ENZIMOLGIA Dr Rczey Istvnn BME ABT Dr Rczey

  • Slides: 44
Download presentation
ENZIMOLÓGIA Dr. Réczey Istvánné BME ABÉT

ENZIMOLÓGIA Dr. Réczey Istvánné BME ABÉT

 • Dr. Réczey Istvánné címzetes egyetemi tanár ireczey@mail. bme. hu • Dr. Barta

• Dr. Réczey Istvánné címzetes egyetemi tanár [email protected] bme. hu • Dr. Barta Zsolt egyetemi adjunktus 4632843 [email protected] bme. hu BME Mg. KT „Non-food” Csoport 2

 Az enzimek: · Egyrészt: az élő szervezetekben működnek · Másrészt: az ipari technológiákban

Az enzimek: · Egyrészt: az élő szervezetekben működnek · Másrészt: az ipari technológiákban különböző technológiai lépések reakcióját gyorsítják. BME Mg. KT „Non-food” Csoport 3

Mezőgazdasági iparok technológiája című tárgy keretében milyen enzimológiai témákat érintettünk? • Keményítőipar Amilázok Mikrobiális

Mezőgazdasági iparok technológiája című tárgy keretében milyen enzimológiai témákat érintettünk? • Keményítőipar Amilázok Mikrobiális enzimek Oldott és rögzitett enzimek • Söripar Növényi enzimek, maláta • Szesz és élesztőipar Nyersanyag előkészítés (hidrolízis), amilázok, cellulázok, hemicellulázok • Cukoripar Dextranázok • Növényolajipar lipázok BME Mg. KT „Non-food” Csoport 4

Történeti áttekintés- ipari enzimek 1 Ez elmúlt 100 év • 1915 -ben: Mosószerekbe Tripszin

Történeti áttekintés- ipari enzimek 1 Ez elmúlt 100 év • 1915 -ben: Mosószerekbe Tripszin hatású enzimet tesznek (Rőhm) • 1969 -ben: Az NSZK-ban az összes mosószerek 80%-a tartalmazott enzimet , főleg proteázokat, de kísérletképpen: lipázokat, amilázokat, pektinázokat, oxidoreduktázokat. • 1971 -ben: rengeteg allergiás panasz, csökkentik a proteázok mennyiségét a mosószerekben, granulálják (nem porzó proteázok) • Manapság a mosószerek 80 -85 %-a tartalmaz enzimeket. BME Mg. KT „Non-food” Csoport 5

Történeti áttekintés- ipari enzimek 2 Ez elmúlt fél évszázad • 1970 óta: Glükóz izomeráz

Történeti áttekintés- ipari enzimek 2 Ez elmúlt fél évszázad • 1970 óta: Glükóz izomeráz nagyipari felhasználás amilázzal és amiloglükozidázzal együtt (Keményítőből izocukor előállítás) • 1965 óta mikrobiális úton előállított rennin (Mucor miehei) • Pektinázok a gyümölcslégyártó iparban egyre nagyobb jelentőségre tesznek szert (Aspergillus niger, Aspergillus wentii) • Lipázokat, mind gomba eredetűeket ( Aspergillus, Mucor, Geotrichum családokból), mind bakteriális eredetűeket az emésztés segítésére (gyógyszerekben) • Penicillin acilázok: a mikrobiális úton előállított penicillin G-ből penicillin előállítás • Laktázok tejcukor lebontására BME Mg. KT „Non-food” Csoport 6

Az enzimfelhasználás %-os megoszlása a különböző iparágak között IPARÁG 1994 -BEN MOSÓSZERIPAR 32 ELŐREJELZÉS

Az enzimfelhasználás %-os megoszlása a különböző iparágak között IPARÁG 1994 -BEN MOSÓSZERIPAR 32 ELŐREJELZÉS 2005 -RE 27 TEJIPAR 14 8 TEXTÍLIPAR 10 6 KEMÉNYÍTŐIPAR 15 12 EGYÉB 29 47 BME Mg. KT „Non-food” Csoport 7

Az enzimtermelés volumene, enzimfelhasználás %-os megoszlása a különböző iparágak között 1983 -BAN 400 MILLIÓ

Az enzimtermelés volumene, enzimfelhasználás %-os megoszlása a különböző iparágak között 1983 -BAN 400 MILLIÓ $ 1995 -BEN 1 MILLIÁRD $ 2005 -RE 1. 7 -2 MILLIÁRD $-T PROGNOSZTIZÁLTAK 2015 USA enzim piaca: 8, 18 MILLIÁRD $ Az összes használt enzim minimum 75%-a hidrolitikus enzim, s a természetes anyagok lebontására használjuk. A természetes anyagok jelenkori térhódításával jelentőségük egyre nő. Proteázok: legnagyobb mennyiségben alkalmazott enzimek (kb. 40%) a tejiparban (koaguláló szerek), valamint a mosószeriparban. Szénhidrátbontó enzimek: a második legnagyobb %-ban alkalmazott enzimcsoport: sütőipar, maláta, szeszipar, keményítőipar, textilipar. 1983 -ban 30 különböző ipari enzim volt forgalomban, ma több, mint a duplája. BME Mg. KT „Non-food” Csoport 9

BME Mg. KT „Non-food” Csoport 10

BME Mg. KT „Non-food” Csoport 10

 • Milyen enzimekről lesz szó? Keményítőbontó enzimek (amilázok) Lignocellulózok lebontásában szereplő főbb enzimek

• Milyen enzimekről lesz szó? Keményítőbontó enzimek (amilázok) Lignocellulózok lebontásában szereplő főbb enzimek • Cellulázok • Hemicellulázok • Ligninbontó enzimek Pektinázok Fehérjebontó enzimek (proteázok) Zsírbontó enzimek (lipázok) BME Mg. KT „Non-food” Csoport 11

Enzimek - alapok Az enzimek biológiai rendszerekben (élő szervezetekben) szintetizálódnak és kémiai reakciókat katalizálnak.

Enzimek - alapok Az enzimek biológiai rendszerekben (élő szervezetekben) szintetizálódnak és kémiai reakciókat katalizálnak. Ø Csak a termodinamikailag lehetséges folyamatokat katalizálják, a kémiai reakció egyensúlyát nem változtatják meg, az egyensúly tehát nem változik meg, csak az idő, ami alatt az egyensúlyt elérjük. Ø Az enzimek csökkentik a katalizált reakció aktiválási energiáját. Ø Az enzimek mindkét irányú reakciót katalizálják, (reverziós termékek keletkeznek). BME Mg. KT „Non-food” Csoport 12

Enzimek - alapok Az enzimek katalitikus hatása óriási: CO 2 + H 2 O

Enzimek - alapok Az enzimek katalitikus hatása óriási: CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 Enzim: karboanhidráz Egyetlen enzimmolekula hatására 105 mol CO 2 hidratálódik másodpercenként. A sebesség 107 -szer nagyobb, mint a katalizálatlan reakció sebessége. Glükozid kötés hidrolízise 25 o. C-on 1 mol katalizátor koncentráció hatására 108 -szor gyorsabban játszódik le enzim (glükozidáz) jelenlétében, mint HCl katalízissel. BME Mg. KT „Non-food” Csoport 13

Az enzimek specificitása nagyon különböző · SZUBTILIZIN: bakteriális proteáz, általános, nem specifikus enzim, a

Az enzimek specificitása nagyon különböző · SZUBTILIZIN: bakteriális proteáz, általános, nem specifikus enzim, a peptidkötés melletti oldalláncoktól függetlenül működik · TRIPSZIN: a hasnyálmirigyben termelődő tripszinogénből keletkezik, az emésztő enzimrendszer második tagja, csak akkor hasít, ha R 1 : lizin, vagy arginin · TROMBIN : a vér alvasztó enzimje, mely a vérplazmában oldott fibrinogént kocsonyás állapotú fibrinné alakítja és ezáltal a vér alvadását idézi elő. A protrombinból keletkezik, nagyon specifikus, csak akkor hasít, ha: R 1: arginin és R 2 : glicin BME Mg. KT „Non-food” Csoport 14

Néhány fogalom az enzimszintézissel kapcsolatban: Indukálható enzimek, pl. ß-galaktozidáz E. coliban glükózon szaporítva: 3

Néhány fogalom az enzimszintézissel kapcsolatban: Indukálható enzimek, pl. ß-galaktozidáz E. coliban glükózon szaporítva: 3 mol/sejt, laktózon szaporítva: 3000 mol/sejt. A laktóz induktor (inducer), olyan anyag, mely a táptalajba adagolva specifikusan megnöveli az illető enzim mennyiségét. Represszálható enzimek, pl. E. coli aminosav mentes táptalajon szaporítva megtermeli valamennyi aminosav szintéziséhez szükséges valamennyi enzimet. Ha a táptalajba pl. hisztidint adagolunk a hisztidin szintetáz termelés megszűnik. Konstitutív enzimszintézis, amikor a regulátor gén működésképtelen represszort kódol, vagy nem is képződik represszor fehérje, vagy nem tud kapcsolódni az operátorhoz és így nem tudja megakadályozni az átírást, s az enzim szintézis korlátozás nélkül folyik BME Mg. KT „Non-food” Csoport 15

Az induktorral szembeni követelmények · Jól indukáljon · Ne fogyjon el a fermentáció alatt

Az induktorral szembeni követelmények · Jól indukáljon · Ne fogyjon el a fermentáció alatt · Ne képződjön belőle olyan anyag, ami katabolit repressziót okozhat Lehetőségek: · A szubsztrát ill. szénforrás maga (a gond, hogy elfogy) · Szubsztrát analóg pl. O S csere laktóz tiolaktóz, vagy kötésváltoztatás: cellobióz szoforóz (ß-1 -4 ß-1 -2 csere) · Kemosztát fermentáció (a fermentáció során az inducer folyamatos adagolásával biztosítjuk a kívánt koncentrációt) · Az inducer folyamatosan képződik a fermentáció alatt, pl. cellulózon történő szaporításkor, a cellulóz hidrolízisekor a cellobióz BME Mg. KT „Non-food” Csoport 16

Hogyan mérjük az enzimek mennyiségét? Enzimaktivitás, az enzimek legfontosabb tulajdonsága IUPAC 1 Ee: 1

Hogyan mérjük az enzimek mennyiségét? Enzimaktivitás, az enzimek legfontosabb tulajdonsága IUPAC 1 Ee: 1 ml enzimoldat 1 mol termék képződését katalizálja 1 perc alatt E + S ES E + T ß-galaktozidáz 1. ) Laktóz+H 2 O glükóz + galaktóz -amiláz 2. ) Keményítő + H 2 O n glükóz ß-glükozidáz 3. ) cellobióz + H 2 O 2 glükóz Enzim aktivitás meghatározásához definiálni kell a körülményeket: E, S, T, p. H, t, Termék BME Mg. KT „Non-food” Csoport 17

Az ipari enzimek eredete · Növényi ( Mg-i iparok: sörgyártás, maláta) · Állati (oltóenzim,

Az ipari enzimek eredete · Növényi ( Mg-i iparok: sörgyártás, maláta) · Állati (oltóenzim, pankreász alfa-amiláz) · Mikrobiológiai - egyre növekvö jelentőség (Mg-i iparok: Szeszipar, keményítőipar) Az enzimek ipari alkalmazásával egyidejűen szükséges volt az ipari méretü enzimelőállítás megoldása is. BME Mg. KT „Non-food” Csoport 18

Enzimfermentáció fajtái Lényeges jellemzők a hozam (Ee/g szénforrás) és a produktivitás (Ee/l/óra) · Aerob

Enzimfermentáció fajtái Lényeges jellemzők a hozam (Ee/g szénforrás) és a produktivitás (Ee/l/óra) · Aerob · Anaerob · Szilárd fázisú · Félszilárd fázisú · Folyadék fázisú (süllyesztett) · Szakaszos (batch) · Rátáplálásos (fed-batch) · Folytonos BME Mg. KT „Non-food” Csoport 19

Az enzim termelés lehet: · Intracelluláris · Extracelluláris Az intracelluláris enzimkészítményeket felhasználhatom: · Sejthez

Az enzim termelés lehet: · Intracelluláris · Extracelluláris Az intracelluláris enzimkészítményeket felhasználhatom: · Sejthez kötve · Sejtböl kivonva és elválasztva sejtmentes extraktként Az extracelluláris enzimeket felhasználhatom: · A mikrobatömeg elválasztása után fermentlé felülúszóként · Sűrítményként (fermentlé felülúszó besűrítésével nyerem) · Kicsapással, vagy szárítással nyert szilárd enzim készítményként · Frakcionálás, tisztítás után nyert enzimkészítmény formájában · Immobilizálva (tisztítás után) BME Mg. KT „Non-food” Csoport 20

ENZIMELőÁLLÍTÁS: ENZIMFERMENTÁCIÓ + FELDOLGOZÁS • Fermentlé: mikroba sejt tömeg + felülúszó extracelluláris enzimtermelés esetén

ENZIMELőÁLLÍTÁS: ENZIMFERMENTÁCIÓ + FELDOLGOZÁS • Fermentlé: mikroba sejt tömeg + felülúszó extracelluláris enzimtermelés esetén az enzim a fermentlé felülúszóban van intracelluláris enzimtermelés esetén az enzim a mikrobasejtben van; felhasználható vagy nyugvósejtes eljárásban (in situ rögzítés), vagy sejtfeltárás után a folyadék fázisban • Folyadékfázis tisztítása (extracelluláris enzimtermelés esetén, vagy sejtfeltárás után): oldhatóság tömeg töltés specifikus tulajdonságok alapján BME Mg. KT „Non-food” Csoport 21

Szekréciós mechanizmus Prokariotáknál: (Baktériumok) · 30 aminosavból álló hidrofób oldalláncokból álló lánc szintetizálódik és

Szekréciós mechanizmus Prokariotáknál: (Baktériumok) · 30 aminosavból álló hidrofób oldalláncokból álló lánc szintetizálódik és kötődik az enzimfehérjéhez (alanin, valin, leucin, prolin, fenilalanin, triptofán, metionin) · ez a lánc viszi át a megszintetizált enzimfehérjét a sejtmembránon, mely 60 % fehérjét és 40 % lipidet tartalmaz · amikor az enzimfehérje kijutott a fermentlébe, s a lánc még a membránban van, leszakad róla és újabb enzimfehérjét visz át a sejtmembránon Eukariotáknál (élesztők, gombák) mindezideig nem figyeltek meg a baktériumokéhoz hasonló szekréciós mechanizmust, a mikrobák autolízisével hozható összefüggésbe az enzimek megjelenése a fermentlében. Egyetlen mikroorganizmuson belül is nagyon különböző lehet lsd. Aspergillus phoenicis ß-glükozidáz kiválasztása: f (p. H, T, idő) BME Mg. KT „Non-food” Csoport 22

Aspergillus phoenicis béta-glükozidáz termelése saját kutatási tapasztalatok • Táptalaj p. H ja határozza meg,

Aspergillus phoenicis béta-glükozidáz termelése saját kutatási tapasztalatok • Táptalaj p. H ja határozza meg, hogy a szintetizálódott béta glükozidáz megjelenik e a fermentlében extracelluláris béta glükozidáz görbék különböző p. H kon • „in situ” immobilizált enzimkészítmény • Stabilizálás glutáraldehiddel BME Mg. KT „Non-food” Csoport 23

enzimfermentáció Ø táptalajösszetétel: · szénforrás (glükóz, hidrol, melasz, malátakivonat, tejsavó, metanol, cellulóz, szulfitszennylúg) ·

enzimfermentáció Ø táptalajösszetétel: · szénforrás (glükóz, hidrol, melasz, malátakivonat, tejsavó, metanol, cellulóz, szulfitszennylúg) · nitrogénforrás (NH 4+, NO 3 -, karbamid, műtrágyák, kukoricalekvár, élesztőextrakt, pepton) · csapvíz+sók · habzásgátló Ø sterilezés Ø hőfokszabályozás Ø p. H szabályozás Ø habszintszabályozás habzás: keverős, levegőztetett - merülősugaras (HTPJ) q on line mérések (p. H, T, …. ) q off line mérések BME Mg. KT „Non-food” Csoport 24

Mérendő faktorok a fermentáció során · Cukortartalom · enzimaktivitás · p. H · oldott

Mérendő faktorok a fermentáció során · Cukortartalom · enzimaktivitás · p. H · oldott oxigén Hozam (yield) Ee/g szénforrás Produktivitás: Ee/l/ó Az enzim az élő sejtben szintetizálódik, hogyan mérhetem a fermentlében? · Intracelluláris · Extracelluláris BME Mg. KT „Non-food” Csoport 25

A fermentációhoz szükséges mikroba beszerezhető: · különböző törzsgyűjteményekből (gond lehet, ha nem találunk megfelelőt,

A fermentációhoz szükséges mikroba beszerezhető: · különböző törzsgyűjteményekből (gond lehet, ha nem találunk megfelelőt, vagy, ha a kiválasztott mikroba szabadalmi oltalom alatt áll) · izolálással: vtalajból 106 -107 mikroba/g virányított szelekcióval: o korhadó fáról-cellulózbontók, ligninhasznosítók (celluláztermelők, difenoloxidáztermelők) o penészes kenyérről - amiloglükozidáz termelők o keményítőüzem szennyvízéből: -amiláz termelőket o hőforrásokból termotoleráns, vagy termofil mikroorganizmusokat lehetőleg magas hőfok optimumú enzimekkel o sós mocsarakból: magas só koncentrációt tűrő mikrobákat BME Mg. KT „Non-food” Csoport 26

Leoltás: • komplett táptalajra · kiválasztott cél táptalajra (olyan körülményeket biztosítunk, amit szeretnénk majd

Leoltás: • komplett táptalajra · kiválasztott cél táptalajra (olyan körülményeket biztosítunk, amit szeretnénk majd használni) · Ha csak kis koncentrációban van a keresett mikroorganizmus: DÚSÍTÁS példa: Balatonfűzfői Nitrokémia szennyvízéből olyan mikrobát kellett izolálni, mely akrilnitrilhidratáz és amidáz aktivitással is rendelkezett dúsítás: 0. 008 g/l akrilnitril koncentráció mellett 0. 5 g/l glükóz, pepton, foszfát, Mg. SO 4 tartalmú táptalajjal helyettesítettük a dekantált felülúszót, naponta friss táptalajt adagoltunk. akrilnitril koncentráció: 1 héten: 0. 008 g/l 2. héten: 0. 016 g/l 3. héten: 0. 04 g/l, 1 hónap után a glükózt elhagytuk akrilnitril volt a kizárólagos szén és nitrogén forrás, további 2 hét szoktatás, majd azonos táptalaj agarral szilárdított változatára szélesztettük a tenyészetet IK 4 izolátum rendelkezett a kívánt tulajdonságokkal BME Mg. KT „Non-food” Csoport 27

Enzim tisztítási és elválasztási lehetőségek A kívánt enzimet tartalmazó felülúszó tisztítására alkalmasak a fehérje

Enzim tisztítási és elválasztási lehetőségek A kívánt enzimet tartalmazó felülúszó tisztítására alkalmasak a fehérje elválasztási módszerek; a fehérjék oldékonysága, töltése, mérete, illetve az enzimek specifikus tulajdonságai alapján választhatjuk el az enzimeket. DE, amennyiben egy sejthez kötött enzimet a sejthez kötve akarunk felhasználni, s zavar valamely kísérő enzim, avagy, amennyiben ipari folyamathoz nagy mennyiségben kellene valamilyen enzimet tisztítani, célszerűbb egy lépést visszafelé tenni, s a termelő mikroorganizmust módosítani úgy, hogy pl. ne termelje a nemkívánatos enzimeket. BME Mg. KT „Non-food” Csoport 28

Enzim tisztítási és elválasztási lehetőségek Példa: Balatonfűzfőn a szennyvíziszapból nyert IK 4 izolátum termelt:

Enzim tisztítási és elválasztási lehetőségek Példa: Balatonfűzfőn a szennyvíziszapból nyert IK 4 izolátum termelt: Akrilnitril hidratázt és amidázt is, s olyan enzimkészítményre volt szükség, mely amidázt nem tartalmaz. Akrilnitril akrilamid akrilsav Mutációs kezelés után szelekció olyan táptalajon, melyben az agarlemez fluoracetamidot is tartalmaz. Az amidáz+ telepek mellett képződő fluorecetsav azonnal megöli az amidáz+ telepek mikrobáit, a túlélő telepek amidáz negatív mutánsok lesznek. Ipari enzimfelhasználás: amiloglükozidáz, amennyiben az enzimkészítmény glükózoxidázzal, vagy transzglükozidázzal szennyezett, nem a fermentlé frakcionálásával foglalkozunk, hanem az Aspergillus niger törzsjavításával, annak érdekében, hogy ne termeljen ilyen enzimeket. BME Mg. KT „Non-food” Csoport 29

Enzimek alkalmazása Ahhoz, hogy az enzimek az iparban hasznosíthatóak legyenek, olyan termékek előállításában kell,

Enzimek alkalmazása Ahhoz, hogy az enzimek az iparban hasznosíthatóak legyenek, olyan termékek előállításában kell, hogy közreműködjenek, melyek a következő tulajdonságok valamelyikével rendelkeznek: · Jobb minőségű, mint a tradícionális termék · Jobban felhasználható · Olcsóbb · Enzimek nélkül nem is lehetne előállítani Versenyképesség!! Kristálycukor - izocukor 1970 -es évek közepétől az izocukor versenyképes (amilázok árrobbanása) BME Mg. KT „Non-food” Csoport 30

Enzimek alkalmazása Különböző eljárások (folyamatok) javítása, pl. , hogy · új típusú nyersanyagokat tudjanak

Enzimek alkalmazása Különböző eljárások (folyamatok) javítása, pl. , hogy · új típusú nyersanyagokat tudjanak felhasználni, vagy hogy · megjavítsák egy nyersanyag fizikai tulajdonságait, hogy · könnyebben lehessen feldolgozni (pl. : megnövelni vm. -nek az oldékonyságát, lecsökkenteni a viszkozitását, hogy megjavítsuk a szűrési, vagy szivattyúzási tulajdonságokat). · kisebb környezeti terhelést jelentsen a technológia A termék tulajdonságainak javítására · Színét · Aromáját · Állagát · Ízét · Eltarthatóságát BME Mg. KT „Non-food” Csoport 31

Az enzimek felhasználhatók: • Oldott állapotban • Rögzített (immobilizált) készítményként Oldott enzimmel végzett katalízis:

Az enzimek felhasználhatók: • Oldott állapotban • Rögzített (immobilizált) készítményként Oldott enzimmel végzett katalízis: amikor a termékkoncentráció eléri a kívánt értéket, a reakciót leállítjuk, s a reakcióelegyet az igényeink szerint feldolgozzuk · kinyerjük a terméket · inaktiváljuk az enzimet · bekoncentráljuk a terméket · továbbalakítjuk a terméket Ebben az esetben többnyire nem használjuk fel újra az enzimet, habár vízoldható termék és szubsztrát esetén, amennyiben a termékmolekula és az enzimmolekula mérete eléggé különböző, visszanyerhető az enzim pl. ultraszűréssel BME Mg. KT „Non-food” Csoport 32

Rögzített enzimmel végzett katalízis Definíció: rögzített enzimről beszélünk, ha az enzimmolekula fizikai módon elválasztható

Rögzített enzimmel végzett katalízis Definíció: rögzített enzimről beszélünk, ha az enzimmolekula fizikai módon elválasztható fázisban lesz a reakcióelegy többi részétől. Lényeges különbség az oldott enzimmel végzett reakcióhoz képest, hogy a reakció végén az enzimet szűréssel, centrifugálással (egyszerű mechanikai művelettel) el tudom választani a terméktől. A TERMÉKET tisztán (enzimmentesen) kinyerhetem, az ENZIMET pedig újra felhasználhatom. BME Mg. KT „Non-food” Csoport 33

Immobilizált enzimek története · 1960 -as évek: csúcs az immobilizálásban, a laboratóriumi immobilizálásokkal foglalkozó

Immobilizált enzimek története · 1960 -as évek: csúcs az immobilizálásban, a laboratóriumi immobilizálásokkal foglalkozó tudományos cikkek száma több száz évente. · 1969 -ben megjelennek az első félüzemi berendezések, penicillin aciláz, glükóz izomeráz · 1970 -es évek: további méretnövelési kísérletek, à ipari megvalósítás: à glükóz izomeráz, à ß-galaktozidáz, à további félüzemek: à 6 féle glükózizomeráz, à 2 penicillin aciláz, à aszpartáz, à aminoaciláz, à laktáz · 1981: további félüzemek az előző enzimekkel, más-más eredet, más-más rögzítési mód · IPARI MEGVALÓSÍTÁS: továbbra is csak a glükóz izomeráz és a ß-galaktozidáz Kezdetben nagyon lelkes hangulatban mindenféle enzimek rögzítéséről beszámoltak, később már a gazdaságossági szempontokat is figyelembe vették. BME Mg. KT „Non-food” Csoport 34

2013 -as cikk: Although many methods for enzyme immobilization have been described in patents

2013 -as cikk: Although many methods for enzyme immobilization have been described in patents and publications, relatively few processes employing immobilized enzymes have been successfully commercialized. The cost of most industrial enzymes is often only a minor component in overall process economics, and in these instances, the additional costs associated with enzyme immobilization are often not justified. More commonly the benefit realized from enzyme immobilization relates to the process advantages that an immobilized catalyst offers, for example, enabling continuous production, improved stability and the absence of the biocatalyst in the product stream. The development and attributes of several established and emerging industrial applications for immobilized enzymes, including high-fructose corn syrup production, pectin hydrolysis, debittering of fruit juices, interesterification of food fats and oils, biodiesel production, and carbon dioxide capture are reviewed herein, highlighting factors that define the advantages of enzyme immobilization. BME Mg. KT „Non-food” Csoport 35

Rögzített enzimek: előnyök és hátrányok A rögzített enzimek előnyei: · Egyszerű fizikai elválasztás után

Rögzített enzimek: előnyök és hátrányok A rögzített enzimek előnyei: · Egyszerű fizikai elválasztás után többször felhasználhatók · általában stabilabbak, mint az oldott enzimek · folytonos rendszerekben jól alkalmazhatók (immobilizált enzimekkel töltött reaktorok) · az enzim nem szennyezi a terméket, illetve nem kell külön gondoskodni az enzim elválasztásáról, vagy inaktiválásáról Az immobilizált enzimek elterjedését limitáló faktorok: · az oldott enzimek alacsony ára (pl. A. niger eredetű amiloglükozidáz annyira olcsó, hogy nem lehet gazdaságosan immobilizálni) · a hordozó magas ára · az immobilizált enzimeket felhasználó technológia bevezetéséhez szükséges beruházási költségek ára BME Mg. KT „Non-food” Csoport 36

Az immobilizált enzimek gyakorlati bevezetése előtt egy sor kérdésre kell választ kapnunk: · A

Az immobilizált enzimek gyakorlati bevezetése előtt egy sor kérdésre kell választ kapnunk: · A REAKCIÓ: a gazdaságos megvalósítás valóban csak immobilizált enzimmel lehetséges-e? (pl. az alacsony szubsztrát koncentráció 5%-os tejsavó nagy oldott enzimveszteséget jelentene) · A SZUBSZTRÁT: vízoldható-e, eléggé kicsi-e a móltömege, nem várhatóe erőteljes diffúziógátlás? · A TERMÉK: Tisztább lesz-e ezáltal a termék, vagy olcsóbban tisztítható-e, nagyobb lesz-e a hozam? · AZ ENZIM: nő-e az enzim stabilitása a rögzítéssel? Gazdaságosabb lesz-e az enzimfelhasználás? · KONTROL: jobbak-e így a szabályozási lehetőségek, automatizálható-e az eljárás? · GYÁR: kivitelezhető-e a technológia a meglévő létesítményben? · GAZDASÁGOSSÁG: az immobilizált enzim alkalmazása-e a legjobb megoldás? BME Mg. KT „Non-food” Csoport 37

Mikor használjunk rögzített enzimet? · ENZIMELEKTRÓDOK-BIOSZENZOROK · glükózoxidáz: glükózmérés · alkoholdehidrogenáz: etanolmérés · ureáz:

Mikor használjunk rögzített enzimet? · ENZIMELEKTRÓDOK-BIOSZENZOROK · glükózoxidáz: glükózmérés · alkoholdehidrogenáz: etanolmérés · ureáz: karbamid · HA AZ ELJÁRÁS GAZDASÁGOSSÁGA LEHETŐVÉ TESZI AZ OLDOTT---RÖGZíTETT CSERÉT · azonos tömegáram esetén kisebb gyárméret · alacsonyabb terméktisztítási költségek · alacsonyabb energiaköltségek · nagyobb produktivitás BME Mg. KT „Non-food” Csoport 38

Néhány fogalom • rögzített enzimek aktivitása • rögzítés hatásfoka • stabilitás • működési stabilitás

Néhány fogalom • rögzített enzimek aktivitása • rögzítés hatásfoka • stabilitás • működési stabilitás • felezési idő • produktivitás • diffúziógátlás BME Mg. KT „Non-food” Csoport 39

Néhány fogalom Enzimaktivitás meghatározása: Az aktivitásmérést az oldott enzimeknél elmondottak szerint kell elvégezni, azzal

Néhány fogalom Enzimaktivitás meghatározása: Az aktivitásmérést az oldott enzimeknél elmondottak szerint kell elvégezni, azzal a módosítással, hogy a reakcióelegyet keverni kell a diffúziógátlás csökkentésére Az aktivitás kifejezhető: Ee/g sza, Ee/g nedves tömeg, Ee/cm 3 ágytérfogat A rögzítés hatásfoka: 100 Ee-ből a rögzítés után mennyit tudunk meghatározni. 20 -30%-os rögzítési hatásfok már nem rossz Mi okozza az aktivitáscsökkenést? 1. A rögzítés során az enzim funkciós csoportjai reagálnak a hordozóval, vagy a keresztkötő ágenssel, s ezután ezek a csoportok már nem tudnak részt venni a katalízisben. 2. A rögzítés hatására sztérikus gátlások keletkeznek, s a szubsztrátmolekula nem fér eléggé hozzá az enzimmolekula megfelelő csoportjaihoz. 3. A rögzítés következtében megváltozik az enzimmolekulák mozgása BME Mg. KT „Non-food” Csoport 40

Stabilitás Miután az immobilizált enzimeket hosszú időn keresztül kívánjuk felhasználni, nagyon lényeges ismernünk a

Stabilitás Miután az immobilizált enzimeket hosszú időn keresztül kívánjuk felhasználni, nagyon lényeges ismernünk a stabilitásukat. A működési stabilitás (operational stability) két faktorból tevődik össze: · Az enzim kiáramlása következtében jelentkező aktivitáscsökkenés (enzyme leakage) · Hőinaktiválódás (fehérjék denaturálódásából fakadó aktivitásvesztés) Az enzim kiáramlása azt jelenti, hogy a nem tökéletes rögzítés következtében a szubsztrátterhelés, vagy egyszerű elúció következtében szabad (oldott) enzimmolekulák kerülnek a reakcióelegybe. BME Mg. KT „Non-food” Csoport 41

Felezési idő az az időtartam (óra), ami alatt a kezdeti aktivitás a felére csökken

Felezési idő az az időtartam (óra), ami alatt a kezdeti aktivitás a felére csökken le. Óriási pazarlás lenne, ha az enzimeket csak a felezési időig használnák. Két, három felezési időig szokták használni, de tudatában kell lennünk, hogy a térfogati produktivitás állandóan csökken. Az állandó termékösszetétel és állandó kihozatal elérése érdekében ezt figyelembe kell vennünk. Általában több (különböző fázisban levő) reaktort kapcsolnak össze. BME Mg. KT „Non-food” Csoport 42

Néhány fogalom Produktivitás: Az adott enzimkészítmény 1 grammjával mennyi termék képződését lehet katalizálni g

Néhány fogalom Produktivitás: Az adott enzimkészítmény 1 grammjával mennyi termék képződését lehet katalizálni g termék/g enzim Térfogati produktivitás: Adott enzimmennyiség adott térfogatban mennyi termék képződését katalizálja g termék/cm 3 reakciótérfogat Diffúziógátlás: Különösen akkor válhat jelentőssé, ha az enzimmolekulák nem a hordozó felületén, hanem a hordozó belsejében vannak rögzítve. Ekkor a szubsztrát molekulának az ENZIMHEZ, ill. a termékmolekulának az ENZIMTŐL való transzportjáért a rögzített készítményen belüli diffúzió a felelős. BME Mg. KT „Non-food” Csoport 43

Az enzimek rögzítése Kapcsolásos Bezárásos adszorpciós ionos kovalens gélbezárás szálbazárás mikrokapszulába zárás monomerből kiindulva

Az enzimek rögzítése Kapcsolásos Bezárásos adszorpciós ionos kovalens gélbezárás szálbazárás mikrokapszulába zárás monomerből kiindulva kész polimerbe zárva · nő a rögzítés erőssége · nő a rögzítés költsége BME Mg. KT „Non-food” Csoport 44