Post on 06-Feb-2018
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.