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
Cinética Enzimática
• La cinética de una enzima se ha explicado en base a lashipótesis de MichaelisMichaelis--MentenMenten (equilibrio rápido) y deBriggsBriggs--HaldaneHaldane (estado estacionario)
Cinética Enzimática
Cinética Enzimática
Aplicaciones de las Enzimas
Aplicaciones de las Enzimas
10% 5%
85%
IndustrialIndustrial
AnalíticasAnalíticas
TerapéuticasTerapéuticas
InvestigaciónInvestigación
Aplicaciones de las Enzimas
Reducen viscosidad
Limpieza
Eficiencia
Productividad
Mejoran extracciones
Nuevos productos
Aplicación IndustrialAplicación Industrial
Aplicaciones de las Enzimas
Sensibilidad
Especificidad
Aplicación analítica
Especificidad
Eficiencia catalítica
Aplicación terapéutica
Aplicaciones de las Enzimas
2 2 1 3311
detergentes
textil
cueropapeleraotros
Tipos de industrias con aplicaciones enzimáticas
Aplicaciones de las Enzimas
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:
Aplicaciones de las Enzimas
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
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 Inmovilizadas
Enzimas InmovilizadasESTABILIDAD OPERACIONALESTABILIDAD OPERACIONAL
Enzimas Inmovilizadas
• 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.
Enzimas Inmovilizadas
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)
Enzimas Inmovilizadas
•• 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
Enzimas Inmovilizadas
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 Enzimáticos
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
+=
Reactores Enzimáticos
• 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