Методы иммобилизации биообъектов

Методы иммобилизации биообъектов.

Иммобилизация - органич. подвижности  моле-кул  ферментов позволяющие  закрепить  их  актив-ный  центр  сохраняя мах  работоспособность  в  теч. длитель. вр. не  подвергаясь  струк-ным  изменен.

  Используемые  в  наст.  вр. способы  иммобили-зации  биол-ких  объектов  делят  на  4  группы:

  1.Иммобилизация  путём  адсорбции или  химической  сшивки.

  2.Иммобилизация  по  средствам  включения  в  структуру  полимеров.

  3.Иммобилизация  методом  инкапсулирования.

1.Биобьект фиксирует  на  поверхности неорга-нич.  или  органич. инвертных носителей. В качест-ве  носителя  исп-ют  селикогели, алюмогели, кера-мику, Fе, целлюлоза,  полимерные  волокна  разли-чной  природы,  ионообменные  смолы,  хитин.

  В  зав-ти  от  исп-мого  материала  и  типа  иммо-билизуемого  объекта  взаимодействие  осущ-ся  за  счёт  сил  физич.  адсорбции,  ковален.  и  координа-ционных  химич-х  связей,  полярных  ионов и  гидрофобных  взаимодействий.

  Для  иммобилизации  без  хим-кой  сшивки  ха-рактерно  слабое  влияние  инертного  материала  на  биол-кую  активность  фермента, в  то  же  вр.  Большая  вероятность  вымывания  иммобилизова-нного  объекта из  биореактора  в рез-те  десорбции.

  При  хим-ком  связывании необходимо  подби-рать  иммобилизующие  материалы  хим-ки  инерт-ны-  по  отн-нию  к  активному  центру  фермента.

  В процессе эксплуатации подобных биокатали-тических  систем в  биореакторе  необходимо  поддерживать  постоянные  рН  и  ионную  силу  раствора. Для  прочной  хим-кой  сшивки фермента  исполь-зуют  белки  различной  природы.

  2.Метод  основан  на  участии  молекул  фермента (клеток)  в реакциях сополимеризации,  агглютина-ции с  молекулами  полимеризующегося  мономера, т. о. получают  гранулы, волокна несущие  биокатолиза-тор.  Для  иммобилизации  данного  типа  исп-ют  по-лимеры  обр-щие при  опр-ных  условиях  структури-рованные  осадки  , альгинаны  и  карагинаны.

  Суть  иммобилизации-раствор  содержащий по-лимер  и  иммобилизуемый  объект, вносят ионы  Са2+ , Al 3+, Fe 3 вызывающие  процесс  гелеобразования  полимера  для  однородных  гранул  раствор  в  про-цессе  гелеобразования  пропускают  через  колибру-ющие  устройства, подвергают  гомогенизации. Ме-тод  назыв.  внешнее  гелеобразование,  наряду с  ним  исп-ют  внутрен.  гелеобразование-в  раствор  полимера  вводят  солевой  раствор  содерж.  иммобилизуемый  биообьект.

3. Биообьект  покрывают  спец-ми  оболочками  из  полупроницаемых  материалов - целлюлоза,  полиак-риламид, липиды  и  др.  размер  пор  полупроницае-мой  мембраны  должен  быть  подобран  т. о.  чтобы  в  капсуле удерживался целевой продукт, а  примеси  вымывались  с  пит-ным  раствором.

Св-ми  темп-ного  реле  обладают  липидные  мем-браны  которые  подплавляются  при  опр-ной  темпе-ратуре, что  приводит  к  резкому  увел-нию  проница-емости  биомембраны  и  к  каталитической  активности  фермента  или  клетки.

  Инкапсулпрование  проводят  в  биореакторах  с  полыми  волокнами  изготовленными  из  целлюлозы  и  др.  материалов,  во  внутренний  объём подают  раствор  фермента  или  микробную  суспензию,  а  во  внешний  объём  волокон  обрабатываемый  раствор. 

4.Метод  основан  на  хим-ком  связывании  ферментных  молекул или  клеток  между  собой  через  мостики из  молекул  связывающего  вещества.

  Для  иммобилизации  исп-ют  химич.  реагенты не-сущие  2 или  более  функциональные  гр.  способные  взаимодействовать с  иммобилизуемым  объектом. Данный  метод  харак-ся  высокой  прочностью  связи иммобилизуемого  объекта  с  инертным  материалом, он  приводит  к  снижению  ферментативной  активности  и  утрате  клетками  жизнеспособности.

  Соиммобилизация – это  совместная иммобилизация  двух  и  более  биообъектов.

91.Типы биокаталитических систем. Иммобилизованные ферменты.

При  иммобилизации  снижается вероятность  натив-ной  конформации  под  действием  внешних  факто-ров. В результате  повышается  стабильность  фермента  расширяется  диапозон  рабочих  значений  темпера-тур, рН  и  стойкость  ферментов  при  хранении.

  При  денатурации  иммобилизованные  ферменты  денатурируют  быстрее  и  эффективнее  свободных  ферментов.  Иммобилизация  открывает  возможность  хранения ферментных  препаратов  при температуре=

-15°С.  Иммобилизация  приводит  к  снижению  активности  фермента,  но  и к уменьшению  эффектов  ингибирования  ферментов.

  Одностадийные  реакции  не  требующие  ко-факторов  относятся  к  биокаталитическим  объектам 1-го  поколения. Их  масштабирование в  биореакторах  с  иммобилизованным  ферментом  не  сложное.

  При  переходе  к  процессам  2-го поколения  возникает  проблема  регенерации  ко – факторов Данная  проблема  решается  по  двум  направлениям:

  1)  Сшивка  ко-фактора  с  ферментом  или  носителем;

  2)  Увеличения  массы  ко-фактора в  биореакторе за  счёт  присоединения  к  интенсивно  набухающим  в  водной  среде  полимерам,  что  позволяет  удерживать  данные агломираты в биореакторе  при  высоких  скоростях  протока  среды,  либо  легко  отделять  их  от  культуральной  жидкости (например  методом  ультрафильтрации) и  направлять  в  биореактор.

  ИММОБИЛИЗОВАННЫЕ  КЛЕТКИ:

  Преимущества  использования  иммобилизованных  клеток:

Не  требуется  выделение  и  очистки  ферментного  препарата. Клетки  могут  осущ-ть  многостадийные  про-цессы  при  наличии  всех  необходимых  ко-факторов.

Примен.  иммобилизованных  клеток  целесообразно  в  случае  если  предусмотрено использование  внутриклеточных  ферментных  систем.

  В  промыш.  часто  исп-ют  иноктивированные  клетки  способные  осущ-ть  только  одностадийные  процессы. В  этом  случае  надо учитывать,  что  ком-поненты  цитоплазмы,  не  отвечающие  за  данную  каталитическую  функцию  клетки  являются  баластом  и в  ряде  случаев  иноктивируют  фермент  или  разрушают  целевой  продукт. В  др.  случаях  при  им-мобилизации  вводят  агенты  ингибирующие  рост  мко  или клеток  растений.

  При  иммобилизации  микробных  клеток  одновре-менно  проводят  пермиобилизацию - процесс  заключ.  в  повышении  проницаемости  клеточных  мембран,  результатом  чего,  является  мах выделение  клеткой  целевого  продукта в  культуральную  жидкость. В некоторых  случаях  повышение  проницаемости  клеточных  мембран  достигается  в  процессе  иммоби-лизации. Данный  эффект  может  быть  достигнут  пу-тём  регулирования  рН  среды, или обработкой  клеток  продуцента  орган-ми  растворителями.

  При  использовании  клеток  растений  наиболее  целесообразным  считается иммобилизация  протопластов.

  КЛЕТОЧНЫЕ  ОРГАНЕЛЛЫ.

  Изолированные  клеточные  органеллы (хлоропласта,  митохондрии, микросомы, лизосомы и т. д.), содержат  ферменты  или  мультиферментные  системы  свободные  от  других  компонентов клетки.

Выделение  органелл  или  групп  органелл  технологически  проще,  чем  выделение  и  очистка  ферментного  препарата. 

92. Аппаратурное оформление процессов с примен. иммобилизованных биокаталитичес-ких систем, их промышленное использование.

При иммобилизации биообъекты из разряда гомогенных катализаторов переходят в разряд гетерогенных, что должно учитываться при разраб-отке, ферментационного обор-ния для процессов с иммобил-ми клетками или процессами.

Требования к ферментаторам.

В нужный момент вр. реакция в аппарате должна быть прекращена с мах скоростью. Биообъект должен быть многократно использован в технологическом процессе при условиях его регенирации. Целевой продукт должен быть получен без примесей фермента катализирующего реакцию, что особенно важно в фармоцефтической и пищевой промышленности.

Для проведения процессов с иммоб-ными объектами могут быть исп-ы следующие аппараты:

Ферментаторы с механ. мешалками Тубулярные реакторы Реакторы с кипящим слоем твердой фазы

Наиболее выгодной схемой компоновки в данном случае является каскад последовательно соединенных реакторов.

Если иммобилизованные катализаторы имеют вид гранул или капсул, используются реакторы с механ-ми мешалками, приводят к снижению количества циклов их работы. Для предотвращения этого явления предлагается использование реактор корзиночного типа.

93. Определение и классификация процессов мкб трансформации (биотрансформация) органических соединений.

В наст. Вр. процессы мкб трансформации орган-ких соединений являются реальной альтернативой методом хим-го синтеза многих практически важных продуктов в частности ПД и БАД к пище.

Преимущество биотрансформации по сравнению с хим. синтезом

Специфичность микробных ферментных систем к трансформируемому субстрату и как следствие высокий выход хим-кой чистоты синтезируемого продукта. Способность мко осущ-ть в одну стадию многоступенчатые хим превращения, что приводит к сокращению продолжительности тех процесса. Возможность такой корректировки структуры сложных орган-ких молекул. Простота аппратурного оформления и экономичность процессов биотрансформации. Перспекива получения целевых продуктов синтез которых хим-ми методами затруднён или не осуществим в наст. вр. .

Боль-во процессов мкб трансформации приводит к незначительной хим модификации субстрата под действием одного или неск. ферментов клетки в тоже вр. разработаны БТ процессы позволяющие осуществить сложные биох-кие превращения орг-ких веществ под действием мультиферментных комплексов.

Процесс мкб трансформации классфицируют по:

типу катализируемой реакции (окисления, востановления); реакции корбаксилирования, декорбакси-лирования; реакции амминирования, дезамминирования, переамминирования; реакции гидролиза; реакции этерефикации; реакции полимеризации и поликонденсации;

реакции образования гликозидов.