42. Преимущества и недостатки энзимных технологий

Преимущества:

1) каталитическая активность ферментов высокоспецифична и ограничивается одним типом реакций, так что не происходит побочных реакций; 2) ферменты могут сразу атаковывать исходную молекулу и осуществлять превращение, для которого потребовалось бы несколько вспомогательных многоступенчатых химических синтезов; 3) химические преобразования вещества упрощаются — одна или две ступени вместо многоступенчатого синтеза; 4) ферментативные реакции могут протекать с большой скоростью в мягких условиях.

Недостатки: 1) для получения чистого продукта нужен и чистый фермент, а его выделение очень дорого; 2) в выходящем из реактора продукте сохраняется фермент, который продолжает действовать; 3) дорогостоящий фермент используется только однократно; 4) свободный фермент быстро инактивируется (т.е. разрушается); 5) в отличие от биомассы, которая самовоспроизводится в процессе непрерывной ферментации, фермент в непрерывном процессе нужно все время вводить, так как он вымывается с продуктом реакции.

43.Технология производства энзимов для промышленных целей

Использование микроорганизмов в качестве источников производства ферментов стимулируется следующими основными факторами: • высокой степенью специфической активности в пересчете на единицу сухого веса продукта. • сезонными колебаниями количества и качества сырьевых материалов и возможностью их длительного сохранения в зависимости от климатических изменений. • возможностью выбора нужного фермента из широкого спектра микробных катализаторов, характеризующихся различной степенью устойчивости к повышенным температурам рН среды. • возможностями промышленной генетики оптимизировать количества выхода ферментов и способов селекции штаммов продуцентов путем мутагенеза, изменения условий культивирования, а также (в последнее время) применения практически неограниченных возможностей методов генетической инженерии. Приемы селекции различных микроорганизмов довольно сложны и включают многие факторы: стоимость культивирования, способность секретировать фермент во внешнюю среду или накапливать его внутри клетки, а также способность противостоять неблагоприятным воздействиям внешней среды, повреждающим ферменты и т. п. В зависимости от происхождения ферменты существенно различаются между собой по термостабильности и по отношению к экстремальным значениям рН. Так, например, протеазы Bac. subtilis относительно стабильны при нагреваниях и активны в щелочной среде, в силу чего считаются более подходящими для использования в качестве добавок в стиральные порошки и моющие средства. В противоположность этому, грибные амилазы, вследствие их высокой чувствительности к нагреванию, пригодны в хлебопечении и т. д. При селекции продуцентов ферментов генетики промышленных микроорганизмов стремятся улучшить желаемые их свойства: высокий выход фермента, стабильность фермента, независимость синтеза фермента от индуктора, легкое его извлечение из среды и т. п. Нежелательные качества стараются устранить (наличие вредных побочных метаболитов, неприятный запах, нежелательный цвет препарата и т. п). Поскольку микробные ферменты являются малообъемными препаратами относительно невысокой стоимости, методы, применяемые для их производства, обычно осуществляются с использованием биореакторов (ферментеров), аналогичных по конструкции и функциях таковым, которые применяются при производстве антибиотиков. Выбор культуральной среды является весьма важным моментом в процессе производства, так как она обеспечивает растущий микроорганизм энергией, а также является источником необходимых элементов (углерода, азота и т. д.). Стоимость сырьевого материала непосредственно связана с ценой конечного продукта. В большинстве случаев ферменты получаются при ферментации с одноразовой загрузкой, длящейся от 30 до 150 часов; процессы, основанные на непрерывном (проточном) культивировании, нашли пока еще малое применение в промышленном производстве ферментов. В процессе выращивания продуцентов ферментов, последние могут накапливаться внутри клеток или же секретироваться во внешнюю среду. Коммерческие препараты ферментов могут выпускаться в продажу либо в жидкой, либо в кристаллической форме, очищенными или же в виде "грубых" препаратов. Например, в препаратах, используемых для гидролиза крахмала, целлюлозы, основным критерием является высокая активность основного фермента в препарате, а наличие других активностей зачастую не принимают во внимание. В то же время в препаратах ферментов, используемых в молекулярной биологии, медицине, основным критерием качества является отсутствие дополнительных ферментативных активностей и просто белковых загрязнений. Концентрирование и очистка ферментов зачастую представляет собой весьма сложные процессы. И естественно, что стоимость препаратов ферментов зависит от всех перечисленных выше моментов. Ферментные препараты, предназначенные для использования в пищевой промышленности или в медицинской практике, подлежат строгому контролю на токсичность для животных, мутагенную активность, тератогенность и канцерогенность, а также проверяются в различных фармакологических тестах. Ответственность за безопасность выпускаемых ферментных препаратов ложится на фирму, их производящую. Практически, безопасный ферментный препарат должен обладать низкими аллергическими свойствами и быть свободным от токсических веществ, а также вредоносных микроорганизмов.

Поверхностный метод выращивания продуцентов – культивирование микроорганизмов на поверхности увлажненных стерилизованных отрубей, размещенных в кюветах, которым иногда добавляют солодовые ростки, древесные опилки, свекловичный жом. Инкубацию ведут в специальном термостатируемом цехе при постоянном контроле температуры, влажности, подачи воздуха.

Глубинный метод более экономный, применяют ферментеры, снабженные приспособлениями для перемешивания и подачи в жидкую питательную среду стерильного воздуха. Сначала ферментер заполняют питательной средой, автоклавируют, затем засевают чистой культурой, подаваемой из специального генератора. Для предотвращения инфекции в ферментере поддерживают повышенное давление наряду с оптимальными значениями рН, температуры, редокс-потенциала и др.

Проточный метод обеспечивает непрерывную подачу в ферментер как питательной среды так и посевного материала. Размножение м-орг. и биосинтез фермента регулируют при использовании этого метода по мере поступления питательной смеси в ферментер. Основное достоинство - возможность длительное время поддерживать в автоматическом режиме рост культуры микроорганизма.