Чтобы преодолеть описанные ранее недостатки процессов с использованием свободных ферментов, надо придумать способ удержания ферментов в аппарате или легкий способ их выделения из реакционной жидкости после завершения процесса.

Первое, что напрашивается, это отделение ферментов с помощью ультрафильтрации. Можно, например, вести процесс биотрансформации с ультрафильтрационным выносным модулем (рис. 12.4).

Рис. 12.4. Схема мембранного биореактора с выносным модулем:
1 – биореактор; 2 – проточный мембранный модуль

Реакционная жидкость может циркулировать через ультрафильтрационный модуль, который задерживает выход фермента, не мешая выходу продукта. Получается непрерывный процесс, в который не требуется добавлять фермент.

Этот способ, однако, тоже имеет недостатки:

• мембранные установки часто выходят из строя, и при их использовании часть ферментов «проскакивает», а часть может «застревать» на мембране, ухудшая фильтрацию и приводя к необратимой потере фермента;
• многие ферменты, будучи в свободном состоянии (растворенном в жидкости или в виде взвешенных коллоидных частиц), подвержены довольно быстрой инактивации, так что срок службы фермента небольшой и необходимость расходования свежего фермента, стоимость которого высока, сохраняется.

Поэтому такой путь совершенствования процессов биотрансформации большого применения не нашел. Только если сам субстрат нерастворим или находится в коллоидном состоянии, применение подобных систем имеет смысл.

В середине 1950-х годов возникла блестящая идея создания «нерастворимых», или «прикрепленных к матрице», или «связанных» ферментов, которые позднее стали называть иммобилизованными. (К этой идее и ее реализации имел отношение бывший президент Израиля Э. Kaчальский-Катцир. Мы привыкли, что президентами становятся политики, хозяйственники, юристы. Но этот человек до своего избрания был ученым-биохимиком и после пребывания на президентском посту вернулся в науку и до своей смерти в 1995 г. возглавлял институт биотехнологии в Тель-Авиве.)

Иммобилизация – это прикрепление фермента к некоторому нерастворимому носителю, причем таким образом, чтобы фермент мог обмениваться с раствором молекулами субстрата и продукта.

Даже не вдаваясь в подробности, можно оценить красоту этого способа. Во-первых, появляется простая возможность отделять и многократно использовать такой иммобилизованный фермент. Во- вторых, оказалось, что закрепленный фермент сохраняется в активном состоянии гораздо дольше, чем свободный, растворенный.