אנזימים תעשייתיים

אנזימים תעשייתיים

מרץ 5, 2022 0 By admin

רקע היסטורי

רוב התגובות באורגניזמים חיים מזורזות על ידי מולקולות חלבון הנקראות אנזימים. ניתן לכנות אנזימים בצדק המנגנון הקטליטי של מערכות חיות. הפריצה האמיתית של אנזימים התרחשה עם החדרת פרוטאזות מיקרוביאליות לאבקות כביסה. החיידק המסחרי הראשון Bacillus protease שווק בשנת 1959 ויצרני דטרגנטים גדולים החלו להשתמש בו בסביבות 1965.

יצרני האנזים התעשייתיים מוכרים אנזימים למגוון רחב של יישומים. הערך המוערך של השוק העולמי עומד כיום על כ-2 מיליארד דולר. חומרי ניקוי (37%), טקסטיל (12%), עמילן (11%), אפייה (8%) ומזון לבעלי חיים (6%) הם התעשיות העיקריות, המשתמשות בכ-75% מהאנזימים המיוצרים בתעשייה.

סיווג אנזימים

כיום יותר מ-3000 אנזימים שונים בודדו וסווגו. האנזימים מסווגים לשש קטגוריות עיקריות על סמך אופי התגובה הכימית שהם מזרזים:

1. Oxidoreductases מזרזים חמצון או הפחתה של המצעים שלהם.

2. טרנספראזות מזרזות העברה קבוצתית.

3. הידרולאזים מזרזים את שבירת הקשר בתוספת מים.

4. ליאזים מסירים קבוצות מהמצעים שלהם.

5. איזומראזים מזרזים סידורים תוך מולקולריים.

6. ליגאזות מזרזות חיבור של שתי מולקולות על חשבון אנרגיה כימית.

רק מספר מוגבל של כל האנזימים הידועים זמינים מסחרית. יותר מ-75% מהאנזימים התעשייתיים הם הידרולאזים. אנזימים מפרקי חלבון מהווים כ-40% מכלל מכירות האנזים. יותר מחמישים אנזימים תעשייתיים מסחריים זמינים ומספרם גדל בהתמדה.

ייצור אנזים

חלק מהאנזימים עדיין מופקים מרקמות בעלי חיים וצמחים. אנזימים כגון פפאין, ברומלין ופיקין ואנזימים מיוחדים אחרים כמו ליפוקסיגנאז מופקים מצמחים ואנזימים פפסין ורנין מופקים מהחי. רוב האנזימים מיוצרים על ידי מיקרואורגניזמים בתרבויות שקועות בכורים גדולים המכונים פרמנטורים. ניתן לחלק את תהליך ייצור האנזים לשלבים הבאים:

1. בחירת אנזים.

2. בחירת זן ייצור.

3. בניית כתם מייצר יתר על ידי הנדסה גנטית.

4. ייעול מצע התרבות ומצב הייצור.

5. ייעול תהליך ההתאוששות.

6. ניסוח של מוצר אנזים יציב.

קריטריונים המשמשים בבחירת אנזים תעשייתי כוללים סגוליות, קצב תגובה, אופטימיות ויציבות של pH וטמפרטורה, השפעת מעכבים וזיקה למצעים. אנזימים המשמשים ביישומים תעשייתיים חייבים בדרך כלל לסבול מתכות כבדות שונות ואין להם צורך בקופקטורים.

זני ייצור מיקרוביאליים

בבחירת זן הייצור יש לקחת בחשבון מספר היבטים. באופן אידיאלי האנזים מופרש מהתא. שנית, מארח הייצור צריך להיות בעל סטטוס GRAS. שלישית, האורגניזם אמור להיות מסוגל לייצר כמות גבוהה של האנזים הרצוי במסגרת זמן חיים סבירה. רוב המיקרואורגניזם בשימוש תעשייתי עבר שינוי גנטי כדי לייצר יתר על המידה את הפעילות הרצויה ולא לייצר פעילויות לוואי לא רצויות.

ייצור אנזים על ידי תסיסה מיקרוביאלית

לאחר שאורגניזם הייצור הביולוגי עבר הנדסה גנטית לייצור יתר של המוצרים הרצויים, יש לפתח תהליך ייצור. האופטימיזציה של תהליך תסיסה כוללת הרכב מדיה, סוג גידול ותנאי תהליך. האנזימים התעשייתיים בנפח גדול מיוצרים בתסיסה של 50 -500 מ"ק. האנזימים החוץ-תאיים מוחזרים לעיתים קרובות לאחר הסרת תאים (על ידי סינון תוף ואקום, מפרידים או מיקרופילטרציה) על ידי סינון אולטרה.

הנדסת חלבון

לעתים קרובות אין לאנזימים את התכונות הרצויות עבור יישום תעשייתי. אפשרות אחת היא למצוא אנזים טוב יותר מהטבע. אפשרות נוספת היא להנדס אנזים זמין מסחרי כדי להיות זרז תעשייתי טוב יותר. אפשרות נוספת היא להנדס אנזים זמין מסחרי כדי להיות זרז תעשייתי טוב יותר. שתי שיטות שונות זמינות כיום: שיטה אקראית הנקראת הערכה מכוונת ושיטת הנדסת חלבון הנקראת תכנון רציונלי.

טכנולוגיית אנזים

תחום זה עוסק כיצד משתמשים באנזימים ומיישמים אותם בתהליכים מעשיים. הדרך הפשוטה ביותר היא להשתמש באנזימים היא להוסיף אותם לזרם תהליך שבו הם מזרזים את התגובה הרצויה ומושבתים בהדרגה במהלך התהליך. זה קורה ביישומים רבים של אנזימים בתפזורת ומחיר האנזימים חייב להיות נמוך כדי שהשימוש בהם יהיה חסכוני.

דרך חלופית להשתמש באנזימים היא לשתק אותם כך שניתן יהיה לעשות בהם שימוש חוזר. ניתן לשתק אנזים באמצעות ממברנות סינון אולטרה במערכת הכור. מולקולת האנזים הגדולה אינה יכולה לעבור דרך הממברנה, אך תוצרי התגובה המולקולרית הקטנים יכולים. פותחו שיטות מעבדה רבות ושונות לקיבוע אנזימים המבוססות על תגובה כימית, לכידה, קשירה ספציפית או ספיגה.

יישומי אנזים בקנה מידה גדול

1]חומרי ניקוי

חלבונים חיידקיים הם עדיין אנזימי הניקוי החשובים ביותר. ליפאזות מפרקות שומנים לתרכובות יותר מסיסות במים. עמילאזות משמשות בדטרגנטים להסרת כתמים על בסיס עמילן.

2]הידרוליזה של עמילן וייצור פרוקטוז

השימוש באנזימים מפרקי עמילן היה היישום הראשון בקנה מידה גדול של אנזימים מיקרוביאליים בתעשיית המזון. בעיקר שני אנזימים מבצעים הפיכה של עמילן לגלוקוז: אלפא-עמילאז ואנזימים פטרייתיים. פרוקטוז המופק מסוכרוז כחומר מוצא. סוכרוז מפוצל על ידי אינוורטאז לגלוקוז ופרוקטוז, פרוקטוז מופרד ומתגבש.

3]משקאות

לאנזימים יש יישומים רבים בתעשיית המשקאות. הלקטאז מפצל לקטוז חלב-סוכר לגלוקוז וגלקטוז. תהליך זה משמש למוצרי חלב הנצרכים על ידי צרכנים רגישים ללקטוז. תוספת של pectinase, xylanase וצלולאז לשפר את שחרור המיץ מעיסה. באופן דומה נעשה שימוש נרחב באנזימים בייצור יין.

4]טקסטיל

השימוש באנזימים בתעשיית הטקסטיל הוא אחד התחומים הצומחים ביותר באנזימולוגיה תעשייתית. האנזימים המשמשים בתחום הטקסטיל הם עמילאזים, קטלזים ולקטאזים המשמשים להסרת העמילן, פירוק מי חמצן עודף, הלבנת טקסטיל ופירוק ליגנין.

5]מזון לבעלי חיים

תוספת של xylanase למזון פטם מבוסס חיטה הגדילה את האנרגיה הזמינה הניתנת לחילוף חומרים ב-7-10% במחקרים שונים. תוספת אנזים מפחיתה את הצמיגות, מה שמגביר את ספיגת החומרים התזונתיים, משחררת חומרים תזונתיים או על ידי הידרוליזה של סיבים בלתי מתכלים או על ידי שחרור חומרים מזינים חסומים על ידי סיבים אלו, ומפחיתה את כמות הצואה.

6]אפייה

אלפא-עמילאזות נחקרו בצורה הרחבה ביותר בהקשר לשיפור איכות הלחם והגדלת חיי המדף. שימוש בקסילאנזים מקטין את ספיגת המים ובכך מפחית את כמות המים הנוספת הדרושה באפייה. זה מוביל לבצק יציב יותר. ניתן להוסיף חלבונים כדי לשפר את תכונות הטיפול בבצק; גלוקוז אוקסידאז שימש להחלפת חמצון כימיים וליפאזות לחיזוק הגלוטן, מה שמוביל לבצק יציב יותר ואיכות לחם טובה יותר.

7]עיסת נייר

היישום העיקרי הוא השימוש ב-xylanases בהלבנת עיסת. זה מפחית במידה ניכרת את הצורך בכימיקלים הלבנה מבוססי כלור. בייצור נייר משתמשים באנזימי עמילאז במיוחד בשינוי של עמילן. זפת הוא חומר דביק הקיים בעיקר בעצים רכים. זפת גורמת לבעיות במכונות נייר וניתן להסירן על ידי ליפאז.

8]עור

תעשיית העור משתמשת באנזימים פרוטאוליטיים וליפוליטים בעיבוד עור. אנזימים משמשים להסרת חלקים לא רצויים. בשלבי הסרת שיער וסילוק צמר משתמשים באנזימי פרוטאזות חיידקים כדי לסייע לתהליך הכימי האלקליני. זה מביא לתהליך ידידותי יותר לסביבה ומשפר את איכות העור. נעשה שימוש באנזימים חיידקיים ופטרייתיים כדי להפוך את העור לרך וקל יותר לצביעה.

9]אנזימים מיוחדים

יש מספר רב של יישומים מיוחדים לאנזימים. אלה כוללים שימוש באנזימים ביישומים אנליטיים, ייצור טעמים, שינוי חלבון ומוצרי טיפוח אישי, טכנולוגיית DNA ובייצור כימיקלים עדינים.

10]אנזימים באנליטיקה

אנזימים נמצאים בשימוש נרחב במתודולוגיה האנליטית הקלינית. בניגוד לאנזימים תעשייתיים בתפזורת, אנזימים אלו צריכים להיות נקיים מפעילויות צדדיות. המשמעות היא שיש צורך בתהליכי טיהור משוכללים.

התפתחות חשובה בכימיה אנליטית היא חיישנים ביולוגיים. היישום הנפוץ ביותר הוא ביו-חיישן גלוקוז הכולל תגובה מזורזת של גלוקוז אוקסידאז.

קיימים מספר מכשירים מסחריים המיישמים עיקרון זה למדידת מולקולות כמו גלוקוז, לקטט, לקטוז, סוכרוז, אתנול, מתנול, כולסטרול וכמה חומצות אמינו.

11]אנזימים במוצרי טיפוח אישי

מוצרי טיפוח אישיים הם תחום חדש יחסית לאנזימים. תמיסות אנזימים המכילות פרוטאינז וליפאז משמשות לניקוי עדשות מגע. מי חמצן משמש לחיטוי עדשות מגע. ניתן להסיר את שאריות המי חמצן לאחר חיטוי על ידי אנזים קטלאז. חלק מהמשחות מכילות גלוקואמילאז וגלוקוז אוקסידאז. אנזימים נחקרים גם ליישומים במוצרי טיפוח לעור ולשיער.

12]אנזימים בטכנולוגיית DNA

טכנולוגיית DNA היא כלי חשוב בתעשיית האנזימים. רוב האנזימים המסורתיים מיוצרים על ידי אורגניזמים, שעברו שינוי גנטי כדי לייצר יתר על המידה את האנזים הרצוי. הסדר הספציפי של הבסיסים האורגניים בשרשרת ה-DNA מהווה את השפה הגנטית. הנדסה גנטית פירושה קריאה ושינוי של שפה זו. אנזימים הם כלי חיוני בתהליך זה.

13]אנזימים בייצור כימי עדין

למרות כמה הצלחות, ייצור מסחרי של כימיקלים על ידי תאים חיים באמצעות הנדסת מסלולים הוא עדיין במקרים רבים האלטרנטיבה הטובה ביותר ליישם ביוקטליזה. עם זאת, אנזימים מבודדים שימשו בהצלחה בסינתזה כימית עדינה. כמה מהדוגמאות החשובות ביותר מוצגות כאן.

13 א]חומצות אמינו טהורות מבחינה כיראלית ואספרטיים

חומצות אמינו טבעיות מיוצרות בדרך כלל על ידי תסיסה מיקרוביאלית. פותחו שיטות רזולוציה אנזימטיות חדשות לייצור של L- כמו גם לחומצות אמינו D. אספרטיים, הממתיק האינטנסיבי ללא קלוריות, מסונתז בתנאים לא מימיים על ידי תרמוליזין, אנזים פרוטאוליטי.

13 ב]סוכרים נדירים

לאחרונה פותחו שיטות אנזימטיות לייצור כמעט כל צורות D ו-L של סוכרים פשוטים. גלוקוז איזומראז הוא אחד האנזימים התעשייתיים החשובים המשמשים בייצור פרוקטוז.

13 ג]פניצילינים חצי סינתטיים

פניצילין מיוצר על ידי זנים מהונדסים גנטית של זני פניציליום. רוב הפניצילין הופך על ידי אנזים אציליז משוקע לחומצה 6-אמינופניצילנית, המשמשת עמוד שדרה לפניצילינים חצי סינתטיים רבים.

13 ד]תגובות מבוססות ליפאז

בנוסף ליישומי דטרגנט ניתן להשתמש בליפאז בתגובות כימיות מגוונות מכיוון שהם פעילים בממיסים אורגניים. ליפאזות המשמשות בטרנסיפיקציה ומשמשות גם להפרדה אננטיומרית של אלכוהול ותערובות אמינים גזעמיות נפרדות. ליפאזות שימשו גם ליצירת פולימרים ארומטיים ואליפים.

13 ה]סינתזת אוליגוסכרידים אנזימטית

הסינתזה הכימית של אוליגוסכרידים היא מאמץ רב-שלבי מורכב. סינתזות ביו-קטליטיות עם אנזימים מבודדים כמו גליקוזילטרנספראזות וגליקוזידאזות או תאים שלמים מהונדסים הם חלופות חזקות לשיטות כימיות. אוליגוסכרידים מצאו יישומים בקוסמטיקה, תרופות וכמזונות פונקציונליים.

מגמות עתידיות באנזימולוגיה תעשייתית

שוק האנזים התעשייתי גדל בהתמדה. הסיבה לכך נעוצה בשיפור יעילות הייצור וכתוצאה מכך אנזימים זולים יותר, בתחומי יישומים חדשים. התאמת אנזימים ליישומים ספציפיים תהיה מגמה עתידית עם שיפור מתמיד של כלים והבנה של יחסי מבנה-תפקוד וחיפוש מוגבר אחר אנזימים מסביבות אקזוטיות.

כלים טכניים חדשים לשימוש באנזימים כזרזים גבישיים, יכולת למחזר קו-פקטורים ואנזימים הנדסיים לתפקד בממסים שונים עם מספר פעילויות הם פיתוחים טכנולוגיים חשובים, שייצרו בהתמדה יישומים חדשים.



Source by Prashantkumar Kudli Shrinivas