния в виде гидрогеля 300 г §1О2/л-ч.Silicon dioxide hydrogel is obtained by reacting sodium silicate with ammonium nitrate at a temperature of 70 ° C, pH 7.5, the deposition rate of silicon dioxide in the form of a hydrogel of 300 g §1O 2 / l-h.
Приготовление биокатализатора осуществляют следующим образом: 10, г влажного гидрогеля диоксида кремния и 1,0 г свежеосажденных гидроксосоединений СохОу перемешивают до однородной смеси, затем добавляют 0,5 г влажной биомассы, снова перемешивают до однородной смеси. Полученную смесь высушивают до суховоздушного состояния - в течение 8 ч при 20-25°С. Высушенную смесь прессуют при избыточном давлении 150 атм. Таблетки, полученные после прессования, механически размельчают и отсеивают фракции определенного гранулометрического состава на соответствующих ситах. Получают биокатализатор следующего состава, в мас % по сухим веществам: микробная биомасса - 10; диоксид кремния - 50; СохОу - 40.Preparation of the biocatalyst is carried out as follows: 10 g of a wet silica hydrogel and 1.0 g of freshly precipitated Co x O y hydroxyl compounds are mixed to a homogeneous mixture, then 0.5 g of wet biomass is added, and mixed again to a homogeneous mixture. The resulting mixture is dried to dry air state - for 8 hours at 20-25 ° C. The dried mixture is pressed at a pressure of 150 atm. The tablets obtained after pressing are mechanically crushed and the fractions of a certain particle size distribution are sieved on the appropriate sieves. Get the biocatalyst of the following composition, in wt% on solids: microbial biomass - 10; silicon dioxide - 50; So x O y - 40.
Активность приготовленного биокатализатора с размером гранул 0,2-4,0 мм равна 11 и 25 ЕА/г при 60 и 70°С соответственно. Время полуинактивации биокатализатора (11/2) составляет 45 ч при 75°С.The activity of the prepared biocatalyst with a granule size of 0.2-4.0 mm is 11 and 25 EA / g at 60 and 70 ° C, respectively. The biocatalyst half- inactivation time (1 1/2 ) is 45 hours at 75 ° C.
Пример 2. Приготовление биокатализатора.Example 2. Preparation of a biocatalyst.
Аналогичен примеру 1, отличается тем, что состав приготовленного биокатализатора следующий, в мас % по сухим веществам: микробная биомасса - 15; диоксид кремния - 45; СохОу - 40.Similar to example 1, characterized in that the composition of the prepared biocatalyst is as follows, in wt% on dry matter: microbial biomass - 15; silicon dioxide - 45; So x O y - 40.
Активность приготовленного биокатализатора с размером гранул 0,2-4,0 мм равна 16 ЕА/г при 6О°С. Для данного биокатализатора 11/2=22 ч при 75°С.The activity of the prepared biocatalyst with a grain size of 0.2-4.0 mm is 16 EA / g at 6 ° C. For this biocatalyst, 1 1/2 = 22 hours at 75 ° C.
Пример 3. Приготовление биокатализатора.Example 3. Preparation of a biocatalyst.
Аналогичен примеру 1, отличается тем, что состав приготовленного биокатализатора следующий, в мас % по сухим веществам: микробная биомасса - 20; диоксид кремния - 40; СохОу - 40.Similar to example 1, characterized in that the composition of the prepared biocatalyst is as follows, in wt% on dry matter: microbial biomass - 20; silicon dioxide - 40; So x O y - 40.
Активность приготовленного биокатализатора с размером гранул 0,2-4,0 мм равна 21 ЕА/г при 60°С. Для данного биокатализатора 11/2=2 ч при 75°С из-за низкой устойчивости биокатализатора к разрушению в реакционной среде. Через 2 ч биокатализатор превращается в аморфную массу, теряя механическую прочность и форму гранул.The activity of the prepared biocatalyst with a granule size of 0.2-4.0 mm is 21 EA / g at 60 ° C. For this biocatalyst a 1 1/2 = 2 hours at 75 ° C due to the low stability of the biocatalyst to degradation in the reaction medium. After 2 hours, the biocatalyst turns into an amorphous mass, losing its mechanical strength and the shape of the granules.
- 4 017266- 4 017266
Пример 4. Приготовление биокатализатора.Example 4. Preparation of a biocatalyst.
Аналогичен примеру 1, отличается тем, что для приготовления биокатализатора используют микробную биомассу рекомбинантного штамма Ексйепсйиа сой - продуцента глюкозоизомеразы, полученного методом генетической инженерии. Глюкозоизомеразная активность микробной биомассы равна в среднем 1000 ЕА/г сухих клеток при 70°С.Similar to example 1, it differs in that for the preparation of the biocatalyst, the microbial biomass of the recombinant Exjepsyasoy strain, a producer of glucose isomerase obtained by genetic engineering, is used. The glucose isomerase activity of microbial biomass is on average 1000 EA / g dry cells at 70 ° C.
Получают биокатализатор следующего состава, в мас % по сухим веществам: микробная биомасса 20; диоксид кремния - 60; СохОу - 20.Get the biocatalyst of the following composition, in wt% on solids: microbial biomass 20; silicon dioxide - 60; So x O y - 20.
Активность приготовленного биокатализатора с размером гранул 0,2-4,0 мм равна 70 ЕА/г при 70°С. Для данного биокатализатора 11/2=8 ч при 70°С.The activity of the prepared biocatalyst with a granule size of 0.2-4.0 mm is 70 EA / g at 70 ° C. For this biocatalyst, 1 1/2 = 8 hours at 70 ° C.
Пример 5. Приготовление биокатализатора.Example 5. Preparation of a biocatalyst.
Аналогичен примеру 4, отличается тем, что состав приготовленного биокатализатора следующий, в мас % по сухим веществам: микробная биомасса - 40; диоксид кремния - 40; СохОу - 20.Similar to example 4, characterized in that the composition of the prepared biocatalyst is as follows, in wt% on dry matter: microbial biomass - 40; silicon dioxide - 40; So x O y - 20.
Активность приготовленного биокатализатора равна 560 ЕА/г при 70°С. Для данного биокатализатора 11/2=2 ч при 70°С.The activity of the prepared biocatalyst is 560 EA / g at 70 ° C. For this biocatalyst, 1 1/2 = 2 hours at 70 ° C.
Пример 6. Приготовление биокатализатора.Example 6. Preparation of a biocatalyst.
Аналогичен примеру 4, отличается тем, что состав приготовленного биокатализатора следующий, в мас % по сухим веществам: микробная биомасса - 60; диоксид кремния - 20; СохОу - 20.Similar to example 4, characterized in that the composition of the prepared biocatalyst is as follows, in wt% on dry matter: microbial biomass - 60; silicon dioxide - 20; So x O y - 20.
Активность приготовленного биокатализатора с размером гранул 0,2-4,0 мм равна 310 ЕА/г при 70°С. Для данного биокатализатора 11/2=2 ч при 70°С.The activity of the prepared biocatalyst with a granule size of 0.2-4.0 mm is equal to 310 EA / g at 70 ° C. For this biocatalyst, 1 1/2 = 2 hours at 70 ° C.
Пример 7. Приготовление биокатализатора.Example 7. Preparation of a biocatalyst.
Аналогичен примеру 4, отличается тем, что состав приготовленного биокатализатора следующий, в мас % по сухим веществам: микробная биомасса - 70; диоксид кремния - 10; СохОу - 20.Similar to example 4, characterized in that the composition of the prepared biocatalyst is as follows, in wt% on dry matter: microbial biomass - 70; silicon dioxide - 10; SokhU - 20.
Активность приготовленного биокатализатора с размером гранул 0,2-4,0 мм равна 260 ЕА/г при 70°С. Для данного биокатализатора 11/2 менее 2 ч при 70°С, поскольку через 2 ч функционирования в реакционной среде (рН 7,8) биокатализатор набухает, структура его гранул разрушается.The activity of the prepared biocatalyst with a granule size of 0.2-4.0 mm is 260 EA / g at 70 ° C. For this biocatalyst, 1 1/2 is less than 2 hours at 70 ° C, because after 2 hours of functioning in the reaction medium (pH 7.8) the biocatalyst swells, the structure of its granules is destroyed.
Из сравнения примеров 1-3 видно, что при увеличении содержания микробной биомассы актинобактерий Лг111гоЬас1сг шсойаиае, ферментативная активность биокатализатора возрастает пропорционально и линейно, а его стабильность резко уменьшается из-за потери устойчивости и механической прочности биокатализатора в реакционной среде. Таким образом, при использовании актинобактерий Лг11поЬас1ег шсойаиае оптимальное содержание микробной биомассы в биокатализаторе составляет 1015 мас.%. Из сравнения примеров 4-7 видно, что ферментативная активность биокатализатора, приготовленного с использованием рекомбинантного штамма ЕксйейсЫа сой, не возрастает при увеличении количества микробной биомассы выше 60 мас.%, и его стабильность является сравнительно низкой. Таким образом, при использовании рекомбинантного штамма ЕксйейсЫа сой оптимальное содержание микробной биомассы в биокатализаторе составляет 40-60 мас.%.From a comparison of examples 1-3, it can be seen that with an increase in the content of microbial biomass of actinobacteria Lg111goBac1cg soyoiae, the enzymatic activity of the biocatalyst increases proportionally and linearly, and its stability decreases sharply due to loss of stability and mechanical strength of the biocatalyst in the reaction medium. Thus, with the use of actinobacteria L11bObac1e2 schoiae, the optimal content of microbial biomass in the biocatalyst is 1015 wt.%. From a comparison of examples 4-7, it is seen that the enzymatic activity of the biocatalyst prepared using the recombinant Exjeyssoysoi strain does not increase with an increase in the amount of microbial biomass above 60 wt.%, And its stability is relatively low. Thus, when using the recombinant strain Exexcisoy, the optimal content of microbial biomass in the biocatalyst is 40-60 wt.%.
Результаты оптимизации состава биокатализаторов по содержанию микробной биомассы представлены в табл. 1.The results of optimizing the composition of biocatalysts according to the content of microbial biomass are presented in table. one.
Оптимизация состава биокатализаторов по содержанию СохОу.Optimization of the composition of biocatalysts by the content of Co x O y .
Пример 8. Приготовление биокатализатора.Example 8. Preparation of a biocatalyst.
Аналогичен примеру 1, отличается тем, что состав приготовленного биокатализатора следующий, в мас % по сухим веществам: микробная биомасса - 15; диоксид кремния - 80; СохОу - 5.Similar to example 1, characterized in that the composition of the prepared biocatalyst is as follows, in wt% on dry matter: microbial biomass - 15; silicon dioxide - 80; So x O y - 5.
Активность приготовленного биокатализатора с размером гранул 0,2-4,0 мм равна 23 ЕА/г при 60°С. Для данного биокатализатора ΐ1/2=22 ч при 75°С.The activity of the prepared biocatalyst with a granule size of 0.2-4.0 mm is 23 EA / g at 60 ° C. For this biocatalyst, ΐ 1/2 = 22 hours at 75 ° C.
Пример 9. Приготовление биокатализатора.Example 9. Preparation of a biocatalyst.
Аналогичен примеру 1, отличается тем, что состав приготовленного биокатализатора следующий, в мас % по сухим веществам: микробная биомасса - 15; диоксид кремния - 65; СохОу - 20.Similar to example 1, characterized in that the composition of the prepared biocatalyst is as follows, in wt% on dry matter: microbial biomass - 15; silicon dioxide - 65; So x O y - 20.
Активность приготовленного биокатализатора с размером гранул 0,2-4,0 мм равна 16 ЕА/г при 60°С. Для данного биокатализатора 11/2=37 ч при 75°С.The activity of the prepared biocatalyst with a granule size of 0.2-4.0 mm is 16 EA / g at 60 ° C. For this biocatalyst, 1 1/2 = 37 hours at 75 ° C.
Пример 10. Приготовление биокатализатора.Example 10. Preparation of a biocatalyst.
Аналогичен примеру 1, отличается тем, что состав приготовленного биокатализатора следующий, в мас % по сухим веществам: микробная биомасса - 15; диоксид кремния - 45; СохОу - 40.Similar to example 1, characterized in that the composition of the prepared biocatalyst is as follows, in wt% on dry matter: microbial biomass - 15; silicon dioxide - 45; So x O y - 40.
Активность приготовленного биокатализатора с размером гранул 0,2-4,0 мм равна 18 ЕА/г при 60°С. Для данного биокатализатора 1!/2=37 ч при 75°СThe activity of the prepared biocatalyst with a granule size of 0.2-4.0 mm is 18 EA / g at 60 ° C. For this biocatalyst, 1 ! / 2 = 37 h at 75 ° C
Пример 11. Приготовление биокатализатора.Example 11. Preparation of a biocatalyst.
Аналогичен примеру 4, отличается тем, что состав приготовленного биокатализатора следующий, в мас % по сухим веществам: микробная биомасса - 15; диоксид кремния - 25; СохОу - 60.Similar to example 4, characterized in that the composition of the prepared biocatalyst is as follows, in wt% on dry matter: microbial biomass - 15; silicon dioxide - 25; So x O y - 60.
Активность приготовленного биокатализатора с размером гранул 0,2-4,0 мм равна 21 ЕА/г при 60°С. Для данного биокатализатора ΐ1/2=16 ч при 75°С.The activity of the prepared biocatalyst with a granule size of 0.2-4.0 mm is 21 EA / g at 60 ° C. For this biocatalyst, ΐ 1/2 = 16 hours at 75 ° C.
Из сравнения примеров 8-11 видно, что при увеличении содержании СохОу активность биокатализатора практически не изменяется, а его стабильность увеличивается. Оптимальное содержание СохОу составляет 20-40 мас%.A comparison of examples 8-11 shows that with an increase in the content of Co x O y the activity of the biocatalyst practically does not change, and its stability increases. The optimal content of Co x O y is 20-40 wt.%.
- 5 017266- 5 017266
Результаты по оптимизации состава биокатализаторов по содержанию гидроксосоединений кобальта представлены в табл. 2.The results on the optimization of the composition of biocatalysts according to the content of cobalt hydroxo compounds are presented in table. 2.
Оптимизация состава биокатализаторов по содержанию бифункционального сшивающего агента.Optimization of the composition of biocatalysts by the content of bifunctional crosslinking agent.
Пример 12. Приготовление биокатализатора.Example 12. Preparation of a biocatalyst.
Аналогичен примеру 5, отличается тем, что для приготовления биокатализатора используют бифункциональный сшивающий реагент - глутаровый диальдегид (ГА). Для этого гидрогель диоксида кремния, нерастворимые соединения СохОу, раствор ГА и микробную биомассу тщательно смешивают, затем сушат, прессуют и гранулируют, как описано в примере 1. Раствор сшивающего реагента используют в таком количестве, чтобы в пересчете на 1 г сухих клеток приходилось 20 мг ГА.Similar to example 5, it differs in that for the preparation of the biocatalyst, a bifunctional crosslinking reagent, glutaraldehyde (HA), is used. To do this, the silica hydrogel, insoluble Co x O y compounds, HA solution and microbial biomass are thoroughly mixed, then dried, pressed and granulated as described in Example 1. The cross-linking reagent solution is used in such an amount that in terms of 1 g of dry cells accounted for 20 mg of HA.
Активность приготовленного биокатализатора равна 300 ЕА/г при 70°С. Для данного биокатализатора 11/2=20 ч при 70°С (ср. с примером 8 11/2=8 ч).The activity of the prepared biocatalyst is 300 EA / g at 70 ° C. For this biocatalyst, 1 1/2 = 20 hours at 70 ° C (cf. with example 8 1 1/2 = 8 hours).
Пример 13. Приготовление биокатализатора.Example 13. Preparation of a biocatalyst.
Аналогичен примеру 5, отличается тем, что количество ГА, используемого для сшивки микробной биомассы, составляет 50 мг/г сухих клеток.Similar to example 5, characterized in that the amount of HA used for crosslinking microbial biomass is 50 mg / g of dry cells.
Активность приготовленного биокатализатора равна 110 ЕА/г при 70°С. Для данного биокатализатора 11/2=65 ч при 70°С.The activity of the prepared biocatalyst is 110 EA / g at 70 ° C. For this biocatalyst, 1 1/2 = 65 hours at 70 ° C.
Пример 14. Приготовление биокатализатора.Example 14. Preparation of a biocatalyst.
Аналогичен примеру 5, отличается тем, что количество ГА, используемого для сшивки микробной биомассы, составляет 100 мг/г сухих клеток.Similar to example 5, characterized in that the amount of HA used for crosslinking microbial biomass is 100 mg / g of dry cells.
Активность приготовленного биокатализатора равна 100 ЕА/г. Для данного биокатализатора ΐι/2=25 ч при 70°С.The activity of the prepared biocatalyst is equal to 100 EA / g For this biocatalyst, ΐι / 2 = 25 hours at 70 ° C.
Пример 15. Приготовление биокатализатора.Example 15. Preparation of a biocatalyst.
Аналогичен примеру 5, отличается тем, что количество ГА, используемого для сшивки микробной биомассы, составляет 160 мг/г сухих клеток.Similar to example 5, characterized in that the amount of HA used for crosslinking microbial biomass is 160 mg / g of dry cells.
Активность приготовленного биокатализатора равна 81 ЕА/г. Для данного биокатализатора ΐ1/2=18 ч при 70°С.The activity of the prepared biocatalyst is 81 EA / g For this biocatalyst, ΐ 1/2 = 18 hours at 70 ° C.
Пример 16. Приготовление биокатализатора.Example 16. Preparation of a biocatalyst.
Аналогичен примеру 5, отличается тем, что количество ГА, используемого для сшивки микробной биомассы, составляет 240 мг/г сухих клеток.Similar to example 5, characterized in that the amount of HA used for crosslinking microbial biomass is 240 mg / g of dry cells.
Активность приготовленного биокатализатора равна 12 ЕА/г. Для данного биокатализатора 1;/2=22 ч при 70°С.The activity of the prepared biocatalyst is 12 EA / g For a given biocatalyst 1; / 2 = 22 h at 70 ° C.
Пример 17. Приготовление биокатализатора.Example 17. Preparation of a biocatalyst.
Аналогичен примеру 5, отличается тем, что в качестве бифункционального сшивающего реагента используют карбодиимид (КД) - 1-циклогексил-3-(2-морфолиноэтил)карбодиимид мето-4толуолсульфонат. Количество КД, используемого для сшивки микробной биомассы, составляет 400 мг/г сухих клеток.Similar to example 5, it differs in that carbodiimide (CD) - 1-cyclohexyl-3- (2-morpholinoethyl) carbodiimide meto-4toluenesulfonate is used as a bifunctional crosslinking reagent. The amount of CD used for crosslinking microbial biomass is 400 mg / g of dry cells.
Активность приготовленного биокатализатора равна 72 ЕА/г. Для данного биокатализатора 11/2=8 ч при 70°С.The activity of the prepared biocatalyst is equal to 72 EA / g For this biocatalyst, 1 1/2 = 8 hours at 70 ° C.
Из сравнения примеров 12-17 видно, что для повышения стабильности биокатализаторов, приготовленных путем иммобилизации рекомбинантного штамма-продуцента, необходимо использовать бифункциональные сшивающие реагенты (диальдегиды, диимиды). Глутаровый диальдегид проявляет максимальный стабилизирующий эффект и является относительно дешевым, доступным и, как следствие, наиболее широко используемым реагентом. Из сравнения примеров 12-16 видно, что при повышении количества глутарового диальдегида ферментативная активность биокатализатора (в 2-3 раза) уменьшается, в то же время зависимость стабильности от концентрации ГА имеет оптимум в диапазоне 20-100 мг ГА /г сухих клеток.A comparison of examples 12-17 shows that to increase the stability of biocatalysts prepared by immobilizing a recombinant producer strain, it is necessary to use bifunctional crosslinking reagents (dialdehydes, diimides). Glutaraldehyde exhibits a maximum stabilizing effect and is relatively cheap, affordable and, as a result, the most widely used reagent. A comparison of examples 12-16 shows that with an increase in the amount of glutaraldehyde, the enzymatic activity of the biocatalyst (by 2–3 times) decreases, while the dependence of stability on the concentration of HA has an optimum in the range of 20–100 mg HA / g of dry cells.
Результаты по оптимизации состава биокатализаторов по содержанию глутарового диальдегида представлены в табл. 3.The results for optimizing the composition of biocatalysts for the content of glutaraldehyde are presented in table. 3.
Оптимизация порядка смешения компонентов биокатализатора.Optimization of the mixing order of biocatalyst components.
Пример 18. Приготовление биокатализатора.Example 18. Preparation of a biocatalyst.
Аналогичен примеру 13, отличается тем, что порядок смешения компонентов биокатализатора следующий. Сначала смешивают гидрогель диоксида кремния, нерастворимые гидроксосоединения кобальта(11) и микробную биомассу до однородного состояния, затем в полученную смесь добавляют раствор ГА в оптимальном количестве (40 мг ГА/г сухих клеток).Similar to example 13, differs in that the mixing order of the components of the biocatalyst is as follows. First, silica hydrogel, insoluble cobalt hydroxyl compounds (11) and microbial biomass are mixed until homogeneous, then an HA solution in the optimal amount (40 mg HA / g dry cells) is added to the resulting mixture.
Активность приготовленного биокатализатора равна 120 ЕА/г при 70°С. Для данного биокатализатора 11/2=100 ч при 70°С.The activity of the prepared biocatalyst is 120 EA / g at 70 ° C. For this biocatalyst, 1 1/2 = 100 hours at 70 ° C.
Пример 19. Приготовление биокатализатора.Example 19. Preparation of a biocatalyst.
Аналогичен примеру 18, отличается тем, что порядок смешения компонентов биокатализатора следующий. Сначала смешивают гидрогель диоксида кремния и нерастворимые гидроксосоединения кобальта(11). Микробную биомассу сшивают раствором ГА в оптимальном количестве (40 мг ГА/г сухих клеток). Затем смешивают гидрогель диоксида кремния, содержащего СохОу, и микробную биомассу, сшитую ГА.Similar to example 18, characterized in that the mixing order of the components of the biocatalyst is as follows. First, silica hydrogel and insoluble cobalt hydroxyl compounds are mixed (11). Microbial biomass is crosslinked with a GA solution in the optimal amount (40 mg HA / g dry cells). Then, a silica hydrogel containing Co x O y and a microbial biomass crosslinked by HA are mixed.
- 6 017266- 6 017266
Активность приготовленного биокатализатора равна 140 ЕА/г при 70°С. Для данного биокатализатора ΐι/2=45 ч при 70°С.The activity of the prepared biocatalyst is 140 EA / g at 70 ° C. For this biocatalyst, ΐι / 2 = 45 h at 70 ° C.
Из приведенных примеров видно, что порядок смешения компонентов, входящих в состав биокатализаторов, играет существенную роль в повышении стабильности биокатализатора. Оптимальным является порядок, когда глутаровый альдегид добавляют в смесь компонентов (диоксид кремния+гидроксосоединения кобальта+микробная биомасса) в последнюю очередь.From the above examples it is seen that the mixing order of the components that make up the biocatalysts plays a significant role in increasing the stability of the biocatalyst. The optimal order is when glutaraldehyde is added to the mixture of components (silicon dioxide + cobalt hydroxo compound + microbial biomass) last.
Пример 20. Получение глюкозофруктозного сиропа.Example 20. Obtaining glucose-fructose syrup.
Используют биокатализатор по примеру 1. Приготовленный сухой биокатализатор с активностью 22 ЕА/г при 70°С в виде гранул размером 0,2-4,0 мм, смешанный со стеклянными шариками диаметром 2 мм в объемном соотношении 1:1, загружают в колоночный проточный реактор. Через этот неподвижный слой прокачивают реакционную среду с объемной скоростью 1,8-2,0 мл/ч. Состав реакционной среды следующий: 0,02 М фосфатный буфер рН 7,8; концентрация глюкозы - 44 мас.%; концентрация Мд2+ в виде сульфата - 1 мМ. Температуру поддерживают в интервале 65±5°С. Инертный наполнитель (стеклянные шарики) вводят для уменьшения гидродинамического сопротивления слоя биокатализатора потоку.Use the biocatalyst in example 1. The prepared dry biocatalyst with an activity of 22 EA / g at 70 ° C in the form of granules with a size of 0.2-4.0 mm, mixed with glass balls with a diameter of 2 mm in a volume ratio of 1: 1, is loaded into a column flow reactor. The reaction medium is pumped through this fixed bed at a space velocity of 1.8-2.0 ml / h. The composition of the reaction medium is as follows: 0.02 M phosphate buffer, pH 7.8; glucose concentration - 44 wt.%; the concentration of MD 2+ in the form of sulfate is 1 mm. The temperature is maintained in the range of 65 ± 5 ° C. An inert filler (glass beads) is introduced to reduce the hydrodynamic resistance of the biocatalyst layer to the flow.
Пример 21. Получение глюкозофруктозного сиропа.Example 21. Obtaining glucose-fructose syrup.
Используют биокатализатор по примеру 1. Приготовленный сухой биокатализатор с активностью 22 ЕА/г при 70°С в виде гранул размером 0,2-4,0 мм (без инертного наполнителя) загружают в колоночный проточный реактор. Через этот неподвижный слой прокачивают реакционную среду с объемной скоростью 1,8-2,0 мл/ч. Состав реакционной среды следующий: 0,02 М фосфатный буфер рН 7,8; концентрация глюкозы - 44 мас.%; концентрация Мд2+ в виде сульфата - 1 мМ. Температуру поддерживают в интервале 65±5°С. Через 2 ч гидродинамическое сопротивление слоя биокатализатора потоку раствора субстрата начинает увеличиваться, что, в конечном счете, через 2-3 сут приводит к тому, что из реактора прекращает вытекать глюкозофруктозный сироп.Use the biocatalyst in example 1. The prepared dry biocatalyst with an activity of 22 EA / g at 70 ° C in the form of granules with a size of 0.2-4.0 mm (without inert filler) is loaded into a column flow reactor. The reaction medium is pumped through this fixed bed at a space velocity of 1.8-2.0 ml / h. The composition of the reaction medium is as follows: 0.02 M phosphate buffer, pH 7.8; glucose concentration - 44 wt.%; the concentration of MD 2+ in the form of sulfate is 1 mm. The temperature is maintained in the range of 65 ± 5 ° C. After 2 hours, the hydrodynamic resistance of the biocatalyst layer to the flow of the substrate solution begins to increase, which, ultimately, after 2-3 days leads to the fact that glucose-fructose syrup stops flowing out of the reactor.
Из сравнения примеров 20, 21 видно, что инертный наполнитель позволяет улучшить гидродинамические параметры неподвижного слоя биокатализатора.A comparison of examples 20, 21 shows that the inert filler can improve the hydrodynamic parameters of the fixed layer of the biocatalyst.
Для описанных выше условий процесса изомеризации раствора глюкозы в глюкозофруктозный сироп время полуинактивации биокатализатора Т1/2 составляет более 500 ч. Как отмечалось выше, в состав биокатализаторов вводят кобальт(11) в виде нерастворимых гидроксосоединений. В этом случае в реакционную среду ионы Со2+ не добавляют. Химический анализ проб, отобранных на выходе из реактора, показывает, что в течение 820 ч испытаний биокатализатора при 65±5°С содержание Со в глюкозофруктозном сиропе практически не изменяется и составляет (1-2)-10-5 М. Из научно-технической литературы известно, что содержание Со2+ в глюкозофруктозном сиропе составляет 1 -10-3 М. Таким образом, проведение процесса изомеризации глюкозы с помощью приготовленных биокатализаторов снижает содержание Со2+ в конечном продукте более чем в 50 раз.For the above-described conditions of the process of isomerization of a glucose solution into a glucose-fructose syrup, the half-inactivation time of the T 1/2 biocatalyst is more than 500 hours. As noted above, cobalt (11) is introduced into the composition of the biocatalysts in the form of insoluble hydroxy compounds. In this case, Co 2+ ions are not added to the reaction medium. Chemical analysis of samples taken at the outlet of the reactor shows that during 820 hours of biocatalyst testing at 65 ± 5 ° С, the Co content in glucose-fructose syrup practically does not change and amounts to (1-2) -10 -5 M. From the scientific and technical The literature knows that the content of Co 2+ in glucose-fructose syrup is 1 -10 -3 M. Thus, the process of glucose isomerization using the prepared biocatalysts reduces the content of Co 2+ in the final product by more than 50 times.
Как видно из приведенных примеров, биокатализаторы, имеющие оптимальный состав, обладают высокой глюкозоизомеразной активностью (в 14 раз выше, чем в прототипе), высокой операционной стабильностью (в 23 раза выше, чем в прототипе), хорошей устойчивостью к разрушению в реакционной среде со значением рН 7,0-7,8, высокой механической прочностью для использования в проточных реакторах. При проведении процесса изомеризации глюкозы с участием приготовленных биокатализаторов содержание ионов Со2+ в глюкозофруктозном сиропе снижается более чем в 50 раз, что повышает его качество и не требует дополнительной очистки.As can be seen from the above examples, biocatalysts having an optimal composition have high glucose isomerase activity (14 times higher than in the prototype), high operational stability (23 times higher than in the prototype), good resistance to destruction in the reaction medium with a value pH 7.0-7.8, high mechanical strength for use in flow reactors. During the glucose isomerization process with the participation of the prepared biocatalysts, the content of Co 2+ ions in glucose-fructose syrup decreases by more than 50 times, which increases its quality and does not require additional purification.
Таблица 1Table 1
Оптимизация состава биокатализаторов по содержанию микробной биомассыOptimization of the composition of biocatalysts according to the content of microbial biomass
- 7 017266- 7 017266
Таблица 2table 2
Оптимизация состава биокатализаторов по содержанию гидроксосоединений кобальта(П)Optimization of the composition of biocatalysts according to the content of cobalt hydroxyl compounds (P)
Таблица 3Table 3
Оптимизация состава биокатализаторов по содержанию бифункционального сшивающего агента - глутарового диальдегидаOptimization of the composition of biocatalysts according to the content of a bifunctional crosslinking agent - glutaraldehyde
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯCLAIM
Claims (8)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EA200900703A EA017266B1 (en) | 2009-06-17 | 2009-06-17 | Biocatalyst, method of its preparation and method of obtaining glucose-fructose syrups |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EA200900703A EA017266B1 (en) | 2009-06-17 | 2009-06-17 | Biocatalyst, method of its preparation and method of obtaining glucose-fructose syrups |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
EA200900703A1 EA200900703A1 (en) | 2010-12-30 |
EA017266B1 true EA017266B1 (en) | 2012-11-30 |
Family
ID=43531277
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
EA200900703A EA017266B1 (en) | 2009-06-17 | 2009-06-17 | Biocatalyst, method of its preparation and method of obtaining glucose-fructose syrups |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
EA (1) | EA017266B1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2346366A1 (en) * | 1976-04-02 | 1977-10-28 | Cpc International Inc | PROCESS FOR IMMOBILIZING A GLUCOSE-ISOMERASE AND ITS APPLICATION TO THE CONTINUOUS ISOMERIZATION OF GLUCOSE |
US4533633A (en) * | 1981-12-09 | 1985-08-06 | Kali-Chemie Aktiengesellschaft | Process and apparatus for isomerizing glucose to fructose |
SU1393847A1 (en) * | 1986-04-04 | 1988-05-07 | Институт элементоорганических соединений им.А.Н.Несмеянова | Method of producing immobilized cells displaying glucosoisomerase activity |
SU1634715A1 (en) * | 1988-07-07 | 1991-03-15 | Институт элементоорганических соединений им.А.Н.Несмеянова | Method for producing immobilized cells exhibiting glucosoisomerase activity |
RU2341560C1 (en) * | 2007-06-07 | 2008-12-20 | Институт Катализа Им. Г.К. Борескова Сибирского Отделения Российской Академии Наук | Biocatalyst, method of its preparation and method of obtaining glucose-fructose syrups |
-
2009
- 2009-06-17 EA EA200900703A patent/EA017266B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2346366A1 (en) * | 1976-04-02 | 1977-10-28 | Cpc International Inc | PROCESS FOR IMMOBILIZING A GLUCOSE-ISOMERASE AND ITS APPLICATION TO THE CONTINUOUS ISOMERIZATION OF GLUCOSE |
US4533633A (en) * | 1981-12-09 | 1985-08-06 | Kali-Chemie Aktiengesellschaft | Process and apparatus for isomerizing glucose to fructose |
SU1393847A1 (en) * | 1986-04-04 | 1988-05-07 | Институт элементоорганических соединений им.А.Н.Несмеянова | Method of producing immobilized cells displaying glucosoisomerase activity |
SU1634715A1 (en) * | 1988-07-07 | 1991-03-15 | Институт элементоорганических соединений им.А.Н.Несмеянова | Method for producing immobilized cells exhibiting glucosoisomerase activity |
RU2341560C1 (en) * | 2007-06-07 | 2008-12-20 | Институт Катализа Им. Г.К. Борескова Сибирского Отделения Российской Академии Наук | Biocatalyst, method of its preparation and method of obtaining glucose-fructose syrups |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
PERMINOVA L.V. i dr. "Kataliticheskie svoystva kletok produtsenta glyukozoizomerazy Arthrobacter nicotianae, immobilizovannykh v kserogele dioksidana kremniya". Prikladnaya biokhimiya i mikrobiologiya, 12.05.2009, t. 45, Ôäû 4, s. 432-438, osobenno s. 433, tabl. 1 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EA200900703A1 (en) | 2010-12-30 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Ghazi et al. | Immobilisation of fructosyltransferase from Aspergillus aculeatus on epoxy-activated Sepabeads EC for the synthesis of fructo-oligosaccharides | |
Yun et al. | Production of inulo-oligosaccharides from inulin by immobilized endoinulinase from Pseudomonas sp. | |
Kotwal et al. | Immobilized invertase | |
Pietricola et al. | Enzymatic reduction of CO2 to formic acid using FDH immobilized on natural zeolite | |
Yun et al. | Continuous production of inulo-oligosaccharides from chicory juice by immobilized endoinulinase | |
JPS5978687A (en) | Immobilization of catalyst on granular carbon | |
Hellmers et al. | Robust enzyme immobilizates for industrial isomalt production | |
US3982997A (en) | Immobilized glucose isomerase | |
US4581338A (en) | Preparation of catalyst supports and materials produced thereby | |
Kamal et al. | Immobilization of glucose isomerase onto radiation synthesized P (AA-co-AMPS) hydrogel and its application | |
Guoqiang et al. | Immobilization of Lactobacillus casei cells to ceramic material pretreated with polyethylenimine | |
EA017266B1 (en) | Biocatalyst, method of its preparation and method of obtaining glucose-fructose syrups | |
Kovaleva et al. | Inulinase immobilization on macroporous anion-exchange resins by different methods | |
OKOS et al. | Hydrolysis of lactose in acid whey using β‐galactosidase adsorbed to a phenol formaldehyde resin | |
Gianfreda et al. | Stabilizing enzymes as synthetic complexes | |
WO2022206189A1 (en) | Method for producing tagatose by immobilized multi-enzyme system | |
JP5481716B2 (en) | Method for producing cyclodextran and method for producing cyclodextran synthase | |
RU2341560C1 (en) | Biocatalyst, method of its preparation and method of obtaining glucose-fructose syrups | |
US3992329A (en) | Support of alumina-magnesia for the adsorption of glucose isomerase enzymes | |
WO2018052054A1 (en) | Method for producing immobilized allulose epimerase | |
CN112626060B (en) | Immobilized multienzyme system for producing inositol and method for producing inositol | |
RU2372403C1 (en) | Biocatalyst, method of preparing said biocatalyst and method of producing invert syrup using said biocatalyst | |
CN111607584A (en) | Method for immobilizing marine cyclodextrin glucosyltransferase by resin | |
Dik et al. | Immobilization of xylanase onto starch nanoparticles: a reusable and robust nanobiocatalyst for juice clarification | |
Chen et al. | Immobilized glucose isomerase on DEAE cellulose beads |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): AM AZ KZ KG MD TJ TM |
|
MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): BY RU |