Pankreasprotease: Medizin, Lederverarbeitung. Isomerisierung von Glucose zu Fructose. Glucoseoxidation, Analytik, Lebensmittel

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1 Amylasen, Pullulanasen: Cellulasen: Pectinasen: Proteasen: Stärkeverzuckerung ative/derivatisierte Cellulose Pektinabbau Pankreasprotease: Medizin, Lederverarbeitung Pepsin: Rennin: Papain: Medizin Käseherstellung Bierherstellung, Fleischweichmacher Bromelain:(wie Papain) Alk.Protease: Waschmittel Lipasen: Glucoseisomerase: Lactase: Glucoseoxidase Catalase: Medizin, Waschmittel Isomerisierung von Glucose zu Fructose Lactosehydrolyse (Galactose/Glucose) Glucoseoxidation, Analytik, Lebensmittel 2 0-Zersetzung, Kosmetik

2 45% ahrungsmittel (davon 11% Stärkehydrolyse) 35% Waschmittel 11% Textilien 3% Lederverarbeitung 1% Papierverarbeitung 5% Diagnostika und Therapeutika Technische Enzyme: ,6 Milliarden US$ ,0 Milliarden US$

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4 Industrielle Enzyme bakteriellen Ursprungs: 60% proteolytische Enzyme, 20% Carbohydrasen tierischen Ursprungs: Rennin (Käseherstellung) Pankreas-Proteasen/Lipasen pflanzlichen Ursprungs: Papain

5 Subtilisin: Trypsin: Thrombin: unspezifisch Spaltung auf Carboxylseite von Cysin oder Arginin Spaltung zwischen Arginin und Glycin Coenzyme ATP AD(P) FAD2 Coenzym A Biotin S-Adenosylmethionin Phosphat ydrid Acetylreste Carboxylrest Methylgruppe

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7 Coenzym icotinamidadenindinucleotid (AD+) Flavinadenindinucleotid Thiaminpyrophosphat Reaktionstyp xidation Reduktion xidation Reduktion Aldehydübertragung Pyridoxalphosphat Biotin-Lysin-Komplex Tetrahydrofolat Gruppenübertragung auf oder von Aminosäuren ATP-abhängige Carboxylierung und Carboxylgruppenübertragung Übertragung von Ein- Kohlenstoffkomponenten

8 The following numbering scheme was developed by the Enzyme Commission (E.C.) Enzyme number: E.C. X. X. X. X number of main division/class type of reaction (often donor group) further identification number, e.g. for actual substrate type of reaction (often acceptor group) Main division/classes 1. xidoreductases 2. Transferases 3. ydrolases 4. Lyases 5. Isomerases 6. Ligases

9 Mechanismus der Serin Protease Katalytische Triade Asp 102 is 57 2 C C 1 C 2 3 : Ser 195 C 2 R C R nucleophiler Angriff I)Mi I.) Michaelis-Komplex l Polypeptid- Substrat

10 Asp 102 is 57 2 C C C 2 + Ser 195 C 2 R C R - tetraedrisches Zwischenprodukt II.) Tetraedrisches Zwischenprodukt

11 Asp 102 is 57 2 C C C 2 R Ser 195 C 2 R C Acyl-Enzym Zwischenprodukt 2 R 2 Asp 102 is 57 2 C C III.) ydrolyse des Acyl-Enzym- Zwischenproduktes C 2 Ser 195 C 2 R C

12 Asp 102 is 57 2 C C C 2 + Ser 195 C 2 R C - Asp 102 is 57 2 C C C 2 Ser 195 C 2 IV) IV.) Decacylierung + C R

13 Leonar Michaelis Maud Menten

14 v v max 1 v max 2 K M [S]

15 1 v 1 v max - 1 K M 1 [S]

16 allosterische Effekte: Änderung der Raumstruktur akt. Zentrum allosterischer emmer allosterischer Aktivator keine emmung keiner Aktivierung nix schlapp rasch

17 v v max ohne emmung 1 2 v max Diffusionshemmung [S]

18 1 v Diffusionshemmung 1 ohne emmung v max 1 1 K M [S]

19 p-gradient Substrat Produkt Enzym

20 C 2 C S C 3 C 3 C Pen -G-Amidase 2 Phenylessigsäure Penicillin G + 2 S C 3 C 3 C 6-Amino- penicillansäure (6-APA) Reaktionsschema für die enzymatische Spaltung von Penicillin G zur 6-APS-Produktion

21 Festbett mit Penicillin-G-Amidase p rt Aktivität der "ydrolyse" 7 p

22 p-messung und Kontrolle Lauge Träger mit immobilisierter Penicillin-G-Amidase illi id

23 Enzym 2 +(D,L)-R C L-Aminosäure + D-Aminoacyl-AS + C 3 C CR' Aminoacyl-Aminosäure (racemisch)

24 D,L-Ester v 1 L-Aminosäure + D-Ester v 2 L-Aminosäure +D-Aminosäure v 3 L-Aminosäure + D-Aminosäure v 1 v 2 v 3 = enantioselektive i enzymatische ydrolyse = nicht-enantioselektive enzymatische ydrolyse 3 = nicht-enzymatische ydrolyse y

25 D,L-Acetylaminosäure D,L-Acetyl- amino-säure Tank erwärmen Amino- acylase Kristallisation ti Festbett Seperator kristalline L-Aminosäure Reracemisieren der D-Acetylaminosäure

26 Edukte Ultrafiltrationsmembran Reaktionsraum mit Enzymen Produkte Fritte Abbildung x.11 Prinzip des Festmembranreaktors Edukt Edukt Ultrafiltrationsmembran Produkt Produkt Prozeßführung und -regelung

27 -Acetylierung von D,L-Methionin Acylase Enzymmembranreaktor Zugabe von -Acetyl- D,L-Methionin Verdampfer Kristallisation Separation Mutterlauge Racemisierung von -Acetyl- D,(L)-Methionin Trocknung Feinreinigung L-Methionin

28 4 + 2 Enzym 1 R C R C AD AD + C Enzym 2 C Enzym 1 z.b. Leucindehydrogenase (LeuD) Enzym 2 z.b. Formiatdehydrogenase (FD)

29 2 C C2 C C E2 E1 Ultrafiltrationsmembran Ausschlußgrenze 5000 Dalton PEG AD

30 Chemisches Verfahren Enzymatisches Verfahren 2 S erstellung von 7-Aminocephalosporinsäure C C 3 C Cephalosporin C D-Aminosäureoxidase Z-CPC C Lösemittel CCl (C)SiCl (C 3 ) 3 Si S S (C 3 ) 3Si 2 C C 2 Si(C 3 ) 3 C 3 C C 3 C mehrfach silyliertes Molekül a -Keto-adipinyl-7-ACS 22 T<0 C PCl 5 C 2 (C 3 ) 3 Si S S (C 3 ) 3 Si 2 C Cl 3 C C 2 Si(C 3 ) 3 C 3 Imidchlorid Glutaryl-7-ACS ydrolyse T<0 C C-(C)-C 23 Glutarylamidase 2 S C 3 7-Aminocephalosporansäure

31 Vergleich der Kosten der Ausgangsmaterialen Chemical process 88 Pr rocess Enzymatic process 100 Glutaryl amidase from natural source 24 Enzymatic process Glutaryl amidase from E. Coli Raw material costs [%]

32 erstellung der Glutarylamidase culture broth 100 % 2,3 % raw material 3.9 % 100 % enzyme cost 15,3 % 100 % [%] natural source rec. E. Coli

33 Vergleich der Verfahren waste per t7aca 7-ACA Zinc waste to be as Zn 4P 4 incinerated waste water emission chemical process 1.8 t 31 t 0.1 t CD 7.5 kg enzymatic process 0.0 t 1 t 1.7 t CD 1 kg

34 Abfallmengen 1 t 7-ACA Chemischer Prozeß Enzymatischer Prozeß 31 t 0,3 t