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  памятати, 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 мяких 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 помякшення 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 помякшенні. Така обробка робить шкіру мякшою і еластичнішою.

2.Амілази  і амілоглюкозидази.

Використання  ферментів в виробництві крохмалю дозволяє контролювати глибину його гідролізу і отримувати продукцію з бажаними властивостями: вязкістю, 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 звязки 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 вязкості 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 звязки, б-глюкогенні амілази гідролізують б-1,6-глюкозидні звязки в розгалужених молекулах олігосахаридів. Для промислових  цілей Глюкоамілази отримують із Aspergillus niger або Risopus sp. Це низько специфічні ферменти, які гідролізують звязки 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 звязування 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.