Podstawy biogospodarki. Wykład 7

Transkrypt

1 Podstawy biogospodarki Wykład 7 Prowadzący: Krzysztof Makowski Kierunek Wyróżniony przez PKA

2 Immobilizowane białka Kierunek Wyróżniony przez PKA Krzysztof Makowski Instytut Biochemii Technicznej Politechniki Łódzkiej

3 Immobilizacja- definicja Przeprowadzenie enzymu ze stanu rozpuszczalnego do nierozpuszczalnego, najczęściej przez związanie go z mechanicznym nośnikiem. Obecnie jednak podkreśla się możliwość ich powtórnego lub wielokrotnego użycia, niezależnie od rozwiązań technologicznych, które to umożliwiają wg Biotechnolgia. Podstawy mikrobiologiczne i biochemiczne, Chmiel A., Wydawnictwo Naukowe PWN, W-wa 1998

4 Cechy dobrego nośnika Trwałość mechaniczna (i biologiczna) Duża powierzchnia czynna, pojemność i porowatość Możliwość otrzymywania różnych form (np. włókna, kulki) Łatwość aktywacji Wysokie powinowactwo do biokatalizatora (i środowiska reakcji) Łączenie z wybranymi grupami funkcyjnymi białka Nie powinien ograniczać działąnia enzymu Niska cena i dostępność Łatwość w izolacji ze środowiska reakcji Możliwość regeneracji

5 Zalety immobilizacji Wielokrotne i powtarzalne wykorzystanie enzymu Możliwość szybkiego zatrzymania reakcji przez usunięcie enzymu ze środowiska Stabilizacja enzymu poprzez związanie z matrycą Produkt nie jest zanieczyszczony enzymem Łatwość izolowania enzymu ze środowiska Możliowść prowadzenia reakcji wieloenzymatycznych

6 Potencjalne obszary aplikacji Medycyna Chemia spożywcza Chemia organiczna Farmacja Ochrona środowiska Elektronika

7 Problemy dyfuzyjne

8 Parametry enzymu i nośnika Enzym Nośnik Właściwości biochemiczne Charakterystyka chemiczna Typ i kinetyka reakcji Właściwości mechaniczne Metoda immobilizacji Wydajność [%] Opory ruchu masy Sprawność [ ] Stabilność operacyjna [Liczba cykli] Zużycie enzymu [U*(kg produktu) -1 ] Produktywność [(kg produktu)*u -1 ]

9 Parametry immobilizacji Białko związane z nośnikiem Teoretyczny % związanej aktywności Rzeczywisty % związanej aktywności

10 Parametry immobilizowanego biokatalizatora Stabilność operacyjna- czas w którym w trakcie prowadzenia procesu preparat traci 50 % aktywności wyjściowej Stabilność w trakcie przechowywania- czas w którym w trakcie przechowywania preparat traci 50 % aktywności wyjściowej

11 Klasyczne metody immobilizacji Adsorpcja Wiązanie kowalencyjne Pułapkowanie (membrany, kuleczki żelu) Kapsułkowanie Sieciowanie przestrzenne (Samo-) agregacja

12 Adsorpcja Siły jonowe, wiązania wodorowe, słabe oddziaływania fizykochemiczne PRZYKŁADOWE NOŚNIKI: drewno, celuloza, jonity (Sephadex, DEAE-celuloza, CM-celuloza, krzemionka, węgiel aktywny) UWAGI: Często stosuje się sieciowanie po procesie adsorpcji Nadaje się do reakcji prowadzonych w środowiskach organicznych

13 Adsorpcja c.d. ZALETY: Niski koszt Łatwość wykonania Niewielkie opory dyfuzyjne Wysoki stopień zachowanej aktywności po immobilizacji WADY: Nietrwałe wiązanie

14 Wiązanie kowalencyjne Wiązania estrowe, peptydowe, C-C, C-N PRZYKŁADOWE NOŚNIKI: Szkło porowate, chitozan, materiały ceramiczne, CM-celuloza UWAGI: Najczęściej stosowana metoda immobilizacji

15 Wiązanie kowalencyjne ZALETY: Silne związanie białka z nośnikiem Możliwe zmiany parametrów enzymu WADY: Możliwy spadek aktywności enzymu po immobilizacji

16 Pułapkowanie PRZYKŁADOWE NOŚNIKI: Alginian sodu, karagen, żelatyna, agar, kolagen, poliakrylamid, żywice UWAGI: Nadaje się również do unieruchamiania komórek

17 Pułapkowanie ZALETY: Duża pojemność nośnika Możliwość unieruchamiania komórek Możliwość namnażania komórek po immobilizacji Możliwość prowadzenia reakcji wieloenzymatycznych WADY: Wymywanie biokatalizatora Opory dyfuzyjne

18 Pułapkowanie c.d.

19 Pułapkowanie c.d. Kulki spienionego alginianu

20 Agregacja UWAGI: Nadaje się również do unieruchamiania komórek Pleśnie wykazują naturalną zdolność do agregacji, tzw. pellets

21 Agregacja ZALETY: Łatwa procedura Możliwość prowadzenia reakcji wieloenzymatycznych WADY: Zanieczyszczenie środowiska reakcji Opory dyfuzyjne

22 Agregacja- pellets

23 Nowoczesne metody immobilizacji CLEAs (ang. Cross-Linked Enzyme Aggregates)- sieciowane agregaty białek enzymatycznych Biokatalityczne plastiki

24 CLECs (ang. Cross-Linked Enzyme Crystals)- sieciowane kryształy białek enzymatycznych V8 protease Kryształy insuliny

25 CLECs c.d. ZALETY: Wysoki stopień upakowania enzymem (>99%) Odporność na czynniki mechaniczne Odporność na czynniki fizykochemiczne Odporność na środowiska organiczne Wysoka enancjoselektywność Niewielki ograniczenia dyfuzyjne dla kryształów 100x 5 um Możliwość prowadzenia reakcji wieloenzymatycznych WADY: B. wysokie koszty otrzymywania

26 Biokatalityczne plastiki ZALETY: szeroki zakres aplikacji Możliwość regulacji parametrów fizykochemicznych preparatu Możliwość tworzenia multizymów Łatwość separacji Możliwość stosowania jako pompy wspomagające wymianę medium WADY: Stosunkowo drogie materiały Problemy z aktywnością po modyfikacji polimerem

27 Biokatalityczne plastiki

28 Biokatalityczne plastiki c.d.

29 Biokatalityczne plastiki c.d.

30 Biokatalityczne plastiki c.d. Zachowanie się poli-n-izopropyloakryloamidu w zależności od temperatury

31 Bioreaktory do procesów okresowych a. Stirred-tank Reactor b. Fixed-bed Reactor c. Fluidized Bed Reactor

32 Bioreaktory do procesów ciągłych

33 Bioreaktory przepływowe

34 Bioreaktory przepływowe i. Reaktor z enzymem unieruchomionym na membranie i separacją faz j. Reaktor z rozdzieloną fazą wodną i organiczną

35 Aplikacje immobilizowanych enzymów w kosmetyce

36 Aplikacje immobilizowanych enzymów w kosmetyce

37 Aplikacje immobilizowanych enzymów w kosmetyce

38 Aplikacje immobilizowanych enzymów w kosmetyce

39 Dziękuję za uwagę