Using the immobilized glucose isomerase, the effect of diffusional limitation on the observed kinetics of immobilized enzyme system were studied. The specific activity of this enzyme was determined as 150 units per gram of enzyme matrix, the thermal inactivation of this enzyme follows the first order decay, and the decay constant was determined as 0.00080 $hr^{-1}$, which corresponds to the half life of about 36 days at 65 ±0.5 ℃. The steady state conversion was examined as a function of the space time in the packed bed reactor.
The apparent Michaelis constant, Km(app), in the differential reactor system was determined as 0.42 M, which was more than 15 times greater than the value in the batch system. And the maximum reaction rate, Vm(app), was 0.19 Mol/l-min, which is about 20 times lower than the value in the batch system. These data suggest that this immobilized glucose isomerase may be highly diffusion controlled.
Therefore, the effect of superficial velocity on the apparent kinetic behavior of this enzyme was studied. The results showed that the apparent Michaelis constant of the forward reaction, i.e. Kmf(app) and Vmf(app) varied significantly with the change of superficial velocity, while the kinetic constants for the reverse reaction slightly varied only.
Using these data, computer simulation was carried out and we found that the overall reaction rate of this enzyme was significantly affected by the change of superficial velocity in the packed bed reactor.
Recognizing the importance of these data, several packed bed reactors were designed. These reactors have different ratio of height to diameter, H/D, but packed with the same amount of immobilized enzyme and 1.0 M of substrate solution was passed with same space time at the flow rate of 0.6 - 1.25 ml/min. The performance of these reactors, usually expressed as the productivity, were examined as a function of varying H/D ratio.
As was expected from the simulation data, the productivity of this reactors goes through a maximum value at about 1.5 H/D ratio, and decreased significantly as the H/D ratio increased. Based on these results one may conclude that the reactor geometry, namely, the H/D ratio is a very important factor for the optimal design and best performance of the immobilized glucose isomerase reactor system under a given set of optimum operating conditions.
고정화된 포도당 이성화효소를 이용하여 물질전달속도가 고정화효소의 겉보기 Michaelis-Menten 상수와 최대반응속도에 미치는 영향을 연구하였으며, 이로부터 고정화된 포도당 이성화효소의 충진식연속 반응기 설계에 있어서 중요한 인자를 예견하였다.
포도당이성화효소를 포함하고 있는 Bacillus coagulance 세포를 고정화시킨 glucose isomerase 효소를 준비하였으며 이 연구가 진행되는 동안 활성의 감퇴를 줄이기위해 0 ℃ 의 냉장실에 저장하였다. 일련의 연구를 진행하기 위하여 우선 이 고정화효소의 단위활성 역가를 측정하였다. 충진반응기에서의 단위활성역가는 약 150 IGIU 이었다. 충진반응기의 실제 공간부분율을 측정하기 위하여 Tracer 로써 DL-Tyrosine (M.W. 180)을 사용하여 체제시간 분포를 관찰하였고 이로부터 공간부분율을 계산하였으며 그 값은 0.4-0.6 이었다. 이 효소의 활성감퇴현상을 고찰하기 위하여 65.0 ± 0.5 ℃ 에서 2.6 M 농도의 포도당용액을 6ml/hr 의 속도로 180시간동안 작동시켰다. 이로부터 이 효소의 활성감퇴속도가 일차반응을 따르며 그때의 감퇴상수는 $0.00080 hr^{-1}$ 임을 알수 있었으며 활성반감기는 36일 정도임을 알수 있었다.
이 고정화 효소의 회분식 반응기에서의 정반응 Michaelis -Menten 상수는 0.028 M 이었고 최대반응속도는 2.65 mol/l-min 이었으며 미분식 반응기에서는 각각 0.42 M, 0.19mol/l-min 임을 알수 있었다.
또한 이러한 상수들이 충진식 반응기에서 용액의 실제속도의 변화에 대하여 현저하게 변화하는것을 알수 있었으며, 이때의 정반응상수와 역반응상수의 변화를 조사하였다.
이러한 실험결과를 바탕으로 computer 를 이용, 계산해 본 결과 실제속도가 증가함에 따라 전반응속도는 점차 증가하여 최대값을 나타내고 곧 감소되는 현상을 알수 있었다.
이러한 결과를 실제 충진식 반응기 설계에 적용하여 실험해 본 결과 예상한 바와같은 결과를 얻었다. 즉 반응기의 높이/직경의 비율이 점차 증가함에 따라 최대값을 나타낸후 점차 감소함을 알수 있었다.
이러한 결과를 바탕으로 이 효소의 충진식 연속반응기 설계에 있어 충진반응기의 외형(높이/직경)이 매우 중요한 설계인자임을 알수 있었다.
