Уникальность
Реферат на тему: Биокатализ
Аа
32767 символов
Химия

Биокатализ

Введение

Актуальность работы. Биокатализ - одна из перспективных отраслей биотехнологии, широко используемая в промышленности, сельском хозяйстве, тонком органическом синтезе, медицинской диагностике и экологической практике. Для разработки лекарственных препаратов на основе ферментов используют углеродные сорбенты, которые могут проявлять как собственную каталитическую активность, так и служить носителями для иммобилизации ферментов. Эффективность углеродных биокатализаторов зависит от природы сорбента, его структурно-сорбционных свойств и химии поверхности. Знание этих особенностей необходимо для создания сорбентов направленной терапевтического действия, а также разработке биокатализаторов на основе ферментов, иммобилизованных на поверхности твердых тел, для биотехнологических процессов и потребностей биосенсорике.
Объект исследования: Биокатализ
Предмет исследования: процесс использования биологических систем для ускорения химических реакций.
Цель работы: рассмотреть основы биокатализа
Для осуществления поставленной цели необходимо решить задачи:
- рассмотреть биокатализ и его основы;
- описать промышленный биокатализ;
- проанализировать биокатализ в производстве лекарственных средств;
- выявить перспективы развития биокаталитических технологий
1 Биокатализ и его основы
Ферментативный катализ - это вид химического катализа, который происходит под действием природных макромолекул как в живой клетке, так и вне ее.
Первое исследование ферментативного катализа как химического процесса было проведено К. Кирхгоф, который в 1814 году продемонстрировал ферментативное превращение крахмала в растворимые углеводы. в конце xix века Э. Фишер выдвинул гипотезу о специфичности ферментативных реакций и тесном историческом соответствии между субстратом и активным центром фермента. Основы кинетики ферментативных реакций были заложены в работах Л. Михаэлиса (1913).
В ХХ веке происходит интенсивное изучение химических основ ферментативного катализа, получение ферментов в кристаллическом состоянии, изучение структуры белковых молекул и их активных центров, изучение большого числа специфических ферментативных реакций и ферментов.
В простейшем случае уравнение реакции с участием фермента имеет вид:
где e-фермент, s-субстрат, es-комплекс фермент-субстрат (t), p-продукт реакции. часто субстрат образует ковалентные связи с функциональными группами активного центра, в том числе и с коэнзимом. большое значение в механизмах ферментативных реакций имеет основной и кислотный катализ, который реализуется за счет присутствия имидазольных групп гистидиновых остатков и карбоксильных групп дикарбоновых аминокислот.
Важнейшими характеристиками биокатализа являются эффективность, специфичность и чувствительность к регуляторным воздействиям. Ферменты увеличивают скорость химического превращения субстрата по сравнению с неферментативной реакцией в 109-1012 раза. Так, если процесс под действием какого-либо фермента протекает в течение одной секунды, то такая же реакция под действием "классического" химического катализатора иона водорода займет 200 тысяч лет! Такая высокая эффективность обусловлена особенностями строения активного центра.
Большинство ферментов обладают высокой субстратной специфичностью, то есть способностью катализировать превращение только одного или нескольких сходных по структуре веществ. Специфичность определяется топографией активного участка, связывающего субстрат.
Ферментативные реакции чувствительны к внешним условиям, в частности к ионной силе раствора и рН среды, температуре, и регулируются многочисленными ингибиторами и активаторами, присутствующими в организме. Ингибиторами и активаторами могут быть сами субстраты, продукты реакции, а также конечные продукты в цепи последовательных превращений вещества. Фундаментальные исследования и практические работы последних десятилетий привели к тому, что ферменты стали наиболее распространенными, наиболее доступными и наиболее изученными катализаторами, обеспечивающими развитие многих областей химии, медицины, экологии, возобновляемой энергетики.
Преимущества биокатализа обусловлены уникальными свойствами ферментов, используемых в качестве биокатализаторов для различных превращений. В отличие от традиционных катализаторов, используемых в химии, биокатализаторы способны работать в мягких условиях (низкие температуры, нейтральная водная среда) с высокой специфичностью, а также выполнять стерео - и регионоспецифические реакции. Практика промышленного применения показала, что в целом биокаталитические процессы экологически безопаснее традиционных химических процессов. Биокатализаторы получают из возобновляемых источников сырья, и после использования они легко разлагаются в окружающей среде. Как правило, применение биокатализаторов приводит к снижению выбросов и отходов (ионов металлов, различных солей, растворителей и др.).
Долгое время биокатализ рассматривался только как перспективное перспективное направление органического синтеза. Новая концепция органической химии, получившая название "Зеленая химия", кардинально изменила отношение химиков к биокатализу. Стало очевидно, что биокаталитические процессы полностью соответствуют принципам "зеленой химии". Это позволяет рассматривать биокатализ как экологически чистую альтернативу традиционным химическим технологиям.
Настоящий обзор посвящен анализу промышленно значимых процессов биотрансформации, используемых в реальном производстве, а также обсуждению перспектив развития биокатализа в органическом синтезе, в том числе и в России.
В химической промышленности существует два вида производства, различающихся по масштабам и видам продукции: крупномасштабное производство основного органического синтеза и мелкосерийное производство тонкого органического синтеза. К первому типу относится производство продуктов первичной переработки углеводородного сырья, которые характеризуются низкой скоростью и низкой ценой конечного продукта. Важнейшими продуктами основного органического синтеза являются синтетические углеводороды (этилбензол, толуол, стирол, бутадиен и др.), спирты и фенолы, альдегиды и кетоны, сложные эфиры, карбоновые кислоты, нитрилы и др.
В тонком органическом синтезе в качестве сырья используются продукты основного органического синтеза. Второй тип производства характеризуется многоступенчатостью, относительно высокими удельными энергозатратами и трудозатратами, часто обусловленными низкой производительностью на единицу объема реакторов, значительным количеством отходов, сложностью решения экологических вопросов и др. Важнейшими продуктами тонкого органического синтеза являются красители, лекарственные средства, текстильные вспомогательные и ароматические вещества, добавки к полимерным материалам, реагенты и др. Учитывая особенности двух типов процессов органического синтеза, становится ясно, что перспективы внедрения биокатализа в основной и тонкий органический синтез существенно различаются.
2. Промышленный биокатализ
Исторически биокатализ получил более широкое применение в фармацевтической промышленности, развиваясь в ответ на запросы фармацевтической промышленности об оптически активных изомерах. По данным Международного Строительного информационного общества (ICIS), рынок оптически активных молекул в 2002 году составлял 7 миллиардов долларов и в настоящее время растет на 10% ежегодно [1]. Этому способствовало решение регулирующих органов США и ЕС (Us Food and Drug Administration и European Committee for Proprietary Medicine Products), которое требует, чтобы физиологический эффект каждого энантиомера фармацевтического продукта характеризовался индивидуально.
Протеиногенные и небелковые аминокислоты. Большинство аминокислот, входящих в состав белков, вырабатываются сегодня микробной ферментацией сахаров. только две аминокислоты-l-аспарагиновая кислота и l-аланин-получают путем биотрансформации [2]. синтез l-аспарагиновой кислоты из фумаровой кислоты и аммиака осуществляется с помощью фермента аспартат-аммиачной лиазы (аспартазы). Биокатализатором, используемым в этом процессе, являются бактериальные клетки E. coli, иммобилизованные на полиазетидине [3]. 208-литровая колонна биокатализатора способна производить 1600 тонн аспарагиновой кислоты в год при круглосуточной работе в течение 330 дней

Зарегистрируйся, чтобы продолжить изучение работы

Больше рефератов по химии:

Белки

Аа
4459 символов
Химия
Уникальность

Получение нанозвезд из золота

Аа
15523 символов
Химия
Уникальность

Механизмы защиты от АФК (активных форм кислорода)

Аа
17196 символов
Химия
Уникальность
Все рефераты по химии

Закажи реферат

Наш проект является банком рефератов по всем школьным и студенческим предметам. Если вы не хотите тратить время на написание рефератов по ненужным предметам или ищете реферат в качестве базы для своей работы – он есть у нас.