8.2.1. Процеси на основі іммобілізованих ферментів

Сфери застосування іммобілізованих ферментів різноманітні − це тонкий органічний синтез і перетворення енергії, ферментна аналітика та отримання цільових продуктів, конверсія рослинної сировини і створення лікарських препаратів.

У сучасній біотехнології застосування іммобілізованих ферментів є одним з найважливіших розділів, що динамічно розвивається. Обсяги випуску ферментів, що використовуються в промислових процесах, безперервно зростають. При цьому західні країни, що лідирують у цій галузі, щорічно випускають ферменти на сотні міліойнів доларів. Виробництво протеаз, глюкозоізомераз, ацилтрасфераз досягає сотень і тисяч кг/рік.

Упровадження іммобілізованих ферментів у промислові галузі та організація на їх основі принципово нових, екологічно чистих і компактних біотехнологічних процесів дає відчутний економічний ефект. Для таких процесів розробляють спеціальні біореактори, що мають аналогію з реакторами для хімічних процесів з гетерогенним каталізом. Іммобілізований фермент у такому біореакторі є нерухомою фазою, через яку протікає субстрат, що підлягає біоперетворенню. Реактори бувають періодичної і безперервної дії. Найчастіше фермент, включений у полімерну структуру, являє собою малі сферичні частинки однакового розміру. Це забезпечує велику площу реакційної поверхні і, отже, покращання дифузії. Сферичні частинки або гранули з ферментом максимально щільно упаковують в апараті. В результаті цього концентрація каталітичного агента, що бере участь у біотехнологічному процесі, значно вища порівняно з системами ферментації на основі мікробних клітин. Підвищення концентрації біокаталізатора забезпечує велику продуктивність апарату і вищий вихід продукту. Одностадійне перетворення субстрату з використанням іммобілізованих ферментів здійснюється зазвичай у проточних реактора з перемішуванням, з псевдозрідженим шаром, а також у реакторах з порожнистими волокнами (рис. 70).

Рис. 70. Типи реакторів з іммобілізованими ферментами

(за Дж. Вудвордом, 1988):

А – реактор колонного типу; Б – реактор з перемішуванням; В – модифікований реактор колонного типу

Усі представлені системи мають певні обмежування в частині нерівномірного розподілу каталізатора, а також перепадів тиску. Застосовують реактори колонного типу, реактори з перемішуванням на базі магнітної або підвісної мішалки. У реакторах з перемішуванням можливе руйнування досить м'яких частинок гелю. Оригінальна конструкція біореактора типу «корзина», в якому для запобігання руйнуванню гранул перемішування здійснюється за рахунок дротяної «корзини», що обертається, у вічках якої іммобілізовані гранули з уведеним ферментом. У даному варіанті реалізовано два типи іммобілізації: полімерні гранули з введеними молекулами ферменту самі іммобілізовані у вічках дротяної сітки. Застосовуються також біореактори періодичної дії, без протоку, в яких фермент, що введенні у гель у вигляді монолітного блоку, заповнює весь об'єм апарату. У товщі гелю в процесі іммобілізації і формування моноліту або після завершення цього процесу для здійснення газо- і масообміну формують вертикальні канали.

Ера біореакторів для іммобілізованих біокаталізаторів тільки починається; їх конструкції безперервно вдосконалюються стосовно різних біотехнологічних процесів, що реалізовуються на їх базі. Ці процеси відносяться до сфери органічного синтезу і медицини, конверсії рослинної сировини і перетворення енергії, виробництва харчових речовин і напоїв.