Biokataliza u doba zelene revolucije Milčić, Nevena; Findrik Blažević, Zvjezdana; Sudar, Martina ...
Kemija u industriji; časopis kemičara i tehnologa Jugoslavije,
05/2024, Volume:
73, Issue:
5-6
Journal Article
Peer reviewed
Open access
U dobu zelene revolucije sve više raste svijest o potrebi razvoja održivijih alternativa tradicionalnim industrijskim procesima. Gotovo svi industrijski procesi upotrebljavaju katalizatore koji su ...nerazgradivi i mogu biti štetni za okoliš. S druge strane, biokatalizatori su enzimi – molekule evoluirale u fiziološkom okruženju koje su u potpunosti biorazgradive, a u blagim reakcijskim uvjetima fiziološkog pH, temperature i tlaka okoline pokazuju najveću katalitičku aktivnost i učinkovitost. Biokatalizu ljudi primjenjuju još od starog vijeka u proizvodnji hrane poput sira, kiselog tijesta, piva, vina i octa bez znanja o pozadini procesa koji se odvija, a u posljednjih nekoliko desetljeća porasla je i njezina primjena u industriji, posebice u proizvodnji lijekova i kemikalija. Prepoznate su sve prednosti koje imaju biokatalizatori, poput njihove velike selektivnosti, velike specifičnosti prema supstratu i biorazgradivosti, te postaje sve jasnije da biokataliza može pomoći ispunjenju ciljeva održivog razvoja i implementaciji zelene kemije u industrijske procese s maksimalnim iskorištenjem resursa uz minimalno stvaranje otpada. Iako biokataliza ispunjava gotovo sva načela zelene kemije i potencijal biokatalizatora eksponencijalno raste razvojem inovacija i tehnološkog napretka, posebno u područjima biotehnologije i molekularne biologije, sama prisutnost biokatalizatora u kemijskom procesu ne podrazumijeva održivost procesa. Ekološku prihvatljivost, ali i ekonomsku isplativost, procesa je potrebno dokazati što ranije tijekom njegova razvoja praćenjem raznih procesnih pokazatelja kako bi se uštedjeli i vrijeme i novac.
In the era of the Green Revolution, awareness of the necessity to develop more sustainable alternatives to traditional industrial processes is growing. Nearly all industrial processes utilise catalysts that are nondegradable and potentially harmful to the environment. On the other hand, biocatalysts are enzymes – molecules evolved in a physiological environment – that are entirely biodegradable. Under mild reaction conditions such as physiological pH, room temperature, and pressure, they exhibit their highest catalytic activity and efficiency. Biocatalysis has been utilised since ancient times in the production of food items such as cheese, sourdough, beer, wine, and vinegar, without the knowledge of the background of the process. Over the last few decades, its industrial application has also increased, especially in the production of medicines and chemicals. All the advantages of biocatalysts, such as their high selectivity, high specificity toward substrates, and biodegradability, have been acknowledged. It is becoming increasingly evident that biocatalysis represents one of the key means to accomplish Sustainable Development Goals and to implement green chemistry in industrial processes, maximising the use of resources while minimising waste generation. Even though biocatalysis aligns with almost all green chemistry principles, and the potential of biocatalysts is experiencing exponential growth through the evolution of innovations and technological advancements, the mere presence of a biocatalyst in a chemical process does not imply sustainability of the process. The environmental acceptability, as well as the economic viability of the process need to be demonstrated as early as possible in its development by monitoring various metrics to save both time and money.
“Sustavska biokataliza” (engl.
systems biocatalysis
), odnosno provedba kaskadnih reakcija koje oponašaju stanične metaboličke puteve danas se sve češće primjenjuje. Kaskadne reakcije imaju brojne ...prednosti nad tradicionalnim kemijskim postupcima, međutim, za uspješnu optimizaciju i prenošenje takvih kompleksnih sustava u veće, industrijsko mjerilo potrebno je primijeniti reakcijsko inženjerstvo. U ovom preglednom radu navedeni su primjeri uspješne primjene matematičkog modeliranja na razvoj enzimskih kaskadnih reakcija koji pokazuju važnost i potencijal te metodologije.
Today, systems biocatalysis,
i.e.
, the implementation of cascade reactions that mimic cellular metabolic pathways, is increasingly being used. Cascade reactions have numerous advantages over traditional chemical processes; however, in order to successfully optimize and transfer such complex systems to a larger, industrial scale, it is necessary to apply reaction engineering. This review paper provides examples of the successful application of mathematical modelling in development of enzymatic cascade reactions that demonstrate the importance and potential of this methodology.
Zbog bolje učinkovitosti i sigurnosti potreba za enantiomerno čistim kiralnim spojevima u stalnom je porastu, pogotovo u farmaceutskoj industriji. Da bi se te potrebe zadovoljile potrebne su nove, ...učinkovitije i jeftinije ali i ekološki prihvatljive metode njihove priprave. U skladu s tim veliku je pažnju privukla biokataliza gdje se kao biokatalizatori koriste mikroorganizmi ili enzimi izolirani iz njih. Posljednjih godina
znanstvena zajednica se okrenula istraživanju upotrebe svježeg, netaknutog biljnog materijala kao biokatalizatora. Upotreba biljnog materijala ne zahtijeva dodatak skupih kofaktora budući da se različiti enzimski sustavi i potrebni kofaktori, te njihov regeneracijski sustav već nalaze u biljnom tkivu. Ovisno o upotrijebljenoj biljci (voću, povrću, začinima), pojedini enantiomeri se mogu dobiti u visokom prinosu
i s visokim enantiomernim viškom, što je kritični faktor za razvoj biološki aktivnih spojeva i njihovu bioaktivnost. U ovom radu dan je pregled istraživanja potencijalne upotrebe različitih biljnih vrsta i njihovih dijelova kao biokatalizatora u stereoselektivnim transformacijama pogodnih spojeva s ciljem dobivanja novih enentiomerno čistih spojeva. Primjena biljnih biokatalitičkih sustava u skladu je s principima zelene kemije i predstavlja značajnu alternativu sintetskim kemijskim postupcima.
Primjena mikroreaktora za provedbu biokatalitičkih procesa do današnjih dana nije intenzivno istraživana unatoč činjenici da se mikroreaktori upotrebljavaju više od 40 godina te da je njihov ...potencijal intenzivno korišten u provedbi kemijskih reakcija, analizi uzoraka i selekciji različitih molekula. Može se konstatirati da su razvoj i primjena enzimatskih mikroreaktora na istom mjestu gdje su razvoj i primjena kemijskih mikroreaktora bili prije 15 godina. Opće je mišljenje da su napori uloženi u istraživanje enzimatskih mikroreaktora rezultirali novom prijelomnicom u proizvodnji utemeljenoj na bioprocesima. Cilj je ovog preglednog rada prezentirati sinergiju mikrotehnologije, odnosno prvenstveno mikroreaktora, i biotehnologije te procijeniti potencijale, mogućnosti, izazove i buduću primjenu mikroreaktora u biotehnologiji.
Napredak tehnologije usko je vezan uz primjenu enzima u kemijskoj sintezi. Biokataliza ima velik utjecaj na različite industrije a među njima se posebno ističe farmaceutska industrija. Primjena ...enzima pokazuje značajne prednosti u usporedbi s tehnikama klasične kemijske sinteze te se smatra i ‘zelenim’ rješenjem. Primjenjujući nove dostupne tehnike i tehnologije, enzime je moguće u potpunosti prilagoditi zahtjevima određenog procesa. Danas je poznato nekoliko farmaceutskih tvrtki koje uz pomoć enzima uspješno proizvode vrijedne intermedijare za proizvodnju aktivnih farmaceutskih spojeva, a u njih se ubrajaju i prekursori statina. Statini su hipolipidemici, lijekovi koji se upotrebljavaju za prevenciju kardiovaskularnih bolesti te za snižavanje koncentracije kolesterola u krvi. Metoda klasične kemijske sinteze intermedijara statina vrlo je zahtjevna te stoga njihova proizvodnja primjenom enzimski kataliziranih reakcija ima značajne prednosti. Iz tog razloga za proizvodnju intermedijara statina istraživanje i razvoj uz primjenu reakcijskog inženjerstva sve se više usmjeravaju prema primjeni biokatalize.
Ovo djelo je dano na korištenje pod licencom Creative Commons Imenovanje 4.0 međunarodna .
Provider: - Institution: - Data provided by Europeana Collections- The aim of this work was the optimization of 6-aminopenicillanic acid
obtaining procedure by using immobilized penicillin acylase ...from E. coli. The
reaction of penicillin G hydrolysis to 6-APA catalyzed by free and
immobilized penicillin acylase was considered. In order to realize the set
aim, it was necessary to make a choice of carriers and methods for
immobilization of the enzyme, to optimize enzyme immobilization procedure in
terms of enzyme loading and activity yield. Also, the obtained biocatalysts
were characterized and the differences in kinetic parameters of free and
immobilized penicillin acylase were examined. An appropriate reactor solution
for performing the reaction with the immobilized enzyme and the operational
stability of the system were examined. In the first part of the thesis free
penicillin acylase (PAC) from Escherichia coli was characterized and its
catalytic properties were studied in the reaction of hydrolysis of penicillin
G as a reference system. This characterization was necessary in order to
determine the differences in the activities of the free and immobilized
enzyme. Therefore, the protein content in the commercial enzyme preparation,
specific activity, pH and temperature profile, thermal stability and the
values of kinetic constants (Michaelis constant and maximal reaction rate)
were determined. Likewise, the inhibition of PAC activity by substrate and
reaction products (6-aminopenicillanic acid and phenylacetic acid) in the
system with free enzyme was studied and types of inhibition and inhibition
constant values were determined In the second part of the thesis the research
has been focused on stabilizing the enzyme by different procedures. In with
this aim, several procedures of chemical immobilization of the enzyme on
various natural and synthetic polymers (Sepabeads with different functional
groups and chitosan), as well as immobilization of the previously chemically
modified enzyme were studied. In addition, possibilities of direct binding of
penicillin acylase by amino groups in the enzyme to the epoxy groups of the
carriers, the binding of the enzyme to the carriers activated with
glutaraldehyde, as well as binding of the previously modified enzyme to the
carriers with amino groups were investigated. The chemical modification of
the enzyme was carried out using dialdehyde derivatives of natural
polysaccharides (starch and alginate) that had been previously obtained by
periodate oxidation method. The modified enzyme bound to the amino carriers
by introduced aldehyde groups that were not essential for its activity. In
the case of all applied immobilization methods, resulting biocatalysts were
fully characterized for use in the reaction of hydrolysis of penicillin G and
compared to the reference system with the free enzyme. In this regard, enzyme
loadings on carriers, specific activities, enzyme coupling yields, pH and
temperature profiles, thermal stabilities and possibilities of reuse were
studied. Reaction kinetics and effects of inhibition by substrate and
reaction products on penicillin acylase immobilized on chitosan microbeads
were studied. On the basis of the obtained results, appropriate kinetic
models for the free and immobilized enzyme were derived. In addition to the
choice of carrier and immobilization method, optimization of enzymatic
hydrolysis of penicillin G requires determination of process parameters and
the regime including the appropriate bioreactor configuration. With this aim,
the initial kinetics of hydrolysis penicillin G by PAC immobilized on
chitosan microbeads was studied in two reactor systems: packed-bed with and
without recirculation. The obtained kinetic results were analyzed using
various kinetic models that consider the different types of inhibition.
Compared to data available in the literature, it can be concluded that within
this thesis were developed several systems with immobilized penicillin
acylase that had the same or even higher efficiency than commercial
immobilized system in terms of activity, operational stability and space-time
yield of reactor. Therefore, this thesis represents a significant practical
contribution to this issue. Also, the results of this thesis contribute to
the understanding of mechanisms and kinetics of hydrolysis of penicillin G in
different systems with immobilized penicillin acylase, especially the types
and effects of inhibition, as well as optimization of the configuration and
the corresponding modes of bioreactors.- Osnovni cilj ove doktorske disertacije je bio optimizacija postupka dobijanja
6- aminopenicilanske kiseline primenom imobilisane penicilin-acilaze iz E.
coli. Pri tome je razmatrana reakcija hidrolize prirodnog penicilina G do
6-APA katalizovane slobodnom i imobilisanom penicilin-acilazom. Da bi se
realizovao postavljeni cilj bilo je potrebno izvršiti izbor nosača i metode
za imobilizaciju enzima, optimizovati postupak imobilizacije enzima sa
aspekta mase vezanog enzima i prinosa aktivnosti, okarakterisati dobijeni
biokatalizator i ispitati razlike u kinetičkim parametrima slobodne i
imobilisane penicilin-acilaze, izabrati odgovarajuće reaktorsko rešenje za
izvođenje reakcije sa imobilisanim enzimima i ispitati operativnu stabilnost
sistema. U prvom delu rada je izvršena karakterizacija slobodne
penicilin-acilaze iz Escherichia coli i ispitana su njena katalitička
svojstva u reakciji hidrolize penicilina G kao referentnom sistemu. Ova
karakterizacija je bila neophodna da bi se utvrdile razlike u delovanju
slobodnog i imobilisanog enzima. U tom cilju utvrđen je sadržaj proteina u
komercijalnom enzimskom preparatu, specifična aktivnost, pH i temperaturni
profil, termalna stabilnost, kao i vrednosti kinetičkih konstanti, i to
Mihaelisove konstante i maksimalne brzine reakcije. Isto tako, ispitan je
uticaj inhibicije supstratom u višku i proizvodima reakcije na brzinu
reakcije u sistemu sa slobodnim enzimom i u tom cilju je određena vrsta
inhibicije i vrednosti konstanti inhibicije. U drugom delu rada osnovni cilj
istraživanja je bio usmeren na stabilizaciju enzima različitim postupcima.
Pri tome je ispitano nekoliko postupaka hemijske imobilizacije enzima na
različitim prirodnim i sintetskim polimerima (Sepabeads sa različitim
funkcionalnim grupama i hitozan), kao i postupak imobilizacije prethodno
hemijski modifikovanog enzima. U radu je ispitana mogućnost direktnog
vezivanja penicilin-acilaze preko amino grupa u molekulu za epoksidne grupe
nosača, zatim vezivanje enzima za nosač koji je prethodno aktiviran
glutaraldehidom ili vezivanje prethodno modifikovanog enzima za nosače sa
amino grupama. Hemijska modifikacija enzima je izvedena pomoću dialdehidnih
derivata prirodnih polisaharida (skroba i alginata) koji su prethodno
dobijeni oksidacijom perjodatnom metodom. Ovako dobijeni glikozilovani enzim
se vezao za amino-nosače preko uvedenih aldehidnih grupa koje nisu od
esencijalnog značaja za njegovu aktivnost. U slučaju svih primenjenih metoda
imobilizacije, dobijeni biokatalizatori su bili u potpunosti okarakterisani
za primenu u reakciji hidrolize penicilina G i upoređeni sa referentnim
sistemom sa slobodnim enzimom. Određene su mase vezanog enzima na nosaču,
specifične aktivnosti, prinosi imobilizacije, pH i temperaturni profili,
termalne stabilnosti i mogućnosti ponovljenih upotreba. Ispitana je i
kinetika reakcije i efekti inhibicije supstratom i proizvodima reakcije
penicilin-acilazom imobilisanom na hitozanskim mikročesticama i na osnovu
dobijenih rezultata izveden je odgovarajući kinetički model za slobodan i
imobilisan enzim. S obzirom da je za optimizaciju enzimskog postupka
hidrolize penicilina G, pored izbora nosača i metode za imobilizaciju enzima,
potrebno podesiti i procesne parametre i način izvođenja procesa, izabrati
konfiguraciju i odgovarajući režim rada bioreaktora, za penicilin-acilazu
imobilisanu na hitozanske mikročestice ispitana je početna kinetika hidrolize
penicilina G u dva reaktorska sistema: protočnom bioreaktoru sa pakovanim
slojem čestica biokatalizatora i protočnom bioreaktoru sa pakovanim slojem sa
recirkulacijom reakcione smeše. Na dobijene kinetičke rezultate primenjeni su
različiti kinetički modeli koji uzimaju u obzir različite vrste inhibicije.
Na osnovu nekih dostupnih podataka u literaturi, može se zaključiti da je u
okviru ove teze razvijeno nekoliko imobilisanih sistema sa
penicilin-acilazama koji imaju istog reda veličine ili čak veću efikasnost od
komercijalnih imobilisanih sistema u pogledu aktivnosti, operativne
stabilnosti i prostorno-vremenskog prinosa reaktora. Time ova doktorska teza
predstavlja značajan praktičan doprinos ovoj problematici. Takođe, rezultati
ove teze doprinose razumevanju mehanizama i kinetike hidrolize penicilina G u
različitim sistemima sa imobilisanom penicilin-acilazom, naročito vrstama i
efektima inhibicije, kao i optimizaciji konfiguracije i odgovarajućeg režima
rada bioreaktora.- All metadata published by Europeana are available free of restriction under the Creative Commons CC0 1.0 Universal Public Domain Dedication. However, Europeana requests that you actively acknowledge and give attribution to all metadata sources including Europeana
U radu je ispitan utjecaj tenzida na bioredukciju acetofenona pomoću korijena mrkve (Daucus carota). Od svih ispitanih tenzida, Tween 20 je donekle poboljšao konverziju. Optimiran je udjel tenzida, a ...metoda je primijenjena i na druge supstituirane acetofenone, te su dobiveni optički čisti feniletanoli s visokim omjerom konverzije i velikom enantioselektivnošću.
Ionske tekućine, a i superkritični ugljikov dioksid, smatraju se ekološki prihvatljivim otapalima. Mogu se upotrijebiti kao reagens u biokatalitičkim reakcijama. U ovom je radu ispitana tolerancija ...aktivnih stanica kvasca prema hidrofobnim ionskim tekućinama na bazi imidazola (1-R-3-metilimidazolijev heksafluorofosfat, RMimPF6). Kao model živih stanica upotrijebljene su stanice pekarskog kvasca imobilizirane u kalcijevom alginatu. Rezultati su pokazali da ispitane ionske tekućine imaju određeni stupanj biokompatibilnosti. Tolerancija stanica kvasca prema ispitanim tekućinama smanjivala se s porastom duljine alkilnog lanca (R). Utvrđeno je da 1-butil-3-metilimidazolijev heksafluorofosfat (BMimPF6), u usporedbi s drugim ionskim tekućinama na bazi imidazola, ima odličnu biokompatibilnost. Pri tome važnu ulogu ima udio vode u ionskoj tekućini. Stanice kvasca obrađene s BMimPF6 zasićenim vodom ili s vodenim dvofaznim sustavom BMimPF6 zadržale su i do 70 % svoje aktivnosti, a one tretirane s bezvodnim BMimPF6 imale su samo 50 %-tnu aktivnost. Stanice su kvasca čak i nakon 24-satne obrade s BMimPF6 zadržale do 45 % aktivnosti. Nakon 4 tretmana s BMimPF6 stanice su i dalje zadržale aktivnost od otprilike 50 %. To potvrđuje da ionske tekućine koje se miješaju s vodom imaju dobru biokompatibilnost i da se mogu primijeniti kao reagens u reakcijama kataliziranima s pomoću živih stanica kvasca.
PDF
