Mục đích của việc cố định enzym là gắn đƣợc enzym lên chất mang nào đĩ để enzym cĩ thể tham gia xúc tác phản ứng nhiều lần. Quá trình cố định enzym gồm các bƣớc sau:
- Chọn chất mang phù hợp với enzym cần gắn vào nĩ. - Hoạt hố chất mang cho khả năng gắn tốt hơn.
- Tiến hành các kỹ thuật phù hợp để gắn enzym vào chất mang.
1.2.3.1. Vâ enzym
Vật liệu và phƣơng pháp cố định là hai yếu tố cĩ tính chất quyết định đến hiệu quả của quy trình cố định enzym. Trong đĩ, đặc điểm và tính chất của vật liệu cố định là cơ sở cho sự chọn lọc phƣơng pháp cố định enzym. Khơng cĩ vật liệu cố định nào thích hợp cho tất cả các loại enzym và cũng khơng cĩ enzym nào thích hợp với tất cả vật liệu cố định.
Yêu cầ ất mang cố định enzym:
Chất mang lý tƣởng sử dụng để cố định enzym phải rẻ. Điều này cĩ liên quan đến hiệu quả kinh tế của quy trình cơng nghệ, đặc biệt cĩ ý nghĩa khi quy trình đĩ đƣợc áp dụng ở quy mơ cơng nghiệp.
Chất mang phải cĩ tính chất cơ lý bền vững, ổn định để chịu đƣợc các điều kiện của mơi trƣờng nhƣ khuấy trộn, áp lực trong các quy trình sản xuất.
Chất mang phải bền vững về mặt hố học, khơng tan trong mơi trƣờng phản ứng. Chất mang phải bền vững với sự tấn cơng của các vi sinh vật khác.
Chất mang phải cĩ độ trƣơng nở lớn (độ trƣơng nở là khả năng chất mang hút nƣớc và trƣơng lên), diện tích bề mặt tiếp xúc lớn. Tính chất này vừa làm cho chất mang tăng khả năng cố định enzym, vừa làm tăng khả năng tiếp xúc của cơ chất với enzym cố định trong chất mang. Chất mang sử dụng trong kĩ thuật cố định enzym làm tăng số lần tái sử dụng của enzym.
1.2.3.2. i vật liệu cố định enzym Vật liệu vơ cơ:
Vật liệu vơ cơ thƣờng rất bền với mơi trƣờng xung quanh, cĩ cấu tạo dạng xốp, nhiều lỗ nên dễ hấp phụ enzym. Hơn nữa đây là loại vật liệu rẻ tiền và dễ kiếm.
Tuy nhiên, vật liệu vơ cơ thƣờng chỉ phù hợp với phƣơng pháp vật lý cịn phƣơng pháp hĩa học thì khĩ khăn hơn do nĩ ít các gốc hoạt động nên khĩ gắn.
Các vật liệu vơ cơ thơng dụng nhƣ thủy tinh xốp, các oxit kim loạ
ứng
dụng trong sản xuất cơng nghiệ . Ngồi ra cịn cĩ vật
liệu từ tính (magnetic material) cũng đang đƣợc nghiên cứu với nhiều ứng dụng.
Vật liệu hữu cơ:
Vật liệu hữu cơ dùng làm chất mang cố định enzym đƣợc chia làm hai hoại: polyme sinh học và polyme tổng hợp hĩa học. Chúng thƣờ : - NH2, -COOH, -OH, -SH… nên dễ kết gắn với enzym.
Chất mang là polyme tự nhiên:
Các polyme tự nhiên cĩ ƣu điểm là tính tƣơng thích sinh học cao với enzym và cĩ thể phân huỷ sinh học nhờ vi sinh vật. Nhƣng nhƣợc điểm của nĩ là độ bền với tác động mơi trƣờng khơng cao, đặc biệt các polyme sinh học rất dễ bị vi sinh vật xâm nhập và tấn cơng.
Các polyme tự nhiên thƣờng là polysaccharid (cellulose, agarose, dextran, sephadex…). Chitin và chitosan là một vật liệu polyme cĩ nhiều triển vọng trong cố định enzym. Chúng cĩ cấu trúc siêu lỗ, dễ tạo màng, tạo hạt, khả năng hấp phụ tốt, tính chất cơ lý bền vững, thƣờng dùng cố định qua cầu nối glutaraldehyd.
Chất mang là protein (gelatin, keratin…) dễ tạo màng và tạo hạt, cĩ nhĩm chức năng là nhĩm -NH2.
Hiện nay đang cĩ xu hƣớng ghép copolyme vớ
ải thiện tính chất cơ lý nhƣ tăng độ trƣơng nở, diện tích tiếp xúc… Tùy theo mục đích sử dụng và đối tƣợng nghiên cứu mà cĩ sự lựa chọn và phối hợp thích hợp.
Chất mang là polyme tổng hợp:
ới nhiề ật liệu nhƣ: polyacrylamid, polyeste, polyvinylalcohol, polyvinylacetat, polyacrylic, polystyren, polyethylen ghép
tồn trơ với sự tấn cơng của vi khuẩn, độ trƣơng nở tốt, một số polyme cĩ thể điều chỉnh đƣợc kích thƣớc siêu lỗ. Tuy nhiên vẫn cĩ hạn chế là giá thành cao (polyacrylic, polyacrylamid…), khả năng tƣơng hợp sinh học kém, gây ơ nhiễm mơi trƣờng do quá bền vững, khơng phân hủy trong tự nhiên.
1.2.3.3. Các phƣơng pháp cố định enzym
Dựa trên bản chất liên kết giữa enzym và chất mang cĩ thể xem nhƣ cĩ hai hình thức cố định enzym chủ yếu: cố định enzym thuận nghịch và cố định enzym khơng thuận nghịch.
Các phương pháp cố định enzym thuận nghịch: hấp phụ, liên kết ion, liên kết ion
kim loại hoặc chelat, liên kết ái lực, liên kết disulfit.
Hấp phụ: là phƣơng pháp đơn giản, dễ thực hiện nhất. Enzym gắn vào bề mặt
chất mang càng nhiều, khả năng tái sử dụng càng cao.
(CMC … Tuy
nhiên,
.
Phương pháp liên kết ion:dựa trên khả năng tạo liên kết ion giữa chất mang và enzym. Độ bền liên kết phụ thuộc vào pH, loại dung dịch đệm, lực ion. Chất mang thƣờng dùng: DEAE- Sephadex, Amberlite IRA, CMC, TEAE- cellulose…
Phương pháp liên kết kim loại: hoạt tính bề mặt chất mang đƣợc cải thiện bằng
những hợp chất kim loại, làm enzym gắn chặt hơn. Chất mang thƣờng dùng: cellulose, nhơm, silicagel…
Liên kết ái lực: tuy cĩ tính chọn lọc đặc biệt nhƣng giá thành cao.
Liên kết disulfid: tuy bền vững nhƣng dễ bị phá vỡ bởi phản ứng với tác nhân nhƣ dithiothreitol, hơn nữa khả năng phản ứng của nhĩm thiol phụ thuộc vào pH.
Các phương pháp cố định enzym khơng thuận nghịch: liên kết đồng hĩa trị, tạo vi
Phương pháp tạo liên kết đồng hĩa trị: dựa trên sự tƣơng tác đồng hĩa trị giữa enzym và chất mang. Phƣơng pháp này đƣợc ứng dụng rộng rãi trong quy mơ cơng nghiệp. Chất mang phải khơng tan trong nƣớc và nhĩm thể hiện hoạt tính của enzym khơng tham gia vào phản ứng gắn kết.
Phương pháp bắt giữ:
Phƣơng pháp bắt giữ enzym trong khuơn gel: dựa trên cơ sở tạo ra một mạng lƣới mà cơ chất và sản phẩm đi qua đƣợc nhƣng enzym khơng khuyếch tán vào mơi trƣờng đƣợc. Phƣơng pháp này cũng đã áp dụng thành cơng ở nhiều nƣớc. Các nguyên liệu thƣờng dùng: polyacrylamid, ydroxyethylmethacrylat, urethan prepolymer, polyvinyl alcohol, alginat, κ-carrageenan, fibroin, electropolymeization…
Phƣơng pháp giữ enzym trong hệ sợi: khả năng xúc tác phản ứn
nhƣ: acid, base, kim loại, dung mơi… Các sợi thƣờng dùng: cellulose acetat, polyvinyl alcohol fiber, PVC…
Phương pháp tạo vi nang bọc enzym: hầu nhƣ k
-
. Phƣơng pháp này thích hợp cho cố định một hệ đa enzym xúc tác cho một dãy các phản ứng. [2, 3, 20].