• Nem Talált Eredményt

Enzimes bioreaktorok

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Ossza meg "Enzimes bioreaktorok"

Copied!
33
0
0

Teljes szövegt

(1)

Enzimes

bioreaktorok

Készítette: Kozik Marcell

(2)

Bevezetés

• Az enzimes reaktorok olyan tartályok, amelyekben a reakciót szabad vagy rögzített enzimekkel illetve nyugvó sejtekkel hajtják végre

• Az enzimes reaktorok a kémiai reaktoroktól jelentősen eltérnek abban, hogy alacsonyabb hőmérsékleten, nyomáson,

viszonylag kis energia befektetéssel hajtható végre a reakció, általában jó konverzió, és magas szelektivitás mellett.

2

(3)

Csoportosítási szempontok

• Homogén vagy heterogén rendszer

Homogén: oldott enzimek

Heterogén: szilárd hordozóhoz rögzített enzimek

• Szakaszos vagy folytonos reakció

• Keveredés szerint

Tökéletesen kevert reaktorok

Dugóáramú reaktorok

3

(4)

Oldott enzimek

Előnyök:

• A rendszer homogén

• Az enzim nem veszít aktivitásából

• Nincs diffúziós gát

• Nincs bonyolult és

költséges előkészítésre szükség (rögzítési

lépések)

• Könnyen adagolható friss enzim

Hátrányok:

• Az enzim stabilitása kicsi

• Az enzim elveszik a reakcióeleggyel

• Elválasztása a reakcióelegyből

költséges és bonyolult

• Szennyezi a terméket

4

(5)

Rögzített enzimek

Előnyök:

• Az enzim stabilitása nő

• Az enzim több ciklusban, vagy folytonos üzemben felhasználható

• A reakció könnyen leállítható

• A terméktől az enzim elválasztható, nem szennyezi

Hátrányok:

• Az enzimaktivitás általában csökken

• Diffúziós gát alakul ki

• A rögzítés költséges

• Bonyolult előkezelés szükséges

5

(6)

Enzimrögzítés

• 1971, New Hampshire: Enzyme Engineering konferencia

• Enzimrögzítés fogalma: Enzimek fizikailag hordozóhoz kötöttek vagy lokalizáltak a tér bizonyos pontjában; cél a

katalitikus aktivitás megtartása, fenntartása, ezáltal az enzimek folyamatosan vagy ismételten felhasználhatóak.

6

(7)

Enzimrögzítési módszerek

Fizikai:

• Ionos kötés

• Fizikai adszorpció

• Gélbe zárás

• Mikrokapszulázás

• Membrán mögé zárás

Kémiai:

• Hordozóhoz kovalens rögzítés

• Keresztkötés

enzimmolekulák között

7

(8)

Fizikai rögzítés

• Ionos adszorpció esetén figyelni kell a reakció során a

megfelelő pH és ionerősség fenntartására, különben az enzim leválhat a hordozóról.

• Gélbe zárás esetén a kialakult gél pórusmérete kisebb, mint a benne lévő enzimmolekulák, a szubsztrát viszont bejut a gél belsejébe. (pl. alginát, kitozán)

• Membrán mögé zárás esetén szabad enzimeket használnak, melyek azonban egy ultraszűrő membrán által vissza vannak tartva, melyen csak a szubsztrát és a termék képes átjutni, így többször felhasználható az enzim.

8

(9)

Kémiai rögzítés

• Hordozó lehet valamilyen vízben nem oldódó, funkciós csoportokkal rendelkező polimer.

• Kovalens kötés a hordozó és az enzim valamely nem esszenciális funkciós csoportja között, vagy két

enzimmolekula között keresztkötő vegyülettel.

• Alkalmazott módszerek (reagensek):

Glutáraldehid

Diazotálás

Dioxán

9

(10)

Kémiai rögzítés

Diazotálás: Glutáraldehid:

10

(11)

Fizikai problémák

immobilizált enzimek használatánál

Ledörzsölődés

CSTR-ben, valamint fluid ágyas reaktorban jellemző, a hordozóról leválik mechanikai hatásokra az enzim.

A Vrészecske/Vreaktor arány növekedésével egyre jelentősebb

• Összenyomódás

Töltött oszlopokban jellemző

• Dugulás

Lipidek, kolloidok, szuszpendált szárazanyagok hozzák létre

Elkerülhető előülepítéssel, centrifugálással

Külső: A részecskék közötti tér eltömődése

Belső: A pórusok eltömődése

Kevert reaktoroknál a szűrőn, töltött ágynál a részecskék között 11

(12)

Sterilitási problémák

• Mikrobiális szennyezés létrejöhet:

A szubsztrát tápanyaga a fertőző mikrobának

Hosszú a tartózkodási idő

Holt terek

Durva hordozó felszín, tapadási hely

• Káros hatásai:

Dugulás

Másfajta enzim termeléssel romló szelektivitás (melléktermék), illetve bonthatja a terméket

• Védekezés:

A termelt anyag antibiotikum, etanol, szerves sav

Savas vagy lúgos pH

Előszűrt betáplálás

Formaldehides kezelés

12

(13)

Reaktortípus kiválasztási szempontok

• Hőmérséklet és pH szabályozás

• Gáz be- és elvezetés

• Szilárd részecskék jelenléte a tápoldatban

• Szubsztrátok és termékek kémiai, biloógiai jellemzői, stabilitása

• Enzim felezési ideje

• Szubsztrát és termék inhibíció

• Enzimaktivitás rögzítés előtt és után

• Diffúziós hatások

• Kívánt termékhozam és tisztaság

• Biztonság

• Gazdasági szempontok 13

(14)

A reaktorok

teljesítményjellemzői

• A cél a kívánt produktivitás elérése a lehető leggyorsabban, minimális reaktorméret mellett, minimalizálva a költségeket

• Fontos teljesítményjellemzők:

Enzimaktivitás

Enzimstabilitás

Szelektivitás

Hozam

Produktivitás

Konverzió

14

(15)

15

(16)

16

(17)

17

(18)

Reaktortípusok

• Szakaszos reaktor

• CSTR

• Dugóáramú reaktor (töltött oszlop)

• Fluidágyas reaktor

• Ultraszűrő reaktor

18

(19)

Enzimes reaktortípusok 19

(20)

Szakaszos reaktorok

• Egy tartály, amelyben a reakció lejátszódik, az enzim oldott formában van jelen

• Fontos a megfelelő keveredés a kívánt konverzió eléréséhez.

• A kívánt konverzió elérése után leengedik és feldolgozzák a reaktor tartalmát

• A feldolgozás körülményes, az enzim elválasztása nehéz, nem lehet újra felhasználni, szennyezi a terméket

• Ritkán alkalmazzák

• Problémát okoz a méretnövelés, a jó keveredés biztosítása, és a holtidő a sarzsok között

20

(21)

Szakaszos reaktorok

• Előnyei:

Könnyű a pH-szabályozás

Egyszerű a megfelelő gázadagolás biztosítása

Jó az anyagtranszport

• Jellemző ipari alkalmazás:

Sörfőzés

21

(22)

Dugóáramú csőreaktorok

• Immobilizált enzimekkel töltött oszlopok

• Kinetikailag hatékonyabb a CSTR-nél

• Jellemzően nagy a használt enzimmennyiség, nagy az aktivitás

• Előnyök:

Könnyű a folytonos üzem fenntartása, kevés munkát igényel

Megbízható állandó minőségű termék

A termék folyamatosan távozik a rendszerből, így kicsi a termékinhibició

22

(23)

• Hátrányok:

Hajlamosak a szubsztrát inhibícióra

Elkerülhető több ponton beadagolt szubsztráttal, de ez iparilag nem jellemző

Előfordulhat önkompresszió

Nehéz sterilen működtetni, friss enzimet hozzáadni

Probléma a hőmérséklet és a pH szabályozása

pH szabályozás a szubsztrát inhibícióhoz hasonlóan többpontos adagolással kezelhető

Gáznemű reaktánsok nehezen adagolhatóak vagy vezethetőek el

23

(24)

Üzemelési lehetőségek dugóáramnál

Nagy áramlási sebesség:

• Jó anyagátadás a

folyadék és a részecskék között

• Minimális nyomásesés

• Fluid-csatornák alakulhatnak ki

Kis áramlási sebesség:

• Gyengébb anyagátadás a folyadék és a részecskék között

• Fluid csatornák nem alakulnak ki

• Nyomás alatt is üzemeltethető

24

(25)

Fluidágyas reaktorok

• A biokatalizátor részecskéket fluidizált ágyban szuszpendáljuk

• A keverést a gáz vagy szubsztrát oldat felfelé irányuló árama biztosítja

• Nem okoznak dugulást a szilárd szemcsék a szubsztrátban

• pH- és hőmérsékletkontroll egyszerűbb mint a csőreaktorban

• Könnyű a gázok bevezetése

• Nagy az üres térfogathányad, kicsi az aktivitás, nagy a szubsztrát áramlási sebessége, így kicsi a konverzió, és kimosódás léphet fel

25

(26)

• Kimosódás elkerülése:

A reaktor vége kiszélesedik, így az áramlási sebesség lecsökken

Mágneses részecskékhez kötött enzim esetén elektromágneses térrel visszatarthatóak, vagy a kivezetésnél mágneses gyűrűvel visszatarthatóak

• Konverzió javítása:

A szubsztrátot visszavezetik

Több fluidágyas reaktort sorba kötnek

• A reaktor üzemeltetése meglehetősen költséges, így nem terjedt el az iparban nagymértékben

26

(27)

Ultraszűrő reaktorok

• Többnyire oldott enzimek, amiket az ultraszűrő membrán tart vissza a reakciótérben

• A legalkalmasabbak depolimerizációs reakciók esetén

A polimer szubsztrát és a rögzített enzim között nagyon jelentős diffúziós gát lépne fel

Az oldott enzim könnyebben találkozik a szubsztráttal

A membrán csak a terméket engedi át

• A membránon nem specifikus kölcsönhatások miatt egy második réteg alakulhat ki szilárd, zsír vagy kolloid

részecskékből, ami befolyásolhatja az áteresztést

• Jellemző elrendezése a CSTR-el kapcsolt megoldás, vagy

hollow fiber alkalmazása. 27

(28)

Jellemző ultraszűrő reaktor elrendezés 28

(29)

Enzimkinetika

29

(30)

Enzimkinetika szakaszos reaktorban

30

(31)

Enzimkinetika CSTR reaktorban

31

(32)

Enzimkinetika csőreaktorban

32

(33)

Köszönöm a figyelmet!

Hivatkozások

KAPCSOLÓDÓ DOKUMENTUMOK

Alapvetően két felépítés típus jellemző a membrán transzport fehérjékre: az ioncsatornák (mindkét irányba nyitott hidrofil pórusok, ionok

Kötőhely, aktív centrum: az enzim felületének az a része, ahol a szubsztrát megkötődik, illetve átalakul... Enzimes

Kötőhely, aktív centrum: az enzim felületének az a része, ahol a szubsztrát megkötődik, illetve átalakul... Enzimes

Combi CLEA: két vagy több enzim együtt immobilizálása.. MEMBRÁN

Combi CLEA: két vagy több enzim együtt immobilizálása.. MEMBRÁN

Kötőhely, aktív centrum: az enzim felületének az a része, ahol a szubsztrát megkötődik, ill.. Enzimes

Mindezek alapján megállapítható, hogy a lipid kettős réteg úgy viselkedik, mint egy két dimenziós folyadék: a lipid molekulák a folyadék halmazállapothoz hasonló

Ha mesterségesen nagy elektrokémiai gradienst csinálunk a membrán két oldalán, akkor az elektron transzport leáll, és fordított elektrontranszport indul el, legalábbis a