Ферменты промышленного назначения

Ферменты промышленного назначения — это ферменты, которые коммерчески используются в различных отраслях промышленности, таких как фармацевтика, химическое производство, производство биотоплива, производство продуктов питания и напитков, а также как потребительские товары. Благодаря достижениям последних лет в процессах биокатализа с использованием изолированных ферментов, их производство считается более экономичным, чем использование целых клеток-продуцентов. В последние годы промышленный биологический катализ с помощью ферментов быстро рос благодаря их способности функционированию в мягких условиях и исключительной хиральной и стереоспецифичности, чего не хватает традиционным химическим процессам. Выделенные ферменты обычно используются в реакциях гидролиза и изомеризации. Цельные клетки обычно используются, когда реакция протекает с участием молекул кофактора. Хотя кофакторы могут генерироваться in vitro, обычно более рентабельно использовать метаболически активные клетки.

Ферменты как важные ступени процесса

Иммобилизация

Несмотря на свои превосходные каталитические свойства, нативные ферменты не имеют свойственных преимуществ перед иммобилизованными (неподвижными). Некоторые свойства ферментов, которые должны быть улучшены перед имплементацией в производство, являются стабильность, активность, ингибирование продуктами реакции и селективность по отношению к неприродным субстратам. Улучшение свойств нативных ферментов могут быть достигнуты путём иммобилизации на твёрдом материале, таком как пористая подложка. Иммобилизация ферментов значительно упрощает процесс регенерации (многократного использования), улучшает протекание биокатализа и снижает эксплуатационные расходы. Существует много методов иммобилизации, таких как адсорбция, ковалентное связывание, аффиные метки на сополимере и включение в полупроницаемые капсулы. Идеальные процессы иммобилизации не должны использовать высокотоксичные реагенты для обеспечения стабильности ферментов, в протекающем процессе. После завершения иммобилизации, ферменты вводят в реакционный сосуд (биореактор), предназначенный для биокатализа.

Адсорбция на носителе

Адсорбция фермента на носителях функционально основана на химических и физических явлениях, таких как межмолекулярные силы Ван-дер-Ваальса, ионные взаимодействия и водородные связи. Эти силы являются слабыми и, как следствие, не влияют на структуру фермента. Можно использовать широкий спектр ферментных носителей. Выбор носителя зависит от площади поверхности, размера частиц, структуры пор и типа функциональной группы.

Ковалентное связывание

Многие химические соединения могут быть использованы для прикрепления фермента к поверхности с различной степенью успешности. Наиболее успешные методы ковалентного связывания включают связывание молекул глутаральдегида с аминогруппами и N-гидроксисукцинидными эфирами. Эти методы иммобилизации происходят при температуре окружающей среды в мягких условиях, которые имеют ограниченный потенциал для изменения структуры и функции фермента.

Аффиные лиганды

Иммобилизация с использованием аффиности зависит от специфичности фермента, который связывает молекулы веществ, имеющих высокое сродство к ферменту и образует прочный ковалентно-связанный фермент-лигандный комплекс. Комплекс вводится в матрицу носителя, для которой лиганд обладает высокой степенью сродства к образованию связей, и фермент иммобилизуется посредством химического взаимодействия лиганд-носитель.

Метод включения

Иммобилизация с использованием включения основана на улавливании ферментов в гелях или волокнах с использованием нековалентных взаимодействий. Характеристики, которые определяют успешно улавливающий материал, включают высокую площадь поверхности, равномерное распределение пор, перестраиваемый размер пор и высокую адсорбционную ёмкость.

Регенерация

Ферменты обычно составляют значительные эксплуатационные затраты для промышленных процессов, и во многих случаях их необходимо извлекать и использовать повторно, чтобы обеспечить экономическую выгоду процесса. Хотя некоторые биокаталитические процессы протекают с использованием органических растворителей, большинство процессов происходит в водных средах, что и облегчает разделение. Большинство биокаталитических процессов протекают в периодическом режиме, что отличает их от обычных химических процессов. В результате типичные биопроцессы используют метод разделения после биоконверсии. В этом случае накопление продукта может вызвать угнетение активности фермента. В настоящее время проводятся исследования по разработке методов разделения in situ, при которых продукт периодически удаляется в процессе конверсии. Разделение ферментов может быть выполнено с помощью методов твердожидкостной экстракции, таких как центрифугирование или фильтрация, и раствор, содержащий продукт, подаётся вниз по потоку для разделения готового продукта.