Хімічна біотехнологія

В майбутньому  будуть використовуватись іммобілізовані ферменти. Їх можна використовувати  в наступних цілях: а ) холінестераза може застосовуватись для визначення пестицидів; б) інші ферменти аналогічним способом можуть застосовуватися для визначення токсичних речовин, наприклад, гексокіназа дуже чутлива до малих концентрацій ліндану; в)іммобілізована гепариназа може застосовуватись для запобігання тромбоутворень в апаратах штучного кровообігу; г) іммобілізована білірубіноксидаза може бути застосована для видалення білірубіну із крові новонароджених, які страждають на гепатит; д) іммобілізовані ферменти знайдуть подальше застосування в молочній промисловості. При виробництві сиру можуть використовуватись іммобілізовані білки, які згортують молоко - ренін пепсин; е) Можливо, вдасться створити системи із декількох іммобілізованих ферментів. Наприклад якщо заключити в мікро капсули три ферменти - уреазу, глутаматдегідрогеназу і глюкозодегідрогеназу, то їх можливо використати для видалення сечовини із крові хворих на ниркову недостатність; є) різноманітні іммобілізовані ферменти з часом знайдуть застосування в датчиках для швидкого аналізу. Особливо корисними із-за їх високої стабільності можуть виявитись ферменти термофілів.

Іммобілізація ферментів дає наступні переваги: зростання стабільності біотехнологічних процесів, оптимізацію рН для каталітичної активності, отримання більш чистої продуктів реакції, полегшення відновлення  і повторного використання біокаталізаторів, пониження інгібування ферментів.

Іммобілізація також дозволяє зупинити реакцію  на будь-якій стадії, отримати продукт очищений від ферменту, що дуже важливо в ряді харчових і промислових виробництв.

Як же проходить  іммобілізація? Ферменти закріплюють  в просторі по-різному, декількома способами. Їх можна адсорбувати на кераміці, склі, силікагелі, оксидах і гідроксидах металів, полісахаридах, органічних смолах і інших носіях. Адсорбція при цьому здійснюється фізичними або іонними силами взаємодії. Поширені також методи механічного включання ферментів в полімерні гелі, в напівпроникні полімерні мікро капсули, в повні волокна, в рідкі мембрани. Особливий інтерес мають способи, які дозволяють приєднувати ферменти до неорганічних носіїв за допомогою хімічних (ковалентних) звязків. Можливе таке прикріплення ферментів до нейлону, полістиролу, поліакриламіду, іонообмінних смол.

Після закріплення на поверхні носія ферменти необхідно стабілізувати. Справа в тому, що вони є поживою для мікроорганізмів. Тому ферменти захищають від них, наприклад стінками мікропористого носія. Існують і інші способи стабілізації ферментів, коли молекули білку попередньо звязують „поперечними містками”, а потім вже прикріплюють хімічними звязками до твердого матеріалу і механічно включають утворення що дістали в тісні пори носія. Зафіксований таким чином фермент може працювати в різних умовах, зберігаючи активність при підвищених температурах і в відносно агресивних середовищах.

Також ефективним методом є іммобілізація не тільки ферментів, але й мікроорганізмів. Використання таких іммобілізованих клітин дає ряд переваг: не потрібно виділяти і очищати ферменти, невеликі витрати на виділення і очистку продуктів реакції, можливе створення наполовину безперервних і автоматизованих процесів.

ІІ. Біотехнологія і виробництво хімічних речовин

1.Біотехнологія  виробництва розчинників

До числа  важливих виробництв розчинників на основі бродильних процесів відноситься добування ацетону і бутанолу. Вперше в промисловому масштабі вони були здійснені Вейсманом в місті Манчестері в роки першої світової війни. Низькоякісний ацетон виробляли з деревини, але коли став потрібен високоякісний ацетон, то був заснований бродильний процес на переробці крохмалю (концентрацією в 3,8 %) анаеробними спороутворюючими бактеріями Clostridium acetobutilicum. Перетворенню підлягає до 30 % субстрату в результаті чого утворюється суміш розчинників (60% бутанолу, 30 % ацетону і 10-15 ізопропанолу, етанолу). Залишок субстрату перетворювався на вуглекислий газ і водень (рис.1).

Рис.1. Схема  реакцій ацетон-бутанольного бродіння

Оскільки  утворювались великі обєми газів при великомасштабному виробництві перемішування не було потрібно. Головні проблеми заключались в гасінні піни. В залежності від штамів відношення ацетон : спирт дещо варіювало. Розчинники відокремлюють від середовища перегонкою.

Велике значення має виробництво бутанолу. Його використовують при добуванні широкого кола речовин, включаючи гальмівну рідину, пластифікатори, карбамідну смолу, речовини з властивостями екстракції і добавки до бензину.(Сассон Альбер )

Після війни бродильне виробництво цих речовин скоротилось, так як відносна вартість нафтопродуктів, порівняно з вуглеводами, була нижчою. В наш час знову зявляється зацікавленість до ферментативного виробництва цих речовин.

Також цікавим  отримання бутилен-2,3-гліколю за допомогою мікробіологічної конверсії. Для цього можна використати  молочну сироватку. Вона може бути джерелом вуглецю при утворенні бутиленгілколю бактеріями Klebsiella pneumoniae або Enterobacter aerogenes. Бутиленгліколь потім йде на виробництво каучуку.

2.Виробництво  органічних кислот.

Однією з  важливих органічних кислот є оцтова кислота. Вона використовується при  виробництві багатьох хімічних речовин, включаючи каучук, пластмаси, волокна  і інсектициди. В минулому основну  її частину добували з етанолу  шляхом мікробіологічного окислення. Мікробіологічне перетворення етанолу йде за допомогою Acetobacter і Gluconobacter в аеробних умовах і тому не являється процесом бродіння. Перетворення етанолу в оцтову кислоту за допомогою бактерій економічно вигідним є лише при добуванні харчового оцту ( Сассон Альбер ).

Відомо, що термофільні бактерії мають властивість  перетворювати целюлозу в оцтову кислоту тому є перспективними для  використання їх в промисловому виробництві цієї речовини. Також можливо використовувати Acetobacter i Clostridium для синтезу її з СО2 і Н2.

Важливою  також є молочна кислота. Її виробництво було одним з перших процесів з застосуванням часткової стерилізації середовищ нагріванням за участі мікроорганізмів з роду Lactobacillus bulgaricus i L. leischmanii (XIX ст.). Здійснювався цей мікроаерофільний процес при температурі 45-50 єС. В ньому використовуються речовини, що містять крохмаль. Їх попередньо обробляють ферментами або за допомогою кислотного гідролізу.

Бактерії Lactobacillus bulgaricus зброджують лактозу, тому можна  використовувати як субстрат молоко. Також для субстрату можна використати сахарозу (концентрація 12-18%, маса/обєм). Процес конверсії іде 3-4 доби. При цьому виділяється СО2 і створюються напіванаеробні умови.

Описані також способи конверсії 1,2-пропандіолу в молочну кислоту. Такі мікроорганізми, як Arthrobacter oxydans, Fusarium solani, Alcaligens faecalis, утворюють L(+) ізомер молочної кислоти, а Lactobacillus leischmanii синтезують D-ізомер.

Молочну кислоту  використовують як добавку до безалкогольних напоїв, фруктових соків, джемів і  сиропів, есенцій, в медицині, для  декальцифікації шкір в дубильній промисловості. L(+)-форму молочної кислоти полімеризують в полілактат, який застосовують для виробництва пластикових обгорток.

Лимонна кислота. У цієї кислоти приємний смак і  її широко використовують в харчовій, фармацевтичній і косметичній промисловості. Оскільки ця речовина звязує метали, її використовують для їх очистки.