Использование иммобилизованных ферментов для производства биологических соединений

Иммобилизованные ферменты широко применяются для производства различных продуктов и лекарственных препаратов. Иммобилизованный фермент впервые в промышленном масштабе был использован для разделения рацемических смесей D- и L-аминокислот (Япония, 1969 г.). Сейчас реализовано получение L-аспарагиновой кислоты, L-тирозина, L-триптофана и других аминокислот путем присоединения к аминокислотам остатка уксусной кислоты (ацил) и воздействия аминоацилазой, которая гидролизует только ацил L-аминокислот.

В промышленном масштабе получают инвертный сахар (смесь глюкозы и фруктозы, возникающая в результате гидролиза сахарозы) с помощью иммобилизованной β-фруктофуранозидазы (сахаразы). Этот фермент очень устойчив и за десять лет непрерывной работы одного из реакторов его активность снизилась всего на 10%.

С помощью иммобилизованного фермента глюкозоизомеразы в больших объемах получают из кукурузного крахмала смесь глюкозы и фруктозы. Этот фермент глюкозу превращает во фруктозу. Такие установки функционируют в США (с 1972 г.), ФРГ, Дании, Голландии. В нашей стране изомеризацию глюкозы в фруктозу ведут в реакторе с помощью глюкозоизомеразы из Actinomyces olivocinereus, иммобилизованной на силохроме. Глюкозо-фруктозная смесь является очень важным продуктом для больных сахарным диабетом.

Иммобилизованные ферменты широко применяются для синтеза аминокислот. Так, в 1974 г. в Японии начат промышленный синтез L-аспарагиновой кислоты с участием фермента аспартат-аммиаклиазы, иммобилизованный на фенол-формальдегидной смоле. Фермент осуществляет образование L-аспарагиновой кислоты из аммония и фумаровой кислоты. L-триптофан синтезируют из индола и серина при помощи фермента триптофан-синтетазы, L-тирозина с участием иммобилизованной тирозин-фенол-лиазы.

Иммобилизованные ферменты применяются для производства антибиотиков и гормональных препаратов.

Для производства некоторых продуктов удобнее пользоваться не иммобилизованными ферментами, а иммобилизованными микробными клетками – продуцентами ферментов. Так, этанол получают из глюкозы с помощью иммобилизованных в полиакриламидном геле клеток Saccharomyces cerevisiae. Первый в мире промышленный реактор проточного типа объемом в одну тонну по синтезу L-аспарагиновой кислоты из фумарата аммония был запущен в Японии (1973 г.). В нем использованы иммобилизованные в полиакриламидном геле клетки кишечной палочки (Esherichia coli), содержащие аспартат-аммиак-лиазу:

фумарат аспарагиновая

аммония кислота

Реактор давал около 2000 кг L-аспарагиновой кислоты в сутки при 95%-ном уровне превращения в нее введенного фумарата аммония. При подкислении элюата до рН 2,8 и охлаждении до 15^оC аспарагиновая кислота выделялась в виде кристаллов. Иммобилизованные клетки E.coli сохраняли активность фермента в течение четырех месяцев, в то время как интактные клетки только в течение 10 дней.

L-изолейцин синтезируют из треонина и глюкозы при посредстве иммобилизованных клеток Serratia marcescens с выходом до 4 г/л элюата с колонки реактора. Таким же образом получают незаменимую аминокислоту L- лизин:

При помощи иммобилизованных клеток Corynobacterium glutamicum производят L-глутаминовую кислоту из глюкозы; E coli – L-триптофан из индола, Streptococus faecalis – L-орнитин из L-аргинина. С помощью иммобилизованных микроорганизмов синтезируют L-формы аминокислот – аланина, фенилаланина, метионина, треонина. Таким образом, производство L-аминокислот для питания человека и выращивания сельскохозяйственных животных и птиц осуществляется в основном в реакторах с иммобилизованными клетками.

Отработаны способы получения яблочной кислоты из фумаровой, пропионовой, уксусной и пировиноградной кислот из глюкозы, лактозы или лактата натрия в проточной системе с клетками пропионовокислых бактерий, иммобилизованными в полиакриламидный гель.

Иммобилизованные ферменты широко применяют для производства различных гормональных препаратов.

Производится в больших масштабах аспартам – метиловый эфир аспартил-фенилаланина:

Аспартам

Аспартам в 300 раз слаще сахара, безвреден, в организме расщепляется на аспарагиновую кислоту и фенилаланин, используется для детского питания, добавляется в диетическую кока-колу. Ферменты, синтезирующие аспарагиновую кислоту и фенилаланин, получены генно-инженерным методом.