Промышленные ферменты - Industrial enzymes

Промышленные ферменты находятся ферменты которые коммерчески используются в различных отраслях, таких как фармацевтические препараты, химическое производство, биотопливо, еда и напитки, и потребительские товары. Благодаря достижениям последних лет, биокатализ через изолированные ферменты считается более экономичным, чем использование целых клеток. Ферменты можно использовать как работа агрегата в процессе создания желаемого продукта или может быть интересующим продуктом. Промышленный биологический катализ с помощью ферментов в последние годы переживает бурный рост из-за их способности работать в мягких условиях и исключительных хиральный и позиционная специфичность, чего не хватает традиционным химическим процессам.[1] Изолированные ферменты обычно используются в гидролитический и изомеризация реакции. Целые клетки обычно используются, когда реакция требует кофактор. Хотя кофакторы могут быть созданы in vitro, как правило, более рентабельно использовать метаболически активные клетки.[1]

Ферменты как единичная операция

Иммобилизация

Несмотря на их превосходные каталитические способности, во многих случаях ферменты и их свойства необходимо улучшить перед промышленным внедрением. Некоторые аспекты ферментов, которые необходимо улучшить перед внедрением, включают стабильность, активность, ингибирование продуктами реакции и селективность по отношению к неприродным субстратам. Это может быть достигнуто путем иммобилизации ферментов на твердом материале, таком как пористый носитель.[2] Иммобилизация ферментов значительно упрощает процесс восстановления, улучшает контроль процесса и снижает эксплуатационные расходы. Существует множество методов иммобилизации, таких как адсорбция, ковалентное связывание, аффинность и захват.[3] В идеальных процессах иммобилизации не следует использовать высокотоксичные реагенты в технике иммобилизации для обеспечения стабильности ферментов.[4] После завершения иммобилизации ферменты помещают в реакционный сосуд для биокатализа.

Адсорбция

Фермент адсорбция на функции носителей, основанные на химических и физических явлениях, таких как силы Ван дер Ваальса, ионные взаимодействия, и водородная связь. Эти силы слабые и, как следствие, не влияют на структуру фермента. Можно использовать самые разные ферментные носители. Выбор носителя зависит от площади поверхности, размера частиц, структуры пор и типа функциональной группы.[5]

Ковалентное связывание

Пример иммобилизации фермента посредством ковалентного связывания

Для прикрепления фермента к поверхности с разной степенью успеха можно использовать многие химические методы связывания. Самым успешным ковалентное связывание методы включают привязку через глутаральдегид к аминогруппы и N-гидроксисукцинид сложные эфиры. Эти методы иммобилизации применяются при температуре окружающей среды в мягких условиях, которые имеют ограниченный потенциал для изменения структуры и функции фермента.[6]

Близость

Иммобилизация с помощью близость полагается на специфичность фермента, чтобы связать сродство лиганд к ферменту с образованием ковалентно связанного комплекса фермент-лиганд. Комплекс вводят в матрицу-носитель, для которой лиганд имеет высокую аффинность связывания, и фермент иммобилизируется посредством взаимодействий лиганд-носитель.[3]

Ловушка

Иммобилизация с использованием ловушка основан на захвате ферментов в гелях или волокнах с использованием нековалентных взаимодействий. Характеристики, которые определяют успешный улавливающий материал, включают большую площадь поверхности, равномерное распределение пор, регулируемый размер пор и высокую адсорбционную способность.[3]

Восстановление

Ферменты обычно представляют собой значительные эксплуатационные расходы для промышленных процессов, и во многих случаях их необходимо восстанавливать и повторно использовать, чтобы обеспечить экономическую осуществимость процесса. Хотя в некоторых биокаталитических процессах используются органические растворители, большинство процессов происходит в водной среде, что упрощает разделение.[1] Большинство биокаталитических процессов происходит периодически, что отличает их от обычных химических процессов. В результате в типичных биопроцессах используется метод разделения после биоконверсии. В этом случае накопление продукта может вызвать угнетение активности фермента. Текущие исследования проводятся для разработки на месте методы разделения, при которых продукт удаляется из партии в процессе конверсии. Разделение ферментов может быть выполнено с помощью методов экстракции твердой и жидкой фаз, таких как центрифугирование или фильтрация, и раствор, содержащий продукт, подают ниже по потоку для разделения продукта.[1]

Ферменты как единая операция
ФерментПромышленностьЗаявление
Palatase[7]ЕдаУсилить сырный вкус
Липозим TL IM[7]ЕдаПереэтерификация растительного масла
Липаза АК Амано[7]ФармацевтическаяСинтез хиральных соединений
Липопан F[7]ЕдаЭмульгатор
Целлюлаза[8]БиотопливоКласс ферментов, разлагающих целлюлозу до мономеров глюкозы
Амилаза[9]Еда / биотопливоКласс ферментов, разлагающих крахмал до мономеров глюкозы
Ксилозоизомераза[10]ЕдаПроизводство кукурузного сиропа с высоким содержанием фруктозы
Резиназа[7]БумагаКонтроль высоты тона при обработке бумаги
Пенициллин амидаза[11]ФармацевтическаяПроизводство синтетических антибиотиков
АмидазаХимическаяКласс ферментов, используемых для производства непротеиногенных энантиомерно чистых аминокислот

Ферменты как желаемый продукт

Для индустриализации фермента рассматриваются следующие процессы производства ферментов до и после:

Upstream

Восходящие процессы - это те, которые способствуют образованию фермента.

Выбор подходящего фермента

Фермент должен быть выбран на основе желаемой реакции. Выбранный фермент определяет необходимые рабочие свойства, такие как pH, температура, активность и сродство к субстрату.[12]

Идентификация и выбор подходящего источника для выбранного фермента

Выбор источника ферментов - важный шаг в производстве ферментов. Обычно исследуют роль ферментов в природе и их связь с желаемым производственным процессом. Ферменты чаще всего поступают из бактерий, грибков и дрожжей. После выбора источника фермента могут быть выполнены генетические модификации для увеличения экспрессии гена, ответственного за продуцирование фермента.[12]

Развитие процесса

Разработка процесса обычно осуществляется после генетической модификации исходного организма и включает модификацию культуральной среды и условий роста. Во многих случаях разработка процесса направлена ​​на уменьшение мРНК. гидролиз и протеолиз.[12]

Крупносерийное производство

Увеличение производства ферментов требует оптимизации процесса ферментации. Большинство ферментов производятся в аэробных условиях и, как следствие, требуют постоянного поступления кислорода, что влияет на конструкцию ферментера. Из-за различий в распределении растворенного кислорода, а также температуры, pH и питательных веществ необходимо учитывать явления переноса, связанные с этими параметрами. Максимально возможная производительность ферментера достигается при максимальной пропускной способности ферментера.[12][13]

Вниз по течению

Последующие процессы - это процессы, которые способствуют разделению или очистке ферментов.

Удаление нерастворимых материалов и извлечение ферментов из источника

Процедуры восстановления ферментов зависят от исходного организма и от того, являются ли ферменты внутриклеточными или внеклеточными. Обычно внутриклеточные ферменты требуют лизиса клеток и разделения сложных биохимических смесей. Внеклеточные ферменты попадают в культуральную среду, и их гораздо проще отделить. Ферменты должны сохранять свою природную конформацию, чтобы обеспечить их каталитическую способность. Поскольку ферменты очень чувствительны к pH, температуре и ионной силе среды, необходимо использовать мягкие условия изоляции.[12]

Концентрирование и первичная очистка ферментов

В зависимости от предполагаемого использования фермента требуются разные уровни чистоты. Например, ферменты, используемые для диагностических целей, должны быть разделены до более высокой чистоты, чем промышленные ферменты в больших количествах, чтобы предотвратить каталитическую активность, приводящую к ошибочным результатам. Ферменты, используемые в терапевтических целях, обычно требуют строжайшего разделения. Чаще всего сочетание хроматография шаги используются для разделения.[12]

Очищенные ферменты либо продаются в чистом виде и продаются другим отраслям промышленности, либо добавляются в потребительские товары.

Ферменты как желаемый продукт
ФерментПромышленностьЗаявление
Новозим-435[7]Потребительские товарыИзопропилмиристат производство (косметика)
Бромелайн[14]ЕдаРазмягчитель мяса
Ноопасим[7]ЕдаУлучшение качества лапши
Аспарагиназа[15]ФармацевтическаяЛимфатический рак терапевтический
Фицин[16]ФармацевтическаяПищеварительная помощь
Урокиназа[17]ФармацевтическаяАнтикоагулянт
β-лактамазаФармацевтическаяЛечение аллергии на пенициллин
Субтилизин[18]Потребительские товарыСтиральный порошок

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d Schmid, A .; Dordick, J. S .; Hauer, B .; Кинер, А .; Wubbolts, M .; Витолт, Б. (2001). «Промышленный биокатализ сегодня и завтра». Природа. 409 (6817): 258–268. Дои:10.1038/35051736. PMID  11196655.
  2. ^ Матео, Автомобиль; Фернандес-Лоренте, Глория; Гисан, Хосе; Фернандес-Лафуэнте, Роберто (2007). «Повышение активности, стабильности и селективности ферментов с помощью методов иммобилизации». Ферментные и микробные технологии. 40 (6): 1451–1463. Дои:10.1016 / j.enzmictec.2007.01.018.
  3. ^ а б c Датта, Сумитра; Кристена, Л. Рене; Раджарам, Ямуна Рани Шрирамулу (2017-04-17). «Иммобилизация ферментов: обзор методов и вспомогательных материалов». 3 Биотехнологии. 3 (1): 1–9. Дои:10.1007 / s13205-012-0071-7. ISSN  2190-5738. ЧВК  3563746. PMID  28324347.
  4. ^ Гисан, Хосе (2006). Иммобилизация ферментов и клеток. Springer Science & Business Media.
  5. ^ Есионовски, Теофил; Здарта, Якуб; Краевская, Барбара (01.08.2014). «Иммобилизация ферментов адсорбцией: обзор». Адсорбция. 20 (5–6): 801–821. Дои:10.1007 / s10450-014-9623-у. ISSN  0929-5607.
  6. ^ Уокер, Джон (1988). Методы молекулярной биологии - новые белковые методы. Humana Press. С. 495–499.
  7. ^ а б c d е ж грамм Худ, Ален; Кадеми, Али; Леблан, Даниэль (2004-07-01). «Липазы и их промышленное применение: обзор». Прикладная биохимия и биотехнология. 118 (1–3): 155–170. Дои:10.1385 / ABAB: 118: 1-3: 155. ISSN  0273-2289. PMID  15304746.
  8. ^ Солнце, Е; Чэн, Цзяян (2002-05-01). «Гидролиз лигноцеллюлозных материалов для производства этанола: обзор». Биоресурсные технологии. Проблема с отзывами. 83 (1): 1–11. Дои:10.1016 / S0960-8524 (01) 00212-7. PMID  12058826.
  9. ^ ван дер Маарель, Марк Дж. Э. К.; ван дер Вин, Барт; Uitdehaag, Joost C.M; Leemhuis, Hans; Дийкхёйзен, Л. (28 марта 2002 г.). «Свойства и применение ферментов, превращающих крахмал, из семейства α-амилаз». Журнал биотехнологии. 94 (2): 137–155. Дои:10.1016 / S0168-1656 (01) 00407-2. PMID  11796168.
  10. ^ Bhosale, S.H .; Rao, M. B .; Дешпанде, В. В. (1996-06-01). «Молекулярные и промышленные аспекты глюкозоизомеразы». Микробиологические обзоры. 60 (2): 280–300. ISSN  0146-0749. ЧВК  239444. PMID  8801434.
  11. ^ Бухгольц, Клаус (01.05.2016). «Прорыв в ферментной технологии для борьбы с устойчивостью к пенициллину - промышленное применение пенициллин-амидазы». Прикладная микробиология и биотехнология. 100 (9): 3825–3839. Дои:10.1007 / s00253-016-7399-6. ISSN  0175-7598. PMID  26960323.
  12. ^ а б c d е ж Шарма, Кумар; Бенивал, Викас (2014). Промышленные ферменты: тенденции, масштабы и актуальность. Nova Science Publishers, Inc.
  13. ^ Тахерзаде, Мадхаван; Нампотири, Кристиан (2015). Промышленные биоперерабатывающие заводы и белая биотехнология. Elsevier B.V. ISBN  978-0-444-63453-5.
  14. ^ Бехит, Алаа А .; Хопкинс, Дэвид Л .; Geesink, Geert; Бехит, Аднан А .; Фрэнкс, Филипп (01.01.2014). «Экзогенные протеазы для смягчения мяса». Критические обзоры в области пищевой науки и питания. 54 (8): 1012–1031. Дои:10.1080/10408398.2011.623247. ISSN  1040-8398. PMID  24499119.
  15. ^ Ланверс-Камински, Клаудиа (01.03.2017). «Фармакология аспарагиназы: проблемы, которые еще предстоит решить». Химиотерапия и фармакология рака. 79 (3): 439–450. Дои:10.1007 / s00280-016-3236-y. ISSN  0344-5704. PMID  28197753.
  16. ^ Гонсалес-Рабаде, Нурия; Бадильо-Корона, Хесус Агустин; Аранда-Баррадас, Хуан Сильвестр; Оливер-Сальвадор, Мария дель Кармен (01.11.2011). «Производство растительных протеаз in vivo и in vitro - обзор». Достижения биотехнологии. 29 (6): 983–996. Дои:10.1016 / j.biotechadv.2011.08.017. PMID  21889977.
  17. ^ Котб, Эссам (01.05.2014). «Биотехнологический потенциал фибринолитических ферментов в растворении эндогенных тромбов крови». Прогресс биотехнологии. 30 (3): 656–672. Дои:10.1002 / btpr.1918. ISSN  1520-6033. PMID  24799449.
  18. ^ «Таблетки для стирки Spar Bio». Получено 2017-04-18.