Слайд 2
![Технология ферментационных процессов. Иммобилизованный ферменты. Иммобилизованные клетки в биотехнологии. Лекция № 9](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/53438/slide-1.jpg)
Технология ферментационных процессов.
Иммобилизованный ферменты. Иммобилизованные клетки в биотехнологии.
Лекция № 9
Слайд 3
![Под иммобилизацией понимают такую процедуру, в результате которой молекула фермента](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/53438/slide-2.jpg)
Под иммобилизацией понимают такую процедуру, в результате которой молекула фермента тем
или иным способом прикрепляется к определенным объектам (носителей), нерастворимых в воде. Эти объекты вместе с ферментом легко отделяются от раствора после завершения реакции. Химическое «пришивание» фермента к носителю закрепляет конформацию фермента, и является причиной повышения устойчивости и снижения лабильности.
Слайд 4
![Первым иммобилизованным ферментом, примененным в промышленном масштабе, была аминоацилаза. Она](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/53438/slide-3.jpg)
Первым иммобилизованным ферментом, примененным в промышленном масштабе, была аминоацилаза. Она была
использована в Японии в 1969 г. для производства аминокислот, добавляемых в корм животных. На мировом рынке эта продукция пользуется большим спросом.
Слайд 5
![Преимущества использования иммобилизованных ферментов: 1. Чистые препараты ферментов неустойчивы при](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/53438/slide-4.jpg)
Преимущества использования иммобилизованных ферментов:
1. Чистые препараты ферментов неустойчивы при длительном хранении.
2.
Многократное использование ферментов затруднено в промышленных условиях, т.к. их сложно отделить от реагентов.
Слайд 6
![Иммобилизованный (гетерогенный) катализатор легко отделить от реакционной среды. Это обусловливает:](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/53438/slide-5.jpg)
Иммобилизованный (гетерогенный) катализатор легко отделить от реакционной среды. Это обусловливает:
1) возможность
остановки реакции в любой нужный момент:
2) повторное использование катализатора;
3) получение конечного продукта, не загрязнённого ферментом.
Слайд 7
![Иммобилизация фермента даёт возможность регулировать их каталитическую активность за счёт](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/53438/slide-6.jpg)
Иммобилизация фермента даёт возможность регулировать их каталитическую активность за счёт изменения
свойств носителя.
Иммобилизация представляет собой включение фермента в такую среду, в которой для него доступной оказывается лишь ограниченная часть общего объёма.
Слайд 8
![Все существующие методы физической иммобилизации (т.е. иммобилизации, при которой фермент](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/53438/slide-7.jpg)
Все существующие методы физической иммобилизации (т.е. иммобилизации, при которой фермент не
соединяется с носителем ковалентными связями, могут быть подразделены на четыре группы:
Слайд 9
![1) адсорбция на поверхности нерастворимого носителя; 2) включение в поры](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/53438/slide-8.jpg)
1) адсорбция на поверхности нерастворимого носителя;
2) включение в поры геля;
3) пространственное
разделение фермента от остальной части с помощью полупроницаемой мембраны;
4) введение фермента в двухфазную реакционную среду, в которой он растворим, но может находиться только в одной из фаз.
Слайд 10
![](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/53438/slide-9.jpg)
Слайд 11
![Основные требования, которым должны соответствовать носители: - Высокая химическая и](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/53438/slide-10.jpg)
Основные требования, которым должны соответствовать носители:
- Высокая химическая и биологическая стойкость;
-
Высокая механическая прочность;
- Достаточная проницаемость для фермента и субстратов;
- Высокая пористость;
- Возможность получения в виде удобных в технологическом отношении форм (гранул, мембран, труб, листов и т.д.);
Слайд 12
![- Легкое перевода в реакционно-способную форму (активация): - Высокая гидрофильность,](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/53438/slide-11.jpg)
- Легкое перевода в реакционно-способную форму (активация):
- Высокая гидрофильность, которая обеспечивает
возможность проведения реакции связывания фермента с носителем в водной среде;
- Невысокая стоимость.
Слайд 13
![В зависимости от природы носители делятся на: 1. Органические материалы;](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/53438/slide-12.jpg)
В зависимости от природы носители делятся на:
1. Органические материалы;
2. Неорганические материалы.
Органические
полимерные носители можно разделить на 2 класса:
а) природные;
б) синтетические.
В свою очередь, каждый из классов органических полимерных носителей подразделяется на группы в зависимости от их строения. Среди природных полимеров выделяют: белковые; полисахаридные; липидные носители, а среди синтетических: полиметиленовые; полиамидные; полиэфирные носители.
Слайд 14
![К преимуществам природных носителей следует отнести: Доступность; 2. Полифункциональность; 3.](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/53438/slide-13.jpg)
К преимуществам природных носителей следует отнести:
Доступность;
2. Полифункциональность;
3. Гидрофильность,
а к
недостаткам – высокую стоимость.
Из полисахаридов для иммобилизации наиболее часто используют: целлюлозу, декстран, агарозу и их производные. Для придания химической устойчивости их линейные цепи поперечно сшивают эпихлоргидрином. В полученные сетчатые структуры легко вводят различные ионогенные группировки.
Слайд 15
![Из природных аминосахаридов в качестве носителей для иммобилизации применяют хитин,](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/53438/slide-14.jpg)
Из природных аминосахаридов в качестве носителей для иммобилизации применяют хитин, который
в значительных количествах накапливается в виде отходов в процессе промышленной переработки крабов и креветок. Хитин химически стоек и имеет хорошо выраженную пористую структуру.
Среди белков практическое применение в качестве носителей нашли структурные протеины, такие как: кератин, фиброин, коллаген и продукт переработки коллагена – желатин.
Слайд 16
![Синтетические полимерные носители включают полимеры на основе стирола, акриловой кислоты,](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/53438/slide-15.jpg)
Синтетические полимерные носители включают полимеры на основе стирола, акриловой кислоты, поливинилового
спирта, полиамидные и полиуретановые поли меры.
Их преимущество:
1. Механическая прочность;
2. Возможность варьирования в широких пределах величины пор и введения различных функциональных групп.
Синтетические полимеры воспроизведены в таких изделиях, как трубы, волокна, гранулы. Все эти свойства полезны для разных способов иммобилизации ферментов.
Слайд 17
![Носители неорганической природы представляют собой материалы изготовленные из стекла, глины,](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/53438/slide-16.jpg)
Носители неорганической природы представляют собой материалы изготовленные из стекла, глины, керамики,
графитовой сажи, а также оксиды металлов. Их можно подвергать химической модификации, для чего носители покрывают плёнкой оксидов алюминия, титана, циркония. Или обрабатывают органическими полимерами.
Преимущество неорганических носителей:
лёгкость регенерации.
Подобно синтетическим полимерам неорганическим носителям можно придать любую форму и получать их с любой степенью пористости.
Слайд 18
![При адсорбционной иммобилизации белковая молекула удерживается на поверхности носителя за](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/53438/slide-17.jpg)
При адсорбционной иммобилизации белковая молекула удерживается на поверхности носителя за счёт
электростатических, гидрофобных, дисперсионных взаимодействий и водородных связей.
Слайд 19
![Эффективность адсорбции молекулы белка на носителе определяется пористостью носителя. Процесс](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/53438/slide-18.jpg)
Эффективность адсорбции молекулы белка на носителе определяется пористостью носителя. Процесс адсорбции
ферментов на нерастворимых носителях отличается крайней простотой и достигается при контакте водного раствора фермента с носителем при перемешивании. С этой целью раствор фермента смешивают со свежим осадком, например, гидроксида титана, и высушивают в мягких условиях.
Слайд 20
![Иммобилизация ферментов путём включения в гель. Способ иммобилизации ферментов путём](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/53438/slide-19.jpg)
Иммобилизация ферментов путём включения в гель.
Способ иммобилизации ферментов путём включения
в трёхмерную структуру полимерного геля широко распространён благодаря своей простоте и уникальности. Метод применим для иммобилизации не только индивидуальных ферментов, но даже отдельных клеток. иммобилизацию ферментов в геле осуществляют двумя способами:
Слайд 21
![1. Фермент вводят в водный раствор мономера, а затем проводят](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/53438/slide-20.jpg)
1. Фермент вводят в водный раствор мономера, а затем проводят полимеризацию,
в результате которой возникает пространственная структура полимерного геля с включёнными в его ячейки молекулами фермента.
2. Фермент вносят в раствор уже готового полимера, который впоследствии переводят в гелеобразное состояние.
Для первого варианта используют гели: полиакриламида, поливинилового спирта, силикагеля. Для второго: гели крахмала, агар-агара, агарозы, фосфата кальция.
Слайд 22
![Метод инкапсулирования разработан в 1974 г. и состоит в том,](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/53438/slide-21.jpg)
Метод инкапсулирования разработан в 1974 г. и состоит в том, что
водный раствор фермента включается внутрь замкнутой микрокапсулы, стенки которой образованы полупроницаемым полимером. Один из механизмов возникновения мембраны на поверхности водных микрокапсул фермента заключается в реакции межфазной поликонсистенции двух соединений, одно из которых растворено с водой, а другое – в органической фазе.
Размер получаемых капсул составляет сотни микрометров, а толщина мембраны - сотые доли микрометра.
Слайд 23
![Метод включения водных растворов ферментов в липосомы Впервые данный метод](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/53438/slide-22.jpg)
Метод включения водных растворов ферментов в липосомы
Впервые данный метод был применён
для иммобилизации ферментов Дж. Вайсманом и Дж. Сессом в 1970 году. Для получения липосом из растворов липида (чаще всего лецитина) упаривают органический растворитель.
Слайд 24
![Оставшуюся тонкую плёнку липидов выдерживают в водном растворе, содержащем фермент.](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/53438/slide-23.jpg)
Оставшуюся тонкую плёнку липидов выдерживают в водном растворе, содержащем фермент. В
процессе выдержки происходит самосборка липидных структур липосомы, содержащих данный раствор фермента.
Ферменты, иммобилизованные путём включения в структуру липосом, используют преимущественно в медицинских и биотехнологических целях.
Слайд 25
![Химические методы иммобилизации ферментов. Представляют иммобилизацию ферментов путём образования новых](/_ipx/f_webp&q_80&fit_contain&s_1440x1080/imagesDir/jpg/53438/slide-24.jpg)
Химические методы иммобилизации ферментов.
Представляют иммобилизацию ферментов путём образования новых ковалентных
связей между ферментом и носителем – наиболее массовый способ получения промышленных биокатализаторов.
В отличие от физических вариантов, эти методы иммобилизации обеспечивают прочную и необратимую связь фермента с носителем и сопровождаются стабилизацией молекулы энзима.