Промышленные ферменты — Строительство

Промышленные ферменты

Историческое прошлое

Большинство реакций в живых организмах катализируются белковыми молекулами, называемыми ферментами. Ферменты по праву можно назвать каталитическим механизмом живых систем. Настоящий прорыв ферментов произошел с введением микробных протеаз в стиральные порошки. Первая коммерческая бактериальная протеаза Bacillus была выпущена на рынок в 1959 году, а основные производители моющих средств начали использовать ее примерно в 1965 году.

Производители промышленных ферментов продают ферменты для широкого спектра применений. Оценочная стоимость мирового рынка в настоящее время составляет около 2 миллиардов долларов США. Моющие средства (37%), текстиль (12%), крахмал (11%), выпечка (8%) и корма для животных (6%) являются основными отраслями промышленности, в которых используется около 75% ферментов промышленного производства.

Классификация ферментов

В настоящее время более 3000 различных ферментов были выделены и классифицированы. Ферменты подразделяются на шесть основных категорий в зависимости от характера химической реакции, которую они катализируют:

1. Оксидоредуктазы катализируют окисление или восстановление их субстратов.

2. Трансферазы катализируют групповой перенос.

3. Гидролазы катализируют разрыв связей с добавлением воды.

4. Лиазы удаляют группы из своих субстратов.

5. Изомеразы катализируют внутримолекулярные перегруппировки.

6. Лигазы катализируют соединение двух молекул за счет химической энергии.

Только ограниченное количество всех известных ферментов являются коммерчески доступными. Более 75% промышленных ферментов составляют гидролазы. Белковые расщепляющие ферменты составляют около 40% всех продаж ферментов. Доступно более пятидесяти промышленных промышленных ферментов, и их количество неуклонно растет.

Ферментное производство

Некоторые ферменты до сих пор извлекаются из тканей животных и растений. Ферменты, такие как папаин, бромелайн и фицин, и другие специальные ферменты, такие как липоксигеназы, получают из растений, а ферменты пепсин и ренин — из животных. Большинство ферментов вырабатываются микроорганизмами в затопленных культурах в больших реакторах, называемых ферментерами. Процесс производства фермента можно разделить на следующие фазы:

1. Подбор фермента.

2. Подбор производственного штамма.

3. Построение сверхпродуцирующего пятна с помощью генной инженерии.

4. Оптимизация питательной среды и условий производства.

5. Оптимизация процесса восстановления.

6. Состав стабильного ферментного продукта.

Критерии, используемые при выборе промышленного фермента, включают специфичность, скорость реакции, оптимальные значения рН и температуры и стабильность, влияние ингибиторов и сродство к субстратам. Ферменты, используемые в промышленности, обычно должны быть устойчивы к различным тяжелым металлам и не нуждаются в кофакторах.

Штаммы микробной продукции

При выборе производственного штамма необходимо учитывать несколько аспектов. В идеале фермент секретируется из клетки. Во-вторых, производственный узел должен иметь GRAS-статус. В-третьих, организм должен быть способен производить большое количество желаемого фермента в разумные сроки жизни. Большинство промышленно используемых микроорганизмов были генетически модифицированы для перепроизводства желаемой активности, а не для получения нежелательных побочных действий.

Производство ферментов путем микробной ферментации

После того, как биологический производственный организм был генетически спроектирован для перепроизводства желаемых продуктов, должен быть разработан производственный процесс. Оптимизация процесса ферментации включает состав среды, тип культивирования и условия процесса. Промышленные ферменты большого объема производятся в ферментерах объемом 50-500 м3. Внеклеточные ферменты часто извлекаются после удаления клеток (фильтрацией в вакуумном барабане, сепараторами или микрофильтрацией) ультрафильтрацией.

Белковая инженерия

Часто ферменты не обладают желаемыми свойствами для промышленного применения. Один из вариантов — найти лучший фермент от природы. Другой вариант заключается в том, чтобы создать коммерчески доступный фермент для лучшего промышленного катализатора. Другой вариант заключается в том, чтобы создать коммерчески доступный фермент для лучшего промышленного катализатора. В настоящее время доступны два различных метода: случайный метод, называемый направленной оценкой, и метод белковой инженерии, называемый рациональным дизайном.

Ферментные технологии

Эта область посвящена тому, как ферменты используются и применяются в практических процессах. Самый простой способ — использовать ферменты, чтобы добавить их в технологический поток, где они катализируют желаемую реакцию и постепенно инактивируются в ходе процесса. Это происходит во многих объемных ферментных приложениях, и цена ферментов должна быть низкой, чтобы их использование было экономичным.

Альтернативный способ использования ферментов — это иммобилизация их для повторного использования. Фермент может быть иммобилизован при использовании ультрафильтрационных мембран в реакторной системе. Большая молекула фермента не может проходить через мембрану, но небольшие молекулярные продукты реакции могут. Было разработано много различных лабораторных методов иммобилизации ферментов, основанных на химической реакции, захвате, специфическом связывании или абсорбции.

Крупномасштабные ферментные приложения

1]Моющие средства

Бактериальные протеиназы по-прежнему являются наиболее важными моющими ферментами. Липазы разлагают жиры на более растворимые в воде соединения. Амилазы используются в моющих средствах для удаления пятен на основе крахмала.

2]Гидролиз крахмала и производство фруктозы

Использование ферментов, разрушающих крахмал, было первым широкомасштабным применением микробных ферментов в пищевой промышленности. В основном два фермента осуществляют превращение крахмала в глюкозу: альфа-амилаза и грибковые ферменты. Фруктоза, полученная из сахарозы в качестве исходного материала. Сахароза расщепляется инвертазой на глюкозу и фруктозу, фруктоза отделяется и кристаллизуется.

3]напитки

Ферменты имеют много применений в индустрии напитков. Лактаза расщепляет молочно-сахарную лактозу на глюкозу и галактозу. Этот процесс используется для молочных продуктов, которые потребляют непереносимые лактозой потребители. Добавление пектиназы, ксиланазы и целлюлазы улучшает высвобождение сока из мякоти. Точно так же ферменты широко используются в производстве вина.

4]Текстиль

Использование ферментов в текстильной промышленности является одной из наиболее быстро развивающихся областей промышленной энзимологии. Ферменты, используемые в текстильной области, представляют собой амилазы, каталазу и лактазы, которые используются для удаления крахмала, разложения избытка перекиси водорода, отбеливания тканей и разложения лигнина.

5]Корма для животных

Добавление ксиланазы в корм для бройлеров на основе пшеницы увеличило доступную метаболизируемую энергию на 7-10% в различных исследованиях. Добавление фермента снижает вязкость, которая увеличивает поглощение питательных веществ, высвобождает питательные вещества либо путем гидролиза неразлагаемых волокон, либо путем высвобождения питательных веществ, блокируемых этими волокнами, и уменьшает количество фекалий.

6]Выпечка

Альфа-амилазы наиболее широко изучены в связи с улучшением качества хлеба и увеличением срока годности. Использование ксиланаз уменьшает поглощение воды и, таким образом, уменьшает количество добавляемой воды, необходимой для выпекания. Это приводит к более стабильному тесту. Протеиназы могут быть добавлены для улучшения свойств обработки теста; глюкозооксидаза используется для замены химических окислителей и липаз для усиления глютена, что приводит к более стабильному тесту и улучшению качества хлеба.

7]Целлюлоза и бумага

Основное применение — использование ксиланаз при отбеливании пульпы. Это значительно снижает потребность в отбеливающих химикатах на основе хлора. В производстве бумаги ферменты амилазы используются особенно в модификации крахмала. Смола является липким веществом, присутствующим в основном в хвойных породах. Смола вызывает проблемы в бумагоделательных машинах и может быть удалена с помощью липаз.

8]Натуральная кожа

Кожевенная промышленность использует протеолитические и липолитические ферменты в обработке кожи. Ферменты используются для удаления ненужных частей. В фазах удаления волос и удаления волос используются ферменты бактериальных протеаз, способствующие щелочному химическому процессу. Это приводит к более экологически чистому процессу и улучшает качество кожи. Бактериальные и грибковые энзимы используются для придания коже мягкости и более легкой окраски.

9]Специальные ферменты

Существует большое количество специальных приложений для ферментов. К ним относятся использование ферментов в аналитических целях, производство ароматизаторов, модификация белков и продуктов личной гигиены, ДНК-технологии и в тонком химическом производстве.

10]Ферменты в аналитике

Ферменты широко используются в клинической аналитической методологии. В отличие от крупных промышленных ферментов, эти ферменты должны быть свободны от побочных действий. Это означает, что необходимы сложные процессы очистки.

Важным достижением в аналитической химии являются биосенсоры. Наиболее широко используемым применением является биосенсор глюкозы, включающий реакцию, катализируемую глюкозооксидазой.

Доступно несколько коммерческих приборов, которые применяют этот принцип для измерения молекул, таких как глюкоза, лактат, лактоза, сахароза, этанол, метанол, холестерин и некоторые аминокислоты.

11]Ферменты в продуктах личной гигиены

Средства личной гигиены — относительно новая область для ферментов. Протеиназные и липазосодержащие ферментные растворы используются для очистки контактных линз. Перекись водорода используется при дезинфекции контактных линз. Остаточная перекись водорода после дезинфекции может быть удалена ферментом каталазы. Некоторая зубная паста содержит глюкоамилазу и глюкозооксидазу. Ферменты также изучаются для применения в продуктах по уходу за кожей и волосами.

12]Ферменты в ДНК-технологии

ДНК-технология является важным инструментом в ферментной промышленности. Большинство традиционных ферментов вырабатываются организмами, которые были генетически модифицированы для перепроизводства желаемого фермента. Специфический порядок органических оснований в цепи ДНК составляет генетический язык. Генная инженерия означает чтение и изменение этого языка. Ферменты являются важными инструментами в этом процессе.

13]Ферменты в тонком химическом производстве

Несмотря на некоторые успехи, коммерческое производство химических веществ живыми клетками с использованием инженерии путей все еще во многих случаях является лучшей альтернативой для применения биокатализа. Однако выделенные ферменты успешно используются в тонком химическом синтезе. Некоторые из наиболее важных примеров представлены здесь.

13 А]Хирально чистые аминокислоты и аспартам

Природные аминокислоты обычно получают путем микробной ферментации. Новые ферментативные методы разрешения были разработаны для производства L-, а также D-аминокислот. Аспартам, интенсивный некалорийный подсластитель, синтезируется в неводных условиях термолизином, протеолитическим ферментом.

13 B]Редкие сахара

Недавно были разработаны ферментативные методы для производства практически всех D- и L-форм простых сахаров. Изомераза глюкозы является одним из важных промышленных ферментов, используемых в производстве фруктозы.

13 C]Полусинтетические пенициллины

Пенициллин вырабатывается генетически модифицированными штаммами штаммов Penicillium. Большая часть пенициллина превращается иммобилизованным ацилазным ферментом в 6-аминопенициллановую кислоту, которая служит основой для многих полусинтетических пенициллинов.

13 D]Реакции на основе липазы

В дополнение к применению моющих средств липазы могут использоваться в разнообразных химических реакциях, поскольку они активны в органических растворителях. Липазы используются при переэтерификации, а также используются для энантиомерного разделения спиртов и отдельных смесей рацемического амина. Липазы также используются для образования ароматических и алифатических полимеров.

13 E]Ферментативный синтез олигосахаридов

Химический синтез олигосахаридов представляет собой сложную многостадийную работу. Биокаталитический синтез с изолированными ферментами, такими как гликозилтрансферазы и гликозидазы или сконструированные цельные клетки, являются мощной альтернативой химическим методам. Олигосахариды нашли применение в косметике, лекарствах и в качестве функциональных продуктов.

Будущие тенденции в промышленной энзимологии

Рынок промышленных ферментов неуклонно растет. Причина этого заключается в повышении эффективности производства, что приводит к удешевлению ферментов в новых областях применения. Адаптация ферментов для конкретных применений будет будущей тенденцией с постоянно совершенствующимися инструментами и пониманием взаимосвязей структура-функция и расширением поиска ферментов из экзотических сред.

Новые технические инструменты для использования ферментов в качестве кристаллических катализаторов, способность рециркулировать кофакторы и инженерные ферменты для работы в различных растворителях с множественной активностью являются важными технологическими разработками, которые будут постоянно создавать новые приложения.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *