Przemysłowe zastosowania enzymów

Prezentacja na temat: "Przemysłowe zastosowania enzymów"— Zapis prezentacji:

1 Przemysłowe zastosowania enzymów
Enzymologia-13 Przemysłowe zastosowania enzymów

2 Zaletą jest specyficzność reakcji, regiospecyficzność, stereospecyficzność, wysoka wydajność, brak produktów ubocznych, łagodne warunki reakcji. Wadą jest wrażliwość na skrajne warunki (np. temperatura, pH), niestabilność w środowiskach innych niż wodne (np. rozpuszczalników organicznych) oraz stopniowa degradacja podczas użytkowania.

3 Wykorzystanie enzymów w przemyśle

4 Udział różnych rodzajów enzymów stosowanych
w przemyśle biotechnologicznym

5

6

7

8 Enzymy proteolityczne w przemyśle
Reakcja lub substrat Źródło enzymu Zastosowanie Papaina Renina Trypsyna, chymotrypsyna Proteazy grzybowe Proteazy bakteryjne Hydroliza białek Ścinanie mleka Papaya latex Żołądki cielęce, białko rekombinowane Jelita zwierzęce Aspergillus oryzae Aspergillus niger Mucor pusillus Rhizomucor miehei Cryptonectria parasitica Bacillus subtilis Usuwanie zmętnienia piwa, kruszenie mięsa Wytwarzanie serów Kruszenie mięsa, zastosowania medyczne Kruszenie mięsa, piekarnictwo, piwowarstwo Serowarstwo Detergenty, usuwanie żelatyny

9 Zastosowanie enzymów metabolizmu cukrów
Reakcja lub substrat Źródło enzymu Wykorzystanie Amylaza endohydroliza wiązań (14) glikozydowych w polisacharydach Bacillus subtilis Aspergillus niger Aspergillus oryzae Scukrzanie skrobi Egzo (14) glukozydaza Uwalnianie końcowych reszt glukozowych z polisacharydów Rhizopus spp. Wytwarzanie glukozy ze skrobi Celulaza Endohydroliza wiązań (14) glikozydowych w celulozie Trichoderma viride Przekształcanie celulozy w celobiozę Poligalakturonaza Hydroliza wiązań glikozydowych w pektynach Mucor, Borytris, Penicillium, Aspergillus Ekstrakcja soków owocowych z pulp; klarowanie win i soków -galaktozydaza Hydroliza laktozy Otrzymywanie słodszych, lepiej rozpuszczalnych cukrów -fruktofuranozydaza Hydroliza sacharozy Saccharomyces Oksydaza glukozowa Glukoza + O2  glukonolakton + H2O2 Penicillium spp. Odczynnik do oznaczania glukozy; usuwanie tlenu z majonezu i soków owocowych Izomeraza glukozowa Glukoza  fruktoza Streptomyces spp Lactobacillus brevis Produkcja syropów fruktozowych

10

11 Produkcja enzymów

12 Produkcja enzymów – tendencje…
Enzymy rekombinowane wytwarzane w warunkach nadprodukcji Wprowadzanie enzymów pochodzących z komórek ekstremofilnych Zastosowanie inżynierii białka – enzymy o zmienionych właściwościach

13 Schemat technologiczny wytwarzania enzymu

14 Niektóre enzymy stosowane w analizie biochemicznej

15 Cechy procesów biotransformacji
specyficzność reakcji regiospecyficzność stereospecyficzność wysoka wydajność łagodne warunki

16 Immobilizacja enzymów
Immobilizacja (łac. immobilis – nieruchomy) jest zjawiskiem powszechnie występującym w przyrodzie. Wiele procesów enzymatycznych i mikrobiologicznych przebiega przy udziale enzymów i komórek związanych w sposób naturalny z rozpuszczalnymi lub nierozpuszczalnymi matrycami oraz nośnikami mechanicznymi. Drobnoustroje np.: kolonizują środowisko wykorzystując naturalne procesy adhezji. Enzymy, w większości, działają w stanie związanym ze strukturami subkomórkowymi lub, jako rozpuszczalne, w określonych przedziałach (kompartmentach) komórki.

17 Metody immobilizacji enzymów
Adsorpcja na powierzchni nośnika (alumina, hydroksyapatyt, kaolinit szkło, matryce jonowymienne); Wiązanie kowalencyjne z nośnikiem (poliakrylamid, nylon, celuloza, dekstran, Sephadex, Sepharose, Agarose, żel krzemionkowy, kulki szklane). Konieczna aktywacja nośnika; Sieciowanie międzycząsteczkowe Czynniki sieciujące: aldehyd glutarowy, 1,5-difluoro-2,4-dinitrobenzen; Uwięzienie/pułapkowanie w matrycy - akrylamid polimeryzowany w roztworze enzymu - żele tworzone in situ w roztworze enzymu; Kapsułkowanie w membranie półprzepuszczalnej liposomy, kapsułki nylonowe, celofanowe, celuloidowe, poliuretanowe.

18 Pierwszą technologią, która wykorzystała unieruchomiony biokatalizator, była mikrobiologiczna produkcja kwasu octowego przez komórki bakterii Acetobacter aceti zaadsorbowane na wiórach bukowych. Dziś stosuje się unieruchamianie zarówno pojedynczych enzymów, kompleksów dwóch lub większej ilości enzymów, jak i całych komórek czy struktur komórkowych.

19 Metody immobilizacji enzymów – zalety i wady…
Zalety metod fizycznych: zachowanie struktury enzymu łatwość i niski koszt przeprowadzenia procesu immobilizacji Często jednak następuje wymywanie biokatalizatora ze złoża, zwłaszcza w przypadku stosowania prostej adsorpcji białka na powierzchni matrycy. Metody chemiczne zapewniają stabilność układu, ale w wielu przypadkach wiąże się to z częściową utratą aktywności enzymu, spowodowaną zmianą konformacji białka. Wiązanie kowalencyjne z nośnikiem jest łatwą metodą i daje stabilny układ, lecz jest kosztowne.

20 Metody immobilizacji enzymów – zalety i wady…
Pułapkowanie w żelu jest tanie, ale nie można stosować go do enzymów hydrolitycznych, działających na substraty wielkocząsteczkowe, czyli mogących degradować żel. Kapsułkowanie stosuje się przede wszystkim w farmacji, jest jednak trudne w kontroli i znajduje zastosowanie jedynie do przemian niskocząsteczkowych, podobnie jak membrany półprzepuszczalne.

21 Podstawowym parametrem technologicznym, który pozwala ocenić celowość stosowania wybranej metody immobilizacji, jest stabilność operacyjna enzymu. Określa ona czas pracy, po którym zachodzi utrata połowy początkowej aktywności biokatalizatora. W czasie procesu technologicznego immobilizowany biokatalizator stopniowo traci swoja produktywność, co spowodowane jest: wymywaniem enzymu ze złoża oraz rozpuszczaniem się lub ścieraniem matrycy utratą aktywności na skutek zatruwania lub denaturacji enzymu pogorszeniem się warunków kontaktu substratu z enzymem w wyniku zanieczyszczenia i zatkania się porów złoża lub mechanicznego zgniatania matrycy zanieczyszczeniem mikrobiologicznym

22 Metody kowalencyjnej immobilizacji enzymów

23 Metody kowalencyjnej immobilizacji enzymów – wzajemne sieciowanie

24 Pułapkowanie enzymu wewnątrz struktury naturalnych lub syntetycznych polimerów
przykładowymi nośnikami są: agar, alginian, kolagen, poliakrylamid, poliuretan, polistyren, żywice sieciowane energią swietlną

25 Zastosowanie membran półprzepuszczalnych

26 Przykłady procesów przemysłowych prowadzonych z użyciem
immobilizowanych enzymów Enzym Matryca Metoda immobilizacji Zastosowanie Aminoacylaza DEAE-Sephadex Adsorpcja Otrzymywanie L-aminokwasów Izomeraza glukozowa Amberlit IRA904 Otrzymywanie syropu fruktozo-glukozowego Termolizyna Układ dwufazowy Otrzymywanie aspartamu -galaktozydaza Krzemionka Otrzymywanie mleka wolnego od laktozy Amidaza penicylanowa Poliakrylamid, celuloza Uwięzienie w matrycy Otrzymywanie 6-APA Oksydaza glukozowa Peroksydaza Kapsułkowanie Oznaczanie glukozy

27 Reakcje katalizowane przez monooksygenazy wykorzystywane
do biotransformacji w praktyce przemysłowej hydroksylowanie alkanów hydroksylowane arenów epoksydacja alkenów utlenianie heteroatomów utlenianie ketonów do estrów

28 Enzymatyczne wytwarzanie L-aminokwasów w układzie sprzężonym

29 Biokatalityczna synteza optycznie czynnych aminokwasów

30 ZASTOSOWANIE ENZYMÓW DO OTRZYMYWANIA OPTYCZNIE CZYNNYCH AMINOKWASÓW
Synteza/biosynteza optycznie czynnych pochodnych glicyny – substratów dla otrzymywania penicylin półsyntetycznych

31 ZASTOSOWANIE ENZYMÓW DO OTRZYMYWANIA OPTYCZNIE CZYNNYCH AMINOKWASÓW
Biosynteza optycznie czynnych aminokwasów białkowych

32 Alternatywne możliwości otrzymywania 6APA z penicyliny G

33 Acylazy penicylinowe Acylaza penicyliny G
Bakterie Achromobacter spp., Alcaligenes faecalis, E. coli, Bacillus megaterium, Proteus rettgeri, Pseudomonas melanogenes; Drożdże Kluyvera citrophila Acylaza penicyliny V Grzyby strzępkowe Bovista plumbea, Fusarium spp.; Promieniowce Actinoplanes spp., Streptomyces levanduae 3. Acylaza amplicylinowa Obecnie najczęściej stosowane źródło: rekombinowane szczepy E. coli

34 Wytwarzanie kwasu 6-aminopenicylanowego (6APA)
Możliwe metody: hydroliza chemiczna lub enzymatyczna Warunki hydrolizy enzymatycznej Biotransformacja 12-15% (w/v) roztworu soli penicyliny G lub V przez immobilizowaną amidazę penicylinową. Podczas reakcji utrzymuje się pH na poziomie 7 – 8 poprzez dodawanie KOH lub NaOH. Produkty: 6APA oraz odpowiedni kwas (fenylooctowy lub fenoksyoctowy). 6APA izoluje się poprzez zakwaszenie mieszaniny poreakcyjnej do pH = 4.0 w obecności rozpuszczalnika organicznego nie mieszającego się z wodą. W tych warunkach 6APA wytrąca się, a kwas prekursorowy przechodzi do fazy organicznej i jest zwykle zawracany jako dodatek do nowej fermentacji Korzyści z zastąpienia chemicznej hydrolizy penicyliny G do 6APA przez hydrolizę enzymatyczną Eliminacja chlorowcowanych rozpuszczalników organicznych, toksycznych odczynników i odpadów oraz potrzeby stosowania ciekłego azotu do chłodzenia; prowadzenie reakcji w umiarkowanych warunkach; łatwa kontrola pH, temperatury; zwiększenie wydajności, brak produktów ubocznych;

35 Synteza aspartamu z zastosowaniem biotransformacji enzymatycznej

36 Biotransformacje sterydów