Enzimas ImobilizadasEnzimas ImobilizadasUso de enzimas imobilizadas

Vantagens Desvantagens

Desenvolvimento de sistemas contínuos Custo adicional de suportes, reagentes e da operação de imobilização

Maior establidade enzimática Perdas de atividade durante a imobilização

Uso mais eficiente do catalisador através Possíveis exigências adicionais de de reutilizações

gpurificação do catalisador

Flexibilidade no projeto de reatores Técnica pouco adequada a substratos insolúveis ou de alto peso molecular

Efluentes livres de catalisadores Maiores riscos de contaminação na operação contínua dos reatores

Maior versatilidade na etapa de separação

Possibilidade de utilização das enzimas “in-natura”

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Usos em escala industrialUsos em escala industrialResolução de misturas racêmicas de aminoácidos:

Tecnologia JaponesaTecnologia JaponesaOrigem da enzima – microbiana (E. coli)Suporte usado – DEAE-Sephadex

D,L – R – CH – COOH + H2O L – R – CH – COOH + R’ – COOH

NH COR’ NHNH – COR NH2

+D – R – CH – COOH

NH – COR’

Produção de xaropes de frutose a partir de glicose:ç p p g

Enzima – glicose isomeraseOrigem da enzima – Streptomyces sp Arthrobacter sp

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Origem da enzima Streptomyces sp., Arthrobacter sp.Suporte usado – proteína entrecruzada ou vidro poroso ativado

Usos em escala industrialUsos em escala industrialProdução de ácido 6-amino-penicilâmico (6-APA):

Enzima – penicilina amidaseOrigem da enzima – E.coli, Bacillus megateriumg gSuporte usado – bentonita entrecruzada

Penicilina-G + H2O 6 APA + R – COOH2

Produção de leites e soros deslactosados:

Origem da enzima Saccharomyces lactis Aspergillus nigerOrigem da enzima – Saccharomyces lactis, Aspergillus nigerSuporte usado – fibras de acetato de celulose ou vidro poroso ativado

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Efeitos de ImobilizaçãoEfeitos de ImobilizaçãoRetenção da atividade → algumas moléculas podem ser desnaturadas ou inativadas por reagentes ou produtos envolvidos na formação da matriz encapsulanteenvolvidos na formação da matriz encapsulante.

Efeitos difusionais → a difusão do substrato e produtos dos centros ativos para a solução (ou viceversa) ocorre através de mecanismos de difusão molecular e convectiva.

Efeitos de microambiente → os efeitos eletrostáticos promovidos no valor KM e no pH ótimo são dependentes d f iô ida força iônica

Efeitos esteroespecíficos → resultado de impedimento p pestéreo, formado pelo suporte, ao acesso de moléculas grandes ao centro ativo da enzima.

5Efeitos na estabilidade → mudanças na estabilidade térmica

Critérios para avaliação de umCritérios para avaliação de umi t ii t i ttsistema enzimasistema enzima--suportesuporte

Estabilidade de fixação → as forças existentes no processo de fixação podem ser insuficientes, acarretando perdas.

Estabilidade enzimática → a fragilização da enzima gdeve ser evitada

Resistência mecânica → resistir a várias condições çdesfavoráveis

Capacidade de carga → número elevado de unidades p genzimáticas por unidade de área

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Catálise em Fase HeterogêneaCatálise em Fase HeterogêneaCinética Intrínseca

Enzima SolúvelEfeitos conformacionais

Impedimentos estéreosCinética IntrínsecaCinética Intrínseca

Enzima Imobilizada

Efeitos de partição

Cinética Inerente

Restrições difusionais

Cinética Inerente

Enzima Imobilizada

Restrições difusionais

Cinética Efetiva

Enzima Imobilizada

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Enzima Imobilizada

Efeitos de PartiçãoEfeitos de PartiçãoS

P Soo

(a)

S Po

P

S

So P

(b) Po S

P

Perfis de concentração de substrato (S) e produto (P) para enzima imobilizada sujeita a restrições difusionais

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para enzima imobilizada sujeita a restrições difusionaiscom efeito de partição (a) e sem efeito de partição (b).

Deslocamento do fil d H dperfil de pH de

glucoamilase de Aspergillus nigerimobilizada em DEAE-celulose (EI) com relação a çenzima em solução (Esol).

T'k'43.0pHpH o φε=− onde ε’ ≡ carga do elétron;φ ≡ potencial eletrostático do suporte;T temperatura absoluta;

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T ≡ temperatura absoluta;k’ ≡ constante de Boltzman

Restrições Restrições difusionaisdifusionaisttexternasexternas

oS'V' ã i ti t t l d

o

oinh SK'v

+= reação cineticamente controlada

reação limitada por difusão

10odif Sh'v = reação limitada por difusão

Kh'V ;KS ;KS oo =α=β=β

Comportamento cinético de uma enzima imobilizada sujeita a restrições difusionais externas, empregando o

Kh

11no de Damkoehler (α) como parâmetro

)1(SKS'V

oβ+β=+=η

)1(SK

S'V o

o

o β+β=

+

=η

Fator de efetividade (η) versus no de Damkoehler (α),com concentração adimensional de substrato (βo) como parâmetro, para enzima imobilizada sujeita a restrições difusionais externas

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D t i ã i t l d â t i étiDeterminação experimental dos parâmetros cinéticos inerentes e número de Damkoehler para uma enzima imobilizada sujeita a restrições difusionais externas

mediante gráficos de inversos13

mediante gráficos de inversos.

Restrições Restrições difusionaisdifusionaisi ti tinternasinternasModelo da Membrana Enzimática

xA''vA'JA'J xxx Δ=− Δ+

''vdx

'dJ=−

xSD'J

δδ

−=

J’ ≡ fluxo de substratov’’ ≡ velocidade máxima de reação por unidade de volume do suporteD coeficiente de difusão do substrato no interiorD ≡ coeficiente de difusão do substrato no interior do suporte

14Esquema da membrana com enzima imobilizada uniformemente distribuída em seu interior

C di õ d tCondições de contorno:z = 0; β = βo

z = 0.5; 0=βδz 0.5; 0z=

δ

( ) 21oo DK'V'L ;Lxz ;KS ;KS =Φ==β=β

Perfil de concentração de substrato no interior de uma lâmina enzimática em função do módulo de Thiéle: ( ___ )solução

numérica; (---) solução analítica para cinética de primeira ordem

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; ( ) ç p p

Fator de efetividade médio integrado (η) versus módulo de Thiéle (Φ)com concentração adimensional de substrato (βo) como parâmetro

para lâmina com enzima imobilizada sujeita a restrições difusionais internas

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Restrições Restrições difusionaisdifusionaisi ti tinternasinternasModelo de Partícula Esférica

Condições de contorno:Condições de contorno:

ξ= 1; β = βo

ξ = 0; 0=ξδβδ

( ) 21oo DK''V3R ;Rr ;KS ;KS =Φ=ξ=β=β

17Perfil de concentração de substrato no interior de uma partícula enzimática esférica em função do módulo de Thiéle

Fator de efetividade médio integrado (η) versus módulo de Thiéle (Φ) com concentração adimensional de substrato (β )Thiéle (Φ) com concentração adimensional de substrato (βo)

como parâmetro para partícula esférica com enzima imobilizada sujeita a restrições difusionais internas

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Enzima sujeita a restrições Enzima sujeita a restrições j çj çdifusionaisdifusionais externas e internasexternas e internas

Nestas condições o número adimensional de Biot como:

''D

LhBi =D

onde D’ ≡ coeficiente de difusão de substrato na película estagnada;h‘ ≡ coeficiente de transferência de massacoe c e te de t a s e ê c a de assa

Este número adimensional representa a magnitude relativa dasgrestrições difusionais internas e externas:

Um valor de Bi elevado implica que as restrições difusionais

19externas são de pouca consideração em relação às internas.