Brevet FR2531452A1 — publié le 19840210

Les réactions catalysées par des enzymes ont l'avantage de s'effectuer avec une grande spécificité chimique dans des conditions relativement douces, et réalisent souvent ce que l'on trouve difficile, sinon impossible, à reproduire au laboratoire. Pour cette raison, on s'intéresse de plus en plus à l'utilisation de procédés enzymatiques à l'échelle industrielle. Un exemple, parmi un grand nombre que l'on pourrait citer, est la transformation du glucose en fructose en utilisant la glucose-isomérase. Les enzymes sont souvent solubles dans l'eau, et si elles sont simplement utilisées en solutions aqueuses, leur récupération pour les réutiliser est difficile et coûteuse. L'utilisation de l'enzyme une fois seulement offre un procédé qui est relativement couteux. Par cons-équent, de nombreuses techniques ont été mises au point pour immobiliser L'enzyme de telle manière que l'activité enzymatique mportante soit-manifestée tandis que l'enzyme elle-même reste fermement fixée à un support insoluble dans l'eau, ce qui permet sa réutilisation pendant de longues périodes et pour de grandes quantités de matière de charge.Un exemple d'un procédé d'immobilisation d'une enzyme se trouve dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 4 141 857 où une polyamine est absorbée -sur un oxyde métallique, tel que l'alumine, traité avec un excès d'un réactif bifonctionnel, par exemple le glutaraldéhyde, de manière à réticuler l'amine, puis on met en contact la masse avec ltenzyme pour former des liaisons covalentes entre les groupes aldéhyde pendants et un groupe amino sur l'enzyme. La matrice de support préparée selon l'invention susmentionnée présente une grande utilité pour l'immobilisation d'entités chimiques réactives, les enzymes ne constituant qu'une classe de telles entités chimiques réactives. Un système à enzyme-immobilisé est la matière résultant de l'immobilisation d'une enzyme sur une matrice de support. Les systèmes à matrices de support magnétiques et à enzymes immobilisées offrent plusieurs avantages par rapport aux systèmes non magnétiques. Par exemple, la séparation de ces matières d'autres solides non magnétiques par l'utilisation d'un champ magnétique peut permettre des séparations qui seraient autrement difficiles ou impossibles à réaliser. Une telle situation est représentée par le cas où deux enzymes, ayant des temps de désactivation différents, sont utilisées simultanément sur un substrat, un système à enzyme immobilisé étant magnétique et l'autre étant non magnétique. Dans ce cas, après épuisement d'une enzyme, l'autre peut être facilement récupé-. rée et réutilisée par une séparation magnétique des deux systèmes à enzyme immobilisée, qui sont reconnus pour offrir de grands avantages économiques. Un autre avantage de ces matières magnétiques est leur utilisation dans un lit fluide stabilisé magnétiquement, permettant ainsi d'autres options dans les systèmes de réacteurs continus. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N04 152 210 décrit une matrice de support constituée de particules de matières ferro-magnétiques. Les enzymes sont liées à ces particules par des réactifs qui réagissent avec une pellicule d'oxyde métallique se trouvant à la surface des particules, ou à une matière polymère fixée au support. Un sérieux inconvénient de cette matrice de support est sa haute densité. Cet inconvénient est surmonté dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N04 177 253 qui décrit un produit composite ferromagnétique comprenant un noyau de faible densité dont la surface est revêtue de matières magnétiques.Du fait que plus de 50 S de ia surface doivent être aussi revetus, cette dernière matrice de support présente l'inconvénient de réduire le nombre de sites disponibles pour une liaison ultérieure d'enzyme, ce qui pré- sente ainsi des limitations importantes à la quantité d'enzyme qui peut etre immobilisée. En outre, du fait qu'un revêtement superficiel de matière ferromagnétique nécessite un procédé de préparation qui est assez élaboré, complexe et fastidieux, on peut s'attendre à ce que ces supports soient assez coûteux et industriellement irréalisables. Des supports magnétiques destinés à des enzymes immobilisées et des adsorbants ayant une affinité biologique ont été décrits par Halling et Dunnill, dans Enzyme Microb. Technol., 2, 2-10 (1980). I1 est très souhaitable de disposer d'une matrice de support magnétique dont la seule différence par rapport à une matrice classique de ce type réside dans ses propriétés magnétiques, et qui peut etre facilement préparée par des processus simples Ceci implique un support magnétique dont les matières magnétiques ne sont pas liées sous forme d'un revetement de surface et qui peut etre préparé par une variante du procédé de préparation de base. L'invention se propose de fournir une matrice de support poreuse magnétique. Une forme de réalisation comprend un oxyde minéral réfractaire poreux à l'intérieur duquel sont dispersées des particules de matières ferromagnétiques, cet oxyde étant-impregné d'une polyamine réticulée avec un excès d'un réactif bifonctionnel de manière à produire des groupes fonctionnels péndants. Dans une forme de réalisation plus spécifique, les particules ont une dimension d'au moins 0,05 micromètres et sont choisies parmi le fer, le cobalt et le nickel. Dans une forme de réalisation encore plus particulière, la polyamine est la polyéthylèneimine et le réactif bifonctionnel est le glutaraldéhyde. Les matrices de support du brevet des Etats Unis d'Amérique N04 141 857 sont très efficaces et ont eu un grand succès pour diverses enzymes. La présente demande décrit des matrices de support offrant les avantages d'une matrice de support magnétique tout en bénéficiant des avantages de la matrice de support décrite dans le brevet précité. En bref, la matrice de support de la présente invention comprend un oxyde minéral réfractaire poreux à l'intérieur duquel se trouvent des particules dispersées de matières ferromagnétiques, cet oxyde étant imprégné d'une polyamine réticulée avec un excès d'un réactif bifonctionnel de manière à fournir des groupes fonctionnels pendants. Parmi les -oxydes minéraux réfractaires poreux de la présente invention, on peut citer l'alumine, l'oxyde de thorium, la magnésie, la silice et leurs associations, l'alumine étant préférée. Ces oxydes peuvent être sous la forme de gran-ules ou de poudres d'une dimension aussi faible que 0,149 mm environ, sous forme de sphères, de pastilles, de produits extrudés, etc. Un point nouveau de la présente invention reside dans le fait que des particules de matières magnétiques ou ferromagnétiques sont dispersées dans l'intérieur de ces particules d'oxyde. La dispersion des particules ferromagnétiques se.produit plus ou moins uniformément dans tout le corps de l'oxyde. Du fait de cette dispersion uniforme, certaines particules ferromagnétiques se trouvent sur la surface de l'oxyde Cependant, on doit remarquer et souligner que la présence de certaines matières ferromagnétiques à la surface est accessoire et qu'elle ne fait pas partie de l'invention. On doit également souligner que seule une fraction relativement petite des particules ferromagnétiques se trouvent à la surface, cette fraction étant inférieure, et généralement très inférieure, à environ 10 X de la totalité. La dimension particulaire des matières ferromagnétiques est généralement supérieure à 0,05 micromètre environ. La limite inférieure est dictée par la nécessité d'empecher une partie importante de la matiere ferromagnétique d'etre oxydée à un état non ferromagnétique. Lorsque le produit de la matière ferromagnétique est lui-même ferromagnétique, cette limite inférieure de dimension particulaire peut ne pas s'appliquer. Une limite supérieure est dictée par la nécessité que le diamètre des particules d'oxyde formées soit d'au moins dix fois environ le diamètre des matières ferromagnétiques dispersées à l'intérieur de ces particules.Ainsi, la dimension particulaire peut etre aussi grande que 0,5 mm environ, la gamme d'environ 0,1 micromètre à environ 0,1 mm étant préférée, et des dimensions comprises entre environ 0,5 micromètre et environ 50 micromètres étant encore davantage préférées. Les matières ferromagnétiques qui peuvent être utilisées dans la présente invention comprennent toutes les matières appropriées ayant des propriétés ferromagnétiques. Des exemples de telles matières ferromagnétiques comprennent le nickel, dïvers aciers ferromagnétiques tels que l'acier au carbone, l'acier au chrome, l'acier au tungstène, l'acier laminé à froid, l'acier au cobalt, par exemple des alliages ferromagnétiques tels qué Ferroxdur, Oerstit, Permalloy, Hipernik, Ferroxcube, Sinimax, Alnico, Hycomax, Remalloy, Hyflux, et d'autres alliages énumérés dans CRC Handbook, 50ème édition, E-124 à E-129 et des composés, tels que la magnétite, des métaux éi-dessus qui sont eux-mêmes ferromagnétiques.Ces matières ferromagnétiques sont présentes en une proportion d'environ 1 à en viron 40 S en poids, basée sur l'oxyde minéral. L'oxyde minéral dont l'intérieur contient des particules ferromagnétiques dispersées est imprégné d'une polyamine ultérieurement réticulée avec un excès d'un réactif bifonctionnel de manière à fournir des groupes fonctionnels pendants. Parmi les polyamines qui peuvent etre utilisées avec succès, on peut citer la polyéthylèneimine, la tétraéthylènepentamine, l'éthylènediamine, la diéthylènetriamine, la triéthylènetétramine, la pentaéthylènehexamine, l'hexaméthylènediamine et la phénylènediamine. Parmi ces matières, on préfère en particulier la polyéthylèneimine. Le réactif bifonctionnel sert simultanément à réticuler la polyamine, en offrant ainsi une couche fixée fermement, et à fournir des groupes fonctionnels pendants qui peuvent ensuite réagir avec une enzyme de manière à la lier à la matrice de support. Parmi les réactifs bifonctionnels que l'on peut utiliser, on citera le glutaraldéhyde, le succindialdéhyde, le téréphtaldéhyde et le toluène-diisocyanate, le glutaraldéhyde étant plutôt préférable. Les systèmes à enzymes immobilisées résultent du couplage ou de la fixation d'une enzyme à la matrice de support. En conséquence, ces systèmes à enzymes immobilisées consistent en la matrice de support et l'enzyme qui y est fixée. Des exemples d'enzymes que l'on peut utiliser, représentatifs simplement du groupe, comprennent la gluco se-isomérase, la glucoamylase, la lactase, la cellulase, la glucose-oxydase, la peroxydase, la ribonucléase, l'urea- se, l'histidinase, la trypsine, la papaine, l'hexokinase, la chymotrypsine, l'acylase, l'invertase, la ficine, le ly sozyme, la protéase, la pepsine, la rennine, la xylanase, la be-ta-amylase, la gamma-amylase, l'asparaginase, la eho- lestérol-oxydase, l'alcool-déshydrogénénase, l'amino-acide- oxydase, la collagénase, l'arginase, la catalase et la désoxyribonucléase. La matrice de support de la présente invention peut être préparée en produisant d'abord l'oxyde minéral réfractaire poreux en présence d'une fine dispersion de matière ferromagnétique. Par exemple, on peut mélanger un sol d'alumine avec une suspension de matière ferromagnétique de la dimension désirée et dans un rapport tel mulon obtienne le pourcentage désiré de matière ferromagnétique. Le sol est ensuite gélifié rapidement de manière que l'oxy- de solide soit formé autour des particules dispersées de matières ferromagnétiques, ces dernières se dispersant plus ou moins uniformément dans l'ensemble de l'oxyde. Le spl est ensuite calciné, par exemple à 6500C pendant environ deux heures, dans des conditions dans lesquelles la matière ferromagnétique n'est pas oxydée à un état non ferromagnétique. Par exemple, lorsqu'on utilise des particules de nickel supérieures à environ deux micromètres, la calcination peut avoir lieu à l'air. Cependant, lorsqu'on utilise de la magnétite de même dimension, la calcination doit avoir lieu en atmosphère inerte ou non oxydante telle que d'azote, d'hydrogène, d'argon, etc. Après avoir préparé l'oxyde avec les particules ferromagnétiques dispersées à l'intérieur, on termine la préparation de la matrice de support comme décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N04 141 857. Les exemples non limitatifs suivants illustrent l'invention. Exemple 1. L'oxyde minéral réfractaire poreux contenant des particules dispersées de matières ferromagnétiques est préparé par le procédé de chute--dans l'huile selon le brevet des Etats-Unis d'Amérique N02 620 314. Un sol d'alumine est préparé en faisant réagir des pastilles d'aluminium d'une pureté de 99,9 X avec de l'acide chlorhydrique réactif et de l'eau dés ionisée pour obtenir une matière ayant un rapport de l'aluminium au chlore de 1,35 contenant 12,62 X en poids d'aluminium. On mélange 500 ml de sol, 500 ml de solution à 28 X en poids d'hexaméthylènetétramine et 16 g de magnétite (Fe304) ayant une dimension particulaire moyenne de 0,7 micromètre.Des gouttelettes d'un diamètre de 1,6 mm sont formées et traversent une colonne de 2,4 m d'huile à 95 Co. Les sphères sont recueillies dans un bécher en acier inoxydable, recouvertes d'huile chaude et placées dans une étuve à 1000C pendant 19 heures. On les transfère ensuite dans une tour de lavage et on fait passer 18,9 litres de solution aqueuse à 1 % d'ammoniaque à 95 sur les sphères pendant 6 heures. Les sphères sont ensuite lavées avec 18,9 litres de solution aqueuse à-0,01 d'ammoniaque pendant 7 heures et séchées à 1200G pendant 4 heures. Cette matière est calcine sous azote à 6500C pendant 1 heure, la matière résultante étant magnétique. Cependant, lorsque la matière est calcinée à l'air à 6506600C pendant environ 1,5 heure, pratiquement aucune partie de la matière n'est magnétique. Exemple 2. On prépare de l'alumine contenant du nickel par un processus analogue à celui indiqué ci-dessus. On utilise 600 m d'un sol (rapport de l'aluminiùm au chlore de 1,62 à 12 X en poids d'aluminium), 600 ml de solution à 28 X en poids d'hexaméthylènetétramine, et 18 g de pou dre de nickel d'une dimension particulaire moyenne de 1,4 micromètre. La calcination est effectuée dans une atmosphère d'azote et d'hydrogène (environ 90 S d'azote) à 6000C pendant 1 heure et à 6500C pendant 15 minutes à un débit d'écoulement de 2 litres par minute. La matière ainsi préparée est magnétique. Des calcinations analogues sous azote et à l'air offrent également une matière magnétique.Même lorsque la calcination est réalisée à l'air à 6500C pendant 3,5 heures, l'échantillon reste magnétique. Exemple 3. Un échantillon de nickel dans de l'alumine tel que préparé à l'exemple 2 et calciné sous atmosphère d'azote et d'hydrogène (90 d'azote) est broyé et tamisé à une dimension traversant un tamis à mailles de 0,50-0,71 mm, 1 g d'échantillon est traité avec 10 ml de polyéthylèneimine à 1,5 pendant 1 heure sous vide. La matière résultante imprégnée de polyamine est séchée sur un entonnoir de Büchner, puis laissée sécher davantage pendant une nuit sur du papier-filtre. Un échantillon de 0,5 g de la matière solide séchée est traitée avec 5 ml de glutaraldéhyde à 1 avec mélange intermittent.Le liquide se sépare par décantation et la matière solide est lavée jusqu'à épuisement avec de l'eau désionisée jusqu'à ce qu'on observe un résultat négatif à l'essai au Fuchsine aldéhyde pour les liqueurs de lavage. Le solide résultant est secoué avec environ 10 ml d'une solution contenant environ 1700 unités internationales de glucose-isomérase pendant environ 18 heures. La solution enzymatique en excès est séparée par décantation, et le système à enzymé immobilisée est lavé soigneusement avec de l'eau désionisée pour enlever l'enzyme adhérente mais non liée. La matière ainsi préparée est analysée dans un système en écoulement dans un réacteur en utilisant 45 de fructose comme matière de charge contenant 5 mM de sulfate de magnésium à pH 8,0. L'analyse de l'effluent par chromatographie en phase liquide à haute pression pour la détermination de la teneur en saccharose montre une activité de 961 unités internationales par gramme. La glucose-isomérase immobilisée préparée sur de l'alumine traversant un tamis à mailles de 0,50-0,71 mm analogue sous tous les rapports, à la différence de la suppression du nickel, montre des activités d'environ 100 unités par gramme. En conséquence, la glucose-isomérase montre des activités comparables sur les supports magnétiques et non magnétiques. REVENDICATIONS 1. Matrice de support magnétique caractérisée en ce qu'elle comprend un oxyde minéral réfractaire poreux à l'intérieur duquel se trouvent des particules dispersées de matières ferromagnétiques, ledit oxyde étant imprégné d'une polyamine réticulée avec un réactif bifonctionnel en excès de manière à fournir des groupes fonctionnels pendants. 2. Matrice de support selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'oxyde minéral réfractaire poreux est choisi parmi l'alumine, l'oxyde de thorium, la magnésie, la silice et des associations de ceux-ci. 3. Matrice de support selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'oxyde est l'alumine. 4. Matrice de support selon la revendication 1, caractérisée en ce que les matières ferromagnétiques sont choisies parmi le fer, le cobalt, le nickel, la ma gnétite et leurs alliages et composés ferromagnétiques. 5. Matrice de support selon la revendication 1, caractérisée en ce que les particules de matières fer romagnétiques ont une dimension d'au moins 0,05 micromètre. 6. Matrice de support selon la revendication 1, caractérisée en ce que les matières ferromagnétiques sont présentes en proportion d'environ 1 à environ 40 S en poids. 7. Matrice de support selon la revendication 1, caractérisée en ce que la polyamine est choisie parmi la polyéthylèneimine, la tétraéthylènepentamine, l'éthylènediamine, la diéthylènetriamine, la triéthylènetétramine, la pentaéthylènehexamine, lthexaméthylènediamine et la phénylènediamine. 8. Matrice de support selon la revendication 7, caractérisée en ce que la polyamine est la polyéthylèneimine. 9. Matrice de support selon la revendication 1, caractérisée en ce que le réactif bifonctionnel est choisi parmi le glutaraldéhyde, le succindialdéhyde, le téréphtaldéhyde, et le toluène diisocyanate. lo, Matrice de support selon la revendication 9, caractérisée en ce que le réactif bifonctionnel est le glutaraldéhyde. 11. Système magnétique à enzyme immobilisée, caractérisé en ce qu'il comprend un oxyde minéral réfractaire poreux à l'intérieur duquel se trouvent des particules dispersées de matières ferromagnétiques, ledit oxyde étant imprégné d'une polyamine réticulée avec un excès d'un réactif bifonctionnel de manière à fournir des groupes fonctionnels pendants, une enzyme y étant fixée. 12. Système à enzyme immobilisée selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'oxyde minéral réfractaire poreux est choisi parmi l'alumine, l'oxyde de thorium, la magnésie, la silice et leurs associations. 13. Système à enzyme immobilisée selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'oxyde est l'alumine. 14. Système à enzyme immobilisée selon la revendication 11, caractérisé en ceque les matières ferromagnétiques sont choisies parmi le fer, le cobalt, le nickel, la magnétite et leurs alliages et composés ferromagnétiques. 15 Système à enzyme immobilisée selon la revendication 11, caractérisé en ce que les particules de matière ferromagnétique ont une dimension d'au moins 0,05 micromètre. 16. Système à enzyme immobilisée selon la revendication 11, caractérisé en ce que les matières ferromagnétiques sont présentes en une proportion d'environ 1 à environ 40 S en poids. 17. Système à enzyme immobilisée selon la revendication 11, caractérisé en ce que la polyamine est choisie parmi la polyéthylèneimine, la tetraéthylènepentamine, l'éthylènediamine, la diéthylènetriamine, la triéthylènetétramine; la pentaéthylènehexamine, lhexaméthy- lènediamine, et la phénylènediamine. 18. Système à enzyme immobilisée selon la re vendication 17, caractérisé en ce que la polyamine est la polyéthylèneimine. 19. Système à enzyme immobilisée selon la revendication 11, caractérisé en ce que le réactif bifone- tionnel est choisi parmi le glutaraldéhyde, le succindialdéhyde, le téréphtaldéhyde et le toluène diisocyanate. -20. Système à enzyme immobilisée selon la revendication 19, caractérisé en ce que le réactif bifonctionnel est le glutaraldéhyde. 21. Système à enzyme immobilisé selon l'une quelconque des revendications 11 à 20, caractérisé en ce que l'enzyme est choisie parmi la glucose-isomérase, la glucoamylase, la lactase, la cellulase, la glucose-oxydase, la peroxydase, la ribonucléase, l'uréase, l'histidinase, la trypsine, la papaïne, l'hexokinase, la chymotrypsine, l'acylase, l'invertase, la ficine, le lysozyme, la protéase, la pepsine, la rennine, la xylanase, la bêta-amylase, la gamma-amylase, l'asparaginase, la cholestérol-oxydase, l'alcool-déshydrogénase, l'amino-acide-oxydase, la collagénase, l'arginase, la catalase et la désoxyribonucléase.