Transcript Enzimas Inmovilizadas Biocatalizadores Inmovilizados Enzimas Inmovilizadas Para que la aplicación de los procesos enzimáticos sea exitosa, es necesario que: Bajo coste, para permanecer en.

Enzimas Inmovilizadas
Biocatalizadores Inmovilizados
Enzimas Inmovilizadas
Para que la aplicación de los procesos enzimáticos sea exitosa, es
necesario que:
Bajo coste, para permanecer en el producto final (estado activo o
inactivo) o para ser desechadas después de usar
Esto se aplica principalmente a las hidrolasas extracelulares que son
estables y no requieren cofactores
Enzimas intracelulares alto coste y mucho trabajo
Desarrollo de métodos para aumentar la estabilidad de enzimas y
permitir su reuso
En muchas aplicaciones, el producto final libre de residuos enzimáticos
Separación de la enzima del producto final. Inmovilización
Enzimas Inmovilizadas
Enzima intracelular, procesamiento complejo para liberarla de impurezas
Propiedades y comportamiento monitorizados in vitro
Ambiente totalmente no natural y comportamiento no natural
Condiciones in vitro son normales para enzimas extracelulares
Dentro de la célula unidas a componentes celulares o en la membrana
Complejos con otras proteínas o lípidos
Simulación de ambiente natural para enzimas intracelulares al inmovilizarlas
Enzimas Inmovilizadas
Enzimas Inmovilizadas
El coste de producción de enzimas permanece
relativamente alto
Aplicación de métodos económicos que usan las
células para estabilizar enzimas y usarlas varias veces
en el procesamiento de sustrato
Es posible crear las condiciones adecuadas de
acción para las enzimas inmovilizadas
Ejemplos: glucosa isomerasa y aminoacilasa
Enzimas inmovilizadas  reciclaje
Enzimas unidas a soportes (carriers)
que son visibles al ojo humano
Pueden separarse mecánicamente
de la solución de reacción
Técnicas de inmovilización
Fuerzas químicas  uniones covalentes
Fuerzas físicas  adsorción o fuerzas
electrostáticas
Agentes especiales para unir las moléculas
enzimáticas
Las moléculas de enzimas atrapadas
mecánicamente por un gel o por fibras
La adhesión no debe perderse durante el
uso de la enzima
La producción de enzimas
inmovilizadas para procesos
industriales debe ser simple y
relativamente barata
Actividad enzimática alta en
relación con la masa del soporte
Enzimas muy estables
Uso en reactores enzimáticos,
reactores en columna o recipientes
con agitación
Inmovilización de la
Enzima
Para unión covalente, activación
con agente bifuncional
Acoplamiento de la reacción
enzimática
No debe bloquear el centro activo
Inmovilización de la
Enzima
Ventajas:
Reciclable
Propiedades químicas y físicas
Alta estabilidad en rango de pH muy
amplio
Alta estabilidad a altas temperaturas
Producto final libre de residuos de la
enzima
Cuando la enzima está inmovilizada puede
ser menos activa
La inmovilización protege la estructura,
más tiempo funcional
BIOCATALIZADORES INMOVILIZADOS
La inmovilización es el proceso por el que las enzimas y las
células pueden transformarse en catalizadores heterogéneos
El biocatalizador se confina a una región determinada a
través de la cual se pasa la solución del substrato, que sale
como un producto, libre de catalizador.
Homogeneo: uso único
BIOCATALIZADORES INMOVILIZADOS
La inmovilización es el
proceso por el que las
enzimas y las células
pueden transformarse
en catalizadores
heterogéneos
El biocatalizador se
confina a una región
determinada a través
de la cual se pasa la
solución del substrato,
que sale como un
producto, libre de
catalizador.

Operación continua

Reutilización
Heterogéneo: uso continuado
COMPONTETES
DE LOS
BIOCATALIZADORES
INMOVILIZADOS
Enzimas
Durante la inmovilización
debe mantenerse la
estructura evitándose el
impedimento estérico del
sitio activo
Células muertas
Células vivas
Necesidad de mantener
su estructura
organizada
MÉTODOS DE
INMOVILIZACIÓN
Atrapamiento
Membranas
Adhesión
Geles
Unión
Covalente
Adsorción
X
1.- Láminas
2.- Fibras cóncavas o huecas
3.- Encapsulación
H
H
1.- No específica
2.- Intercambio iónico
3.- Hidrofóbico
4.- Pseudoafinidad
5.- Afinidad
+
O
Colorant e
Lectina
-
CH2OH
Ab
O
Ag
OH
OH
OH
Estrategias para la unión covalente
de un enzima a un soporte
ACTIVACIÓN
x
x
Lavado
x
Lavado
x
Lavado
x
Enzima
Conjugado
Inmovilizado
Soporte
x
Soporte
ACOPLAMIENTO
Enzima
Glucosa Isomerasa y Jarabe de Fructosa
Glucosa a partir de caña de azúcar y de
almidón
Glucosa 75% de la sacarosa
Fructosa 80% más que sacarosa
Glucosa isomerasa 100.000 toneladas
Fructosa 9-10 millones de toneladas
Endulzante de bebidas preferido
Glucosa Isomerasa y Jarabe de Fructosa
Rápida absorción (bebidas deportivas)
Aumenta sabor y enmascara amargor
Suaviza el helado, disminuye punto de
congelación
Endulzante de elección para diabéticos
Glucosa Isomerasa y Jarabe de Fructosa
Glucosa isomerasa de Streptomyces spp
Se rompen los microorganismos,
manteniendo la glucosa isomerasa intacta
Glutaraldehído para inmovilizar
Reducción 40% en costes de producción
Producción de productos baratos aún más
barata
Glucosa Isomerasa y Jarabe de Fructosa
Producción del Jarabe de Fructosa
Aminoacilasa y L-aminoácidos
Producción de pequeñas cantidades de productos
de gran valor
Humanos, cerdos y otros animales no rumiantes
no sintetizan aminoácidos como lisina y
metionina. Proceden de los alimentos
Producción industrial de aminoácidos para aditivos
de alimentos
Aminoacilasa y L-aminoácidos
En producción industrial, fermentación y métodos químicos
Mezclas ópticamente inactivas, de D- y L-isómeros
L-aa activo fisiológicamente (excepto metionina)
L-aa uso en medicina, deportes y alimento para animales
Eliminación de trazas de enzimas, reacciones inmunológicas
Aminoacilasa y L-aminoácidos
Proceso de eliminación costoso. Reducción de la productividad
Inmovilización como alternativa viable
Procedimiento sencillo y de bajo coste
Unión de la enzima por adsorción a un soporte de DEAE
celulosa
Estable. Pierde mitad de su actividad después de 65 días
Aminoacilasa y L-aminoácidos
Compañía Tanabe Seiyaku en Japón, primera en usar
enzimas inmovilizadas en la industria
Desde 1969, producción de L-fenilalanina, L-valina y
L-alanina a escala industrial
Reducción de 40% en coste total de producción
Aminoacilasa y L-aminoácidos
Aminoacilasa y L-aminoácidos
Aminoácido Deshidrogenasa
Cofactor NADH
El desarrollo de los reactores de membrana para el uso de enzimas dependientes de
cofactores abrió una nueva era en las aplicaciones enzimáticas
Los cofactores usados, que sería muy costoso reemplazar, regenerados enzimáticamente
En los reactores se colocan en la membrana de ultrafiltración la enzima dependiente de
cofactores (NADH) la aminoácido deshidrogenasa y la enzima formato deshidrogenasa
para regenerar los cofactores
A través de la membrana de ultrafiltración pasa la solución con sustratos. Las enzimas
no pueden pasar por las membranas
Aminoácido Deshidrogenasa
Cofactor NADH
Cofactor unido a soportes de polímeros (polietilen glicol), para evitar que deje
la cámara de reacción, se retiene por su tamaño molecular
Con la participación del cofactor, la enzima aminoácido deshidrogenasa
convierte los cetoácidos en L-aminoácidos
El cofactor NADH es oxidado a NAD+ que ya no es útil para la enzima
La otra enzima inmovilizada en el reactor, la formato deshidrogenasa convierte
el ácido fórmico en CO2 y reduce el NAD+ a NADH
El NADH que es un cofactor caro puede entonces ser reusado
Durante 90 días en el biorreactor cada molécula fue regenerada de 700.000 a
900.000 veces a partir de NAD+
Células Inmovilizadas
No sólo las enzimas, también se inmovilizan células enteras
Japón pionero en investigación en este campo
Ichiro Chibata y Tetsuya Tosa, compañía Tanabe Seiyaku,
desarrollaron aplicación de células inmovilizadas en 1973
Escherichia coli en gel sintetiza 600 toneladas del aa
aspartato a partir de ácido fumárico
120 días mitad de la actividad en células inmovilizadas
10 días vida media en células libres
Disminución del 60% en el coste de producción
Reactor de 1.000 litros, 2 toneladas de L-aspartato por día
Células Inmovilizadas
Los microorganismos inmovilizados son elección para procesos de varios pasos como
producción de alcohol en levadura
Ventaja: las células pueden ser reusadas y tienen una vida media más larga
Productos finales libres de compuestos biológicos y células
No es necesario purificación convencional
Más común inclusión de células en geles
Células Inmovilizadas
Células Inmovilizadas
El alginato es un producto de las algas marinas usado en industria alimentaria
para la preparación de geles
El alginato en presencia de iones de calcio forma una estructura gel estable y firme
Pequeñas moléculas como la glucosa pueden pasar por poros del gel para llegar a las células
Los productos metabólicos, alcohol y bióxido de carbono pueden salir de las gotas
Las células de levadura permanecen intactas
Las células de levadura son crecidas en presencia de medio de cultivo y oxígeno
Células Inmovilizadas
Cuando se rellena el espacio disponible en el gel con las células,
se ponen en la columna del biorreactor
La solución de glucosa pasa a través del reactor (sustrato), pero el oxígeno es limitado
Las células de levadura fermentan la glucosa en alcohol
Las plantas piloto que trabajan con células inmovilizadas son capaces de
producir alcohol a partir de glucosa continuamente durante meses
REACTORES
Tanque en agitación
REACTORES
Tanque de alimentación y agitación
continua (CSTR)
REACTORES
REACTORES
Lecho
compacto
REACTORES
REACTORES
Láminas
REACTORES
REACTORES
Lecho
Fluido
REACTORES
Tanque en agitación
Lecho
compacto
Tanque de alimentación y agitación
continua (CSTR)
Láminas
Lecho
Fluido
REACTORES