Enzimes
bioreaktorok
Készítette: Kozik Marcell
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
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
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
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
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
Enzimrögzítési módszerek
Fizikai:
• Ionos kötés
• Fizikai adszorpció
• Gélbe zárás
• Mikrokapszulázás
• Membrán mögé zárás
Kémiai:
• Hordozóhoz kovalens rögzítés
• Keresztkötés
enzimmolekulák között
7
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
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
Kémiai rögzítés
Diazotálás: Glutáraldehid:
10
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
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
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
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
16
17
Reaktortípusok
• Szakaszos reaktor
• CSTR
• Dugóáramú reaktor (töltött oszlop)
• Fluidágyas reaktor
• Ultraszűrő reaktor
18
Enzimes reaktortípusok 19
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
Szakaszos reaktorok
• Előnyei:
• Könnyű a pH-szabályozás
• Egyszerű a megfelelő gázadagolás biztosítása
• Jó az anyagtranszport
• Jellemző ipari alkalmazás:
• Sörfőzés
21
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
• 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
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
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
• 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
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
Jellemző ultraszűrő reaktor elrendezés 28
Enzimkinetika
29
Enzimkinetika szakaszos reaktorban
30
Enzimkinetika CSTR reaktorban
31
Enzimkinetika csőreaktorban
32