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Mikroverkapselung

Verwendung - Biotechnologie: Immobilisierte Biokatalysatoren

Abb.1
Mikrokapseln
Follmann & Co. GmbH

Bei zahlreichen biotechnologischen Verfahren in der chemischen Industrie werden Enzyme eingesetzt. Deren Herstellung ist in vielen Fällen so aufwändig und so teuer, dass es unrentabel wäre, diese Enzyme nach einem ersten Einsatz zu entsorgen. Einen Ausweg bietet hier die Immobilisierung dieser Biokatalysatoren, bei der die Enzyme in eine katalytisch aktive, aber unlösliche Form gebracht werden. In dieser Form können sie später vom Medium abgetrennt und mehrfach für die Katalyse eingesetzt werden.

Für eine Immobilisierung eignen sich nicht nur Enzyme, sondern auch ganze Zellen oder Zellorganellen. Sie können in semipermeablen Kapseln aus Polyacrylamid oder Alginaten eingeschlossen werden. Beispiele für dieses biotechnologische Verfahren sind die Herstellung von Ethanol oder Acrylamid, für die eine ganze Reihe von zellulären Enzymen notwendig ist.

Tab.1
Typische Anwendungsgebiete für immobilisierte Biokatalysatoren
OrganismusEnzymAnwendung
Bacillus-Artenβ-GalactosidaseHydrolyse von Lactose
Brevibacterium flavum FumaraseUmwandlung von Fumarat in Malat
Escherichia coli AspartaseProduktion von L-Aspartat aus Ammoniumfumarat
Saccharomyces cerevisiae Enzyme der Glycolyse und der alkoholischen GärungProduktion von Ethanol
Streptomyces albus Glucose-IsomeraseProduktion von Isomeratzucker
Rhodococcus rhodochrous Nitril-HydrataseProduktion von Acrylamid

Methoden der Immobilisierung: Immobilisierung durch Kopplung

Es gibt zahlreiche Methoden, wie Biokatalysator und Trägermaterial miteinander verbunden werden. Bei dem Adsorptionsverfahren werden die Enzyme an inerte oder elektrisch geladene organische oder anorganische Trägermaterialien gekoppelt. Die Wechselwirkung zwischen Enzym und Träger erfolgt dabei vorwiegend über Van-der-Waals-Kräfte, aber auch hydrophobe Wechselwirkungen und Wasserstoff-Brückenbindungen spielen eine Rolle. Technisch ist diese Art der Kopplung leicht durchzuführen, sie hat aber den Nachteil, dass die Bindung nur schwach ist und unter Umständen bei einer Änderung der Substrat- und/oder Ionenkonzentration eine Desorption erfolgt.

Bei der kovalenten Trägerbindung werden die Enzyme über ihre Carboxy-, Hydroxy-, Sulfid- oder sekundären Amino-Gruppen an reaktive Gruppen des Trägermaterials gekoppelt. Mitunter sind zwischen Enzym und Träger noch längere Molekülketten (spacer) eingeschoben, die den Abstand des Enzyms von der Trägeroberfläche vergrößern. Ein Vorteil dieser Methode liegt in der größeren Beweglichkeit durch den langen spacer-Arm, der oft auch eine höhere enzymatische Aktivität ermöglicht. Aktivitätsverluste treten allerdings dann auf, wenn die Kopplungsreaktion die räumliche Gestalt des Enzyms verändert. Typische Trägermaterialien für die kovalente Kopplung sind beispielsweise:

  • natürliche Polymere wie Cellulose, Dextran oder Sepharose,
  • synthetische Polymere wie Polyacrylamid, Polyamide oder Nylon
  • oder anorganische Träger wie Glas, poröse Kieselerde oder Silichrome.

Biokatalysatoren können auch über eine Quervernetzung z.B. mit Glutaraldehyd direkt zu polymeren Aggregaten verbunden werden, die aber nicht formstabil sind und nur in Rühr- oder Fließbettreaktoren eingesetzt werden können.

Bei der Einschlussimmobilisierung werden die Enzyme in Polymere mit gelartiger Struktur eingebettet. Durch Trocknung können diese Hüllen aushärten und erhalten so zumindest eine gewisse Formstabiltiät.

Immobilisierung durch Einschluss

Die Einschlussimmobilisierung ist ein spezielles Verfahren zur Immobilisierung von Biokatalysatoren. Enzyme, Zellen oder Zellorganellen sind hier in eine gelartige Matrix aus z.B. Alginat, Agar, Gelatine oder Pektinaten eingebettet. Die Substrate und Produkte der enzymatischen Reaktion können die Matrix weitgehend ungehindert passieren. Die Größe der diffundierenden Moleküle wird durch den Vernetzungsgrad des Polymers und die damit verbundene Porengröße limitiert: Für hochmolekulare Substrate bzw. Produkte ist dieses Verfahren nicht geeignet. Ein weiteres Problem bei dieser Methode ist die oft nur geringe Formstabilität der Partikel, die bei einem Einsatz in Festbettreaktoren unter hohem Druck zu Verlusten führen kann.

Varianten der Einschlussimmobilisierung sind die Liposomentechnik (Verkapselung in Lipidmembranen) und die Mikroverkapselung. Bei der Mikroverkapselung werden Enzyme, Zellen oder Zellorganellen mit einer semipermeablen polymeren Membran aus z.B. Polylysin umhüllt. Für Enzyme können auch Membranen aus Epoxidharzen oder Polyacylamid verwendet werden, die für lebende Zellen aber aufgrund der Toxizität der Polymere nicht geeignet sind. Die Produktion sekundärer Naturstoffe in Pflanzenzellen, die oft sehr komplexe Stoffwechselwege erfordert, wird fast ausschließlich in Mikrokapseln durchgeführt. Auch für die Produktion von therapeutisch wirksamen Proteinen (Interferone, Interleukine), Viren oder Impfstoffen werden neben Zellsuspensionskulturen häufig mikroverkapselte Tierzellen eingesetzt.

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