Brevet FR2529229A1 — publié le 19831230

Les réactions catalysées aux enzymes ont l'avantage de procéder avec une grande spécificité chimique dans des conditions relativement modérées et accomplissent souvent ce que lton trouve difficile, sinon impossible, de reproduire en laboratoire. Pour ces raisons, on observe un intérêt croissant quant à l'utilisation des procédés enzymatiques a ltéchelle industrielle. Un exemple parmi beaucoup d'autres que l1on pourrait citer, est la conversion du glucose en fructose au moyen de.la glucose isomérase. Les enzymes sont solubles dans l'eau et si elles sont simplement utilisées dans des solutions aqueuses, la récupé- ration des enzymes pour une reutilisation est difficile et coûteuse. Une utilisation unique de l'enzyme se traduit par un procédé relativement croûteux. En conséquence, on a développé plusieurs techniques pour immobiliser l'enzyme de telle manière que ltactivité enzymatique substantielle se manifeste alors que enzyme elle-même reste solidement fixée sur un support insoluble dans l'eau, permettant ainsi une réutilisation de l'enzyme pendant des périodes de temps importantes et pour des quantites substantielles de matière première.Une illustration d'un procédé d'immobilisation d'une enzyme est donnée dans le brevet US 4 141 857 où um polyamine est absorbée sur un oxyde métallique tel que 1' alumine, traité avec un excès d'un réactif bifonctionnel, tel'que le glutaraldéhyde, de manière à réticuler l'amines puis la masse est mise en contact avec une enzyme pour former des liaisons covalentes entre des groupes aldéhyde latéraux et un groupe amino sur ltenzymee La matrice de support préparée selon le brevet ci-dessus trouve -une grande utilité en immobilisant des entités chimiques réactives, les enzymes n'ôtant qu'une classe de ces entités chimiques réactives. De façon générale, les systèmes d'enzyme immobilisée sont préparés en mettant une solution appropriée contenant enzyme en contact avec la matrice de support, en éliminant l'excès de solution dtenzyme et en récupérant le système d > en- zyme immobilisée résultant. En raison du prix relativement élevé des enzymes, il est hautement désirable d'utiliser les enzymes au maximum. Parmi les caractéristiques identifiables déterminant l'utilisation d'une enzyme dans un système dten- zyme immobilisée, on citera ltactivité et la période de demivie du système d'enzyme immobilisée, et l'efficacité de couplage de l'enzyme avec la matrice de support.L'invention repose sur la découverte selon laquelle un prétraitement dtune matrice de support avec une source d'ions magnésium divalents augmente l'utilisation et l'immobilisation de la glucose iso dérase, L'invention a pour objet un procédé d'augmentation de l'immobilisation de la glucose isomérase sur une matrice de support. Un mode de mise en oeuvre consiste à mettre la matrice de support en contact avec une solution fournissant des ions magnésium divalents, à éliminer l'excès de la solution, et à récupérer la matrice de support imprégnée de magnésium résultante.Dans un mode de mise en oeuvre plus spécifique, le sel est le sulfate de magnésium. Dans un mode de mise en oeuvre encore plus spécifique, la matrice de support est imprégnée avec au moins 0,1 millimole d'ions magnésium divalents par gramme de matrice de support Dtautres buts et modes de mise en oeuvre apparattront à la lecture de la description ci-après. Un système d'enzyme immobilisée consiste en une matrice de support sur laquelle est fixée une enzyme. Une matrice de support est une structure caractérisée par une bonne intégrité physique et des propriétés favorables en ce qui concerne un écoulement liquide dans des conditions rencontrées dans des réacteurs à lit fixe, et en outre par une aptitude à fixer ou immobiliser des enzymes avec une perturbation minimale à l-action enzymatique. Par système enzyme immobiliséea on entend la structure qui résulte de limmobilisation d'une enzyme sur une matrice de support, La fixation ou immobilisation des enzymes sur des matrices de support est représentée par les extrêmes des forces de liaisons physiques et chimiques.On doit reconnattre que dans la plupart des cas, une immobilisation dfune enzyme pro vient dlune combinaison de ces forces de liaison, bien que souvent une seule de ces forces prédomine. La nature de l'immobilisation dtune enzyme est généralement déterminée par la nature de la matrice de support. Par exemple, lorsque la matrice de support est une résine, telle qu'une résine de type phénol-formaldéhyde , la liaison est surtout due à des forces physiques.On obtient un résultat semblable lorsque la matrice de support est d'un type échangeur dotions. Lorsque la matrace de support est constituée d'un matériau minéral rérac- taire tel que des oxydes minéraux, un verre et des céramiques, supportant ou imprégne avec un matériau organique, par exemple des polyamines, portant des groupes latéraux fonctionnels par eux-m & es ou réticulés avec un réactif bifonctionnel qui fournit des groupes fonctionnels latéraux, l'immobilisation de l'enzyme provient principalement d'une réaction chimique d'un site sur l'enzyme avec le groupe fonctionnel latéral de manière à former une liaison covalente. Dans un tel cas, la liaison ou fixation a lieu, au moins en prédominance, par un moyen chimique. Ltinvention est basée sur la découverte selon laquelle une imprégnation de la matrice de support avec des ions magnésium divalents, en mettant par exemple la matrice de support en contact avec une solution fournissant des ions magnésium divalents, augmente une immobilisation ultérieure de la glucose isomérase sur la matrice de support, l'augmentation se manifestant surtout par une période de demi-vie de la glucose isomérase immobilisée, plus longue. De plus, un prôtraitement peut entraîner une diminution du temps nécessaire pour immobiliser la glucose isomérase. I1 est évident que 11 existence d'une période de demi-vie augmentée est très avantageuse et en tratne une amélioration substantielle dans un système de glucose isomérase immobilisée. Le procédé de l'invention s'applique à toutes les matrices de support, quelle que soit leur nature. I1 s'applique en particulier à des matrices de support constituées d'oxydes minéraux réfractaires, poreux, tels que I'alumine, la thorine, la magnésie, la silice et leurs combinaisons, de verre ou de céramiques supportant ou imprégnées avec une polyamine qu'on fait réagir avec un excès d'un réactif bifonctionnel de manière à réticuler la polyamine et fournir un ensemble de groupes fonctionnels latéraux au polymère formé, Parmi les polyamines appropriées, on citera des matériaux tels que la polyéthylène- imine, la polypropylène-imine, la tôtraéthylènepentamine, l'éthylènediamine, la diéthylènetriamine, la triéthylènetétra- mine, la pentaéthylènehexamine, 1' hexaméthylènediamine , la phénylènediamine, et l'amino(polystyrène), la polyéthylèneimine étant un polyamine particulièrement préférée. Parmi les réactifs bifonctionnels, utilisés, on citera le glutaraldéhyde, le succindialdéhyde, aldéhyde de l'acide téréphtalique, et le toluène diisocyanate, le glutaraldéhyde étant souvent le réactif bifonctionnel choisi. En résumé, l'invention consiste à imprégner une matrice de support avec des ions magnésium divalents, par exemple en mettant une matrice de support en contact avec une solution fournissant des ions magnésium divalents, à éliminer l'excès de la solution et à récupérer la matrice de support imprégnée de magnésium. Cette imprégnation de la matrice de support avec des ions magnésium divalents est effectuée avant llimmobilisa- tion de la glucose isomérase sur la matrice. Par "avant" > on entend qu'une telle imprégnation est une étape du procédé effectuée avant l'immobilisation-de l'enzyme. Il est préférable que ltimprégnation soit faite immédiatement avant 1 'immobili- sation, dans le contexte de l'étape du procédé et dans le contexte du temps.Cependant, il est évident qtune telle imprégnation peut & re effectuée plus tôt, dans les deux contextes, dans la mesure ou des évènements ultérieurs ne lixivent pas ou ne diminuent pas substantiellement dune autre manière la quantité d'ions magnésium imprégnée. Comme on l'a expliqué ci-dessus, la matrice de support est imprégnée avec des ions magnésium divalents, en mettant la matrice en contact avec une solution contenant une source dotions magnésium. Des sels minéraux et organiques constituent une sour ce commode d'ion magnésium, et leur nature n'est pas critique quant à la réussite de l'invention dans la mesure où ils ne réagissent pas avec la matrice de support et n'interfèrent pas avec 11 activité de l'enzyme fixée ultérieurement. Parmi les sels qui peuvent être utilisés, on citera les halogénures de magnésium, tel que le chlorure, le bromure et l'iodure de magnésium, le sulfate de magnésium, le nitrate de magnésium, l'hypophosphite de magnésium, le fluorosilicate de magnésium, l'acétate de magnésium et le lactate de magnésium.Le sulfate de magnésium est souvent préféré en raison de sa grande solubilité et de son prix relativement faible. La concentration en ion magnésium divalent dans la solution de contact n'est pas critique, et la limite supérieure au moins peut être dictée par la solubilité de la source des ions magnésium divalent. Des concentrations environ 1 à 25 millimolaires en ion magnésium se sont avérées commodes à ltem- ploi, bien que des concentrations plus élevées et plus faibles ne nuisent pas nécessairement à la mise en oeuvre de l'inven- tion. Bien plus importante est la quantité totale d'ion magnésium divalent imprégnée par gramme de matrice e support. Cette quantité peut dépendre du type de matrice de support utilisé, de la température de contact et de la constitution de la solution enzyme proposée, parmi d'autres facteurs. De façon générale, lorsque la matrice de support n'a pas été auparavant en contact avec des ions magnésium divalents ou ne contient pas indépendamment d'ions magnésium divalents, la matrice de support doit etre imprégnée avec au moins 0,1 millimole d'ion magnésium divalent par gramme de matrice de support Dans un mode de mise en oeuvre préféré, la matrice de support est imprégnée avec des ions magnésium divalents en une quantité d'environ 0,1 à 2 millimoles d'ions par gramme de matrice de support. I1 ne semble pas que ceci constitue une limite supérieu re quant à la quantité d'imprégnation d'ion magnésium nécessaire pour la mise en oeuvre de ltinvention, mais une autre augmentation de l'imprégnation n'aboutit pas nécessairement à d'autres améliorations de l'effet avantageux. Le temps de contact dépend de facteurs tels que la concentration en magnésium dans la solution, la matrice de support utilisée, et les quantités relatives de solution et de matrice de support. Par exemple, lorsque la matrice de support est du type polyamine réticulée, et que la solution est une solution de sulfate de magnésium 5 millimolaire, et que le contact est effectué en faisant passer la solution sur un lit de la matrice de support à une vitesse correspondant à un volume de lit toutes les 4 minutes, un équilibre est alors atteint après le passage sur 7 à 8 volumes de lit.De façon gé nérale, on utilise un excèssuffisamment important de solution de sorte que l'équilibre peut titre atteint en 15 à 30 minutes environ0 Par équilibre, on entend l'état dans lequel la matrice de support ntabsorbe plus de magnésium à partir de la solution de contact. Le procédé de l'invention est appliqué comme suit. On prépare une solution à partir d'un matériau fournissant une source d'ions magnésium divalents. Comme mentionné ci-dessus, des sels minéraux et organiques de magnésium constituent la source dtions magnésium la plus commode.- On met alors la matrice de support en contact avec cette solution pendant un temps suffisant pour garantir l'établissement de l'équilibre dans l'imprégnation des ions magnésium. La température ne semble pas exercer dteffet important, le contact peut titre effectué entre environ O et 90 OC, et de façon générale il a lieu à la température ambiante. Un tel contact peut mettre une opération en discontinu, lorsque la matrice de support et la solution sont mélangées au moins par intermittence. Ou bien - la solution peut passer à travers un lit fixe de la matrice de support. D'autres variantes, où le contact a lieu dans un lit fluidisé, un lit expansé et autres, restent au choix du spécialiste. La mise en oeuvre de l'invention n'est pas limitée à un type particulier de matrice de support. Dans un mode de mise en oeuvre préféré, la matrice de support est un oxyde mi néral imprégné dtune polyamine ultérieurement réticulée avec un excès d'un réactif bifonctionnel de manière à fournir plusieurs groupes fonctionnels latéraux. Par exemple, un oxyde minéral, tel que 11 alumine gamma, peut être mis en contact, avec une solution aqueuse d'une polyamine, telle que la poly éthylèneimine, où la polyamine est présente à une concentration d'environ 1 à 50 So. Le liquide en excès est éliminé par un moyen approprié, tel que la décantation.L'oxyde peut titre lavé avec de 1 liteau pour extraire la polyamine en excès, mais on préfère simplement sécher le matériau par évaporation de l'eau. Unetsolution aqueuse de ragent de réticulation tel que le glutaraldéhyde, contenant environ de 1 à 25 , du réactif bifonctionnel est ajoutée en une quantité suffisante pour fournir un excès d'environ 3 à 50 moles ou plus du réactif bifonctionnel par mole de polyamine. Cette solution est mise en contact, éventuellement en mélangeant, avec oxyde recouvert de polyamine pendant un temps suffisant pour assurer un équilibre, généralement de 5 minutes à 5 heures environ.On élimine alors le liquide du support d'oxyde par un moyen approprié, tel que par décantation et on lave soigneusement le support solide avec de l'eau pour éliminer le réactif bifonctionnel adhérentS mais non fixé chimiquement. Lorsqu'on utilise la matrice de support préférée, 1' imprégnation de magnésium peut avoir lieu comme décrit ci-dessus. Mais, une variante consiste à incorporer une source fournissant des ions magnésium divalents dans la solution de réactif bifonctionnel, de manière à obtenir simultanément-tme réticulation, une fourniture de plusieurs groupes fonctionnels latéraux et une imprégnation avec des ionS magnésium. Le système d'enzyme immobilisée tel qu'un système d'enzyme de glucose isomérase peut etre préparé en mettant la matrice de support imprégnée de magnésium en contact avec une solution contenant de la glucose isomérase à une température d'environ O à 70 OC pendant un temps suffisamment long pour assurer une immobilisation complète. Le contact peut être effectué par un malaxage intermittent lorsque lsopération a lieu en discontinu. Ou bien, le contact peut & re réalisé en fai sant passer la solution d'enzyme à travers un lit fixe ou fluidise dey la matrice de support.Une immobilisation par d'autres moyens, tel que par un lit expansé est évidemment possible pour les spécialistes de la technique et ces autres moyens entrent également dans le cadre de l'invention. Généralement l'immobilisation est totale en 30 heures, selon la température, le procédé d'immobilisation, la concentration de l'enzyme dans la solution proposée, la matrice de support, et autres. Lorsque ltimmobilisation est complète, on élimine l'enzyme adhérente, mais non fixée, en lavant le système, par exemple avec de l'eau désionisée, une solution d'un électrolyte fort et de la matière première, Les exemples non-limitatifs suivants sont donnés à titre d'illustration de l'invention. EXEMPLES 1 et 2 On prépare des matrices de support de la manière suivante. On mélange 400 g d'alumine de 0,250 à 0,177 mm, ABD 0,3, avec une solution aqueuse de polyéthylèneimine à 1,5 S en poids en quantité suffisante pour obtenir 0,117 g de polyamine par gramme d'alumine. Après un malaxage soigneux, on éva pore lweau et on charge alumine imprégnée de polyamine dans une colonne de verre de 5 cm de diamètre interne. On fait passer en écoulement ascendant une solution aqueuse de glutaraldéhyde à 2,5 S0 en poids, de 8 1 au total, à raison de 40 ml par minute pendant 18 minutes, puis on recycle en écoulement descendant à 400 ml par minute pendant 60 minutes. On lave alors le lit avec de l'eau desionisée circulant en écoulement descendant à 400 ml par minute pendant 4 heures et 40 minutes pour éliminer soigneusement tout excès de gluta aldéhyde, A la fin du lavage, l'effluent donne un test de détermination de l'aldéhyde négatif à la fuscine. La matrice de support ainsi préparée est alors prête pour une immobilisation d'enzyme. Lorsqutelle est préparée selon les directives ci-dessus, la matrice est relativement exempte de magnésium0 Pour préparer une matrice imprégnée de magnésium, on remplace le lavage à l'eau desionisée par une solution de sel de magnésium. Par exemple, on fait circuler en écoulement descendant une solution de sulfate de magnésium 0,005 M à 400 ml par minute pendant 4 heures et 40 minutes. Après 30 minutes environ, très peu de magnésium se dépose encore sur la matrice, comme le montre le taux de magnésium dans l'effluent qui est à peu près le mtme que dans la solution initiale. La matrice de support résultante contient 0,13 millimole de magnésium par gramme de matrice de support. Lorsqu'on utilise des concentrations en sulfate de magnésium plus élevées dans la solution de lavage, on obtient des taux dtimprégnation de magnésium plus élevés. Par exemple, en utilisant une solution de sulfate de magnésium 0,010 M, on obtient une matrice contenant 1 3 millimole de magnésium par gramme de matrice de support. EXEPLES 3 et 4 On prépare des systèmes de glucose isomérase immobilisée à partir dtune matrice de support sans magnésium et d'une matrice imprégnée avec 0,13 millimole de magnésium par gramme de matrice, de la maniere suivante. On recycle en écoulement ascendant au total 8,5 litres d'une solution aqueuse à 60 OC, contenant 3 500 unités de glucose isomérase par gramme de matrice de support à travers un lit de matrice de support de 400 g d'alumine pendant 25 minutes à 400 ml par minute. On inverse alors le courant et on recycle à courant descendant la solution d'enzyme pendant 23 heures. On élimine l'excès d'enzyme adhérente, mais non-fixée, par lavage avec une solution de sel, préparée par dissolution de 12 g de sulfate de magnésium et 20 g de sulfite de sodium dans 20 1 d'eau désionisée, en lavant le lit de haut en bas avec 6 1 de cette solution à 400 ml par minute pendant 15 minutes. On lave ensuite la colonne avec 4 1 de la solution de sel recyclée en courant ascendant pendant 30 minutes à 400 ml par minute, après quoi on jette cette solution et on répète trois fois ce procédé de lavage jusqu'à l'utilisation de toute la solution de sel. EXEMPLES 5 et 6 On utilise les systèmes de glucose isomérase immobilisée sans magnésium et imprégné de magnésium préparés comme décrit ci-dessus, comme réacteurs à lit fixe pour la conversion du glucose en fructose. La matière première est une charge de Cerelose à 45 % en poids de solides secs et on effectue le conversions à 60 OC sous atmosphère d'azote à pH 8,0 8j3, à un taux de 42 S0 de fructose dans l'effluent. Les acti usités initiales pour les deux systèmes sont de 2 000 à 2 100 limités par gramme. La période de demi-vie du système sans magnésium est de 58 jours, alors que celle du système imprégné avec 0,13 milTimole d'ion magnésium par gramme de matrice de support est de 78 jours. On voit ainsi que l'imprégnation de magnésium à ce taux augmente la période de demi-vie du système de glucose isomérase immobilisée de plus de 34 So. REVENDI CAT IONS 1 - Procédé d'augmentation de l'immobilisation ultérieure de la glucose isomérase sur une matrice de support, caractérisé en ce qu'on imprègne la matrice, avant le contact avec la glucose isomérase, avec au moins 0,1 millimole d'ion magnésium divalent par gramme de matrice de support et on récupère la matrice de support imprégnée de magnésium résultante. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'imprégnation de la matrice est effectuée essentiellement en mettant la matrice en contact avec une solution fournissant des ions magnésium divalents et en éliminant excès de solution. 3 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la solution fournissant des ions magnésium divalents est une solution dtun sel minéral ou organique de magnésium divalent. 4 - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le sel est choisi parmi les halogénures de magnésium, le sulfate de magnésium, le nitrate de magnésium, l'hypophos phite de magnésium, le fluorosilicate de magnésium, l'acétate de magnésium et le lactate de magnésium. 5 - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le sel est le sulfate de magnésium. 6 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la solution est environ 1 à 25 millimolaire en ion magnésium divalent. 7 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matrice de support est imprégnée avec environ de 0,1 à 2 millimoles d'ion magnésium divalent par g de matrice de support. 8 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la matrice de support est un oxyde minéral imprégné avec une polyamine réticulée avec un excès d'un agent bifonctionnel de manière à fournir un ensemble de groupes fonctionneis latéraux. 9 - Procédé de préparation de glucose isomérase immobilisée,caractérisé en ce qu'il consiste à a) imprégner un oxyde minéral réfractaire, poreux, avec une polyamine ; b) mettre l'oxyde minéral imprégné en contact avec un excès d'un réactif bifonctionnel de manière à réticuler la polyamine et à fournir un ensemble de groupes fonctionnels latéraux c) éliminer l'excès du réactif bifonctionnel ; d) imprégner la matrice de support résultante avec au moins 0,1 millimole d'ion magnésium divalent par gramme de matrice de support :: g) mettre la matrice de support imprégnée de magnésium en contact avec une solution contenant de la glucose isomérase à une température de O à 70 OC environ, jusqu'à ce que 11 immobilisation soit totale ; à f) récupérer la glucose isomérase immobilisée résultante. 10 - Procédé de préparation dtune glucose isomérase immobilisée caractérisé en ce qu'il consiste à a) imprégner un oxyde minéral réfractaire poreux avec une polyamine ; b) mettre l'oxyde minéral imprégné en contact avec une solution contenant un excès dtun réactif bifonctionnel et des ions magnésium divalents de manière à réticuler la polyamine et fournir un ensemble de groupes fonctionnels latéraux tout en imprégnant la matrice de support résultante avec des ions magnésium ; c) éliminer l'excès de solution d) mettre la matrice de support résultante en contact avec une solution contenant de la glucose isomérase à une température comprise entre O et 70 OC environ, jusqu'a ce que l'immobilisation soit totale ; et e) récupérer la glucose isomérase immobilisée résultante. ll - Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'imprégnation de la matrice consiste essentiellement à mettre la matrice en contact avec une solution fournissant des ions magnésium divalents, et à éliminer excès de solution. 12 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 et 10, caractérisé en ce que l'oxyde minéral est choisi parmi l'alumine, la thorine, la magnésie, la silice et leurs combinaisons. 13 - Procédé selon l1une quelconque des revendications 9 et 10, caractérisé en ce que la polyamine est choisie parmi la polyéthylèneimine, la polypropylèneimine, la tétraéthylènepentamine, l'éthylènediariiine, le diéthylènetriamine, la trié thylènetôtramine, la pentaéthylènehexamine, la diéthylènetriamine, la triéthylènetôtramine, la pentaéthylènehexamine, 1'hexaméthylènediamine, la phénylène diamine et lamino(polys- tyrène). 14 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 et 10, caractérisé en ce que le réactif bifonctionnel est choisi parmi le glutaraldéhyde, le succindialdéhyde, l'aldéhyde de l'acide térephthalique et le toluène diisocyanate. 15 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 et 11, caractérisé en ce que la solution fournissant des ions magnésium divalents est une solution d > un sel minéral ou organique de magnésium divalent. 16 - Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que le sel est choisi parmi les halogénures de magnésium, le sulfate de magnésium, le-nitrate de magnésium, l'hypophos phite de magnésium, le fluorosilicate de magnésium, l'acétate de magnésium et le lactate de magnésium. 17 - Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce que le sel est le sulfate de magnésium. 18 - Procédé selon lZune quelconque des revendications 10 et 11, caractérisé en ce que la solution contenant des ions magnésium divalents est de 1 à 25 millimolaire en ion magnésium divalent. 19 - Procédé selon ltune quelconque des revendications 9 et 10, caractérisé en ce que la matrice de support est imprégnée avec au moins 0,13 millimoles dwion magnésium divalent par gramme de matrice de support. 20 - Système de glucose isomérase immobilisée prépa roe par le procédé selon l'une des revendications précedentes