BIOREATTORI
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Reazioni senza variazione di volume e a temperatura costante
(reattori con controllo della temperatura)
REAZIONI CATALIZZATE DA ENZIMI
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p1-p0=a(s0-s1)
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Ritenzione dell’enzima nel reattore
mediante una membrana porosa sullo
scarico (enzima relativamente grande).
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CONVERSIONE NEL REATTORE AGITATO CONTINUO
Effetto inibente del substrato
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Per ottenere la stessa conversione in un solo reattore agitato, è
necessario un volume di reattore V>(V1+V2+V3):
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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.
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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:
1. Attivazione del supporto
2. Attacco dell’enzima
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2 - Reticolazione con reagenti polifunzionali (glutaraldeide)
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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:
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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.
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3 - Incapsulazione
Gli enzimi sono intrappolati in piccole capsule, di diametro fino a
300 µm (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.).
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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.
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•Ureasi
(da bacillus) usi analitici, trattamenti di acque, rene artificiale.
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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’α-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,….
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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).
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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’αglucosio con legami glicosidici 1-4, e da una frazione di
amilopectina (circa 80%), di composizione simile all’amilosio,
ma con ramificazioni α-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.
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Diversi enzimi, prodotti da batteri e muffe sono in grado di
idrolizzare (depolimerizzare) l’amido; i più noti sono:
• α-amilasi - agisce idrolizzando casualmente i legami α-1-4.
Quando ottenuto dal Bacillus licheniformis, in presenza di ioni
Ca2+ è stabile anche a temperature piuttosto elevate (90-110°C).
•β
β-amilasi – Attacca i legami α-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).
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Il processo può suddividersi in 3 stadi:
1. Liquefazione
2. Saccarificazione
3. Isomerizzazione
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1 - LIQUEFAZIONE DELL’AMIDO
L’amido, sospeso in acqua al 30-40%, viene dapprima gelatinizzato e
quindi predepolimerizzato (destrinizzazione) mediante α-amilasi
(man mano che si idrolizzano i legami α1-4 si riduce la viscosità del
gel, operazione che viene detta appunto “liquefazione”).
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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 β-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 α-amilasi e
glucoamilasi.
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Il maltosio, o zucchero di malto, è un disaccaride composto
da due unità di glucosio con una connessione α(1-4).
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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.
↔
glucosio
fruttosio
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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).
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