ПРИМЕНЕНИЕ ГЕЙЗЕРИТА В КАЧЕСТВЕ НОСИТЕЛЯ ИММОБИЛИЗОВАННЫХ КЛЕТОК И ФЕРМЕНТОВ Российский патент 2007 года по МПК C12N11/14 

Изобретение относится к носителям иммобилизованных клеток и ферментов, используемых в качестве биофильтров, биосорбентов, в биогидрометаллургических процессах, в качестве биокатализаторов.

Известно применение в качестве носителя иммобилизованных клеток штамма Rhodococcus rubber gtl углеродных носителей различных типов:

уголь активированный дробленый БАУ, уголь активированный гранулированный ФТД, активированная углеродная ткань «Урал», активированный нетканый материал «Войлок», углеродный активированный материал ФАС в виде шариков, уголь активированный дробленый NORIT РК-1, уголь-сырец, измельченный до порошкообразного состояния [1]. Данные носители обладают меньшей по сравнению с гейзеритом термической, химической и биологической устойчивостью и более низкой степенью адгезии между носителем и иммобилизованными клетками.

Также известно применение в качестве носителя иммобилизованных ферментов углеродных волокон [2]. Углеродные волокна обладают по сравнению с гейзеритом меньшей химической, биологической и температурной устойчивостью.

Задача изобретения - упростить процесс получения носителя иммобилизованных ферментов и клеточных культур, одновременно улучшив такие его параметры, как химическая и биологическая инертность материала, устойчивость к воздействию высоких температур, высокая гидрофильность, способствующая равномерности его пропитки.

Известно применение гейзерита в качестве огнеупорных покрытий [3]. Предлагается применять гейзерит по новому назначению - в качестве носителя иммобилизованных клеток и ферментов.

Гейзерит - в основном негидратированная форма кремнезема, имеющая плотную каркасную структуру, линейно-протяженную геометрию пор, обеспечивающую равномерность пропитки носителя, равномерность его заселенности клеточной культурой и максимальное использование внутренней поверхности носителя в биотехнологических процессах, и вулканогенное гидротермальное происхождение (Высокая температурная и химическая и биологическая устойчивость) [4 (с.324)]. Кремнезем в свою очередь - это любая форма SiO₂ вне зависимости от структуры и свойств (физических, химических, технических), т.е. это понятие отражает всего лишь химический состав. Известны различные формы кремнезема, например, кристаллические: α,β-кварц, тридимит кристобалит; аморфные: кварцевое стекло; аморфные пористые: пемза, силикагель, фильтроперлит, хайсил, аэросил, гейзерит, трепел и т.д. Каждая из этих форм характеризуется специфическими условиями образования/синтеза/получения и, следовательно, специфическими, отличными от других форм физическими и технологическими свойствами, например, такими как: твердость, кристаллическая решетка, пористость, структура и характер распределения пор по размерам.

Ниже предложен детальный анализ сходства и различий гейзерита с другими формами кремнезема (перлит, пемза, силикагель, диатомит (трепел, опока)) по источнику [4] и показаны существенные технические преимущества гейзерита.

В качестве основного материала для проведения экспериментов использовался гейзерит кальдеры вулкана Карымский и техногенный гейзерит - отходы производства Мутновской ГеоЭС (обрастания аппаратуры). Породы представляют собой негидратированную, высокопористую форму кремнезема. С большой долей вероятности полученные выводы могут быть аппроксимированы на другие природные и техногенные месторождения гейзерита.

Перлит и пемза имеют глобулярную структуру пор, и, хотя в литературе по биотехнологии нет анализа недостатков носителей с глобулярным строением пор, из технологии катализаторов [5 (с.163)] известно, что подобная структура негативно влияет на равномерность пропитки носителя (и каталитическую активность полученного материала). В полной мере данный вывод, по нашему мнению, может быть распространен на биотехнологию.

Силикагель - это гидратированная форма кремнезема [6 (с.618)] (с возможностью обратимой гидратации при смачивании-высушивании материала). Процесс гидратации должен однозначно приводить к изменению структуры и физико-технических свойств поверхности, а это в свою очередь может отражаться на постоянстве свойств готовых препаратов.

Хайсил, аэросил, диатомит (кизельгур) - мелкодисперсные формы перлита, силикагеля, кремнезема. Не имеют каркасного строения.

Трепел, опока (диатомит) - негидратированная форма кремнезема, осадочная порода, полезное ископаемое. Имеет высокую пористость и близкую к структуре гейзерита структуру пор [4 (с.322-333)] (т.е. представляет собой аналог). Порода образована из обломков панцирей диатомовых водорослей - диатомей [7]. Часто содержит органическое и глинистое загрязнение [4 (с.322, 328)]. Дальнейшее сравнительное описание трепела, опоки, гейзерита приводится в виде таблицы.

Таблица
Сравнительная характеристика негидратированных форм кремнезема [5]ПородаТвердостьПрочность, кг/см³Пористость, %Удельная поверхность, м²/гТрепел1-3 [7]-73,6-54,760-90Опока6-6,530-1500*58,5-39,6менее 60-100 (стр.330)Гейзерит (кальдера вулкана Карымский)6-6,580-10053,5˜250 (по данным авторов патента, измерения методом БЭТ)Гейзерит (отходы Мутновской ГеоЭС)6-6,5180-20033,4˜150 (по данным авторов патента, измерения методом БЭТ)

Из данных, представленных в таблице, видно, что трепел представляет собой мягкую породу и существенно уступает опоке и гейзериту по такому важному техническому показателю, как твердость (и по-видимому, прочность), а также по удельной поверхности пор.

Опока и гейзерит, в целом, близки по таким техническим показателям, как твердость, прочность, пористость, но гейзерит существенно превосходит опоку (по-видимому, вследствие специфики образования пород) по такому важному показателю, как удельная поверхность.

Примеры использования гейзерита в качестве носителя ферментов и биокультур

Пример 1: Использование гейзерита в качестве носителя для ферментов. Путем иммобилизации ферментов лекарственного препарата (панкреатин) совместно с поливиниловым спиртом на матрицу гейзерита был приготовлен биологически активный препарат. Исследовалась амилазная активность полученного препарата. При пропускании через колонку с носителем (45,5 см) раствора крахмала (0,1 г/л) происходила деструкция полисахарида. Степень деструкции составила 85,3%.

Пример 2: Использование гейзерита в качестве носителя клеток. Препарат приготовлен путем иммобилизации на матрицу из гейзерита клеток Saccharomyces (препарат приготовлен на основе желатина). Препарат показал высокую ферментативную активность в процессах спиртового брожения сахаристых веществ. При этом образование осадка в объеме продукта не наблюдалось.

Использование технологических функций гейзерита в качестве носителя обеспечивает не только технологические преимущества, но и значительно удешевляет процесс получения конечного продукта.

Источники информации

1) Биотехнология: Состояние и перспективы развития: материалы Третьего Московского международного конгресса (Москва, 14-18 марта, 2005 г.) - М.: ЗАО «Экспо-биохим-технологии», РХТУ им Д.И.Менделеева, 2005, часть 2, с.199.

2) Биотехнология, 2005, с.51-57.

3) RU 2027690 C1, 27.01.1995.

4) Петров В.П. Важнейшие неметаллические полезные ископаемые. - М.: Наука, 1992. с.322-333, с.361.

5) Мухленов И.П., Добкина Е.И. и др. Под ред. Мухленова И.П. Технология катализаторов. - Л.: Химия, 1979, с.163., с.328.

6) Некрасов Б.В. Основы общей химии. Т.1, изд. 3-е. - М.: Химия, 1974, с.618, с.688.

7). Политехнический словарь под ред. Ишлинского А.Ю., 3-е изд. - М.: Большая Российская Энциклопедия, 1998, с.656.

Изобретение относится к биотехнологии и может быть использовано в качестве носителя иммобилизованных клеток и ферментов. Изобретение позволяет упростить процесс получения носителя иммобилизованных клеток и ферментов. Повысить абсорбционную поверхность носителя, удешевить процесс получения носителя. 1 табл.

Применение гейзерита в качестве носителя иммобилизованных клеток и ферментов.