Промышленные процессы с использованием иммобилизованных ферментов и клеток

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.

Процессы с использованием иммобилизованных ферментов и клеток относятся нашли широкое применение в медицине, пищевой и фармацевтической промышленностях, биоэнергетике, а также в органическом синтезе и химическом анализе.

В настоящее время в мире разработаны следующие крупномасштабные производства с использованием иммобилизованных ферментов и клеток:

Получение глюкозофруктозных сиропов. Фруктоза важнейший в физиологическом и технологическом отношении природный моносахарид. Она в 2,5 раза слаще глюкозы и в 1,7 раза слаще тростникового сахара (сахароза), благодаря чему фруктоза – менее калорийный пищевой продукт по сравнению с последними. В отличие от глюкозы обмен фруктозы не контролируется инсулином, поэтому фруктовый сахар может потребляться больными диабетом. Фруктоза практически не вызывает кариеса зубов. В смеси с глюкозой фруктоза не кристаллизуется, поэтому широко используется для производства кондитерских изделий.

Исходным сырьем для превращения глюкозы во фруктозу с помощью иммобилизованной глюкоизомеразы служит глюкоза, которую получают при гидролизе кукурузного или картофельного крахмала в присутствии минеральных кислот. Для конструирования промышленного биокатализатора глюкозоизомеразу сорбируют на пористых неорганических носителях или ионообменных смолах. Во многих случаях используют иммобилизованные клетки разного происхождения (Aspergillus niger, A. oryzae, Streptomyces phaeochromogenes, S. olivaceus, S. venezuelae). Производительность реакоров при получении фруктозы варьирует от 600 до 9000 кг глюкозофруктозного сиропа на 1 кг иммобилизованного фермента в зависимости от чистоты исходного сырья, а время полуинактивации катализатора – 20 – 50 суток. Возникающий в результате каталитического процесса глюкозофруктозный сироп содержит 42 – 45 % фруктозы, около 51% глюкозы, небольшое количество олигосахаридов и по сладости соответствует инвертному сахару, получаемому при гидролизе сахарозы. Глюкозофруктоз-ную смесь широко применяют для производства тонизирующих напитков, консервированных фруктов, кондитерских изделий, хлеба, мороженого и пр.

Ферментативная конверсия целлюлозы в глюкозу Неисчерпаемый и одновременно возобновляемый источник сырья представляет собой растительная биомасса (многолетние растения, вторичные продукты и отходы их промышленной и сельскохозяйственной переработки), основным компонентом которой служит целлюлоза. Благодаря плотной молекулярной упаковке целлюлоза устойчива к действию большинства растворителей и химических агентов, в том числе сильных кислот. В природе существуют целлюлолитические организмы (бактерии, плесневые грибы и некоторые виды насекомых), содержащие полиферментные комплексы целлюлаз, механизм действия которых на клетчатку оказался одинаковым для всех исследованных целлюлазных комплексов независимо от их происхождения. Попадая на целлюлозосодержащие материалы, микроорганизмы выделяют целлюлазы, которые, сорбируясь (иммобилизуясь) на субстрате, постепенно расщепляют его до глюкозы. Совершенствование эффективности метода конверсии целлюлозосодержащего сырья в глюкозу и далее в этанол и углеводороды позволит создать альтернативные пути получения ценных моносахаридов и жидкого топлива из возобновляемого сырья, а также решить еще одну важную проблему – утилизацию экологически опасных отходов производства.

Получение L-аминокислот из их рацемических смесей. Разделение рацемических смесей на составляющие их оптические изомеры (представляющее труднейшую задачу) явилось первым промышленным процессом с использованием иммобилизованных ферментов. Этот процесс был осуществляется с помощью аминоацилазы, иммобилизованной на целлюлозе. В качестве исходных соединений в данном превращении используют N-ацилированные производные D-,L-аминокислот, получаемые с помощью химического синтеза. Вследствие своей стереоспецифичности аминоацилаза гидролизует лишь N-ацил-L-стереоизомер, отщепляя от него ацильный радикал, в результате чего растворимость образующейся L-аминокислоты резко возрастает и ее легко можно отделить от своего антипода физико-химическими методами. При нагревании оставшаяся N-ацил-D-аминокислота рацемизируется, т.е. превращается в исходную смесь, которая вновь подвергается воздействию фермента.

2R−CH−COOH

+ Н₂О ^{Аминоацилаза} L-аминокислот + N-ацил-D-аминокислота

NH−CO−R₁ - R₁−COOH

^{N-ацил-D-аминокислота}

Аминоацилаза строго специфична к структуре только ацильной части субстрата, поэтому одна и та же установка с иммобилизованным ферментом используется для получения различных аминокислот, в том числе L-валина, L-фенилаланина и L-триптофана. Время полуинактивации иммобилизованного энзима составляет 65 суток; на японских предприятиях он используется без замены более 8 лет и обеспечивает снижение стоимости производства аминокислот на 40 % по сравнению с технологией, где применяются свободные молекулы фермента.

Получение 6-аминопенициллановой кислоты. Получение 6-АПК в промышленности путем химического гидролиза бензилпенициллина сопряжено с большими трудностями в связи с крайней неустойчивостью лактамного цикла его молекулы. Так, при щелочном гидролизе бензилпенициллина выход 6-АПК составляет всего 1 %. Продуктивность этого процесса удалось значительно повысить благодаря применению для гидролиза иммобилизованных в полиакриламидном геле бактериальных клеток, содержащих пенициллинамидазу. Переход к технологии, применяющей иммобилизованные бактериальные клетки, обеспечивает высокий выход 6-АПК, составляющий 80 – 85 %. Внедрение в промышленность биокаталитической технологии производства 6-АПК привело к существенному увеличению выпуска полусинтетических пенициллинов и снижению их себестомости.

Биосенсоры на основе иммобилизованных ферментов. Высокая эффективность биологических катализаторов и специфичность их действия делают ферменты идеальными реагентами для аналитической химии. Благодаря этим особенностям с помощью ферментов обнаруживаются вещества при предельно низкой концентрации в присутствии множества других соединений. К настоящему времени созданы искусственные аналитические системы различных конструкций (биосенсоры, датчики, ферментные электроды, проточные анализаторы), содержащие иммобилизованные ферменты и клетки и предназначенные для автоматического детектирования продуктов энзиматического превращения.

В зависимости от концентрации анализируемых веществ выбирают тот или иной способ их детекции.

Технологические варианты реакторов с иммобилизованными ферментами весьма разнообразны – колонки, трубки, полые волокна и пр. С их помощью на практике определяют концентрацию широкого спектра соединений – глюкозы, аминокислот, мочевины, пенициллина, АТФ, НАДН, ФМН, стероидов, триглицеридов, желчных кислот и многих других. Так, американскими исследователями сконструирован микродатчик с использованием субмикронных оптических волокон. Микробиосенсор, не вызывая повреждений, может быть введен в клетку и даже в отдельные ее компартменты для измерения содержания в них глюкозы и кислорода. Предложены датчики на базе иммунодетекции для проведения экспресс-анализов на присутствие производных диоксина и оценки содержания биогенных аминов в пищевых продуктах в связи с процессами их старения. Для определения мочевины ферментным электродом требуется всего 30 с.

Биосенсоры на основе иммобилизованных ферментов помогают выполнять десятки быстрых и точных анализов при диагностике заболеваний, контролировать содержание вредных веществ (инсектицидов, пестицидов, удобрений) в пищевых продуктах и в воздухе. Биосенсоры нашли применение в решении аналитических задач в химической и микробиологической промышленности, а также в научных исследованиях.

Иммобилизованные ферменты в медицине. Большой рынок сбыта в медицине занимают тромболитические ферменты, предназначенные для борьбы с сердечнососудистыми заболеваниями. Так, в отечественную клиническую практику внедрен препарат «стрептодеказа», содержащий стрептокиназу – активатор предшественника протеиназы плазмина, предотвращающий образование тромба в кровеносной системе.

Ферменты, разрушающие некоторые незаменимые аминокислоты (например, аспарагиназа), используют для борьбы со злокачественным ростом опухолей. Протеолитические ферменты (трипсин, химотрипсин, субтилизин, коллагеназа), иммобилизованные на волокнистых материалах (целлюлоза, полиамидные волокна, декстран и др.), применяют для эффективного лечения ран, язв, ожогов, абсцессов, а их белковые ингибиторы – в заместительной терапии для лечения эмфиземы и панкреатитов.

Важны с практической точки зрения разработки, посвященные направленному транспорту лекарственных веществ. Так, микрокапсулы, стенки которых представлены оболочкой эритроцита («тень эритроцита»), а их содержимое заполнено ферментом аспарагиназой, переносятся кровотоком к зонам скопления аспарагина и поэтому применяются для лечения аспарагинзависимых опухолей, в частности саркомы. Колонки, заполненные микрокапсулами с ферментом, используют для диализа в аппарате «искусственная почка», которая работает в 100 раз эффективнее обычного аппарата.

Возможности и перспективы использования в медицине ферментов в иммобилизованном состоянии гораздо шире, чем достигнутые на сегодняшний день, именно на этом пути медицину ждет создание новых высокоэффективных методов лечения.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ:

1. Микроорганизмы как источники ферментов.

2. Внеклеточные и внутриклеточные ферменты.

3. Выделение и придание хранящейся формы ферментным препаратам.

4. Роль ферментов в пищевой промышленности.

5. Роль ферментов в медицине.

6. Типы ферментных препаратов, используемых в биотехнологии.

7. Иммобилизованные клетки и ферменты.

8. Способы их закрепления на носителях.

9. Методы физической иммобилизации ферментов.

10. Иммобилизованные (на нерастворимых носителях) биообъекты и их многократное использование. Ресурсосбережение. Экологические преимущества. Экономическая целесообразность.

11. Нерастворимые носители органической и неорганической природы. Микроструктура носителей.

12. Иммобилизация за счет образования ковалентных связей между ферментом и носителем.

13. Адсорбция ферментов на инертных носителях и ионообменниках.

14. Иммобилизация ферментов путем включения в структуру геля. Методы включения в альгинатный и полиакриламидный гель.

15. Микрокапсулирование ферментов как один из способов их иммобилизации. Размеры и состав оболочки микрокапсул.

16. Технология получения глюкозо-фруктозного сиропа.

17. Ферменты – катализаторы процессов органического синтеза.