БІОТЕХНОЛОГІЯ - В. Г. Герасименко - 2006

Частина ІІ. Спеціальні біотехнології

РОЗДІЛ 10. ЗАСТОСУВАННЯ ІММОБІЛІЗОВАНИХ ФЕРМЕНТІВ У БІОТЕХНОЛОГІЇ

10.1.БІОТЕХНОЛОГІЯ ПЕРЕТВОРЕННЯ КРОХМАЛЮ НА ГЛЮКОЗУ

Глюкоза використовується як вихідна сировина для виробництва глюкозофруктозних сиропів, в органічному синтезі для одержання амінокислот і вітамінів, а також у медицині. Для одержання глюкози використовується дешева і доступна сировина - крохмаль.

Утворення глюкози з крохмалю - це двоступінчастий процес. На першому етапі під дією α-амілази з крохмалю утворюються декстрини невеликої молекулярної маси (олігоцукристі фрагменти) і певна кількість мальтози. На другому етапі під дією ферменту глюкоамілази від олігоцукристих фрагментів відщеплюються кінцеві залишки глюкози.

Для промислового виробництва α-амілазу одержують шляхом мікробного синтезу продуцентами Bacillis subtilis, грибами Aspergillus niger і A.oryzae. Для B.subtilis сполученням методів мутагенезу і селекції з методами генетичної інженерії було отримано штам, здатний до надсинтезу α-амілази, вихід якої у 200 разів перевершував вихідні форми. Доведено, що вихід цукристих речовин збільшується при підвищенні температури процесу гідролізу крохмалю. Японські дослідники отримали термостабільну α-амілазу шляхом введення в сінну паличку гена, який контролює синтез цього ферменту.

Перспективними продуцентами глюкоамілази є гриби з родин Rhizopus, Endomyces, Endomycopsis, а також бактерії із родин Aerobacter, Clostridium.

Технологічна схема одержання глюкози:

1. Желатинізація крохмалю при нагріванні (62-72 ^оС).

2. Декстринізація крохмалю за допомогою бактеріальної α-амілази (80-110°, рН 6,5-6,7).

3. Оцукрення декстринізованого крохмалю за участю грибної глюкоамілази (50-60°, рН 4-5). Одержання крохмальної патоки різного вуглеводного складу.

4. Очищення та одержання глюкозних сиропів. Кристалізація глюкози.

Лімітуючою ланкою у біотехнологічному процесі є третя стадія, проблема якої полягає в одержанні іммобілізованого препарату глюкоамілази, який би зберігав стабільність при параметрах технологічного процесу.

Процес одержання іммобілізованої α-амілази поки що не стоїть на порядку денному, тому що низька її вартість не викликає необхідності проведення регенерації ферменту.

У 1970-1980 рр. фірма «Корнінг Глас» продемонструвала першу пілотну установку з використанням глюкоамілази, іммобілізованої шляхом ковалентного приєднання до поверхні макропористого кремнезему. У реакційну колону висотою близько 2 м і діаметром 15 см подається 30% розчин частково гідролізованого крохмалю (декстрини), який протягом 9-хвилинного контакту з іммобілізованою глюкоамілазою перетворюється на глюкозний сироп. Для порівняння: час контакту розчинної глюкоамілази з декстринами для одержання глюкози - 724 хв. Протягом 80 днів роботи установки при 40 ^оС іммобілізована глюкоамілаза практично не інактивується. Однак до сьогодні промисловий процес одержання глюкози з використанням гетерогенного біокаталізатора не реалізований.

Основними перешкодами на шляху промислового освоєння процесу створення технології крупнотоннажного виробництва глюкозних сиропів за участю іммобілізованої глюкоамілази були такі обставини. По-перше, недостатньо висока стабільність одержаних препаратів іммобілізованої глюкоамілази при температурі пастеризації (60-65 ^оС); по-друге, зниження виходу глюкози на 7-10 % (90-93 %) при використанні іммобілізованого ферменту порівняно з нативним, який забезпечує конверсію крохмалю в глюкозу на рівні 98 %. Технологія може бути поставлена на комерційну основу за умови одержання стабільних препаратів з періодом інактивації тривалістю 3-4 тижні. Промислової установки з перетворення крохмалю у глюкозу з застосуванням іммобілізованої глюкоамілази поки що немає.

В результаті досліджень останнього десятиріччя з іммобілізації глюкоамілази на неорганічних матеріалах розроблені біокаталізатори з досить високою стабільністю іммобілізованої глюкоамілази (табл. 10.1). Глюкоамілаза, іммобілізована на попередньо оброблених частинках кістки свині, зберігала практично повністю первинну активність протягом 700 год роботи при температурі 37^о. На носіях, поверхня яких покрита каталітичним волокнистим вуглецем (КВВ), іммобілізована глюкоамілаза мала найбільшу стабільність. Активність іммобілізованого ферменту зростала на порядок порівняно з його активності у розчині. Іммобілізована глюкоамілаза не втрачала каталітичної активності через 1-1,5 роки зберігання при кімнатній температурі. Використання макроструктурованих КВВ-містких носіїв дозволило виготовити ефективні гетерогенні біокаталізатори складної геометричної форми (сотові моноліти, пористі пеноматеріали), які мали високу стабільність і активність у процесі оцукрення крохмалю. При періодичному функціонуванні при 50 ^оС протягом 8-8,5 міс. ці біокаталізатори практично повністю зберігали ферментативну активність.

Традиційно в біотехнологічному процесі одержання глюкози з крохмалю використовуються проточні біореактори з розміщенням гетерогенного біокаталізатора у вигляді нерухомого шару. Останнім часом розроблений принципово новий тип біокаталітичного реактора - роторно-інерційний біореактор (РІБ) на рівні лабораторного зразка (Коваленко Г.А. та ін., 2004). Його основним функціональним елементом є контейнер з закріпленим гетерогенним біокаталізатором, який обертається навколо своєї осі (рис. 10.1). Частота обертів контейнера складає від 3 до 170 об./хв; загальний об’єм контейнера - 1,2 л; об’єм біокаталізатора становив 360 м³. Температура в біореакторі підтримувалася на рівні 50-55 ^оС. Біокаталізатор отримували шляхом адсорбційної іммобілізації глюкоамілази на вуглецевовмісній пенокераміці.

Випробування показали, що біореактор нового типу (РІБ) в оптимальних умовах роботи (частота обертів контейнера не менше 80 об./хв, швидкість подачі субстрату не більше 0,2 л/год) в 1,5-2 рази ефективніший за продуктивністю, ніж традиційний реактор з нерухомим шаром. Активність біокаталізатора в 3-3,5 рази вища, ніж у традиційному реакторі.

Таблиця 10. 1.

Глюкоамілаза, іммобілізована на piзних носіях

(м Коваленко Г.А. та ін. 2002)

ГА-глутариновий альдегід

Рис. 10.1. Роторно-інерційний біореактор для гетерогенних біокаталітичних процесів

(Коваленко Г.А. та ін., 2004)