BIOREATTORI

Reazioni senza variazione di volume e a temperatura costante (reattori con controllo della temperatura) REAZIONI CATALIZZATE DA ENZIMI

p1-p0=a(s0-s1)

Ritenzione dell’enzima nel reattore mediante una membrana porosa sullo scarico (enzima relativamente grande).

CONVERSIONE NEL REATTORE AGITATO CONTINUO Effetto inibente del substrato

Per ottenere la stessa conversione in un solo reattore agitato, è necessario un volume di reattore V>(V1+V2+V3):

IMMOBILIZZAZIONE DEGLI ENZIMI Quando l’enzima viene alimentato al reattore in soluzione, esso lascia il reattore insieme al prodotto; si ha quindi perdita di enzima. L’enzima può anche rappresentare una impurezza indesiderabile, che deve essere rimossa. Per evitare tali inconvenienti, l’enzima può essere immobilizzato, in modo da essere trattenuto dentro il reattore. Vi sono vari metodi possibili di immobilizzazione.

Metodi chimici 1 - Ancoraggio covalente su un supporto solido insolubile in acqua. I supporti solidi possono essere di diversa natura: vetri e ceramiche porose, acciaio inossidabile, sabbia, carbone, ossidi metallici e vari composti polimerici. Gli enzimi vengono immobilizzati di solito attraverso i loro gruppi amminici o carbossilici che, ovviamente non devono essere né quelli essenziali per l’attività catalitica, né vicini ad essi. Il processo consiste in 2 fasi: Attivazione del supporto Attacco dell’enzima

2 - Reticolazione con reagenti polifunzionali (glutaraldeide)

Le particelle di enzima reticolato sono gelatinose e non hanno le proprietà meccaniche richieste per molte applicazioni. Migliori proprietà meccaniche sono ottenute adsorbendo l’enzima su un supporto e quindi reticolando l’enzima adsorbito:

Metodi fisici 1 - Inclusione in fibre spugnose o in fibre cave 2 - Inclusione in un gel polimerico Con questa tecnica un enzima è addizionato ad una soluzione di monomero, quindi si innesca la polimerizzazione.

3 - Incapsulazione Gli enzimi sono intrappolati in piccole capsule, di diametro fino a 300 mm (microincapsulazione), circondate da una membrana porosa che consente il passaggio di substrato e prodotto, ma non dell’enzima (l’enzima, internamente, si trova in soluzione). L’immobilizzazione dell’enzima comporta in genere una sua maggiore stabilità nei riguardi di quegli agenti che provocano la perdita della conformazione nativa dell’enzima attraverso un suo “srotolamento” (pH, T, agitazione, ecc.).

Diffusione e reazione nella particella Nel caso di enzima immobilizzato in un supporto, il substrato deve diffondere attraverso il supporto per raggiungere il sito catalitico. Ciò comporta un gradiente di concentrazione del substrato entro la particella. Quando v è funzione crescente di S (cinetica di Michaelis-Menten), la velocità di reazione all’interno della particella sarà inferiore a quella corrispondente a S=S0 (esterno particella). Pertanto la quantità di substrato convertito per unità di tempo e di volume entro la particella sarà inferiore a quella che si avrebbe senza gradiente di concentrazione.

Ureasi (da bacillus) usi analitici, trattamenti di acque, rene artificiale.

Di gran lunga più utilizzati sono gli enzimi idrolitici (idrolisi dell’amido, della cellulosa, dei grassi, delle proteine). Sono coinvolti nei settori più diversi: Produzione di detersivi la proteasi degrada le proteine insolubili in frammenti che possono essere rimossi o disciolti dal detergente; l’a-amilasi attacca l’amido rompendo i legami 1,4 dando destrine solubili: la lipasi idrolizza i trigliceridi dando acidi grassi, digliceridi, monogliceridi e glicerolo (più degradato è il grasso, più facile è la sua rimozione dal tessuto per l’aumentata idrofilicità). Degradazione degli alimenti; Trattamento delle acque di scarico; Lavorazione dell’amido; Maturazione della frutta colta acerba; Lisi delle cellule morte; Maturazione della carne e dei formaggi,….

Settore medico Glucosidasi – analisi del glucosio nel sangue e nelle urine; Lisozima – trattamento di ulcerazioni, morbillo, sclerosi multipla, alcune malattie della pelle, infezioni post-intervento; Ialuronidasi – facilita la diffusione di composti che vengono iniettati insieme ad essa (antibiotici, adrenalina, eparina, anestetici locali).

PROCESSI DI PRODUZIONE CONVERSIONE DELL’AMIDO L’amido, materiale di riserva delle piante, è costituito da una frazione di amilosio (circa 20%), che è un polimero dell’a-glucosio con legami glicosidici 1-4, e da una frazione di amilopectina (circa 80%), di composizione simile all’amilosio, ma con ramificazioni a-1-6 mediamente ogni 25 unità di glucosio. Il processo di conversione consiste nella idrolisi (depolimerizzazione) dei legami glicosidici, per la produzione di zuccheri semplici.

Diversi enzimi, prodotti da batteri e muffe sono in grado di idrolizzare (depolimerizzare) l’amido; i più noti sono: a-amilasi - agisce idrolizzando casualmente i legami a-1-4. Quando ottenuto dal Bacillus licheniformis, in presenza di ioni Ca2+ è stabile anche a temperature piuttosto elevate (90-110°C). b-amilasi – Attacca i legami a-1-4 delle catene amilosiche con formazione di unità maltosiche a partire dalle estremità (la rottura si ferma a 2 o 3 unità glicosidiche dai punti di reticolazione 1-6). Glucoamilasi (o amiloglucosidasi) - è un enzima in grado di idrolizzare sia il legame 1-4, sia quello 1-6, anche se quest’ultimo molto lentamente. Pullulanasi – mostra attività specifica solo per i legami 1-6 (a pH 4.5 e T= 60°C).

Liquefazione Saccarificazione Isomerizzazione Il processo può suddividersi in 3 stadi: Liquefazione Saccarificazione Isomerizzazione

1 - LIQUEFAZIONE DELL’AMIDO L’amido, sospeso in acqua al 30-40%, viene dapprima gelatinizzato e quindi predepolimerizzato (destrinizzazione) mediante a-amilasi (man mano che si idrolizzano i legami a1-4 si riduce la viscosità del gel, operazione che viene detta appunto “liquefazione”).

2 - SACCARIFICAZIONE Quando l’amido liquefatto viene ulteriormente demolito per idrolisi, si ottiene una notevole varietà di prodotti dolcificanti (saccarificazione). Così, impiegando una serie di enzimi comprendenti b-amilasi e pullulanasi per la dereticolazione, è possibile produrre sciroppi con tenori di maltosio vicini all’80%. Uno sciroppo con un tenore di glucosio del 95-97% può essere ottenuto per trattamento successivo con a-amilasi e glucoamilasi.

Il maltosio, o zucchero di malto, è un disaccaride composto da due unità di glucosio con una connessione α(1-4).

3 – ISOMERIZZAZIONE DEL GLUCOSIO Il prodotto che si ottiene isomerizzando il glucosio a fruttosio ad opera della glucosio-isomerasi ha un potere dolcificante simile allo sciroppo di saccarosio ed ha trovato largo impiego nella fabbricazione di bevande analcoliche. La costante di equilibrio della reazione di isomerizzazione Glucosio  Fruttosio alla temperatura di processo è all’incirca unitaria, pertanto il prodotto contiene glucosio e fruttosio approssimativamente nel rapporto 1:1. fruttosio  glucosio

Nelle condizioni operative ottimali per assicurare elevata attività e stabilità dell’enzima (pH7.5, T=55-60 °C) il glucosio ed il fruttosio sono piuttosto instabili e si decompongono facilmente ad acidi organici e sottoprodotti di colore scuro. Per superare questo problema, il tempo di reazione viene tenuto breve facendo passare il glucosio in modo continuo attraverso una colonna contenente l’enzima immobilizzato (enzima in particelle da 0.3-1 mm).