Enzimas Imobilizadas e Reatores Enzimáticos

___________________________________________EQB4383 – Enzimologia Industrial M.A.Z. Coelho

Reatores Enzimáticos


TIPOS DE REATORES USADOS COM ENZIMAS

Os processos que utilizam enzimas imobilizadas podem ser conduzidos de forma contínua ou em batelada. O sistema mais

comum é o de tanque agitado em batelada (STR).

Em alguns casos, estes reatores vêm sendo operados de forma semi-contínua através da retirada intermitente de parte do meio

reacional e adição de nova solução de substrato.

Quando a enzima encontra-se na forma livre e solúvel o único reator utilizável é o reator em Batelada


CSTR – tanque mecanicamente agitado (com ou sem ultrafiltração)

Batelada – enzima pode ser separada da mistura final com facilidade

Contínuo – entrada e saída do fluído.

Como certa quantidade de enzima

pode ser arrastada,

sistemas de recuperação

de enzimas devem ser usados.

Fluxo Pistonado - PFR (Plug-Flow Reactor)

http://www.ce.berkeley.edu/Courses/E10/DLS_E10_Ver2bweb_files/image022.jpg

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Leito Fixo (Coluna empacotada – módulo fibrilar) -Enzima empacotada –estacionária.

Leito Fluidizado - Velocidade do fluído promove movimentação das

partículas de enzima

imobilizadas dentro do reator.


SELEÇÃO DOS REATORES ENZIMÁTICOS

Quanto à condução do processo

Batelada: mais indicados para processos de pequena escala (utilizados em caráter multi-propósito - menor ociosidade.

Contínuo:

Elevado custo do investimento.

Custo de mão-de-obra reduzido

Possibilita automação.

Apresentam maior produtividade.

Constância na Qualidade dos Produtos


Quanto ao tipo de reator a ser utilizado - Requisitos operacionais e custo

Requisitos operacionais podem limitar a escolha do reator.

Reator CSTR – quando controles de pH e temperatura são necessários-homogeneidade

Reator Tubular –substrato fornecido de modo intermitente - casos em que substratos em elevada concentração inibem a enzima.

Reatores de Leito Fixo – não usados para fluidos de alimentação que contenha sólidos insolúveis.


Quanto à Reutilização da Enzima

Maior parte das enzimas são instáveis para uso prolongado em reatores, podendo a imobilização ser atrativa (exceto enzimas extracelulares -

amilases e proteases).

Economicidade do processo dependerá:

custo do catalisador (enzima)

custo do processo.


Quanto à Característica da corrente de alimentação

Meios Viscosos ou com material particulado - Tanque de agitação e Leito fluidizado

Meios de Baixa Viscosidade ou sem material particulado – Leito fixo

Processo com Enzimas Imobilizadas - as características físicas do suporte.

Suportes frágeis - não devem ser usados em reatores CSTR e leito fluidizado.

Suportes Compressíveis ou pequenos – não devem ser usados em leito fixo


Quanto às Características Cinéticas

Reações que obedecem a cinética de Michaeliana – maior rendimento nos reatores de leito fixo e fluidizado.

Reações em ocorre inibição pelo substrato - mais adequado CSTR – [S] no reator =[S]saída- baixa

Reatores Contínuos - Enzima é retirada - necessário a adição de enzima nova, devido a perda na atividade durante uma operação prolongada.

Facilmente realizado em reator CSTR, a qualquer instante sem interrupções.


Tipos de Reatores Enzimáticos Contínuos e suas Características

Tipo de

Reator

Regime

de Fluxo

Eficiência

de

Conversão

Razão

Enzima /

Volume do

Reator

Controle de

Parâmetros

Características

Hidro-dinâmicas

Custos de

Operação

Tanque

Agitado

Contínuo

Mistura

Perfeita

Menor que

em coluna

(exceto para

casos de

inibição)

Baixa Fácil Boas Baixos

Coluna

Empacotada

Pistão Maior que o

tanque

agitado

(exceto para

casos de

inibição)

Alta Difícil

Regulares

(problemas de

compactação e

canalização)

Interme-

diários

Reator

Contínuo de

Ultrafiltração

(UF)

Mistura

Perfeita

Idem tanque

agitado

contínuo

Interme

diária

Fácil

Regulares

(problemas de

concentração na

membrana)

Altos

Reator

de Leito

Fluidizado

Interme

diário

Interme-

diária entre

o tanque

agitado e a

coluna

Interme

diária

Interme

diário

Boas Altos

Módulo

Fibrilar

Pistão Idem coluna Alta Difícil Idem reator

contínuo de UF

Altos


Cinética de Reatores Enzimáticos Ideais

Reator batelada, isotérmico:

max

m

V Sr

K S

r taxa de reação [mol.(s.L)-1]

o m max

o

SS S K ln V t

S

o

o

S

SS o m maxS K ln 1 V t

Conversão enzimática em um reator batelada

max

m

V SdSr

dt K S

Cinética de Michaelis-Menten, reação irreversível, sem inibição:


Variação da quantidade de substrato convertido () com o tempo de reação (t) para diferentes relações de So/Km.

Baixos valores de So/Km - taxa de reação é essencialmente de ordem zero

Tempo t para um dado em particular - é independente de So/Km.

Elevados valores de So/Km - taxa de reação é essencialmente de 1a. ordem

O tempo dispendido (t) para atingir um determinado valor de é proporcional

a relação So/Km.


Da mesma forma, para um CSTR e um PFR, a equação de Michaelis-Menten pode ser integrada resultando em equações idênticas a conversão enzimática em um reator batelada, usando Q como a alimentação volumétrica de substrato ao reator (em [L/s]).

Reator CSTR Reator PFR

Q

VKS max

mo

1

Q

VlnKS max

mo 1

Contribuições relativas do primeiro termo (reação de 1a ordem)

e do segundo termo (reação de ordem zero) em t ,

para atingir dado valor de , dependem dos valores de So e Km.


Relação entre a conversão () e a vazão volumétria (Q) em ambos reatores enzimáticos para diferentes razões So/Km.

Valores elevados de So = So/Km > 10 e baixos valores de

As curvas para ambos os reatores são praticamente idênticas

Valores baixos de So/Km e altos valores de

Somente podem ser alcançados em vazões mais lentas no CSTR,

que em sistema PFR - conversões para reatores PFR em um dado valor de Q.


As referidas equações demonstram que:

Quantidade de enzima no reator é um importante parâmetro -determina a velocidade de reação.

Reator em Batelada – quantidade enzima maior que o contínuo

Processo Reacional teoricamente é independente do tamanho do reator e estes devem ser comparados com base na quantidade de enzima requerida.


OUTROS EFEITOS QUE AFETAM A CINÉTICA DOS RETORES ENZIMÁTICOS

Inibição por Substrato - Mais efetiva em reator tubular do que no contínuo agitado.

Pode ser minimizado em reator em batelada introduzindo substrato de forma intermitente em um reator tubular (pistonado).Em reator agitado contínuo usando vários reatores dispostos em série.

Equação que descreve a inibição da enzima pelo substrato

ism

max

KSKS

SV

Vdt

dSr

2

1


Conversão Enzimática com Inibição pelo Substrato

CSTR PFR

Inibição pelo substrato é mais evidenciada em sistemas PFR.

Efeito é menor em reator CSTR - Enzima opera em condições onde a [S] é idêntica a da corrente do efluente do reator.

Q

V

K

SKS max

is

omo

2

2

1

Q

V

K

SKS

is

omo

max22

21ln


Efeito da inibição pelo substrato na conversão () em função da vazão volumétria (Q) para um PFR (____) e um CSTR (----) em diferentes razões So/Km.


Inibição pelo Produto

Competitiva (altera o valor de Km):

ipm

max

K

IKS

SV

Vdt

dSr

1

1

Conversão enzimática com inibição competitiva pelo produto em um CSTR

Q

V

K

KSKS max

ip

momo

11

2

Conversão enzimática com inibição competitiva pelo produto em um PFR

Q

VlnK

K

SS

K

K maxm

ip

oo

ip

m

111

Relação So/Kip é pequena - a inibição pelo produto desprezível.

Reator PFR desprezível , mais pronunciada reatores CSTR – elevada [P].


Não - competitiva (altera o valor de Vmax):

m

ip

max

KS

S

K

I

V

Vdt

dSr

1

1

Conversão enzimática com inibição não - competitiva pelo produto em um CSTR

Q

V

S

K

K

SKS max

o

m

ip

omo

11

1

22

Conversão enzimática com inibição não - competitiva pelo produto em um PFR

Q

V

S

K

K

SKS max

o

m

ip

omo

11

1

22

Para os mesmos valores de So, Km, Kip e

- inibição não – competitiva

ocasiona maior efeito

no progresso da reação

que a inibição competitiva.

Efeito da inibição competitiva e não-competitiva na conversão () em função do

tempo de reação (t) para razão So/Km = 10 e diferentes relações de Kip/Km.

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