18 Ing Enzimas

Ingeniería de Enzimas

Enzimas

• Tiene un alto grado de especificidad

• Actúan en habitualmente en soluciones acuosas bajocondiciones de temperatura y pH definidos

• La acción catalizadora de las enzimas escuantificada por su actividadactividad enzimáticaenzimática

Clasificación de las Enzimas

Enzimas

Cinética Enzimática


• La cinética de una enzima se ha explicado en base a lashipótesis de MichaelisMichaelis--MentenMenten (equilibrio rápido) y deBriggsBriggs--HaldaneHaldane (estado estacionario)

Aplicaciones de las Enzimas


10% 5%

85%

IndustrialIndustrial

AnalíticasAnalíticas

TerapéuticasTerapéuticas

InvestigaciónInvestigación


Reducen viscosidad

Limpieza

Eficiencia

Productividad

Mejoran extracciones

Nuevos productos

Aplicación IndustrialAplicación Industrial


Sensibilidad

Especificidad

Aplicación analítica

Especificidad

Eficiencia catalítica

Aplicación terapéutica


2 2 1 3311

detergentes

textil

cueropapeleraotros

Tipos de industrias con aplicaciones enzimáticas


α-amilasas panadería, cerveceríaβ-glucanasas cervecería, jugos frutas, alimentación animallactasa lácteosxilanasa alimentación animal, pulpa y papelinvertasa confiteríapectinasas vino, jugos de frutascelulasas jugos de fruta, textil

Ejemplos de Enzimas y sus aplicaciones:


Proteasas ácidas lácteos, panadería Proteasas neutras cárneos, cerveceríaProteasa alcalina cárneos, detergentes, curtiembreLipasa lácteos, detergentesGlucosa oxidasa huevos, mayonesaPenicilina acilasa farmacéuticaRenina lácteos

Ejemplos de Enzimas y sus aplicaciones:

Enzimas Inmovilizadas


• Es aquella enzima física o químicamente ligada o contenidaen una matriz o soporte, usualmente sólido, no esencial parala expresión de su actividad.

• La inmovilización de enzimas ofrece una serie de ventajasdesde el punto de vista de estabilidad operacional yflexibilidad de aplicación en distintas configuraciones ymodalidades de proceso.

• Sistemas de inmovilización: enzimas unidas a soporte porenlace químico o enzimas encapsuladas, confinadas a unespacio determinado por atrapamiento molecular.

Enzimas InmovilizadasESTABILIDAD OPERACIONALESTABILIDAD OPERACIONAL


• El éxito de la inmovilización se basa en la capacidad delsoporte de unir la enzima y de expresar eficientemente laactividad de la enzima unida.

• Al unirse la enzima a un soporte sólido se genera un sistemaheterogéneo, ya que reactantes y catalizador se encuentranen fases distintas.


EfectosEfectos conformacionalesconformacionales:: relacionados con la alteración de laestructura de la molécula enzimática

EfectosEfectos microambientalesmicroambientales:: resultan como consecuencia de queel catalizador enzimático se encuentra en un ambiente cuyaspropiedades difieren de aquellas donde los efectos de la acciónenzimática se miden.

Efectos de particiónEfectos de particiónRestricciones difusionales (internas y externas)


•• CinéticaCinética intrínsecaintrínseca:: aquella que se observaría en ausencia deefectos microambientales.

•• CinéticaCinética inherenteinherente:: aquella que se observaría en ausencia derestricciones difusionales.

•• CinéticaCinética efectivaefectiva (aparente)(aparente):: aquella que no corresponde a lapropia de la enzima, es la que se mide experimentalmente.

Enzimas InmovilizadasESTABILIDAD OPERACIONALESTABILIDAD OPERACIONAL


Restricciones difusionales externas (RDE):

-- ResultanResultan comocomo consecuenciaconsecuencia dede lala existenciaexistencia (en(en lala vecindadvecindad dede lalapartículapartícula catalítica)catalítica) dede unauna zonazona dede líquidolíquido estancoestanco dondedonde hayhay sólosólodifusióndifusión molecularmolecular yy nono transportetransporte convectivoconvectivo..

- Si la limitación es muy fuerte, la velocidad de la reacción es lavelocidad de difusión.

- Estas restricciones disminuyen aumentando la agitación para mejorarel mezclado.

- En una situación ideal de mezcla sin limitación de la difusión, lareacción tendrá los parámetros cinéticos idénticos a los de la enzimalibre.

Enzimas InmovilizadasMódulo de Damköhler:

Es un número adimensional que expresa la relación entre lavelocidad máxima de una reacción enzimática y la velocidad máxima detransferencia de sustrato en las proximidades de una enzimainmovilizada.

IncidenciaIncidencia deldel fenómenofenómeno dede transportetransporte dede sustratosustrato enen lala expresiónexpresión deldelpotencialpotencial catalíticocatalítico dede lala enzimaenzima..

mKVh

max=α

Si α es pequeño baja incidencia de RDEbaja incidencia de RDE

Si α es grande alta incidencia de RDEalta incidencia de RDE

Reactores Enzimáticos

Reactores Enzimáticos- Operación por Lote: enzima soluble o inmovilizada

- Operación Continua: enzima inmovilizada

Tiempo de operación (t) → grado de conversión (x)

Tiempo de residencia (τ) → grado de conversión (x)

Flujo (F) → condiciones de operación

Volumen de reacción (VR) → F y τ

VR = F· τ

Tiempo de operación (t) → actividad enzimática


Reactores en continuo

A) Lecho empacado

B) Agitado con retención

Reactores Ideales

A) Modelo de flujo: Flujo Pistón ó Mezcla perfecta

B) Para enzimas inmovilizadas: no hay RD, inactivación, efectos de partición.

Reactores EnzimáticosParámetros de Diseño

•Tiempo de residencia τ = VR/F

para lecho empacado VR = VE·ε

•Carga enzimática (E, en UI)

•Grado de conversión x = (S0 – S)/S0 ;Si la reacción es equimolar:

P = S0· x

•Productividad QP ó π = S0·x/τ

Reactor por Lotes

(kcat·E)·tKm·VR

S0·xKm

- ln(1 – x)=

s

Reactor Continuo Flujo Pistón

z z+Δz

x x+Δx

F

s0

F

s0(1-x)

L

(k·E)Km·F

S0·xKm

- ln(1 – x)=

Reactor Continuo Tanque Agitado

F, so

F, ss

τ·(k·e) S0·x x(1 – x)Km Km

+=

k·E S0·x x(1 – x)Km·F Km

+=


• Cinéticas simples Michaelis-Menten y cinéticas deinhibición por producto: El reactor continuo de lecho fijo enrégimen de flujo pistón (y el agitado por lotes) es máseficiente que el reactor continuo de tanque agitado.

• Cinéticas de inhibición por sustrato: lo opuesto

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