IMMOBILIZACJA
- unieruchomienie, ograniczenie ruchliwości katalizatora (enzymy, komórki, organella)
- enzymy trzeba wyizolować i oczyścić
Po co sie to robi?
Jest to opłacalne, gdyż rozwiązuje problemy produkcji ciągłej
Może być większe upakowanie katalizatora w reaktorze
Omijamy problem usunięcia katalizatora z produktu
Większą stabilność, trwalsza struktura białkowa
Wady:
Większe koszty inwestycyjne
Szybkość reakcji wolniejsza – ograniczenia dyfuzji
Cześć katalizatora może ulec dezaktywacji
Dyfuzja – proces wolny, szybkość transportu wywołana gradientem stężeń
1. Fizyczne metody immobilizacji
Sorpcja (ad-, ab-) – katalizator jest związany z powierzchnia jakiegoś nośnika
oddziaływaniami:
- Elektrostatycznymi
- Oddziaływaniami Van der Waalsą
- Hydrofobowymi
Ograniczony ruch w przestrzeni komórek, ale nie unieruchamiamy na żadnym nośniku
– w odpływie jest membrana półprzepuszczalna, która nie zatrzymuje produktu, a
zatrzymuje katalizator, mankamentem jest niedoskonałość membran, bardzo szybko ulęgają zatkaniu, co sprawia, że są mało wydajne
Jak zwiększyć wydajność:
- Zwiększenie powierzchni membrany
- Mieszanie, żeby oderwać cząstki osądzone na membranie
Zwinięta membrana – jest porowata, pory są asymetryczne – rozszerzają sie na zewnątrz, z
takich kapilar tworzy sie tzw. moduły
Moduł membranowy – rura zamknięta z każdej strony dnami sitowymi, które dają dostęp do
światła kapilar, takie moduły służą też do hodowli tkankowych, mikrorurki pełnia role naczyń
krwionośnych, które dostarczają związki odżywcze, a odbierają metabolity
Mikrokapsułkowanie – zamyka sie komórki w niewielkich przestrzeniach za pomocą
jakiegoś polimeru np. membrany z nylonu (poliamidy), taka membrana ma odpowiednie
pory zapewniające kontakt z otoczeniem, aby pobierać związki odżywcze i oddawać
metabolity, takie mikrokapsułki można wykorzystywać jako sztuczne organy
Unieruchamianie w żelach – komórki są zawieszone w roztworze wodnym, wkraplamy
polimer, który w tych warunkach polimeryzują, np. agaroza – polimeryzuje w obecności
jonów wapniowych, otrzymujemy komórki tkwiące w żelu – „pułapkowanie” w sieci
polimerowej, mankamentem tej metody jest to, że dyfuzja substratów i produktów jest
utrudniona
2. Chemiczne metody immobilizacji
Cechy nośnika:
Trwały mechanicznie, chemicznie i biologicznie, tzn. nie może ulec sprasowaniu (np. w
kolumnie), nie zmienia właściwości chemicznych, odporny na zjedzenie
Posiada odpowiednio rozwinięta powierzchnie, żeby był większy stopień upakowania
Posiada grupy funkcyjne, aby umożliwić tworzenie wiązań z katalizatorem
Nośniki syntetyczne:
ceramiczne lub szklane mikrokulki – drogie!
materiały polimerowe: polistyren, poliamid, mogą być mikrokulki, pierścionki, dyski (jak
czerwone krwinki)
Chemiczne wiązania są zazwyczaj trwalsze niż fizyczne, ale immobilizacja taka jest bardziej
skomplikowana.
Nośniki naturalne:
agarozowe
celulozowe
Łatwo przeprowadzić z nimi reakcje wiązania chemicznego, są tańsze niż nośniki
syntetyczne i łatwo dostępne, ale z drugiej strony są nietrwałe – podatne no rozkład
biologiczny (mikroorganizmy go zaatakują i zjedzą)
3. Immobilizacja poprzez wiązania jonowe – wykorzystuje sie rożnego rodzaju
jonowymieniacze, doprowadza sie do wytworzenia wiązań jonowych miedzy
katalizatorem a nośnikiem, są mniej trwałe niż wiązania chemiczne, ich trwałość zależy
od warunków w reaktorze: pH, siła jonowa
Zastosowanie komórek immobilizowanych w przemyśle:
1. Produkcja aminokwasów – koniec lat 70-tych a Japonii, technologia rozdziału mieszanin
racemicznych przy pomocy immobilizowanych komórek
Podczas produkcji powstaje racemat, zawierający formy L i D, potrzebna nam jest tylko forma L, jako występująca naturalnie. Chemiczne metody rozdzielania są bardzo trudne. Immobilizowane komórki E. Coli w kolumnie jonowymiennej związane wiązaniami jonowymi w odpowiednim pH. Przez kolumnę przepuszczano racemat Nacylo(L,D) aminokwasów. Komórki były źródłem acylazy, która odszczepiała grupę acylowa tylko od formy D. Okres półtrwania (czas, po którym aktywność enzymu spadła o połowę) wynosił 62h, czas przebywania – 0,5h. W ten sposób produkowano lizyne, kwas aspartylowy
2. Przemysł cukrowy – w burakach są różne cukry np. rafinoza, która przeszkadza w
krystalizacji sacharozy. Grzyby w postaci suszonej grzybni są źródłem enzymu rafinazy.
Grzyby są immobilizowane, przepuszcza sie sok buraczany, usuwana jest rafinoza.
Immobilizacja polega na tym, że komórki są zbite w jedna masę.
3. Immobilizacja laktazy – niektóre niemowlęta maja wrodzona wadę – nie rozkładają
laktozy, cukru występującego w mleku. Do produkcji mleka bez laktozy wykorzystuje sie
drożdże immobilizowane we włóknach celulozowych (octan celulozy). Podczas
polimeryzacji komórki drożdży były pułapkowane we włókienku. Drożdże były źródłem
laktazy, musiały być zmodyfikowane, bo normalnie drożdże nie produkują laktazy.
Mleko filtrowano przez te rurki, w tym czasie laktoza była rozkładana.
W tych procesach enzymy pochodziły z martwych komórek. Nie trzeba ich karmić, nie
namnażają sie, wiec łatwiej jest operować takim reaktorem.
żywe komórki immobilizowane nastręczają dużo trudności m.in. dostarczanie tlenu, wzrost
(rozsądzałyby rurki). Na granulkach rozrastające sie komórki szybko by zatkały kolumnę.
Stosując żywe immobilizowane komórki trzeba je utrzymywać na stałym poziomie, nie
dopuszczając do ich rozrostu, tzn. ściśle kontrolować ilość dostarczanego źródła węgla. Jeśli
zastosuje sie martwe komórki, to po wyczerpaniu sie enzymu jest koniec reakcji, trzeb je
wyrzucić.
4. Produkcja antybiotyków – m. in. penicyliny, komórki są immobilizowane na Cefadeksie
(cefadex?), okres półtrwania wynosi 100 dni
5. Produkcja akrylamidu – immobilizowana hydrataza nitrylowa z Rhodococcus
immobilizowanego na żelu