Хімічна біотехнологія

Хімічна біотехнологія

28

Ужгородський національний університет

Біологічний факультет

Реферат на тему:

ХІМІЧНА БІОТЕХНОЛОГІЯ

Виконавець: асп. каф. генетики,

фізіології рослин і біотехнології,

Біланич Михайло

Ужгород, 2007

ПЛАН

I. Застосування ферментів в промисловості.

1. Протеїнази

2. Амілази і амілоглікозидази

3. Застосування інших ферментів в промисловості.

4. Технологія іммобілізованих ферментів.

II. Біотехнологія і виробництво хімічних речовин

1. Біотехнологія виробництва розчинників.

2. Виробництво органічних кислот.

3. Синтез амінокислот за допомогою біотехнологій і їх застосування.

4. Мікробіологічний синтез антибіотиків і алкалоїдів.

5. Виробництво і застосування стероїдів і вітамінів.

III. Добування хімічних речовин з біологічної сировини

IV. Добування металів за допомогою біотехнологій. Біогеотехнологія.

ВСТУП

Захоплюючий процес в біотехнології веде до росту кількості біотехнологічної продукції, яка використовується в різних галузях промисловості, особливо в фармацевтиці, сільському господарстві і виробництві хімікатів. Біологічні процеси іноді витісняють традиційні етапи хімічного синтезу розчинників, органічних кислот, антибіотиків і інших речовин, що значно понижує вартість їх виробництва і несприятливу дію на навколишнє середовище. А це в свою чергу сприяє застосуванню біопроцесів в виробництві.

Поступове збільшення долі біопроцесів добре видно на прикладі виробництва біополімерів, особливо пластмас, що розкладаються біологічно. (http://www.rccnews.ru/Rus/FinancialInstitution/?ID=46499). Є відомості, що до 2010 року біотехнологічна продукція, або продукція, вироблена в результаті використання біотехнологічних процесів, буде складати 30 відсотків півтора трильйонного ринку хімікатів. (http://www.rccnews.ru/Rus/Pharmaceuticals/?ID=8062 ).

По даним ЮНЕСКО щорічно з надр Землі добувають близько 120 мільярдів тон руд, з яких за розрахунками академіка І. В. Петрянова-Соколова, тільки 2% природних матеріалів використовується в промисловому виробництві, а все інше перетворюється в відходи. За допомогою біотехнологій можливо домогтися ефективнішої і економічно вигіднішої переробки сировини.

На основі цього важливим є розвиток хімічної біотехнології. В її основі лежить здатність біологічних систем до пізнавання і виконання каталітичних функцій. Основними перевагами біотехнологічних методів при добуванні хімічних речовин є спрямована специфічна дія ферментів, яка дозволяє здійснювати надзвичайно тонкі перетворення органічних сполук з використанням простих систем, в той час, як аналогічні хімічні перетворення вимагають багатостадійних синтезів; легко відтворювані умови дії ферментів, оскільки вони звичайно функціонують в водних середовищах і при температурах не вище 80єС; невелика кількість побічних продуктів і шкідливих для біосфери відходів (В.Т.Емцов)

Потрібно пам'ятати, що хімічна біотехнологія лежить в основі промислової і енергетичної біотехнології, дає змогу вирішувати коло питань екологічної біотехнології.

В цьому розділі мова піде головним чином про принципи, перспективи і технології отримання хімічної продукції на основі біотехнології.

І.Застосування ферментів в промисловості.

Застосування ферментів в хімічній технології звичайно буває обумовлено їх високою вибірковістю і стереоспецифічністю, але ці властивості не завжди є бажаними. Наприклад, деколи необхідні ферменти з широкою субстратною специфічністю для виробництва аналогів основного продукту. Перевага технології на основі ферментів перед хімічними каталізаторами заключається в тому, що відносно в м'яких умовах можна досягти більш високих результатів. (Д.Бест биотехнология и химия). Також особливістю є невелика кількість шкідливих для біосфери відходів і побічних продуктів, що є в сьогоднішній час необхідним для збереження нормального екологічного стану навколишнього середовища.

На сьогоднішній день виявлено більше 3000 різних видів ферментів. (http://www.lol.org.ua/ukr/showart.php)

Біотехнологи вважають за краще використовувати позаклітинні ферменти. Вони простіше піддаються перетворенням в промислові препарати, оскільки в них не потрібно руйнувати стінки мікробних клітин.

В промислових технологіях дуже популярними є гідролітичні ферменти. Яскраво виражена специфічність гідролаз дозволяє отримувати готові продукти високої чистоти.

Широке застосування ферменту ізомерази пояснюється тим, що він перетворює глюкозу в фруктозу, в результаті чого утворюється глюкозо-фруктозний сироп, який практично замінює цукор в ряді процесів харчової промисловості. Можна перечислити багато інших сфер застосування ферментів. Наприклад, в шкірній промисловості для пом'якшення шкір, вимочування льону, обезжирювання шовку-сирцю виробництво добавок для кормів, що є важливим для тваринництва, і т.д. (http://www.lol.org.ua/ukr/showart.php)

Особливо високі результати в виробництві різних речовин можливо отримати при за допомогою іммобілізованих ферментів.( В.Т.Емцев, Рубежи...)

Сьогодні в промисловості використовуються різні ферментні препарати. Розглянемо препарати, які створені на протеїназах, глюкозоізомеразі, амілазах і амілоглюкозидазах.

1.Протеїнази.

Спочатку їх виділяли з тварин. Сьогодні їх все більше заміщують мікробіальні протеїнази. Першим ферментом, який знайшов застосування в промисловості була б-амілаза із Aspergillus orizae. Ці продукти містили значні домішки протеази і їх рекомендували використовувати як засоби, що сприяли травленню. Також на основі протеїназ створюють засоби для замочування білизни. Вперше такі засоби були у продажі вже в 1913 році. В кінці 60-х років приблизно 50 % всіх детергентів, які випускались в Європі і США, вже містили протеази. Ще одна галузь,0 де спостерігався бурний розвиток технологій на основі протеаз - це виробництво сиру. Тут всі зусилля були спрямовані на пошук замінників сичуга телять. Для вироблення протеаз в промисловому масштабі потрібні штами мікроорганізмів, що синтезують позаклітинні протеази з високим виходом.

Протеази поділяють на три групи: серинові, кислі і металопротеази. Серед серинових протеаз на першому місці стоїть субтилізин. Важливим є те, що серинові протеази не гідролізують білки до амінокислот.

В склад металопротеази входить атом металу, звичайно цинку, без якого фермент не активний. В промисловості металопротеази добувають за допомогою Bacillus amiloliquefacies i B.termoproteolyticus. Специфічність дії цих ферментів вища, ніж у серинових протеаз, але їх не можна використовувати як сичуг, так як рівень специфічності в них все ж високий.

Вони використовуються в пивоварінні, при гідролізі білків ячменю, так як серинові протеази інгібуються речовинами солоду. Видалення з їх допомогою солоду запобігає помутнінню пива, яке проходить при взаємодії білків з танінами при охолодженні.

Кислі протеїнази. Вони синтезуються грибами. По своїм властивостям вони схожі на травні ферменти тварин - пепсин і ренін. Застосовують їх для гідролізу білку при виробництві соєвого соусу, в хлібопекарній промисловості, як засоби, які сприяють травленню і т.д.

Деякі кислі протеази можна використовувати в виробництві сиру. Більшість протеаз викликає згортання молока, але сир виходить несмачним із-за глибокого гідролізу казеїну. Субстрат на специфічність кислих протеаз термофільних грибів, Mucor pusillus i M. michei, вужча. Вони схожі на ферменти сичуга і широко застосовуються для сторожування молока. Вже отримана експресія гену реніну телят в мікроорганізмах і тепер кишкова паличка може синтезувати ці ферменти.

Протеази знаходять застосування в обробці шкір при видаленні шерстинок і пом'якшенні. Така обробка робить шкіру м'якшою і еластичнішою.

2.Амілази і амілоглюкозидази.

Використання ферментів в виробництві крохмалю дозволяє контролювати глибину його гідролізу і отримувати продукцію з бажаними властивостями: в'язкістю, осмотичним тиском, стійкістю до кристалізації. Гідроліз каталізується ферментами трьох різновидів: ендоамілазами, екзоамілазами і б-1,6-глюкозидазами.

Ендоамілази - це б-амілази. Які розщеплюють б-1,4-глюкозидні зв'язки амілазі і амілопектині з утворенням олігосахаридів з різної довжини ланцюгами і б-конфігурацією при С1 атомі глюкози. Для зрідження крохмалю при високій температурі використовують термостабільні б-амілази. Наприклад амілази Bacillus licheniformis температурний оптимум лежить при 92 єС. Для зрідження крохмаль диспергують у воді при нагріванні, для зменшення в'язкості і для запобігання осіданню крохмалю при охолодженні проводять частковий його гідроліз. При одностадійному розрідженні фермент добавляють на самому початку, до приготування суспензії, яке проводять при 150 єС на протязі 5 хвилин, після чого гідроліз ведуть 2 години при 95 єС.

При кисло-ферментному зрідженні фермент після желатинування крохмалю, викликаного нагріванням.

Сиропи, що добувають з крохмалю, містять багато мальтози (40-50%). Знаходять застосування в виробництві карамелі і заморожених десертів.

Екзоамілази розщеплюють б-1,4-глюкозидні зв'язки, б-глюкогенні амілази гідролізують б-1,6-глюкозидні зв'язки в розгалужених молекулах олігосахаридів. Для промислових цілей Глюкоамілази отримують із Aspergillus niger або Risopus sp. Це низько специфічні ферменти, які гідролізують зв'язки б-1,3 і б-1,6 повільніше ніж б-1,4. Вони стабільні в широкому діапазоні рН і більш активні при 75 єС, хоча частіше функціонують при 65 єС. В препаратах цих ферментів присутні забруднюючі домішки трансглюкозилази, яка каталізує утворення олігомерів глюкози, що не зброджуються. Це може суттєво понижувати вихід глюкози.

Глюкоамілази застосовуються в основному в виробництві концентрованого сиропу (90-97% D-глюкоза), з якого отримують кристалічну глюкозу. Також вони застосовуються при виробництві сиропів з високою ступінню конверсії (35-43% глюкози, 30-37% мальтози і 8-13 % мальтотріози) для харчової промисловості.

3.Застосування інших ферментів, що важливі для комерції.

Сьогодні ферменти застосовуються найбільш широко для перетворення вуглеводів, які відіграють особливу роль в харчовій і молочній промисловості.

Глюкозоізомераза. Каталізує перетворення глюкози у фруктозу. Комерційні препарати її відомі під фірмовою назвою „Sweetyzyme“ або „Maxazyme”. Їх поява стала поштовхом для розвитку крупного виробництва фруктового соку. При високих концентраціях субстрату і нейтральних рН несолодка глюкоза з виходом 42-47 % ізомеризується ферментом в більш солодку фруктозу. Запатентовано багато способів іммобілізації і використання як самої ізомерази так і клітин, які її містять. Процес іде при 60-65 єС, при рН 7,0-8,5 в присутності іонів магнію.

Я-галактозидазу (лактазу) застосовують для гідролізу лактози в збираному молоці. Безлактозний продукт, що отримують, іде для харчування тих людей, організм яких не розщеплює лактозу.

Під дією лактази з сахарози отримують глюкозу. На комерційний рівень поставлено ферментативне розділення рацематних сумішей амінокислот і ефірів, які утворюються при хімічному синтезу.

Ряд ферментів грає роль i в медичній діагностиці. Так, холестериноксидаза дозволяє визначити рівень холестерину в сироватці крові,

а уреаза - рівень сечової кислоти. В дослідженнях генної інженерії використовують рестрикційні ендонуклеази, які розрізають ДНК, і лігази, які зшивають розрізані кінці ДНК.

Групі американських дослідників на чолі з Девісом (Медична школа Стенфордського університету) вдалося підвищити вихід лігази

в 500 разів за рахунок введення декількох копій лігазного гену в клітини Е. coli.

Пренатальну діагностику серповидноклітинної анемії можна здійснити, обробляючи рестрикційними ендонуклеазами ДНК зародкових клітин амніотичної рідини замість того, щоб відбирати проби крові зародка. Отримані мікробіологічним шляхом ферменти можуть також знайти важливе значення у виробництві пластмас.

4.Технологія іммобілізованих ферментів

В промисловості вже на початку 80 було реалізовано 4 широкомасштабні технології на основі іммобілізованих ферментів(глюкозоізомерази, аміноацилази, пеніцилази і лактази). Але ще на початку 20 століття було відомо, що деякі ферменти, якщо їх адсорбувати на твердому носії (такому, як вугілля або силікагель), зберігають свою каталітичну активність.

Іммобілізація - поняття досить широке. Воно означає просте зв'язування ферментів з нерозчинними в воді носіями, а також будь-яке обмеження ступенів свободи ферментних молекул і їх фрагментів. Наприклад лактазу іммобілізують на частках кремнезему, застосовують для конверсії лактози сироватки в глюкозу і галактозу.

В майбутньому будуть використовуватись іммобілізовані ферменти. Їх можна використовувати в наступних цілях: а ) холінестераза може застосовуватись для визначення пестицидів; б) інші ферменти аналогічним способом можуть застосовуватися для визначення токсичних речовин, наприклад, гексокіназа дуже чутлива до малих концентрацій ліндану; в)іммобілізована гепариназа може застосовуватись для запобігання тромбоутворень в апаратах штучного кровообігу; г) іммобілізована білірубіноксидаза може бути застосована для видалення білірубіну із крові новонароджених, які страждають на гепатит; д) іммобілізовані ферменти знайдуть подальше застосування в молочній промисловості. При виробництві сиру можуть використовуватись іммобілізовані білки, які згортують молоко - ренін пепсин; е) Можливо, вдасться створити системи із декількох іммобілізованих ферментів. Наприклад якщо заключити в мікро капсули три ферменти - уреазу, глутаматдегідрогеназу і глюкозодегідрогеназу, то їх можливо використати для видалення сечовини із крові хворих на ниркову недостатність; є) різноманітні іммобілізовані ферменти з часом знайдуть застосування в датчиках для швидкого аналізу. Особливо корисними із-за їх високої стабільності можуть виявитись ферменти термофілів.

Іммобілізація ферментів дає наступні переваги: зростання стабільності біотехнологічних процесів, оптимізацію рН для каталітичної активності, отримання більш чистої продуктів реакції, полегшення відновлення і повторного використання біокаталізаторів, пониження інгібування ферментів.

Іммобілізація також дозволяє зупинити реакцію на будь-якій стадії, отримати продукт очищений від ферменту, що дуже важливо в ряді харчових і промислових виробництв.

Як же проходить іммобілізація? Ферменти закріплюють в просторі по-різному, декількома способами. Їх можна адсорбувати на кераміці, склі, силікагелі, оксидах і гідроксидах металів, полісахаридах, органічних смолах і інших носіях. Адсорбція при цьому здійснюється фізичними або іонними силами взаємодії. Поширені також методи механічного включання ферментів в полімерні гелі, в напівпроникні полімерні мікро капсули, в повні волокна, в рідкі мембрани. Особливий інтерес мають способи, які дозволяють приєднувати ферменти до неорганічних носіїв за допомогою хімічних (ковалентних) зв'язків. Можливе таке прикріплення ферментів до нейлону, полістиролу, поліакриламіду, іонообмінних смол.

Після закріплення на поверхні носія ферменти необхідно стабілізувати. Справа в тому, що вони є поживою для мікроорганізмів. Тому ферменти захищають від них, наприклад стінками мікропористого носія. Існують і інші способи стабілізації ферментів, коли молекули білку попередньо зв'язують „поперечними містками”, а потім вже прикріплюють хімічними зв'язками до твердого матеріалу і механічно включають утворення що дістали в тісні пори носія. Зафіксований таким чином фермент може працювати в різних умовах, зберігаючи активність при підвищених температурах і в відносно агресивних середовищах.

Також ефективним методом є іммобілізація не тільки ферментів, але й мікроорганізмів. Використання таких іммобілізованих клітин дає ряд переваг: не потрібно виділяти і очищати ферменти, невеликі витрати на виділення і очистку продуктів реакції, можливе створення наполовину безперервних і автоматизованих процесів.

ІІ. Біотехнологія і виробництво хімічних речовин

1.Біотехнологія виробництва розчинників

До числа важливих виробництв розчинників на основі бродильних процесів відноситься добування ацетону і бутанолу. Вперше в промисловому масштабі вони були здійснені Вейсманом в місті Манчестері в роки першої світової війни. Низькоякісний ацетон виробляли з деревини, але коли став потрібен високоякісний ацетон, то був заснований бродильний процес на переробці крохмалю (концентрацією в 3,8 %) анаеробними спороутворюючими бактеріями Clostridium acetobutilicum. Перетворенню підлягає до 30 % субстрату в результаті чого утворюється суміш розчинників (60% бутанолу, 30 % ацетону і 10-15 ізопропанолу, етанолу). Залишок субстрату перетворювався на вуглекислий газ і водень (рис.1).

Рис.1. Схема реакцій ацетон-бутанольного бродіння

Оскільки утворювались великі об'єми газів при великомасштабному виробництві перемішування не було потрібно. Головні проблеми заключались в гасінні піни. В залежності від штамів відношення ацетон : спирт дещо варіювало. Розчинники відокремлюють від середовища перегонкою.

Велике значення має виробництво бутанолу. Його використовують при добуванні широкого кола речовин, включаючи гальмівну рідину, пластифікатори, карбамідну смолу, речовини з властивостями екстракції і добавки до бензину.(Сассон Альбер )

Після війни бродильне виробництво цих речовин скоротилось, так як відносна вартість нафтопродуктів, порівняно з вуглеводами, була нижчою. В наш час знову з'являється зацікавленість до ферментативного виробництва цих речовин.

Також цікавим отримання бутилен-2,3-гліколю за допомогою мікробіологічної конверсії. Для цього можна використати молочну сироватку. Вона може бути джерелом вуглецю при утворенні бутиленгілколю бактеріями Klebsiella pneumoniae або Enterobacter aerogenes. Бутиленгліколь потім йде на виробництво каучуку.

2.Виробництво органічних кислот.

Однією з важливих органічних кислот є оцтова кислота. Вона використовується при виробництві багатьох хімічних речовин, включаючи каучук, пластмаси, волокна і інсектициди. В минулому основну її частину добували з етанолу шляхом мікробіологічного окислення. Мікробіологічне перетворення етанолу йде за допомогою Acetobacter і Gluconobacter в аеробних умовах і тому не являється процесом бродіння. Перетворення етанолу в оцтову кислоту за допомогою бактерій економічно вигідним є лише при добуванні харчового оцту ( Сассон Альбер ).

Відомо, що термофільні бактерії мають властивість перетворювати целюлозу в оцтову кислоту тому є перспективними для використання їх в промисловому виробництві цієї речовини. Також можливо використовувати Acetobacter i Clostridium для синтезу її з СО2 і Н2.

Важливою також є молочна кислота. Її виробництво було одним з перших процесів з застосуванням часткової стерилізації середовищ нагріванням за участі мікроорганізмів з роду Lactobacillus bulgaricus i L. leischmanii (XIX ст.). Здійснювався цей мікроаерофільний процес при температурі 45-50 єС. В ньому використовуються речовини, що містять крохмаль. Їх попередньо обробляють ферментами або за допомогою кислотного гідролізу.

Бактерії Lactobacillus bulgaricus зброджують лактозу, тому можна використовувати як субстрат молоко. Також для субстрату можна використати сахарозу (концентрація 12-18%, маса/об'єм). Процес конверсії іде 3-4 доби. При цьому виділяється СО2 і створюються напіванаеробні умови.

Описані також способи конверсії 1,2-пропандіолу в молочну кислоту. Такі мікроорганізми, як Arthrobacter oxydans, Fusarium solani, Alcaligens faecalis, утворюють L(+) ізомер молочної кислоти, а Lactobacillus leischmanii синтезують D-ізомер.

Молочну кислоту використовують як добавку до безалкогольних напоїв, фруктових соків, джемів і сиропів, есенцій, в медицині, для декальцифікації шкір в дубильній промисловості. L(+)-форму молочної кислоти полімеризують в полілактат, який застосовують для виробництва пластикових обгорток.

Лимонна кислота. У цієї кислоти приємний смак і її широко використовують в харчовій, фармацевтичній і косметичній промисловості. Оскільки ця речовина зв'язує метали, її використовують для їх очистки.

Процес виробництва лимонної кислоти проходить за допомогою ферментації при участі грибів. Налагоджено його вперше в 1843 році. Основні проблеми цього процесу спочатку були зв'язані з мікробним забрудненням. Виявилось, що процес можна вести при низьких рН і в таких умовах утримувати стерильність простіше. За 1-2 тижні при високих концентраціях цукру, вихід лимонної кислоти становив 60 %. В 1950 році було освоєно глибинне культивування. Відомо, що стабільний процес глибинної ферментації можливий лише в тому випадку, якщо він здійснюється у дві стадії: на першій йде ріст міцелію, а на другій - утворення лимонної кислоти. Для цього процесу використовується сировина: меляса, крохмаль, глюкозний сироп.

Наявність іонів металів в вихідному середовищі приводить до різкого падіння виходу лимонної кислоти. Їх осаджують за допомогою гексаціаноферату, пропусканням через іонообмінні смоли, а також для ліквідації їх шкідливої дії цих домішок використовують метанол і інші спирти. В 60-х роках були запропоновані процеси для виробництва лимонної кислоти за допомогою штамів Corynebacterium, Arthrobacter, Brevibacterium, Candida.

В промисловому виробництві в основному використовують Aspergillus niger, A. wentii. Надлишок продукції лимонної кислоти являється реакцією відповіді на недостачу фосфату, але при вираженій нестачі металів, лімітуючим фактором не обов'язково являється фосфат. Оптимум рН складає 1,7-2,0. В більш лужному середовищі проходить утворення помітних кількостей щавлевої та глюконової кислот. Таким чином, контроль за культуральним середовищем дозволяє обійти регуляторні системи обміну і створює оптимальний фон для утворення лимонної кислоти. Очевидно в цих умовах стимулюється гліколіз і забезпечується необмежене надходження вуглецю в реакції проміжного метаболізму.

В промисловому виробництві лимонної кислоти застосовується декілька варіантів процесу. Традиційним твердофазним варіантом являється процес Коджі. Він має багато спільного з поверхневою ферментацією. Глибинна ферментація є періодичною і безперервною. Безперервна дає найбільший вихід продукції, але його застосування в промисловості поки, що малоймовірно.

На першому етапі утворюється значна кількість продукту. На другому етапі ріст відсутній, а гранична кількість продукту залежить від концентрації біомаси. В кінці ферментації масу міцелію відокремлюють фільтруванням і промивають. Потім при рН<3,0 осаджують щавлеву кислоту в формі оксалату кальцію. Лимонну кислоту осаджують із рідкої фази в формі кальцієвої трьох заміщеної солі в комплексі з чотирма молекулами води. Осад відфільтровують, промивають і вільну кислоту отримують шляхом обробки сульфатом кальцію. Далі її очищають за допомогою активованого вугілля і іонообмінних смол. Можна також екстрагувати кислоту розчинником. (Бест Д., Химия и биотехнология. В кн. Биотехнология.)

Розроблений ряд процесів добування інших органічних кислот - глюконової, яблучної, виннокам'яної, саліцилової, янтарної, піровиноградної, коєвої. В сьогоднішніх умовах здебільшого, їх виробництво не вигідно економічно. D-глюконову кислоту добувають з глюкози за участю Aspergillus niger. В деяких країнах сходу для її виробництва використовують чайний гриб. Натрієва сіль глюконової кислоти використовується для вилучення металів. Оскільки в присутності їдкого натру вона може зв'язувати кальцій, то використовується в складі лужних препаратів для миття посуду. Кальцієві і залізовмісні солі глюконової кислоти застосовуються як пероральні і внутрівенні препарати в медицині, а чиста кислота - як миючий засіб в молочній промисловості.

Страницы: 1, 2