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Aula de enzimologia

Tema Reatores enzimáticos

Prof. Adriane M. F. MilagresDepartamento de Biotecnologia - Escola de Engenharia de Lorena

Universidade de São Paulo – USPadriane@debiq.eel.usp.br

Reatores enzimáticos

• O reator enzimático é um recipiente onde se procede uma reação catalisada por

uma enzima.

Forma de operação:

Batelada: Enzimas solúveisContínua :Enzimas imobilizadas

Tipos de reatoresEnzimas livres: agitados mecanicamente (STR) agitados pneumaticamente (coluna de bolhas e air lift)

3. Enzimas imobilizadas em suporte (leito fixo ou leito fluidizado)

Reator de membranaVantagens:

• promovem a produção e a separação de produtos de modo praticamente concomitante.

• A extração de produtos do meio, que podem apresentar efeitos tóxicos ou inibitórios às enzimas, é também uma vantagem importante dos biorreatores com membranas.

• As membranas de nanofiltração permitem a retenção de cofatores enzimáticos, ampliando o leque de aplicação desses reatores para as aplicações que envolvem diversas enzimas intracelulares, que requerem cofatores

Desvantagens - Decréscimo da atividade com o tempo- Heterogeneidade das condições de reação- Obstrução da membrana

Reator de Membrana Inerte (IMRCF)

Reator de Membrana

Reator de Membrana Catalítica (CMR)

Operação de reatores enzimáticos

Equações de desempenho de Reatores enzimáticos

Equação geral de balanço de massa:

o que entra – o que sai – convertido = o que cumula

- dS = v dt

• Reator em Batelada

Reator ContínuoEquação geral de balanço de massa: o que entra – o que sai – consumido = o que cumula

X = So – S So

Reator contínuo

Reator contínuo de fluxo pistonado

SoQ – (SoQ + QdS) = v V’r

-dS = v V’r V’r = t Q Q

-dS = v dt

V’r = Vr

XSo – ln (1-x) = Vmax VR

Km Km Q XSo – ln (1-x) = Kcat.E . tKm Km

Outros fatores que afetam a performance do reator

Enzimologia da degradação da celulose

Exemplo 1: Reatores enzimáticos para minimizar a inibição enzimática durante a hidrólise de lignocelulósicos

Uso de biorreatores enzimáticos

Influência da inibição na catálise enzimática

• Se o inibidor é o produto (P), este aumenta com o transcorrer da reação. • A inibição pelo produto é negligenciada no início da reação, mas o produto glicose causa uma redução da velocidade da reação em hidrolisados comerciais (100 g/l)

Celobiose é um potente inibidor das celulases, mas a inibição por este composto pode ser aliviada ajustando a dose de β-glicosidase

1. Remoção de parte do líquido após 24h de reação e adição de tampão novo

2. Remoção de parte do líquido após 24h de reação e adição de enzimas e tampão novos

3. Remoção de glicose por diálise durante 24-48 h

Remoção de glicose do Reator em batelada: modos de condução

Remoção de glicose

59%65%

94%

Comparação do tamanho do reator para conversão de lignocelulósicos (30%)

Parâmetros cinéticos da enzima: (kcat=12 h−1, KM=0,9 mM, KIG=6,4 mM; Vmax = 0,23 g/l.h) - Inibição não competitivaSo = 10 g/l

Em um reator CSTR: substituindo os valores na equação abaixo, encontramos um tempo de residência (Vr/Q) de 13,7 h. Dependendo da vazão escolhida (por exemplo 1L/h), o volume do reator deverá ser de 13,7 litros.

Em um reator de fluxo pistonado: substituindo os valores na equação abaixo, encontramos um tempo de residência (Vr/Q) de 11,6 h. Dependendo da vazão escolhida (por exemplo 1L/h), o volume do reator deverá ser de 11,6 litros.

Exemplo 2: Uso de reator em batelada e contínuo para a hidrólise da lactose por β-galactosidase imobilizada

• Enzima: Validaset derivada de Kluyveromyces lactis, com 50,000 ONPGU/g (o-nitrophenyl-b-D-galactopyranoside Units/g) e 30 g/l de proteína

• Suporte: 4 gramas de Amberlite IRC-50 (carga negativa) foi pesado em um tubo. O suporte foi lavado e tratado com 10 ml de polyetilenimina (carga positiva) (100 mg/ml) sob agitação por 2 h. É feita a adição de 10 ml de 2.5% glutaraldeído em pH 7,0 (ligante para reagir com os amino grupos da proteína).

• Imobilização: 4 ml de lactase e 6 ml de tampão fosfato 50 mM (pH 7.0)

foram adicionados ao suporte.

Hidrólise da lactose em reator de batelada

Enzima solúvel

Hidrólise da lactose em reator contínuo

xSo + Km x/(1-x) = Vmax . t

Exemplo 3: Uso de reator de fluxo pistonado para a hidrólise da lactose por β-galactosidase imobilizada

O que se pensa quando se usa um biorreator?

Como varia a vazão de alimentação?F varia no decorrer do processo devido as próprias variações na atividade enzimática.È muito comum que a vazão de alimentação tenha um decréscimo exponencial.

F1- vazao inicial; t* é o tempo de meia-vida da enzima

Material para leitura:1. Andric, P., Meyer, AS, Jensen, PA, Dam-Johansen, K Reactor design for

minimizing production inhibition during enzymatic lignocellulose hydrolysis II Quantification of inhibition and suitability of membrane reactors Biotechnology advances 28 (2010) 407-425

2. Andric, P., Meyer, AS, Jensen, PA, Dam-Johansen, K Effect and Modeling of Glucose Inhibition and In Situ Glucose Removal During Enzymatic Hydrolysis of Pretreated Wheat Straw Appl Biochem Biotechnol (2010) 160:280–297

3. LIMA, U.A., AQUARONE, E., BORZANI, W., SCHMIDELL, W. Biotecnología Industrial: Processos Fermentativos e Enzimáticos. São Paulo, SP, Ed. Edgard Blucher LTDA, 2001. vol. 3. 593p.

4. J.M. OboH n, M.R. Castellar, J.L. Iborra, A. ManjoHn*Beta-Galactosidase immobilization for milk lactose hydrolysis: a simpleexperimental and modelling study of batch and continuous reactors. Biochemical Education 28 (2000) 164}168

5. Y.GE, H.ZHOU, W. KONG, Y. TONG,S. WANG, and W.Li Immobilization of Glucose Isomerase and Its Application in Continuous Production of High Fructose Syrup Applied Biochemistry and Biotechnology Vol. 69, 1998