Průmyslové enzymy
Průmyslové enzymy jsou enzymy, které se komerčně využívají v různých odvětvích, jako jsou farmacie, chemická výroba, biopaliva, potraviny a nápoje a spotřební produkty. Vzhledem k pokroku v posledních letech je biokatalýza pomocí izolovaných enzymů považována za ekonomičtější než použití celých buněk. Enzymy lze použít jako jednotkovou operaci v rámci procesu k výrobě požadovaného produktu nebo mohou být samy cílovým produktem. Průmyslová biologická katalýza pomocí enzymů zaznamenala v posledních letech rychlý růst díky jejich schopnosti pracovat za mírných podmínek a vykazovat výjimečnou chirální a poziční specificitu, což tradičním chemickým procesům chybí. Izolované enzymy se obvykle používají v hydrolytických a izomeračních reakcích. Celé buňky se obvykle používají, když reakce vyžaduje kofaktor. Přestože lze kofaktory vytvářet in vitro, je obvykle nákladově efektivnější používat metabolicky aktivní buňky.
Enzymy jako jednotková operace
Imobilizace
Navzdory jejich vynikajícím katalytickým schopnostem je nutné před průmyslovým využitím v mnoha případech zlepšit vlastnosti enzymů. Některé aspekty enzymů, které je třeba před implementací zlepšit, jsou stabilita, aktivita, inhibice reakčními produkty a selektivita vůči nepřirozeným substrátům. Toho lze dosáhnout imobilizací enzymů na pevném materiálu, jako je porézní nosič. Imobilizace enzymů výrazně zjednodušuje proces zpětného získávání, zlepšuje řízení procesu a snižuje provozní náklady. Existuje mnoho technik imobilizace, jako je adsorpce, kovalentní vazba, afinita a zachycení. Ideální procesy imobilizace by neměly používat vysoce toxické reagencie v technice imobilizace, aby byla zajištěna stabilita enzymů. Po dokončení imobilizace se enzymy zavedou do reakční nádoby pro biokatalýzu.
Adsorpce
Adsorpce enzymů na nosiče probíhá na základě chemických a fyzikálních jevů, jako jsou van der Waalsovy síly, iontové interakce a vodíkové vazby. Tyto síly jsou slabé, a proto neovlivňují strukturu enzymu. Lze použít širokou škálu nosičů enzymů. Výběr nosiče závisí na povrchové ploše, velikosti částic, pórovité struktuře a typu funkční skupiny.
Kovalentní vazba
K připevnění enzymu na povrch lze s různým úspěchem použít mnoho vazebných chemikálií. K nejúspěšnějším technikám kovalentní vazby patří vazba pomocí glutaraldehydu na aminoskupiny a N-hydroxysukcinimid esterů. Tyto techniky imobilizace probíhají za okolní teploty za mírných podmínek, které mají omezený potenciál změnit strukturu a funkci enzymu.
Afinita
Imobilizace pomocí afinity se spoléhá na specificitu enzymu ke spojení afinitního ligandu s enzymem za vzniku kovalentně vázaného komplexu enzym-ligand. Komplex se zavede do nosné matrice, pro kterou má ligand vysokou vazebnou afinitu, a enzym se imobilizuje prostřednictvím interakcí ligand-nosič.
Zachycení
Imobilizace pomocí zachycení spočívá v zachycení enzymů v gelech nebo vláknech pomocí nekovalentních interakcí. Charakteristiky, které definují úspěšný zachycující materiál, zahrnují velkou povrchovou plochu, rovnoměrné rozložení pórů, laditelnou velikost pórů a vysokou adsorpční kapacitu.
Zpětné získávání
Enzymy obvykle představují významné provozní náklady pro průmyslové procesy a v mnoha případech musí být získávány a znovu použity, aby byla zajištěna ekonomická proveditelnost procesu. Přestože některé biokatalytické procesy pracují s použitím organických rozpouštědel, většina procesů probíhá ve vodných prostředích, což zlepšuje snadnost separace. Většina biokatalytických procesů probíhá dávkově, čímž se liší od konvenčních chemických procesů. V důsledku toho typické bioprocesy využívají po biokonverzi separační techniku. V tomto případě může akumulace produktu způsobit inhibici enzymové aktivity. Probíhá průběžný výzkum s cílem vyvinout in situ separační techniky, kde je produkt odstraňován z dávky během procesu konverze. Separace enzymů může být provedena pomocí technik pevné kapaliny, jako je centrifugace nebo filtrace, a roztok obsahující produkt je přiváděn dále do proudu pro separaci produktu.
Enzymy jako jednotková operace
Aplikace průmyslových enzymů
| Enzym | Průmysl | Aplikace |
|---|---|---|
| Palatasa | Potravinářský | Zvýšení chuti sýra |
| Lipozyme TL IM | Potravinářský | Přesterifikace rostlinného oleje |
| Lipáza AK Amano | Farmaceutický | Syntéza chirálních sloučenin |
| Lipopan F | Potravinářský | Emulgátor |
| Celuláza | Biopalivový | Třída enzymů, které degradují celulózu na glukózové monomery |
| Amyláza | Potravinářský/biopalivový | Třída enzymů, které degradují škrob na glukózové monomery |
| Xylózová isomeráza | Potravinářský | Výroba kukuřičného sirupu s vysokým obsahem fruktózy |
| Resináza | Papírenský | Řízení smoly při zpracování papíru |
| Penicilinová amidáza | Farmaceutický | Syntetická výroba antibiotik |
| Amidáza | Chemický | Třída enzymů používaných pro výrobu neproteinogenních enantiomerně čistých aminokyselin |
Enzymy jako požadovaný produkt
Pro industrializaci enzymu se zvažují následující upstream a downstream procesy výroby enzymů:
Upstream
Upstream procesy jsou ty, které přispívají ke vzniku enzymu.
Výběr vhodného enzymu: Enzym musí být vybrán na základě požadované reakce. Vybraný enzym definuje požadované provozní vlastnosti, jako je pH, teplota, aktivita a afinita k substrátu.
Identifikace a výběr vhodného zdroje pro vybraný enzym: Volba zdroje enzymů je důležitým krokem při výrobě enzymů. Je běžné zkoumat roli enzymů v přírodě a jejich vztah k požadovanému průmyslovému procesu. Enzymy se nejčastěji získávají z bakterií, hub a kvasinek. Jakmile je vybrán zdroj enzymu, lze provést genetické modifikace ke zvýšení exprese genu zodpovědného za produkci enzymu.
Vývoj procesu: Vývoj procesu se obvykle provádí po genetické modifikaci zdrojového organismu a zahrnuje modifikaci kultivačního média a růstových podmínek. Ve mnoha případech má vývoj procesu za cíl snížit hydrolýzu mRNA a proteolýzu.
Velkovýroba: Zvýšení produkce enzymů vyžaduje optimalizaci fermentačního procesu. Většina enzymů se vyrábí za aerobních podmínek, a proto vyžaduje konstantní přívod kyslíku, což ovlivňuje konstrukci fermentoru. Vzhledem k variacím v distribuci rozpuštěného kyslíku, stejně jako teploty, pH a živin, je třeba zvážit transportní jevy spojené s těmito parametry. Nejvyšší možná produktivita fermentoru je dosažena při maximální transportní kapacitě fermentoru.
Downstream
Downstream procesy jsou ty, které přispívají k separaci nebo purifikaci enzymů.
Odstranění nerozpustných materiálů a získání enzymů ze zdroje: Postupy pro získávání enzymů závisí na zdrojovém organismu a na tom, zda jsou enzymy intracelul