Устройство для гидролиза водных растворов белков
Использование: биотехнология, в медицине, пищевой промышленности, сельское хозяйство. Сущность решения: в обогреваемый водой реактор 1 через нижние штуцеры 5 и 6 подают под давлением водный раствор белка и водную суспензию фермента. Степень гидролиза белка контролируют с помощью пробоотборника 9. Для отделения полученного гидролизата белка от общей реакционной массы в верхней части с обеих сторон реактора 1 установлены ультрафильтрационные блоки 10 и 11, снабженные полупроницаемыми мембранами 12 и 13 соответственно. 1 ил.
Заявляемое техническое решение относится к биотехнологии и может быть использовано в медицине, пищевой промышленности и сельском хозяйстве.
Известно, что для гидролиза водных растворов белков существуют самые разнообразные установки. Например, для этой цели часто используются колонные реакторы с помещенным внутрь реактора иммобилизованным ферментом - технологическим биокатализатором (Бейли Дж., Оллис Д. Основы биохимической инженерии, 1989. - М.: Мир, с.255). Основным недостатком этих устройств является постепенное тромбование технологического биокатализатора и за счет этого резкое снижение скорости протекания процесса.
Для гидролиза водных растворов белков также известно использование реакторов с перемешиванием (Бейли Дж., Оллис Д. Основы биохимической инженерии, 1989. - М.: Мир, с.247). В этом случае основными недостатками реакторов являются периодичность процесса гидролиза и его существенная длительность, достигающая в ряде случаев 5-10 дней.
Кроме того, все эти виды реакторов не позволяют получать растворы белка с заданной степенью гидролиза.
Наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения является устройство, представляющее собой реактор с механическим перемешиванием и непрерывной ультрафильтрацией раствора через полупроницаемую мембрану, которая удерживает фермент и другие высокомолекулярные соединения в реакторе и не мешает обмену молекулами небольшого диаметра между раствором фермента и соседним раствором (Неклюдов А.Д., Иванкин А.Н. Экологические основы биотехнологических производств. - М.: МГУЛ, 2002, с.182 - 183). В реакциях гидролиза белковых молекул в таком
реакторе через полупроницаемую мембрану проникают только низкомолекулярные соединения, а все вещества с относительно большой молекулярной массой остаются в растворе фермента. На этом основано регулирование молекулярно-массового распределения на выходе из реактора.
Недостатком данного устройства является незначительная площадь поверхности, разделяющей два раствора (раствор фермента и раствор субстрата), которая определяется размерами мембраны. Скорость массообмена через мембрану довольно мала, что лимитирует скорость всего процесса гидролиза. К тому же в данном случае возникает опасность определенной денатурации фермента, индуцируемой потоком раствора, что может существенно снизить производительность гидролиза. Описанное устройство является реактором периодического действия, поэтому существенным его недостатком также является и периодичность процесса гидролиза.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности устройства за счет увеличения его производительности и возможности многократного осуществления в нем процесса гидролиза раствора белка без разгрузки реактора.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что для гидролиза водных растворов белков используется устройство, включающее реактор для раствора белка и фермента, отличающееся тем, что реактор снабжен нижними штуцерами для подачи раствора белка и иммобилизованного фермента под давлением, пробоотборником для контроля степени гидролиза и ультрафильтрационнымми блоками для отделения полученного гидролизата белка от общей реакционной массы.
Принципиальная схема предлагаемого устройства для гидролиза водных растворов белков приведена на фиг.1.
Устройство для гидролиза водных растворов белков содержит реактор 1 для раствора белка и фермента. Реактор 1 снабжен по периметру теплообменной
рубашкой 2, в которой циркулирует теплоноситель (вода). Теплообменная рубашка 2 снабжена штуцерами 3 и 4 для подачи и вывода воды соответственно. Реактор 1 в нижней части снабжен штуцерами 5 и 6 для подачи в реактор под небольшим давлением раствора белка и иммобилизованного фермента соответственно. Штуцеры 5 и 6 снабжены запорными вентилями 7 и 8. Для контроля степени гидролиза через крышку реактора установлен пробоотборник 9. Для отделения полученного гидролизата белка от общей реакционной массы в верхней части реактора 1 установлены ультрафильтрационные блоки 10 и 11, снабженные полупроницаемыми мембранами 12 и 13 соответственно. В центре нижней части реактора 1 выполнено выходное отверстие 14 для полной разгрузки реактора.
Устройство работает следующим образом. В реактор 1, обогреваемый водой до температуры 40-50°С, под небольшим давлением воздуха, равным 0,2-0,5 атм, через штуцер 5 подают 1-5%-ный водный раствор белка с оптимальным значением рН для выбранного фермента (для нейтральной протеазы рН 7,0-7,2, для щелочной протеазы рН 9-10). С другой стороны через штуцер 6 подают водную суспензию наночастиц иммобилизованного фермента, заключенных в микрокапсулы из карбоксиметилцеллюлозы размером 100-200 нм. Значение рН водной суспензии фермента также соответствует его рН-оптимуму. Давление в реакторе поддерживают в указанных пределах в течение 45-50 мин так, чтобы частицы иммобилизованного фермента находились во взвешенном состоянии. Через каждые 10-15 мин с помощью пробоотборника 9 берут пробы реакционной жидкости и при помощи традиционного метода формольного титрования определяют степень гидролиза белка. При установлении заданной глубины гидролиза белка оба нижних штуцера 5 и 6 закрывают с помощью запорных вентилей 7 и 8, после чего в реакторе создают вакуум 12-40 мм рт. ст. со стороны ультрафильтрационных блоков 10 и 11 и осуществляют ультрафильтрацию раствора через полупроницаемые
мембраны 12 и 13 с размером пор 40-50 нм до тех пор, пока реактор 1 не опустеет наполовину. После выполнения указанной процедуры реактор 1 снова загружают раствором белка и фермента и продолжают гидролиз суспензией наночастиц до требуемой глубины гидролиза. После чего вновь осуществляют ультрафильтрацию. Подобный процесс можно осуществлять до 50 раз, причем активность фермента уменьшается при этом всего на 20%. Через 50 циклов гидролиза ультрафильтрационные блоки 10 и 11 обрабатывают сжатым воздухом в течение 10-15 мин и вновь продолжают гидролиз белкового раствора еще в течение 50 циклов. После чего реактор 1 разгружают, тщательно промывают, вновь заполняют наночастицами фермента и раствором белка и снова осуществляют ферментативный гидролиз.
Предлагаемое устройство позволяет проводить гидролиз водных растворов белков до нужной степени конверсии и использовать общую систему для гидролиза не менее 100 раз без разгрузки реактора. Высокая эффективность и производительность устройства достигается особым способом перемешивания реакционной смеси и постоянным поддерживанием иммобилизованного фермента во взвешенном состоянии. В этом случае создается высокая концентрация фермента в растворе и обеспечивается достаточная скорость реакции гидролиза.
Устройство для гидролиза водных растворов белков, включающее реактор для раствора белка и фермента, отличающееся тем, что реактор снабжен нижними штуцерами для подачи раствора белка и фермента под давлением, пробоотборником для контроля степени гидролиза и ультрафильтрационными блоками для отделения полученного гидролизата белка от общей реакционной массы.
