Промышленные процессы с использованием иммобилизованных ферментов и клеток

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Комсомольский-на-Амуре государственный

университет»

Факультет экологии и химической технологии

Кафедра «Технология переработки нефти и полимеров»

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Основы биотехнологии»

Промышленные процессы с использованием иммобилизованных ферментов и клеток

Студент группы 5ХТб-2

Т.Р. Назмутдинов

Преподаватель В.В. Петров

2018

Содержание

Введение

1. Получение глюкозо-фруктозных сиропов

2. Получение L-аминокислот

3. Получение L-аспарагиновой кислоты

4. Получение L-яблочной кислоты

5. Получение безлактозного молока

6. Получение сахаров из молочной сыворотки

7. Получение 6-аминопенициланновой кислоты

Заключение

Список литературы

Введение

Истоки современной биотехнологии уходят глубоко в прошлое. С незапамятных времен получали пищевые продукты или улучшали их качество с использованием биологических процессов и агентов. В качестве биологических агентов применялись различные организмы (от животных до микроорганизмов). На этом принципе основаны общеизвестные древнейшие способы получения молока, изготовления вин, уксуса, пивоварения, сыроделия, хлебопечения и т. д.

Хотя история пищевых технологий насчитывает тысячелетия, тем не менее совершенствование их постоянно продолжается. В последнее время наметились перспективы принципиального сдвига в технологии получения и улучшения качества пищевых продуктов. Это связано с переходом от использования целых биологических организмов на клеточный и молекулярный уровни. Появилась возможность конструировать биологические агенты, изменять структуру молекул, «резать» их на части и соединять по усмотрению исследователя-биотехнолога, извлекать биокатализаторы из естественного клеточного окружения и присоединять их с помощью ковалентных или других связей к специальным носителям (тем самым опять-таки изменять структуру молекул) и т. д. В этом и заключается главное и принципиальное отличие традиционных пищевых технологий и их традиционного научного фундамента от современной биотехнологии. Следует, впрочем, иметь в виду, что четкую грань между технической биохимией и биотехнологией провести достаточно трудно.

Может возникнуть вопрос, почему в разделе, посвященном промышленным процессам инженерной энзимологии, речь идет в основном о получении пищевых продуктов. Дело в том, что иммобилизованные ферменты и клетки в основном используются в получении пищевых продуктов и в меньшей степени фармацевтических препаратов. Такое ограничение вызвано весьма малой доступностью (в широких масштабах) ферментов, способных катализировать реакции технологической значимости, например, в органической или неорганической химии, нефтехимии, полимерной химии, фармацевтической промышленности и т. д. Напротив, традиционное использование растворимых ферментов в пищевой промышленности создало определенный фундамент для дальнейшего совершенствования методов в этой области. К настоящему времени семь процессов с использованием иммобилизованных ферментов или клеток нашли крупномасштабное промышленное применение в ряде развитых стран мира: 1. Производство глюкозо-фруктозных сиропов и фруктозы из глюкозы. 2. Получение оптически активных L-аминокислот из их рацемических смесей. 3. Синтез L-аспарагиновой кислоты из фумаровой кислоты. 4.Синтез L-яблочной кислоты из фумаровой кислоты. 5. Производство диетического безлактозного молока. 6. Получение Сахаров из молочной сыворотки. 7. Получение 6-аминопенициллановой кислоты (пенициллинового ядра) из обычного пенициллина (пенициллина G) для последующего производства полусинтетических антибиотиков пенициллинового ряда.

Помимо этого, некоторые процессы отрабатываются на-пилотных установках и обсуждается целесообразность их промышленного применения. К ним в первую очередь относится получение 1) глюкозы из частичных гидролизатов крахмала; 2) инвертного сахара из сахарозы; 3) глюкозы из целлюлозы; 4) белковых гидролизатов.

иммобилизованный фермент клетка

1. Получение глюкозо-фруктозных сиропов

Фруктоза, или иначе фруктовый, плодовый или медовый сахар, широко распространена в природе. Особенно богаты ей яблоки и помидоры, а также пчелиный мед, который почти наполовину состоит из фруктозы. По сравнению с обычным пищевым сахаром (в состав которого фруктоза также входит, но в виде химического соединения с менее сладкой глюкозой) фруктоза обладает более приятным вкусом, и согласно профессиональной терминологии вкус фруктозы »медовый», а обычного сахара -- «приторный». Она на 60--70% слаще сахара и потреблять ее можно меньше, а значит, меньше будет и калорийность продукта. Это важно с точки зрения диетологии питания. Фруктозу в отличие от глюкозы и пищевого сахара могут потреблять больные диабетом, так как замена сахара фруктозой существенно снижает вероятность возникновения диабета. Это объясняется тем, что усвоение фруктозы не связано с превращением инсулина. Кроме того, она в меньшей степени вызывает заболевание зубов, чем сахар. В смеси с глюкозой фруктоза не кристаллизуется (не засахаривается), поэтому нашла широкое применение в производстве мороженого, кондитерских изделий и т. д.

Несмотря на неоспоримые преимущества фруктозы по сравнению с обычным сахаром, вплоть до начала 70-х годов она не производилась промышленным путем. В 1973 г. американской компанией »Клинтон Корн» был внедрен в промышленность процесс превращения глюкозы во фруктозу под действием иммобилизованного фермента глюкозоизомеразы, этот процесс стал самым крупным в мире по сравнению с другими, в которых используются иммобилизованные ферменты.

Основы процесса

Фермент глюкозоизомераза катализирует превращение глюкозы, получаемой при гидролизе крахмала (кукурузного или реже картофельного), в смесь глюкозы и фруктозы. Образующийся глюкозо-фруктозный сироп содержит 42--43% фруктозы, около 51% глюкозы и не более 6% ди- или олигосахаридов, по сладости соответствует обычному сахару или инвертному сахару, получаемому кислотным (или ферментативным) гидролизом сахарозы.

Для некоторых пищевых производств (например, безалкогольных напитков типа кока-колы) употребляют глюкозо-фрук-тозные сиропы с содержанием фруктозы 55 и 90%. Их в свою очередь изготавливают из обычных (42%-ных по фруктозе) сиропов с использованием разделительных процессов типа жидкостной хроматографии.

Глюкозо-фруктозная смесь поступает на рынок в виде сиропов. Применяется при производстве тонизирующих и ацидофильных напитков, мороженого, кондитерских изделий, хлеба, консервированных фруктов и т. д.

Коммерческие препараты иммобилизованной глюкозоизомеразы.

Они имеют вид гранул, волокон или аморфной массы. Например, компания «Клинтон Корн» производит как волокнистую, так и гранулированную иммобилизованную глюко-зоизомеразу. Эти варианты фермента предназначены для использования в реакторах различной конфигурации. Волокнистые формы характеризуются большой удельной поверхностью и соответственно высокой удельной активностью фермента, поэтому применяются часто в виде слоев относительно небольшой толщины. Гранулированную глюкозоизомеразу обычно употребляют в колоннах с глубокими слоями фермента.

Компания «Ново» (Дания) производит гранулированную глюкозоизомеразу в виде жестких шариков, «Джист Брокейдс» (Голландия) -- относительно мягкие шарики поперечного сшитого желатина, содержащего глюкозоизомеразу (коммерческое название -- Максазим), «ICI» (Англия) --также мягкие гранулы, содержащие микробные клетки продуцента глюкозоизомеразы. Вообще среди коммерческих препаратов связанной глюкозоизомеразы почти нет ковалентно иммобилизованных препаратов, что объясняется относительной дороговизной последних. Фермент или адсорбирован на ионообменных смолах или пористых неорганических носителях, или входит в состав определенным образом обработанных клеток.

Во многих случаях используются иммобилизованные клетки вместо ферментов. Это определяется как меньшей стабильностью, выделенной из клеток глюкозоизомеразы, так и отсутствием дешевых методов иммобилизации ферментов, пригодных в данном конкретном случае для экономически эффективного крупномасштабного производства.

Технологические варианты процессов. В литературе содержится немного данных о технологических деталях процессов (табл. 2). Несмотря на то, что почти в каждом процессе применяются ферменты или клетки различного происхождения, имеющие неодинаковую каталитическую активность и полученные различными методами иммобилизации, все процессы имеют общие черты.

Таблица 2. Технологические сведения о процессах получения глюкозо-фруктозных сиропов с помощью иммобилизованной глюкозоизомеразы (R. L. Antrim, 1979; А. А. Клёсов, 1982)

Многие распространенные органические реакции относятся к кислотноосновным взаимодействиям в рамках теории Льюиса. Однако в этой теории гораздо сложнее дать количественную оценку кислотности и основности, и такая оценка может быть лишь относительной. Для этого определяют энергии взаимодействия различных соединений в строго определенных условиях (растворитель, температура) с одним и тем же стандартом, являющимся соответственно кислотой или основанием Льюиса. Поэтому количественных измерений для кислот и оснований Льюиса сделано намного меньше, чем для кислот и оснований Брёнстеда.

Принцип жестких и мягких кислот и оснований Пирсона

Жесткие и мягкие кислоты и основания. Развитие теории Льюиса привело к созданию принципа жестких и мягких кислот и оснований (принцип ЖМКО, принцип Пирсона). Согласно принципу Пирсона, кислоты и основания подразделяются на жесткие и мягкие.

Жесткие кислоты -- это кислоты Льюиса, в которых акцепторные атомы малы по размеру, обладают большим положительным зарядом, большой электроотрицательностью и низкой поляризуемостью. Мягкие кислоты Льюиса содержат акцепторные атомы большого размера с малым положительным зарядом, небольшой электроотрицательностью и высокой поляризуемостью.

Низшая свободная молекулярная орбиталь (НСМО), которая участвует в связывании с орбиталью донора пары электронов, у жестких кислот имеет низкую энергию. Самой жесткой кислотой является протон. НСМО мягких кислот имеет высокую энергию. Мягкие кислоты содержат легко поляризуемые вакантные орбитали. Положительный заряд у атома -- акцептора пары электронов мал вследствие делокализации или вообще отсутствует (так, мягкой кислотой является молекула иода).

Жесткие основания -- это донорные частицы, обладающие высокой электроотрицательностью, низкой поляризуемостью, трудно окисляющиеся. Мягкие основания, напротив, -- это донорные частицы с низкой электроотрицательностью, высокой поляризуемостью, довольно легко окисляющиеся. Термин «жесткое основание» подчеркивает, что соединение -- донор пары электронов -- прочно удерживает свои электроны. У жестких оснований высшая занятая молекулярная орбиталь (ВЗМО), которая участвует в связывании с орбиталью акцептора пары электронов, имеет низкую энергию (расположена близко к ядру атома). Атомами-донорами в жестких основаниях являются азот, кислород, фтор, хлор. Мягкие основания слабо удерживают свои валентные электроны, ВЗМО донора имеет высокую энергию. Донорами пары электронов выступают атомы углерода, серы, фосфора, иода.

Следует отметить, что понятия «жесткие» и «мягкие» кислоты и основания не равноценны понятиям «сильные» и «слабые» кислоты и основания. Это две независимые характеристики кислот и оснований. Принцип ЖМКО используется для качественного описания эффективности протекания кислотно-основного взаимодействия: жесткие кислоты лучше координируются с жесткими основаниями, мягкие кислоты -- с мягкими основаниями. Концепция Пирсона основана на том, что взаимодействие между орбиталями с близкими энергиями более эффективно, чем между орбиталями, имеющими разную энергию.

Действие принципа ЖМКО можно проиллюстрировать следующим примером. При взаимодействии галогеноалканов с нуклеофилами (являющимися также и основаниями) могут происходить конкурентные реакции -- нуклеофильного замещения или элиминирования. Реакция нуклеофильного замещения осуществляется посредством взаимодействия нуклеофила с атомом углерода, связанным с галогеном. В реакции элиминирования происходит также и отщепление протона от соседнего атома углерода под влиянием основания.

При взаимодействии 1,2-дихлороэтана с жестким основанием (метоксид-ионом) вследствие атаки реагента на жесткую кислоту -- протон преимущественно происходит реакция элиминирования. Мягкое основание -- тиофеноксид-ион -- предпочтительно реагирует с более мягкой кислотой -- атомом углерода, в результате чего образуется продукт реакции нуклеофильного замещения:

Заключение

В заключении следует отметить, что кислотность и основность определяются 3 видами теориями: теория Брёнстеду-Лоури, теория Льюиса и принцип жестких и мягких кислот и оснований Пирсона.

Каждая из этих теорий по-разному описывает кислотно-основные свойства соединений. По теории Брёнстеда-Лоури кислотность и основность соединений связывают с переносом протона Н⁺, по теории Льюиса, кислотно-основные свойства соединений определяются их способностью принимать или отдавать пару электронов с образованием новой связи, а по принципу жестких и мягких кислот и оснований Пирсона описывается эффективность протекания кислотно-основного взаимодействия: жесткие кислоты лучше координируются с жесткими основаниями, мягкие кислоты -- с мягкими основаниями.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод о том, что тема данного реферата, а именно: кислоты и основания, была полностью раскрыта.

Список использованной литературы

1. Механизмы реакций в органической химии/П.Сайкс.- 4-е издание. Перевод с английского/ под редакцией В.Ф.Травеня. - М.: Химия, 1991. - Перевод издания: Великобритания, 1986. - 448 с.

2. Органическая химия. Реакции, механизмы и структура. Углубленный курс для университетов и химических вузов/Дж.Марч.- в 4-х томах. Перевод с английского. - М.: Мир, 1987. - 381 с., ил.

3. Введение в электронную теорию органических реакций/ Г.Беккер - 3-е издание. М.: Мир, 1977. -- 658 с.

4. Теория кислот и оснований [электронный ресурс] - режим доступа: https://studopedia.ru/7_43286_teoriya-kislot-i-osnovaniy.html

Размещено на Allbest.ru