Индустриални ензими

И

Историческа справка

Повечето реакции в живите организми се катализират от протеинови молекули, наречени ензими. Ензимите с право могат да се нарекат каталитични машини на живите системи. Истинският пробив на ензимите се случи с въвеждането на микробни протеази в праховете за пране. Първата търговска бактериална Bacillus протеаза е пусната на пазара през 1959 г. и големите производители на детергенти започват да я използват около 1965 г.

Промишлените производители на ензими продават ензими за голямо разнообразие от приложения. Понастоящем прогнозната стойност на световния пазар е около 2 милиарда щатски долара. Детергентите (37%), текстилът (12%), нишестето (11%), печенето (8%) и фуражите за животни (6%) са основните индустрии, които използват около 75% от индустриално произведените ензими.

Класификация на ензимите

В момента са изолирани и класифицирани над 3000 различни ензима. Ензимите са класифицирани в шест основни категории въз основа на естеството на химическата реакция, която катализират:

1. Оксидоредуктазите катализират окисляването или редукцията на техните субстрати.

2. Трансферазите катализират груповия трансфер.

3. Хидролазите катализират разкъсването на връзката с добавяне на вода.

4. Лиазите премахват групите от техните субстрати.

5. Изомеразите катализират вътрешномолекулни пренареждания.

6. Лигазите катализират свързването на две молекули за сметка на химическата енергия.

Само ограничен брой от всички известни ензими се предлагат на пазара. Повече от 75% от индустриалните ензими са хидролази. Разграждащите протеините ензими съставляват около 40% от всички продажби на ензими. Налични са повече от петдесет индустриални ензими за търговия и броят им непрекъснато се увеличава.

Производство на ензими

Някои ензими, все още извлечени от животински и растителни тъкани. Ензими като папаин, бромелаин и фицин и други специфични ензими като липоксигеназа са получени от растения, а ензимите пепсин и ренин са получени от животни. Повечето от ензимите се произвеждат от микроорганизми в потопени култури в големи реактори, наречени ферментатори. Процесът на производство на ензими може да бъде разделен на следните фази:

1. Избор на ензим.

2. Избор на производствен щам.

3. Изграждане на свръхпродуциращо петно ​​чрез генно инженерство.

4. Оптимизиране на хранителната среда и условията на производство.

5. Оптимизиране на процеса на възстановяване.

6. Формулиране на стабилен ензимен продукт.

Критериите, използвани при избора на индустриален ензим, включват специфичност, скорост на реакция, рН и температурен оптимум и стабилност, ефект на инхибиторите и афинитет към субстратите. Ензимите, използвани в промишлените приложения, обикновено трябва да са толерантни към различни тежки метали и да нямат нужда от кофактори.

Микробни производствени щамове

При избора на производствен щам трябва да се вземат предвид няколко аспекта. В идеалния случай ензимът се секретира от клетката. На второ място, домакинът на продукцията трябва да има GRAS-статус. На трето място, организмът трябва да може да произвежда голямо количество от желания ензим в разумен период от време. Повечето от индустриално използваните микроорганизми са генетично модифицирани, за да свръхпродуцират желаната активност, а не да произвеждат нежелани странични дейности.

Производство на ензими чрез микробна ферментация

След като биологичният производствен организъм е генетично проектиран да свръхпроизводи желаните продукти, трябва да се разработи производствен процес. Оптимизирането на процеса на ферментация включва състав на средата, вид на култивиране и условия на процеса. Промишлените ензими с голям обем се произвеждат в 50 -500 м3 ферментатори. Извънклетъчните ензими често се възстановяват след отстраняване на клетките (чрез вакуумно барабанно филтриране, сепаратори или микрофилтрация) чрез ултрафилтрация.

Белтъчно инженерство

Често ензимите нямат желаните свойства за индустриално приложение. Единият вариант е да се намери по-добър ензим от природата. Друг вариант е да се създаде търговски ензим, който да бъде по-добър индустриален катализатор. Друг вариант е да се създаде търговски ензим, който да бъде по-добър индустриален катализатор. Понастоящем се предлагат два различни метода: случаен метод, наречен насочена оценка, и метод на протеиновото инженерство, наречен рационален дизайн.

Ензимна технология

Това поле се занимава с това как се използват и прилагат ензимите в практическите процеси. Най-простият начин е да се използват ензими, като се добавят в процесния процес, където те катализират желаната реакция и постепенно се инактивират по време на процеса. Това се случва при много приложения за насипни ензими и цената на ензимите трябва да е ниска, за да бъде икономичната им употреба.

Алтернативен начин за използване на ензими е обездвижването им, за да могат да бъдат използвани повторно. Ензимът може да бъде имобилизиран чрез използване на ултрафилтрационни мембрани в реакторната система. Голямата ензимна молекула не може да премине през мембраната, но малките молекулни продукти могат да реагират. Разработени са много различни лабораторни методи за ензимно обездвижване, основаващи се на химична реакция, захващане, специфично свързване или абсорбция.

Мащабни ензимни приложения

1]Препарати

Бактериалните протеинази все още са най-важните детергентни ензими. Липазите разлагат мазнините до по-водоразтворими съединения. Амилазите се използват в детергентите за премахване на петна на базата на нишесте.

2]Хидролиза на нишесте и производство на фруктоза

Използването на ензими, разграждащи нишесте, е първото широкомащабно приложение на микробни ензими в хранителната промишленост. Основно два ензима извършват превръщането на нишестето в глюкоза: алфа-амилаза и гъбични ензими. Фруктоза, получена от захароза като изходен материал. Захарозата се разделя от инвертазата на глюкоза и фруктоза, фруктозата се отделя и кристализира.

3]Напитки

Ензимите имат много приложения в производството на напитки. Лактазата разделя млечно-захарната лактоза на глюкоза и галактоза. Този процес се използва за млечни продукти, които се консумират от непоносими към лактоза потребители. Добавянето на пектиназа, ксиланаза и целулаза подобряват освобождаването на сока от пулпата. По същия начин ензимите се използват широко при производството на вино.

4]Текстил

Използването на ензими в текстилната промишленост е една от най-бързо развиващите се области в индустриалната ензимология. Ензимите, използвани в текстилната област, са амилази, каталаза и лактази, които се използват за отстраняване на нишестето, разграждане на излишния водороден прекис, избелване на текстил и разграждане на лигнин.

5]Храна за животни

Добавянето на ксиланаза към фураж за бройлери на основата на пшеница е увеличило наличната метаболизираща енергия със 7-10% в различни проучвания. Добавянето на ензими намалява вискозитета, което увеличава абсорбцията на хранителни вещества, освобождава хранителни вещества или чрез хидролиза на неразградими влакна, или чрез освобождаване на хранителни вещества, блокирани от тези влакна, и намалява количеството на фекалиите.

6]Печене

Алфа-амилазите са изследвани най-широко във връзка с подобрено качество на хляба и увеличен срок на годност. Използването на ксиланази намалява абсорбцията на вода и по този начин намалява количеството добавена вода, необходимо за печене. Това води до по-стабилно тесто. Протеинази могат да се добавят за подобряване на свойствата за обработка на тесто; глюкозооксидазата се използва за заместване на химичните оксиданти и липази за укрепване на глутена, което води до по-стабилно тесто и по-добро качество на хляба.

7]Целулоза и хартия

Основното приложение е използването на ксиланази при избелване на пулпа. Това намалява значително необходимостта от избелващи химикали на основата на хлор. При производството на хартия амилазните ензими се използват особено за модификация на нишесте. Смолата е лепкава субстанция, присъстваща главно в иглолистните дървета. Pitch причинява проблеми в хартиените машини и може да бъде отстранен с липази.

8]Кожа

Кожената промишленост използва протеолитични и липолитични ензими при обработката на кожа. Ензимите се използват за премахване на нежелани части. Във фазите на обезкосмяване и обезвъздушаване бактериалните протеази се използват за подпомагане на алкалния химичен процес. Това води до по-екологичен процес и подобрява качеството на кожата. Използват се бактериални и гъбични ензими, за да направят кожата мека и по-лесна за боядисване.

9]Специални ензими

Има голям брой специални приложения за ензими. Те включват използване на ензими в аналитични приложения, производство на аромати, модификация на протеини и продукти за лична хигиена, ДНК-технологии и при фино химическо производство.

10]Ензими в аналитиката

Ензимите са широко използвани в клиничната аналитична методология. За разлика от масовите промишлени ензими, тези ензими трябва да са свободни от странични дейности. Това означава, че са необходими сложни процеси на пречистване.

Важно развитие в аналитичната химия са биосензорите. Най-широко използваното приложение е глюкозен биосензор, включващ катализирана от глюкоза оксидаза реакция.

Предлагат се няколко търговски инструмента, които прилагат този принцип за измерване на молекули като глюкоза, лактат, лактоза, захароза, етанол, метанол, холестерол и някои аминокиселини.

11]Ензими в продуктите за лична хигиена

Продуктите за лична хигиена са сравнително нова област за ензимите. За почистване на контактни лещи се използват протеиназа и липаза, съдържащи ензимни разтвори. Водородният прекис се използва при дезинфекция на контактни лещи. Остатъчният водороден прекис след дезинфекция може да бъде отстранен чрез каталазен ензим. Някои пасти за зъби съдържат глюкоамилаза и глюкоза оксидаза. Ензимите се изучават и за приложение в продуктите за грижа за кожата и косата.

12]Ензими в ДНК-технологията

ДНК-технологията е важен инструмент в ензимната индустрия. Повечето традиционни ензими се произвеждат от организми, които са генетично модифицирани, за да свръхпродуцират желания ензим. Специфичният ред на органичните основи във веригата на ДНК съставлява генетичния език. Генното инженерство означава четене и модифициране на този език. Ензимите са ключови инструменти в този процес.

13]Ензими в производството на фини химикали

Въпреки някои успехи, търговското производство на химикали от живи клетки, използвайки пътно инженерство, все още в много случаи е най-добрата алтернатива за прилагане на биокатализа. Изолираните ензими обаче успешно се използват при финия химичен синтез. Тук са представени някои от най-важните примери.

13 A]Хирално чисти аминокиселини и аспартам

Естествените аминокиселини обикновено се получават чрез микробна ферментация. Разработени са нови методи за ензимно разделяне за производството на L-, както и за D-аминокиселини. Аспартамът, интензивният некалоричен подсладител, се синтезира в неводни условия от термолизин, протеолитичен ензим.

13 B]Редки захари

Наскоро бяха разработени ензимни методи за производство на практически всички D- и L-форми на прости захари. Глюкозната изомераза е един от важните индустриални ензими, използвани при производството на фруктоза.

13 С]Полусинтетични пеницилини

Пеницилинът се произвежда от генетично модифицирани щамове от щамове Penicillium. По-голямата част от пеницилина се превръща от имобилизиран ацилазен ензим в 6-аминопенициланова киселина, която служи като гръбнак за много полусинтетични пеницилини.

13 D]Реакции на базата на липаза

В допълнение към детергентите, липазите могат да се използват в различни химически реакции, тъй като те са активни в органични разтворители. Липази, използвани при трансестерификация и също използвани за енантиомерно разделяне на алкохоли и отделни рацемични аминови смеси. Липазите също са използвани за образуване на ароматни и алифатни полимери.

13 E]Ензимен синтез на олигозахариди

Химичният синтез на олигозахариди е сложно многоетапно усилие. Биокаталитичните синтези с изолирани ензими като гликозилтрансферази и гликозидази или инженерни цели клетки са мощни алтернативи на химичните методи. Олигозахаридите са намерили приложение в козметиката, лекарствата и като функционални храни.

Бъдещи тенденции в индустриалната ензимология

Пазарът на индустриални ензими расте постоянно. Причината за това се крие в подобрена производствена ефективност, водеща до по-евтини ензими, в нови области на приложение. Приспособяването на ензими за специфични приложения ще бъде бъдеща тенденция с непрекъснато подобряване на инструментите и разбиране на взаимоотношенията структура-функция и увеличено търсене на ензими от екзотична среда.

Новите технически инструменти за използване на ензими като кристални катализатори, способността за рециклиране на кофактори и инженерните ензими да функционират в различни разтворители с множество дейности са важни технологични разработки, които непрекъснато ще създават нови приложения.

About the author

Add comment

By user

Recent Posts

Recent Comments

Archives

Categories

Meta