Способ ферментативного гидролиза субстрата

Способ ферментативного гидролиза субстрата

Реферат

Изобретение относится к технологии проведения биокаталитических процессов и может быть использовано в пищевой, фармацевтической и других отраслях промышленности.

Известен способ ферментативного гидролиза субстрата, в частности крахмальной суспензии, предусматривающий контакт субстрата с биокатализатором, приготовленным путем адсорбционной иммобилизации фермента на носителе с ячеистой структурой пеноматериала [Пат.RU 2167197, 7 C12N 11/14, 20.05.2001]. При этом процесс проводят в биореакторе, имеющем вертикальный корпус с неподвижным слоем биокатализатора. Недостатком этого способа являются относительно низкая скорость гидролиза и, как следствие, низкая степень превращения субстрата из-за существенных диффузионных ограничений.

Технический результат изобретения заключается в интенсификации массообмена между реакционной средой, содержащей субстрат, и биокатализатором, приготовленным путем иммобилизации фермента на твердом носителе, в результате чего повышаются скорость процесса гидролиза и степень превращения субстрата из-за уменьшения диффузионных ограничений.

Этот технический результат достигается тем, что ферментативный гидролиз субстрата проводят при контакте раствора субстрата с биокатализатором, приготовленным путем адсорбционной иммобилизации фермента на носителе, имеющем ячеистую структуру пеноматериала, при этом процесс проводят в биореакторе. Биореактор содержит вращающийся контейнер, внутри которого закреплен биокатализатор, причем процесс гидролиза осуществляют при частоте вращения контейнера 80-300 об/мин. В режиме непрерывной работы биореактора субстрат подают в контейнер со скоростью не более 0,1 л/час.

Предложенный способ поясняется чертежом, на котором изображен продольный разрез биореактора. Субстрат, например кукурузный декстрин, подают во вращающийся цилиндрический контейнер 1 по патрубку 2 при помощи насоса 3. Контейнер 1 вращается вокруг своей оси при помощи привода мотора 4. Температуру в контейнере поддерживают при помощи термоблока 5, состоящего из нагревателя, датчика температуры, регулятора температуры и датчика аварийной защиты, с помощью которого избегают перегревов раствора субстрата. Биокатализатор закреплен внутри контейнера, например, с помощью металлической сетки 6. Оптимальная частота вращения контейнера составляет 80-300 об/мин. Эта частота вращения подбирается таким образом, чтобы в максимальной степени интенсифицировать массообмен между реакционной средой, содержащей субстрат, и биокатализатором, приготовленным путем иммобилизации фермента на твердом носителе, в результате чего скорость процесса гидролиза и степень превращения субстрата увеличиваются. Причина существенной интенсификации массообмена при оптимальной частоте вращения заключается в наиболее благоприятном соотношении массовых сил, действующих на жидкость (раствор субстрата), - центробежной силы, возникающей при вращении контейнера, и силы тяжести. Так, при оптимальной частоте вращения в верхней точке контейнера сила тяжести больше центробежной силы - жидкость падает вниз, а в остальных точках контейнера, наоборот, центробежная сила превышает по величине силу тяжести, и раствор субстрата, находящийся в нижней части контейнера, захватывается закрепленным биокатализатором и поднимается вверх. При очень медленном вращении (менее 80 об/мин) весь раствор субстрата находится в нижней части контейнера, и дополнительный массообмен не обеспечивается. При быстром вращении контейнера (более 300 об/мин) жидкость прижимается к стенкам контейнера и двигается как твердое тело, что также не приводит к дополнительному массопереносу. Применение в качестве носителя для иммобилизации фермента пеноматериала с ячеистой макроструктурой приводит к дополнительному перемешиванию раствора субстрата внутри биокатализатора, что также увеличивает массообмен. Биореактор может работать как в непрерывном, так и периодическом режимах. При непрерывном режиме оптимальная скорость подачи субстрата составляет не более 0,1 л/час.

Способ осуществляют следующим образом.

Пример 1.

Гидролиз кукурузного ферментативно-разжиженного крахмала в биореакторе в непрерывном режиме его работы.

В способе используют биокатализатор, полученный в Пат. RU 2167197, 7 C12N 11/14, 20.05.2001. Биокатализатор закрепляют в контейнере биореактора. Контейнер вращают с частотой 170 об/мин. Гидролиз кукурузного ферментативно-разжиженното крахмала (кукурузного декстрина) осуществляют в биореакторе при температуре 55°С в непрерывном режиме. Показано, что оптимальная скорость подачи субстрата в биореактор составляет не более 0,1 л/ч. С увеличением скорости подачи декстрина в биореактор степень превращения субстрата уменьшается. При оптимальной скорости подачи достигается полный гидролиз 1%-ного кукурузного декстрина в глюкозный сироп. При гидролизе 20%-ного кукурузного декстрина степень превращения составляет 25%, что соответствует получению крахмальной патоки.

Пример 2.

Гидролиз кукурузного декстрина в биореакторе в периодическом режиме его работы.

В способе используют биокатализатор, полученный в Пат. RU 2167197, 7 C12N 11/14, 20.05.2001, аналогично примеру 1. Биокатализатор закрепляют в контейнере биореактора. Контейнер биореактора вращают с частотой 100 об/мин. Контейнер заполняют раствором кукурузного декстрина наполовину его объема, закрывают специальной закупоривающей насадкой, и проводят гидролиз кукурузного декстрина при температуре 55°С в периодическом режиме. Через полчаса продукт гидролиза сливают из биореактора. Степень превращения 1%-ного кукурузного декстрина составляет 98%.

Сравнение параметров процесса ферментативного гидролиза субстрата, проводимого в предложенном биореакторе, с аналогичными параметрами, полученными в прототипе, показывает, что активность биокатализатора, степень превращения субстрата и производительность процесса гидролиза в 3, 5, 2 раза, соответственно, выше.

Пример 3.

Гидролиз сахарного сиропа в биореакторе в непрерывном режиме

В способе используют биокатализатор, полученный в Пат. RU 2224020, 7 С 12 N 11/14, 20.02.2004. Биокатализатор закрепляют в контейнере биореактора. Контейнер вращают с частотой 300 об/мин. Гидролиз 20%-ного сахарного сиропа проводят при температуре 55°С и скорости подачи субстрата не более 0,1 л/ч. Степень превращения субстрата составляет 60%.

Как видно из приведенных примеров, предложенный способ позволяет увеличить эффективность биокаталитических процессов вследствие существенного уменьшения диффузионных ограничений за счет интенсификации процессов массообмена между раствором субстрата и биокатализатором, приготовленным путем иммобилизации фермента на твердом носителе.

Как отмечалось выше, сравнение параметров процессов, проводимых в описанном биореакторе, с аналогичными параметрами, полученными в биореакторе с неподвижным слоем биокатализатора, показывает, что активность биокатализатора, степень превращения субстрата и производительность процессов гидролиза существенно (в несколько раз) выше.

1. Способ ферментативного гидролиза субстрата, предусматривающий его контакт с биокатализатором, приготовленным путем адсорбционной иммобилизации фермента на носителе, имеющем ячеистую макроструктуру пеноматериала, и расположенным в биореакторе, отличающийся тем, что последний содержит вращающийся контейнер, при этом биокатализатор закреплен внутри него, причем процесс ведут при частоте вращения контейнера 80-300 об/мин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе непрерывной работы биореактора субстрат подают в контейнер со скоростью не более 0,1 л/ч.