工業用酵素

工業用酵素は、医薬品、化学製品、バイオ燃料、食品および飲料、消費財など、さまざまな業界で商業的に使用されている酵素です。近年の進歩により、単離酵素による生体触媒は、全細胞を使用するよりも経済的であると考えられています。酵素は、プロセス内の単位操作として使用して目的の製品を生成する場合もあれば、目的の製品である場合もあります。酵素による工業用生物学的触媒は、穏やかな条件で動作できること、および従来の化学プロセスにはない優れたキラル特異性および位置特異性により、近年急速に成長しています。 ^[1]単離酵素は、通常、加水分解反応および異性化反応に使用されます。全細胞は、通常、反応に補因子が必要な場合に使用されます。補因子はin vitro で生成できますが、代謝活性細胞を使用する方が通常は費用対効果が高いです。^[1]

酵素は優れた触媒能力を持っていますが、多くの場合、産業化する前に酵素とその特性を改善する必要があります。酵素の導入前に改善する必要がある側面には、安定性、活性、反応生成物による阻害、非天然基質に対する選択性などがあります。これは、多孔質支持体などの固体材料への酵素の固定化によって実現できます。^[2] 酵素の固定化により、回収プロセスが大幅に簡素化され、プロセス制御が強化され、運用コストが削減されます。吸着、共有結合、親和性、捕捉など、多くの固定化技術が存在します。^[3]理想的な固定化プロセスでは、酵素の安定性を確保するために、固定化技術で毒性の高い試薬を使用しないでください。^[4]固定化が完了すると、酵素は生体触媒反応のために反応容器に導入されます。

酵素の担体への吸着は、ファンデルワールス力、イオン相互作用、水素結合などの化学的・物理的現象に基づいて機能します。これらの力は弱いため、酵素の構造には影響しません。さまざまな酵素担体を使用できます。担体の選択は、表面積、粒子サイズ、細孔構造、官能基の種類によって異なります。^[5]

酵素を表面に接着させるには、さまざまな結合化学反応が用いられますが、成功の度合いはさまざまです。最も成功している共有結合技術には、グルタルアルデヒドを介したアミノ基およびN-ヒドロキシコハク酸エステルへの結合があります。これらの固定化技術は、室温で穏やかな条件で行われるため、酵素の構造と機能を変更する可能性は限られています。^[6]

親和性を利用した固定化は、酵素の特異性を利用して、親和性リガンドを酵素に結合させ、共有結合した酵素-リガンド複合体を形成する。複合体は、リガンドが結合親和性が高い支持マトリックスに導入され、酵素はリガンド-支持相互作用によって固定化される。^[3]

捕捉による固定化は、非共有結合相互作用を利用してゲルまたは繊維内に酵素を捕捉することに依存しています。捕捉材料を成功させる特徴としては、高い表面積、均一な細孔分布、調整可能な細孔サイズ、および高い吸着容量などがあります。^[3]

酵素は、通常、工業プロセスにとって大きな運用コストを占め、多くの場合、プロセスの経済的実現可能性を確保するために回収して再利用する必要があります。一部のバイオ触媒プロセスは有機溶媒を使用して動作しますが、ほとんどのプロセスは水性環境で行われるため、分離が容易になります。^[1]ほとんどのバイオ触媒プロセスはバッチで行われるため、従来の化学プロセスとは異なります。その結果、一般的なバイオプロセスでは、バイオコンバージョン後に分離技術が採用されています。この場合、生成物の蓄積により酵素活性が阻害される可能性があります。変換プロセス中にバッチから生成物が除去される、 in situ分離技術の開発に向けた研究が進行中です。酵素の分離は、遠心分離や濾過などの固液抽出技術によって達成され、生成物を含む溶液は下流に供給されて生成物を分離します。^[1]

酵素を工業化するには、次のような上流および下流の酵素生産プロセスが考慮されます。

上流プロセスは、酵素の生成に寄与するプロセスです。

酵素は、目的とする反応に基づいて選択する必要があります。選択された酵素は、pH、温度、活性、基質親和性などの必要な操作特性を定義します。^[12]

酵素の供給源の選択は、酵素生産の重要なステップです。自然界における酵素の役割と、それが目的の工業プロセスとどのように関係しているかを調べることは一般的です。酵素は、細菌、真菌、酵母から最も一般的に供給されます。酵素の供給源が選択されると、酵素を生成する遺伝子の発現を高めるために遺伝子組み換えが行われる場合があります。^[12]

プロセス開発は通常、原料生物の遺伝子組み換え後に行われ、培養培地や成長条件の改変を伴います。多くの場合、プロセス開発はmRNAの加水分解とタンパク質分解を減らすことを目的としています。^[12]

酵素生産のスケールアップには発酵プロセスの最適化が必要です。ほとんどの酵素は好気条件下で生産されるため、一定の酸素供給が必要となり、発酵槽の設計に影響を及ぼします。溶存酸素の分布、温度、pH、栄養素の変動により、これらのパラメータに関連する輸送現象を考慮する必要があります。発酵槽の生産性は、発酵槽の最大輸送能力で最大限に高められます。^{[12] [13]}

下流プロセスは、酵素の分離または精製に寄与するプロセスです。

酵素回収の手順は、原料生物と、酵素が細胞内か細胞外かによって異なります。通常、細胞内酵素は細胞溶解と複雑な生化学的混合物の分離を必要とします。細胞外酵素は培養培地に放出され、分離がはるかに簡単です。酵素は、触媒能力を確保するために、本来の立体構造を維持する必要があります。酵素は培地の pH、温度、イオン強度に非常に敏感であるため、穏やかな分離条件を使用する必要があります。^[12]

酵素の用途に応じて、異なるレベルの純度が要求されます。例えば、診断目的で使用される酵素は、誤った結果をもたらす触媒活性を防ぐために、バルク工業用酵素よりも高い純度に分離する必要があります。治療目的で使用される酵素は通常、最も厳密な分離が必要です。最も一般的には、クロマトグラフィーステップの組み合わせが分離に使用されます。^[12]

精製された酵素は、純粋な形で他の産業に販売されるか、または消費財に添加されます。

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