WO2013172601A1 - 효소 고정화 비드의 제조 장치 및 이를 이용한 효소 고정화 비드의 제조 방법 - Google Patents

효소 고정화 비드의 제조 장치 및 이를 이용한 효소 고정화 비드의 제조 방법 Download PDF

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WO2013172601A1
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enzyme
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tank
immobilized beads
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김순철
김성보
임재윤
안광진
김진하
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씨제이제일제당(주)
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    • C12N11/14—Enzymes or microbial cells immobilised on or in an inorganic carrier

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for producing enzyme-immobilized beads used in the preparation of tagatose, and a method for producing enzyme-immobilized beads using the same.
  • the inner diameter is 0.1 to 1 mm
  • the lower end of the cylindrical shape the lower end comprises a nozzle formed with a liquid discharge port of the cutting type (cut in the direction perpendicular to the longitudinal axis of the nozzle)
  • Tagatose is an isomer of Galactose and is known as one of the naturally occurring low calorie natural sugars. Tagatose has a sweetness similar to sugar, that is, sweetness of about 92% of sugar, but calories are only about 38% of sugar and GI (Glycemic Index) is about 4% of sugar. It is only in the spotlight as a sweetener to replace sugar.
  • tagatose is recognized by the US Food and Drug Administration (FDA) as a General Recognized As Safe (GRAS) and licensed to be used as a sweetener in foods, beverages, health foods, and dietary additives. When it is known that there are few side effects, it is expected to be widely used.
  • FDA US Food and Drug Administration
  • GRAS General Recognized As Safe
  • Korean Patent No. 10-0872694 provides a method for mass production of tagatose using arabinose isomerization enzyme
  • Korean Patent Registration No. 10-0464061 No. provides a method of immobilizing isomerase to an appropriate carrier and injecting galactose therein to induce isomerization to tagatose.
  • An object of the present invention is to provide an apparatus for producing enzyme-immobilized beads used in the production of tagatose and a method for producing enzyme-immobilized beads using the same.
  • the inner diameter is 0.1 to 1 mm
  • the lower end of the cylindrical shape the lower end comprises a nozzle formed with a liquid discharge port of the cutting type (cut in the direction perpendicular to the longitudinal axis of the nozzle) It is an object to provide an apparatus for producing immobilized beads.
  • an object of the present invention is to provide a method for producing an enzyme immobilization beads optimized in the isomerization reaction by appropriately adjusted in shape and size using the enzyme immobilization beads production apparatus.
  • the present invention relates to a device for producing beads immobilized with enzymes and / or cells having enzyme production capacity, and a method for producing enzyme immobilized beads using the device.
  • a nozzle located at the lower end of the first tank part, the nozzle having an inner diameter of 0.1 to 1 mm and a lower end having a cylindrical shape, the lower end having a nozzle having a liquid discharge port cut in a direction perpendicular to the longitudinal axis of the nozzle; Nozzle unit; And
  • It provides an enzyme immobilized beads production apparatus comprising a.
  • an enzyme immobilization bead production apparatus having a distance between the surface of the calcium chloride liquid in the second tank portion and the liquid discharge port of the nozzle portion is 0.1 to 1.5 m.
  • the nozzle unit provides an enzyme immobilization bead manufacturing apparatus including two or more of the nozzles.
  • the first tank unit provides an apparatus for producing enzyme immobilization beads including a mixed solution and / or an air inlet.
  • the viscosity of the mixed solution introduced into the first tank portion is adjusted to 3,000 to 7,000 cps, and the enzyme is immobilized by applying a pressure of 0.1 to 3 kg / cm 2 to the air inlet of the first tank portion.
  • the method of the present invention provides a method for producing the enzyme immobilization beads in the form of sphere (sphere) of 0.5 to 3 mm in diameter.
  • the apparatus for producing enzyme-immobilized beads of the present invention includes a nozzle having an inner diameter of 0.1 to 1 mm and a lower end having a cylindrical shape, and having a liquid discharge port of a cutting type (cut in a direction perpendicular to the longitudinal axis of the nozzle) at the lower end. It has the effect of producing immobilized beads with even pores, with even and smooth spheres in size.
  • Figure 2 is a simplified view showing the device for producing enzyme immobilization beads of the present invention.
  • FIG. 3 is a view briefly showing a process and apparatus for preparing enzyme immobilized beads.
  • Figure 4 is a schematic view showing a longitudinal section of the lower end of the injection needle of the conventional enzyme immobilization bead production apparatus.
  • the present invention relates to a device for producing enzyme-immobilized beads used for the production of tagatose and a method for producing enzyme-immobilized beads using the same.
  • the inner diameter is 0.1 to 1 mm
  • the lower end of the cylindrical shape the lower end comprises a nozzle formed with a liquid discharge port of the cutting type (cut in the direction perpendicular to the longitudinal axis of the nozzle)
  • a nozzle located at the lower end of the first tank part, the nozzle having an inner diameter of 0.1 to 1 mm and a lower end having a cylindrical shape, the lower end having a nozzle having a liquid discharge port cut in a direction perpendicular to the longitudinal axis of the nozzle; Nozzle unit; And
  • It provides an enzyme immobilized beads production apparatus comprising a.
  • the first tank unit may include a tank in which a mixed solution containing an enzyme-containing substance and an excipient may be contained, and an inlet for injecting the mixed solution and / or air into the tank.
  • the mixed solution added to the first tank portion contains an enzyme-containing substance and an excipient.
  • the enzyme-containing means an isomerase itself, or a substance containing a bacterium or a dead microbe having an isomerase-producing ability, and the isomerase refers to an enzyme that isomerizes galactose to tagatose, preferably arabinose isomerization. It may be an enzyme.
  • the cell having the arabinose isomerase producing ability may be a recombinant strain of the genus Corynebacterium ( Coynebacterium ).
  • the recombinant strain of the genus Corynebacterium may be a strain that is recombinant using a gene encoding arabinose isomerase derived from the thermotoga neapolitana strain, which is a highly thermophilic bacterium.
  • the excipient may be preferably alginate, more preferably an alginate solution in which alginate is dissolved in a silicon dioxide solution.
  • the nozzle portion is located at the lower end of the first tank portion.
  • the nozzle unit may include one or more nozzles.
  • the nozzle of the nozzle portion may have a cylindrical shape having a lower end of the inner diameter of 0.1 to 1 mm, more preferably 0.2 to 0.5 mm, most preferably 0.3 to 0.4 mm, the lower end of the nozzle Cut liquid discharge port may be formed in the.
  • the liquid discharge port refers to an outlet through which the mixed liquid introduced into the first tank is discharged, and the cutting type means a shape cut in a direction perpendicular to the vertical axis of the nozzle (see FIG. 1 as a longitudinal cross section of the lower end of the nozzle).
  • a bead having a uniform size and a smooth spherical bead is produced to have even pores.
  • the mobile loading rate of the substrate liquid is also given evenly to prevent the unbalanced use of enzymes due to pore differences in the packing column (a facility used to fill the enzyme immobilization beads and add the substrate liquid thereto to carry out the isomerization reaction).
  • the second tank portion includes a tank in which calcium chloride liquid can be contained and an inlet into which the mixed liquid discharged from the nozzle portion is dropped.
  • the distance between the surface of the calcium chloride liquid in the second tank portion and the liquid discharge port of the nozzle portion can be adjusted to preferably 0.1 to 1.5 m, more preferably 0.5 to 0.8 m.
  • the distance in which the mixed liquid of the first tank portion is dripped through the nozzle portion is appropriately adjusted so as to be shaped into a spherical bead during the dropping, and the beads are elliptical due to the impact from dropping from an excessively high level to the surface of the calcium chloride liquid. Distortion can be prevented.
  • the apparatus for producing enzyme-immobilized beads of the present invention largely includes a first tank part (a), a second tank part (b), and a nozzle part (c).
  • a mixture and / or air inlet is located, these may be one or more, each may be used in common or separately.
  • the nozzle unit c may be positioned at the lower end of the first tank unit a, and one or more nozzles may be mounted to the nozzle unit c.
  • the upper end part (d) of the nozzle has a mixed liquid inlet, and the mixed liquid is injected into the nozzle through the mixed liquid inlet as air is injected into the first tank part (a) (1).
  • the lower end (e) of the nozzle has a cylindrical shape and the liquid discharge port is formed in a cut shape, so that the immobilized beads discharged through this dropping (4) can be formed into a smooth and even spherical shape.
  • Immobilized beads discharged from the liquid discharge port at the lower end of the nozzle are dripped 5 into the calcium chloride liquid contained in the second tank part b, and the surface of the calcium chloride liquid in the nozzle lower part e and the second tank part b.
  • the distance between them is preferably 0.5 to 0.8 m.
  • a preferred example of the method for preparing the mixed solution added to the first tank portion is as follows: The cells having arabinose isomerase production capacity are sterile and the culture is centrifuged. After the cells are recovered, the mixture is dissolved by stirring at 90 ⁇ 5 ° C. for 3 hours or more at a concentration of 1.5 to 2.5% so that alginate is completely dissolved in 0.4 to 1.0% of silicon dioxide solution. After confirming the dissolved solution, the frozen water is passed through the jacket again and cooled to 35 ⁇ 5 °C. This is to increase the viscosity of alginate and to prevent damage to the enzyme when mixing the cells / enzyme.
  • the cells separated in the alginate solution are mixed while rotating at a stirrer speed of 30 to 60 RPM. Since the alginate solution has a high viscosity, bubbles are formed in the mixed solution when the rotational speed is too high during stirring, and the bubbles thus formed are prevented from rising upward. As a result of the air entering, it is preferable to adjust the stirring speed to 30 to 60 RPM because the phenomenon that the beads rise to the top of the liquid occurs.
  • the viscosity of the mixed solution added to the first tank may be preferably 3,000 to 7,000 cps. Spherical, even and smooth beads can be prepared within this range.
  • the mixed liquid when the mixed liquid is discharged through the nozzle, it is preferably 0.1 to 3 kg / cm 2 , more preferably 0.5 to 2 through the air inlet of the first tank portion It is possible to apply a pressure of kg / cm 2 , most preferably 0.7 to 1.7 kg / cm 2 .
  • an appropriate amount of enzyme-containing and excipient mixture can be formed through the nozzle into beads, which have a form close to the sphere as appropriate force is applied while the mixture is passed through the nozzle. Beads may be formed. The closer the morphology of the formed beads is to the sphere, the more effectively the beads to which the enzyme is immobilized can be obtained, and there is an advantage that the subsequent isomerization step can proceed more efficiently because the surface area of the beads is increased.
  • the mixed solution dropped in the calcium chloride liquid if left as it is, there is a risk of being pressed into a plate by its weight, and the bead pressed into the plate has a problem of poor utilization in the isomerization step due to narrowing the surface area. Air can be injected into the liquid to keep the shape of the beads spherical.
  • the recovered cells are mixed with alginate and silicon dioxide.
  • tagatose When tagatose is manufactured using the enzyme immobilization bead manufacturing apparatus of the present invention, it is possible to prepare tagatose with high concentration and / or purity, and preferably, tagatose having a purity of 99% or more based on solids can be prepared. have.
  • the alginate was completely dissolved in 0.7% silicon dioxide solution at 3O at 90 ° C. It stirred for more than hours and dissolved. After confirming the dissolution, the frozen water was passed through the jacket again and cooled to 35 ° C.
  • the mixture was introduced into the first tank and air was applied at a pressure of 1.2 kg / cm 2 to pass the alginate cell mixed solution through a nozzle having a 0.3 mm inner diameter. In the form of a sphere of mm, it was dropped in 1% calcium chloride liquid contained in the second tank.
  • the beads discharged from the nozzles were dropped while air bubbling into the calcium chloride liquid 0.6 m away from the liquid outlet of the nozzle and transferred to a cooling tank to cure at 2 ° C. for 24 hours.

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Abstract

본원 발명은 타가토스의 제조에 사용되는 효소 고정화 비드의 제조 장치 및 이를 이용한 효소 고정화 비드의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본원 발명은, 내경이 0.1 내지 1 mm이고 하단부가 원통형 모양이며, 상기 하단부에 절단형(노즐의 세로축에 수직인 방향으로 절단된 형태)의 액체 방출구가 형성된 노즐을 포함하는, 효소 고정화 비드의 제조 장치 및 이를 이용한 효소 고정화 비드의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

효소 고정화 비드의 제조 장치 및 이를 이용한 효소 고정화 비드의 제조 방법
본원 발명은 타가토스 제조에 사용되는 효소 고정화 비드 제조 장치 및 이를 이용한 효소 고정화 비드의 제조 방법에 관한 것이다.
보다 구체적으로 본원 발명은, 내경이 0.1 내지 1 mm이고 하단부가 원통형 모양이며, 상기 하단부에 절단형(노즐의 세로축에 수직인 방향으로 절단된 형태)의 액체 방출구가 형성된 노즐을 포함하는, 효소 고정화 비드의 제조 장치 및 이를 이용한 효소 고정화 비드의 제조 방법에 관한 것이다.
타가토스(Tagatose)는 갈락토스(Galactose)의 이성질체로서, 자연적으로 생성되는 저칼로리의 천연당의 하나로 알려져 있다. 타가토스는 설탕과 유사한 정도의 단맛, 즉 설탕의 약 92% 정도의 감미도를 나타내나, 칼로리면에서는 열량이 설탕의 약 38%에 불과하고 GI(Glycemic index, 당 지수)는 설탕의 약 4%에 불과하여 설탕을 대체할 감미료로 각광받고 있다.
더욱이 타가토스는 미국식품의약국(Food and Drug Administration; FDA)에서 GRAS(Generally Recognized As Safe)로 인정되어 식품, 음료, 건강식품, 다이어트 첨가물 등에 감미료로 사용될 수 있는 허가를 받은 물질로, 체내 섭취 시 부작용이 거의 없는 것으로 알려져 있어 그 활용이 널리 기대되는 물질이다.
타가토스를 생산하는 방법으로는 갈락토스에 촉매를 이용하여 생산하는 화학적 방법과, 이성화 효소를 이용하여 이성화시키는 생물학적 방법이 있다. 화학적 생산 방법은 경제적인 측면이나 수율적 측면에서 유리하나, 고온ㆍ고압의 화학 공정을 요하며 공정 자체가 복잡할 뿐만 아니라, 산업 폐기물을 발생시키는 등의 문제점을 가지고 있어 환경 친화적인 생물학적 생산 방법에 대한 요구가 증가되고 있다.
이성화 효소를 이용하여 타가토스를 대량 생산하는 선행 기술로, 대한민국 등록특허 제10-0872694호는 아라비노스 이성화 효소를 이용하여 타가토스를 대량 생산하는 방법을 제공하고 있으며, 대한민국 등록특허 제10-0464061호는 이성화 효소를 적절한 담체에 고정화시키고 이에 갈락토스를 투입하여 타가토스로의 이성화를 유도하는 방법을 제공하고 있다.
그러나, 생물학적 방법의 경우, 화학적 방법에 비해 반응 공정 조건에 보다 민감하게 반응하기 때문에 반응 조건을 달리 조절함에 따라 공정의 효율성, 최종 생산 수율 등에 큰 차이를 가져오게 된다. 또한, 이성화 효소를 담체에 고정하여 사용하고자 하는 경우, 그 고정화에 사용되는 장치 및 그 고정화 방법에 따라 제조되는 담체의 성질, 고정화 정도가 상이해지게 되고, 이는 곧 공정 효율 및 생산 수율 등을 예측하기 어렵게 하는 요소가 되어 산업 경제적 측면에서 볼 때 생물학적 방법의 활발한 이용을 가로막는 장애가 되고 있다.
따라서, 생물학적 방법으로 타가토스를 안정적으로 대량 생산하기 위하여 최적화된 효소 고정화 비드 제조 장치의 개발이 요구되며, 이를 이용하여 반응 효율을 높일 수 있도록 이성화 효소 또는 그 생산능을 갖는 균체 등을 담체에 효과적으로 고정화시키는 방법이 개발될 필요가 있다.
본원 발명은 타가토스의 제조에 사용되는 효소 고정화 비드 제조 장치 및 이를 이용한 효소 고정화 비드의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
보다 구체적으로 본원 발명은, 내경이 0.1 내지 1 mm이고 하단부가 원통형 모양이며, 상기 하단부에 절단형(노즐의 세로축에 수직인 방향으로 절단된 형태)의 액체 방출구가 형성된 노즐을 포함하는, 효소 고정화 비드의 제조 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본원 발명은 상기 효소 고정화 비드 제조 장치를 이용하여, 형태 및 크기가 적절히 조절되어 이성화 반응에 최적화된 효소 고정화 비드를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본원 발명은 효소 및/또는 효소 생산능을 갖는 균체를 고정화시킨 비드를 제조하는 장치 및 그 장치를 이용하여 효소 고정화 비드를 제조하는 방법에 관한 것이다.
본원 발명의 일 양태에 따르면,
a) 효소 함유물 및 부형제를 함유하는 혼합액이 투입되는 제1 탱크부;
b) 상기 제1 탱크부의 하단부에 위치하는 노즐부로서, 내경이 0.1 내지 1 mm이고 하단부가 원통형 모양이며, 상기 하단부에, 노즐의 세로축에 수직인 방향으로 절단된 액체 방출구를 갖는 노즐을 포함하는 노즐부; 및
c) 상기 노즐부 아래에 위치하는, 염화칼슘액이 담긴 제2 탱크부;
를 포함하는 효소 고정화 비드 제조 장치를 제공한다.
본원 발명의 또 다른 일 양태에 따르면, 상기 제2 탱크부 내의 염화칼슘액 표면과 상기 노즐부의 액체 방출구 사이의 거리가 0.1 내지 1.5 m인 효소 고정화 비드 제조 장치를 제공한다.
본원 발명의 또 다른 일 양태에 따르면, 상기 노즐부는 상기 노즐을 2개 이상 포함하는 효소 고정화 비드 제조 장치를 제공한다.
본원 발명의 또 다른 일 양태에 따르면, 상기 제1 탱크부는 혼합액 및/또는 공기 투입구를 포함하는 효소 고정화 비드 제조 장치를 제공한다.
본원 발명의 또 다른 일 양태에 따르면, 본원 발명의 상기 효소 고정화 비드 제조 장치를 사용하여 효소 고정화 비드를 제조하는 방법을 제공한다.
본원 발명의 또 다른 일 양태에 따르면, 제1 탱크부에 투입되는 혼합액의 점도를 3,000 내지 7,000 cps로 조절하고, 상기 제1 탱크부의 공기 투입구에 0.1 내지 3 kg/cm2의 압력을 가하여 효소 고정화 비드를 제조하는 방법을 제공한다.
본원 발명의 또 다른 일 양태에 따르면, 본원 발명의 상기 방법에 의하여 지름이 0.5 내지 3 mm인 구(球) 형태인 효소 고정화 비드를 제조하는 방법을 제공한다.
본원 발명의 효소 고정화 비드 제조 장치는 내경이 0.1 내지 1 mm이고 하단부가 원통형 모양이며, 상기 하단부에 절단형(노즐의 세로축에 수직인 방향으로 절단된 형태)의 액체 방출구가 형성된 노즐을 포함함으로써, 크기가 고르고 매끄러운 구(球)형으로, 고른 공극을 갖는 고정화 비드를 제조하는 효과를 나타낸다.
도 1은 본원 발명의 효소 고정화 비드 제조 장치 중, 노즐 하단부의 종단면을 간략히 나타낸 도면이다.
도 2는 본원 발명의 효소 고정화 비드 제조 장치를 간략히 나타낸 도면이다.
도 3은 효소 고정화 비드의 제조 공정 및 장치를 간략히 나타낸 도면이다.
도 4는 종래 효소 고정화 비드 제조 장치의 주사 바늘 하단부의 종단면을 간략히 나타낸 도면이다.
이하, 본원 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다. 본원 명세서에 기재되지 않은 내용은 본원 발명의 기술 분야 또는 유사 분야에서 숙련된 자이면 충분히 인식하고 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략한다.
본원 발명은 타가토스의 제조에 사용되는 효소 고정화 비드의 제조 장치 및 이를 이용한 효소 고정화 비드의 제조 방법에 관한 것이다.
보다 구체적으로 본원 발명은, 내경이 0.1 내지 1 mm이고 하단부가 원통형 모양이며, 상기 하단부에 절단형(노즐의 세로축에 수직인 방향으로 절단된 형태)의 액체 방출구가 형성된 노즐을 포함하는, 효소 고정화 비드의 제조 장치 및 이를 이용한 효소 고정화 비드의 제조 방법에 관한 것이다.
본원 발명의 일 양태에 따르면,
a) 효소 함유물 및 부형제를 함유하는 혼합액이 투입되는 제1 탱크부;
b) 상기 제1 탱크부의 하단부에 위치하는 노즐부로서, 내경이 0.1 내지 1 mm이고 하단부가 원통형 모양이며, 상기 하단부에, 노즐의 세로축에 수직인 방향으로 절단된 액체 방출구를 갖는 노즐을 포함하는 노즐부; 및
c) 상기 노즐부 아래에 위치하는, 염화칼슘액이 담긴 제2 탱크부;
를 포함하는 효소 고정화 비드 제조 장치를 제공한다.
상기 제1 탱크부는 효소 함유물 및 부형제를 함유하는 혼합액이 담길 수 있는 탱크 및 상기 탱크에 혼합액 및/또는 공기를 투입할 수 있는 투입구를 포함할 수 있다.
상기 제1 탱크부에 투입되는 혼합액은 효소 함유물 및 부형제를 함유한다.
상기 효소 함유물은 이성화 효소 자체, 또는 이성화 효소 생산능을 갖는 균체나 사균체를 함유하는 물질을 의미하며, 상기 이성화 효소는 갈락토스를 타가토스로 이성화시키는 효소를 말하는 것으로, 바람직하게는 아라비노스 이성화 효소일 수 있다.
본원 발명의 일 양태에 따르면, 상기 아라비노스 이성화 효소 생산능을 갖는 균체는 코리네박테리움(Corynebacterium) 속 재조합 균주일 수 있다.
상기 코리네박테리움 속 재조합 균주는 바람직하게는 고도 호열성 세균인 써모토가 네아폴리타나(Thermotoga neapolitana) 균주 유래의 아라비노스 이성화 효소를 코딩하는 유전자를 이용하여 재조합된 균주일 수 있다.
상기 코리네박테리움 속 재조합 균주에 대한 관련 사항은 대한민국 등록특허 제10-0872694호를 참조한다.
본원 발명의 일 양태에서, 상기 부형제는 바람직하게는 알지네이트(alginate)일 수 있으며, 보다 바람직하게는 이산화규소 용해액에 알지네이트를 용해시킨 알지네이트 용액일 수 있다.
본원 발명의 일 양태에 따르면, 상기 제1 탱크부의 하단에 노즐부가 위치한다.
상기 노즐부는 1개 이상의 노즐을 포함할 수 있다.
본원 발명의 일 양태에서, 상기 노즐부의 노즐은 그 하단부가 내경이 0.1 내지 1 mm, 보다 바람직하게는 0.2 내지 0.5 mm, 가장 바람직하게는 0.3 내지 0.4 mm인 원통형 모양일 수 있으며, 상기 노즐의 하단부에 절단형 액체 방출구가 형성되어 있을 수 있다.
상기 액체 방출구란 상기 제1 탱크에 투입된 혼합액이 방출되어 나오는 출구를 의미하며, 절단형이란 상기 노즐의 세로축에 수직인 방향으로 절단된 형태(노즐 하단부의 종단면으로 도 1 참조)를 의미한다.
종래의 고정화 비드 제조기에는 주사 바늘(도 4 참조)이 장착되어 왔으며, 이를 이용할 경우 펠렛(pellet) 형 비드가 제조되어 이성화 반응의 효율을 저하시키는 문제가 있었다. 보다 구체적으로 펠렛형 비드를 이용하여 이성화 반응을 수행하는 경우, 공극이 고르지 못하여 이에 기질 액체(예를 들어 갈락토스액)를 가하였을 때 기질 액체의 이동 부하율이 고르지 못한 결과, 이성화 반응의 효율이 저하되는 문제가 발생한다.
이와 비교하여 하단부의 액체 방출구가 절단형이고, 내경이 0.1 내지 1 mm인 본원 발명의 상기 노즐을 이용하는 경우, 크기가 고르고 매끄러운 구(球)형의 비드가 제조되어 고른 공극을 가지게 되는 결과, 기질 액체의 이동 부하율 또한 고르게 부여되어 충진탑(효소 고정화 비드를 충진하고 이에 기질 액체를 투입하여 이성화 반응을 수행하는 데에 이용하는 설비)내에서 공극차에 의한 효소의 편중된 사용을 방지할 수 있다.
본원 발명의 일 양태에 따르면, 상기 제2 탱크부는 염화칼슘액이 담길 수 있는 탱크 및 상기 노즐부로부터 방출되는 혼합액이 적하되어 투입되는 입구를 포함한다.
본원 발명의 일 양태에 따르면, 상기 제2 탱크부 내의 염화칼슘액 표면과 상기 노즐부의 액체 방출구 사이의 거리가 바람직하게는 0.1 내지 1.5 m, 보다 바람직하게는 0.5 내지 0.8 m가 되도록 조절할 수 있다.
상기 범위 내에서 제1 탱크부의 혼합액이 노즐부를 통해 적하하는 거리가 알맞게 조절되어 적하하는 동안 구형의 비드로 성형되도록 하며, 지나치게 높은 곳에서부터 적하되어 염화칼슘액의 표면에 부딪히는 충격으로 인해 비드가 타원형으로 일그러지는 것을 방지할 수 있다.
본원 발명의 효소 고정화 비드 제조 장치의 일 양태를 도 2를 참조하여 보다 자세히 설명한다.
도 2에서 본원 발명의 효소 고정화 비드 제조 장치는 크게 제1 탱크부(a), 제2 탱크부(b) 및 노즐부(c)로 이루어져 있다.
제1 탱크부(a)의 상단부에는 혼합액 및/또는 공기 투입구가 위치하고 있으며 이들은 1 개 이상일 수 있고, 각각 공통으로 또는 별개로 사용될 수 있다.
제1 탱크부(a)의 하단부에는 노즐부(c)가 위치하며, 노즐부(c)에는 1 개 이상의 노즐이 장착되어 있을 수 있다.
상기 노즐의 상단부(d)에는 혼합액 투입구가 있어 제1 탱크부(a)에 공기가 주입(2)되면서 상기 혼합액 투입구를 통해 노즐로 혼합액이 주입된다(1). 상기 노즐의 하단부(e)는 원통형 모양이며 액체 방출구가 절단형으로 형성되어 있어, 이를 통해 방출된 고정화 비드가 적하(4)되면서 매끈하고 고른 구형으로 형성될 수 있다.
상기 노즐 하단부의 액체 방출구로부터 방출된 고정화 비드는 제2 탱크부(b)에 담긴 염화칼슘액에 적하(5)되며, 상기 노즐 하단부(e)와 상기 제2 탱크부(b) 내의 염화칼슘액 표면 사이의 거리는 0.5 내지 0.8 m인 것이 바람직하다.
본원 발명의 또 다른 일 양태에 따르면, 본원 발명의 상기 효소 고정화 비드제조 장치를 이용하여 효소 고정화 비드를 제조하는 방법을 제공한다.
효소 고정화 비드를 제조함에 있어서, 상기 제1 탱크부에 투입되는 혼합액을 제조하는 방법의 바람직한 일 예는 다음과 같다: 아라비노스 이성화 효소 생산능을 갖는 균체를 사균화시키고 그 배양액을 원심 분리하여 사균체를 회수한 후, 0.4 내지 1.0%의 이산화규소 용해액에 알지네이트가 완전히 용해될 수 있도록 1.5 내지 2.5%의 농도로 90±5℃에서 3시간 이상 교반시켜 용해시킨다. 용해된 것을 확인 후 다시 냉동수를 자켓에 통과시켜 35±5℃로 냉각을 시킨다. 이는 알지네이트의 점성을 증대시키는 것과 균체/효소를 혼합시 효소의 손상을 방지하기 위함이다.
그 다음, 알지네이트 용해액에 분리된 균체를 교반기 속도를 30 내지 60 RPM으로 하여 회전시키며 혼합시킨다. 알지네이트 용해액은 점도가 높은 관계로, 교반 시 회전 속도가 지나치게 높으면 혼합액 속에 기포가 형성되게 되고, 이렇게 형성된 기포는 상부로 떠오르지 못하게 되는 현상이 발생하게 되는데, 이러한 기포로 인해 비드 제조 작업 시 비드에 공기가 들어가게 되는 결과, 비드가 액의 상부로 부상하는 현상이 발생되기 때문에 교반 속도를 30 내지 60 RPM로 조절하는 것이 바람직하다.
효소 고정화 비드를 제조함에 있어서, 상기 제1 탱크부에 투입되는 혼합액의 점도는 바람직하게는 3,000 내지 7,000 cps일 수 있다. 상기 범위 내에서 구형의 고르고 매끈한 비드가 제조될 수 있다.
본원 발명의 일 양태에 따르면, 효소 고정화 비드를 제조함에 있어서 혼합액을 노즐을 통해 방출 시, 상기 제1 탱크부의 공기 투입구를 통해 바람직하게는 0.1 내지 3 kg/cm2, 보다 바람직하게는 0.5 내지 2 kg/cm2, 가장 바람직하게는 0.7 내지 1.7 kg/cm2의 압력을 가할 수 있다.
상기의 범위의 압력 조건 하에서, 적절한 양의 효소 함유물 및 부형제 혼합액이 노즐을 통과하여 비드로 형성될 수 있으며, 상기 혼합액이 노즐을 통과하는 동안 적절한 힘이 가해짐에 따라 구에 가까운 형태를 갖는 비드를 형성할 수 있다. 형성된 비드의 형태가 구에 가까울수록, 효소가 효과적으로 고정된 비드를 얻을 수 있으며, 비드의 표면적이 증대되는 이유로 후의 이성화 단계가 보다 효율적으로 진행될 수 있는 이점이 있다.
본원 발명의 또 다른 일 양태에 따르면, 효소 고정화 비드를 제조함에 있어서, 상기 효소 함유물 및 부형제 혼합액을 염화칼슘액에 적하한 후, 고정화 비드가 구형을 유지할 수 있도록 상기 염화칼슘액에 공기를 주입하는 공정을 추가로 수행할 수 있다.
염화칼슘액에 적하된 상기 혼합액은, 이를 그대로 방치하는 경우 그 무게에 의해 판형으로 눌릴 위험이 있으며, 판형으로 눌린 비드는 표면적이 좁아지는 등의 이유로 이성화 단계에서의 활용성이 떨어지는 문제가 있으므로, 염화칼슘액에 공기를 주입하여 비드의 형태가 구형으로 유지되도록 할 수 있다.
본원 발명의 효소 고정화 비드 제조 장치를 이용하여 타가토스를 제조하는 방법의 일 양태에 대한 공정별 간략한 설명은 다음과 같다.
1) 종균을 종핵 배양한다.
2) 종핵 배양한 것을 1차 발효 배양한다.
3) 1차 발효 배양이 완료된 후 2차 발효 배양한다.
4) 2차 발효 배양이 완료된 후 3차 발효 배양한다.
5) 3차 발효 배양이 완료된 후 4차 발효 배양한다.
6) 4차 발효 배양이 완료된 후 계면 활성제를 투입하고 열을 가하여 사균시킨다.
7) 원심 분리기로 균체만 회수한다.
8) 회수된 균체를 알지네이트 및 이산화규소와 혼합한다.
9) 혼합액을 고정화 설비에 투입하여 비드를 형성시킨다.
10) 비드를 갈락토스액에 담아두어 안정화시킨다.
11) 이성화탑으로 이송시켜 충진한다.
12) 충진된 탑에 갈락토스액을 이송시켜 타가토스로 전환시킨다.
본원 발명의 효소 고정화 비드 제조 장치를 이용하여 타가토스를 제조하는 경우, 고농도 및/또는 고순도의 타가토스를 제조할 수 있으며, 바람직하게는 고형분 기준으로 99% 이상의 순도를 갖는 타가토스를 제조할 수 있다.
이하, 실시예를 기술함으로써 본원 발명을 보다 상세히 설명한다. 다만, 하기의 실시예는 본원 발명의 일 예시에 불과하며, 본원 발명의 내용이 이에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.
실시예 1
효소 고정화 비드의 제조
(1) 효소 함유물 및 부형제의 혼합액 제조
아라비노스 이성화 효소 생산능을 갖는 균체를 사균화시키고 그 배양액을 원심 분리하여 사균체를 회수한 후, 0.7%의 이산화규소 용해액에 알지네이트가 완전히 용해될 수 있도록 2%의 농도로 90℃에서 3시간 이상 교반하여 용해시켰다. 용해된 것을 확인 후 다시 냉동수를 자켓에 통과시켜 35℃로 냉각하였다.
그 다음, 알지네이트 용해액과 상기 분리된 균체를, 교반기 회전 속도를 50 RPM으로 하여 혼합하였다.
(2) 혼합액의 방출
혼합액의 점도가 5,000 cps가 되는 것을 확인하고, 이를 제1 탱크에 투입한 후 공기를 1.2 kg/㎠의 압력으로 가해 알지네이트 균체 혼합액을 내경이 0.3 mm인 끝이 절단형인 노즐에 통과시켜 지름이 1.7 mm의 구 형태로, 제2 탱크에 담긴 1% 염화칼슘액에 떨어뜨렸다.
(3) 고정화 비드 형성
*노즐로부터 방출된 비드는 노즐의 액체 방출구와의 거리가 0.6 m 떨어진 염화칼슘액에 공기를 주입 하면서(air bubbling) 떨어뜨리고 냉각 탱크로 이송시켜 2℃에서 24시간 경화시켰다.
상기 효소 고정화 비드의 제조 공정 및 장치를 도 3에 나타내었다.
[부호의 설명]
[장치]
a 제1 탱크부
b 제2 탱크부
c 노즐부
d 노즐 상단부
e 노즐 하단부
[공정]
1 혼합액 투입
2 공기 투입
3 노즐 상단부의 혼합액 투입구로 혼합액 주입
4 노즐 하단부의 액체 방출구에서 고정화 비드 방출ㆍ적하
5 제2 탱크부 내의 염화칼슘액으로 고정화 비드 적하

Claims (7)

  1. a) 효소 함유물 및 부형제를 함유하는 혼합액이 투입되는 제1 탱크부;
    b) 상기 제1 탱크부의 하단부에 위치하는 노즐부로서, 내경이 0.1 내지 1 mm이고 하단부가 원통형 모양이며, 상기 하단부에, 노즐의 세로축에 수직인 방향으로 절단된 액체 방출구를 갖는 노즐을 포함하는 노즐부; 및
    c) 상기 노즐부 아래에 위치하는, 염화칼슘액이 담긴 제2 탱크부;
    를 포함하는, 효소 고정화 비드 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 탱크부 내의 염화칼슘액 표면과 상기 노즐부의 액체 방출구 사이의 거리가 0.1 내지 1.5 m인, 효소 고정화 비드 제조 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 노즐부는 상기 노즐을 2개 이상 포함하는, 효소 고정화 비드 제조 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 탱크부는 혼합액 또는 공기 투입구를 포함하는, 효소 고정화 비드 제조 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 기재된 효소 고정화 비드 제조 장치를 사용하여 효소 고정화 비드를 제조하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 탱크부에 투입되는 혼합액의 점도를 3,000 내지 7,000 cps로 조절하고, 상기 제1 탱크부의 공기 투입구에 0.1 내지 3 kg/cm2의 압력을 가하여 효소 고정화 비드를 제조하는 방법.
  7. 제5항에 있어서, 지름이 0.5 내지 3 mm인 구(球) 형태인 효소 고정화 비드를 제조하는 방법.
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