tema 11. inmovilizaciones

TEMA 11. INMOVILIZACIONES
1. INTRODUCCIÓN
Existen varios tipos de fermentaciones, fermentación discontinua, continua, alimentada o por reactores
de enzimas o células inmovilizadas.
Actualmente se usan biorreactores que mejoran al fermentador clásico. Los biorreactores poseen una
matriz inerte para unir el biocatalizador a un soporte. La sustancia activa del biorreactor son:
 ENZIMAS: una vez purificadas es muy sencilla su manipulación, para elegir que tecnología es
la mejor para modificarlas hay que tener en cuenta que hay que mantener la estructura evitando el
impedimento estérico del sitio activo.
 CÉLULAS MUERTAS O EN REPOSO (ESPORAS): se pueden manejar con mayor seguridad
pero solo son útiles para unos pocos procesos.
 CÉLULAS VIVAS: hay que tener en cuenta que hay que mantener su estructura organizada
funcionalmente.
MÉTODOS DE INMOVILIZACIÓN
 ATRAPAMIENTO: Se envuelve al biocatalizador en una malla tridimensional , sin reacciones
químicas que interaccionen con las células. Se usa casi en exclusiva para inmovilizar células.
o MEMBRANAS: se crean membranas artificiales que nos permiten atrapar en una
biosfera al catalizador, por láminas, fibras cóncavas o huecas y por encapsulación.
o GELES: son los más estables y son estructuras tridimensionales que podemos
construir de forma natural o artificial. Ej: agar o agarosa (naturales) y poliacrilamida
(artificial).
 ADHESIÓN
o UNIÓN COVALENTE (química): se usan dos reactivos con dos grupos funcionales
que pueden formar un enlace covalente con el biocatalizador para unirlo a una matriz
o ADSORCIÓN (física): puede ser una reacción de superficie, por intercambio iónico,
por interacción hidrofóbica, por afinidad o por pseudoafinidad.
REACTORES DE ENZIMAS O CÉLULAS INMOVILIZADAS
1. ADSORCIÓN: se realiza por resinas de intercambio ionico
2. COVALENTE: con glutaraldehído, tolueno, iodoacetilcelulosa o di-isocianato
3. ATRAPAMIENTO: con colágeno, gelativa, agar, alginatos, poliacrilamida o poliestireno
2. TIPOS DE BIORREACTORES
BIORREACTOR DE LECHO EMPAQUETADO: Es muy estable y podemos poner un flujo continuo
del material que estamos transformando, pero no soporta determinadas reacciones en las que se
liberen o requieran gases. Son útiles para enzimas pero no para células.
BIORREACTOR DE LECHO FLUIDIFICADO: Se permite que las microesferas que están
inmovilizando el biocatalizador estén libres y permitan el intercambio de gases.
BIORREACTOR DE FIBRA HUECA: Es una variación del primero para que se permitan los
intercambios de gases, consta de varios biorreactores en línea que permiten el intercambio de gases
pero matienen la estabilidad de un lecho empaquetado.
3. REACTORES DE ENZIMAS O CÉLULAS INMOVILIZADAS
Son sistemas de producción continua, consiste en pasar el medio fresco a través de un biorreactor
en el que hemos inmovilizado células o enzimas.
Las ventajas consisten en que en este sistema se eliminan los problemas de desequilibrio
(estabilidad del sistema), también se eliminan los problemas de estabilidad genética del sistema
continuo clásico y además el producto resultante está libre de células. Presenta el incoveniente de que
no todos los microorganismos pueden inmovilizarse. Este sistema soluciona el problema de la
fermentación continua y discontinua.
OBTENCIÓN DE L-AMINOÁCIDOS
En el proceso por síntesis química obtener una mezcla racémica de D y L-aminoácidos, pero solo
nos interesan los últimos, por lo que hay que purificar el producto para obtener el L-aminoácido, esto
se hace gracias a la especificidad de los enzimas. En primer lugar se modifican los aminoácidos
sintetizados para obtener una mezcla racémica de acilaminoácidos, y gracias a un enzima que
escinde los radicales acilo pero que es de alta especificidad y solo actúa sobre los L-acilaminoácidos,
obtenemos L-aminoácidos y D-acilaminoácidos, que ya se puede separar fácilmente y los Daminoácidos sobrantes se meten en un tanque de racemización.
El inconveniente de este método es que cuando eliminamos por el radical acilo tenemos que añadir
el enzima y producirlo con alto grado de pureza implica mucho gasto, además es un proceso ciclico.
Unos investigadores japoneses crearon un biorreactor para realizar este proceso, hacían pasar la
mezcla racémica por el biorreactor con la enzima inmovilizada y el proceso continuaba sin mas.
Lo desarrollaron usando las tres posibilidades para inmovilizar una enzima, utilizando DEAEsephadex, yodoacetil celulosa y poliacrilamida, sabiendo que la inmovilización altera las
características de una enzima compararon los tres métodos:
PROPIEDAD
FISICOQUÍMICA
ACTIVIDAD
ENZIMA NATIVA
DEAESEPHADEX
YODOACETIL
CELULOSA
POLIACRILAMID
A
pH óptimo
7.5-8-0
01/07/00
7.5-8.0
01/07/00
Tª óptima
60 ºC
72 ºC
55 ºC
65 ºC
Energía de
activación a 37 ºC
6.9 kcal/mol
7.0 kcal/mol
3.9 kcal/mol
5.3 kcal/mol
Velocidad de
reacción a 37 ºC y
pH 7.0
1.52 mol/h
3.33 mol/h
4.65 mol/h
2.33 mol/h
% retención de
actividad a los 10'
a 70 ºC
12/05/14
87.5
62.5
34.5
El análisis final para la elección de la técnica de inmovilización se hizo con parámetros relacionados
con la actividad biológica y con temas de tipo económico.
FACTOR
DEAE-SEPHADEX
YODOACETIL
CELULOSA
POLIACRILAMIDA
Dificultad de
preparación
Fácil
Dificil
Intermedia
Retención de
actividad en
inmovilización
Alta
Alta
Alta
Coste de
inmovilización
Bajo
Alto
Moderado
Posible
Imposible
Imposible
Regeneración
Llegaron a la conclusión de que el adecuado para usar era el DEAE-Sephadex. Hay que destacar
que el coste de las enzimas libres es mayor que el de las enzimas inmovilizadas.
PROCESOS CON ENZIMAS INMOVILIZADAS
1. Producción de L-aminoácidos, mediante el método ya visto de enzimas inmovilizadas
en DEAE-Sephadex.
2. Sirope de fructosa, mediante enzimas inmovilizadas en celulosa con intercambio iónico.
3. Producción de ácido 6-aminopenicilánico, mediante enzimas inmovilizadas en
sefarosa o en células de E.coli en geles de poliacrilamida.
PROCESOS CON CÉLULAS INMOVILIZADAS
1. Ácido málico, en células de Brevibacterium flavium inmovilizadas
2. Ácido aspártico, en células de E.coli inmovilizadas.