Введение в предмет Лекция 1

Введение в
предмет
Лекция 1
План лекции:
1. Общие принципы иммобилизации.
2. Иммобилизация ферментов как составная
часть инженерной энзимологии.
3. Преимущества иммобилизованных клеток.
4. История развития методов иммобилизации.
5. Крупномасштабные промышленные процессы
на основе иммобилизованных клеток и
ферментов.
Что такое иммобилизация?
Иммобилизация – это процесс фиксации
биологического объекта (фермент,
клетка) на носителе или в носителе с
помощью физических либо химических
сил.
Иммобилизация на носителе
Иммобилизация в носителе
Что такое иммобилизация?
Иммобилизация – любое ограничение
свободы движения объектов (ферменты,
клетки) в пространстве.
Объекты иммобилизации:
-ферменты;
-клеточные органеллы;
-микроорганизмы;
-растительные клетки;
-животные клетки
Иммобилизация ферментов целесообразна в
отношении одностадийных процессов получения
целевого продукта
glucose
glucose/fructose
glucose isomerase
Иммобилизацию клеток проводят в случае
необходимости осуществления многостадийных
процессов, требующих регенерации кофакторов
glucose
ethanol
multi-enzymes acting sequentially
Проблемы, ограничивающие широкое
практическое применение ферментов:
Во-первых, ферменты неустойчивы при хранении, а
также при различных воздействиях (особенно
тепловых)
Во-вторых, многократное использование ферментов
затруднено из-за сложности их отделения от
реагентов и продуктов реакции
В-третьих, трудоемкость выделения и очистки
ферментов, получения их в достаточно активном
виде и, как следствие, высокая стоимость активных
ферментов.
Один из путей решения указанных проблем –
иммобилизация ферментов
Первый промышленный
процесс с
использованием
иммобилизованных
ферментов (1969 г.,
компания «Танабе
Сейяку», Япония) –
разделение
рацемических смесей
аминокислот на
изомеры с помощью
аминоацилазы,
иммобилизованной на
ДЭАЭ-целлюлозе
Преимущества иммобилизованных ферментов:
1. Иммобилизованные ферменты, представляя собой
гетерогенные катализаторы, легко отделяются от
реакционной среды.
Это позволяет:
а) остановить в нужный момент реакцию;
б) использовать катализатор повторно;
в) получать продукт незагрязненный ферментом,
что особенно важно для пищевых и фармацевтических производств
2. Иммобилизация способствует целенаправленному
изменению субстратной специфичности фермента,
зависимости его каталитической активности от рН,
ионного состава и других параметров среды
Преимущества иммобилизованных ферментов:
3. Во многих случаях иммобилизованные ферменты
характеризуются более высокой стабильностью по
отношению к денатурирующим воздействиям
Например, термоинактивация лактатдегидрогеназы,
иммобилизованной в 60%-м полиакриламидном геле,
происходящая при температуре 65°С, замедлена
в 3600 раз по сравнению с нативным ферментом.
4. Иммобилизация обеспечивает непрерывность
каталитического процесса, возможность регуляции
скорости катализируемой реакции, а также выхода
продукта
В совокупности это обеспечивает высокую
экономичность, эффективность и
конкурентоспособность технологий, использующих
иммобилизованные ферменты.
Необходим тщательный подбор типа
носителя и метода иммобилизации.
В иммобилизации ферментов не
должны участвовать функциональные
группы, существенные для его
каталитической функции.
Недостатки иммобилизованных ферментов:
- применимы только для одностадийных процессов
(способны катализировать одну-единственную реакцию);
- для практических целей могут использоваться только те
ферменты, которые не требуют регенерации кофакторов
и коферментов;
- нестабильность фермента в процессе работы
Преимущества иммобилизованных клеток:
1. Отсутствие затрат на выделение и очистку
ферментов.
2. Снижение затрат на выделение и очистку
продуктов реакции
3. Возможность получения полиферментных
систем, осуществляющих многостадийные
непрерывно действующие процессы без
экзогенных кофакторов.
4. Более высокая активность и стабильность
5. Возможность поддержания
автоматизированных процессов
Иммобилизованные
клетки
Одностадийные
ферментативные
процессы
Живые
Поврежденные
Мультиферментные
системы
Живые
Растущие
Покоящиеся
В настоящее время в мире разработаны
следующие крупномасштабные
производства с использованием
иммобилизованных ферментов и клеток:
1.Получение глюкозофруктозных сиропов.
2.Получение оптически активных L-аминокислот из их
рацемических смесей.
3.Синтез L-аспарагиновой кислоты из фумарата
аммония.
4.Синтез L-аланина из L-аспарагиновой кислоты.
5.Синтез L-яблочной кислоты из фумаровой кислоты.
6.Получение безлактозного молока.
7.Получение сахаров из молочной сыворотки.
8.Получение 6-аминопенициллановой кислоты.
Крупномасштабные процессы с использованием
иммобилизованных ферментов и клеток