Ä†w.16-Produkcja immobilizowanego biokatalizatora, Biotechnologia UTP, Biologia molekularna, Biotechnologia przemysłowa

Ä†w.16-Produkcja ...

Ä†w.16-Produkcja immobilizowanego biokatalizatora, Biotechnologia UTP, Biologia molekularna, ...

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
LABORATORIUM BIOTECHNOLOGII PRZEMYSþOWEJ
Kierunek:
Biotechnologia
Specjalno
ść
:
Agrobiotechnologia
Studium:
dzienne
ĆWICZENIENR16
PRODUKCJA IMMOBILIZOWANEGO
KATALIZATORA METOD
Ą
PUŁAPKOWANIA I
MIKROKAPSUŁKOWANIA.
UNIWERSYTETTECHNOLOGICZNO–PRZYRODNICZY
W
YDZIAŁ
T
ECHNOLOGIII
I
NśYNIERII
C
HEMICZNEJ
KatedraInŜynieriiChemicznejiBioprocesowej
B
YDGOSZCZ
Laboratorium biotechnologii przemysłowej.
Ć
wiczenie nr 16.
1. Wprowadzenie
Tradycyjnie prowadzi się procesy biosyntezy lub biotransformacji za pomocą
enzymów natywnych lub zawiesiny komórek drobnoustrojów. Tego typu rozwiązania
procesowe mają szereg wad i z tego względu immobilizowane (unieruchomione)
biokatalizatory znajdują coraz szersze zastosowanie w biotechnologii przemysłowej.
Immobiliozowane biokatalizatory otrzymuje się z materiału biologicznego w postaci całych
komórek, struktur podkomórkowych lub enzymów.
Zastosowanie biokatalizatora w postaci immobilizowanych komórek ma następujące
zalety:
·
Wysoka koncentracja komórek w jednostce objętości bioreaktora prowadzi do wzrostu
produktywności
·
Istnieje moŜliwość prowadzenia ciągłego procesu w kontrolowanych warunkach
·
Łatwe wydzielanie i oczyszczanie produktów
Mniejsze niebezpieczeństwo zakaŜenia przy krótkich czasach przebywania roztworu
reakcyjnego w bioreaktorze
Występują takŜe pewne wady przy tym rozwiązaniu procesowym:
·
·
Utrudniony dopływ substratów i odpływ produktów na skutek oporów dyfuzyjnych
·
Zakłócenie procesów metabolicznych w przypadku uŜycia Ŝywych komórek
Nakłady na produkcję immobilizowanego enzymu
Znanych jest wiele metod immobilizacji materiału biologicznego. Dobór odpowiedniej
metody zaleŜy od wymogów jakie musi spełnić immobilizowany biokatalizator w danym
procesie .
Immobilizacje materiału biologicznego moŜna uzyskać przez następujące metody:
1.
Agregację fizyczna lub chemiczną
2.
Wiązanie z nośnikiem poprzez adsorpcję lub wiązanie kowalencyjne,
3.
Pułapkowanie (inkluzję) w sieci polimerowej lub kapsułkowanie.
Agregację uznaje się za jeden z najprostszych sposobów immobilizacji. JeŜeli chodzi
o metody fizyczne to stosuje się je w praktyce tylko dla komórek mikroorganizmów, które
wykazują w określonych warunkach tendencję do tworzenia agregatów (flokuł). Agregację
chemiczna realizuje się przez działanie na materiał biologiczny substancjami zawierającymi
dwie grupy funkcyjne (aldehyd glutarowy, karbodiimidy itd.). Z reguły występują trudności
przy kontrolowaniu wielkości cząstek agregatów, a ponadto ich wytrzymałość mechaniczna
jest często niewystarczająca.
Wiązanie z nośnikiem jest metodą immobilizacji o znacznie większym, praktycznym
znaczeniu. Podstawowe wymagania w odniesieniu do materiałów jako nośników są
następujące:
·
- trwałość chemiczna i biologiczna,
2
Laboratorium biotechnologii przemysłowej.
Ć
wiczenie nr 16.
- odporność na ścieranie,
- duŜa powierzchnia właściwa,
- dogodna postać z technologicznego punktu widzenia( np. kuliste granulki maja małe
opory przepływu przez złoŜe,
- niska cena.
Nośniki do immobilizacji dzieli się na nieorganiczne i organiczne. Do nośników
nieorganicznych zalicza się: krzemionkę, tlenki metali (np. glinu, tytanu), szkło porowate,
materiały ceramiczne, naturalne glinokrzemiany, bentonit. Jako nośniki organiczne stosuje się
następujące materiały:
- polisacharydy (celuloza, dekstran, agaraza, chitozan itd.)
- polimery syntetyczne (poliakryloamid, poliuretany, poliamidy, itd.)
- jonowymienne Ŝywice polimerowe (Amberlit, Duolit),
- kolagen.
Immobilizację całych komórek prowadzi się bardzo często przez inkluzję
(pułapkowanie) w polimerach. Stosowane są polimery syntetyczne (poliakryloamid,
poliuretany, poliamidy itd.) lub pochodzenia naturalnego (agar, alginiany, chitozan, karagen
itd.). W trakcie polimeryzacji polimerów syntetycznych często dochodzi do dezaktywacji
materiału biologicznego. Zaletą polimerów naturalnych są łagodne warunki podczas
immobilizacji.
Immobilizowane komórki drobnoustrojów stosuje się obecnie do prowadzenia szeregu
procesów biotechnologicznych. Taka forma biokatalizatora pozwala na wielokrotny wzrost
produktywności w porównaniu do tradycyjnych metod fermentacyjnych. WaŜną zaletą
immobilizowanych biokatalizatorów jest moŜliwość uciąglenia procesów przez zastosowanie
bioreaktorów ze złoŜem stałym lub fluidalnym.
1.1. Immobilizacja metod
ą
inkluzji
W metodzie inkluzji uzyskuje się najtrwalsze związanie materiału biologicznego
z nośnikiem. Istota tej metody polega na tym, Ŝe materiał biologiczny znajduje się
w trójwymiarowej sieci splecionych łańcuchów polimerowych. Średnica porów musi być
mniejsza od średnicy cząstek materiału biologicznego. Z drugiej strony pory muszą być na
tyle duŜe, aby zapewnić swobodną dyfuzję substratów i produktów. Zwykle uzyskiwane
nośniki mają strukturę o znacznej porowatości. Przykładowo porowatość Ŝeli pochodzących
od kwasu akrylowego wynosi od 50% do 90%.
Nośniki syntetyczne uzyskuje się przez polimeryzację w bloku lub metodą emulsyjną.
W celu przeprowadzenia immobilizacji przygotowuje się mieszaninę reakcyjną, która zawiera
następujące składniki: materiał biologiczny, monomer, czynnik sieciujący (jeŜeli jest to
3
Laboratorium biotechnologii przemysłowej.
Ć
wiczenie nr 16.
niezbędne) i wodny roztwór buforowy. W niektórych przypadkach wprowadza się do
mieszaniny dodatki, chroniące materiał biologiczny przed dezaktywacją. Następnie do
mieszaniny dodaje się czynniki inicjujące polimeryzację (nadsiarczany, fotoinicjatory).
Polimeryzacja trwa zwykle od kilku minut do kilku godzin i ma charakter rodnikowy.
Ze względu na wydzielające się ciepło mieszanina reakcyjna musi być chłodzona.
Spolimeryzowany Ŝel z materiałem biologicznym rozdrabnia się mechanicznie i dlatego
otrzymywane cząstki charakteryzują się duŜą niejednorodnością pod względem rozmiarów
i kształtów.
W niektórych przypadkach lepszym rozwiązaniem jest zastosowanie polimeryzacji
emulsyjnej.
Podczas
procesu
łatwiej
odprowadzać
ciepło,
a
uzyskiwane
granulki
biokatalizatora mają kształt kulisty i ich wytrzymałość mechaniczna jest kilkakrotnie większa,
niŜ uzyskanych przez mechaniczne rozdrobnienie spolimeryzowanego bloku. W metodzie
emulsyjnej stosuje się jednak rozpuszczalniki organiczne (toluen, chloroform), które mogą
oddziaływać negatywnie na materiał biologiczny.
Zastosowanie polimerów pochodzenia naturalnego jako nośników pozwala na
wyeliminowanie wielu wad, które występują przy otrzymywaniu nośników syntetycznych.
Podstawową zaletą polimerów naturalnych są bardzo łagodne warunki podczas immobilizacji
materiału biologicznego. Z drugiej strony takie biokatalizatory mają równieŜ pewne wady.
Najczęściej ich wytrzymałość mechaniczna jest mniejsza i moŜe to powodować szereg
problemów przy realizacji procesu w skali przemysłowej.
1.2. Immobilizacja metod
ą
kapsułkowania
Kapsułkowanie jest metodą polegają na otaczaniu materiału biologicznego (tzw.
rdzenia) cienką, półprzepuszczalną błoną, przez którą mogą dyfundować małocząsteczkowe
substraty i metabolity, natomiast niemoŜliwa jest migracja komórek. Rdzeń moŜe stanowić od
10 % do 90 % ogólnej masy kapsułki, moŜe być jednoskładnikowy bądź stanowić mieszaninę
w postaci stałej, ciekłej lub gazowej. Membrana moŜe mieć budowę jedno- lub
wielowarstwową i moŜe być wytworzona ze związków naturalnych bądź syntetycznych, np.
Ŝelatyny, gumy arabskiej, tłuszczów, pochodnych celulozy, Ŝywic, polietylenu, alginianów i
innych.
Obecnie
kapsułkowanie
znalazło
zastosowanie
w
immobilizacji
komórek
zwierzęcych, roślinnych, bakterii, glonów oraz grzybów. Ze względu na średnicę, kapsułki
dzieli się na: nanokapsułki (poniŜej 0,2 µm), mikrokapsułki (0,2 – 5000 µm) oraz
4
Laboratorium biotechnologii przemysłowej.
Ć
wiczenie nr 16.
mikrokapsułki (powyŜej 5000 µm). Kształt mikrokapsułek zaleŜy od metody kapsułkowania,
a takŜe od rodzaju substancji wchodzących w skład rdzenia i błony. Najczęściej wytwarza się
kapsułki idealne sferycznie, poniewaŜ istnienie tzw. ogonków moŜe w przypadku ich
oderwania doprowadzić do wycieku wolnych komórek z rdzenia.
1.3. Alginiany
Alginiany naleŜą do polisacharydów najczęściej stosowanych do immobilizacji
komórek mikroorganizmów. Kwas alginowy lub jego sole (alginiany) otrzymuje się
z brunatnych alg morskich. Alginiany są zbudowane z długich prostych łańcuchów kwasu
b
-D-mannuronowego
i
kwasu
a
-L-guluronowego,
połączonych
wiązaniami
1
4-glikozydowymi. W wodorostach alginiany pełnią funkcje strukturalne, podobnie jak
celuloza w roślinach i występują w postaci mieszaniny soli sodowej, wapniowej
i magnezowej. Ekstrakcja alginianów odbywa się w ten sposób, Ŝe wodorosty poddaje się
działaniu ługu sodowego, a następnie oddziela się części nierozpuszczalne poprzez filtrację.
Roztwór alginianu sodowego jest dalej oczyszczany i suszony w suszarkach rozpyłowych.
Alginiany są szeroko stosowane w przemyśle spoŜywczym jako czynniki zagęszczające,
stabilizujące, emulgujące i Ŝelujące. Roztwory alginianów Ŝelują pod wpływem jonów
dwuwartościowych (poza Mg
2+
) i trójwartościowych. Właściwości otrzymanych Ŝeli są ściśle
skolerowane z budową i długością bloków zawierających jednostki kwasu guluronowego (G-
bloki) w łańcuchu polimerowym. Zaproponowano model “egg-box”, opisujący Ŝelowanie
bloków kwasu guluronowego (rys.1). Wielowartościowe jony, a w szczególności jony
wapniowe, tworzą chelatujące kompleksy z blokami G zawierającymi ponad 20 jednostek
®
G
G
G
G
G
G
Ca
2+
Ca
2+
Ca
2+
G
G
G
G
G
G
Rys.1. Schemat modelu
Ŝ
elowania alginianów pod wpływem jonów Ca
2+
Zastosowanie alginianów ograniczone jest brakiem stabilności Ŝelu, gdy występują
w środowisku reakcji substancje wykazujące znaczne powinowactwo wobec jonów Ca
2+
.
5
[ Pobierz całość w formacie PDF ]

Podobne

: Strona Główna

: [Eclipse] Fate-stay night - 16 (XviD) [8028F2F5], Anime, Fate-stay night

: Łaty niwelacyjne TN, Instrunenty Geodezyjne, Cenniki i opisy produktów

: 008.Podstawowe materiały stosowane do produkcji rękojeści, Noże

: химия 4, biologia

: биология 5, biologia

: химия 2, biologia