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Type: Tese
Title: Produção de biocatalisadores multi-ativos através da co-imobilização camada sobre camada de lipase a lacase utilizando diferentes suportes.
Title in English: Production of multi-active biocatalysts through lipase and laccase layer-by-layer co-immobilization using different supports.
Authors: Amorim, Kímberle Paiva dos Santos
Advisor: Gonçalves, Luciana Rocha Barros
Keywords: Lipase;Lacase;Enzimas;Celulose
Issue Date: 2022
Citation: AMORIM, K.P.S . Produção de biocatalisadores multi-ativos através da co-imobilização camada sobre camada de lipase a lacase utilizando diferentes suportes. 2022. 136 f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2022.
Abstract in Brazilian Portuguese: O uso conjunto de diferentes enzimas é comumente necessário para realizar um processo completo, como em sínteses de compostos e em degradação de poluentes de efluentes industriais, por exemplo. Lipases e lacases podem colaborar juntas para a síntese de fármacos, polímeros e compostos enantiomericamente enriquecidos, por exemplo, e em bioremediação. A imobilização de enzimas ajuda a superar algumas das suas limitações, como instabilidade e dificuldade de reuso. Neste trabalho, dois materiais (agarose e celulose) foram testados como suportes para co-imobilização de lipase e lacase usando estratégia multicamada, com polietilenoimina como cola entre as camadas de enzima. Lipase de Pseudomonas fluorescenes (usada para ambos os suportes), lacase de Aspergillus sp. (para suportes à base de agarose) e lacase de Trametes versicolor (para suportes à base de celulose) foram escolhidas para esse estudo devido às suas reconhecidas perfomances catalíticas. Primeiramente, materiais porosos à base de agarose ― DEAE e octil agarose (OA) ― foram testados como suportes para co-imobilização. OA mostrou-se o mais adequado, proporcionando um biocatalisador multiativo de alta estabilidade (100% da atividade da lipase foi mantida após 48h à 50 ºC, pH 7). Estudos de transferência de massa demostraram que foi possível obter biocatalisadores heterogêneos com atividade de 88,59 ± 1,0 U/g para lipase e 51,14 ± 1,31 U/g para lacase sem limitações difusionais internas. Em segundo lugar, suportes à base de celulose nanocristalina (CNC) foram usados para a mesma estratégia multicamada previamente estudada. Ensaios de FTIR e MEV demonstraram modificações químicas e morfológicas causadas pelas funcionalizações realizadas nesse suporte. Então, a primeira camada de enzima (lipase) foi imobilizada utilizando CNC e CNC funcionalizada com aldeído, que produziu biocatalisadores com características distintas (atividade e estabilidade). CNC oxidada com periodato (CNCox) usado como suporte resultou no biocatalisador com maior atividade (16,01 ± 1,05 U/g quando se utilizou 1,7 mg/g de carga proteica para imobilização) e estabilidade (t1/2 = 9,86 ± 1,94 , à 60 ºC). Assim, CNCox foi utilizado como suporte para a co-imobilização, que produziu um biocatalisador multiativo com estabilidade térmica melhorada, com a lipase co-imobilizada mantendo mais de 90% de sua atividade ao longo de 48 h de incubação à 50 ºC. Além disso, ele pôde ser aplicado em reciclos reacionais usando substratos padrões de ambas enzimas. Os biocatalisadores multiativos produzidos neste trabalho usando diferentes suportes apresentam grande potencial para serem aplicados em sistemas multienzimáticos de interesse industrial.
Abstract: The tandem use of different enzymes is commonly necessary to accomplish a whole process, such as for compounds synthesis and for degradation of pollutants from industrial effluents, for example. Lipases and laccases can co-collaborate to the synthesis of pharmaceuticals, some polymers and enantiomerically enriched compounds, for example, and in bioremediation. Immobilization of enzyme helps to overcome some limitations related to their instability and difficult to reuse. In this work, two materials (agarose and cellulose) were tested as support for lipase and laccase co-immobilization through a layer-by-layer strategy, using polyethyleneimine as a glue between enzyme layers. Lipase from Pseudomonas fluorescenes (used for both materials), laccase from Aspergillus sp. (for agarosed based support), and laccase from Trametes versicolor (for cellulose based supports) were chosen for this study due to their well-recognized catalytic performances. Firstly, porous materials based on agarose ― DEAE and octyl agarose (OA) ― were tested as supports for the co-immobilization. OA showed to be the most appropriate, providing a multi-active and highly thermally stable biocatalyst (keeping 100% of lipase activity after 48h at 50 ºC, pH 7). Mass transfer studies showed that it was possible to obtain heterogeneous biocatalysts with activity of 88.59 ± 1.0 U/g for lipase and 51.14 ± 1.31 U/g for laccase without internal diffusional limitations. Secondly, supports based on cellulose nanocrystalline (CNC) were tested for the same layer-by-layer strategy previously studied. FTIR and SEM assays demonstrated the chemical and morphological changes caused by the functionalizations performed on this support. Then, the first layer of enzyme (lipase) was immobilized using CNC and CNC functionalized with aldehyde, which produced biocatalysts with distinct characteristics (activity and stability). Functionalized CNC obtained through periodate oxidation (CNCox) showed to be the support providing a biocatalyst with higher activity (16.01 ± 1.05 U/g when 1.7 mg/g of protein load was used for immobilization) and stability (t1/2 = 9.86 ± 1.94, at 60 ºC). Thus, CNCox was used as support for the co-immobilization, which produced a multi-active biocatalyst with improved thermal stability, with co-immobilized lipase keeping more than 90% of its activity along 48 h of incubation at 50 ºC. Besides, it could be applied in recyles of reactions using standard substrates of both enzymes. The multi-active biocatalysts produced in this work using different supports present a great potential to be applied in multi-enzymatic systems of industrial interest.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/67762
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