Глава 1. Инженерная энзимология.

Инженерная энзимология

 

Выполнила:

студентка гр.3-28

Степанова М. А.

 

Проверила:

доц. Найденко Е. В.

 

Иваново, 2012

Содержание

Введение ………………………………………………………………. 3

Глава 1. Инженерная энзимология ……………………………………… 5

1.1. Задачи инженерной энзимологии ………………………………….. 7

1.2. Иммобилизированные ферменты ………………………………….. 7

1.3. Носители для иммобилизации ферментов …………………………. 9

1.4. Методы иммобилизации ферментов ……………………………… 11

1.5. Иммобилизация клеток ………………………………………….. 16

1.6. Применение иммобилизированных ферментов …………………… 17

Заключение …………………………………………………………… 19

Приложения ……………………………………………………………20

Список используемой литературы ……………………………………... 22

 

ВВЕДЕНИЕ

 

В предложенном реферате речь пойдет о таком направлении биотехнологии, как инженерная энзимология. Многие проблемы технологии синтеза органических соедине­ний, пищевой и медицинской промышленности, мониторинга че­ловека и окружающей среды, защиты окружающей среды, энер­гетики не могут быть решены без использования ее методов. Инженерная энзимология разрабатывает и осуществляет промышленные методы получения химических веществ и продуктов (напр., пищевых), основанные на использовании в качестве катализаторов химических реакций ферментов. Прежде чем перейти к основной теме реферата, остановимся на понятии «фермент».

Ферментами (энзимами) обычно называют вещества биологического происхождения, представляющие собой соединения белковой природы и являющиеся специфическими катализаторами. По своей природе ферменты являются слож­ными соединениями. Для большинства из них структура не является до конца установленной. Однако существование так называемой белковой «составляющей» – неотъемлемой части биологического катализатора мож­но считать доказанным для большинства промышленно получаемых ферментных препаратов. Практически все попытки «очистить» эти препараты от соединений белковой природы приводили к потере ихкаталитической активности.

Все основные источники ферментов можно разделить на три группы:

1. Ткани животных как отход мясоперерабатывающей промышлен­ности. Прежде всего, это богатые ферментами поджелудочная железа и слизистая оболочка желудка.

2. Некоторые растения. Например, такие гидролитические фер­менты, как папаин и рицин извлекают соответственно из сока дынно­го дерева и инжирного дерева, из ячменя – ­ амилазу.

3. Микроорганизмы.

Выбор источника получения того или иного фермента предпола­гает учет ряда требований, предъявляемых к чистоте получаемого препарата, потребности в нем, стоимости сырья, проведения процес­сов выделения и очистки готового продукта.

Из всех вышеперечисленных источников ферментов наибольшее практическое значение имеют микроорганизмы – продуценты ферментов. Их широкое использование обусловлено, прежде всего, их доступностью, возможностью организовать более эффективное промышленное производ­ство на относительно дешевом сырье и управление, процессом биосин­теза, используя, различные продуценты ферментных препаратов. Ис­пользование микроорганизмов значительно расширило круг получаемых ферментных препаратов сразличным спектром действия. Только с их помощью удалось получить такие ферменты, как целлюлаза и глюкозоизомераза.

В качестве продуцентов ферментов, как правило, выбирают те штаммы-мутанты, полученные путем направленной селекции, которые обеспечивают максимальный выход целевого продукта при использова­нии стандартного оборудования. При этом штаммы-мутанты получают как традиционным путем с использованием таких широкоизвестных методов воздействия, как облучение УФ светом, γ - и рентгеновскими лучами, обработкой клеток различ­ными химическими агентами: этилимином, диметилсуфатом, гидроксиламином, диазометаном, оксидом азота и пр., изменением температуры и величины рН, так и методами генной инженерии.

В качестве продуцентов ферментов могут использоваться различные микроорганизмы (напр., различные штаммы гриба рода Aspergillus и бактерии Bacillus. Стоит отметить, что у бактерий короче цикл развития, на их основе легче получать мутанты.)

Технология получения ферментных препаратов микробным синте­зом обязательно включает в себя стадию промышленного культивирования соответствующего микроорганизма. В условиях промышленного производства значительное количество продуцента получают одним из следующих двух способов:

- культивирование на твердых питательных средах (поверхностный способ выращивания продуцента);

- культивирование соответствующего продуцента в большом объеме жидкой фазы, содержащей все необходимые для нормального роста и развития микроорганизма питательные вещества (глубинный спо­соб выращивания продуцента). (См. Приложение 1).

 

 

ИММОБИЛИЗОВАННЫЕ ФЕРМЕНТЫ

 

Иммобилизованными ферментами называются ферменты, ис­кусственно связанные с нерастворимым носителем, но сохраня­ющие свои каталитические свойства.

В1953 г. Н. Грубхофер и Д. Шлейт впервые осу­ществили ковалентные связывания амилазы, пепсина, РНКазы и карбоксипептидазы с нерастворимым носителем.

В 1971 г. на первой конференции по инженерной энзимологии был узаконен термин «иммобилизованные ферменты». Однако в понятие «иммобилизация» в настоящее время вкладывают более широкий смысл, чем связывание на нерастворимом носителе, а именно – полное или частичное ограничение свободы движения белковых молекул.

По сравнению с нативными ферментами иммобилизованные имеют ряд преимуществ:

1. Представляя собой гетерогенные катализаторы, легко от­деляются от реакционной среды, что дает возможность остановить реакцию в любой момент, использовать фермент повторно, а также получать чистый от фермента продукт.

2. Ферментативный процесс с использованием иммобилизованных ферментов можно проводить непрерывно, регулируя скорость катализируемой реакции и выход продукта.

3. Модификация фермента целенаправленно изменяет его свойства, такие как специфичность (особенно в отношении макромолекулярного субстрата), зависимость каталитической активности от рН, ионного состава и других параметров среды, стабильность к денатурирующим воздействиям.

Так, происходящая при температуре 65°С термоинактивация лактатдегидрогеназы, иммобилизованной в 60 %-м полиакриламидном геле, замедлена в 3600 раз по сравнению с нативным фер­ментом.

4. Можно регулировать каталитическую активность путем изменения свойств носителя действием физических факторов, таких как свет и звук.

5. Иммобилизованные ферменты долговеч­ны и стабильнее свободных энзимов.

Все перечисленное обеспечивает высокую экономичность, эффективность и конкурентоспособность технологий, использу­ющих иммобилизованные ферменты.

Для осуществления химических процессов с помощью иммо­билизованных ферментов применяют колоночные, трубчатые, пла­стинчатые и танкерные реакторы разного объема и производи­тельности. Иммобилизованные ферментные системы функциони­руют в биореакторе в виде неподвижной фазы, через которую про­текает среда с субстратом, подлежащим химическому превраще­нию (гетерогенный катализ). В таких реакторах наряду с непрерыв­ным режимом используется и периодический. Для эффективного перемешивания и газообмена биореактор снабжают мешалкой. По­вреждающее действие мешалки на биокатализатор устраняют, зак­репляя определенным образом его гранулы. Например, в биореак­торе «корзиночного» типа мешалка вращается в полом цилиндре из сетчатой структуры (корзина), в ячейках которой закреплен им­мобилизованный фермент. Во внутреннем объеме трубчатых реак­торов рыхло расположены полые волокна, заполненные биоката­лизатором. Степень превращения субстрата в продукт (например, фумарата аммония в аспартат) в таких реакторах достигает 90 %.

 

ИММОБИЛИЗАЦИЯ КЛЕТОК

 

Методы иммобилизации универсальны для всех видов иммо­билизованных биокатализаторов – индивидуальных ферментов, клеток, субклеточных структур, комбинированных препаратов.

Наряду с иммобилизацией ферментов в последнее время все большее внимание уделяется иммобилизации клеток и субклеточ­ных структур. Это объясняется тем, что при использовании иммо­билизованных клеток отпадает необходимость выделения и очис­тки ферментных препаратов, применение кофакторов; создается возможность получения полиферментных систем, осуществляю­щих многостадийные непрерывно действующие процессы.

В промышленных процессах чаще используют покоящиеся клетки. Действительно, многие хозяйственно-ценные продукты синтезируются главным образом в стационарной фазе развития клеточных культур. Растущие клетки нарушают структуру носи­теля. Образующиеся при делении дочерние клетки, покидая но­ситель, загрязняют целевой продукт. Для подавления роста иммобилизованных клеток растений используют дефицит фитогормонов, а рост клетки бактерий тормозят добавлением антибио­тиков.

Иммобилизованные клетки микроорганизмов применяют для биотрансформации органических соединений, разделения раце­мических смесей, гидролиза ряда сложных эфиров, инверсии са­харозы, восстановления и гидроксилирования стероидов. Преимущество иммобилизованных клеток микроорганизмов по сравнению с иммобилизованными ферментами состоит главным образом в том, что при использовании иммобилизованных клеток отпадает необходимость выделения, очистки и иммобилизации ферментов – стадий часто наиболее дорогостоящих при осуществлении промышленного процесса. Ферменты в микроорганизмах находятся в своем естественном окружении, что повышает их термостабильность и так называемую операционную стабильность (продолжительность работы в условиях технологического процесса). Известно множество примеров, когда ферменты после выделения из организма быстро теряют активность, а иногда их вообще не удается выделить в активной форме. В то же время в составе клеток микроорганизмов они сохраняют каталитические свойства достаточно долго.

Иммо­билизованные хроматофоры используют в лабораторных установ­ках для синтеза АТФ, а пурпурные мембраны – для создания искусственных фотоэлектрических преобразователей – аналогов солнечных батарей. Разрабатывается реактор на основе иммоби­лизованных клеток дрожжей для получения этанола из мелассы, в котором дрожжи сохраняли бы способность к спиртовому броже­нию в течение 1800 ч. Из более чем 2000 известных в настоящее время ферментов иммобилизована и используется для целей ин­женерной энзимологии примерно десятая часть (преимуществен­но оксидоредуктазы, гидролазы и трансферазы).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Важным этапом развития инженерной энзимологии стала раз­работка способов получения и использования иммобилизованных ферментов и иммобилизованных клеток.

Создание биокатализаторов нового поколения, имеющих ряд существенных преимуществ, открыло перед прикладной энзимологией новые перспективы. Иммобилизация – это методический прием, при котором молекулу биокатализатора включают в какую-либо фазу, отделенную от фазы свободного раствора, но способную обмениваться с ней молекулами субстрата, эффектора или ингибитора. Успешное использование иммобилизованных ферментов в значительной мере определяется выбором подходящего сочетания носителя и метода иммобилизации, а также знанием кинетики реакций с участием таких катализаторов.

Многие проблемы технологии синтеза органических соедине­ний, пищевой и медицинской промышленности, мониторинга че­ловека и окружающей среды, защиты окружающей среды, энер­гетики не могут быть решены без использования методов совре­менной инженерной энзимологии. Бесспорно нужно и далее развивать это направление биотехнологии, в силу его перспективности.

 

Приложения.

Приложение 1.

Рис.1 Принципиальная технологическая схема процесса глубинного культивирования микроорганизмов

1 – смеситель питательной среды;

2 – колонна для непрерывной стерилизации потока питательной среды острым паром;

3 – теплообменник – выдерживатель;

4 – теплообменник для охлаждения потока питательной среды;

5 – инокуляторы (посевные аппараты);

6 – индивидуальный фильтр для очистки воздуха, подаваемого в инокулятор;

7 – реактор – ферментер;

8,9 – насосы;

10 – масляный фильтр для предварительной очистки воздуха;

11 – компрессор;

Рис.4. Схема иммобилизации фермента химическим методом

 

Приложение 3.

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Березин И.В., Клесов А.А., Швядас В.К. и др. Инженерная энзимология. М.: Высшая школа, 1987. 144 с.

2. Клесов А.А. Применение иммобилизованных ферментов в пищевой промышленности//Биотехнология. М.: Наука, 1984.

3. Березин И.В., Яцимирский А.К. «Биотехнология и ее перспективы

(инженерная энзимология)». Москва, Издательство "Знание", 1986. 62 с.

4. http://www.libsid.ru

http://www.biotechnolog.ru

 

 

Инженерная энзимология

 

Выполнила:

студентка гр.3-28

Степанова М. А.

 

Проверила:

доц. Найденко Е. В.

 

Иваново, 2012

Содержание

Введение ………………………………………………………………. 3

Глава 1. Инженерная энзимология ……………………………………… 5

1.1. Задачи инженерной энзимологии ………………………………….. 7

1.2. Иммобилизированные ферменты ………………………………….. 7

1.3. Носители для иммобилизации ферментов …………………………. 9

1.4. Методы иммобилизации ферментов ……………………………… 11

1.5. Иммобилизация клеток ………………………………………….. 16

1.6. Применение иммобилизированных ферментов …………………… 17

Заключение …………………………………………………………… 19

Приложения ……………………………………………………………20

Список используемой литературы ……………………………………... 22

 

ВВЕДЕНИЕ

 

В предложенном реферате речь пойдет о таком направлении биотехнологии, как инженерная энзимология. Многие проблемы технологии синтеза органических соедине­ний, пищевой и медицинской промышленности, мониторинга че­ловека и окружающей среды, защиты окружающей среды, энер­гетики не могут быть решены без использования ее методов. Инженерная энзимология разрабатывает и осуществляет промышленные методы получения химических веществ и продуктов (напр., пищевых), основанные на использовании в качестве катализаторов химических реакций ферментов. Прежде чем перейти к основной теме реферата, остановимся на понятии «фермент».

Ферментами (энзимами) обычно называют вещества биологического происхождения, представляющие собой соединения белковой природы и являющиеся специфическими катализаторами. По своей природе ферменты являются слож­ными соединениями. Для большинства из них структура не является до конца установленной. Однако существование так называемой белковой «составляющей» – неотъемлемой части биологического катализатора мож­но считать доказанным для большинства промышленно получаемых ферментных препаратов. Практически все попытки «очистить» эти препараты от соединений белковой природы приводили к потере ихкаталитической активности.

Все основные источники ферментов можно разделить на три группы:

1. Ткани животных как отход мясоперерабатывающей промышлен­ности. Прежде всего, это богатые ферментами поджелудочная железа и слизистая оболочка желудка.

2. Некоторые растения. Например, такие гидролитические фер­менты, как папаин и рицин извлекают соответственно из сока дынно­го дерева и инжирного дерева, из ячменя – ­ амилазу.

3. Микроорганизмы.

Выбор источника получения того или иного фермента предпола­гает учет ряда требований, предъявляемых к чистоте получаемого препарата, потребности в нем, стоимости сырья, проведения процес­сов выделения и очистки готового продукта.

Из всех вышеперечисленных источников ферментов наибольшее практическое значение имеют микроорганизмы – продуценты ферментов. Их широкое использование обусловлено, прежде всего, их доступностью, возможностью организовать более эффективное промышленное производ­ство на относительно дешевом сырье и управление, процессом биосин­теза, используя, различные продуценты ферментных препаратов. Ис­пользование микроорганизмов значительно расширило круг получаемых ферментных препаратов сразличным спектром действия. Только с их помощью удалось получить такие ферменты, как целлюлаза и глюкозоизомераза.

В качестве продуцентов ферментов, как правило, выбирают те штаммы-мутанты, полученные путем направленной селекции, которые обеспечивают максимальный выход целевого продукта при использова­нии стандартного оборудования. При этом штаммы-мутанты получают как традиционным путем с использованием таких широкоизвестных методов воздействия, как облучение УФ светом, γ - и рентгеновскими лучами, обработкой клеток различ­ными химическими агентами: этилимином, диметилсуфатом, гидроксиламином, диазометаном, оксидом азота и пр., изменением температуры и величины рН, так и методами генной инженерии.

В качестве продуцентов ферментов могут использоваться различные микроорганизмы (напр., различные штаммы гриба рода Aspergillus и бактерии Bacillus. Стоит отметить, что у бактерий короче цикл развития, на их основе легче получать мутанты.)

Технология получения ферментных препаратов микробным синте­зом обязательно включает в себя стадию промышленного культивирования соответствующего микроорганизма. В условиях промышленного производства значительное количество продуцента получают одним из следующих двух способов:

- культивирование на твердых питательных средах (поверхностный способ выращивания продуцента);

- культивирование соответствующего продуцента в большом объеме жидкой фазы, содержащей все необходимые для нормального роста и развития микроорганизма питательные вещества (глубинный спо­соб выращивания продуцента). (См. Приложение 1).

 

 

ГЛАВА 1. ИНЖЕНЕРНАЯ ЭНЗИМОЛОГИЯ.