Damir Baranašić 5404/BT
Modul: Odabrana poglavlja zelene kemijeAk. god. 2008./2009.Koordinator modula: dr. sc. M. Jukić, doc.
1.1. Definicija
nanotehnologija� 1974. prvi put korištena riječ nanotehnologija (Norio
Taniguchi, Sveučilište u Tokiu)
� Sposobnost precizne izrade materijala u nanometarskojskali
� Današnja definicija: “Dizajniranje i proizvodnja
materijala, uređaja te kontroliranih sistema u
nanometarskim dimenzijama”
1.2. Podjela nanotehnologije
2.1. Karakteristike enzima kao biokatalizatora�Djelotvorni su katalizatori
�Razgradivi su
�Djeluju u blagim reakcijskim uvjetima
�Trebaju odgovarajuće reakcijske parametre
�Najveća aktivnost u vodi
�Podložni inhibiciji
2.2. Selektivnost enzima
�Kemoselektivnost
�Regioselektivnost i dijastereoselektivnost
�Enantioselektivnost
2.3. Prednosti i nedostaci izoliranih
enzima i čitavih stanica kao
biokatalizatoraIZOLIRANI ENZIMI ČITAVE STANICE
Prednosti Nedostaci Prednosti Nedostaci
Visoka koncentracija katalizatora
Ograničena stabilnost
Neograničena stabilnost
Nusreakcije
Nema energije održavanja
Ograničena reciklacijakofaktora (samo NADPH i ATP)
Reciklacijakofaktora uglavnom nepotrebna
Složeni radni postupak
Nema otpadne biomase
Potrebna obrada otpadaka
Nema nusreakcijaVišestupanjskiprocesi
Niska produktivnostJednostavan radni postupak
Enzimi iz različitih izvora
2.4. Usporedba mikrobne, enzimske
i organo-kemijske tehnologije
PROCESNI
PARAMETRI
TEHNOLOGIJA
MIKROBNA ENZIMSKAORGANSKO-KEMIJSKA
Katalizator Žive stanice Enzim Metal
Specifičinostreakcije
Ponekad Često Često
Uvjeti procesa Umjereni UmjereniUmjereni do
ekstremni
Sterilnost Obavezna Obavezna Nepotrebna
Prinos (%) 10 - 95 70 - 99 70 – 99
Važna stavkaCijena vode za
hlađenjeCijena enzima Cijena katalizatora
Glavni problemRegulacija
aktivnosti stanicaStabilnost enzima Toksičnost okoline
3.1. Prednosti i mane imobiliziranih biokatalizatoraPrednosti:
� višestruka primjena�mogućnost kontinuiranog vođenja procesa�mogućnost zaustavljanja reakcije i jednostavnog
uklanjanja biokatalizatora iz reakcijske smjese� reakcijska smjesa se ne kontaminira
biokatalizatorom�mogućnost stabilizacije enzima imobilizacijom
Mane:
� gubitak aktivnosti postupkom imobilizacije (pH, temperatura, kemijski postupak)
�mogućnost regeneracije koenzima ili izvora energije (ATP)
� u industriji se provode samo jednostavne reakcije kao što su hidroliza ili izomerizacija
� stupnjevite reakcije se provode samo s imobiliziranim stanicama
3.2. MaterijaliPolupropusna silika (MPS)� SiO2
� dolazi u različitim oblicima i veličinama pora
� veličine pora mogu biti izrađene po mjeri, a površina može biti funkcionalizirana
FUNKCIONALIZACIJA POVRŠINE:
Uloga grupa prisutnih na površini MPS-a:
1.mjenja se naboj površine zbog interacije sa enzimom tako da enzim ostane adsorbiran na površini MPS-a
2.kemijski se vežu sa amino grupom na enzimu
3.smanjuju veličinu pora tako da enzim ne može izaći iz nanoprostora
3.3. Metode imobilizacije enzima na MPS
1. Fizička adsorpcija
2. Ionsko (elektrostatsko) privlačenje
3. Kovalentnim vezanjem
4. Metalnim afinitetom (His6 – tag enzimi)
5. Umrežavanjem
6. Single enzyme nanoparticles (SENs)
Primjer kovalentnog vezanja enzima cikloadicijom na azidnu skupinu
Primjer metalno afinitetnog vezivanja
3.4. Stabilizacija enzima imobilizacijomRAZLIČITE “RAZINE” STABILIZACIJE ENZIMA
IMOBILIZACIJOM:
1. Radna stabilizacija enzima imobilizacijom na porozni nosač
2. Ukrućivanje enzima višestrukom kovalentnomimobilizacijom
3. Stabilizacija oligomernih enzima imobilizacijom više podjedinica
3.5. Smanjenje inhibicije imobilizacijskim postupcima1. Isključivanje inhibitora iz enzimskog
okruženja
2. Smanjenje afeniteta inhibitora za mjesto prepoznavanja na enzimu
Imobilizacija enzima u nanomaterijalima je tehnika koja se drži načela zelene kemije.
U našem je cilju i interesu da organsko-kemijsku sintezuupotpunosti zamjenimo biokataliktičkim procesima, iako to nikada nećemo moći učiniti.
Ukoliko to uspijemo živjeti ćemo u sigurnijem i zdravijem okolišu te ćemo također uštedjeti mnogo energije.
Za sada je imobilizacija enzima u nanomaterijalimatehnologija koja se još uvijek razvija, iako je već našla primjenu u industriji.
Kada bi uspjeli dovesti do toga da enzimski procesi budu ekonomski prihvatljiviji od organsko-kemijskih priroda će nam zahvaliti na slijedeći način...
Popis literature:1.Chia-Hung Lee, Tien-Sung Lin,Chung-Yuan Mou; Mesoporousmaterials for encapsulating enzymes2. Cesar Mateo, Jose M. Palomo, Gloria
Fernandez-Lorente, Jose M. Guisan , Roberto Fernandez-Lafuente; Improvement of enzyme activity, stability and selectivity viaimmobilization techniques
B. Šantek; predavanja iz biokemijskog inženjerstvaJ. Vorkapić-Furač; predavanja iz biotransformacijahttp://www.eminent-microtechnology.net/grafik.gif
http://pages.unibas.ch/colbas/ntp/
N03RA05.pdf
http://genomicsgtl.energy.gov/benefits/
smsammsenzyme.jpghttp://www.azom.com/work/
Z47W2k4cflP8Clsc0lv9_files/image003.jpg