Промышленные процессы с использованием иммобилизованных ферментов и клеток

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Волгоградский государственный  технический университет

Кафедра “Промышленная  экология и безопасность жизнедеятельности”

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

по предмету

“Основы биотехнологии” на тему:

“ПРОМЫШЛЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИММОБИЛИЗОВАННЫХ ФЕРМЕНТОВ И КЛЕТОК”

 

 

 

                   Выполнила:

Студентка гр. ХТ-442

Серская Наталья 

Проверила:

Владимцева И.В.

 

 

 

 

 

Волгоград 2007

Содержание.

Введение……………………………………………………………… ……3

  1.Получение глюкозо-фруктозных сиропов………………………  ……4

     Основы  процесса……………………………………………………  ….5

     Коммерческие  препараты иммобилизованной глюкомеразы…  …….6

     Технологические  варианты процессов……………………………  …..6

     Экономические  оценки……………………………………………  …..11

     Масштабы  производства……………………………………………  …13

  2. Получение L-аминокислот……………………………………………..15

  3. Получение L-аспарагиновой кислоты…………………………………17

  4. Получение L-яблочной кислоты……………………………………….18

  5. Получение безлактозного молока……………………………………...18

  6. Получение сахаров из молочной сыворотки…………………………..19

  7. Получение 6-аминопенициланновой кислоты………………………...20

Заключение…………………………………………………………………..22

Список литературы………………………………………………………….24

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Истоки современной  биотехнологии уходят глубоко в прошлое. С незапамятных времен получали пищевые продукты или улучшали их качество с использованием биологических процессов и агентов. В качестве биологических агентов применялись различные организмы (от животных до микроорганизмов). На этом принципе основаны общеизвестные древнейшие способы получения молока, изготовления вин, уксуса, пивоварения, сыроделия, хлебопечения и т. д.

Хотя история пищевых  технологий насчитывает тысячелетия, тем не менее совершенствование  их постоянно продолжается. В последнее время наметились перспективы принципиального сдвига в технологии получения и улучшения качества пищевых продуктов. Это связано с переходом от использования целых биологических организмов на клеточный и молекулярный уровни. Появилась возможность конструировать биологические агенты, изменять структуру молекул, «резать» их на части и соединять по усмотрению исследователя-биотехнолога, извлекать биокатализаторы из естественного клеточного окружения и присоединять их с помощью ковалентных или других связей к специальным носителям (тем самым опять-таки изменять структуру молекул) и т. д. В этом и заключается главное и принципиальное отличие традиционных пищевых технологий и их традиционного научного фундамента от современной биотехнологии. Следует, впрочем, иметь в виду, что четкую грань между технической биохимией и биотехнологией провести достаточно трудно.

Может возникнуть вопрос, почему в разделе, посвященном промышленным процессам инженерной энзимологии, речь идет в основном о получении  пищевых продуктов. Дело в том, что иммобилизованные ферменты и клетки в основном используются в получении пищевых продуктов и в меньшей степени фармацевтических препаратов. Такое ограничение вызвано весьма малой доступностью   (в широких масштабах)   ферментов, способных  катализировать реакции технологической  значимости,  например, в органической или неорганической химии, нефтехимии, полимерной химии,  фармацевтической  промышленности  и т.  д. Напротив, традиционное использование растворимых ферментов в пищевой промышленности  создало определенный фундамент для дальнейшего совершенствования методов в этой  области. К   настоящему   времени   семь   процессов   с   использованием иммобилизованных ферментов или клеток нашли крупномасштабное  промышленное  применение  в  ряде  развитых  стран   мира: 1.   Производство   глюкозо-фруктозных  сиропов  и   фруктозы   из глюкозы.  2.  Получение  оптически  активных  L-аминокислот из их   рацемических   смесей.   3.   Синтез   L-аспарагиновой   кислоты из фумаровой кислоты. 4. Синтез L-яблочной кислоты из фумаровой   кислоты.      5.   Производство   диетического   безлактозного молока. 6. Получение Сахаров из молочной сыворотки. 7. Получение 6-аминопенициллановой кислоты  (пенициллинового ядра) из обычного пенициллина   (пенициллина G)  для последующего производства полусинтетических антибиотиков пенициллинового ряда.

Помимо этого, некоторые  процессы отрабатываются на-пилотных установках и обсуждается целесообразность их промышленного применения. К ним в первую очередь относится получение 1) глюкозы из частичных гидролизатов крахмала; 2) инвертного сахара из сахарозы; 3) глюкозы из целлюлозы; 4) белковых гидролизатов.

 

1. Получение глюкозо-фруктозных сиропов

 

Фруктоза, или иначе  фруктовый, плодовый или медовый  сахар,   широко  распространена   в   природе.   Особенно   богаты   ей яблоки и помидоры, а также пчелиный мед, который почти наполовину состоит из фруктозы. По сравнению с обычным пищевым сахаром  (в состав которого фруктоза также входит, но в виде химического соединения с менее сладкой глюкозой)  фруктоза обладает более приятным вкусом, и согласно профессиональной терминологии  вкус  фруктозы  «медовый»,   а  обычного сахара — «приторный». Она на 60—70% слаще сахара и потреблять ее можно меньше, а значит, меньше будет и калорийность продукта. Это важно с точки зрения диетологии питания. Фруктозу в отличие от глюкозы и пищевого сахара могут потреблять больные диабетом, так как замена сахара фруктозой существенно снижает  вероятность  возникновения диабета.  Это объясняется тем,  что усвоение фруктозы не связано с превращением инсулина. Кроме того, она в меньшей степени вызывает заболевание зубов, чем сахар. В смеси с глюкозой фруктоза не кристаллизуется (не засахаривается), поэтому нашла широкое применение в производстве мороженого, кондитерских изделий  и т. д.

Несмотря на неоспоримые  преимущества фруктозы по срав-

нению с обычным сахаром, вплоть до начала 70-х годов она  не производилась промышленным путем. В 1973 г. американской компанией «Клинтон Корн» был внедрен в промышленность процесс превращения глюкозы во фруктозу под действием иммобилизованного фермента глюкозоизомеразы, этот процесс стал самым крупным в мире по сравнению с другими, в которых используются иммобилизованные ферменты.

Основы процесса.

 Фермент глюкозоизомераза катализирует превращение глюкозы, получаемой при гидролизе крахмала (кукурузного или реже картофельного), в смесь глюкозы и фруктозы. Образующийся глюкозо-фруктозный сироп содержит 42—43% фруктозы, около 51% глюкозы и не более 6% ди- или олигосахаридов, по сладости соответствует обычному сахару или инвертному сахару, получаемому кислотным (или ферментативным) гидролизом сахарозы.

Для некоторых пищевых  производств (например, безалкогольных напитков типа кока-колы) употребляют глюкозо-фрук-тозные сиропы с содержанием фруктозы 55 и 90%. Их в свою очередь изготавливают из обычных (42%-ных по фруктозе) сиропов с использованием разделительных процессов типа жидкостной хроматографии.

Глюкозо-фруктозная смесь поступает  на рынок в виде сиропов. Применяется при производстве тонизирующих и ацидофильных напитков, мороженого, кондитерских изделий, хлеба, консервированных фруктов и т. д.

 

Коммерческие препараты  иммобилизованной глюкозоизомеразы.

Они имеют вид гранул, волокон  или аморфной массы. Например, компания «Клинтон Корн» производит как волокнистую, так и гранулированную иммобилизованную глюко-зоизомеразу. Эти варианты фермента предназначены для использования в реакторах различной конфигурации. Волокнистые формы характеризуются большой удельной поверхностью и соответственно высокой удельной активностью фермента, поэтому применяются часто в виде слоев относительно небольшой толщины. Гранулированную глюкозоизомеразу обычно употребляют в колоннах с глубокими слоями фермента.

Компания «Ново» (Дания) производит гранулированную глюкозоизомеразу в виде жестких шариков, «Джист Брокейдс» (Голландия) — относительно мягкие шарики поперечного сшитого желатина, содержащего глюкозоизомеразу (коммерческое название — Максазим), «ICI» (Англия) —также мягкие гранулы, содержащие микробные клетки продуцента глюкозоизомеразы. Вообще среди коммерческих препаратов связанной глюкозоизомеразы почти нет ковалентно иммобилизованных препаратов, что объясняется относительной дороговизной последних. Фермент или адсорбирован на ионообменных смолах или пористых неорганических носителях, или входит в состав определенным образом обработанных клеток.

Во многих случаях  используются иммобилизованные клетки вместо ферментов. Это определяется как меньшей стабильностью выделенной из клеток глюкозоизомеразы, так и отсутствием дешевых методов иммобилизации ферментов, пригодных в данном конкретном случае для экономически эффективного крупномасштабного производства.

Технологические варианты процессов. В литературе содержится немного данных о технологических деталях процессов (табл. 2). Несмотря на то, что почти в каждом процессе применяются ферменты или клетки различного происхождения, имею-

 

 

Таблица 2. Технологические сведения о процессах получения глюкозо-фруктозных сиропов с помощью иммобилизованной глюкозоизомеразы (R. L. Antrim, 1979; А. А. Клёсов, 1982)

Компания	Известные характеристики  процессов
«               «MI—CAR Int.»	Колонный       реактор.       Производительность
(США) «CLINTON CORN»	2000 кг 42%-ного сиропа на 1 кг катализатора
	Время   полуинактивации   иммобилизованного
(США)	фермента  20  сут,  производит  42%-ный  сироп.
	Реактор   состоит   из   серии   отдельных   слоев
	иммобилизованного   фермента   толщиной   2,5—
	12,5 см и характеризуется отношением толщины
	к общему размеру (ширине) 0,02—0,05
«CORNING GLASS»	Колонный   реактор.   Время   полуинактивации
(США)	фермента 40 сут Колонна из нержавеющей  стали высотой 5м,
«GIST BROCADES»
(Голландия)	диаметром 1,5 м. Время  полуинактивации 500 ч.
	Производительность   600   кг   на   1   кг   иммоби-
	лизованного фермента. Исходная концентрация
	глюкозы 45% по массе. Условия: рН 7,5, 60°С,
	Скорость протока в  колонке 8,5 погонных м/ч
«SANMATSU»	Колонный  реактор.   Время  полуинактивации
(Япония) «ICI AMERICAS»	30—50 сут
	Колонна   высотой   5   м.   Производительность
(США)	2000  кг 42%-ного  сиропа  на   I   кг  иммобили-
	зованного фермента
«NOVO»	Колонна высотой 4,5 м. Производительность
(Дания)	4000 кг 45%-ного сиропа на  1  кг иммобилизо-
	ванного фермента. Условия: 60°С, рН 7,5—8,0,
	потеря  50%   активности  после   1800  ч   работы
«SNAM PROGETTI»	Время полуинактивации 70 сут.  Производи-
(Италия)	тельность 5000—6000  кг  на   1   кг иммобилизо-
	ванного фермента. При  иммобилизации  сохра-
	няется, 60% активности фермента
«DENKI KAGAKU»	Реактор  в виде батареи  колонн. После изо-
(Япония)	меризации   сироп   обрабатывают   ионообменни-
	ками, обеЪпечивают и  концентрируют

щие неодинаковую каталитическую активность и полученные различными методами иммобилизации, все процессы имеют общие черты.

Наиболее распространенный технологический вариант — реакторы в виде колонн с направлением потока сверху вниз. Высота колонн обычно достигает 5 м. Рекомендуется использовать возможно более чистое исходное сырье (глю-козные сиропы). Так, по данным компании «Денки Кагаку» (К. Okada,. 1978) при употреблении в качестве исходного сырья кристаллической глюкозы производительность реактора достигает 4000 кг (в пересчете на сухую фруктозу) на 1 кг иммобилизованного фермента за 2400 ч работы.

Время полуинактивации  катализатора при этом равно 50 сут. При использовании исходной глюкозы  более низкого качества время  полуинактивации может снизиться до 20 сут; производительность реактора — до 1500 кг на 1 кг иммобилизованного фермента. В целом производительность промышленных реакторов, по некоторым данным, варьирует от 1 до 9 т глюкозо-фруктозного сиропа на 1 кг иммобилизованной глюкозоизомеразы  (R. L. Antrim, 1979).

Проточные реакторы идеального вытеснения (колонного типа) с иммобилизованной глюкозоизомеразой обычно характеризуются более высокой эффектив-

Рис. 1. Схема производства глюкозо-фруктозных сиропов с помощью иммобилизованной глюкозоизомеразы компанией «Клинтон Корн> (США) (J. С. Davis, 1964):

1 — резервуар для субстрата; 2 — реакторы с иммобилизованным ферментом; 3 — регулировка рН, 4 — фильтры; 5 — ионообменные колонны; 6 — резервуар

Рис. 2. Схема технологического процесса изомеризации глюкозы во фруктозу с помощью иммобилизованного фермента на венгерском заводе (г. Ша-бадедигаза)     (G.    Hollo,1985):

/ — охлаждающая   емкость; 2 — фильтр;  3 —  выпарка;

4 — ионообменные  колонны;

5 — колонны с иммобилизованным  ферментом;  6 — система   контроля;

   7 — стерилизатор

ностью, чем реакторы перемешивания. Так, расход фермента в  них в 1,4—4,0 раза ниже, чем в реакторах  перемешивания, время контакта с  субстратом составляет обычно 2—4 ч, в  то время как в реакторах перемешивания 20—60 ч. Это приводит к меньшему образованию побочных продуктов в реакторах колонного типа  (W. Carasik, J. О. Carroll, 1983).

Важен программный температурный  контроль в ходе процесса изомеризации. Так, если температуру увеличивать ступенчато (по 2°) от 60 до 70°С в течение 14 сут, то продуктивность процесса возрастет на 42%. по сравнению с изотермическим проведением процесса при 60^ºС в течение тех же 14 сут.

Схема производства глюкозо-фруктозных сиропов компании “Клинтон Корн” приведена на рис. 1. Особенность ее — в использовании реактора с иммо-билизованным ферментом не в виде колонны, а серии кассет небольшой толщины (см. табл. 2), снижающих сопротивление потока и позволяющих проводить их последовательную замену без остановки производства.