Войти
Промышленные ферменты - это ферменты, которые коммерчески используются в различных отраслях промышленности, таких как фармацевтика, химическое производство, биотопливо, продукты питания и напитки, а также потребительские товары. Благодаря достижениям последних лет, биокатализ с помощью изолированных ферментов считается более экономичным, чем использование целых клеток. Ферменты могут использоваться в качестве единичной операции в процессе для получения желаемого продукта или могут быть интересующим продуктом. Промышленный биологический катализ с помощью ферментов в последние годы переживает бурный рост из-за их способности работать в мягких условиях, а также исключительной хиральной и позиционной специфичности, чего не хватает традиционным химическим процессам. Изолированные ферменты обычно используются в реакциях гидролитической и изомеризации. Целые клетки обычно используются, когда реакция требует кофактора. Хотя кофакторы могут быть созданы in vitro, обычно более рентабельно использовать метаболически активные клетки.
Несмотря на их превосходные каталитические способности, во многих случаях ферменты и их свойства необходимо улучшить перед промышленным внедрением. Некоторые аспекты ферментов, которые необходимо улучшить перед внедрением, включают стабильность, активность, ингибирование продуктами реакции и селективность по отношению к неприродным субстратам. Это может быть достигнуто путем иммобилизации ферментов на твердом материале, таком как пористый носитель. Иммобилизация ферментов значительно упрощает процесс восстановления, улучшает контроль процесса и снижает эксплуатационные расходы. Существует множество методов иммобилизации, таких как адсорбция, ковалентное связывание, аффинность и захват. В идеальных процессах иммобилизации не следует использовать высокотоксичные реагенты в технике иммобилизации для обеспечения стабильности ферментов. После завершения иммобилизации ферменты помещают в реакционный сосуд для биокатализа.
Адсорбция фермента на носителях функционирует на основе химических и физических явлений, таких как силы Ван-дер-Ваальса, ионные взаимодействия и водородная связь. Эти силы слабые и, как следствие, не влияют на структуру фермента. Могут использоваться самые разные ферментные носители. Выбор носителя зависит от площади поверхности, размера частиц, структуры пор и типа функциональной группы.
Пример иммобилизации фермента посредством ковалентного связывания Можно использовать многие химические методы связывания прикрепить фермент к поверхности с разной степенью успеха. Наиболее успешные методы ковалентного связывания включают связывание через глутаральдегид с аминогруппами и сложными эфирами. Эти методы иммобилизации применяются при температуре окружающей среды в мягких условиях, которые имеют ограниченный потенциал для изменения структуры и функции фермента.
Иммобилизация с использованием аффинности зависит от специфичность фермента к связыванию аффинного лиганда с ферментом с образованием ковалентно связанного комплекса фермент-лиганд. Комплекс вводится в матрицу-носитель, для которой лиганд имеет высокую аффинность связывания, и фермент иммобилизируется посредством взаимодействий лиганд-носитель.
Иммобилизация с использованием улавливания основывается на захвате ферментов в гелях или волокнах с использованием нековалентных взаимодействий. Характеристики, которые определяют успешный улавливающий материал, включают большую площадь поверхности, равномерное распределение пор, регулируемый размер пор и высокую адсорбционную способность.
Ферменты обычно представляют собой значительные эксплуатационные расходы для промышленных процессов и во многих случаях их необходимо восстанавливать и повторно использовать, чтобы обеспечить экономическую осуществимость процесса. Хотя в некоторых биокаталитических процессах используются органические растворители, большинство процессов происходит в водной среде, что упрощает разделение. Большинство биокаталитических процессов происходит периодически, что отличает их от обычных химических процессов. В результате в типичных биопроцессах используется метод разделения после биоконверсии. В этом случае накопление продукта может вызвать угнетение активности фермента. Текущие исследования проводятся для разработки методов разделения на месте, когда продукт удаляется из партии в процессе конверсии. Разделение ферментов может быть выполнено с помощью методов экстракции твердой и жидкой фаз, таких как центрифугирование или фильтрация, и раствор, содержащий продукт, подают ниже по потоку для разделения продукта.
| Ферменты как единое целое | ||
|---|---|---|
| Фермент | Промышленность | Применение |
| Пища | Усиление вкуса сыра | |
| Липозим TL IM | Пища | Переэтерификация растительного масла |
| Липаза AK Amano | Фармацевтический | Синтез хиральных соединений |
| F | Пищевой | Эмульгатор |
| Целлюлаза | Биотопливо | Класс ферментов, которые разлагают целлюлозу до мономеров глюкозы |
| Амилаза | Пища / биотопливо | Класс ферментов, разлагающих крахмал до мономеров глюкозы |
| Ксилозоизомераза | Пища | Производство кукурузного сиропа с высоким содержанием фруктозы |
| Бумага | Контроль высоты тона при переработке бумаги | |
| Пенициллинамидаза | Фармацевтика | Производство синтетических антибиотиков |
| Амидаза | Химическая промышленность | Класс ферментов используется для непротеиногенного энантиомера Производство чисто чистой аминокислоты |
Для промышленного внедрения фермента рассматриваются следующие процессы производства ферментов до и после обработки:
восходящие процессы те, которые способствуют выработке фермента.
Фермент должен быть выбран на основе желаемой реакции. Выбранный фермент определяет необходимые рабочие свойства, такие как pH, температура, активность и сродство к субстрату.
Выбор источника ферменты - важный этап в производстве ферментов. Обычно изучают роль ферментов в природе и их связь с желаемым производственным процессом. Ферменты чаще всего поступают из бактерий, грибков и дрожжей. После выбора источника фермента могут быть выполнены генетические модификации для увеличения экспрессии гена, ответственного за продуцирование фермента.
Разработка процесса обычно выполняется после генетической модификации исходный организм, и включает модификацию питательной среды и условий роста. Во многих случаях разработка процесса направлена на уменьшение мРНК гидролиза и протеолиза.
Увеличение производства ферментов требует оптимизации процесса ферментации. Большинство ферментов производятся в аэробных условиях и, как следствие, требуют постоянного поступления кислорода, что влияет на конструкцию ферментера. Из-за различий в распределении растворенного кислорода, а также температуры, pH и питательных веществ необходимо учитывать явления переноса, связанные с этими параметрами. Наивысшая возможная производительность ферментера достигается при максимальной транспортной способности ферментера.
Последующие процессы - это процессы, которые способствуют разделению или очистке ферментов.
Процедуры извлечения ферментов зависят от исходного организма, а также от того, являются ли ферменты внутриклеточными или внеклеточными. Обычно внутриклеточные ферменты требуют лизиса клеток и разделения сложных биохимических смесей. Внеклеточные ферменты попадают в культуральную среду, и их гораздо проще отделить. Ферменты должны сохранять свою природную конформацию, чтобы обеспечить свою каталитическую способность. Поскольку ферменты очень чувствительны к pH, температуре и ионной силе среды, необходимо использовать мягкие условия выделения.
В зависимости от предполагаемого использования фермента, требуются разные уровни чистоты. Например, ферменты, используемые для диагностических целей, должны быть разделены до более высокой чистоты, чем промышленные ферменты в больших объемах, чтобы предотвратить каталитическую активность, которая дает ошибочные результаты. Ферменты, используемые в терапевтических целях, обычно требуют строжайшего разделения. Чаще всего для разделения используется комбинация стадий хроматографии.
Очищенные ферменты либо продаются в чистом виде и продаются другим отраслям промышленности, либо добавляются в потребительские товары.
| Ферменты как желаемый продукт | ||
|---|---|---|
| Фермент | Промышленность | Применение |
| Потребительские товары | Производство изопропилмиристата (косметика) | |
| Бромелайн | Продукты питания | Размягчители мяса |
| Продукты питания | Улучшение качества лапши | |
| Аспарагиназа | Фармацевтические препараты | Лечебные средства против лимфатического рака |
| Фицин | Фармацевтические | Пищеварительная помощь |
| Урокиназа | Фармацевтический | Антикоагулянт |
| β-лактамаза | Фармацевтический | Лечение аллергии на пенициллин |
| Субтилизин | Потребительские товары | Стиральный порошок |
