Industriella enzymer
Industriella enzymer är enzymer som används kommersiellt i en mängd olika industrier som läkemedel , kemisk produktion, biobränslen , mat och dryck och konsumentprodukter. På grund av framsteg under de senaste åren anses biokatalys genom isolerade enzymer vara mer ekonomiskt än användning av hela celler. Enzymer kan användas som en enhetsoperation inom en process för att generera en önskad produkt, eller kan vara produkten av intresse. Industriell biologisk katalys genom enzymer har upplevt en snabb tillväxt de senaste åren på grund av deras förmåga att fungera under milda förhållanden och exceptionell kiral och positionell specificitet, saker som traditionella kemiska processer saknar. Isolerade enzymer används vanligtvis i hydrolytiska och isomeriseringsreaktioner . Hela celler används vanligtvis när en reaktion kräver en kofaktor . Även om kofaktorer kan genereras in vitro , är det vanligtvis mer kostnadseffektivt att använda metaboliskt aktiva celler.
Enzymer som en operationsenhet
Immobilisering
Trots deras utmärkta katalytiska egenskaper måste enzymer och deras egenskaper i många fall förbättras före industriell implementering. Några aspekter av enzymer som måste förbättras före implementering är stabilitet, aktivitet, inhibering av reaktionsprodukter och selektivitet mot icke-naturliga substrat. Detta kan åstadkommas genom immobilisering av enzymer på ett fast material, såsom en porös bärare. Immobilisering av enzymer förenklar i hög grad återvinningsprocessen, förbättrar processkontrollen och minskar driftskostnaderna. Många immobiliseringstekniker existerar, såsom adsorption, kovalent bindning, affinitet och infångning. Idealiska immobiliseringsprocesser bör inte använda mycket toxiska reagens i immobiliseringstekniken för att säkerställa enzymernas stabilitet. Efter att immobiliseringen är fullbordad, införs enzymerna i ett reaktionskärl för biokatalys.
Adsorption
Enzymadsorption på bärare fungerar baserat på kemiska och fysikaliska fenomen som van der Waals krafter , joninteraktioner och vätebindning . Dessa krafter är svaga och påverkar som ett resultat inte enzymets struktur. En stor mängd olika enzymbärare kan användas. Valet av en bärare är beroende av ytarea, partikelstorlek, porstruktur och typ av funktionell grupp.
Kovalent bindning
Många bindningskemier kan användas för att vidhäfta ett enzym till en yta i varierande grad av framgång. De mest framgångsrika kovalenta bindningsteknikerna inkluderar bindning via glutaraldehyd till aminogrupper och N- hydroxisuccinidestrar . Dessa immobiliseringstekniker sker vid omgivningstemperaturer under milda förhållanden, som har begränsad potential att modifiera enzymets struktur och funktion.
Affinitet
Immobilisering med användning av affinitet förlitar sig på specificiteten hos ett enzym för att koppla en affinitetsligand till ett enzym för att bilda ett kovalent bundet enzym-ligandkomplex. Komplexet införs i en stödmatris för vilken liganden har hög bindningsaffinitet, och enzymet immobiliseras genom ligand-stödinteraktioner.
Infångning
Immobilisering med användning av infångning förlitar sig på att fånga enzymer i geler eller fibrer, med användning av icke-kovalenta interaktioner. Egenskaper som definierar ett framgångsrikt infångande material inkluderar stor ytarea, enhetlig porfördelning, avstämbar porstorlek och hög adsorptionskapacitet.
Återhämtning
Enzymer utgör vanligtvis en betydande driftskostnad för industriella processer och måste i många fall återvinnas och återanvändas för att säkerställa ekonomisk genomförbarhet av en process. Även om vissa biokatalytiska processer använder organiska lösningsmedel, sker majoriteten av processerna i vattenhaltiga miljöer, vilket förbättrar separationen. De flesta biokatalytiska processer sker i batch, vilket skiljer dem från konventionella kemiska processer. Som ett resultat använder typiska bioprocesser en separationsteknik efter biokonvertering. I detta fall kan produktackumulering orsaka hämning av enzymaktivitet. Pågående forskning bedrivs för att utveckla in situ separationstekniker, där produkten avlägsnas från satsen under omvandlingsprocessen. Enzymseparation kan åstadkommas genom fast-vätskeextraktionstekniker såsom centrifugering eller filtrering, och den produktinnehållande lösningen matas nedströms för produktseparation.
| Enzymer som en enhetsoperation | ||
|---|---|---|
| Enzym | Industri | Ansökan |
| Palatase | Mat | Förbättra ostsmaken |
| Lipozym TL IM | Mat | Interesterifiering av vegetabilisk olja |
| Lipase AK Amano | Farmaceutisk | Syntes av kirala föreningar |
| Lipopan F | Mat | Emulgeringsmedel |
| Cellulas | Biobränsle | Klass av enzymer som bryter ned cellulosa till glukosmonomerer |
| Amylas | Mat/biobränsle | Klass av enzymer som bryter ned stärkelse till glukosmonomerer |
| Xylosisomeras | Mat | Produktion av majssirap med hög fruktoshalt |
| Resinas | Papper | Pitchkontroll vid pappersbearbetning |
| Penicillinamidas | Farmaceutisk | Syntetisk antibiotikaproduktion |
| Amidas | Kemisk | Klass av enzymer som används för icke-proteinogen enantiomert ren aminosyraproduktion |
Enzymer som önskad produkt
För att industrialisera ett enzym övervägs följande uppströms och nedströms enzymproduktionsprocesser:
Uppströms
Uppströmsprocesser är de som bidrar till genereringen av enzymet.
Val av lämpligt enzym
Ett enzym måste väljas baserat på den önskade reaktionen. Det valda enzymet definierar de nödvändiga driftsegenskaperna, såsom pH, temperatur, aktivitet och substrataffinitet.
Identifiering och val av en lämplig källa för det valda enzymet
Valet av en enzymkälla är ett viktigt steg i produktionen av enzymer. Det är vanligt att undersöka enzymernas roll i naturen och hur de förhåller sig till den önskade industriella processen. Enzymer kommer oftast från bakterier, svampar och jäst. När väl källan till enzymet har valts kan genetiska modifieringar utföras för att öka uttrycket av den gen som är ansvarig för att producera enzymet.
Processutveckling
Processutveckling utförs typiskt efter genetisk modifiering av ursprungsorganismen och involverar modifiering av odlingsmediet och tillväxtbetingelser. I många fall syftar processutveckling till att minska mRNA- hydrolys och proteolys .
Storskalig produktion
Uppskalning av enzymproduktion kräver optimering av fermenteringsprocessen. De flesta enzymer produceras under aeroba förhållanden och kräver som ett resultat konstant syretillförsel, vilket påverkar fermentordesignen. På grund av variationer i fördelningen av löst syre, såväl som temperatur, pH och näringsämnen, måste transportfenomen som är förknippade med dessa parametrar beaktas. Högsta möjliga produktivitet hos fermentorn uppnås vid maximal transportkapacitet för fermentorn.
Nedströms
Nedströmsprocesser är de som bidrar till separation eller rening av enzymer.
Avlägsnande av olösliga material och återvinning av enzymer från källan
Procedurerna för enzymåtervinning beror på ursprungsorganismen och om enzymer är intracellulära eller extracellulära. Vanligtvis kräver intracellulära enzymer cellys och separation av komplexa biokemiska blandningar. Extracellulära enzymer frisätts i odlingsmediet och är mycket enklare att separera. Enzymer måste behålla sin naturliga konformation för att säkerställa sin katalytiska förmåga. Eftersom enzymer är mycket känsliga för mediets pH, temperatur och jonstyrka, måste milda isoleringsbetingelser användas.
Koncentration och primär rening av enzymer
Beroende på avsedd användning av enzymet krävs olika renhetsnivåer. Till exempel måste enzymer som används för diagnostiska ändamål separeras till en högre renhet än bulkindustriella enzymer för att förhindra katalytisk aktivitet som ger felaktiga resultat. Enzymer som används för terapeutiska ändamål kräver vanligtvis den mest rigorösa separationen. Vanligtvis används en kombination av kromatografisteg för separation.
De renade enzymerna säljs antingen i ren form och säljs till andra industrier eller tillförs konsumentvaror.
| Enzymer som en önskad produkt | ||
|---|---|---|
| Enzym | Industri | Ansökan |
| Novozym-435 | Konsumtionsvaror | av isopropylmyristat (kosmetiskt) |
| Bromelain | Mat | Köttmörare |
| Noopazyme | Mat | Förbättra nudelkvaliteten |
| Asparaginas | Farmaceutisk | Lymfcancer terapeutisk |
| Ficin | Farmaceutisk | Matsmältningshjälp |
| Urokinas | Farmaceutisk | Antikoagulant |
| p-laktamas | Farmaceutisk | Penicillinallergi behandling |
| Subtilisin | Konsumtionsvaror | Tvättmedel |