Biocatalisadores Imobilizados Microcápsulas de quitosana contendo B. subtilis imobilizado. Miguel Serrano Júnior Definição - IMOBILIZAÇÃO Movimento não independente das células ou enzimas na parte aquosa do sistema, por estarem alojadas dentro ou na superfície do agente imobilizador. (TAMPION e TAMPION, 1988); Fixação de enzimas ou células vivas em um ambiente, de maneira que sua atividade catalítica não seja afetada negativamente. (CANTARELLI, 1989); Imobilização de células: sistema que facilita a exploração comercial de metabólitos vegetais, ou proteínas geneticamente modificadas, de interesse farmacológico, por fixação de células em cultura sobre um suporte. (Glossário de Biotecnologia, edição 2005.) Imobilização versus Células Livres Aumento da produtividade em razão das elevadas densidades celulares normalmente obtidas; A imobilização eleva a atividade fermentativa da levedura, promovendo a adaptação das células ao meio e eliminando a fase lag em bateladas sucessivas de fermentação; Sistema contínuo: risco de contaminação em operações com altas taxas de de diluição e de altas concentração de células; Subprodutos; Elimina-se a necessidade de remoção das células ou de reciclo, tornando a extração do produto mais eficiente. Imobilização versus Células Livres Facilidade de reutilização dos biocatalisadores; Aumento da estabilidade destes biocatalisadores; Redução de custos operacionais; O sistema que usa células livres de leveduras em modo contínuo de fermentação é limitado, uma vez que podem ocorrer perdas de células no fermentador; As células imobilizadas são mais resistentes a condições adversas, uma vez que a matriz de imobilização geralmente resulta em maior proteção a estas células; Desvantagem: o estado fisiológico do organismo imobilizado não pode ser controlado, o que se torna particularmente prejudicial aos sistemas em que o metabólito secundário é o principal, pois é produzido na fase estacionária. Células imobilizadas versus Enzimas Imobilizadas A imobilização das células é mais vantajosa que a de enzimas, pois evita o trabalho de extraí-las dos microorganismos, purificá-las para fixá-las, em seguida, a um suporte; Logo apresentam menor custo; Além de que quando cofatores são necessários nos processos biotecnológicos, as células possuem a capacidade de regenerar estes naturalmente; Maior resistências a perturbações ambientais. Métodos de Imobilização Métodos para imobilização de células Encapsulação Em matriz Ligação Em membrana Microcápsulas Contenção por barreiras Por adsorção (física ou iônica) Por ligação covalente No suporte Por ligação Cruzada entre a célula e o suporte Suporte Ideal Devem ser encontrados com facilidade e abundância; Ter baixo custo; Facilidade de operação em larga escala; Não tóxicos às células; Alta capacidade de retenção; Resistência mecânica para uma longa vida operacional; Os suportes inorgânicos são melhores que os orgânicos por alguns fatores, como: durabilidade, densidade, estabilidade, controle de porosidade, facilidade de esterilização e limpeza. Tipos de Suporte: Alginato de Cálcio Formação do gel de alginato de cálcio ocorre rapidamente na presença de íons cálcio, sem alterações drásticas de temperatura, pH e pressão osmótica, a atividade e a viabilidade dos microorganismos imobilizados são conservadas; Desvantagens: instabilidade química na presença de agentes quelantes de íons cálcio; tendência das esferas em sofrer dilatação na presença de cátions monovalentes; e as limitações impostas às transferências de substratos e produtos. Imobilização de células: Candida tropicalis e Saccharomyces cerevisiae Produção de: Etanol Kluyveromyces lactis Lactose Candida guilliermondii Xilitol Tipos de Suporte: Carrageana Este polissacarídeo tem a particularidade de formar géis em meios aquosos a concentrações muito baixas; É melhor para a produção industrial de etanol que o gel de alginato de cálcio. Desvantagens: reside no aquecimento ao qual a suspensão celular deve ser submetida. A temperatura elevada pode causar não somente a inativação irreversível de algumas enzimas, mas a morte das células; Imobilização de células: Saccharomyces cerevisiae Pseudomonas dacunhae Escherichia coli Produção de: Etanol L-alanina L-fenilalanina Tipos de Suporte: Poliacrilamida Com a imobilização (encapsulamento) de S. cerevisiae verificou-se viabilidade celular heterogênea, com elevado número de células não viáveis, por outro, as células aderidas à superfície mantiveram a capacidade de formar colônias com boa atividade fermentativa; Estabilidade das células maior que com uso de alginato de cálcio; Imobilização de células: Produção de: Saccharomyces cerevisiae Etanol Saccharomyces uvarum Etanol Saccharomyces cerevisiae Bioconservação do etanol e butanol em aldeídos Tipos de Suporte: Alumina Vantagens: Material inorgânico; Imobilização de células: Saccharomyces cerevisiae Zymomonas mobilis Produção de: Etanol Levânio e Etanol Bactérias redutoras de sulfato e bactérias metanogênicas Levedura Lactobacillus rhamnosus Vinhos Ácido láctico Tipos de Suporte: Outros tipos Terra de Kanuma (solo proveniente do Japão); Carvão ativado; Celulose em pó. Tipos de Reatores: Escolha Requerimentos de transferência de massa (principalmente suprimento de oxigênio e remoção de gases); Método de imobilização; Características da matriz de imobilização utilizada; Natureza do substrato; Requerimentos para o cultivo do microorganismo utilizado. Reator de Mistura Uso de turbinas; Desvantagem: tensão de cisalhamento imposta a matrizes sensíveis; Vantagens: fácil controle de temperatura e pH; Operação contínua é adequada em casos de inibição pelo substrato; Oferece as melhores condições de mistura e transferência de oxigênio. Reator de Leito Empacotado Os agregados imobilizados são empacotados numa coluna, através da qual o meio de fermentação é passado; Mais usado em fermentações anaeróbicas; Desvios de comportamento ideal do fluxo (acúmulos de gases como CO2, compactação do leito, acúmulo de biomassa suspensa); Reator de Leito Fluidizado Apresenta boas condições de mistura e baixas tensões de cisalhamento; O leito fluidizado facilita a mistura entre as fases líquida e sólida, e a remoção de gases e minimizam a pressão sobre o leito de agregados imobilizados; Boa fluidização: diferença de densidade entre os agregados celulares e o meio de fermentação deve ser a maior possível. Bibliografia Biotecnologia Ciência & Desenvolvimento ano IX – nº 36 – janeiro/junho 2006