CAPITULO 9REACTORES QUE CONTIENEN SISTEMAS CON ENZIMAS

INMOVILIZADOS

REACTORES QUE CONTIENEN SISTEMAS CON ENZIMAS INMOVILIZADOS

Como se indico en la tabla 1.1 se pueden sintetizar, sobre una base comercial, utilizando microorganismos un gran número de compuestos químicos orgánicos. Aunque se han discutido ya las ventajas de estos procesos para la producción de compuestos bioquímicos complejos, en este momento es adecuado considerar algunas de sus desventajas inherentes. Estas pueden reunirse como:

• Una fracción importante del sustrato se utiliza en el crecimiento de la población de microorganismos (sección 4.4.) esto es obviamente antieconómico que puede conducir al aumento de la masa microbiana dentro del sistema (véase sección 6.2.3. y figura .5).

• Los microorganismos son complejos; contienen un gran número de enzimas y coexisten muchas trayectorias metabólicas, formándose una mezcla de productos.

• Estos materiales requieren una separación subsiguiente y muchos de los componentes pueden tener muy poco o ningún valor (sección 3.1.)

• Debido a la acumulación continua de microorganismos y a los cambios genéticos no es fácil la manipulación de procesos en continuo.• Se requiere generalmente mezclas altamente complejas de nutrientes para mantener el crecimiento de los microorganismos

(tabla1.4.)• Los sustratos naturales utilizados son altamente costosos con respecto a las materias primas derivas de fuentes petrolíferas

( tabla1.5)• Existen dificultades inherentes para mantener cepas particulares de una especie dada de microorganismos y el desarrollo de cepas

es altamente costoso.• En la construcción y funcionamiento de fermentadores en condiciones asépticas están implicados elevados costos de capital yd e

operación.

Ventajas de los sistemas con enzimas inmovilizados

Desgraciadamente, el uso de enzimas aislados in vitro a temperaturas normales de microorganismos intactos, varias desventajas importantes. A continuación se detallan.

• Debido a estas desventajas ha habido una tendencia a utilizar métodos de síntesis química, siempre que era posible, como sustitutos de la biosíntesis. Sin embargo, existe otra alternativa mediante la cual puede reducirse la influencia de muchas de estas características; este implica la explotación in vitro de las trayectorias de reacción que tiene lugar dentro de los microorganismos.

• Desgraciadamente, el uso de enzimas aislados in vitro a temperaturas normales de microorganismos intactos, varias desventajas importantes. A continuación se detallan

• Las relativamente baja estabilidad de los enzimas in vitro a temperaturas normales.

• La capacidad de los microorganismos para sintetizar enzimas.

• El funcionamiento efectivo de un sistema de enzimas solo puede tener lugar cuando sus centros activos se encuentren, relativos unos a otros, en las posiciones estéreas apropiadas.

Características de los sistemas con enzimas inmovilizadas

• La retención de enzimas libres de células en el reactor constituye un simple prerrequisito si hay que evitar separaciones costosas, ya sea en operación continua como en el usos repetido de enzimas. El capitulo anterior abordo parcialmente las configuraciones de reactor, en las que los enzimas, permaneciendo en disolución libre, estaban rodeados por una membrana. La micro encapsulación proporciona un método alternativo de atrapamiento físico para enzimas en disolución libre. Con este método mediante una delgada membrana semipermeable hecha de materias tales como el colodión y el nylon, se circundan pequeños volúmenes de disoluciones acuosas conteniendo enzimas (figura 9.1).

• Otros métodos de atrapa miento mecánico, implican el uso de geles hidrofilicos tales como la poliacrilamida (Hicks y Updike, 1966) el agar y la gelatina. Los enzimas pueden dispersarse homogéneamente por tales geles, mediante polimerización térmica o química de una disolución acuosa conteniendo ambos, enzimas y monómero.

• Si las características de decaimiento o envejecimiento de un enzima determinado en disolución libre, vienen dadas por la ecuación (8.9), es decir, por un decaimiento de primer orden, es razonable postular que, dado que los enzimas físicamente atrapados permanecen efectivamente en disolución “libre” aunque a escala microscópica, las características de estabilidad no diferirán probablemente entre los estados libre e inmovilizado. La situación es algo diferente probablemente, si el enzima tiene unas características de decaimiento distintas de primer orden cuando se encuentran en disolución libre, pudiendo ser como consecuencia de interacciones enzima-enzima.

Un factor adicional, incluye el efecto del pH en la actividad de tales partículas. Para enzimas ligados en forma de pequeñas partículas, o grandes partículas bajo condiciones tamponadas, se obtendrá la misma forma general de dependencia del pH que en disolución libre, pero puede tener lugar un cambio en la localización del pH optimo debido a la influencia de cargas electrostáticas en la sustancia soporte (figura 9.4) (Katchalski. 1970).

CINÉTICA DE PARTÍCULAS SENCILLAS QUE CONTIENEN ENZIMAS INMOVILIZADOS

Enzimas nicroencapsulados

• Para la partícula mostrada en la figura 9.1 la membrana semipermeable representa una zona puramente difusional a través de la cual el sustrato tiene que pasar para alcanzar en núcleo activo. Este núcleo esta formado por una disolución acuosa, la cual, potencialmente, es capaz de fluir. Para gotitas de tamaño inferior de 1mm, este flujo o circulación es mínimo, y puede despreciarse para gotitas eficazmente aisladas por una membrana de esfuerzo mecánico del fluido externo. Así, el núcleo activo puede contemplarse como una región estancada en la que existe difusión y reacción química.

• Dada su forma de preparación, las micro cápsulas son en gran parte esféricas y consecuentemente, la ecuación (4.20) describe la transferencia difusional en la membrana

• Las restricciones que deben aplicarse a la ecuación (9.1) son

• Donde rc y ric son el radio externo e interno de la membrana y C* y C** son las concentraciones de sustrato correspondientes (figura 9.5)

Enzimas atrapados en gel

• El punto de arranque de cualquier investigación acerca del uso de sistemas enzimas inmovilizados debe ser inevitablemente una reacción que se sepa transcurra in vivo. Si se propone llevar acabo una reacción con una fracción microbiana o enzimática, debe establecerse en primer lugar que el proceso pueda realizarse en disolución acuosa o en suspensión. Finalmente deberá investigarse un método de inmovilización adecuado.

CINÉTICA• Sobre la base de que no existe

interacción entre el enrejado del gel y el enzima, desde el punto de vista cinético, el sistema de enzima inmovilizado en gel es análogo al núcleo activo del sistema de enzima micro encapsulado. La velocidad de difusión del sustrato es necesariamente mas baja a través de la matriz del gel que en simple disolución acuosa (figura 9.8). los geles pueden prepararse en forma de hojas o cilindros por moldeo como partícula irregulares, como en el caso de grandes bloques moldeados trituradas subsiguientemente. En cualquier caso las ecuaciones dadas en tablas 4.3 y 4.4 y 4.5 son aplicables siempre que los coeficientes de velocidad se interpreten como indica en la ecuación (9.9).

Coeficientes cinéticos

• Los coeficientes cinéticos definidos en la ecuación (9.11) contienen los coeficientes de enzima libre de Michaelis-Menten (véase página 197) y el coeficiente de difusión del sustrato gel. En principio, las características del sistema pueden determinarse antes de la inmovilización por los métodos indicados en el capítulo 8. El coeficiente de difusión puede obtenerse por un experimento directo de difusión.

• En el caso de que la retención fraccional de la actividad enzimática después de la preparación del gel sea desconocida, tanto para el enzima particular y deben ser determinados entonces por métodos similares a los descritos en la sección 5.1 para la preparación de enzimas inmovilizados en gel.

Enzimas ligados

• Para enzimas ligados (Melrose 1971) pueden prepararse superficies de soporte tales, que los enzimas se hallen ligados solo a las superficies externas de la partícula (figura 9.11). el conocimiento de la catálisis heterogénea en sus aplicaciones industriales, sugiere que a menudo es ventajoso utilizar partículas con grandes áreas superficiales internas y ligar catalíticamente sustancias activas a estas superficies (Petersen, 1965), puesto que esto acarrea una reducción neta sustancial del tamaño de reactor requerido para una conversión dada. Esto es consecuencia de que la velocidad global de reacción por unidad de volumen de reactor incrementa mas bien por la cantidad creciente de enzima por unidad de volumen de reactor, que no disminuye por la limitación en la difusión interna.

Estabilidad de una partícula sencilla

Condiciones de orden cero

• Los datos indicados en la figura 9.13 se obtienen de la consideración de un experimento hipotético en condiciones en las que la ecuación (9.15) es aplicable. Estos datos, representados en coordenadas semilogaritmicas, dad la forma de la ecuación y distintos coeficientes de decaimiento kds y kdi para los estados de disolución libre e inmovilización.

• Quizá sea digno de atención considerar los tres métodos generales de inmovilización separadamente para una comparación en la figura 9.13 en términos de propiedades conocidas y esperadas. La figura 9.14 los resume.

Micro capsula • La perdida de actividad en la inmovilización se

acentúa por el uso de partículas con radios de curvatura pequeños, dado que los enzimas se desactivan por efectos de tensión superficial.

• La velocidad de pérdida de actividad con el tiempo sigue en gran parte el diagrama mostrado en la figura 9.13 y se puede esperar que los coeficientes de desactivación sean similares para la disolución libre y la micro cápsula es decir kds = kdi

Enzimas inmovilizados en gel• Potencialmente la perdida de actividad en la

inmovilización en gel es cero, dada la flexibilidad inherente al metidos de preparación.

• La perdida de actividad inmediatamente después de la inmovilización será mayor que la encontrada para la disolución libre, debido a la perdida de enzimas por difusión desde los poros mayores en el gel. Subsiguiente, la cantidad de proteína en el gel, se hará constante y la desactivación kds y kdi sean muy

similares.

Enzimas ligadas• El potencial para el desarrollo de

procedimientos de preparación para enzimas enlazados e inmovilizados en gel, es probable conduzca a largo plazo a una situación en la cual la perdida de actividad en el enlace sea mayor que en la inmovilización en gel. Sin embargo, por compensación, el coeficiente de decaimiento kdi aparece significativamente reducido cuando se compara con las condiciones de disolución libre.de decaimiento

Condiciones distintas de orden cero

Efecto del pH sobre la velocidad global de reacción de una partícula simpleCinética de orden cero

Cinética de orden distinto de cero

• Condiciones de amortiguamiento o producción nula de iones H+ por la reacción

• Para reacciones dentro de esta categoría, la [H+] interna y externa será la misma y los coeficientes cinéticos K1e, K2e, y K3e serán constantes por toda la partícula. De esta forma, las ecuaciones (9.12) a (9.14) describen la situación. Sin embargo, en contraste con las condiciones de orden cero, es necesario considerar la dependencia con el pH de los coeficientes cinéticos individuales

Diseño de reactores que contienen sistemas de enzima inmovilizado

• las partículas enzimáticamente activas descritas en la ecuación 9.1.2 poseen varias características que son de importancia con respecto a la selección de las configuraciones apropiadas de reactor y a los procedimientos de operación. Estas incluyen: pesos especificados a menudo solo ligeramente en exceso sobre el del agua y similares a los de la masa microbiana; tamaños de partícula que pueden seleccionarse arbitrariamente y que dependen solamente del método de su preparación (en cualquier caso los tamaños característicos utilizados en la practica sobrepasaran los de un microorganismos sencillo); una distribución de tamaños de partícula que depende del método de preparación; partículas que se deforman y al final se desintegran si se someten a fuerzas de tensión rigurosas.

Las características de funcionamiento de un reactor continuo de tanque agitado difieren algo de las del la fermentación continuo de tanque agitado como puede verse a partir de la figura 9.23. Una comparación de esta figura y la figura 6.14 acentúa la influencia del crecimiento microbiano y arrastre por lavado en las reacciones microbianas.

GRACIAS