Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Podstawy Biotechnologii

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 4 – Biokataliza. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych

Biokatalizatory:

Enzymy – zbudowane z aminokwasów (białka)

Rybozymy – zbudowane z rybonukletydów (RNA)

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Podstawy Biotechnologii

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 4 – Biokataliza. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych

Enzymy są „superkatalizatorami”

• niezwykle duża efektywność katalizy

• wysoka aktywność katalityczna w umiarkowanych warunkach

• swoistość reakcji

• specyficzność substratowa

• stereospecyficzność

• praktycznie 100% wydajność; brak produktów ubocznych

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Podstawy Biotechnologii

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 4 – Biokataliza. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych

Siła katalityczna enzymów jest zdumiewająca

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Podstawy Biotechnologii

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 4 – Biokataliza. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych

SWOISTOŚĆ SUBSTRATOWA

L-asparaginaza EC 3.3.1.1

Substrat

Aktywność

względna

K

M

× 10

5

(M)

V

L-asparagina

100

1

0.965

D-asparagina

5

6200

0.177

Amid kwasu bursztynowego

20

1500

0.240

Diamid kwasu bursztynowego

0

-

-

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Podstawy Biotechnologii

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 4 – Biokataliza. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych

Stereospecyficzność działania enzymów

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Podstawy Biotechnologii

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 4 – Biokataliza. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych

Dlaczego enzymy są tak efektywnymi katalizatorami?

-grupy funkcyjne w centrum aktywnym

-hydrofobowy charakter centrum aktywnego

-współdziałanie koenzymów

-kataliza kwasowo-zasadowa

-maksymalne zbliżenie i optymalne ustawienie substratu(ów)

-wzbudzone dopasowane enzymu

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Podstawy Biotechnologii

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 4 – Biokataliza. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych

Centrum aktywne

Struktura kompleksu
enzym-substrat

Centrum aktywne może obejmować
reszty aminokwasowe odlegle od siebie
w sekwencji aminokwasowej enzymu

Centrum aktywne

Centrum aktywne może obejmować reszty
odległe od siebie w sekwencji aminokwasowej
łańcucha polipeptydowego

W centrum aktywnym znajdują się reszty wiążące
substrat (ew, także koenzym) oraz reszty katalityczne

Kompleks
enzym:substrat

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Podstawy Biotechnologii

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 4 – Biokataliza. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych

Niektóre enzymy potrzebują pomocników...

Koenzym – niewielka cząsteczka organiczna współpracująca

z cząsteczką enzymu podczas aktu katalitycznego,
której obecność jest niezbędna dla katalizy.
Koenzym wiąże się z enzymem tylko w trakcie
aktu katalitycznego

Grupa prostetyczna – cząsteczka organiczna lub jon metalu

niezbędna dla działania enzymu,
połączona trwale z cząsteczka enzymu

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Podstawy Biotechnologii

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 4 – Biokataliza. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych

Szybkość reakcji enzymatycznej

Enzym, podobnie jak każdy inny katalizator, przyśpiesza reakcję,
ale nie zmienia jej stanu równowagi.

Enzymy katalizują jedynie reakcje termodynamicznie możliwe,
czyli takie, dla których

∆G≤0.

Uwaga: enzymy w komórkach mogą katalizować reakcje, dla których

∆

G

°

>0. Warunek: sprzężenie z reakcją, dla której

∆

G

°

<0.

Warunkiem zajścia reakcji jest efektywne zderzenie cząsteczek
(cząsteczki muszą posiadać odpowiednią energię oraz być
odpowiednio ustawione względem siebie)

Najmniejsza energia, którą należy dostarczyć molowi substratów,
aby każda z cząsteczek stała się reaktywna – energia aktywacji

Szybkość reakcji zależy od energii aktywacji układu.

v = f (

∆G

*

)

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Podstawy Biotechnologii

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 4 – Biokataliza. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych

Enzymy obniżają energię aktywacji układu

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Podstawy Biotechnologii

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 4 – Biokataliza. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych

Enzym wiążąc substrat przyjmuje konformację
komplementarną do stanu przejściowego

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Podstawy Biotechnologii

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 4 – Biokataliza. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych

Indukowane dopasowanie enzymu

Konformacja heksokinazy zmienia się w wyniku związania substratu

Indukowane dopasowanie substratu

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Podstawy Biotechnologii

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 4 – Biokataliza. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych

Enzym przyciąga substrat do centrum aktywnego

Rozkład potencjału elektrostatycznego wokół
enzymu – dysmutazy nadtlenkowej

Pokazano obszary potencjału dodatniego i ujemnego.
Substrat: O

2

-

. jest naładowany ujemnie

Sposoby oddziaływań elektrostatycznych
enzymu z substratem

Efekt Kirke

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Podstawy Biotechnologii

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 4 – Biokataliza. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych

Wykres zależności szybkości reakcji katalizowanej przez
enzym od stężenia substratu ma kształt hiperboliczny

]

[

]

[

S

K

S

V

v

M

+

=

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Podstawy Biotechnologii

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 4 – Biokataliza. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych

Czynniki wpływające na aktywność enzymu

• temperatura
•odczyn środowiska
•potencjał redoks

T

v

∆ [P]

50 C

o

70 C

o

80 C

o

t

t

1

2

t

v

T

t

1

2

t

Zależność aktywności enzymu
od temperatury

Zależność aktywności
enzymu od pH

Kształt wykresu v = f(T) może się zmieniać
w zależności od momentu pomiaru

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Podstawy Biotechnologii

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 4 – Biokataliza. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Podstawy Biotechnologii

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 4 – Biokataliza. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych

Wytwarzanie enzymów

Dwa rodzaje procesów technologicznych, zasadniczo różniące się
warunkami:

1.

Enzymy wytwarzane w dużych ilościach, głównie dla celów

przemysłowych, tylko częściowo oczyszczone (bulk enzymes)

2.

Enzymy wytwarzane w niewielkich ilościach, dla celów

terapeutycznych i naukowych, o wysokim stopniu czystości

Obecne tendencje w produkcji enzymów:

1.

Zastępowanie enzymów pochodzenia roślinnego i zwierzęcego przez

enzymy rekombinowane, wytwarzane przez drobnoustroje w warunkach
nadprodukcji

2.

Wprowadzanie enzymów pochodzących z komórek drobnoustrojów

ekstremofilnych

3. Zastosowanie inżynierii białka – enzymy o zmienionych właściwościach

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Podstawy Biotechnologii

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 4 – Biokataliza. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych

Schemat technologiczny wytwarzania enzymu
typu „bulk”

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Podstawy Biotechnologii

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 4 – Biokataliza. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych

Enzymy proteolityczne w przemyśle

Usuwanie zmętnienia
piwa, kruszenie mięsa

Wytwarzanie serów

Kruszenie mięsa,
zastosowania
medyczne

Kruszenie mięsa,
piekarnictwo,
piwowarstwo
Serowarstwo

Środki piorące,
usuwanie żelatyny

Papaya latex

Żołądki cielęce, białko
rekombinowane

Jelita zwierzęce

Aspergillus oryzae
Aspergillus niger

Mucor pusillus
Rhizomucor miehei
Cryptonectria parasitica

Bacillus subtilis

Hydroliza białek

Ścinanie mleka

Hydroliza białek

Hydroliza białek

Hydroliza białek

Papaina

Renina

Trypsyna,
chymotrypsyna

Proteazy grzybowe

Proteazy bakteryjne

Zastosowanie

Źródło enzymu

Reakcja

lub substrat

Enzym

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Podstawy Biotechnologii

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 4 – Biokataliza. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych

Hydroliza skrobi

Hydroliza celulozy
do celobiozy

Otrzymywanie cukrów prostych
z disacharydów

Analityka medyczna
Usuwanie cukru
z produktów jajecznych
Usuwanie O

2

z majonezu

i soków
Otrzymywanie słodkich
syropów

Bacillus subtilis
Aspergillus oryzae

Trichoderma viride
Aspergillus niger

Aspergillus spp.
Sacharomyces

Aspergillus niger

Streptomyces spp.
Lactobacillus brevis

Hydroliza wiązań
α(1→4) glikozydowych

Hydroliza wiązań
β(1→4) glikozydowych

laktoza
sacharoza

Glukoza + O

2

→

Glukonolakton + H

2

O

2

Glukoza

→ Fruktoza

Amylaza

Celulaza

β-galaktozydaza;
sacharaza;
β-glukoozydaza

Oksydaza glukozowa

Izomeraza ksylozowa

Zastosowanie

Źródło

enzymu

Reakcja

lub substrat

Enzym

Enzymy metabolizujące węglowodany w przemyśle

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Podstawy Biotechnologii

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 4 – Biokataliza. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych

Inne enzymy znajdujące zastosowanie w przemyśle

Enzym

Zastosowanie

Izomeraza 11

βsterydowa

Biotransformacja sterydów

Aminoacylaza

Otrzymywanie optycznie
czynnych aminokwasów

Penicylinaza

Otrzymywanie kwasu 6AP

Hydrataza nitrylowa

Synteza aminokwasów

Lipaza

Hydroliza triacyloglicerydów

Pektynaza

Klarowanie soków

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Podstawy Biotechnologii

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 4 – Biokataliza. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych

Immobilizacja enzymów

Metody immobilizacji

a) Adsorpcja na powierzchni nośnika (alumina, hydroksyapatyt, kaolinit

szkło, matryce jonowymienne);

b) Wiązanie kowalencyjne z nośnikiem (poliakrylamid, nylon, celuloza,

dekstran, Sephadex, Sepharose, Agarose, żel krzemionkowy,

kulki szklane). Konieczna aktywacja nośnika;

c) Uwięzienie w matrycy

- akrylamid polimeryzowany w roztworze enzymu
- żele tworzone in situ w roztworze enzymu;

d)

Kapsułkowanie w membranie
półprzepuszczalnej
liposomy, kapsułki nylonowe,

celofanowe, celuloidowe,

poliuretanowe

e) Sieciowanie międzycząsteczkowe

Czynniki sieciujące:

aldehyd glutarowy,
1,5-difluoro-2,4-dinitrobenzen;
.

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Podstawy Biotechnologii

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 4 – Biokataliza. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych

Immobilizacja enzymów

Metody kowalencyjnej
immobilizacji enzymów

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Podstawy Biotechnologii

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 4 – Biokataliza. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych

Immobilizacja enzymów

Immobilizacja enzymu z zastosowaniem molekularnego wysięgnika

1 – immobilizacja bez wysięgnika; 2 - immobilizacja z użyciem krótkiego wysięgnika;
3 – immoblizacja z użyciem długiego wysięgnika; 4 – wysięgnik zbyt długi;
5 – immobilizacja wielopunktowa; 6, 7, 8 – relacja wysięgnik:centrum aktywne
Immobilizowanego enzymu

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Podstawy Biotechnologii

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 4 – Biokataliza. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych

Immobilizacja enzymów

Otrzymywanie sol-żeli z zastosowaniem różnych dodatków oraz metod suszenia

Sol-żele: żele nieorganiczne
Otrzymywane głównie z tlenków
krzemu, tytanu, cyrkonu, glinu
i glinokrzemianów

Większe możliwości – alkoksydy
Si(OR)

4

i alkoksysilany

XSi(OR)

3

oraz XX’Si(OR)

2

Aerożele – wysuszane przez usunięcie płynu w stanie nadkrytycznym (CO

2

– T

k

= 31

°C)

Ambiżele – z materiałów zawierających dużą liczbę grup hydrofobowych

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Podstawy Biotechnologii

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 4 – Biokataliza. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych

Immobilizacja enzymów

Schemat immobilizacji enzymów w hydrożelach: a) alginianie wapnia; b) karagenianie

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Podstawy Biotechnologii

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 4 – Biokataliza. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych

Immobilizacja enzymów

Schemat silanizacji szkła oraz immobilizacji enzymów po uprzedniej funkcjonalizacji
podstawników silanowych

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Podstawy Biotechnologii

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 4 – Biokataliza. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych

Immobilizacja enzymów

Przykłady procesów przemysłowych prowadzonych

z użyciem immobilizowanych enzymów

Otrzymywanie 6-
APA

Uwięzienie w
matrycy

Poloakrylamid,
celuloza

Amidaza
penicylanowa

Oznaczanie glukozy

Kapsułkowanie

Oksydaza
glukozowa
Peroksydaza

Otrzymywanie mleka
wolnego od laktozy

Adsorpcja

Krzemionka

β-galaktozydaza

Otrzymywanie
aspartamu

Układ dwufazowy

Termolizyna

Otrzymywanie
syropu fruktozo-
glukozowego

Adsorpcja

Amberlit IRA904

Izomeraza
glukozowa

Otrzymywanie
L-aminokwasów

Adsorpcja

DEAE-Sephadex

Aminoacylaza

Zastosowanie

Metoda
immobilizacji

Matryca

Enzym

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Podstawy Biotechnologii

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 4 – Biokataliza. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych

Biokataliza w rozpuszczalnikach organicznych

Charakterystyka biokatalizy dwufazowej w układzie woda/rozpuszczalnik organiczny

Potencjalne zalety:
-wysoka rozpuszczalność substratu i produktu
-zmniejszenie możliwości inhibicji przez produkt lub nadmiar substratu
-ułatwione wyodrębnienie produktu i odzysk biokatalizatora
-wysoka rozpuszczalność gazów w rozpuszczalnikach organicznych
-korzystne przesunięcie równowagi reakcji

Potencjalne wady:
-możliwa denaturacja i.lub inhibicja biokatalizatora przez rozpuszczalnik organiczny
-zwiększona złożoność reakcji

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Podstawy Biotechnologii

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 4 – Biokataliza. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych

Biokataliza w rozpuszczalnikach organicznych

prof. Ernest Sym

zapoczątkował na PG
badania w dziedzinie
biotechnologii;
światowy pionier badań
nad katalizą enzymatyczną
w układach niewodnych.

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Podstawy Biotechnologii

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 4 – Biokataliza. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych

Biokataliza w rozpuszczalnikach organicznych

Biokompatybilne rozpuszczalniki organiczne

Kryterium – wartość parametru Hanscha - log P

oct

- współczynnik podziału

w układzie n-oktanol/woda

Rozpuszczalniki charakteryzujące się log P

oct

<2 są uważane za nieprzydatne do

biokatalizy; log P

oct

= 2

÷ 4 – biokompatybilność pośrednia i zmienna; log P

oct

> 4

rozpuszczalniki biokompatybilne

Przykłady:
n-dekanol

4,0

n-heptan

4,0

n-dodekanol

5,0

n-nonan

5,1

eter difenylowy

4,3

n- undekan

6,1

benzoesan pentylu

4,2

oleinian butylu

9,8

ftalan dibutylu

5,4

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Podstawy Biotechnologii

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 4 – Biokataliza. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych

Biokataliza w rozpuszczalnikach organicznych

(a) dwufazowa emulsja wody

w oleju

(b) dwufazowa emulsja oleju

w wodzie

(c) enzym immobilizowany

na porowatym nośniku

w układzie dwufazowym

(d) enzym w odwróconej miceli

(e) kowalencyjnie zmodyfikowany

enzym (np. glikolem

polietylenowym) w rozp. org.

(f) immobilizowany enzym

rozpuszczony w rozp. org.

(g) sproszkowany enzym

rozpuszczony w rozp. org.

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Podstawy Biotechnologii

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 4 – Biokataliza. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych

Biokataliza w innych układach

Układ faza stała/faza gazowa
Brak problemów z przenikaniem masy
Kataliza z udziałem enzymów takich jak: dehydrogenaza alkoholowa, oksydaza
alkoholowa, lipazy. Reakcje – synteza związków lotnych, jak aldehydy, estry, ketony

Reakcje w cieczach nadkrytycznych
Duże szybkości przenikania masy i łatwe wyodrębnianie produktów. Aparatura
wysokociśnieniowa

Stosuje się głównie ditlenek węgla (Tk = 31

°C). Reakcje dotyczące związków

hydrofobowych, m.in. utlenianie cholesterolu przez oksydazę cholesterolową,
stereoselektywne hydrolizy estrów przez immobilizowane lipazy, syntezy dipeptydów
z użyciem enzymów proteolitycznych

Biokataliza w cieczach jonowych
Sole nie krystalizujące w temperaturze pokojowej (kation 1,3-dialkiloimidazoliowy lub
N-alkilopirydyniowy i anion BF

4

-

, BF

6

-

lub NO

3

-

. Wiele enzymów wykazuje trwałość

w cieczach jonowych, a nawet korzystniejsze właściwości (dotyczy to m.in. lipaz)

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Podstawy Biotechnologii

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 4 – Biokataliza. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych

Działanie fosfolipaz na fosfatydylocholinę

Przykłady zastosowań

Schemat procesu usuwania fosfolipidów z olejów (odśluzowywanie)

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Podstawy Biotechnologii

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 4 – Biokataliza. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych

Przykłady zastosowań

Schemat produkcji syropu glukozowego
E

1

– alfa amylaza, E

2

- glukoamylaza

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Podstawy Biotechnologii

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 4 – Biokataliza. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych

Przykłady zastosowań

Reakcje katalizowane przez monooksygenazy wykorzystywane
do biotransformacji w praktyce przemysłowej

(a) hydroksylowanie alkanów

(b) hydroksylowane arenów

(c) epoksydacja alkenów

(d) utlenianie heteroatomów

(e) utlenianie ketonów do estrów

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Podstawy Biotechnologii

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 4 – Biokataliza. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych

Przykłady zastosowań

Biokatalityczna synteza optycznie czynnych aminokwasów

NHC(O)R

1

R

O

OH

NH

2

R

O

NH

2

NHR

1

R

O

OR

2

CO

2

H

NH

2

R

H

R

OH

O

R

OH

O

O

Acylaza

Amidaza

Esteraza

lub proteaza

liaza

dehydrogenaza

addycja amoniaku
do podwójnego wią zania

redukcyjne aminowanie

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Podstawy Biotechnologii

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 4 – Biokataliza. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych

Przykłady zastosowań

ZASTOSOWANIE ENZYMÓW DO OTRZYMYWANIA
OPTYCZNIE CZYNNYCH AMINOKWASÓW

C C

COOH

H

H

HOOC

NH

3

H

2

N

COOH

CH

2

COOH

H

L

L

H

2

N

COOH

CH

2

H

NH

3

C C

COOH

H

H

+

+

aspartaza

amoniako-liaza

fenyloalaninowa

synteza

chemiczna

NAc-DL-aminokwas

aminoacylaza

z Aspergillus oryzae

NAc-D-aminokwas

L-aminokwas + CH

3

COO

-

racemizacja

Biosynteza optycznie czynnych aminokwasów białkowych

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Podstawy Biotechnologii

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 4 – Biokataliza. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych

Przykłady zastosowań

ZASTOSOWANIE ENZYMÓW DO OTRZYMYWANIA
OPTYCZNIE CZYNNYCH AMINOKWASÓW

H

hydantoinaza

NH

N

O

O

H

DL

racemizacja, pH 8

N

O

OH

O

NH

2

D

NH

N

O

O

H

L

amidohydrolaza

D

NH

2

O

OH

Synteza/biosynteza optycznie czynnych pochodnych glicyny
– substratów dla otrzymywania penicylin półsyntetycznych

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Podstawy Biotechnologii

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 3 – Procesy biotechnologiczne

Wykład 4 – Biokataliza. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych

Przykłady zastosowań

Alternatywne możliwości otrzymywania 6APA z penicyliny G

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Podstawy Biotechnologii

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 4 – Biokataliza. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych

Przykłady zastosowań

Wytwarzanie kwasu 6-aminopenicylanowego (6APA)

Warunki hydrolizy enzymatycznej

Biotransformacja 12-15% (w/v) roztworu soli penicyliny G lub V
przez immobilizowaną amidazę penicylinową. Podczas reakcji utrzymuje się pH
na poziomie 7 – 8 poprzez dodawanie KOH, NaOH lub wody aminiakalnej. Produkty:
6APA oraz odpowiedni kwas (fenylooctowy lub fenoksyoctowy). 6APA izoluje się
poprzez zakwaszenie mieszaniny poreakcyjnej do pH = 4.0 w obecności rozpuszczalnika
organicznego nie mieszającego się z wodą. W tych warunkach 6APA wytrąca się,
a kwas prekursorowy przechodzi do fazy organicznej i jest zwykle zawracany
jako dodatek do nowej fermentacji

Korzyści z zastąpienia chemicznej
hydrolizy penicyliny G do 6APA przez hydrolizę
enzymatyczną

Eliminacja chlorowcowanych rozpuszczalników

organicznych, toksycznych odczynników i odpadów
oraz potrzeby stosowania ciekłego azotu do chłodzenia;
prowadzenie reakcji w umiarkowanych warunkach;
łatwa kontrola pH, temperatury;
zwiększenie wydajności, brak produktów ubocznych;

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Podstawy Biotechnologii

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 4 – Biokataliza. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych

Przykłady zastosowań

Synteza aspartamu z zastosowaniem biotransformacji enzymatycznej

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna

Przedmiot:

Podstawy Biotechnologii

TECHNOLOGIA CHEMICZNA

Wykład 4 – Biokataliza. Zastosowanie enzymów w procesach przemysłowych

Przykłady zastosowań

Biotransformacje sterydów