Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Enzimes bioreaktorok Készítette: Kozik Marcell. Bevezetés Az enzimes reaktorok olyan tartályok, amelyekben a reakciót szabad vagy rögzített enzimekkel.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Enzimes bioreaktorok Készítette: Kozik Marcell. Bevezetés Az enzimes reaktorok olyan tartályok, amelyekben a reakciót szabad vagy rögzített enzimekkel."— Előadás másolata:

1 Enzimes bioreaktorok Készítette: Kozik Marcell

2 Bevezetés Az enzimes reaktorok olyan tartályok, amelyekben a reakciót szabad vagy rögzített enzimekkel illetve nyugvó sejtekkel hajtják végre Az enzimes reaktorok a kémiai reaktoroktól jelentősen eltérnek abban, hogy alacsonyabb hőmérsékleten, nyomáson, viszonylag kis energia befektetéssel hajtható végre a reakció, általában jó konverzió, és magas szelektivitás mellett. 2

3 Csoportosítási szempontok Homogén vagy heterogén rendszer Homogén: oldott enzimek Heterogén: szilárd hordozóhoz rögzített enzimek Szakaszos vagy folytonos reakció Keveredés szerint Tökéletesen kevert reaktorok Dugóáramú reaktorok 3

4 Oldott enzimek Előnyök: A rendszer homogén Az enzim nem veszít aktivitásából Nincs diffúziós gát Nincs bonyolult és költséges előkészítésre szükség (rögzítési lépések) Könnyen adagolható friss enzim Hátrányok: Az enzim stabilitása kicsi Az enzim elveszik a reakcióeleggyel Elválasztása a reakcióelegyből költséges és bonyolult Szennyezi a terméket 4

5 Rögzített enzimek Előnyök: Az enzim stabilitása nő Az enzim több ciklusban, vagy folytonos üzemben felhasználható A reakció könnyen leállítható A terméktől az enzim elválasztható, nem szennyezi Hátrányok: Az enzimaktivitás általában csökken Diffúziós gát alakul ki A rögzítés költséges Bonyolult előkezelés szükséges 5

6 Enzimrögzítés 1971, New Hampshire: Enzyme Engineering konferencia Enzimrögzítés fogalma: Enzimek fizikailag hordozóhoz kötöttek vagy lokalizáltak a tér bizonyos pontjában; cél a katalitikus aktivitás megtartása, fenntartása, ezáltal az enzimek folyamatosan vagy ismételten felhasználhatóak. 6

7 Enzimrögzítési módszerek Fizikai: Ionos kötés Fizikai adszorpció Gélbe zárás Mikrokapszulázás Membrán mögé zárás Kémiai: Hordozóhoz kovalens rögzítés Keresztkötés enzimmolekulák között 7

8 Fizikai rögzítés Ionos adszorpció esetén figyelni kell a reakció során a megfelelő pH és ionerősség fenntartására, különben az enzim leválhat a hordozóról. Gélbe zárás esetén a kialakult gél pórusmérete kisebb, mint a benne lévő enzimmolekulák, a szubsztrát viszont bejut a gél belsejébe. (pl. alginát, kitozán) Membrán mögé zárás esetén szabad enzimeket használnak, melyek azonban egy ultraszűrő membrán által vissza vannak tartva, melyen csak a szubsztrát és a termék képes átjutni, így többször felhasználható az enzim. 8

9 Kémiai rögzítés Hordozó lehet valamilyen vízben nem oldódó, funkciós csoportokkal rendelkező polimer. Kovalens kötés a hordozó és az enzim valamely nem esszenciális funkciós csoportja között, vagy két enzimmolekula között keresztkötő vegyülettel. Alkalmazott módszerek (reagensek): Glutáraldehid Diazotálás Dioxán 9

10 Kémiai rögzítés Diazotálás:Glutáraldehid: 10

11 Fizikai problémák immobilizált enzimek használatánál Ledörzsölődés CSTR-ben, valamint fluid ágyas reaktorban jellemző, a hordozóról leválik mechanikai hatásokra az enzim. A V részecske /V reaktor arány növekedésével egyre jelentősebb Összenyomódás Töltött oszlopokban jellemző Dugulás Lipidek, kolloidok, szuszpendált szárazanyagok hozzák létre Elkerülhető előülepítéssel, centrifugálással Külső: A részecskék közötti tér eltömődése Belső: A pórusok eltömődése Kevert reaktoroknál a szűrőn, töltött ágynál a részecskék között 11

12 Sterilitási problémák Mikrobiális szennyezés létrejöhet: A szubsztrát tápanyaga a fertőző mikrobának Hosszú a tartózkodási idő Holt terek Durva hordozó felszín, tapadási hely Káros hatásai: Dugulás Másfajta enzim termeléssel romló szelektivitás (melléktermék), illetve bonthatja a terméket Védekezés: A termelt anyag antibiotikum, etanol, szerves sav Savas vagy lúgos pH Előszűrt betáplálás Formaldehides kezelés 12

13 Reaktortípus kiválasztási szempontok Hőmérséklet és pH szabályozás Gáz be- és elvezetés Szilárd részecskék jelenléte a tápoldatban Szubsztrátok és termékek kémiai, biloógiai jellemzői, stabilitása Enzim felezési ideje Szubsztrát és termék inhibíció Enzimaktivitás rögzítés előtt és után Diffúziós hatások Kívánt termékhozam és tisztaság Biztonság Gazdasági szempontok 13

14 A reaktorok teljesítményjellemzői A cél a kívánt produktivitás elérése a lehető leggyorsabban, minimális reaktorméret mellett, minimalizálva a költségeket Fontos teljesítményjellemzők: Enzimaktivitás Enzimstabilitás Szelektivitás Hozam Produktivitás Konverzió 14

15 15

16 16

17 17

18 Reaktortípusok Szakaszos reaktor CSTR Dugóáramú reaktor (töltött oszlop) Fluidágyas reaktor Ultraszűrő reaktor 18

19 Enzimes reaktortípusok 19

20 Szakaszos reaktorok Egy tartály, amelyben a reakció lejátszódik, az enzim oldott formában van jelen Fontos a megfelelő keveredés a kívánt konverzió eléréséhez. A kívánt konverzió elérése után leengedik és feldolgozzák a reaktor tartalmát A feldolgozás körülményes, az enzim elválasztása nehéz, nem lehet újra felhasználni, szennyezi a terméket Ritkán alkalmazzák Problémát okoz a méretnövelés, a jó keveredés biztosítása, és a holtidő a sarzsok között 20

21 Szakaszos reaktorok Előnyei: Könnyű a pH-szabályozás Egyszerű a megfelelő gázadagolás biztosítása Jó az anyagtranszport Jellemző ipari alkalmazás: Sörfőzés 21

22 Dugóáramú csőreaktorok Immobilizált enzimekkel töltött oszlopok Kinetikailag hatékonyabb a CSTR-nél Jellemzően nagy a használt enzimmennyiség, nagy az aktivitás Előnyök: Könnyű a folytonos üzem fenntartása, kevés munkát igényel Megbízható állandó minőségű termék A termék folyamatosan távozik a rendszerből, így kicsi a termékinhibició 22

23 Hátrányok: Hajlamosak a szubsztrát inhibícióra Elkerülhető több ponton beadagolt szubsztráttal, de ez iparilag nem jellemző Előfordulhat önkompresszió Nehéz sterilen működtetni, friss enzimet hozzáadni Probléma a hőmérséklet és a pH szabályozása pH szabályozás a szubsztrát inhibícióhoz hasonlóan többpontos adagolással kezelhető Gáznemű reaktánsok nehezen adagolhatóak vagy vezethetőek el 23

24 Üzemelési lehetőségek dugóáramnál Nagy áramlási sebesség: Jó anyagátadás a folyadék és a részecskék között Minimális nyomásesés Fluid-csatornák alakulhatnak ki Kis áramlási sebesség: Gyengébb anyagátadás a folyadék és a részecskék között Fluid csatornák nem alakulnak ki Nyomás alatt is üzemeltethető 24

25 Fluidágyas reaktorok A biokatalizátor részecskéket fluidizált ágyban szuszpendáljuk A keverést a gáz vagy szubsztrát oldat felfelé irányuló árama biztosítja Nem okoznak dugulást a szilárd szemcsék a szubsztrátban pH- és hőmérsékletkontroll egyszerűbb mint a csőreaktorban Könnyű a gázok bevezetése Nagy az üres térfogathányad, kicsi az aktivitás, nagy a szubsztrát áramlási sebessége, így kicsi a konverzió, és kimosódás léphet fel 25

26 Kimosódás elkerülése: A reaktor vége kiszélesedik, így az áramlási sebesség lecsökken Mágneses részecskékhez kötött enzim esetén elektromágneses térrel visszatarthatóak, vagy a kivezetésnél mágneses gyűrűvel visszatarthatóak Konverzió javítása: A szubsztrátot visszavezetik Több fluidágyas reaktort sorba kötnek A reaktor üzemeltetése meglehetősen költséges, így nem terjedt el az iparban nagymértékben 26

27 Ultraszűrő reaktorok Többnyire oldott enzimek, amiket az ultraszűrő membrán tart vissza a reakciótérben A legalkalmasabbak depolimerizációs reakciók esetén A polimer szubsztrát és a rögzített enzim között nagyon jelentős diffúziós gát lépne fel Az oldott enzim könnyebben találkozik a szubsztráttal A membrán csak a terméket engedi át A membránon nem specifikus kölcsönhatások miatt egy második réteg alakulhat ki szilárd, zsír vagy kolloid részecskékből, ami befolyásolhatja az áteresztést Jellemző elrendezése a CSTR-el kapcsolt megoldás, vagy hollow fiber alkalmazása. 27

28 Jellemző ultraszűrő reaktor elrendezés 28

29 Enzimkinetika 29

30 Enzimkinetika szakaszos reaktorban 30

31 Enzimkinetika CSTR reaktorban 31

32 Enzimkinetika csőreaktorban 32

33 Köszönöm a figyelmet!


Letölteni ppt "Enzimes bioreaktorok Készítette: Kozik Marcell. Bevezetés Az enzimes reaktorok olyan tartályok, amelyekben a reakciót szabad vagy rögzített enzimekkel."

Hasonló előadás


Google Hirdetések