專利名稱:用于固定生物活性物質(zhì)的可再生的擔體基質(zhì)的制作方法
近年來，生物活性物質(zhì)，特別是酶的固定化方法，已經(jīng)有了迅速的發(fā)展，可以公正地說擔體基質(zhì)及其制法，如具有工業(yè)重要性的酶催化反應，已成為相當成熟的知識領(lǐng)域。發(fā)展它們的初始動力是為了保存酶;在應用酶的均相反應中，酶一般只用一次。由于酶通常是昂貴的，并可能是反應物中最昂貴的，因此需要發(fā)展允許多次使用酶的方法。把酶固定在固體擔體上導致了多相的酶催化反應，在這種場合下已固定的酶能容易地除掉，如在間歇式攪拌反應器中，或可用于連續(xù)過程，如固定床中，可是在兩種情況下都可使酶催化過程中的酶能重復使用，直至其活性降低至如再使用經(jīng)濟上已不可行時為止。
目前已有了各種擔體基質(zhì)，特殊地說來能用于制備固定化酶和一般地說來能用于制備固定化生物活性物質(zhì)。有一些擔體基質(zhì)通過離子相互作用和酶-典型的生物活性物質(zhì)-相結(jié)合，其它則通過截留的方式與酶結(jié)合。在另一些情況下，生物活性物質(zhì)則用共價鍵固定在擔體上或以中間類型的鍵與擔體相連接。因此，熟悉技術(shù)的人們當在其工藝室中尋找一種擔體基質(zhì)來固定一種生物活性物質(zhì)時，已經(jīng)有一些實際的選用方案。
然而，在擔體基質(zhì)的領(lǐng)域中仍存在一些工藝方面的重大空白。當固定化生物活性物質(zhì)的活性已消耗掉-再使用已無經(jīng)濟效益時，制備一種擔體基質(zhì)能方便地和便宜地再生就是一個迫切需要解決的目標。更理想的是能使擔體基質(zhì)多次再生，而其繼續(xù)固定生物活性物質(zhì)的活性并不減弱。雖然目前已取得了某些有限的成就，如美國專利第4，248，969及4，250，260號所指出的方法，但是還迫切需要更經(jīng)濟的方法。
二乙基氨乙基纖維素(DEAE纖維素)是一種已用于固定酶的擔體，它被選做擔體材料是由于價格比較低廉，但其應用則僅局限于在釜式攪拌反應器中。見KirK-Othmer EnCyClOPedia of ChemiCal Technology，第三版，卷9，155頁(J.Wiley & SOns出版公司，1980)。這種擔體材料由于流動特性不良而不適用于填充床反應器中，因為流動特性是用做填充床所必需的一種特性。事實上，DEAE纖維素是用在美國第一個采用固定化葡萄糖異構(gòu)酶的工業(yè)過程中(前引文獻157頁)，但不久便被其它能用做填充床的固定化葡萄糖異構(gòu)酶所代替。
為了得到在填充床反應器中連續(xù)過程所必需的良好流動性，擔體的顆粒應當是不可壓縮的、硬的、不參加反應的材料所制成，特別是難熔無機氧化物，如氧化鋁、氧化硅、玻璃、陶瓷等。美國專利4，141，857曾舉例說明后者是用作有機樹脂復蓋的擔體中的核心材料，而有機樹脂則與生物活性物質(zhì)結(jié)合在一起。
本申請書介紹一種具有成功地用于填充床中一切特性的擔體基質(zhì)，此外它還具備了從用過的固定在其上的酶中容易再生的特性。本發(fā)明的擔體基質(zhì)容易制備，經(jīng)濟，能固定很多生物活性物質(zhì)，并用特別簡單和快速的方法便能再生。
本發(fā)明的目的是制備一種用于固定生物活性物質(zhì)的擔體基質(zhì)，并當生物活性物質(zhì)的活性降至某要求水平以下時，能容易地再生。在一個實施方案中包含一種用部分羥基已轉(zhuǎn)化成二烷基氨烷基醚衍生物的纖維素所復蓋的難熔氧化物的核心擔體。在一個更具體的實施方案中，纖維素用DEAE纖維素。在另一個更具體的實施方案中，氧化物用氧化鋁。
本發(fā)明的擔體基質(zhì)至少在概念上可以看做系由幾種功能上有關(guān)的部分組成的。在基質(zhì)的中心是核心擔體，它通常是一種不可壓縮的、抗磨損的、在典型的酶催化過程的條件下是化學惰性的固體。采用這種擔體的填充床具有良好的流動特性。核心擔體用一種其中部分羥基已衍生成二烷基氨烷基醚的纖維素加以復蓋。所得的擔體基質(zhì)借助于強的離子交換力能夠固定很多酶。雖然在典型的酶催化反應條件下，酶仍結(jié)合在擔體基質(zhì)上而基本上不被浸洗掉，但用過了的酶能容易地用堿或濃鹽溶液從基質(zhì)上洗掉，從而再生了擔體基質(zhì)。可以進行多次酶的固定化-擔體基質(zhì)再生的循環(huán)，而并無有害的后果。
本發(fā)明的實踐中可以采用的核心擔體最好以功能來表征。它們是不可壓縮的物料，在典型的酶反應條件下是完全惰性的，并且是堅韌的抗磨損的顆粒，填充在床層中則表現(xiàn)出良好的流動特性。任何有這些功能特性的材料都可以用在本發(fā)明的實踐中。例子包括難熔的無機氧化物、玻璃、特別是多孔玻璃和陶瓷材料。在難熔的無機氧化物中可以舉出的有氧化鋁、氧化硅、氧化釷、氧化鋯、氧化鎂、氧化鈦及其組合物。氧化鋁是一種特別希望的核心擔體。
然后用纖維素復蓋核心擔體。因為纖維素本身在多數(shù)溶劑中不溶解，所以一般不直接用纖維素，而用水解時能容易轉(zhuǎn)化成纖維素本身的可溶性纖維素的衍生物復蓋核心擔體。任何溶于低沸點有機溶劑并容易經(jīng)化學轉(zhuǎn)化生成纖維素的纖維素衍生物，都可用于本發(fā)明的實踐中。纖維素酯類是可用于本發(fā)明實踐中的良好的纖維素衍生物，而使用乙酸纖維素特別方便。雖然在下面的敘述中是用乙酸纖維素這個詞來表達，但應當認為乙酸酯是僅作為這類化合物的代表。
例如，用溶于有機溶劑的乙酸纖維素的溶液與核心擔體相接觸的方法，可以復蓋核心擔體。一種復蓋核心擔體的方法是，使核心擔體與乙酸纖維素的溶液相混合，乙酸纖維素的量應能滿足復蓋核心擔體所需的重量，然后逐漸蒸發(fā)掉溶劑。這種復蓋核心擔體的方法，特別希望使用一種較低沸點，即沸點低于約100℃的溶劑，使得有利于以后將溶劑除掉。但是，應當認為這種做法的優(yōu)點僅在于方便，有機溶劑的沸點在本發(fā)明的成功中不是關(guān)鍵性的。
另一種用乙酸纖維素復蓋核心擔體的常用方法是將乙酸酯的有機溶液循環(huán)通過核心擔體的床層。在連續(xù)循環(huán)過程中，核心擔體一般吸收了平衡量的乙酸纖維素，吸收的數(shù)量和溶液中乙酸纖維素的濃度、溶劑的性質(zhì)和自溶液中吸收乙酸酯的擔體有一定的關(guān)系。平衡達到后，多余的溶液自柱中排出，用加熱或放在氣流中的方法把有機溶劑蒸發(fā)掉。
然后使乙酸纖維素復蓋的核心擔體反應，以便把所有的乙酸基團除掉。在堿的存在下進行水解的方法特別有效，可以用技術(shù)上已熟知的方法完成。例如，乙酸纖維素復蓋的核心擔體可以和濃度約為0.5%-4%(重量/體積)的堿在溫度約為25℃-約70℃下反應。不講自明，很多水解的方法是已知的，因此不需要舉例說明。技術(shù)熟練者容易懂得重要之處在于所用的堿、堿的濃度、反應溫度和反應時間除了水解乙酸酯鍵以外對核心擔體應當沒有影響。采用這類水解方法至少可以除掉約80%的酯基，一般約90%以上的酯基可以除去。
在制成的產(chǎn)物中，以干劑計算，希望纖維素占約1%至20%(重量)。在實踐本發(fā)明時，已發(fā)現(xiàn)纖維素含量超過15%(重量)時，并不更為有利。以制成的產(chǎn)物的干燥重量計算，纖維素復蓋的核心擔體以含約1%-約10%(重量)較好。
然后把以上制得的纖維素復蓋的核心擔體上的自由羥基轉(zhuǎn)化成二烷基氨烷基纖維素醚。根據(jù)自由羥基與二烷基氨烷基鹵化物反應的方法也是已知的，例如纖維素復蓋的核心擔體和鹽酸二烷基氨烷基鹵化物的溶液在約30℃-80℃和堿的存在下，反應約1-10小時。
制得的纖維素醚的二烷基氨烷基部分的結(jié)構(gòu)式為RaRbN(CH2)-p，其中Ra和Rb是分別選自飽和的烷基CnH2n+1，其中n是由1至20的整數(shù)，通常是1至6，更常用的是1至4?？捎糜趯嵺`本發(fā)明的烷基有甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、己基、庚基、辛基、壬基、癸基、十一烷基、十二烷基、十四烷基、十五烷基、十六烷基、十七烷基、十八烷基、十九烷基和二十烷基。伯烷基的位阻現(xiàn)象的影響最小，因而優(yōu)先采用，特別可取的是二乙基氨烷基醚。
亞甲基鏈的長度可從亞乙基(P＝2)直到約亞癸基(P＝10)，優(yōu)先選用鏈長P為2，3或4的，特別可取的是亞乙基(P＝2)。實踐本發(fā)明時，采用二乙基氨乙基醚特別理想，其中Ra，Rb和(CH2)p都是兩個碳原子的分子片。
不可能也不必要把復蓋在核心擔體上的纖維素中所有的羥基都轉(zhuǎn)化成對應的二烷基氨烷基醚。一般希望衍生作用的程度能使每克制成的干擔體基質(zhì)產(chǎn)生0.2至約2.0毫當量的醚基已經(jīng)足夠，最通常的衍生程度的范圍約為0.5至約1.2毫當量/克。
到這個階段，擔體基質(zhì)已制成?，F(xiàn)在它便可以承載生物活性物質(zhì)，如一般的酶、輔助因子、抗體、抗原和蛋白質(zhì)類。由于擔體基質(zhì)的性質(zhì)，生物活性物質(zhì)必需具備合適的電荷類型。即，本發(fā)明的擔體基質(zhì)在固定生物活性物質(zhì)時，起著和陰離子交換劑相似的作用。所以在本發(fā)明的實踐中，至少具有微量過剩負電荷的生物活性物質(zhì)能最有效地被固定。固定作用的實施比較簡單，首先用有合適PH值，一般在5.5和約8.5的范圍之間的緩沖劑沖洗擔體基質(zhì)，然后把擔體與酶在和沖洗用同樣PH值的緩沖劑中的溶液相混合，保持足夠長的時間直至達到平衡為止，一般約為5至約20小時。排出多余的酶溶液，仔細用水洗滌此被固定的生物活性物質(zhì)以除去附著在上面的生物活性物質(zhì)，在任何填充床連續(xù)過程的初始階段這種附著物會很容易地淋洗掉。固定作用一般在40℃以下進行，更經(jīng)常地在低于約25℃下進行，常在約5℃至約20℃范圍之間進行。
正如前面已經(jīng)談到，任何合適的凈電荷型的生物活性物質(zhì)都可根據(jù)本發(fā)明的實踐加以固定。這樣，具有凈負電荷即等電點大于7的酶、輔助因子、抗體、抗原和其它蛋白質(zhì)類物質(zhì)都能按本發(fā)明敘述的方法加以固定，盡管并非所有的物質(zhì)都必定固定至同樣的程度或都具有相同效率。可用于本發(fā)明的實踐的一些酶的例子有葡萄糖異構(gòu)酶、蔗糖酶、青霉素?；D(zhuǎn)移酶、柚苷酶、葡聚糖蔗糖酶和三磷酸腺苷脫酰胺酶，但上述例子只是用于說明而已。
本發(fā)明的擔體基質(zhì)的重要而又顯著的特點是，當所固定的生物活性物質(zhì)已喪失了活性或由于別的原因而不想再使用時，這種擔體基質(zhì)容易再生。將稀堿溶液或濃鹽溶液與該固定化系統(tǒng)相接觸即可容易地完成固定基質(zhì)的再生。
可以使用的堿有堿金屬氫氧化物，如氫氧化鈉、氫氧化鉀和氫氧化鋰;堿土金屬氫氧化物，如氫氧化鋇、氫氧化鈣和氫氧化鎂;以及氫氧化銨和季銨堿。達到能分解里面的核心擔體的堿濃度是堿濃度的最高限度;例如，當用堿金屬氫氧化物處理的系統(tǒng)中核心擔體是氧化鋁時，堿的濃度要避免超過約1N。雖然可以用稀至0.02N的堿水溶液，但更有代表性的堿溶液濃度是約0.1至1.0N。堿液的體積為固定化系統(tǒng)的10-15倍已足夠，不過也可以用低至2-3倍體積但濃度足夠高的堿溶液，但可能需要延長接觸時間，在室溫下再生時間一般不需要超過30分鐘。當用高度離子型的化合物如氯化鈉、氯化鉀、氯化銨、硫酸銨、硫酸鈉等鹽類溶液再生時，2-3摩爾的濃度就已足夠。鹽的性質(zhì)不大重要，只要它不與核心擔體反應，在水溶液中高度離解，并在水中足夠溶解而得到一種其離子強度至少相當于2摩爾的氯化鈉溶液即可用于再生。不論是用堿或鹽處理生物活性體系，可以接著用大量的水或PH值為中性或接近中性的5.5-8.5的緩沖劑洗滌已處理過的體系，就可以除去多余的堿或鹽。按以上敘述的方法處理已失效的固定化體系即可再生擔體基質(zhì)，此擔體基質(zhì)又可用于固定新的或不同的被固定的生物活性物質(zhì)?？梢赃M行多次這樣的再生循環(huán)，并對所得的固定化生物活性物質(zhì)或擔體基質(zhì)本身都沒有明顯不良的影響。
以下的實例只是對本發(fā)明的說明，而不是對本發(fā)明的限制。
實例1纖維素復蓋的γ-氧化鋁。γ-氧化鋁(30g，約100ml)，在105℃下干燥過夜，裝入一個帶夾套的柱子(3.0×50cm)。不同濃度的乙酸纖維素(乙酸酯含量約28%)的丙酮溶液(30ml)用泵送由下至上地通過柱子，用一個振動器幫助氧化鋁流化。系統(tǒng)循環(huán)1小時后，用泵將丙酮溶液由柱子下部排出。用氮氣流由下至上吹掃2小時，同時夾套中用60℃的水循環(huán)，已復蓋的載體即被干燥。
用300ml含6g氫氧化鈉的溶液，在60℃下處理得到的乙酸纖維素復蓋的載體，使乙酸酯水解。反應完成后(2小時)，用去離子水洗滌纖維素復蓋的載體至洗滌液PH值呈中性。用900℃下灼燒失重的方法測定復蓋的載體上的纖維素含量，所得數(shù)值列于表1。
表1 擔體的纖維素含量每30g氧化鋁 灼燒失重 固定化之后葡萄糖載體提供的 纖維素含量，% 異構(gòu)酶的活性，乙酸纖維素 單位/g6.0 6.9 14759.0 10.2 148012.0 13.7 1560所有纖維素復蓋的載體(30g)曾用9g二乙基氯乙基胺鹽酸鹽(diethylaminoethyl chloride hydrochloride)處理，以固定葡萄糖異構(gòu)酶。
制備DEAE纖維素復蓋的氧化鋁載體。10%纖維素復蓋的氧化鋁載體(30g)按上述方法在有夾套的柱中用含3g氫氧化鈉和不同數(shù)量的二乙基氯乙基胺鹽酸鹽的300ml溶液流化。溶液在60℃下以向上流動方式循環(huán)4-5小時。然后此用過的溶液由柱中向下排出，載體用去離子水洗滌至流出液的PH值為7.5-8.0。
制備固定化葡萄糖異構(gòu)酶。向上述制成的30g DEAE纖維素復蓋的氧化鋁載體以向上流動的方式通入500mlPH值為7.2的0.2M鹽酸咪唑緩沖劑。多余的緩沖劑用去離子水洗掉并將水排出。用0.05MPH值為7.2的咪唑緩沖劑把葡萄糖異構(gòu)酶稀釋成500ml的酶溶液。酶溶液在柱中以向上流動方式循環(huán)16-20小時。當提供溶液中的酶含量為每克1100-3200單位，載體含10.2%纖維素，30g載體曾用3.0g二乙基氯乙基胺鹽酸鹽處理過時，表2列出這樣所得的固定化葡萄糖異構(gòu)酶的活性。酶溶液和擔體在柱中60℃下流化。排出柱中的液體并用水洗滌此固定化酶的體系以除去未結(jié)合的酶。
表2 葡萄糖異構(gòu)酶在DEAE纖維素復蓋的氧化鋁載體上的固定化提供的酶，單位/g 固定化葡萄糖異構(gòu)酶的初始活性，單位/g1100 6201600 9902500 11803200 1420把葡萄糖異構(gòu)酶固定在曾用不同數(shù)量的二乙基氯 乙基胺鹽酸鹽處理過的纖維素復蓋的載體上(10%重量的纖維素)，結(jié)果列于表3。
表3 二乙基氯 乙基胺鹽酸鹽的濃度在制備DEAE纖維素復蓋的氧化鋁時的影響每30g載體提供的二乙基氯 葡萄糖異構(gòu)酶乙基胺鹽酸鹽 的活性，單位/g3.0 17404.5 14706.0 14604.0 1350固定化葡萄糖異構(gòu)酶的半壽期。一個帶水夾套的柱子用做積分反應器，用15ml以上制得的固定化葡萄糖異構(gòu)酶，在60℃及65℃下測定固定化葡萄糖異構(gòu)酶的熱穩(wěn)定性。原料含45%(重量比)葡萄糖，10-3M MgCl2和1000PPm Na2SO3，用氫氧化鈉調(diào)至PH值8.0。原料用泵送入，向下流經(jīng)反應器，將流速調(diào)至產(chǎn)物中含42%果糖。收集反應器的樣品，用高壓液體色譜測定葡萄糖和果糖的濃度。在60℃時半壽期約為90天，65℃時半壽期約為35天。
葡萄糖異構(gòu)酶的脫除和再固定。把固定在DEAE纖維素復蓋的氧化鋁上的葡萄糖異構(gòu)酶脫除的方法，是用氫氧化鈉溶液(0.5N)或鹽溶液(NaCl或KCl，2M)洗去失效的酶，此載體可接著再用于酶的固定化。葡萄糖異構(gòu)酶按上述方法固定。例如，用0.5N氫氧化鈉在室溫下洗滌催化劑，即可除去葡萄糖異構(gòu)酶。洗滌過的擔體用水洗，再用PH值7.2的咪唑緩沖液平衡。按上述的方法向已再生的擔體基質(zhì)供給葡萄糖異構(gòu)酶(3200單位/g)。經(jīng)三次再生尚未發(fā)現(xiàn)固定葡萄糖異構(gòu)酶的能力有明顯的下降，結(jié)果列于表4。由60℃下半壽期為92天的固定化葡萄糖異構(gòu)酶再生而得的擔體基質(zhì)用于制備新的葡萄糖異構(gòu)酶。經(jīng)過實驗此新催化劑的半壽期和原有的相比無明顯的區(qū)別。
表4 葡萄糖異構(gòu)酶的脫除和再固定固定次數(shù) 脫除 活性，單位/g1 0 19102 1 20003 2 18604 3 1820
實例2固定蔗糖酶。將蔗糖酶固定在DEAE纖維素氧化鋁載體上與固定葡萄糖異構(gòu)酶的方法相同。向每克載體提供的蔗糖酶的量為13000單位左右，固定后酶活性為每克8200單位。在50℃，PH值5.5和有500PPm Na2SO3存在下，用60%(重量比)蔗糖為原料，測定了催化劑的熱穩(wěn)定性。催化劑連續(xù)工作12天以上，并未呈現(xiàn)熱失活的跡象。
權(quán)利要求
1.一種可再生的擔體基質(zhì)，含有選自一種難熔無機氧化物、玻璃或陶瓷材料的核心擔體，其上用纖維素的二烷基氨烷基醚復蓋，該二烷基氨烷基部分的結(jié)構(gòu)式為RaRbN(CH2)p-，其中Ra，Rb是各自選自含結(jié)構(gòu)式為CnH2n+1的烷基，其中n是由1至約10的整數(shù)。
2.權(quán)利要求
1中表征的基質(zhì)，其中難熔無機氧化物是選自氧化鋁、氧化硅、氧化釷、氧化鋯、氧化鈦、氧化鎂及其組合物。
3.權(quán)利要求
1中表征的基質(zhì)，其中每個Ra，Rb是乙基，P是由2至約4的整數(shù)。
4.權(quán)利要求
1中的基質(zhì)，按纖維素計算，復蓋物占制成材料的約1%至約20%(重量)。
5.一種固定化生物活性體系，含有權(quán)利要求
1至4任一項所表征的一種擔體基質(zhì)和一種固定化生物活性物質(zhì)。
6.權(quán)利要求
5中表征的固定化生物活性體系，其中生物活性物質(zhì)是等電點大于7左右的蛋白質(zhì)類物質(zhì)，它是選自一種酶，一種輔助因子，一種抗體或一種抗原。
7.一種制備在權(quán)利要求
1中表征的可再生的擔體基質(zhì)的方法，包括用一種纖維素酯復蓋核心擔體，水解除去至少約80%的酯基以提供自由的羥基，轉(zhuǎn)化該羥基成二烷基氨烷基醚部分，該二烷基氨烷基醚部分的結(jié)構(gòu)式為RaRbN(CH2)p-，其中Ra，Rb是各自選自結(jié)構(gòu)式為CnH2n+1的烷基，n是由1至約20的整數(shù)，P是由2至約10的整數(shù)，然后回收此生成的擔體基質(zhì)。
8.權(quán)利要求
7中表征的方法，其中水解是使在核心擔體上的纖維素酯與一種濃度自約0.5%至約4%(重量/體積)的堿溶液在溫度自約25℃至約70℃下進行反應，而羥基的轉(zhuǎn)化是使該羥基與一種二烷基氨烷基鹵化物進行反應。
9.權(quán)利要求
5或6表征的再生固定化生物活性體系的方法，包括在選定的條件下使固定化體系與一種堿或一種高離解性的鹽的水溶液相接觸，除去固定于其上的廢生物活性物質(zhì)，用水或緩沖溶液洗滌以除去多余的堿或鹽，回收已再生的擔體基質(zhì)，并在所得的已再生的擔體基質(zhì)上固定上新的生物活性物質(zhì)。
專利摘要
一種通常用于固定生物活性物質(zhì)的擔體基質(zhì)，含有用纖維素的二烷基氨烷基醚衍生物覆蓋的核心擔體。這類擔體基質(zhì)通常能固定帶凈負電荷的蛋白質(zhì)類物質(zhì)。此擔體基質(zhì)容易再生，如當已固定的生物制劑失去其有用的活性后，可簡單地用堿和一種合適的鹽溶液洗滌。固定化—擔體基質(zhì)再生能進行多次的循環(huán)而無顯著的有害影響。
文檔編號C12N11/00GK87104007SQ87104007
公開日1987年12月2日 申請日期1987年5月7日
發(fā)明者克里斯·D·萊平斯, 津田吉久 申請人:環(huán)球油品公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan