Иммобилизация - ключ к использованию ферментов в промышленности

Стоимость ферментов по-прежнему относительно высока. Поэтому логично, что в промышленности для их стабилизации и многократного применения, по-видимому, могут оказаться пригодными те же самые рациональные методы, что и в живой клетке. С этой целью ферменты стали связывать с искусственными веществами-носителями и мембранами или заключать в гели. Такие более или менее прочно связанные ферменты становятся неподвижными и называются иммобилизованными или фиксированными на носителе ферментами. Трудно сказать, что первоначально больше привлекало ученых в иммобилизованных ферментах - надежда познать механизмы ферментативного катализа в клетке или возможности промышленного применения ферментов. В настоящее время оба направления развиваются очень успешно.

Иммобилизованные ферменты можно использовать многократно. Благодаря связыванию с крупными молекулами носителей удается с помощью простых механических операций (например, путем фильтрования) выделять ферменты из реакционной среды. Разработаны многочисленные методы иммобилизации. На рис. 30 показаны 5 важнейших из них. Ферменты могут связываться с носителем химически (ковалентно), а также физически - путем адсорбции или путем закрепления на носителе за счет электростатических взаимодействий. Под действием специальных реагентов молекулы ферментов могут соединяться между собой (образуя "сеть"). Их удается также механически заключать в гели или микрокапсулы. Путем иммобилизации можно повлиять на характерные свойства того или иного фермента, например его активность, стабильность, оптимальную рабочую температуру, оптимальное значение рН, а также способность связываться с субстратом.

Рис. 30. Пять основных способов иммобилизации ферментов

Промышленные методы получения иммобилизованных ферментов должны быть простыми и относительно дешевыми, а получаемые иммобилизованные ферменты иметь высокую удельную активность (ферментативная активность, отнесенная к массе носителя) и обладать большой стабильностью при функционировании. Иммобилизованные ферменты используются в различных ферментативных реакторах, основные типы которых - колоночный реактор и реактор с мешалкой (рис. 31).

Рис. 31. Типы ферментных реакторов (очень упрощенно)

Технологические и экономические преимущества иммобилизованных ферментов по сравнению с растворимыми ферментами очевидны. Иммобилизованные ферменты можно использовать многократно, направленно менять их химические и физические свойства. Часто они стабильней в более широком интервале рН и при более высоких температурах, чем растворимые ферменты. Кроме того, конечные продукты процессов не содержат ферментов. Однако внедрение иммобилизованных ферментов в промышленности шло не столь быстрыми темпами, как предполагалось вначале. Лишь некоторые из них стали успешно использоваться.

В чем же причина этого? Дело в том, что многие проекты начали разрабатываться без тщательного предварительного изучения потребностей уже существующего промышленного производства, спроса и предложения рынка. Ведь если, например, для получения какого-то определенного вещества промышленность уже выпускала в товарном количестве достаточно дешевые растворимые ферменты или уже были освоены какие-то другие процессы, то новые ферментные технологии с использованием иммобилизованных ферментов заранее обречены на неудачу. Следует учесть и такое осложняющее обстоятельство, что сырье для многих технологических процессов бывает плохо очищенным, грубозернистым и поэтому может сразу засорять фильтры ферментативных реакторов. По этой простой причине в определенных процессах можно использовать лишь растворимые ферменты.

Однако новые возможности успешного применения иммобилизованных ферментов открываются с учетом таких их свойств, как активность и стабильность. Что для этого необходимо, очевидно на примере иммобилизованных форм глюкозоизомеразы и пенициллинамидазы.