إنزيمات صناعية

على الرغم من القدرات التحفيزية القوية للإنزيمات فإنه يجب تحسينها وتحسين خصائصها قبل التنفيذ الصناعي في كثير من الحالات، فبعض خصائص الإنزيمات التي يجب تحسينها قبل التنفيذ هي الاستقرار، والنشاط، والتثبيط بواسطة منتجات التفاعل، والانتقائية للمواد غير الطبيعية، ويمكن تحقيق ذلك من خلال تجميد الإنزيمات على مادة صلبة، مثل الدعم المسامي.

فتجميد الإنزيمات يبسط إلى حد كبير مفهوم عملية الاسترداد، ويعزز التحكم في العملية، ويقلل من تكاليفها، كما أن هناك العديد من تقنيات الترشيح، مثل الامتزاز، والترابط التساهمي، والانجذاب كيميائي والانحباس، ويجب الابتعاد عن استخدام الكواشف عالية السمية في عمليات التجميد المثالي لضمان استقرار الإنزيمات، فبعد اكتمال عملية الجمود تُدخَل الإنزيمات في وعاء التفاعل للتحفيز الحيوي.

امتزاز (ادمصاص) الإنزيمات على نواقل يعتمد على الظواهر الكيميائية والفيزيائية مثل روابط فان دير فال، والروابط الأيونية، والروابط الهيدروجينية، وهذه القوى ضعيفة لأنها لا تؤثر في هيكل الإنزيم، ويمكن استخدام مجموعة واسعة من ناقلات الإنزيم، واختيار الناقل يعتمد على مساحة السطح، وحجم الجسيمات، وهيكل المسام، ونوع المجموعة الوظيفية.

يمكن استخدام العديد من الروابط الكيميائية لإلصاق إنزيم على سطح بدرجات متفاوتة، وتشمل تقنيات الروابط التساهمية الأكثر نجاحاً الارتباط عبر غلوتارلديهايد بالمجموعات الأمينية (glutaraldehyde to amino groups) وهدروكسيسوسينيد الإستيرات (N-hydroxysuccinide esters)، وتحدث هذه التقنيات في درجات الحرارة المحيطة في ظروف معتدلة، والتي لها إمكانات محدودة في تعديل هيكل الإنزيم ووظيفته.

تجميد الإنزيمات باستخدام الانجذاب يعتمد على خصوصية الإنزيم في الارتباط، حيث يرتبط كل إنزيم في مادة معينة له ويشكل مركب الإنزيم والمادة المتفاعلة (enzyme-ligand complex)، ثم يتم إدخال هذا المركب في قالب داعم، وتكون المادة الفعالة قابلة للارتباط به، أما الإنزيم فيجمد من خلال الروابط مع المادة الفعالة.

يعتمد التجميد باستخدام الانحباس على محاصرة الإنزيمات داخل المواد الهلامية أو الألياف، وذلك باستخدام الروابط غير التساهمية، وتشمل الخصائص التي تحدد المواد المستخدمة في الانحباس: مساحة السطح العالية، وتوزيع المسام الموحد، وحجم المسام القابل للضبط، وقدرة الامتصاص العالية.

تشكل الإنزيمات عادة تكلفة كبيرة للعمليات الصناعية، ويجب في حالات كثيرة استردادها وإعادة استخدامها لضمان الجدوى الاقتصادية للعملية، وعلى الرغم من أن بعض عمليات التحفيز الحيوي تعمل باستخدام المذيبات العضوية، فإن معظم العمليات تحدث في البيئات المائية، حيث تحسن سهولة الانفصال.

وتحدث معظم العمليات التحليلية الحيوية دفعة واحدة، تميزها عن العمليات الكيميائية التقليدية، ونتيجة لذلك تستخدم العمليات الحيوية النموذجية تقنية الفصل بعد التحول الأحيائي، وفي هذه الحالة قد يسبب تراكم المنتج تثبيط نشاط الإنزيم، وتُجرى البحوث الجارية لتطوير تقنيات الفصل في الموقع، حيث يزال المنتج من الدفعة أثناء عملية التحويل، وتُفصل الإنزيمات من خلال تقنيات استخراج الصلب والسائل مثل الطرد المركزي أو الترشيح، ويُصب المحلول الذي يحتوي على المنتج في اتجاه التيار في عملية فصل المنتج.

هي العمليات التي تساهم في توليد الإنزيم.

يجب اختيار الإنزيم بناء على التفاعل المطلوب، ثم يحدد هذا الإنزيم الخصائص المطلوبة، مثل درجة الحموضة، ودرجة الحرارة، والنشاط، والانجذاب.

اختيار مصدر الإنزيمات هو خطوة مهمة في إنتاجها، ومن الشائع دراسة دور الإنزيمات في الطبيعة، وكيفية اتصالها بالعملية الصناعية المطلوبة، والإنزيمات الأكثر شيوعاً هي من خلال البكتيريا والفطريات والخميرة، وبمجرد اختيار مصدر الإنزيم يمكن إجراء تعديلات وراثية لزيادة التعبيرعن الجين المسؤول عن إنتاج الإنزيم.

يتم تنفيذ عملية التطويرعادة بعد التعديل الجيني للكائن المصدر، وتتضمن تعديل الوسط وظروف النمو، وفي كثير من الحالات تهدف عملية التطوير إلى الحد من تحلل المادة الوراثية والتحلل البروتيني.

ويتطلب توسيع إنتاج الإنزيم استخدام عملية التخمير، فتُنتج معظم الإنزيمات تحت الظروف الهوائية، ونتيجة لذلك تتطلب إدخال الأكسجين بشكل مستمر، مما يؤثر في تصميم جهاز التخمير، ونظراً للاختلافات في توزيع الأكسجين المذاب، وكذلك درجة الحرارة، ودرجة الحموضة، والمواد المغذية، يجب النظر في ظواهر النقل المرتبطة بهذه المعايير، فتتحقق أعلى إنتاجية ممكنة من المخمرة عند أقصى قدرة نقل للمخمرة.

العمليات مع التيار هي تلك التي تسهم في فصل أو تنقية الإنزيمات.

إجراءات عملية الاسترداد للإنزيم تعتمد على الكائن المصدر، وما إذا كانت الإنزيمات داخل الخلايا أو خارجها، وعادة تتطلب الإنزيمات داخل الخلايا تحلل الخلايا وفصل الخلائط الكيميائية الحيوية المعقدة، والإنزيمات الخارجية يتم تحريرها في الوسط، وهي أبسط بكثير للفصل.

وعلى الإنزيمات الحفاظ على التركيب الأصلي لها لضمان قدرتها التحفيزية، وبما أن الإنزيمات حساسة جداً لدرجة الحموضة، ودرجة الحرارة، والقوة الأيونية للوسط، فإنه يجب استخدام ظروف عزلة معتدلة.