אנזימים תעשייתיים

ספטמבר 25, 2021 0 Comments

רקע היסטורי

רוב התגובות באורגניזמים חיים מזורזות על ידי מולקולות חלבון הנקראות אנזימים. ניתן לקרוא באנזימים בצדק המכונה הקטליטי של מערכות חיים. הפריצה האמיתית של האנזימים התרחשה עם החדרת פרוטאזות חיידקים לאבקות כביסה. הפרוטאז החיידקי המסחרי הראשון של Bacillus שווק בשנת 1959 ותעשיית חומרי ניקוי גדולים החלו להשתמש בו בסביבות 1965.

יצרני האנזים התעשייתיים מוכרים אנזימים למגוון רחב של יישומים. שווי השוק העולמי מוערך כיום בכ -2 מיליארד דולר. חומרי ניקוי (37%), טקסטיל (12%), עמילן (11%), אפייה (8%) ומזון מן החי (6%) הם התעשיות העיקריות, שמשתמשות בכ -75%מהאנזימים המיוצרים בתעשייה.

סיווג אנזים

כיום יותר מ -3,000 אנזימים שונים בודדו וסווגו. האנזימים מסווגים לשש קטגוריות עיקריות בהתבסס על אופי התגובה הכימית שהם מזרזים:

1. Oxidoreductases מזרזים חמצון או הפחתה של המצעים שלהם.

2. טרנספרזות מזרזות העברה קבוצתית.

3. הידרולזות מזרזות את שבירת הקשר בתוספת מים.

4. Lyases להסיר קבוצות מן המצעים שלהם.

5. איזומרזים מזרזים סידורים מחדש תוך -מולקולריים.

6. ליגזות מזרזות את חיבורן של שתי מולקולות על חשבון האנרגיה הכימית.

רק מספר מוגבל מכל האנזימים הידועים זמין מסחרית. יותר מ -75 % מהאנזימים התעשייתיים הם הידרוליזות. אנזימים משפילים חלבון מהווים כ -40 % מכלל מכירות האנזים. יותר מחמישים אנזימים תעשייתיים מסחריים זמינים ומספרם גדל בהתמדה.

ייצור אנזים

כמה אנזימים עדיין מופקים מרקמות של בעלי חיים וצמחים. אנזימים כגון פפאין, ברומליין ופוצין ואנזימים מיוחדים אחרים כמו ליפוקסיגנאז נגזרים מצמחים ואנזימים פפסין ורנין נגזרים מן החי. רוב האנזימים מיוצרים על ידי מיקרואורגניזמים בתרבויות שקועות בכורים גדולים הנקראים תסיסים. ניתן לחלק את תהליך ייצור האנזים לשלבים הבאים:

1. בחירת אנזים.

2. בחירת זן הייצור.

3. בניית כתם לייצור יתר על ידי הנדסה גנטית.

4. ייעול אמצעי התרבות ומצב הייצור.

5. ייעול תהליך ההתאוששות.

6. גיבוש של מוצר אנזים יציב.

הקריטריונים המשמשים בבחירת אנזים תעשייתי כוללים ספציפיות, קצב תגובה, pH ואופטימה וטמפרטורה ויציבות, השפעת מעכבים וזיקה למצעים. אנזימים המשמשים ביישומים התעשייתיים חייבים בדרך כלל לסבול כנגד מתכות כבדות שונות ואין להם צורך בקופקטורים.

זני ייצור מיקרוביאליים

בבחירת זן הייצור יש לקחת בחשבון מספר היבטים. באופן אידיאלי האנזים מופרש מהתא. שנית, מארח ההפקה צריך להיות בעל מצב GRAS. שלישית, האורגניזם צריך להיות מסוגל לייצר כמות גבוהה של האנזים הרצוי בטווח זמן סביר. רוב המיקרואורגניזמים המשמשים תעשייתית עברו שינוי גנטי כדי לייצר יתר את הפעילות הרצויה ולא לייצר פעילויות לוואי לא רצויות.

ייצור אנזים על ידי תסיסה מיקרוביאלית

לאחר שאורגניזם הייצור הביולוגי הונדס גנטית לייצר יתר את המוצרים הרצויים, יש לפתח תהליך ייצור. ייעול תהליך התסיסה כולל הרכב מדיה, סוג גידול ותנאי תהליך. האנזימים התעשייתיים בכמות גדולה מיוצרים בתסיסים של 50-500 מ"ר. האנזימים החוץ -תאיים מתאוששים לעתים קרובות לאחר הסרת התא (על ידי סינון תוף ואקום, מפרידים או מיקרו סינון) על ידי אולטרה -סינון.

הנדסת חלבונים

לעתים קרובות אין לאנזימים את התכונות הרצויות ליישום תעשייתי. אפשרות אחת היא למצוא אנזים טוב יותר מהטבע. אפשרות נוספת היא הנדסת אנזים זמין מסחרית בכדי להיות זרז תעשייתי טוב יותר. אפשרות נוספת היא הנדסת אנזים זמין מסחרית בכדי להיות זרז תעשייתי טוב יותר. כיום קיימות שתי שיטות שונות: שיטה אקראית הנקראת הערכה מכוונת ושיטה הנדסת חלבונים הנקראת עיצוב רציונלי.

טכנולוגיית אנזים

תחום זה עוסק כיצד משתמשים באנזימים ומיישמים אותם בתהליכים מעשיים. הדרך הפשוטה ביותר היא להשתמש באנזימים היא להוסיף אותם לזרם תהליכים שבו הם מזרזים את התגובה הרצויה ומופעלים בהדרגה במהלך התהליך. זה קורה ביישומי אנזים רבים בתפזורת ומחיר האנזימים חייב להיות נמוך כדי שהשימוש בהם יהיה חסכוני.

דרך חלופית להשתמש באנזימים היא לשתק אותם כך שניתן יהיה לעשות בהם שימוש חוזר. ניתן לשתק אנזים על ידי שימוש בממברנות סינון אולטרה במערכת הכור. מולקולת האנזים הגדולה אינה יכולה לעבור דרך הממברנה אך מוצרי התגובה המולקולריים הקטנים יכולים. פותחו שיטות מעבדה רבות ושונות לאינובליזציה של אנזים המבוססים על תגובה כימית, מלכוד, כריכה ספציפית או ספיגה.

יישומי אנזים בקנה מידה גדול

1]חומרי ניקוי

חלבונים חיידקיים הם עדיין אנזימי הניקוי החשובים ביותר. ליפאז מפרקים שומנים לתרכובות מסיסות יותר במים. אמילאז משמשים בחומרי ניקוי להסרת כתמים מבוססי עמילן.

2]הידרוליזה של עמילן וייצור פרוקטוז

השימוש באנזימים משפילים עמילן היה היישום הראשון בקנה מידה גדול של אנזימים מיקרוביאליים בתעשיית המזון. שני אנזימים מבצעים המרה של עמילן לגלוקוז: אלפא-אמילאז ואנזימים פטרייתיים. פרוקטוז המיוצר מסוכרוז כחומר מוצא. סוכרוז מפצל על ידי אינוורטאז לגלוקוז ופרוקטוז, פרוקטוז מופרד ומתגבש.

3]משקאות

לאנזימים יש יישומים רבים בתעשיית המשקאות. לקטאז מפצל לקטוז סוכר חלב לגלוקוז וגלקטוז. תהליך זה משמש למוצרי חלב הנצרכים על ידי צרכנים חסרי סבילות. תוספת של פקטינאז, קסילנאז וצלוליזה משפרת את שחרור המיץ מעיסה. באופן דומה אנזימים נמצאים בשימוש נרחב בייצור יין.

4]טקסטיל

השימוש באנזימים בתעשיית הטקסטיל הוא אחד התחומים הצומחים ביותר באנזימולוגיה תעשייתית. האנזימים המשמשים בתחום הטקסטיל הם עמילאזים, קטלאז ולקטאזים המשמשים להסרת העמילן, פירוק מי חמצן עודף, טקסטיל אקונומיקה ושפילת ליגנין.

5]מזון לבעלי חיים

הוספת קסילנאז להזנת צליית על בסיס חיטה הגדילה את האנרגיה הניתנת לעיבוד 7-10% במחקרים שונים. תוספת אנזים מפחיתה צמיגות, מה שמגביר את ספיגת החומרים המזינים, משחרר חומרים מזינים או על ידי הידרוליזה של סיבים בלתי מתכלים או על ידי שחרור חומרים מזינים שנחסמים על ידי סיבים אלה, ומפחית את כמות הצואה.

6]אפייה

אלפא-אמילאזות נחקרו באופן נרחב ביותר בקשר לשיפור איכות הלחם והארכת חיי המדף. שימוש ב- xylanases מפחית את ספיגת המים ובכך מפחית את כמות המים הנוספים הדרושים לאפייה. זה מוביל לבצק יציב יותר. ניתן להוסיף חלבונים לשיפור תכונות הטיפול בבצק; גלוקוז אוקסידאז שימש להחלפת חמצון כימי ושומנים לחיזוק הגלוטן, מה שמוביל לבצק יציב יותר ואיכות לחם טובה יותר.

7]עיסה ונייר

היישום העיקרי הוא השימוש ב- xylanases בהלבנת עיסת. זה מפחית במידה ניכרת את הצורך בכימיקלים מבוססי כלור. בייצור נייר משתמשים באנזימי עמילאז במיוחד בשינוי עמילן. המגרש הוא חומר דביק הקיים בעיקר בעצים רכים. המגרש גורם לבעיות במכונות נייר וניתן להסירו באמצעות ליפאזות.

8]עור

תעשיית העור משתמשת באנזימים פרוטאוליטים וליפוליטים בעיבוד עור. אנזימים משמשים להסרת חלקים לא רצויים. בשלבי הסרת השיער והסירוק משמשים אנזימי פרוטאזות חיידקים המסייעים לתהליך הכימי הבסיסי. התוצאה היא תהליך ידידותי יותר לסביבה ומשפר את איכות העור. אנזימים חיידקיים ופטרייתיים משמשים כדי להפוך את העור לרך וקל יותר לצביעה.

9]אנזימים מיוחדים

ישנם מספר רב של יישומים מיוחדים לאנזימים. אלה כוללים שימוש באנזימים ביישומים אנליטיים, ייצור טעם, שינוי חלבונים ומוצרי טיפוח אישי, טכנולוגיית DNA וייצור כימי עדין.

10]אנזימים באנליטיקה

אנזימים נמצאים בשימוש נרחב במתודולוגיה האנליטית הקלינית. בניגוד לאנזימים תעשייתיים בתפזורת, אנזימים אלה צריכים להיות חופשיים מפעילויות לוואי. המשמעות היא שיש צורך בתהליכי טיהור משוכללים.

התפתחות חשובה בכימיה אנליטית היא חיישני ביוס. היישום הנפוץ ביותר הוא חיישן ביו -גלוקוז הכולל תגובה מזוקקת של גלוקוז אוקסידאז.

קיימים מספר מכשירים מסחריים החלים עקרון זה למדידת מולקולות כמו גלוקוז, לקטט, לקטוז, סוכרוז, אתנול, מתנול, כולסטרול וכמה חומצות אמינו.

11]אנזימים במוצרי טיפוח אישי

מוצרי טיפוח אישי הם תחום חדש יחסית לאנזימים. פתרונות אנזים המכילים חלבונים וליפאז משמשים לניקוי עדשות מגע. מי חמצן משמשים לחיטוי עדשות מגע. ניתן להסיר את מי החמצן הנותר לאחר חיטוי על ידי אנזים קטלאז. חלק ממשחת השיניים מכילה גלוקואמילאז וגלוקוז אוקסידאז. אנזימים נלמדים גם ליישומים במוצרי טיפוח העור והשיער.

12]אנזימים בטכנולוגיית DNA

טכנולוגיית ה- DNA היא כלי חשוב בתעשיית האנזים. רוב האנזימים המסורתיים מיוצרים על ידי אורגניזמים, שעברו שינוי גנטי כדי לייצר יתר את האנזים הרצוי. הסדר הספציפי של הבסיסים האורגניים בשרשרת ה- DNA מהווה את השפה הגנטית. הנדסה גנטית פירושה קריאה ושינוי של שפה זו. אנזימים הם כלים מכריעים בתהליך זה.

13]אנזימים בייצור כימי עדין

למרות כמה הצלחות, ייצור מסחרי של כימיקלים על ידי תאים חיים באמצעות הנדסת מסלולים הוא עדיין במקרים רבים החלופה הטובה ביותר ליישום ביו -קטליזה. אולם, אנזימים מבודדים שימשו בהצלחה בסינתזה כימית עדינה. כמה מהדוגמאות החשובות ביותר מוצגות כאן.

13 א]חומצות אמינו טהורות מבחינה כיראלית ואספרטיים

חומצות אמינו טבעיות מיוצרות בדרך כלל על ידי תסיסה מיקרוביאלית. פותחו שיטות רזולוציה אנזימטיות חדשות לייצור L- כמו גם לחומצות אמינו D. אספרטיים, הממתיק הבלתי קלורי האינטנסיבי, מסונתז בתנאים לא מימיים על ידי תרמוליסין, אנזים פרוטאוליטי.

13 ב]סוכרים נדירים

לאחרונה פותחו שיטות אנזימטיות לייצור כמעט כל צורות ה- D ו- L של סוכרים פשוטים. איזומרז גלוקוז הוא אחד האנזימים התעשייתיים החשובים המשמשים בייצור פרוקטוז.

13 ג]פניצילין חצי סינתטיים

פניצילין מיוצר על ידי זנים מהונדסים גנטית של זני פניציליום. רוב הפניצילין הופך על ידי אנזים אקילאז לא מנותק לחומצה 6-aminopenicillanic, המשמשת עמוד שדרה לפניצילין חצי-סינתטיים רבים.

13 D]תגובות מבוססות ליפאז

בנוסף ליישומי חומרי ניקוי ניתן להשתמש ב- lipases בתגובות כימיות תכליתיות מכיוון שהם פעילים בממסים אורגניים. ליפאזות המשמשות בהעברה מחדש ומשמשות גם להפרדה אננטיומרית של אלכוהול ותערובות אמין גזעניות נפרדות. ליפאזות שימשו גם ליצירת פולימרים ארומטיים ואליפטיים.

13 ה]סינתזת אוליגוסכרידים אנזימטית

הסינתזה הכימית של אוליגוסכרידים היא מאמץ מורכב רב שלבי. סינתזים ביו -קטליטים עם אנזימים מבודדים כמו גליקוזיל -טרנספרזים וגליקוזידאזים או תאים שלמים מהונדסים הם חלופות רבות עוצמה לשיטות כימיות. אוליגוסכרידים מצאו יישומים בקוסמטיקה, תרופות וכמאכלים פונקציונליים.

מגמות עתידיות באנזימולוגיה תעשייתית

שוק האנזים התעשייתי צומח בהתמדה. הסיבה לכך נעוצה בשיפור יעילות הייצור המביאה לאנזימים זולים יותר, בתחומי יישום חדשים. התאמת אנזימים ליישומים ספציפיים תהיה מגמה עתידית עם שיפור מתמיד של כלים והבנה של מערכות יחסים בין מבנה לתפקוד וחיפוש מוגבר אחר אנזימים מסביבות אקזוטיות.

כלים טכניים חדשים לשימוש באנזימים כזרזים גבישים, יכולת למחזר קופקטורים ואנזימים הנדסיים לתפקוד בממסים שונים עם מספר פעילויות הם פיתוחים טכנולוגיים חשובים, שייצרו יישומים חדשים בהתמדה.



Source by Prashantkumar Kudli Shrinivas

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.