ઉત્સેચકો, અચળ

(enzymes–immobile)

ઔદ્યોગિક ક્ષેત્રે ઉત્પાદન વધારવા અને તેને વધુ લાભદાયી બનાવવા માટેની પ્રક્રિયામાં વપરાતા ઉત્સેચકોનું અદ્રાવ્ય સ્વરૂપ. ઉત્સેચકો હમેશાં વિવિધ પરિબળોની વિશિષ્ટ મર્યાદાને અધીન રહીને ક્રિયાશીલ બને છે. પરંતુ તેમને અદ્રાવ્ય સ્વરૂપમાં ફેરવવાથી તેમનાં ક્રિયાશીલતા અને સ્થાયિત્વ વધારી શકાય છે. માધ્યમનાં pH અને તાપમાન જેવાં પરિબળોમાં થતા ફેરફારોની અથવા તો અવરોધકો (inhibitors) કે નિષ્ક્રિયકારકો(inactivators)ની વિપરીત અસર અચળ ઉત્સેચકો પર થતી નથી. ઉપરાંત અચલનથી ઉત્સેચકોની પુનરુપયોગિતા (reutilization) ઘણી વધે છે. આ વધારો દસ હજાર-ગણા જેટલો પણ હોઈ શકે છે. વળી અચળ ઉત્સેચકની ગતિવિધિનું નિયંત્રણ કરવું વધુ સહેલું હોય છે.

અગાઉ ઉત્સેચકોની અસ્થિરતા અને દુષ્પ્રાપ્યતાને લીધે ઔદ્યોગિક ક્ષેત્રે તેમની ઉપયોગિતા ઘણી મર્યાદિત હતી. પરંતુ અચલનવિધિની શોધ અને તેના વિકાસથી આ સમસ્યા હાલમાં ઘણી હળવી બની છે. ઉત્સેચકને અચળ બનાવવામાં સફળતા સૌપ્રથમ 1916માં નેલ્સન અને ગ્રિફિન નામના વૈજ્ઞાનિકોએ પ્રાપ્ત કરી હતી. પરંતુ લગભગ 1960 સુધીમાં આ દિશામાં ખાસ પ્રગતિ સધાઈ ન હતી. આ અરસામાં જનીનિક ઇજનેરી(genetic engineering)માં થયેલી પ્રગતિને લીધે સંશ્લેષિત ઉત્સેચકનું ઉત્પાદન શક્ય બન્યું. પરિણામે કોઈ પણ ઉત્સેચકને વિપુલ પ્રમાણમાં વ્યવહારુ ધોરણે પ્રાપ્ત કરવાનું શક્ય બન્યું. આમ છતાં વ્યવહારુ મુશ્કેલીઓને કારણે લગભગ 1970 સુધી દ્રાવ્ય ઉત્સેચકો અતિ અલ્પ પ્રમાણમાં પ્રાપ્ય હતા અને અચળ ઉત્સેચકો લગભગ દુર્લભ હતા. 1976માં જાપાનના વૈજ્ઞાનિકો કિબાટા અને ટોસાએ અચળ ઉત્સેચકોનો ઉપયોગ વ્યાપારી ધોરણે કરવાની રીત શોધી કાઢી. પરિણામે 1970માં માત્ર 150 દ્રાવ્ય ઉત્સેચકો ઔદ્યોગિક ક્ષેત્રે પ્રાપ્ય હતા, તેની જગ્યાએ 1984 સુધીમાં 427 દ્રાવ્ય અને 50 ઉપરાંત અચળ ઉત્સેચકો સુલભ થયા છે. આજે જાણીતા ઉત્સેચકોના નવીનતમ ઉપયોગોની શોધ કરીને અથવા નવા ઉત્સેચકોને શોધી તેમને અચળ બનાવી, ઔદ્યોગિક ક્ષેત્રે તેનો લાભ ઉઠાવી શકાય છે.

અચળ ઉત્સેચકોના આર્થિક ફાયદા : સામાન્યપણે દ્રાવ્ય ઉત્સેચકો માટે પ્રતિકૂળ એવા સંજોગોમાં પણ અચળ ઉત્સેચકો ક્રિયાશીલ રહેતા હોવાથી તેના ફાયદા ઔદ્યોગિક ક્ષેત્રમાં ઉઠાવી શકાય છે. દાખલા તરીકે અચલનથી ઉત્સેચકની અસરકારક સંકેન્દ્રિતતા (effective concentration) વધવાથી નાના કદના પ્રક્રિયાપાત્રો(reactors)ના ઉપયોગથી વિરાટકાય પ્રક્રિયાપાત્ર જેટલું ઉત્પાદન મેળવી શકાય. પરિણામે સ્થાયી ખર્ચમાં ઘણી મોટી બચત થઈ શકે છે. વળી પ્રક્રિયાપાત્રમાં અચળ ઉત્સેચકોનો ફેલાવો એકસરખો થતો હોવાથી પાત્રની સમતા અને ઉત્પાદકતા ઘણી વધે છે. અચળ ઉત્સેચકો વિવિધ ઘાટના પ્રક્રિયાપાત્રને સાનુકૂળ થઈ શકતા હોવાથી પાત્રોમાં લાંબા સમય સુધી તેમને સતત કાર્યરત રાખી વારંવાર ઉપયોગમાં લઈ શકાય છે. પરિણામે સમય અને શક્તિમાં ઘણી બચત થાય છે અને ઉત્પાદનશુદ્ધિ અને ગુણવત્તા સહેલાઈથી જાળવી શકાય છે. વળી અચલનવિધિના વિકાસને કારણે આજે બહુઉત્સેચકી (multienzymic) પ્રક્રિયાપાત્રોની રચના કરવાનું પણ સરળ બન્યું છે. તેને લઈને કચરાના નિકાલ જેવી જટિલ પરિસ્થિતિઓમાં પણ પ્રક્રિયા પરનું નિયમન સહેલું બન્યું છે.

હાલમાં અચળ ઉત્સેચકોનો ઉપયોગ બાળ-આહાર, પૌષ્ટિક પીણાં, પ્રતિજૈવિકો (antibiotics) અને અન્ય ઔષધો, કીટનાશકો (pesticides) વગેરેના ઉત્પાદનક્ષેત્રે મોટા પાયા પર થઈ રહ્યો છે.

ઉત્સેચકોનું અચલન કેટલેક અંશે નુકસાનકારક પણ નીવડે છે. અચળ ઉત્સેચકો દ્રાવ્ય ઉત્સેચકો કરતાં વધુ જગ્યા રોકે છે. અચલનથી ઉત્સેચકોની પ્રક્રિયાશક્તિ 10થી 50 ટકા ઘટવાની સંભાવના રહે છે. ઘણા અચળ ઉત્સેચકોની કાર્યશક્તિ તેની સાથે સંકળાયેલા સહઉત્સેચકો પર લગભગ સંપૂર્ણપણે આધારિત હોય છે. પરંતુ સહઉત્સેચકો અચલાનુકૂલ ન હોવાથી તેઓ પ્રક્રિયા દરમિયાન સહેલાઈથી ધોવાઈ જાય છે. સહઉત્સેચકો પર સૂક્ષ્મજીવો આક્રમણ કરી શકતા હોવાથી અનિચ્છનીય આડપેદાશો ઊભી થઈને ઉત્પાદકોને નુકસાન પહોંચાડે છે. આદર્શ પ્રક્રિયાપાત્રની રચના કરવી તે ખર્ચાળ અને જટિલ સમસ્યા છે. આમ તો અચલીકરણ વધારાની પ્રક્રિયા હોવાથી ખર્ચમાં વધારો થવાની શક્યતા છે જ.

ઉત્સેચકોને અચલ કરવાની કેટલીક રીતો : ઉત્સેચકો માત્ર પાણીમાં ક્રિયાશીલ રહે છે, પરંતુ અચળ ઉત્સેચકો પાણીમાં અદ્રાવ્ય હોવાથી તેમની ક્રિયાશીલતા જાળવવા ઉત્સેચકોનું જોડાણ વાહકો (carriers) સાથે કરવામાં આવે છે. વાહકની પસંદગી તેની દ્રાવ્યતા, તેના ક્રિયાશીલ સમૂહો, સ્થિરત્વ અને જલ-આકર્ષકતા કે જલ-અપાકર્ષકતા જેવા ગુણધર્મોને આધારે કરવામાં આવે છે. સામાન્યપણે ઉત્સેચકો અને વાહકોમાં આવેલા પેપ્ટાઇડ, ફીનાઇલ, કાર્બૉક્સિલ, સલ્ફાહાઇડ્રિલ જેવા ક્રિયાશીલ સમૂહો એકબીજા વચ્ચે કડીરૂપ બને છે. કોલાજન, સેલ્યુલોઝ, એક્રિલેટ, સિલિકેટ, નાઇલૉન જેવા ઘટકો કે તેના વ્યુત્પન્નોને વાહકો તરીકે પસંદ કરવામાં આવે છે.

ઉત્સેચક અચલનના કેટલાક પ્રકારો : (1) બહુલકજાલબંધન (entrapment in polymer matrices) : ઉત્સેચકો અને એકલક (monomer) વાહકોનું મિશ્રણ કરી ગરમી કે રાસાયણિક પ્રક્રિયા દ્વારા તેમને બહુલકોમાં ફેરવવામાં આવે છે. આ પ્રક્રિયામાં વાહકોની બહુલક જાલ બને છે અને તેમાં ઉત્સેચકો ફસાય છે. કોલાજન, સેલ્યુલોઝ અને પૉલિએક્રિલેમાઇડ જેવા વાહકોમાં જકડાવવાથી લૅક્ટેઝ, ગ્લુકોઝ, આઇસોમૅરેઝ જેવા ઉત્સેચકો અચલ બને છે.

(2) વિરોધી વિદ્યુતભાર ધરાવતા વાહકો વડે ઉત્સેચકોનું અધિશોષણ : સેલ્યુલોઝ તથા સંશ્લેષિત રેઝિન જેવા વાહકો સાથે કેટલાક ઉત્સેચકોનું જોડાણ હાઇડ્રોજન બંધ જેવા નિર્બળ બંધ વડે કરવામાં આવે છે. આ એક અત્યંત હળવી પ્રક્રિયા છે. આનો ઉપયોગ એમીનો એસાયલેઝને અચળ બનાવી પ્રોટીનોના વિઘટનથી એમીનો ઍસિડોને છૂટા પાડવામાં થાય છે. જોકે આવા અચળ ઉત્સેચકોની ક્રિયાશીલતા માધ્યમનાં pH અને તાપમાન જેવાં પરિબળોમાં થતા ફેરફારોને કારણે ધીમી બનવાની અને કદાચ અટકી જવાની શક્યતા નકારી શકાય નહિ.

(3) સહસંયોજક (covalent) બંધનો દ્વારા ઉત્સેચકોનું વાહકો સાથે જોડાણ : નિર્બળ બંધના સ્થાને સહસંયોજક બંધો વડે ઉત્સેચકોનું જોડાણ કરવાથી તેમના મૂળ ગુણધર્મોને જાળવી શકાય છે. પરિણામે ઉત્સેચકો સંપૂર્ણ ક્ષમતાપૂર્વક કાર્ય કરી શકે છે. વાહકોની પસંદગી કરવામાં તેના ગુણધર્મો ઉત્સેચકોની ક્રિયાશીલતા જાળવવામાં અનુકૂળ હોય તે બાબત ખાસ ધ્યાન આપવામાં આવે છે. આ પદ્ધતિ વડે પેપ્સિન, ટ્રિપ્સિન, પેપેન જેવા પ્રોટીનેઝ ઉત્સેચકોનો ઉપયોગ વ્યાપારી ધોરણે કરવામાં આવે છે.

(4) ઉત્સેચકની ફરતે અર્ધપારગમ્ય પટલનું આચ્છાદન : આ અચલનવિધિની ઉપયોગિતા વિશે જાણ સૌપ્રથમ 1961માં ચાંગ નામના વૈજ્ઞાનિકે કરી હતી. જોકે હજુ પણ તેનો ઉપયોગ ઔદ્યોગિક ધોરણે થતો નથી.

(5) દ્વિક્રિયાશીલ અભિકર્મકો (bifunctional reagents) અને ઉત્સેચકો વચ્ચે આંતરતિર્યક્ બંધન (intercross linking) : સજાતીય સમૂહધારી ગ્લુટરાલ્ડિહાઇડ અથવા વિજાતીય સમૂહધારી ટ્રાઇક્લોરો-ટ્રાઇએમિન અભિકારકો તરીકે વપરાય છે. તે વાહકો તરીકે કાર્ય કરે છે. વાહકો-ઉત્સેચકો વચ્ચેનું સંયોજન રાસાયણિક પ્રકારનું હોવાથી ઉત્સેચકોના ભૌતિક ગુણધર્મો પર નિયંત્રણ રાખી શકાય છે. પરંતુ આ વિધિમાં ઉત્સેચકોની પ્રક્રિયાશક્તિ ઘટે છે.

(6) ઉત્સેચકના અણુઓનું ઊર્ણન (flocculation) : આ વિધિમાં વાહક તરીકે ગ્લુટરાલ્ડિહાઇડનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. આ વિધિમાં ઉત્સેચકોનું ઊર્ણન થાય છે. ગ્લુકોઝ આઇસોમરેઝને અચળ બનાવવામાં આ ઊર્ણનવિધિ ઉપયોગી નીવડે છે.

ઉત્સેચક અચલન અંગે કેટલીક અગત્યની બાબતો : વ્યાપારી ધોરણે અચળ ઉત્સેચકના ઉપયોગથી જથ્થાબંધ ઉત્પાદન મેળવી શકાય તેમ છે. પરંતુ આજ સુધી ચોક્કસ અસરકારક કહી શકાય તેવી અચલનની વિશિષ્ટ રીત શોધાઈ નથી, જેથી હાલમાં અગાઉ જણાવેલી વિધિઓની ચકાસણી કરીને સૌથી વધુ અનુકૂળ પદ્ધતિ ઉપયોગમાં લેવાય છે.

અચળ ઉત્સેચકોના ઉત્પાદનમાં પ્રક્રિયાનો વેગ વધારવા કાગળ, લાકડાં અથવા ઈંટના ભૂકા જેવી સાદી વસ્તુઓથી માંડીને, કાચના મણકા, આયનવિનિમયક રેઝિનો, સિરૅમિકો જેવાનો ઉપયોગ આધારકો (supports) તરીકે કરવામાં આવે છે. આધારકોનાં કદ, આકાર, ઘનતા, છિદ્રાળુતા જેવાં લક્ષણોમાં વિવિધતા જોવા મળે છે. તેમનો ઉપયોગ પતરી (sheet), તાંતણા, નલિકા, મણકા કે સંપુટો(કોથળી)ના સ્વરૂપમાં કરવામાં આવે છે. પ્રક્રિયામાં આધારકોનાં કદ મહત્વનો ભાગ ભજવે છે. તેનાં વિશિષ્ટ કદ ઉત્સેચકોની ક્રિયાશીલતા પર અસરકારક એવા આંતરપ્રસરણ (internal diffusion) અંતરાયોની મહત્તા તથા પ્રક્રિયાપાત્રમાં થતા દાબહ્રાસ (pressure drop) જેવાં પરિબળોને આંકવામાં સહાયભૂત થાય છે. વધુમાં તે સતત (continuous) પ્રક્રિયાપાત્રમાં પ્રવાહીની માત્રા જાળવી રાખવા જરૂરી શક્તિનું માપ કાઢવામાં પણ સહાયકારી નીવડે છે.

ઉત્સેચકોને અચળ બનાવવામાં મહત્વના પ્રાચલો (parameters) તરીકે આધારકોનાં વજન, કદ, છિદ્રાલુતા (porosity) અને રાસાયણિક ગુણધર્મો, ઉત્સેચકો અને શેષ ઉત્સેચકોનાં કદ, પ્રોટીનઘનતા, ક્રિયાશીલતા અને અચળ ઉત્સેચકોની કાર્યક્ષમતા તરફ નિર્દેશ કરી શકાય. અચલનવિધિ અને તેમાં વપરાતી સાધનસામગ્રીની પસંદગીમાં પ્રક્રિયકોની ભૌતિક અને રાસાયણિક સ્થિરતા, પ્રક્રિયાના રાસાયણિક ગુણધર્મો, ગતિવિધિની ખાસિયતો, અચળ ઉત્સેચકોની કાર્યપદ્ધતિ અને સ્થિરતા પર થતી અસર તેમજ નીપજનો શુદ્ધતાઆંક અને તેના પ્રમાણ પ્રત્યે ખાસ ધ્યાન આપવામાં આવે છે.

અચળ ઉત્સેચકનો ક્ષમતાઆંક (effector factor) નીચેના સમીકરણ પરથી મેળવી શકાય છે :

     

આ અચલાંક એક કરતાં વધારે હોય તે ઇચ્છનીય છે. એક કરતાં ઓછી ક્ષમતાવાળી વિધિ નબળી ગણાય છે.

ઉત્સેચકોને અચળ બનાવવાથી તેની નિજી (intrinsic) ક્રિયાશીલતા પર અસર થઈ શકે છે. જો આ અસર ઉત્સેચકના સંરૂપણ (conformation) પર થાય તો તેની ગંભીર અસર ક્રિયાશીલતા પર પહોંચે છે અને જો તે ત્રિવિમ (steric) સ્વરૂપની હોય તો તે ક્રિયાશીલ સપાટીને ઢાંકી દે છે.

ઉત્સેચકના અચલનથી માત્ર પ્રક્રિયાર્થીનો ફેલાવો ઉત્સેચક તરફ થઈ શકે છે. પરંતુ વાહકોનાં છિદ્રો વધુ સૂક્ષ્મ હોવાથી આ પ્રસરણની ગતિ ધીમી પડવાની શક્યતા ખરી. પ્રક્ષોભન(agitation)થી પ્રવાહગતિ વધારવાથી અથવા તો અલ્પ આસંજક (adhesive) પ્રક્રિયાર્થીઓના પ્રયોગથી પ્રસરણના વેગને વધારી શકાય છે.

વાહકોની સંનિધિને લીધે ઉત્સેચકોના સૂક્ષ્મ પર્યાવરણમાં, ખાસ કરીને  pHમાં, ફેરફારો થતાં તેની અસર ઉત્સેચકના અચલાંક (K_m) પર થાય છે.

અચળ અને દ્રાવ્ય ઉત્સેચકોના ગુણધર્મોમાં કેટલીક ભિન્નતાઓ રહેલી હોય છે. અચલનથી ઉત્સેચકનું સ્થાયિત્વ વધે છે અને તેનું વિકૃતીકરણ થતાં અટકે છે. ખાસ કરીને ગરમીથી થતી વિકૃતિમાં નોંધપાત્ર ઘટાડો જોવા મળે છે.

ઉત્સેચકીય વિદ્યુતવાહકો તરીકે, રાસાયણિક ક્રિયાઓમાં પ્રક્રિયકો તરીકે તેમજ રાસાયણિક વિશ્લેષણ માટેના વિશિષ્ટ પ્રક્રિયકો તરીકે, અચળ ઉત્સેચકોનો ઉપયોગ વિવિધ ક્ષેત્રે થઈ શકે છે. જોકે અચળ ઉત્સેચકોની સ્થિરતા, ઉદ્દીપકતા અને કાર્યક્ષમતા સારી હોય, વપરાયેલા ઉત્સેચકોનો ફરીથી વિનિયોગ શક્ય હોય અને આર્થિક રીતે લાભદાયી નીવડે તે ઇષ્ટ છે.

અચળ ઉત્સેચકના ઉત્પાદનની શરૂઆતમાં સૌપ્રથમ માધ્યમનું નિર્જંતૂકરણ (sterilisation) કરવામાં આવે છે. ત્યારબાદ આ માધ્યમમાં ઉત્સેચક-ઉત્પાદક કોષોને ઉમેરવામાં આવે છે. માધ્યમમાં ઉત્સેચકોનું ઉત્પાદન થતાં તેનું નિષ્કર્ષણ અને શુદ્ધીકરણ કરાય છે. જ્યારે વપરાયેલા માધ્યમનો નિકાલ કરવામાં આવે છે. છેલ્લે ઉત્સેચકને અચળ સ્વરૂપમાં ફેરવવામાં આવે છે.

પ્રક્રિયાપાત્રમાં અચળ ઉત્સેચકો અને પ્રક્રિયાર્થીને ભેળવવાથી ઇચ્છિત નીપજ મેળવી શકાય. તેમાંથી ઉત્પન્ન થયેલો કચરો, નિષ્ક્રિય ઉત્સેચકો ને આડપેદાશોને વેગળાં કરીને નીપજનું શુદ્ધીકરણ કરવામાં આવે છે. જો વણવપરાયેલા પ્રક્રિયાર્થીઓ શેષ રહ્યા હોય તો તેમને જુદા કરી ફરીથી પ્રક્રિયાપાત્રમાં રેડી શકાય છે.

ઉપયોગ : ગ્લુકોઝ એમાઇલેઝ, સ્ટાર્ચમાંથી ગ્લુકોઝના ઉત્પાદનમાં; લૅક્ટેઝ, દૂધના નિતરામણ(whey)માંથી બેકરી ઉદ્યોગમાં વપરાતા યીસ્ટના ઉત્પાદન માટે; ગ્લુકોઝ આઇસોમરેઝ, ફ્રુક્ટોઝના વધુ પ્રમાણયુક્ત પીણાં બનાવવા વપરાતા કૉર્ન સિરપના ઉત્પાદન માટે; લાઇપેઝ એસ્ટરેઝ સંકીર્ણ, ચરબીના પાચન માટે; એમીનો એસાઇલેઝ, એમીનો ઍસિડોના ઉત્પાદન માટે; રેનિન-પેપ્સિન સંકીર્ણ, પનીરના ઉત્પાદનમાં; પેનિસિલિન એમાઇલેઝ, અર્ધ-સંશ્લેષિત પેનિસિલિનના ઉત્પાદન માટે; હિપેરિનેઝ, હાર્ટલંગ યંત્રના ઉપયોગ દરમિયાન રુધિરનું ગઠન (clotting) અટકાવવા હિપેરિન વપરાય છે, જે શરીરમાં નુકસાનકારી હોઈ તેનો નાશ કરવા માટે; બિલિરુબિન ઑક્સિડેઝ, કમળાથી પીડાતા દર્દીઓના રુધિરમાંથી બિલિરુબિન દૂર કરવા માટે; યુરીએઝ-ડીહાઇડ્રોજનેઝ સમૂહ, રુધિરમાંથી યૂરિયાનો નિકાલ કરવા માટે; કૉલિન એસ્ટરેઝ, કીટનાશકોથી થતું પ્રદૂષણ માપવા માટે; અને હૉકિન્સ ઉત્સેચક (ડાયઆઇસોપ્રોપાઇલ ફૉસ્ફોફ્લૉરિડેઝ), યુદ્ધમાં વપરાતા ચેતાપ્રઘાતકો(nerve agents) (જેવા કે અમેરિકનોના સરિન અને રશિયનોના સોમન ઝેરી વાયુઓ)ના મારક તરીકે વપરાય છે.

હાલમાં વિવિધ ક્ષેત્રે વપરાતા અચળ ઉત્સેચકોનું પ્રમાણ નીચે મુજબ છે :

			કુલ ટકાવારી
(1)	કાર્બોહાઇડ્રેઝો અ. પેપ્ટિન પાચકો આ. આઇસોમરેઝો ઇ. સેલ્યુલેઝ અને લૅક્ટેઝ ઈ. એમાયલેઝ	3 % 6 % 1 % 18 %	28 %
(2)	લિપેઝો 3 %	3 %
(3)	પ્રોટીએઝો અ. ટ્રિપ્સિન આ. રેનિન ઇ. અલ્કાયલેઝ પ્રોટીએઝ ઈ. અન્ય	3 % 10 % 25 % 21 %	59 %
(4)	અન્ય ઉત્સેચકો રાસાયણિક વિશ્લેષણ, ઔષધ ઉત્પાદન વગેરે કાર્યમાં વપરાતા ઉત્સેચકો		10 %
			100 %

1983માં ઔદ્યોગિક ક્ષેત્રે વિશ્વભરમાં 500 કરોડ રૂપિયાની કિંમતનો અચળ ઉત્સેચકોનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો. હાલના અંદાજ મુજબ બે દાયકામાં તેનો વપરાશ વધીને 2,000 કરોડ રૂપિયાનો થવાની વકી છે.

સુરેશભાઈ ઘેલાભાઈ દેસાઈ

નટવરસિંહ કેસરીસિંહ યાદવ