Készítette: Kozik Marcell Enzimes bioreaktorok Készítette: Kozik Marcell

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.

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

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

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

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.

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

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.

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

Kémiai rögzítés Diazotálás: Glutáraldehid:

Fizikai problémák immobilizált enzimek használatánál Ledörzsölődés CSTR-ben, valamint fluid ágyas reaktorban jellemző, a hordozóról leválik mechanikai hatásokra az enzim. A Vrészecske/Vreaktor 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

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

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

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

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

Enzimes reaktortípusok

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

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

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

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

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

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

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

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.

Jellemző ultraszűrő reaktor elrendezés

Enzimkinetika  

Enzimkinetika szakaszos reaktorban  

Enzimkinetika CSTR reaktorban  

Enzimkinetika csőreaktorban  

Köszönöm a figyelmet!