DE3150750A1 - Method for accelerated enzymatic reaction - Google Patents

Abstract

The method entails a plant and/or animal substrate being vigorously mixed in the turbulence zone of a homogenising machine with an enzyme, where appropriate in the presence of a suitable coenzyme. The homogenising machine consists of a housing with, rotating therein, a rotor which is in the form of a truncated cone and whose surface is equipped with coaxial rings of graduated diameter, each of which fits between rings of the same type on the inner wall of the housing opposite the rotor.

Description

Verfahren zur beschleuniqten enzymatischen ReaktionProcess for accelerated enzymatic reaction

Die Umwandlung von tierischem und pflanzlichem Material zu bestimmten Produkten erfolgt häufig unter der Einwirkung von Enzymen, die die unterschiedlichsten Reaktionen auszulösen imstande sind. Diese Enzyme sind biochemische Katalysatoren, die die Fähigkeit haben, chemische Reaktionen zu katalysieren, wobei ihnen ihre speziellen Eigenschaften besonders zustatten kommen, nämlich ihre hohe Spezifität, ihre hohen Umsatzraten, das heißt, die Zahl der umgesetzten Moleküle pro Enzymmolekül und Zeit, sowie ihre Fähigkeit, Leistung unter physiologischen Bedingungen zu vollbringen, nämlich im allgemeinen bei Normaldruck, vergleichsweise niedriger Temperatur und bei pH-Werten im neutralen Bereich.The transformation of animal and vegetable material to specific Products is often made under the action of enzymes, which are the most varied Are able to trigger reactions. These enzymes are biochemical catalysts, who have the ability to catalyze chemical reactions, giving them theirs special properties come into their own, namely their high specificity, their high turnover rates, that is, the number of molecules converted per enzyme molecule and time, as well as their ability to perform under physiological conditions, namely generally at normal pressure, comparatively low temperature and at pH values in the neutral range.

Neben den Enzymen werden bei enzymatischen Reaktionen häufig auch noch Coenzyme als Reaktionspartner eingesetzt, die sich durch universellere Eigenschaften auszeichnen und Zwischenträger für bestimmte chemische Gruppen sind, die sie von einem Substrat übernehmen und auf ein anderes Substrat übertragen können.In addition to the enzymes, in enzymatic reactions, Coenzymes are still used as reaction partners, which are characterized by more universal properties distinguish and are intermediate carriers for certain chemical groups that they belong to take over one substrate and transfer it to another substrate.

Die in zunehmendem Maße als spezifische und aktive Katalysatoren für eine Vielzahl von technischen Verfahren verwendeten Enzyme werden im allgemeinen durch Aufschluß von biologischem Material aus pflanzlichen und tierischen Rohstoffen sowie aus Mikroorganismen gewonnen, wobei die Isolierung und Reinigung nicht nur in bezug auf den apparativen Aufwand sehr aufwendig ist, so daß nach Möglichkeit nur geringe Enzymmengen eingesetzt werden sollen, um die Verfahren wirtschaftlich zu gestalten. Aus diesem Grunde besteht das Bedürfnis, enzymatische Umsetzungsverfahren verfügbar zu machen, bei denen geringe Enzym- mengen ausreichen, gleichzeitig aber die Reaktionszeiten in einem wirtschaftlichen Rahmen gehalten werden, wobei jedoch darauf zu achten ist, daß Enzyme für ihren Einsatz ein Temperaturoptimum besitzen, so daß eine Reaktionsbeschleunigung durch Temperaturerhöhung nur in den seltensten Fällen in Frage kommt.Increasingly used as specific and active catalysts for A variety of industrial processes are generally used in enzymes by digesting biological material from vegetable and animal raw materials as well as obtained from microorganisms, with the isolation and purification not only is very expensive in terms of equipment, so that if possible only small amounts of enzyme should be used to make the process economical to design. For this reason there is a need for enzymatic conversion processes to make available, in which low enzyme quantities are sufficient, at the same time, however, the response times were kept within an economic framework however, care must be taken that enzymes have a temperature optimum for their use own, so that an acceleration of the reaction by increasing the temperature only in the in the rarest cases.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzufinden, mit dem enzymatische Reaktionen beschleunigt werden können, ohne daß eine Schädigung des Enzyms durch Verfahrensbedingungen, die mit der Eigenart des Enzyms nicht in Einklang zu bringen sind, auftritt. The invention was based on the object of finding a way with the enzymatic reactions can be accelerated without causing damage of the enzyme by process conditions that are not in accordance with the nature of the enzyme Are to be brought into line.

Die Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren zur beschleunigten enzymatischen Reaktion, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das pflanzliche und/oder tierische Substrat, gegebenenfalls in Gegenwart eines geeigneten Coenzyms, durch das Turbulenz feld einer Homogenisiermaschine, die aus einem Gehäuse mit darin umlaufendem kegelstumpfförmigen Rotor besteht, dessen Mantelfläche mit koaxialen Ringen gestaffelten Durchmessers ausgestattet ist, die jeweils auf Lücke stehen mit gleichartigen Ringen an der dem Rotor gegenüberliegenden Gehäuseinnenwand, zusammen mit einer kleinen, in das Turbulenzfeld eindosierten Menge Enzym mindestens einmal unter innigem Vermischen hindurchgeführt wird. The solution to this problem is a method for accelerated enzymatic Reaction, which is characterized in that the vegetable and / or animal Substrate, optionally in the presence of a suitable coenzyme, through the turbulence field of a homogenizing machine, which consists of a housing with a frustoconical surrounding it The rotor consists of a circumferential surface with coaxial rings of staggered diameter is equipped, each standing on gap with rings of the same type on the Rotor opposite housing inner wall, together with a small, in the turbulence field metered amount of enzyme passed through at least once with thorough mixing will.

Bei diesem Verfahren wird das Enzym zweckmäßig in Mengen von 0,01 bis 1 Gew.-%, bezogen auf das Substrat, in das Turbulenzfeld der Homogenisiermaschine als Lösung eingedüst. In this method, the enzyme is expediently used in amounts of 0.01 up to 1% by weight, based on the substrate, in the turbulence field of the homogenizing machine sprayed in as a solution.

Bei der Durchführung dieses Verfahrens wird das Enzym außerordentlich schnell mit dem Substrat vermischt, selbst bei sehr viskosen Substraten, und kann deshalb in dem Gemisch beschleunigt wirksam werden, da durch die Schaffung großer Grenzflächen ein schneller Stoffaustausch ermöglicht wird und die Bildung von Enzym-Substrat-Komplexen sehr schnell erfolgt. Die schnelle Verteilung und die damit verkürzte Verweilzeit des Gemisches in der Maschine trägt mit dazu bei, daß sowohl die Menge des zum Einsatz kommenden Enzyms auf ein Mindestmaß reduziert, gleichzeitig aber auch bei niedrigeren Temperaturen gearbeitet werden kann, so daß keine Enzymschädigung eintritt und darüberhinaus auch die Bildung unerwünschter Produkte durch eventuelle Nebenreaktionen verhindert wird.In carrying out this process, the enzyme becomes extraordinary quickly mixed with the substrate, even with very viscous substrates, and can therefore become effective in the mixture more quickly, since by creating large Interfaces enable a faster exchange of substances and the formation of enzyme-substrate complexes done very quickly. The quick distribution and the resulting shortened dwell time of the mixture in the machine helps to ensure that both the amount of coming enzyme reduced to a minimum, but at the same time also at lower levels Temperatures can be worked so that no enzyme damage occurs and beyond also prevents the formation of undesired products through possible side reactions will.

Das Verfahren gemäß der Erfindung kann beispielsweise mit besonderem Erfolg angewandt werden, um in bestimmten Produkten eine Viskositätserniedrigung zu erzielen, um tierisches Protein zu verflüssigen bzw. um Cellulosematerialien enzymatisch zu hydrolysieren zwecks Gewinnung fermentierbarer Zucker, die für die Alkoholherstellung Verwendung finden.The method according to the invention can, for example, with particular Success can be applied to a viscosity reduction in certain products to liquefy animal protein or cellulose materials to hydrolyze enzymatically for the purpose of obtaining fermentable sugars, which are necessary for the Find alcohol production use.

Aus verarbeitungstechnischen Gründen ist es beispielsweise erwünscht, die Viskosität einer aus gerösteten und vermahlenen Kakaobohnen erhaltenen Kakaomasse, die auch bei Temperaturen im Bereich zwischen 35 und 40 0C noch eine relativ hohe Viskosität hat, zu reduzieren. Bei Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung gelingt es, durch Eindüsen einer Cellulase-Lösung in das Turbulenzfeld der Homogenisiermaschine, in der sich die Kakaomasse befindet, bereits durch einmaligen Durchgang die enzymatische Reaktion so zu beschleunigen, daß die Viskosität der Kakaomasse um mehr als die Hälfte herabgesetzt wird, bei mehrmaliger Umwälzung des Enzym-Kakaomasse-Gemisches, vorzugsweise bei gleichzeitiger Anwesenheit von Pektinasen, gelingt es, die Viskosität weiter herabzusetzen.For processing reasons, it is desirable, for example, the viscosity of a cocoa mass obtained from roasted and ground cocoa beans, which is still relatively high even at temperatures in the range between 35 and 40 0C Viscosity has to reduce. When using the method according to the invention if a cellulase solution is injected into the turbulence field of the homogenizing machine, in which the cocoa mass is located, the enzymatic one already through a single pass To accelerate the reaction so that the viscosity of the cocoa mass is more than that Half price reduced is, with repeated circulation of the enzyme-cocoa mass mixture, preferably with the simultaneous presence of pectinases, it is possible to reduce the viscosity further reduce.

Ebenso ist es möglich, tierisches Protein, das gleichzeitig einen hohen Fettgehalt hat und bei Temperaturen zwischen 50 OC und 60 OC Viskositäten im Bereich zwischen 3000 und 4000 mPa s aufweist, im Turbulenzfeld der Homogenisiermaschine unter Eindüsen proteolytischer Enzyme so weit zu verflüssigen, daß innerhalb von 10 bis 15 min die Viskosität auf 50 bis 100 mPa s erniedrigt wird. Hierbei ist es von besonderem Vorteil, daß die bei hohen Fettgehalten der Proteine auftretende Gefahr der Ummantelung der Enzyme mit Fett durch Einwirkung des Turbulenz feldes in jedem Falle ausgeschaltet wird. Als proteolytische Enzyme werden bei dieser Proteinverflüssigung vorzugsweise pflanzliche Proteasen eingesetzt.It is also possible to use animal protein at the same time Has a high fat content and has viscosities at temperatures between 50 OC and 60 OC in the range between 3000 and 4000 mPa s, in the turbulence field of the homogenizing machine to liquefy by injecting proteolytic enzymes so far that within 10 to 15 min the viscosity is lowered to 50 to 100 mPa s. Here it is Of particular advantage is that the protein that occurs when the fat content is high Risk of the enzymes being coated with fat due to the effects of the turbulence field is switched off in any case. As proteolytic enzymes are used in this protein liquefaction plant proteases are preferably used.

Das Verfahren gemäß der Erfindung ist besonders vorteilhaft für den Abbau von Cellulose unter der Einwirkung von Enzymen. Zwar kann in der erfindungsgemäß zum Einsatz kommenden Homogenisiermaschine Cellulose bei 120 OC bi 130 OC auch ohne den Einsatz von Enzymen bereits mechanischthermisch abgebaut -werden; unter gleichzeitigem Eindüsen einer Lösung von Cellulase ist es aber möglich, bereits bei 50 den Abbau der Cellulose beschleunigt zu erreichen.The method according to the invention is particularly advantageous for the Degradation of cellulose under the action of enzymes. Although in the invention Cellulose homogenizing machine used at 120 OC to 130 OC even without the use of enzymes is already mechanically thermally degraded; at the same time By injecting a solution of cellulase it is possible to start the breakdown at 50 the cellulose accelerates to reach.

Beispielsweise wird ein Substrat mit einer Cellulose Konzentration von 15 bis 20 % innerhalb 5 h so weit abgebaut, daß die Verzuckerung 72,5 % beträgt. Dieser Wert kann innerhalb von 24 h auf 95 % Verzuckerung erhöht werden. Vergleicht man hiermit die Ergebnisse des Celluloseabbaus durch Malen in einer Kugelmühle, so beträgt die Verzuckerung nach 6 h nur 47 z und nach 24 h lediglich 74 %, das heißt, erfindungsgemäß wird bereits nach 5 h eine Verzuckerung erreicht, die der Verzuckerung entspricht, die in der Kugelmühle erst nach 24 h erreicht werden kann.For example, a substrate with a cellulose concentration is used degraded by 15 to 20% within 5 hours to such an extent that the saccharification is 72.5%. This value can be increased to 95% saccharification within 24 hours. Compares the results of the cellulose degradation by painting in a ball mill, the saccharification after 6 h is only 47% and after 24 h only 74%, that called, according to the invention, saccharification is achieved after just 5 hours, which corresponds to the saccharification, which can only be achieved in the ball mill after 24 hours can.

Claims (6)

Patentansprüche 1. Verfahren zur beschleunigten enzymatischen Reaktion, dadurch gekennzeichnet, daß das pflanzliche und/oder tierische Substrat, gegebenenfalls in Gegenwart eines geeigneten Coenzyms, durch das Turbulenzfeld einer Homogenisiermaschine, die aus einem Gehäuse mit darin umlaufendem kegelstumpfförmigen Rotor besteht, dessen Mantelfläche mit koaxialen Ringen gestaffelten Durchmessers ausgestattet ist, die jeweils auf Lücke stehen mit gleichartigen Ringen an der dem Rotor gegenüberliegenden Gehäuseinnenwand, zusammen mit einer kleinen, in das Turbulenzfeld eindosierten Menge Enzym mindestens einmal unter innigem Vermischen hindurchgeführt wird. Claims 1. Method for accelerated enzymatic reaction, characterized in that the vegetable and / or animal substrate, optionally in the presence of a suitable coenzyme, through the turbulence field of a homogenizing machine, which consists of a housing with a frustoconical rotor rotating in it, its Outer surface is equipped with coaxial rings of staggered diameter, the each on a gap with rings of the same type on the one opposite the rotor Inner wall of the housing, together with a small one, metered into the turbulence field Amount of enzyme is passed through at least once with intimate mixing. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 0,01 bis 1 Gew.-% Enzym, bezogen aut das Substrat, in Form einer Lösung in das Turbulenzfeld eingedüst wird.2. The method according to claim 1, characterized in that 0.01 to 1% by weight enzyme, based on the substrate, in the form of a solution in the turbulence field is injected. 3. Verzahnen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat geröstet und gemahlene Rakasbohnen und als Enzym Cellulasen, vorzugsweise in Kombination mit Pektinasen, eingesetzt werden.3. Gear according to claim 1 and 2, characterized in that as Substrate roasted and ground rakas beans and cellulases as the enzyme, preferably in combination with pectinases. 4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat cellulosehaltige Pflanzenmaterialien und als Enzyme Cellulase und/oder Hemicellulasen, gegebennfalls in Kombination mit anderen Begleitenzymen eingesetzt werden.4. The method according to claim 1 and 2, characterized in that as Substrate cellulosic plant materials and, as enzymes, cellulase and / or Hemicellulases, if necessary used in combination with other accompanying enzymes will. 5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat Fleischprotein, gegebenenfalls im Gemisch mit tierischem fett, und als Enzyme solche aus der Reihe der proteolytischen Enzyme, vorzugsweise tierische Proteasen, eingesetzt werden.5. The method according to claim 1 and 2, characterized in that as Substrate meat protein, optionally mixed with animal fat, and as Enzymes from the series of proteolytic enzymes, preferably animal proteases, can be used. 6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das im Turbulenzfeld der Homogenisiermaschine erhaltene Substrat-Enzym-Gemisch mindestens ein weiteres Mal in diesem Turbulenzfeld umgewälzt wird.6. The method according to claim 1 to 5, characterized in that the substrate-enzyme mixture obtained in the turbulence field of the homogenizing machine at least is circulated one more time in this turbulence field.