Készítette: Kozik Marcell

Az előadások a következő témára: "Készítette: Kozik Marcell"— Előadás másolata:

1 Készítette: Kozik Marcell
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.

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

4 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

5 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

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.

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

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.

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

10 Kémiai rögzítés Diazotálás: Glutáraldehid:

11 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

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

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

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

15

16

17

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

19 Enzimes reaktortípusok

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

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

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

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

24 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

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

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

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.

28 Jellemző ultraszűrő reaktor elrendezés

29 Enzimkinetika

30 Enzimkinetika szakaszos reaktorban

31 Enzimkinetika CSTR reaktorban

32 Enzimkinetika csőreaktorban

33 Köszönöm a figyelmet!