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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


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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
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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;
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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;
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Ter baixo custo;
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Facilidade de operação em larga escala;
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Não tóxicos às células;
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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
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Este polissacarídeo tem a particularidade de formar géis em meios
aquosos a concentrações muito baixas;
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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
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Terra de Kanuma (solo proveniente do Japão);
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Carvão ativado;
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Celulose em pó.
Tipos de Reatores: Escolha
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Requerimentos de transferência de massa (principalmente suprimento
de oxigênio e remoção de gases);
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Método de imobilização;
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Características da matriz de imobilização utilizada;
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Natureza do substrato;
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Requerimentos para o cultivo do microorganismo utilizado.
Reator de Mistura
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Uso de turbinas;
Desvantagem: tensão de cisalhamento
imposta a matrizes sensíveis;


Vantagens: fácil controle de temperatura e pH;
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Operação contínua é adequada em casos de inibição pelo substrato;

Oferece as melhores condições de mistura e transferência de
oxigênio.
Reator de Leito Empacotado
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Os agregados imobilizados são empacotados numa coluna, através da qual o
meio de fermentação é passado;
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Mais usado em fermentações anaeróbicas;
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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