Bioteknik — teknisk biokemi

av Tor-Magnus Enari Forum 1973-10, sida 13-14, 30.05.1973

Taggar: Teman: bioteknik

Bioteknik — teknisk biokemi

Av prof Tor-Magnus Enar + Biokemin är de levande organismernas kemi och då alla biokemiska reaktioner katalyseras av enzymer är det naturligt att enzymologin intar en central plats i den biokemiska forskningen. Biokemins historia räknar man vanligen från påvisandet av de enzymatiska reaktionerna under första hälften av 1800talet. Man kom snart underfund med att enzymerna inte verkar isolerat från varandra utan bildar reaktionskedjor.

• De enzymatiska reaktioner och enzymer man först undersökte var naturligt nog lösliga. Dessa enzymer, som finns i lösning i cytoplasmat inne i cellen, bildar vanligtvis kataboliska, dvs nedbrytande och energiproducerande reaktionskedjor. Exempel på sådana är alkoholjäsningen och mjölksyrabildningen. En annan grupp enzymer man tidigt observerade och kunde undersöka är de hydrolytiska enzymer som utsöndras ur cellerna. Sådana är matsmältningsenzymerna pepsin, trypsin och chymotrypsin samt någ enzymer i växtsafter såsom papain. + Den nyare biokemiska forskningen har i hög grad koneentrerats dels på de energiproducerande enzymsystem som är bundna vid cellpartiklarna, tex mitokondrierna, dels på de biosyntetiska systemen för produktion av enzymer och andra proteiner.

e Den teoretiska biokemiska forskningen har nått långt när det gäller att förklara hur den levande cellen fungerar, men biokemin har också alltid varit nära bunden till olika praktiska tillämpningar. Den vetenskapliga biokemin fick sin början inom jäsningsforskningen. Pasteur med sina undersökningar av öl- och vinjäsningarna var en av banbrytarna. Snart följde tillämpningar inom medicinen, livsmedelspröttuktionen och jordbruket.

Forum 10/197 e Den biotekniska industrin är en processindustri som använder biologiska system, vanligen mikroorganismer, för att utföra processen. Den biotekniska industrins produkter kan uppdelas i tre grupper — drycker och livsmede — mikrobmass — kemikalier

Alkoholdrycker och livsmedel

Framställningen av jäsningsprodukter för användning som alkoholdrycker och livsmedel har traditioner från förhistorisk tid. Vin och öl, surmjölk och ost är produkter vilka framställts enligt gamla traditionella hantverksmetoder. Långsamt har denna tillverkning utvecklats till en modern processindustri. De gamla traditionerna har verkat hämmande på utvecklingen och den nyare biotekniska industrin, främst antibiotikaframställningen, har varit banbrytare också för den traditionella jäsningsindustrin.

Mikrobmassa

Bagerijäst och vacciner är välkända produkter i denna grupp. På detta område kan Finland uppvisa en specialitet. Den enda fabrik i världen som producerar bagerijäst med sulfitavlut som närlösning finns i Björneborg. Foderjäst framställer man däremot i flere länder med sulfitavlut som råmaterial. Vid odling av jäst behöver man en närlösning som innehåller en kolkälla som samtidigt är energikälla, en kvävekälla samt nödvändiga mineralämnen och vitaminer, Sulfitavluten innehåller förjäsbart socker och måste kompletteras med en lämplig kväveförening (t ex ammoniumsulfat) och mineralämnen samt vitaminer. Vid odling av foderjäst är utbytet den viktigaste faktorn, medan man vid odling av bagerijäst måste fästa uppmärksamhet också vid jästeris hållbarhet och jäskraft. Det kan därför förefalla märkligt att man i Finland framställer bagerijäst men inte foderjäst.

Orsaken har varit att foderproteinets världsmarknadspris vari 13

Tabell 1. Biotekniska industriprodukte p Biologiskt Lösningsmedel Syror aktiva ämnen Etanol Ättiksyra Antibiotika Butanol Mjölksyra Vitaminer Aceton Citronsyra Enzymer Glycerol Glukonsyrå Aminosyror 1,2-propandiol Itakonsyra Hormoner

Tabell 2. Enzymer som framställs industriellt

Djur Växter | Jäst | Mögel | Bakterier pepsin malt- invertas amylas amylas trypsin amylas galakto- amyloglu- proteas chymo- papaln sidas kosidas glukanas trypsin bromelin proteas rennin ficin pektina glukosoxidas katelas

Tabell 3. Användning av industriella enzymer

Enzym Ursprung Användes fö amylas malt bryggeri, bränneri mögel bageri, barnmat, sirap, bränneri bakterie textil, bränneri pankreas medici proteas mögel bageri bakterie garveri, tvättmedel pankreas medicin rennin os pektinas mögel saft, vi invertas jäst sötsake så lågt att en produktion av foderjäst inte ansetts lönande. I stället har man årligen importerat ca 80 000 ton proteinfoder. Denna import som främst bestått av sojaprotein och fisk har nu försvårats. Världsmarknadspriset på foderprotein har plötsligt mer än fördubblats, Detta har lett till att man nu beslutat bygga två foderproteinfabriker i Finland vilka kommer att utnyttja sulfitavlut som råmaterial. Dessa kommer vardera att producera ca 10 000 ton jäst per år. Den ena blir en traditionell torula-jästfabrik medan den andra bygger på den finska pekiloprocessen.

Proteinbristen, som vi nu fått de första känningarna av, har redan en längre tid sysselsatt forskare över hela världen. Man har bla utvecklat processer vid vilka man använder mineraloljans n-alkaner eller metan som näringsämne vid odling av lämpliga jästarter.

En annan grupp organismer som använts för framställning av dylikt ”single cell protein” är gröna alger. Dessa har den stora fördelen att de som gröna växter kan utföra fotosyntes och alltså inte är beroende av organiska kolföreningar.

Kemlikaller

Denna grupp omfattar ett flertal kemiska förehingar såsom organiska lösningsmedel och syror samt biologiskt aktiva föreningar (Tabell 1). När det är fråga om relativt enkla organiska föreningar (alkoholer och syror) är den syntetiska kemiska industrin en allvarlig konkurrent för den biotekniska industrin. Den mikrobiologiska industrins räämnen är ofta för dyra i jämförelse med. den kemiska industrins råämnen, Detta har lett till att den biotekniska framställningen av dylika produkter minskar. Endast när det är fråga om livseller läkemedel föredrar man jäsningsprodukter framom syn 1 tetiska kemikalier. När det är fråga om komplicerade biologiskt aktiva föreningar är däremot den biotekniska industrin praktiskt taget utan konkurrens. Man framställer tex över 50 olika antibiotiska ämnen industriellt, men av dessa tillverkas endast kloramfenikol syntetiskt medan alla andra framställs mikrobiologiskt.

Enzymer

En gtupp biologiskt aktiva föreningar som man fäster stor uppmärksamhet vid är enzymerna. Erizymer framställs sedan gammalt ur både djur- och växtvävnader, men mikroorganismerna är i många avseenden fördelaktigare som enzymkälla (Tabell 2).

Mikrobenzymerna kan uppdelas i två grupper: rena enzympreparat som framställs i små mängder för medicinskt bruk och för användning i laboratorier samt enzympreparat för industriell användning.

De sistnämnda framställs i stora mängder och preparaten innehåller ofta många andra komponenter. Industrienzymernas antal är tills vidare ganska litet. De är vanligen extracellulära enzymer som bildas i stora mängder av mikrobcellerna och avsöndras i kulturlösningen. Vid framställning av intracellulära enzymer måste cellerna söndras och enzymerna isoleras från en lösning som innehåller andra proteiner i stora mängder. Detta är ofta en svår uppgift som fordrar kromatografiska eller andra i industriell skala besvärliga metoder.

Användning av enzymer

I långa tider har man använt sig av hela mikrobceller som katalysatorer i biokemiska reaktorer. Traditionellt har odlingen av den mikrobiologiska katalysatorn och användningen av den för att bilda den önskade produkten skett samtidigt. Tex vid alkoholjäsningen sker jästens tillväxt och alkoholbildningen i samma reaktor och samma råmaterial, socker, tjänar som näringsämne för jästen och som utgångsämne för själva processen.

I vissa processer odlar man först mikroorganismerna och använder dem sedan som katalysatorer för den egentliga processen. Bland de industriellt viktigaste processerna av denna typ är steroidomvandlingarna som användes vid syntes av många hormoner. I denna process är alltså mikrobens substrat vid odlingen och den egentliga processens utgångsmaterial olika ämnen.

På senaste tid har isolerade enzymer använts som katalysatorer i industriella processer i ökande grad (Tabell 3). Enzymerna kan användas antingen i vattenlösning i reaktorn eller bundna vid ett olösligt material. Dylika immobiliserade enzymer är fördelaktiga vid kontinuerliga processer.

Immobiliserade enzymer kan användas antingen som en suspension i reaktorn eller som packade kolonner. Den största fördelen som uppnås med dem är en enkel regenerering av enzymet. Immobiliserade enzymer kan framställas genom att binda enzymerna kovalent vid ett lämpligt bärarmaterial genom att innesluta enzymet i en semipermeabel kapsel eller genom att innesluta enzymet i syntetiska fibrer.

Bioteknikens framtid 1 Finland

Den traditionella biotekniska industrin (öl, alkohol, bagerijäst, mejeriprodukter) är väl utvecklad hos oss. När det gäller utveckling av nya produkter är aktiviteten glädjande: En antibiotikafabrik byggs i Hangö, två ”single cell protein”-fabriker kommer att uppföras och enzymframställning är föremål för forskning och industriellt intresse. Den biokemiska forskningens relativt starka ställning hos oss borde garantera att vi också har det vetande som behövs för att utveckla detta område i den onekligen starka internationella konktrrensen. C1

Forum 10/1973