RU163602U1

RU163602U1 - DEVICE FOR HYDROLYSIS OF AQUEOUS SOLUTIONS OF PROTEINS

Info

Publication number: RU163602U1
Application number: RU2016104545/04U
Authority: RU
Inventors: Юрий Николаевич Жилин; Андрей Николаевич Иванкин; Галина Львовна Олиференко; Александр Николаевич Зенкин
Priority date: 2016-02-11
Filing date: 2016-02-11
Publication date: 2016-07-27

Abstract

Устройство для гидролиза водных растворов белков, включающее ферментер с теплообменным устройством и штуцерами ввода и вывода реагентов и продуктов, вентили для регулирования давления, пробоотборник, а также ультрафильтрационный блок, отличающееся тем, что ультрафильтрационный блок вмонтирован в нижнюю часть корпуса ферментера и снабжен штуцером вывода ретанта, при этом устройство снабжено поплавковым фильтром-заборником для подачи реакционной смеси в ультрафильтрационный блок, фильтр-заборник соединен с ультрафильтрационным блоком с помощью гибкого трубопровода.A device for the hydrolysis of aqueous solutions of proteins, including a fermenter with a heat exchanger and fittings for input and output of reagents and products, valves for regulating pressure, a sampler, and an ultrafiltration unit, characterized in that the ultrafiltration unit is mounted in the lower part of the fermenter body and is equipped with a retant outlet fitting wherein the device is equipped with a float filter intake for supplying the reaction mixture to the ultrafiltration unit, the filter intake is connected to the ultrafiltration unit m by a flexible conduit.

Description

Заявляемое техническое решение относится к биотехнологии и может быть использовано в медицине, пищевой промышленности и сельском хозяйстве.The claimed technical solution relates to biotechnology and can be used in medicine, food industry and agriculture.

Известно, что для гидролиза водных растворов белков существуют самые разнообразные установки. Например, для этой цели часто используются колонные реакторы-ферментеры с помещенным внутрь иммобилизованным ферментом - технологическим биокатализатором (Бейли Дж., Оллис Д. Основы биохимической инженерии, 1989. - М.: Мир, с. 255). Основным недостатком этих устройств является постепенное уплотнение слоя технологического биокатализатора и за счет этого резкое снижение скорости протекания процесса.It is known that for the hydrolysis of aqueous solutions of proteins there are a wide variety of plants. For example, column fermenter reactors with an immobilized enzyme placed inside, a technological biocatalyst, are often used for this purpose (Bailey J., Ollis D. Osnovy biochemical engineering, 1989. - M .: Mir, p. 255). The main disadvantage of these devices is the gradual compaction of the technological biocatalyst layer and due to this, a sharp decrease in the rate of the process.

Для гидролиза водных растворов белков также известно использование ферментеров с перемешиванием (Бейли Дж., Оллис Д. Основы биохимической инженерии, 1989. - М.: Мир, с. 247). В этом случае, как и в предыдущем, образующийся гидролизат накапливается в реакционной смеси, что также замедляет скорость гидролиза.For the hydrolysis of aqueous solutions of proteins, it is also known to use fermenters with stirring (Bailey J., Ollis D. Fundamentals of Biochemical Engineering, 1989. - M .: Mir, p. 247). In this case, as in the previous one, the resulting hydrolyzate accumulates in the reaction mixture, which also slows down the rate of hydrolysis.

Кроме того, эти виды реакторов не позволяют получать растворы белка с заданной степенью гидролиза.In addition, these types of reactors do not allow to obtain protein solutions with a given degree of hydrolysis.

Этого недостатка лишен ферментер с механическим перемешиванием и ультрафильтрацией раствора через полупроницаемую мембрану, которая удерживает фермент и белок, являющиеся высокомолекулярными соединениями, в ферментере и пропускает низкомолекулярный гидролизат (пермеат). (Неклюдов А.Д., Иванкин А.Н. Экологические основы биотехнологических производств. - М.: МГУЛ, 2002, с. 182-183). Недостатком данного устройства является незначительная рабочая площадь мембранной поверхности, приводящая к невысокой производительности ферментера по потоку пермеата.The fermenter with mechanical stirring and ultrafiltration of the solution through a semipermeable membrane, which holds the enzyme and protein, which are high molecular weight compounds, in the fermenter and passes the low molecular weight hydrolyzate (permeate), is deprived of this drawback. (Neklyudov A.D., Ivankin A.N. Ecological fundamentals of biotechnological production. - M .: MGUL, 2002, p. 182-183). The disadvantage of this device is the small working area of the membrane surface, leading to low productivity of the fermenter in the flow of permeate.

Наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения является устройство, представляющее собой емкостный ферментер с нижними штуцерами для подачи раствора белка, воздуха и иммобилизированного фермента под давлением. Реактор снабжен пробоотборником для контроля степени гидролиза белка и ультрафильтрационными блоками для отвода продукта - гидролизата белка от общей реакционной массы (патент на полезную модель 77178, кл. B01F 17/30, 2008).The closest analogue of the proposed technical solution is a device that is a capacitive fermenter with bottom fittings for supplying a solution of protein, air and an immobilized enzyme under pressure. The reactor is equipped with a sampler to control the degree of protein hydrolysis and ultrafiltration units for removal of the product - protein hydrolyzate from the total reaction mass (utility model patent 77178, class B01F 17/30, 2008).

Недостатком данного устройства является недостаточно эффективный отвод гидролизата (пермеата) из ферментера, так как ультрафильтрационные блоки работают в так называемом тупиковом режиме, то есть без отвода от поверхности мембран потока концентрирующегося раствора, что способствует забиванию пор мембран суспензией фермента и увеличению влияния такого нежелательного эффекта как концентрационная поляризация. Кроме того, в описанном устройстве существенным недостатком является зависимость степени опорожнения ферментера от высоты расположения в нем ультрафильтрационных блоков.The disadvantage of this device is the insufficiently effective removal of the hydrolyzate (permeate) from the fermenter, since the ultrafiltration units operate in the so-called deadlock mode, that is, without removing the concentrate solution stream from the membrane surface, which contributes to clogging of the pores of the membranes with an enzyme suspension and to increase the influence of such an undesirable effect as concentration polarization. In addition, in the described device, a significant drawback is the dependence of the degree of emptying of the fermenter on the height of the ultrafiltration units in it.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности и производительности устройства за счет достижения более высокой степени извлечения гидролизата (пермеата) из реакционной смеси. Это достигается за счет вмонтирования ультрафильтрационного блока в нижнюю часть корпуса ферментера и за счет вывода из ультрафильтрационного блока ретанта (части потока разделяемого раствора, не прошедшего через мембрану). Расположение ультрафильтрационного блока в нижней части реактора способствует более полной переработке объема гидролизующегося раствора. Вывод ретанта приводит к уменьшению степени загрязнения поверхности ультрафильтрационных мембран суспензией и снижению величины концентрационной поляризации, что увеличивает продолжительность цикла ультрафильтрования. Кроме того, в предлагаемом устройстве предусмотрена подача реакционной смеси в ультрафильтрационный блок из ее верхнего осветленного слоя с помощью поплавкового фильтра-заборника, что также уменьшает риск забивания пор мембран суспензией фермента.The objective of the proposed technical solution is to increase the efficiency and productivity of the device by achieving a higher degree of extraction of the hydrolyzate (permeate) from the reaction mixture. This is achieved by mounting the ultrafiltration unit in the lower part of the fermenter housing and by removing the retant from the ultrafiltration unit (part of the flow of the solution to be separated that has not passed through the membrane). The location of the ultrafiltration unit in the lower part of the reactor contributes to a more complete processing of the volume of the hydrolyzed solution. The withdrawal of the retant leads to a decrease in the degree of contamination of the surface of the ultrafiltration membranes with suspension and a decrease in the concentration polarization, which increases the duration of the ultrafiltration cycle. In addition, the proposed device provides for the supply of the reaction mixture to the ultrafiltration unit from its upper clarified layer using a float filter-intake, which also reduces the risk of clogging the pores of the membranes with an enzyme suspension.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в устройстве для гидролиза водных растворов белков, включающем ферментер с теплообменным устройством и штуцерами ввода и вывода реагентов и продуктов, вентили для регулирования давления, пробоотборник и ультрафильтрационный блок, последний вмонтирован в нижнюю часть корпуса ферментера и снабжен штуцером для вывода ретанта, при этом ферментер снабжен поплавковым фильтром-заборником для подачи реакционной смеси в ультрафильтрационный блок, фильтр-заборник соединен с ультрафильтрационным блоком с помощью гибкого трубопровода. Принципиальная схема предлагаемого устройства для гидролиза водных растворов белков приведена на фиг. 1.The solution to this problem is provided by the fact that in the device for the hydrolysis of aqueous solutions of proteins, including a fermenter with a heat exchange device and fittings for input and output of reagents and products, valves for regulating pressure, a sampler and an ultrafiltration unit, the latter is mounted in the lower part of the fermenter body and equipped with a fitting for retant outlet, wherein the fermenter is equipped with a float filter-intake for supplying the reaction mixture to the ultrafiltration unit, the filter-intake is connected to ultrafiltration with the help of a flexible pipeline. A schematic diagram of the proposed device for the hydrolysis of aqueous solutions of proteins is shown in FIG. one.

Устройство для гидролиза водных растворов белков содержит ферментер 1, в котором реализуется ферментный гидролиз раствора белка. Ферментер 1 снабжен теплообменным устройством 2 (на схеме показана рубашка со штуцерами ввода и вывода воды). В нижней части ферментер 1 имеет штуцеры 3, 4, 5 для подачи воздуха, раствора белка, суспензии иммобилизированного фермента, соответственно, и штуцер 6 для полной разгрузки реактора. В крышке ферментера 1 установлен штуцер 7 с вентилем для регулирования давления. Для контроля степени гидролиза белка через отверстие в крышке ферментера 1 в реакционную смесь погружен пробоотборник 8. Отделение полученного гидролизата (пермеата) от реакционной массы происходит в ультрафильтрационном блоке 9, который включает набор параллельно или последовательно расположенных мембран 10 различной конфигурации. Ультрафильтрационный блок 9 вмонтирован в нижнюю часть корпуса ферментера 1 и снабжен штуцерами 11 и 12 для вывода пермеата и ретанта соответственно. В качестве ультрафильтрационного блока могут быть использованы аппараты плоскокамерного типа или трубчатые аппараты или аппараты волоконного типа. С помощью поплавкого фильтра-заборника 13, выполненного в виде микрофильтра с возможностью задерживать частицы суспензии фермента, расположенного в верхней осветленной части реакционной смеси, через гибкий трубопровод 14 осуществляется подача реакционной смеси в ультрафильтрационный блок 9.A device for the hydrolysis of aqueous solutions of proteins contains a fermenter 1, which implements the enzymatic hydrolysis of a protein solution. The fermenter 1 is equipped with a heat exchange device 2 (the diagram shows a shirt with water inlet and outlet fittings). In the lower part, the fermenter 1 has fittings 3, 4, 5 for supplying air, protein solution, suspension of the immobilized enzyme, respectively, and a fitting 6 for complete discharge of the reactor. In the lid of the fermenter 1 there is a fitting 7 with a valve for regulating the pressure. To control the degree of protein hydrolysis through a hole in the lid of the fermenter 1, a sampler 8 is immersed in the reaction mixture. Separation of the obtained hydrolyzate (permeate) from the reaction mass occurs in the ultrafiltration unit 9, which includes a set of parallel or sequentially arranged membranes 10 of various configurations. Ultrafiltration unit 9 is mounted in the lower part of the housing of the fermenter 1 and is equipped with fittings 11 and 12 for outputting permeate and retant, respectively. As the ultrafiltration unit, flat-chamber apparatuses or tubular apparatuses or fiber apparatuses can be used. Using a float filter intake 13, made in the form of a microfilter with the ability to retain particles of an enzyme suspension located in the upper clarified part of the reaction mixture, the reaction mixture is fed into the ultrafiltration unit 9 through a flexible pipe 14.

Устройство работает следующим образом. В ферментер 1, работающий при температуре 40-50°C под небольшим давлением воздуха (0,2-0,5 атм) через штуцеры 3, 4, 5 подают, соответственно, воздух, 1-5%-ный водный раствор белка и водную суспензию используемого фермента, которые имеют необходимое значение рН (в случае нейтральной протеазы рН=7,0-7,2, в случае щелочной протеазы рН=9-10). Суспензия состоит из наночастиц иммобилизованного фермента, заключенных в микрокапсулы из карбоксиметилцеллюлозы размером 100-200 нм. По мере заполнения ферментера 1 подачу реагентов прекращают, оставляя только подачу воздуха для барботирования и поддержания частиц суспензии во взвешенном состоянии. Процесс гидролиза ведут в течение 40-50 мин, при этом давление в ферментере поддерживают с помощью вентиля 7 на уровне 0,2-0,5 атм. Через каждые 5-10 мин с помощью пробоотборника 8 берут пробы реакционной смеси для определения степени превращения белка в гидролизат. При достижении заданной степени гидролиза прекращают подачу воздуха. Смесь отстаивают в течение 5-10 мин до образования верхнего осветленного слоя. Далее, в линии пермеата через штуцер 11 создают вакуум, соответствующий остаточному давлению 12-40 мм рт.ст., в результате чего реализуется процесс ультрафильтрации в блоке 9, экипированном мембранами 10 с размером пор 40-50 нм. Смесь поступает в фильтр-заборник 13, где освобождается от частичек фермента и по гибкому трубопроводу 14 направляется на разделение в ультрафильтрационный блок 9. С помощью вентиля на линии ретанта 12 регулируют соотношение объемных расходов ретант/пермеат в пределах 1-3. Для реализации процесса ультрафильтрации вместо вакуумирования можно использовать избыточное давление в ферментере 1 (1-2 ат), которое создается подачей сжатого воздуха через верхний штуцер 7 и регулируется вентилем 7. Процесс ультрафильтрации заканчивают после достижении заданного объема реакционной смеси в ферментере 1. Далее ферментер 1 разгружают, сливая остаток реакционной смеси через штуцер 6.The device operates as follows. In fermenter 1, operating at a temperature of 40-50 ° C under low air pressure (0.2-0.5 atm) through fittings 3, 4, 5, respectively, air, a 1-5% aqueous protein solution and aqueous a suspension of the enzyme used, which have the required pH value (in the case of a neutral protease, pH = 7.0-7.2, in the case of an alkaline protease, pH = 9-10). The suspension consists of nanoparticles of an immobilized enzyme enclosed in microcapsules of carboxymethyl cellulose 100-200 nm in size. As the fermenter 1 is filled, the supply of reagents is stopped, leaving only the air supply for bubbling and maintaining the suspension particles in suspension. The hydrolysis process is carried out for 40-50 minutes, while the pressure in the fermenter is maintained by valve 7 at a level of 0.2-0.5 atm. Every 5-10 min using a sampler 8 take samples of the reaction mixture to determine the degree of conversion of the protein to the hydrolyzate. Upon reaching the desired degree of hydrolysis, the air supply is stopped. The mixture is left to stand for 5-10 minutes until the formation of the upper clarified layer. Further, a vacuum is created in the permeate line through the nozzle 11, which corresponds to a residual pressure of 12-40 mm Hg, as a result of which the ultrafiltration process is realized in block 9, equipped with membranes 10 with a pore size of 40-50 nm. The mixture enters the filter intake 13, where it is freed of particles of the enzyme and is sent via flexible conduit 14 to the ultrafiltration unit 9. Using a valve on the retent line 12, the ratio of the volumetric flow rates of retant / permeate is adjusted within 1-3. To implement the ultrafiltration process, instead of evacuating, you can use excess pressure in the fermenter 1 (1-2 at), which is created by supplying compressed air through the upper nozzle 7 and is controlled by valve 7. The ultrafiltration process is completed after reaching a predetermined volume of the reaction mixture in fermenter 1. Next, the fermenter 1 unload by draining the remainder of the reaction mixture through the nozzle 6.

Таким образом, эффективность и производительность предлагаемого устройства повышается за счет более высокой степени извлечения гидролизата из реакционной смеси. Это достигается тем, что в предлагаемом устройстве ультрафильтрационный блок установлен в нижней части корпуса ферментера, в ультрафильтрационном блоке предусмотрен дополнительный штуцер для вывода ретанта, при этом ферментер снабжен поплавковым фильтром-заборником для подачи реакционной смеси в ультрафильтрационный блок из верхнего осветленного слоя жидкости для уменьшения риска забивания пор ультрафильтрационных мембран суспензией фермента.Thus, the efficiency and productivity of the proposed device is increased due to the higher degree of extraction of the hydrolyzate from the reaction mixture. This is achieved by the fact that in the proposed device the ultrafiltration unit is installed in the lower part of the fermenter body, the ultrafiltration unit has an additional fitting for withdrawing the retant, while the fermenter is equipped with a float filter-intake for supplying the reaction mixture to the ultrafiltration unit from the upper clarified liquid layer to reduce risk plugging pores of ultrafiltration membranes with an enzyme suspension.

Claims

A device for the hydrolysis of aqueous solutions of proteins, including a fermenter with a heat exchange device and fittings for input and output of reagents and products, valves for regulating pressure, a sampler, and an ultrafiltration unit, characterized in that the ultrafiltration unit is mounted in the lower part of the fermenter body and is equipped with a retant outlet fitting wherein the device is equipped with a float filter intake for supplying the reaction mixture to the ultrafiltration unit, the filter intake is connected to the ultrafiltration unit m by a flexible conduit.