Промышленные процессы с использованием иммобилизованных ферментов и клеток

Первый промышленный процесс получения безлактозного  молока с использованием иммобилизованной лактазы был осуществлен итальянской фирмой «Сентрале дель Латте» в Милане. Получаемое диетическое молоко несколько слаще по сравнению с обычным, поскольку глюкоза более сладкая, чем лактоза, однако это не мешает его употреблению. Стабильность иммобилизованного фермента достаточно высока, и после 50 сут работы он сохраняет 80% первоначальной активности. Завод в Милане производит 10 т безлактозного молока в сутки (W. Markoni, 1979).

 

6. Получение  Сахаров из молочной сыворотки

 

Молочная сыворотка  содержит в своем составе большое  количество лактозы — около 5% в  жидкой и 75% в высушенной сыворотке. Ферментативный гидролиз лактозы в  сыворотке открывает новые возможности получения сахаристых веществ из нетрадиционного сырья, вносит определенный вклад в решение кормовой проблемы и в проблему охраны окружающей среды, поскольку сыворотка большей частью не утилизуется. Первый промышленный процесс гидролиза лактозы в молочной сыворотке с помощью иммобилизованной лактазы был реализован в 1980 г. совместно английской, французской и американской компаниями одновременно в Англии и Франции (L. A. Dohan, 1980).

Перед введением в  колонный реактор с иммобилизованным ферментом сыворотку пастеризуют, подвергают ультрафильтрации и пропускают через ионообменник, чем добиваются ее деминерализации. Мощность установки составляет около 1000 л при степени конверсии лактозы 80%. Установка полностью автоматизирована. Получаемые при этом сахара (глюкоза и галактоза) по сладости в полтора раза превышают сладость пищевого сахара в расчете на одинаковые экономические затраты.

По данным итальянской компании «Снам Проджетти», продолжительность работы иммобилизованного фермента в реакторе с молочной сывороткой существенно зависит от качества сыворотки и время полуинактивации фермента изменяется от 60 (при обработке депротеинизованной и деминерализованной сыворотки) до 8 сут (для необработанной кислой сыворотки). В связи с этим в промышленных условиях ежедневно по полчаса производят очистку колонны (с иммобилизованной лактазой) разбавленной уксусной кислотой. Время работы подобной системы в лабораторных условиях составляет около двух лет (W. Markoni, 1979).

 

7. Получение  6-аминопенициллановой кислоты

 

Проведение химического  деацилирования бензилпенициллина, обычно являющегося исходным сырьем для  получения 6-аминопенициллановой кислоты (6-АПК), представляет трудную задачу из-за наличия в его молекуле чрезвычайно лабильного 0-лактамного кольца. Поэтому в промышленности до недавнего времени обрабатывали бензилпенициллин бактериальной массой E.coli, содержащей фермент пенициллинамидазу, который специфически и без побочных реакций расщеплял именно ту амидную связь, которая необходима для образования 6-АПК (П. С. Ныс, В. К. Швядас и др., 1976).

В результате применения иммобилизованных бактериальных клеток, содержащих пенициллинамидазу, а затем  и самой иммобилизованной пенициллинамидазы, удалось значительно повысить продуктивность и экономичность промышленного процесса получения 6-АПК. В 1975 г. процесс получения 6-АПК с использованием иммобилизованной пенициллинамидазы был внедрен в нашей стране. В настоящее время значительная доля 6-АПК в Италии и вся 6-АПК, выпускаемая в СССР, производятся с помощью иммобилизованных ферментов (Ю. Э. Бартошевич 1986).

Итальянская компания использует иммобилизованную пенициллинамидазу, полученную включением фермента в волокна триацетата целлюлозы. При этом эмульсию, образованную при смешивании раствора фермента с раствором триацетата целлюлозы в метиленхлориде, подвергают экструзии в нити. Волокна закрепляют вдоль термостатируемой колонны и пропускают через нее 6%-ный раствор бензилпенициллина до степени конверсии последнего 97% или выше. По данным итальянских ученых, общий выход 6-АПК составляет 85% с чистотой 96% и выше (W. Markoni, 1979).

По технологии компании «Танабе Сейяку», использующей бактериальные  клетки, иммобилизованные в полиакриламидный гель (с временем полуинактивации 42 сут при 30°С или 17 сут при 40°С), общий выход 6-АПК составляет около 80% (I. Chi-bata, 1980). На советском производстве употребляют пенициллинамидазу, иммобилизованную в полиакриламидном геле, модифицированном глутаровым альдегидом (П. С. Ныс, А. И. Кестнер, 1977).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение.

Перечислим кратко особенности  важнейших процессов с применением иммобилизованных ферментов, которые пока разрабатываются на уровне опытных установок. В первую очередь следует упомянуть процесс получения глюкозы из крахмала. Как известно, он состоит из ряда последовательных реакций с участием двух ферментов — осамилазы и глюкоамилазы. а-Амилаза

атакует крахмал и  расщепляет его на отдельные фрагменты (олигосахариды) по беспорядочному типу действия. Глюкоамилаза реагирует с образовавшимися олигосахаридами, отщепляя концевые остатки глюкозы. При этом именно второй фермент применяют в иммобилизованном виде, пропуская частичные гидролизаты крахмала через колонну с иммобилизованной глюкоамилазой. Этот процесс достаточно отработан и обсуждается целесообразность его крупномасштабного применения.

Получение инвертного сахара (почти эквивалентной смеси глюкозы  и фруктозы) из пищевого сахара, или  сахарозы, производят с помощью фермента инвертазы. Однако в связи с интенсивным развитием промышленного процесса ферментативной изомеризации глюкозы интерес к прикладному применению иммобилизованной инвертазы упал и процесс получения инвертного сахара из сахарозы был осуществлен пока только на опытном уровне.

В СССР проводятся испытания  иммобилизованных протеаз для получения белковых гидролизатов определенного состава. Они нужны, в частности, для создания особых рационов для людей, подвергающихся сильным физическим и психическим нагрузкам, — летчикам, спортсменам. Для их питания целесообразно сочетать обычные пищевые продукты с искусственными аминокислотными смесями. Получение белковых гидролизатов отрабатывается на пилотной установке с объемом реактора 100 л, где гидролизу подвергаются пептиды аутолизина, казеина и яичного белка — отходов ряда промышленных производств (В. М. Беликов, 1984).

Создана опытная установка  для непрерывного ферментативного получения глюкозы из целлюлозосодержащих отходов промышленности и сельского хозяйства (М. Л. Рабинович А. А. Клёсов, 1986). В колонну, содержащую целлюлозу, вводится раствор ферментов целлюлаз, способных гидролизовать целлюлозу вплоть до глюкозы. Ферменты при определенных условиях настолько прочно адсорбируются на целлюлозе, что их можно рассматривать как иммобилизованные. Вместе с тем они осуществляют эффективный гидролиз своего носителя и образующийся глюкозный сироп выносится потоком воды из колонны. В колонну непрерывно подаются новые порции целлюлозы, которые также подвергаются гидролизу, и т. д. В итоге однократно введенный в колонну фермент может несколько месяцев непрерывно гидролизовать целлюлозу при многократной загрузке ее в реактор. Этим открываются возможности экономически эффективного использования возобновляемого растительного сырья для получения глюкозы, которая затем может быть превращена в этанол, фруктозу, кормовой белок и другие продукты микробиологического синтеза. Приведенные примеры показывают, что применение иммобилизованных ферментов в промышленности превращается в достаточно мощную отрасль, которая уже сейчас достигла уровня ежегодного мирового производства продукции в сотни тысяч и миллионы тонн.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

1. Биотехнология. Под ред. А.А. Баева.- М.: Наука, 1984. 318с.
2. Биотехнология. Учеб.пособие для вузов. В 8 книге под ред. Н.С. Егорова, В.Д. Самуйлова. Кн. 8.: инженерная энзимология, И.В. Березин, А.А. Клесов, В.К. Швядас и др.- М.: Высш. шк., 1987. 143с.
3. Иммобилизованные ферменты. Современное состояние и перспективы. Под ред. И.В. Березина, В.К. Антонова, К. Мартинека.- М.: Изд-во МГУ, 1976. Т.1. 296 с. Т.2. 358с.
4. Клесов А.А. Технологические процессы с применением иммобилизованных ферментов. В кн.: Введение в прикладную энзимологию. – М.: Изд-во МГУ, 1982. с.353-379.
5. Применение иммобилизованных ферментов. Под ред. И.В. Березин. Итоги науки и техники. Сер.”Биотехнология”-М.: Изд-во ВИНИТИ, 1986. Т.6. 300с.