Aula imobilização de enzimas

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Enzimas ImobilizadasEnzimas Imobilizadas
Uso 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 
g
purificação 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 industrial
9Resolução de misturas racêmicas de aminoácidos:
Tecnologia JaponesaTecnologia Japonesa
Origem 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’
9Produção de xaropes de frutose a partir de glicose:ç p p g
Enzima – glicose isomerase
Origem 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 industrial
9Produção de ácido 6-amino-penicilâmico (6-APA):
Enzima – penicilina amidase
Origem da enzima – E.coli, Bacillus megateriumg g
Suporte usado – bentonita entrecruzada
Penicilina-G + H2O 6 APA + R – COOH2
9 Produção de leites e soros deslactosados:
Origem da enzima Saccharomyces lactis Aspergillus nigerOrigem da enzima – Saccharomyces lactis, Aspergillus niger
Suporte usado – fibras de acetato de celulose ou vidro poroso 
ativado
3
4
Efeitos de ImobilizaçãoEfeitos de Imobilização
Retenção 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 p
estéreo, 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 um
i 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 g
deve ser evitada
Resistência mecânica → resistir a várias condições ç
desfavoráveis
Capacidade de carga → número elevado de unidades p g
enzimáticas por unidade de área
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Catálise em Fase HeterogêneaCatálise em Fase Heterogênea
Cinética Intrínseca
Enzima Solúvel
Efeitos conformacionais
Impedimentos estéreos
Cinética 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 Partição
S
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 difusionais
com efeito de partição (a) e sem efeito de partição (b).
Deslocamento do 
fil d H dperfil de pH de 
glucoamilase de 
Aspergillus niger
imobilizada em 
DEAE-celulose (EI) 
com relação a ç
enzima em solução 
(Esol).
T'k'43.0pHpH o φε=− onde ε’ ≡ carga do elétron;φ ≡ potencial eletrostático do suporte;
T temperatura absoluta;
9
T ≡ temperatura absoluta;
k’ ≡ constante de Boltzman
Restrições Restrições difusionaisdifusionais
ttexternasexternas
oS'V' ã i ti t t l d
o
o
inh SK
'v += reação cineticamente controlada
reação limitada por difusão
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odif 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
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no de Damkoehler (α) como parâmetro
)1(SK
S'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 inversos
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mediante gráficos de inversos.
Restrições Restrições difusionaisdifusionais
i ti tinternasinternasModelo da Membrana Enzimática
xA''vA'JA'J xxx Δ=− Δ+
''v
dx
'dJ =−
x
SD'J δ
δ−=
J’ ≡ fluxo de substrato
v’’ ≡ velocidade máxima de reação por unidade de 
volume do suporte
D 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; 0
z
=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 difusionaisdifusionais
i ti tinternasinternasModelo de Partícula Esférica
Condições de contorno:Condições de contorno:
ξ= 1; β = βo
ξ = 0; 0=ξδ
βδ
( ) 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 ç
difusionaisdifusionais 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 dasg
restrições difusionais internas e externas:
Um valor de Bi elevado implica que as restrições difusionais
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externas são de pouca consideração em relação às internas.