NO148600B - Immobilisert organisk-uorganisk enzymkonjugat, og fremgangsmaate for fremstilling av dette - Google Patents

Abstract

Immobilisert organisk-uorganisk enzymkonjugat, og fremgangsmåte for fremstilling av dette.

Description

Det er kjent at enzymer, som er av protein-natur og som oftest er vannopplbselige, inneholder biologiske katalysatorer som regulerer mange og forskjelligartede kjemiske reaksjoner som finner sted i levende organismer. Enzymene kan også isole-res og brukes til analytiske, medisinske eller industrielle formål. F.eks. benyttes de til industrielle formål for fremstilling av matvarer som ost eller brbd og for fremstilling av alkoholi-ske drikkevarer. Man finner enkelte spesielle anvendelser i industrien som f.eks. adskillelse av aminosyrer, modifisering av penicillin for fremstilling av forskjellige substrater, bruk av forskjellige proteaser for ostefremstilling, kjottmorning, vaskemiddelsammensetninger, lær-fremstilling og som fordoyelses-hjelpestoffer, bruk av carbohydraser ved stivelseshydrolyse, sucroseinversjon, glucoseisomerisering etc., anvendelse av nucleaser for regulering av smak og lukt eller bruk av oxydaser for å hindre oxydasjon og for fargeregulering av matvarer. Disse anvendelser og mange andre er godt beskrevet i litteraturen.

Idet enzymene vanligvis er vannopplbselige og generelt ustabile og lett deaktiveres er de også vanskelige enten å fjerne fra opplbsningene hvori de benyttes, for derved å kunne bruke dem om igjen, eller det er vanskelig å opprettholde deres katalytiske virkning-over lengere tid. Disse vanskeligheter vil naturligvis gi bkede omkostninger ved bruk av enzymer i teknisk målestokk på grunn av nbdvendigheten for hyppig utbytting eller erstatning av enzymet, vanligvis ved hver gangs bruk. For å mot-virke disse hbye omkostninger har man foreslått å gjore enzymene uopplbselige eller festne enzymene for bruk. Ved å uopplb-seliggjbre enzymene på forskjellig måte, som skal beskrives mer i detalj senere, er det mulig å stabilisere enzymene relativt og derfor å benytte enzymer om igjen som ellers ville deaktiveres eller tapes i reaksjonsmediet. Slike uopplbseliggjorte enzymer kan benyttes i forskjellige reaktor systemer som f.eks. fylte kolonner, reaktorer med rbring etc, avhengig av den type blanding eller substrat som benyttes. Vanligvis vil uopplbselig-gjbring av enzymer gi en bedre eller bredere miljbstabilitet, minimale avlbpsproblemer og behandlingsproblemer og muligheten for aktivisering av enzymet.

Som nevnt er det beskrevet flere generelle metoder og modifikasjoner av slike for uopploseliggjoring eller festning av enzymer. En generell metode er å adsorbere enzymet på en fast overflate slik som når et enzym som aminosyre-acylase adsorberes på cellulosederivater som DEAE-cellulose, papain eller ribonu-clease adsorberes på porost glass, katalase adsorberes på tre-kull, trypsin adsorberes på kvartsglass eller cellulose, chymotrypsin adsorberes på kaolinitt etc. En annen generell fremgangsmåte er å innfange enzymer i et gel-nettverk som f.eks. glucoseoxydase, urease, papain etc. som innfanges eller innleires i en polyacrylamid-gel, acetylcholinesterase som innleires i en sti-velsesgel eller en siliconpolymer, glutaminsyre-pyrodruesyre-transaminase som innleires i en polyamid- eller celluloseacetat-gel etc. En annen generell metode er tverrbinding med bifunksjonelle reagenser som kan foretas i kombinasjon med en av de andre nevnte generelle metoder. Når man benytter sistnevnte fremgangsmåte, vil de bifunksjonelle eller flerfunksjonene reagenser som fremkaller intermolekylær tverrbinding binde enzymene covalent til hverandre og til det faste underlag. Eksempler på fremgangsmåten er bruk av glutardialdehyd eller bisdiazobenzi-din-2,2'-disulfonsyre for festing av et enzym som papain til et fast underlag eller bæremateriale. Enda en fremgangsmåte-for festing av et enzym består i covalent binding av enzymer som glucoamylase, trypsin, papain, pronase, amylase, glucoseoxydase, pepsin, rennin, sopp-protease, lactase etc. covalent til en polymer forbindelse som igjen bindes eller heftes til et organisk eller uorganisk fast porost underlag. Denne fremgangsmåten kan også kombineres med nevnte uopploseliggjoringsmetoder.

De nevnte fremgangsmåter for uopploseliggjoring av enzymer er alle beheftet med enkelte ulemper som gjor metoden tilsvarende mindre anvendelig industrielt. Når f.eks. et enzym adsorberes direkte på et bæremateriales overflate, vil bindings-kreftene som oppstår mellom enzymet og bærematerialet ofte være svake selv om det i tidligere arbeider er angitt at man kan få relativt stabile preparater av denne typen når bærematerialets eller underlagets porestorrelse og enzymets spinn-diameter av-stemmes. Imidlertid kan bærematerialets porestorrelse ikke over-stige en diameter på ca. o,l^um. På grunn av disse svake bindinger blir enzymer ofte desorbert i nærvær av blandingen som behandles. I tillegg vil enzymet bli helt eller vesentlig deakti-vert på grunn av manglende mobilitet eller på grunn av reaksjon mellom underlaget og enzymets aktive grupper. En annen prosess som kan benyttes er innleiring av enzymer i gel-nettverk som kan skje ved polymerisering av en vandig opplosning eller emul-sjon som inneholder den polymere i monomer form samt enzymet, eller ved å innarbeide enzymet i en forhåndsfremstilt polymer på forskjellig måte, ofte i nærvær av tverrbindingsmiddel. Selv om denne fremgangsmåte for uopploseliggjoring av enzymet har en fordel ved at de reaksjonsbetingelser som brukes under innlei.-ringsprosessen vanligvis er milde slik at man sjelden får storre forandringer eller deaktivering av enzymet, har den også ulemper ved at preparatet har dårlig mekanisk styrke, hvilket forer til sammenpressing når de benyttes i kolonner eller i systemer med kontinuerlig strbmning, med dermed fblgende gjentetting av kolonnen. Slike systemer har også temmelig store variasjoner i porestørrelse og fblgelig' enkelte porer som er store nok til at enzymet kan tapes. I tillegg kan enkelte porestbrrelser være til-strekkelig små til at det dannes diffusjonsbarrierer for tran-sport av substrat og produkt, som igjen gir forsinkelse av reaksjonen, og dettegjelder særlig når man benytter blandinger med hby molvekt. Ulempene som foreligger når man uopploseliggjbr .et enzym ved intermolekylær tverrbinding skyldes som nevnt den manglende mobilitet eller bevegelighet som igjen gir deaktivering på grunn av enzymets manglende evne til å innta den naturlige konfigurasjon som er nbdvendig for å oppnå maksimal aktivitet, særlig når enzymets aktive område eller gruppe inngår i bindings-prosessen.

Covalente.bindingsprosesser har vært benyttet enten som eneste uopplbseliggjbringsteknikk eller som en del av de mange ovenfor nevnte metoder hvor tverrbindingsreaksjoner benyttes. Covalente bindingsprosesser.brukes ofte for å festne enzymet og bærematerialet via et bifunksjonelt mellom-molekyl hvor moleky-lets funksjonelle grupper, som f.eks. gamma-aminopropyltriétho-xysilan, er i stand til å reagere med funksjonelle grupper både i enzymet og i et organisk.eller uorganisk'porost bæremateriale. Mange forskjellige reagenser og bærematerialer■har■vært benyttet på denne måten og metoden har den fordel at man får kraftige covalente bindinger i preparatet og samtidig stor aktivitet i enzymet. Den covalente binding mellom enzymet og-bærematerialet må skje via funksjonelle grupper på enzymet som ikke er essensi-elle for enzymets katalyseaktivitet, f.eks. frie aminogrupper, carboxylgrupper, hydroxylgrupper og fenolgrupper, thiol-grupper etc. Disse funksjonelle grupper vil også reagere med et stort antall andre funksjonelle grupper som f.eks. aldehyd, isocyanat, acyl, diazo, azido, anhydro, aktivert ester etc. under dannelse av covalente bindinger. Ikke desto mindre har denne fremgangsmåten også ofte ulemper som består i kostbare reaktanter og opplosningsmidler,- samt spesielle og dyre porose bærematerialer og innviklede flertrinnsprosesser somgjor fremgangsmåten uegnet for teknisk kommersiell bruk.

Den kjente teknikk på området er derfor full av forskjellige metoder for uopploseliggjoring eller festing av enzymer som imidlertid på forskjellige måter ikke er i stand til å oppfylle alle industrielle krav. Som det senere skal omtales mer detaljert, inneholder imidlertid ingen av de tidligere kjente preparater den sammensetning av forbindelser som tilveiebringes med foreliggende oppfinnelse og som består av et uorganisk porost ' bæremateriale som inneholder en polymer forbindelse dannet in situ fra en monomer eller en forhåndsfremstilt polymer av naturlig eller syntetisk opprinnelse som er innleiret og dessuten del-vi s adsorbert i bærematerialets porer og som inneholder funksjonaliserte ytre grupper, og hvor enzymet er delvis adsorbert på gitterverket og samtidig covalent bundet til de aktive grupper på eller i nærheten av nevnte ytre gruppers endepartier slik at enzymet gis mulighet for fri bevegelse som sikrer maksimal aktivitet. F. eks. omhandler US patent 3.556.9'+5 enzympreparater hvor enzymet er adsorbert direkte på et uorganisk bæremedium som glass. US patent 3.519.538 angår enzympreparater hvor enzymet er kjemisk koplet via et mellomliggende silan-koplingsmiddel til et uorganisk bæremedium. På lignende måte benytter US patent 3.783.101 også et organosilan-medium som bindingsmiddel idet enzymet er koplet covalent til glass-bærematerialet via et mellomliggende sila.n-koplingsmiddel, hvor silicon-gruppen i kop-lingsmidlet er bundet til bæremediet mens den organiske delen av koplingsmediet er koplet til enzymet, hvorved preparatet inneholder et metalloxyd på bærematerialets overflate, anordnet mellom bærematerialet og koplingsmidlets silicon-gruppe. I US patent 3.82I.O83 er det inerte bærestoff belagt med en forhåndsfremstilt polymer som polyacrolein som er bundet til et enzym. I henhold til de fleste eksempler som er nevnt i patentet, er det imidlertid nodvendig forst å syrehydrolysere preparatet for enzymet av-settes på den polymere. Et annet patent på området, nemlig US patent 3-705.08U- angir en macroporos enzymreaktor hvor enzymet er adsorbert på den polymere overflaten på en macroporos reak-torkjerne og deretter er tverrbundet på stedet. Ved tverrbinding av enzymene på polymeroverflaten etter adsorbsjon av den polymere, vil enzymet blokkeres ytterligere og kan ikke virke fritt som i opprinnelig katalysatortilstand. Tverrbinding av enzymene vil binde eller henge dem sammen slik at man hindrer fri bevegelse av enzymet med folgende nedsatt mobilitet, hvilket som nevnt er nbdvendig for maksimal aktivitet.

Foreliggende oppfinnelse angår immobilisert organisk-uorganisk enzymkonjugat omfattende en uorganisk,

porøs bærer og et organisk polymert materiale, hvilket polymere materiale er valgt fra vannløselige polyaminer slik som ethylendiamin, diethylentriamin, triethylentetramin, tetraethylenpentamin, pentaethylenhexamin, hexamethylendiamin og polyethylenamin, vannuløselige polyaminer slik som methylendicyclohexylamin og methylendianilin, og naturlige og syntetiske, delvis hydrolyserte polymerer og fordannéde polymerer slik som nylon, collagen, polyacrolein, polymaleinsyreanhydrid, alginsyre, kaseinhydrolysat og gelatin, hvilket polymere materiale er adsorbert på den uorganiske bærer, og hvilket enzym er adsorbert på den porøse bærer og det organiske polymere materiale, og også kovalent

bundet til det organiske polymere materiale, hvilket konjugat

er kjennetegnet ved at det polymere materiale er innleiret i porene på den uorganiske, porøse bærer under dannelse av en kombinert organisk-uorganisk matrise, og at det polymere materiale inneholder tilknyttede grupper, hvilke tilknyttede grupper er

dannet ved omsetning av det polymere materiale med en bifunksjonell monomer som inneholder funksjonelle grupper slik som amino, hydroxyl,,carboxyl, thiol og carbonyl, hvilke funksjonelle grupper fortrinnsvis er adskilt av kjeder inneholdende fra 4 til 10 carbonatomer, hvilket enzym er kovalent bundet til de funksjonelle deler av de tilknyttede grupper ved eller i umiddelbar nærhet av endestillingene deres.

Som tidligere nevnt, kan bruk av enzymer for analytisk og medisinsk eller industrielt bruk utvides betraktelig hvis enzymene er i uopploselig eller ubevegelig tilstand, dvs. at enzymene ved at de er i kombinasjon med andre faste stoffer i "seg selv er i en slik tilstand at de ikke er vannopploselige og derfor kan gjennomgå flere gangers bruk mens enzymets katalytiske aktivitet beholdes. For å oppfylle denne faste eller uoppløselige

tilstand må enzymene være bundet på en eller annen måte til et vannuopploselig bærestoff hvorved enzymene kan brukes kommersielt i en tilstand hvor de ikke opploses i vann.

En spesiell utforelse av oppfinnelsen består i et uopploseliggjort enzympreparat i form av en organisk-uorganisk masse som består av et porost bæremateriale av silisiumoxyd-aluminiumoxyd med lav volumvekt og relativt hoyt overflateareal, som også kan inneholde uorganiske tilsetninger, samt en polymer fremstilt in situ av tetraethylenpentamin-glutaraldehyd o^g som er adsor-bert samt innleiret i porene i silisiumoxyd-aluminiumoxydet, samt et enzym som består av glucoamylase som er covalent bundet til glutaraldehyd-gruppene på den polymere i eller i nærheten av gruppenes endepartier samt delvis absorbert på nevnte organisk-uorgani ske bestanddel.

Som tidligere nevnt, angår oppfinnelsen uopploseliggjorte enzympreparåter som består av en kombinert organisk-uorganisk masse i form av et uorganisk porost bæremateriale som inneholder en organisk polymer adsorbert og innleiret i porene i det uorganiske bæremateriale. I tillegg skal den polymere forbindelse inneholde ytre grupper som ved covalent binding fastholder et enzym på eller i nærheten av gruppenes endepartier og i tillegg er enzymet også delvis adsorbert i nevnte organisk-uorganiske masse eller bestanddel. I motsetning til de blandinger inneholdende uoppløseliggjorte enzymer som er kjent fra tidligere, kan det immobiliserte enzymkonjugat i henhold til foreliggende oppfinnelse fremstilles ved hjelp av relativt billige reaktanter og ved hjelp av enklere fremgangsmåtetrinn. I tillegg vil den mekaniske styrke og stabilitet for enzymkonjugatene ifølge oppfinnelsen være større enn for de tidligere kjente preparater med uoppløseliggjorte enzymer. Det vil derfor være klart at de foreliggende konjugater har økonomiske fordeler som kan utnyttes industrielt.

Konjugatene ifølge oppfinnelsen kan lages på relativt enkel måte. Ved en foretrukket fremgangsmåte behandles det uorganiske porbse bæremateriale med en. opplosning, fortrinnsvis vandig, av en bi- eller flerfunksjonen monomer, et polymerhydrolysat eller en forhånd sfremstilt polymer hvorpå den uabsor-berte opplosning fjernes på kjent måte som f.eks. avrenning etc. Det er også tenkelig at andre billige organiske opplosningsmidler som aceton, tetrahydrofuran etc. kan brukes som bæremidler for nevnte monomer eller polymer. Etter fjerning av uabsorbert opplosning fores det våte porose bæremateriale i kontakt med et relativt stort overskudd på 5 til 20 molprosent av en andre bifunksjonell monomer hvori de reaktive grupper fortrinnsvis er adskilt fra hverandre ved en kjede som inneholder fra h til 10 carbonatomer, idet denne andre bifunksjonelle monomer også tilsettes i vandig opplosning hvorunder det dannes en polymermasse som både er adsorbert og innléiret i bærematerialets porer og hvorfra utstikkende- eller ytre 'grupper av den andre monomer vil rage ut. Disse utstikkende grupper vil inneholde uomsatte funksjonelle rester på grunn av at det ble brukt et overskudd av nevnte andre bifunksjonelle monomer for behandling av bærematerialet. De uomsatte funksjonelle grupper er da tilgjengelige for covalent binding til enzymet som tilsettes til det dannede organisk-uorganiske molekylgitter, igjen vanligvis i vandig opplosning. Etter fjerning av uomsatte forbindelser f.eks. ved behandling av typen vasking etc.,-vil enzymet ved siden av å være covalent bundet.til-de -utstikkende funksjonelle grupper på eller i nærheten av deres endepartier, også delvis være adsorbert på grunnmaterialet. Det er derfor klart at hele uopploseliggjorings-prosessen kan. skje på en enkel og billig måte med- vandige og billige opplosningsmidler hvorved fremgangsmåten gjennomfores innenfor et temperaturområde som kan. ligge lavere enn.romtemperatur (ca. 5°C og opp til hbyere temperaturer på ca. 60°C, men fortrinnsvis ved.romtemperatur)(20-25°C)) ved hjelp av et mini-malt antall trinn som i tillegg muliggjor enkel gjenvinning av reaktantoverskudd og opparbeidelse av sluttprodukt.

Mange uorganiske bæremedia som er omtalt i tidligere skrifter spesifiserer "regulerte pore-forbindelser" som glass, aluminiumoxyd etc. som har en porediameter fra 0,05 til 0,07^,um

, . for ca. 96% av forbindelsen og en maksimal porediameter på o o,l^um, overflateareal hO - 70 m 2/g og partikkelstor-relse ^0-80 mesh. I tillegg kan disse bærematerialer belegges med metalloxyder som zirconiumoxyd og titanoxyd for å oppnå storre stabilitet. I motsetning til disse bærematerialer ligger det innenfor oppfinnelsens ramme at de uorganiske porose bærematerialer som benyttes har porediametre på mellom 0,01 og 5,5yum

idet opp til 25 til 60% av det porose bæremateriale har porer med diameter over 2,0,um og overflateareal fra 150 til 200 m 2/g. Partikkelstorrelsen kan også variere over et stort område på fra 10 til 20 mesh og ned til et fint pulver idet partikkelstorrelsen avhenger av det spesielle system som materialet skal benyttes i. Det er også mulig at det porose bæremateriale kan belegges med forskjellige oxyder av den typen som er angitt eller kan ha innarbeidet forskjellige andre uorganiske forbindelser som borfosfat etc. som gir spesielle egenskaper til bærematerialet. En særlig egnet form for bæremateriale består av et keramisk stoff som kan ha den porbsitet som er beskrevet ovenfor eller kan være forsynt med sammenhengende macro-kanaler som en bikube, slike forbindelser betegnes vanligvis monolitter, og som kan være belagt med forskjellige typer porbs aluminiumoxyd, zirconiumoxyd etc-. Anvendelse av et slikt bæremateriale har den særlige fordel at det muliggjør fri strømning av også hbyviskbse stoffer som ofte opptrer i tekniske enzym-

katalyserte reaksjoner.

De uorganiske porose bærematerialer som brukes som den ene bestanddel i den kombinerte organisk-uorganiske bærermasse vil inneholde visse metalloxyder som aluminiumoxyd og særlig gamma-aluminiumoxyd, silisiumoxyd, zirconiumoxyd, eller blandinger av metalloxyder som silisiumoxyd-aluminiumoxyd, silisiumoxyd-zirconiumoxyd, silisiumoxyd-magnesiumoxyd, silisiumoxyd-zirconiumoxyd-aluminiumoxyd etc., eller gamma-aluminiumoxyd inneholdende andre uorganiske forbindelser som borfosfat etc., keramiske materialer etc. samt kombinasjoner av disse hvor det ene kan tjene som belegg på det andre som da utgjor underlags-materialet.

De polymere forbindelser som dannes in situ på en slik måte at de delvis adsorberes og delvis innleires i porene til det uorganiske bæremateriale som beskrevet, kan lages på den. generelle måte som tidligere er nevnt, dvs. ved forst, å adsorbere en opplosning inneholdende fra 2 til 25% bi- eller flerfunksjonen monomer, polymerisert hydrolysat eller en forhåndsfremstilt polymer hvor den monomere eller polymere er syntetisk eller naturlig og som fortrinnsvis er- opploselig i vann eller andre opplosningsmidler. som er inerte til de reaktanter som er benyttet. Som nevnt, er det innenfor oppfinnelsen s ramme å tilsette en- andre bifunksjonell monomer på lignende måte.for fremstilling av en organisk-uorganisk masse ved omsetning.-med den opprinnelige tilsetning som er adsorbert på det uorganiske bæremateriale. De funksjonelle grupper som finnes på den bifunksjonelle monomer består av velkjente reaktive grupper som amino, hydroxyl, carboxyl, thiol, carbonyl etc. Som nevnt, er de reaktive grupper på de bifunksjonelle forbindelser fortrinnsvis, men ikke nbdvendigvis, adskilt av molekylkjeder som inneholder fra h til 10 carbonatomer.■De reaktive grupper kan bindes covalent til både de opprinnelige tilsetninger og derpå, etter utvasking av uomsatte .forbindelser, til et enzym som tilsettes på et senere trinn og da bindes covalent til den funksjonelle gruppe på eller i nærheten av den funksjonelle kjedens endeparti samt adsorberes på massen. Etter tilsetning av enzymer til denne sammensetning, dannes et relativt stabilt enzympreparat som har hoy aktivitet og hoy stabilitet. I tillegg har dette preparatet også utstrakt mangfoldighet ved bruk i tillegg til de andre nevnte fordeler ved at man kan avstå fra å benytte uorganisk bæremateriale som er opploselig i enten sure eller alkaliske blandinger. Som beskrevet mer detaljert senere, og avhengig av de anvendte reak-sjonsdeltagere, vil preparatene beholde sin stabilitet i slike media når de fremstilles i kombinasjon med et uorganisk bæremedium som tidligere kjent på området. Ved å ha disse egenskaper blir det mulig å utvide anvendelsesområdet for preparatene.

Spesielle eksempler på bi- eller flerfunksjonene monomerer, polymer-hydrolysater eller forhåndsfremstilte polymerer som kan startadsorberes på det uorganiske bæremedium omfatter vannopplbselige polyaminer som ethylendiamin, diethylentriamin, triethylentetramin, tetraethylenpentamin, pentaethylenhexamin, hexamethylendiamin, pplyethylenimin etc.; vannuloselige polyaminer som methylendicyclohexylamin, methylendianilin etc. ; naturlige- og syntetiske, delvis hydrolyserte polymere og forhåndsfremstilte polymere som nylon, collagen, polyacrolein, polyma-leinsyre anhydrid, alginsyre, casein hydrolysat, gelatin etc. Enkelte spesielle eksempler på bifunksjonelle mellomprodukter som kan tilsettes til ovennevnte produkter for å danne en organisk-uorganisk masse med de.nodvendige egenskaper omfatter forbindelser som glutardialdehyd, adipoylklorid, sebacoylklorid, toluendiisocyanat, hexamethylendiisocyanat etc. Man vil se at når et polyethylenamin av den beskrevne type omsettes med glutardialdehyd i fravær av uorganisk porost bæremedium, får man et vandig syreopploselig stoff mens når et polyethylenamin omsettes med diisocyanat eller acylhalogenid, får man et vann-uopplbselig produkt. Omvendt kan man med et reaksjonskompleks uten uorganisk bæremedium og inneholdende frie carboxylgrupper få et al.kaliopploselig kompleks. På grunn av det store overskudd av mellomplasserte eller avstands-ordnende bifunksjonelle molekyler som brukes, vil det dannede polymer-gitterverk inneholde utstikkende eller ytre grupper som omfatter de avstandsordnende molekyler, sistnevnte stikker ut fra grunnmassen og har reaktive grupper tilgjengelig ved eller i nærheten av deres endepartier som er i stand til å reagere med og binde enzymet til de av-stand sordnende molekyler via covalente bindinger. I tillegg vil enzymet når det tilsettes etter at uomsatte reagenser er fjernet fra den organisk-uorganiske massen ved utvasking, også samtidig bli delvis adsorbert på massen. Binding av enzymet bare til den, organiske massen- vil vanligvis ikke innvirke på opploselighetens avhengighet av pH, men når det uorganiske bæremateriale tilsettes som beskrevet, har det samlede preparat hoy stabilitet over et relativt stort pH-område fra 3 til 9, idet stabiliteten naturligvis også er en funksjon av det spesielle enzymets optimale pH-egenskaper og egenskapene for det uorganiske bæremedium som brukes. Det vil derfor være klart at det kan dannes en egnet organisk-uorganisk grunnmasse som kan brukes i mange situasjo-ner ved å adsorbere på bærematerialet stoffer som er omtalt ovenfor og som er kjent på området og som deretter behandles med et bifunksjonelt molekyl som også er kjent på området og med fordel funksjonaliseres for reaksjon med den opprinnelige tilsetning, forutsatt at det brukes stort nok overskudd av det bifunksjonelle molekyl til å danne utstikkende grupper som er i stand til på-følgende reaksjon med enzymet som skal uopploseliggjores. Ved å benytte disse funksjonelle utstikkende grupper som bindepunkter for enzymene, vil enzymene få storre bevegelighet og enzymet får derved hoy katalyseaktivitet over et relativt lengere tidsrom enn når enzymet er gjort uopploselig ved andre fremgangsmåter som f.eks. adsorbsjon på en fast overflate eller tverrbinding av enzymet ved hjelp av bifunksjonelle reagenser etc. Ikke alle preparater vil imidlertid gi like gode resultater med hensyn til stabilitet eller aktivitet.

Eksempler på enzymer som kan uopploseliggjores ved covalent bindingsreaksjon og som inneholder en aminogruppe som kan reagere med en aldehyd- eller isocyanat-rest på de utstikkende grupper som henger sammen med det innleirede polymere materiale som er adsorbert i porene på det porose bæremateriale, omfatter trypsin, papain, hexokinase, betagalactosidase, ficin, bromelain, melkesyredehydrogenase, glucoamylase, chymotrypsin, pronase, acylase, invertase, amylase, glucoseoxydase, pepsin, rennin, sopp-protease etc. Generelt kan man benytte alle enzymer hvis aktive område eller molekyldel ikke inngår i den covaltente binding. Mens ovenstående omtale gjaldt utstikkende grupper som inneholdt som funksjonell rest en aldehyd- eller isocyanat-gruppe, faller det også innenfor oppfinnelsens ramme at den utstikkende gruppe kan inneholde andre funksjonelle rester som kan reagere med carboxy-, sulfhydryl- eller andre rester som vanlgivis finnes i enzymer. Imidlertid behover den covalente binding av enzymer som inneholder disse andre grupper til andre utstikkende grupper ikke nødvendigvis gi like gode resultater og vil eventu-elt bety betraktelig stbrre omkostninger for fremstilling av mellomprodukter. Man vil forstå at nevnte porose faste bæremateriale, monomerer, hydrolysater, polymerer og enzymer bare er representanter for de forskjellige forbindelsesklasser som kan brukes og at oppfinnelsen ikke nødvendigvis er begrenset til disse.

Fremstilling av konjugater i henhold til oppfinnelsen skjer fortrinnsvis satsvis som allerede beskrevet detaljert, selv om det også ligger innenfor oppfinnelsens ramme å frem-stille det ferdige produktet kontinuerlig. Når kontinuerlig reaksjon benyttes, anbringes en mengde av det porose faste bæremateriale. i egnet apparatur, vanligvis en kolonne. Det porose faste bæremateriale kan ha en hvilken som helst onsket form som f.eks.; pulver, pellets, monolitter etc. og påfylles kolonnen hvoretter,en fortrinnsvis vandig opplosning av f.eks. et fler-funksjonelt amin fores i kontakt med det porose bæremateriale til sistnevnte er mettet med aminopplosning, hvorpå overskud-. det avrennes. Et avstandsgrupperende eller mellomroms-bifunksjonelt molekyl som glutardiald-ehyd fores i kontakt med det mettede bæremateriale. Dannelsen av den polymere masse skjer således i et vandig system og reaksjonen foretas i lopet av 1 til 10 timer, men vanligvis over kortere tid. Etter å ha fjernet overskudd av glutardialdehyd ved avrenning og utvasking av vannopploselig og uomsatt materiale, som når det gjelder polyamin fortrinnsvis foretas ved en pufferopplosning med pH ca. ^, fbres en vandig enzym-opplosning i resirkulasjon gjennom kolonnen og dette be-virker covalent binding mellom enzymet og de endeplasserte al-dehydgrupper i de funksjonaliserte utstikkende molekyler fra nevnte masse. Dette finner sted til det ikke lenger foregår noen fysikalsk adsorbsjon og/eller covalent binding av enzymer til den organisk-uorganiske gittermasse og de utstikkende molekyler. Enzymoverskuddet gjenvinnes i avlopet etter avrenning og skyl-ling av kolonnen. Kolonnen er således klar for bruk til kjemiske reaksjoner hvor enzymets katalysevirkning skal benyttes. Disse prosesser gjennomfores for det meste innenfor de tider, temperaturer og konsentrasjons-parametre som er beskrevet for satsvis prosess og vil gi lignende uopploseliggjorte enzymkomplekser. Det omfattes også av oppfinnelsen at med egnede modifikasjoner av pH og temperatur som vil være åpenbare for fagfolk kan metoden anvendes på et stort antall forskjellige uorganiske porose bærematerialer, polymer-dannende reaktanter og enzymer.

De folgende eksempler skal illustrere de nye -preparater ifolge oppfinnelsen og de tilhorende fremgangsmåter.

Eksempel I

I dette eksempel benyttes 2 gram porbs silisiumoxyd-aluminiumoxyd tilsatt borfosfat og med partikkelstbrrelse !+0-80 mesh, porediameter 0,01 til'5,5,um og overflateareal 150-200 m 2/g som uorganisk bæremateriale for de nye preparater ifolge oppfinnelsen. Bærematerialet.ble brent ved ca. 26CTC for å fjerne eventuell adsorbert fuktighet. Bærematerialet ble deretter behandlet med 25 ml h%- ig vandig tetraethylenpentamin-opplbsning ved romtemperatur i 1 time i våkum for å lette inn-trengningen av opplbsningen i bærematerialets porer. Overskuddet av uadsorbert opplbsningen ble dekantert fra, ca. 25$ av tetraethylenpentaminet var adsorbert i bærematerialets porer. Derpå ble det våte bæremateriale behandlet med 25 ml 5%-ig vandig opplosning av glutardialdehyd ved romtemperatur og man fikk en praktisk talt umiddelbar reaksjon under dannelse av et uopplbselig reaksjonsprodukt både på overflaten og inne i bærematerialets porer. Overskuddet av glutardialdehyd-opplbsning ble dekantert fra og det organisk-uorganiske kompleks vasket for å fjerne uomsatt og ikke adsorberte reagenser, idet man forst vasket med vann og derpå med 0,02 molar acetatpuffer med. pH ^,2, ved <l>h5°C. Derpå tilsatte man en enzymopplbsning inneholdende 200 rag glucoamylase pr. 25 ml vann og dette reagerte med komplekset ovenfor ved romtemperatur i lopet av 1 time. Etter ca., 1 time ble overskuddet av glucoamylaseopplosning dekantert fra og enzym-preparatet vasket med vann for å fjerne ubundet og/eller ikkeadsorbert enzym. Sammensetningen ble utlutet over 2h timer med acetatpufferopplbsning med samme sammensetning som ovenfor. Mengden av adsorbert og/eller covalent bundet enzym ble målt ved micro-Dumas-gasskromatografi både for og etter tilsetning av enzym. Enzympreparatets aktivitet ble målt ved mengden av produsert glucose med ^, 0% fortynnet stivelsesopplbsning som substrat med pH ^,2 og 60°C med Worthington's glucostat-metode for analyse av glucose idet sistnevnte ansees sikrere for måling av preparatets anvendelighet. En aktivitet på 28 enheter pr. gram bæremateriale med et enzymnivå på 29 mg pr. gram bæremateriale ble nådd på denne måten (1 enhet betegner produk-sjon av 1 gram glucose pr. time ved 60°C i henhold til forsbks-spesifikasjoner). Man vil se at til tross for den kjente opplb-selighet ved pH ^,2 for enzympreparatet når det fremstilles i fravær av uorganisk bæremateriale, fikk man uvesentlig tap av enzym fra det kombinerte uorganisk-organiske kompleks ved utluting med puff eropplbsning pH '+,2. Dette ble demonstrert ved å undersbke avlbpet fra denne behandling.

Eksempel II

I dette eksemplet gjentok man fremgangsmåten fra eksempel I med. det unntak at den uorganiske porose bæremasse hadde en partikkelstbrrelse på 10 til 30 mesh. Silisiumoxyd-aluminiumoxyd-massen inneholdende borfosfat ble behandlet med tetraethylenpentamin, glutardialdehyd og glucoamylase som ovenfor. Man fikk et aktivt uopploseliggjort enzymkompleks med noe mindre aktivitet, sannsynligvis på grunn av diffusjonsproblemer som skyldes preparatets stbrre partikkelstbrrelse.

Eksempel III

På lignende måte som beskrevet i eksempel I ovenfor ble

2 gram si lisiumoxyd-aluminiumoxyd med samme fysikalske egenskaper med hensyn på partikkelstbrrelse, porediameter og overflateareal' som .angitt -i eksempel- I behandlet med en acetonopplbsning av tetraethylenpentamin fulgt av toluendiisocyanatopplbsning, også i aceton, i stedet for vandig glutardialdehyd. Etter avdekantering av overskudd av diisocyanatopplosning og vasking med vann, ble det organisk-uorganiske kompleks behandlet videre med vandig glucoamylaseopplosning. Som i eksempel I, inneholdt det ferdige produkt et aktivt og helt uopploselig enzymkompleks.

Eksempel IV

For å illustrere det faktum at forskjellige konsentra-sjoner av opplosninger kan brukes for fremstilling av det onskede produktet, gjentok man fremgangsmåten fra eksempel I ovenfor med den forskjell at det ble benyttet hoyere konsentrerte opplosninger av de forskjellige reagenser. F.eks. ble 2 gram 10-30 mesh silisiumoxyd-aluminiumoxyd behandlet med 25 ml 20%-ig tetraethylenpentaminopplosning og etter avdekantering tilsatte man 50 ml 25%-ig glutardialdehydopplosning. Komplekset ble etter vasking behandlet med vandig glucoamylase for fremstilling av uopploseliggjort enzym-preparat som viste en aktivitet på ca.

12 enheter pr.gram basert på glucostat-testen.

Eksempel V

Til en silisiumoxyd-aluminiumoxyd som besto av 2 gram IO-3O mesh partikler satte man 25 ml 5%-ig vandig, delvis hydrolysert collagenopplosning i stedet for tetraethylenpentamin. Etter dekantering og behandling med_ glutardialdehyd ble den organisk-uorganiske massen vasket og behandlet med glucoamylaseopplosning. Den ferdige stoffblanding ble behandlet på lignende måte som beskrevet i eksempel I ved dekantering, vasking og utluting med puff eropplbsning (pH M-,2) for fremstilling av et uopploselig enzympreparat med aktivitet på ca. 10 enheter pr. gram.

Eksempel VI

I dette eksempel ble silisiumoxyd-aluminiumoxyd med partikkelstbrrelse 10-30 mesh, porediameter fra 0,01 til ca.

5, 5/ Um og overflateareal ca. 150-200 m <p>/g behandlet

ved å tilsette tetraethylenpentamin i 1% delvis hydroiysert vandig collagenopplosning hvor collagenet ble brukt som ytter-

ligere binding smiddel. Etter avrenning og omsetning med glutardialdehyd ble den organisk-uorganiske massen behandlet med glu-coamylaseopplbsning som beskrevet i eksempel I for fremstilling av et aktivt enzympreparat.

Eksempel VII

For å vise at forskjellige enzymer kan brukes for fremstilling av det onskede preparat, ble en silisiumoxyd-aluminiumoxyd inneholdende borfosfat behandlet med tetraethylenpentaminopplosning, dekantert, vasket, hvorpå man tilsatte glutardialdehydopplosning og den resulterende blanding ble behandlet med vandig lactaseopplosning. Dette gav et aktivt enzym-preparat. Lignende fremgangsmåter kan brukes for å binde enzymer som proteaser, glucoseisomerase og glucoseoxydase under dannelse av aktive preparater.

Eksempel VIII

I dette eksempel ble det brukt en kolonne med Innvendig diameter 20 mm inneholdende 1^,2 gram aktivt enzympreparat fremstilt av glucoamylase, bundet til 10-30 mesh silisiumoxyd-aluminiumoxyd som porost bæremateriale inneholdende borfosfat innleiret, preparatet var fremstilt som beskrevet i eksempel I. Kolonnen ble brukt kontinuerlig over 30 dager ved <1>+5°C for hydrol-yse av vandig 30%-ig fortynnet stivelsesopplosning som var pufret til pH ^,2. Avlopet ble målt med hensyn på glucose-produksjon ved Worthingtori glucostat-metoden. Man fant intet vesentlig tap av enzymaktivitet i lopet av dette tidsrom og at prosentvis omsetning av stivelse til glucose ved denne temperatur og stromningshastighet ca. 150 ml pr. time var 62%,.

Eksempel IX

For å vise at forskjellige substrater eller bærematerialer kan brukes for fremstilling av de onskede preparater, ble en aluminiumoxyd-belagt monolitt bestående av keramisk materiale med bikube struktur i form av macro-kanaler behandlet^ på samme måten som i eksempel I ovenfor, dvs. at monolitten ble behandlet med oppløsninger av tetraethylenpentamin, glutardialdehyd og glucoamylaseenzym i en rekkefolge som omfattet dekantering, vasking og utluting som beskrevet. Den opprinnelige keramiske monolitt hadde en torrvekt på 256 g hvorav 13$ besto av alumi-niumoxydbelegg. Det ferdige uopploseliggjorte enzympreparat ble fylt på en kolonne i et glassrbr med innvendig diameter 70 mm hvor det kunne drives kontinuerlig ved hjelp av egnet pumpe-apparatur innenfor en temperaturregulert beholder som ble holdt på i+5°C. Over en periode på hO dager hvor kolonnen ble brukt kontinuerlig til hydrolyse av en 3°$-ig pufret fortynnet stivelsesopplosning fant man at bare ca. 3$ av den opprinnelige, aktivitet hos enzympreparatet ble tapt mens man opprettholdt en strbmningshastighet på ca. 85 ml pr. time. Videre fant man at i lbpet av denne ^O dagers perioden foregikk en ca. 80$-ig omsetning av stivelsen til glucose. For å studere systemets egenskaper videre, foretok man forskjellige variasjoner i strbm-ningshastigheten og man oppdaget da at ved en strbmningshastighet på ca. 38 ml pr. time var det mulig å oppnå en omsetnings-grad på 92-93$ stivelse til glucose. Den relativt lange periode hvorunder enzymet ble brukt for omdannelse av stivelse til glucose uten vesentlig tap av enzymaktivitet ved hverken desorbsjon eller deaktivering viser katalysatorens lange halv-liv. -

Eksempel X

I dette eksempel fremstilte man et monolitt-preparat påfylt kolonne på lignende måte som i eksempel IX ovenfor med den forskjell at enzymet som ble brukt for fremstilling av komplekset besto av lactase i stedet for glucoamylase. Preparatet ble undersbkt med hensyn på stabilitet under kontinuerlig strbmning ved en temperatur på 37°C over 29 dager. Man fant igjen at det ikke forekom vesentlig tap av aktivitet hos det uopploseliggjorte enzympreparat. Dette uopploseliggjorte enzym ble brukt for behandling av 5$ lactoseopplbsning som var pufret til pH <!>+,2 og som ble plfylt en kolonne i en mengde på ^+ ml pr. time. I lbpet av de 29 dager fant man en 35$-ig omsetning av lactose til glucose og galactose.

Claims (15)

1. Immobilisert organisk-uorganisk enzymkonjugat omfattende en uorganisk, porøs bærer og et organisk polymert materiale, hvilket polymere materiale er valgt fra vannløselige polyaminer slik som ethylendiamin, diethylentriamin, triethylentetramin, tetraethylenpentamin, pentaethylenhexamin, hexamethylendiamin og polyethylenamin, vannuløselige polyaminer slik som methylendicyclohexylamin ogmethylendianilin, og naturlige og syntetiske, delvis hydrolyserte polymerer og fordannede polymerer slik som nylon, collagen, polyacrolein, polymaleinsyreanhydrid, alginsyre, kaseinhydrolysat og gelatin, hvilket polymere materiale er adsorbert på den uorganiske bærer, og hvilket enzym er adsorbert på den porøse bærer og det organiske polymere~materiale, og også kovalent bundet til det organiske polymere materiale, karakterisert ved at det polymere materiale er innleiret i porene på den uorganiske, porøse bærer under dannelse av en kombinert organisk-uorganisk matrise, og at det polymere materiale inneholder tilknyttede grupper, hvilke tilknyttede grupper er dannet'ved omsetning av det polymere materiale med en bifunksjonell monomer som inneholder funksjonelle grupper slik som amino, hydroxyl, carboxyl, thiol og. carbonyl, hvilke funksjonelle grupper fortrinnsvis er adskilt av kjeder inneholdende fra 4 til 10 carbonatomer, hvilket enzym er kovalent bundet til de funksjonelle deler av de tilknyttede grupper ved eller i umiddelbar nærhet av endestillingene deres.

2. Enzymkonjugat ifølge krav 1, karakterisert ved at det uorganiske, porøse bæremateriale er yaluminiumoxyd.

3. Enzymkonjugat ifølge krav 1, karakterisert ved at det uorganiske, porøse bæremateriale er siliciumoxyd-aluminiumoxyd.

4. Enzymkonjugat ifølge krav 1, karakterisert ved at det uorganiske, porøse bæremateriale er siliciumoxyd-aluminiumoxyd inneholdende borfosfat.

5. Enzymkonjugat ifølge krav karakterisert ved at det uorganiske, porøse bæremateriale er et keramisk materiale belagt med porøst aluminiumoxyd forsynt med bikubelignende macrokanaler.

6. Enzymkonjugat ifølge krav 1 - 5, karakterisert ved at det organiske polymer-materiale er omsetningsproduktet mellom polyethylenimin" og glutardialdehyd.

7. Enzymkonjugat ifølge krav 6, karakterisert ved at det organiske polymer-materiale er omsetningsproduktet mellom tetraethylenpentamin og glutardialdehyd.

8. Enzymkonjugat ifølge krav 6, karakterisert ved at det organiske polymer-materiale er omsetningsproduktet mellom tetraethylenpentamin og toluendiisocyanat.

9. Enzymkonjugat ifølge krav 6, karakterisert ved at det organiske polymer-materiale er omsetningsproduktet mellom en blanding av tetraethylenpentamin og delvis hydrolysert collagen, og glutardialdehyd.

10. Enzymkonjugat ifølge krav 6, karakterisert ved at det organiske polymer-materiale er omsetningsproduktet mellom pentaethylenhexamin og glutardialdehyd.

11. Enzymkonjugat ifølge ett eller flere av kravene 1 - 10, karakterisert ved at det uorganiske porøse bæremateriale har en porediameter på 0,01 - 5,5^/um hvor opp til 25 - 60% av materialet har en diameter over 2,0 /Um, samt overflateareal på 150 - 200 m 2/g.

12. Fremgangsmåte for fremstilling av immobilisert enzymkonjugat ifølge krav 1-11, karakterisert ved at det uorganiske, porøse bæremateriale behandles med en første oppløsning av en bi- eller fler-funksjonell monomer, et polymerhydrolysat eller en forhåndsfremstilt polymer, ikke-adsorbert oppløsning fjernes, det uorganiske, porøse bæremateriale føres i kontakt med et relativt stort overskudd av en andre bifunksjonell monomeroppløsning under dannelse av den organisk-uorganiske grunnmasse, en enzym-oppløsning tilsettes til den dannede organisk-uorganiske grunnmasse og uomsatte forbindelser fjernes.

13. Fremgangsmåte som angitt i krav 12, karakterisert ved at det anvendes en første oppløsning, en annen oppløsning og en enzymoppløsning som er vandig.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 12, karakterisert ved at det anvendes billige organiske oppløsningsmidler som aceton og tetrahydrofuran som bæremedia for nevnte bi- eller fler-funksjonelle monomere, polymerhydrolysater eller forhåndsfremstilte polymerer.

15. Fremgangsmåte ifølge ett eller flere av kravene 12 - 14, karakterisert ved at det anvendes en andre bifunksjonell monomer med reaktive grupper som er adskilt fra hverandre med en molekylkjede inneholdende 4-10 carbonatomer.