Podstawy biogospodarki Wykład 7 Prowadzący: Krzysztof Makowski Kierunek Wyróżniony przez PKA
Immobilizowane białka Kierunek Wyróżniony przez PKA Krzysztof Makowski Instytut Biochemii Technicznej Politechniki Łódzkiej
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
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
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
Potencjalne obszary aplikacji Medycyna Chemia spożywcza Chemia organiczna Farmacja Ochrona środowiska Elektronika
Problemy dyfuzyjne
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 ]
Parametry immobilizacji Białko związane z nośnikiem Teoretyczny % związanej aktywności Rzeczywisty % związanej aktywności
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
Klasyczne metody immobilizacji Adsorpcja Wiązanie kowalencyjne Pułapkowanie (membrany, kuleczki żelu) Kapsułkowanie Sieciowanie przestrzenne (Samo-) agregacja
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
Adsorpcja c.d. ZALETY: Niski koszt Łatwość wykonania Niewielkie opory dyfuzyjne Wysoki stopień zachowanej aktywności po immobilizacji WADY: Nietrwałe wiązanie
Wiązanie kowalencyjne Wiązania estrowe, peptydowe, C-C, C-N PRZYKŁADOWE NOŚNIKI: Szkło porowate, chitozan, materiały ceramiczne, CM-celuloza UWAGI: Najczęściej stosowana metoda immobilizacji
Wiązanie kowalencyjne ZALETY: Silne związanie białka z nośnikiem Możliwe zmiany parametrów enzymu WADY: Możliwy spadek aktywności enzymu po immobilizacji
Pułapkowanie PRZYKŁADOWE NOŚNIKI: Alginian sodu, karagen, żelatyna, agar, kolagen, poliakrylamid, żywice UWAGI: Nadaje się również do unieruchamiania komórek
Pułapkowanie ZALETY: Duża pojemność nośnika Możliwość unieruchamiania komórek Możliwość namnażania komórek po immobilizacji Możliwość prowadzenia reakcji wieloenzymatycznych WADY: Wymywanie biokatalizatora Opory dyfuzyjne
Pułapkowanie c.d.
Pułapkowanie c.d. Kulki spienionego alginianu
Agregacja UWAGI: Nadaje się również do unieruchamiania komórek Pleśnie wykazują naturalną zdolność do agregacji, tzw. pellets
Agregacja ZALETY: Łatwa procedura Możliwość prowadzenia reakcji wieloenzymatycznych WADY: Zanieczyszczenie środowiska reakcji Opory dyfuzyjne
Agregacja- pellets
Nowoczesne metody immobilizacji CLEAs (ang. Cross-Linked Enzyme Aggregates)- sieciowane agregaty białek enzymatycznych Biokatalityczne plastiki
CLECs (ang. Cross-Linked Enzyme Crystals)- sieciowane kryształy białek enzymatycznych V8 protease Kryształy insuliny
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
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
Biokatalityczne plastiki
Biokatalityczne plastiki c.d.
Biokatalityczne plastiki c.d.
Biokatalityczne plastiki c.d. Zachowanie się poli-n-izopropyloakryloamidu w zależności od temperatury
Bioreaktory do procesów okresowych a. Stirred-tank Reactor b. Fixed-bed Reactor c. Fluidized Bed Reactor
Bioreaktory do procesów ciągłych
Bioreaktory przepływowe
Bioreaktory przepływowe i. Reaktor z enzymem unieruchomionym na membranie i separacją faz j. Reaktor z rozdzieloną fazą wodną i organiczną
Aplikacje immobilizowanych enzymów w kosmetyce
Aplikacje immobilizowanych enzymów w kosmetyce
Aplikacje immobilizowanych enzymów w kosmetyce
Aplikacje immobilizowanych enzymów w kosmetyce
Dziękuję za uwagę