IMMOBILIZACJA
Proces unieruchamiania komórek lub enzymów, zmierzający do ograniczenia ich katalitycznej aktywności do wnętrza systemu biokatalizatora i uniemożliwienia ich przechodzenia do ruchomej fazy unoszącej produkt i substrat.
ZALETY:
Przyczynia się do zwiększenia wydajności procesów biologicznych, ze względu na lokalne zwiększeniu gęstości komórek lub skoncentrowania aktywnych białek enzymatycznych.
Dzięki zastosowaniu prostych metod separacji, można biokatalizatory oddzielić od produktu i ponownie zastosować w tym samym celu.
Sprzyja upowszechnianiu procesów ciągłych w przemyśle fermentacyjnym.
Przyczynia się do zachowania swoistości substratu aktywności im mobilizowanej biomasy przez dłuższy czas.
Umożliwia regulację stężenia biomasy w reaktorze – intensyfikację procesu.
METODY IMMOBILIZACJI:
PASYWNE – np. flokulacja, czyli samo agregacja do innych organizmów lub powierzchni nośników. Daje stabilne połączenia i umożliwia duże obciążenia biomasy substratem dużą aktywność. Aglomeraty komórek drożdżowych tworzone są np. w ciągłej produkcji etanolu.
AKTYWNE:
| METODY CHEMICZNE |
|---|
| METODA |
| Kowalencyjne związanie z nośnikiem |
| Sieciowanie związkami wielofunkcyjnymi |
| Kopolimeryzacja |
FIZYCZNE:
Adsorpcja na nierozpuszczalnych nośnikach – polega na zastosowaniu procesu adsorpcji komórek na nośniku, wykorzystujące oddziaływania elektrostatyczne, jonowe, kowalencyjne lub hydrofobowe. Nośnikami mogą być materiały illaste, szkło porowate, pochodne celulozy, żywice jonowymienne, ziemia okrzemkowa, cegła, dekstran, krzemionka, koks, węgiel aktywny, tlenki metali, wióry bukowe, skały wulkaniczne, stal nierdzewna, ceramika, DEAE-celuloza, PCV, pianki polimerowe, bawełna, wata szklana. Metodę adsorpcji zastosowano w immobilizacji drożdży piwowarskich (-) na szklanych, porowatych kulkach (+).
Inkluzja (pułapkowanie) – zamykanie komórek w matrycy polimeru. Stosowane polimery to alginiany, kappa-karagenian, chitozan, agar, pektyna, żywice epoksydowe, poliakryloamid.
Mikrokapsułkowanie – zamykanie enzymów lub komórek we wnętrzu kapsułki, która imituje naturalne błony biologiczne. Membrany są półprzepuszczalne. Zazwyczaj komórki najpierw pułap kuje się w żelach, a potem powleka je polimerowym płaszczem. Wypełniaczami mogą być hemoglobina, albumina lub żelatyna, a membranami nylon, silikon, liposomy, pochodne celulozy.
Bioreaktory membranowe lub membrany enzymatyczne – enzymy lub całe komórki, nie związane fizycznie z nośnikiem, sa uwięzione w przestrzeni ograniczonej przez membrany. Zaleta metody jest stabilność aktywności enzymów na działanie czynników fizycznych i chemicznych.
INNE – immobilizacja w żelach, umożliwiająca zachowanie aktywności enzymów w rozpuszczalnikach organicznych. Jest lez metoda pokrywania biokatalizatorów lipidami.
NOŚNIKI STOSOWANE W IMMOBILIZACJI:
ROZPUSZCZALNE – dekstran, glikol polioksyetylenowy, alkohol poliwinylowy.
NIEROZPUSZCZALNE:
NIEORGANICZNE – krzemionka i jej formy wodorotlenkowe, glin, tytan w formie tlenków, cyrkon i jego formy wodorotlenkowe, kordieryt, ziemia okrzemkowa, hydroksyapatyt.
ORGANICZNE:
NATURALNE – albumina, kolagen, żelatyna, agar, pektyna, alginian, karagenian, skrobia, dekstran, chitozan, skrobia modyf.
SYNTETYCZNE – poliakryloamid, poliuretan, polipropylen, poliester, polistyren, silikony, żywice jonowymienne, żywice epoksydowe, polietylenoglikolomerkaptany.
| ZASTOSOWANIE |
|---|
| IMMOBILIZOWANYCH BIOKATALIZATORÓW: |
|
KOŻYŚCI Z IMMOBILIZACJI:
Doskonalenie technologii produkcji żywności,
Obniżenie kosztów i poprawa jakości,
Zmniejszenie niekorzystnego wpływu na środowisko,
Pełniejsze wykorzystanie surowców,
Redukcja produktów ubocznych i odpadowych.
ALGINIAN – kopolimer kwasu β-D-mannuronowego i α-L-guluronowego, uzyskany metodą ekstrakcji z brązowych alg. Kwas alginianowy w obecności kationów dwuwartościowych tworzy porowaty żel, idealny do kolonizacji i uzyskania biomasy w nośniku.
DROŻDŻE PIEKARNICZE (Saccharomyces cerevisiae)
Nauka: S. cerevisiae to jeden z najbardziej wykorzystywanych w nauce organizmów. Są wygodnym materiałem do badań, ponieważ ich hodowla nie jest skomplikowana, mają niskie wymagania, a przy tym szybki wzrost. Razem z E. coli jest jednym z modelowych organizmów jednokomórkowych. Znaczenie drożdży w nauce wzięło swój początek z ich szerokiego zastosowania w przemyśle. Ponadto drożdże cechuje dość prosta budowa, ale jednocześnie bardzo podobna do komórek ludzkich. Tak jak te ostatnie, komórki drożdży są eukariotyczne, w przeciwieństwie do prokariotycznej E. coli. Wiele białek ludzkich zostało odkryte poprzez wcześniejsze badania ich homologów drożdżowych. Saccharomyces cerevisiae były pierwszym organizmem eukariotycznym dla którego poznano kompletną sekwencję genomu (Yeast Genome Project) [1]. Powstała wskutek tego projektu baza danych jest narzędziem wielu dziedzin nauki, służącym do rozwijania wiedzy o mechanizmach i organizacji komórek eukariotycznych. Podobną bazą danych jest baza Munich Information Center for Protein Sequences, także będąca pokłosiem YGP. Genom drożdży zawiera około 13 milionów par zasad i 6 275 genów[2]. Prawdopodobnie około 5 800 z nich jest naprawdę funkcjonalnych. Około 1 500 z nich to geny niezbędne do życia. Szacuje się, że około 23% genomu drożdży jest takie same jak u ludzi.
Przemysł: W przemyśle Saccharomyces cerevisiae znane są już od czasów starożytnych. Już wtedy znalazły one zastosowanie w piekarnictwie, browarnictwie, gorzelnictwie i winiarstwie. Podczas pieczenia, na przykład chleba, wykorzystuje się je w produkcji zaczynu, gdzie ich aktywność służy do spulchniania ciasta. W browarnictwie S. cerevisiae używane są w produkcji piw fermentacji górnej (zachodzi ona w górnych strefach kadzi) - zwanych ale. Piwa fermentacji dolnej to produkt innego gatunku drożdży, najczęściej Saccharomyces carlsbergensis lub Brettanomyces sp. Ponieważ drożdże fermentacji górnej nie są w stanie przetwarzać pewnych cukrów, piwo takie jest zwykle bardziej słodkie o owocowym posmaku.
Przemysł spożywczy: Drożdże od wieków służyły do wypieków chleba i ciast, jako składnik zaczynu. Wydzielanie dużych objętości dwutlenku węgla, towarzyszące przeprowadzanej przez nie fermentacji, spulchnia i podnosi ciasto. Drożdżówki to przykład popularnego, słodkiego ciasta, którego smak, zapach oraz konsystencja związane są z użyciem drożdży. Obecnie drożdże do pieczenia dostępne są też w formie wysuszonej lub liofilizowanej. Po zalaniu ich wodą odzyskują aktywność i nadają się jako zaczyn do ciast. Saccharomyces cerevisiae nadają się także do spożycia bezpośredniego, jako wegetariański substytut wątróbki czy móżdżku albo sera. Są przy tym cennym źródłem wielu witamin (szczególnie grupy B). Jako takie bywały wykorzystywane przez więźniów, by pokryć niedobory witamin[3]. Innym spożywczym produktem pochodzenia drożdżowego jest ich ekstrakt, czyli naturalny autolizat komórek drożdżowych, bogaty w peptydy, sole mineralne, aminokwasy. Ekstrakt drożdżowy jest także przemysłowym źródłem glutaminianu sodu.