история. 1. понятие биотрансформации. Виды биокатализаторов
 Скачать 4.48 Mb.
|
7.ХАРАКТЕРИСТИКА РАСТВОРИТЕЛЕЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В БИОКАТАЛИЗЕНа сегоднешний день в промышленных масштабах методами биотрансформации получают более 150 химических соединений. Считается, что для рентабельности промышленного процесса необходимо, чтобы целевой продукт накапливался в реакционной смеси в высокой концентрации (примерно от 10 до 500 г/л). Однако, особо ценные продукты, которые невозможно получить иным способом синтезируют биокаталитически, даже если их конечная концентрация не превышает 100 – 1000 мг/л. Эффективность биотрансформации зависит не только от возможности биокатализатора, но и от того, на сколько правильно подобрано реакционная смесь, использующаяся при трансформации. Важным компонентом реакционной смеси является – растворитель. Растворитель: во-первых, обеспечивает контакт субстрата с биокатализатором; во-вторых, защищает биокатализатор от действия токсичного субстрата или продукта; в-третьих, осуществляет контроль за селективностью трансформации. Известны только несколько примером трансформации в отсутстсвии растворителя. Одним из них является трансформация липидов в присутствии винилацетата. При этом винилацетат одновременно являлся субстратом и растворителем. Наиболее часто в качестве растворителя используется вода. Вода является естественной средой для биокатализторов. Большинство из них проявляют максимальную активность только в той среде. Обычно вода используется для трансформации, растворимых в ней субстратов. Для трансформации липофильных субстратов приходится прибегать к не традиционным растворителям. Наиболее часто используются органические жидкости, углеводороды, кетоны, спирты. Однако эти соединения являются токсичными веществами для биокатализаторов. Они могут экстрагировать компоненты клеточных мембран, изменять третичную структуру ферментов. Многие биокатализаторы быстро инактивируются в таких растворителях. Молекулярная токсичность растворителя характеризуется его критической концентрацией в воде, при которой биокатализатор полностью теряет свою активность (Скрит).  Cуществует прямолинейная кареляция между полярностью органического растворителя (log P) и его молекулярной токсичностью для биокатализаторов. Чем больше полярность растворителя, тем больше его токсичность.  Полярность растворителя характеризует его способность распределяться между двумя жидкими фазами в стандартной системе октанол-вода.  Неполярные вещества, например такие, как изооктан, гептан, гексан преимущественно переходят в октанол и характеризуются высокими значениями logP. А полярные соединения напротив проявляют повышенное сродство к воде и имеют низкие значения logP.  В неполярных растворителях активно работают многие липазы и ряд других ферментов. В полярных растворителях могут работать лишь некоторые липазы, хотя их активность при этом все же снижается по сравнению с неполярными фазами. В случае липаз высокая активность проявляется в растворителях с logP более 2. Клетки в органических растворителях быстро теряют свою жизнеспособность. Однако некоторые внутриклеточные ферменты при этом сохраняют свою активность. Внутри клетки они находятся в гидратированном состоянии, что защищает их от агрессивной среды. Защитная способность воды широко используется в биокатализе в органических средах. Из воды создается микроокружение вокруг биокатализатора. Этого можно достичь, например, путем эмульгирования водной фазы, содержащей биокатализатор и органического растворителя.  Кроме того, биокатализатор можно предварительно включить в гидрофильный гель, например полиакриламидный гель, удерживающий воду, а затем покрыть гранулы геля гидрофобным полимером, например полиуретаном, обеспечивающим хороший контакт катализатора с гидрофобным органическим растворителем. Для защиты биокатализаторов от токсического действия органических растворителей, воду можно просто добавлять в небольших количествах в реакционную смесь. Так, введение в реакционную смесь с гексаном небольших количеств воды от 3 до 5% может значительно увеличить активность липазы. Широко используется также трансформации в двухфазных системах вода -гидрофобный растворитель, где на долю воды приходится более 30%. В качестве растворителей можно использовать ионные жидкости. Ионные жидкости представляют собой вещества, которые полностью состоят из ионов и являются жидкими при температурах близких к комнатным. Примеры, 1,3-диалкилимидозолины, 1,4-диалкиперемидины и т.д.  Ионные жидкости так же, как и традиционные органические растворители, могут проявлять гидрофильные и гидрофобные свойства, что позволяет их использовать для трансформации широкого круга субстратов. Но особый интерес ионные жидкости представляют для трансформации хорошо растворимых в них полярных соединений, поскольку в отличие от ацетона или хлороформа большинство ионных жидкостей не оказывают токсического действия на биокатализаторы. Исключение составляют гигроскопичные ионные жидкости, которые могут гидролизоваться с образованием продуктов токсичных для клеток микроорганизмов, которые могут терять свою жизнеспособность. Недавно в качестве растворителей для биокатализа были предложены супер критические жидкости, например, супер критический углекислый газ. Такие жидкости получаются при критических значениях температуры и давления. Так, при температуре 25 град Цельсия и давлении 50 атмосфер СО2 находится в виде двух фаз – газовой и жидкой. При увеличении температуры плотность жидкой фазы снижается, при увеличении давлении плотность газовой фазы увеличивается. При критических значениях температуры и давления плотности обеих фаз выравниваются, и граница раздела фаз исчезает. Таким образом, образуется однофазная система, называемая супер критической. Для углекислого газа эти параметры: температура = 31 град Цельсия, и давление = 73 атмосферы. Именно в этих условиях осуществляют биотрансформацию.  Кроме СО2 могут использовать этан, этилен, 3-фторэтан, закис азота N2O, а также гексафторид серы. |