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http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/84619| Tipo: | Tese |
| Título: | Immobilization of Eversa ® Transform 2.0 lipase on polymeric and biopolymeric matrices for packed-bed operation |
| Autor(es): | Silva, Allison Ruan de Morais |
| Orientador: | Silva Júnior, Ivanildo José da |
| Coorientador: | Gonçalves, Luciana Rocha Barros |
| Palavras-chave em português: | Reator de leito empacotado;Remediação in situ;Massa - Transferência;Eversa ® Transform 2.0;Lipase;Suporte carragenana-quitosana;Biocatálise;Reatores químicos;Materiais compostos |
| Palavras-chave em inglês: | Packed bed reactor;In situ remediation;Mass transfer;Eversa ® Transform 2.0;Lipase;Carrageenan-chitosan support;Biocatalysis;Chemical reactors;Composite materials |
| CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA |
| Data do documento: | 2026 |
| Citação: | SILVA, Allison Ruan de Morais. Immobilization of Eversa ® Transform 2.0 lipase on polymeric and biopolymeric matrices for packed-bed operation. 2026. 205 f. Tese (Doutorado em Engenharia Química) – Programa de Pós- Graduação em Engenharia Química, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2026.. |
| Resumo: | Lipases imobilizadas são biocatalisadores-chave para o avanço da biocatálise industrial. Quando integradas a reatores de leito empacotado (PBR), combinam baixa tensão de cisalhamento com retenção do catalisador e sucessivos ciclos de reuso em modo de operação contínuo. Entretanto, o desempenho em PBR é frequentemente limitado por fenômenos de transferência de massa e pela forma como imobilização, propriedades do suporte e condições operacionais interagem ao longo do leito. Com base em uma revisão crítica dos avanços recentes em PBR com lipases imobilizadas (2019–2024), com ênfase em limitações operacionais e efeitos de transporte, esta tese desenvolve uma base orientada a processo para o projeto de biocatalisadores em leito empacotado contendo Eversa ® Transform 2.0 lipase (ETL) por meio de (i) caracterização sistemática da ETL em sua forma solúvel, (ii) desenvolvimento de um suporte biopolimérico de origem marinha para imobilização da ETL, e (iii) imobilização in situ sob escoamento no interior do leito. O extrato comercial de ETL apresentou concentração total de proteína de 20,36 ± 1,09 mg mL -1 e uma banda essencialmente única na eletroforese. A triagem cinética com p-nitrofenil butirato (pNPB) identificou 50 mM como a melhor concentração de substrato avaliada (103,36 ± 1,27 U) e 50 °C como a melhor temperatura de reação avaliada, elevando a atividade em 85,62% em relação a 25 °C (216,71 ± 7,87 U). A estabilidade térmica entre 60 e 80 °C foi descrita pelo modelo de Sadana-Henley (1987), revelando resistência excepcional a 60 °C (sem meia-vida mensurável em 288 h) e desativação acelerada em temperaturas mais elevadas; a análise de Arrhenius não linear resultou em baixa energia aparente de desativação (5,05 kJ mol - 1 ). Medidas de dicroísmo circular sustentaram a preservação de estrutura α-helicoidal ao longo do pH e a ausência de uma transição cooperativa de desnaturação até 95 °C, consistente com desativação governada por agregação e rearranjos locais; o ponto isoelétrico foi pH 4,56, e DLS a pH 7,0 indicou tendência à formação de agregados. Em seguida, iota-carragenana (i-CA) foi extraída de Solieria filiformis e otimizada por um delineamento face-centrada, atingindo rendimento máximo de 33,31% (100 °C, 4 h). O polissacarídeo extraído foi aplicado em uma blenda quitosana/i-CA (1:3, m/m) reticulada quimicamente com glutaraldeído (0,61%, v/v) e avaliada como suporte de imobilização (1 mg proteína g-1 de suporte, 1 h, pH 7,0), retendo 37,3 ± 2,7% da enzima oferecida e apresentando 35,1 ± 0,9 U g -1 , correspondente a 106,9 ± 10,4% da atividade da ETL em concentração equivalente de enzima solúvel. Portanto, a atividade foi conservada. Posteriormente, a ETL foi imobilizada in situ por adsorção hidrofóbica em Amberlite ™ XAD 1180 em um reator de leito empacotado, no qual a análise de curvas de ruptura (C/C 0 vs volumes de leito) e métricas características demonstraram a influência de fenômenos de transferência de massa externa e interna sobre a dinâmica da frente e o carregamento efetivo. A concentração de alimentação intensificou a adsorção, porém resultou em carregamento não monótono sob tempo fixo de imobilização (máximo q = 23,95 mg g de resina -1 em C 0 = 1,0 mg mL -1 ; q = 18,92 mg g de resina -1 em C 0 = 2,0 mg mL -1 ), indicando limitações de acessibilidade em altos C 0 , enquanto a atividade expressa atingiu máximo em Q = 0,75 mL min -1 (A bed = 198,50 U g - 1 ; A eff = 66,27 U mg -1 ). O leito imobilizado foi reutilizado (hidrólise estável ao longo de 8 ciclos) e manteve conversão em esterificação após reuso, com compatibilidade a solventes sustentada por espectros de FTIR inalterados e preservação de propriedades texturais globais (S BET = 616–640 m 2 g -1 ). Os resultados mostram uma estrutura integrada que conecta propriedades da enzima, síntese de suporte e processos de imobilização foco na operação de biocatalisadores de ETL em leito empacotado, explicitamente considerando restrições de transporte e estabilidade operacional. |
| Abstract: | Immobilized lipases are key biocatalysts for advancing industrial biocatalysis. When integrated into packed-bed reactors (PBR), they combine low shear stress with catalyst retention and repeated reuse cycles under continuous operation. However, PBR performance is often constrained by mass-transfer phenomena and by how immobilization, support properties, and operating conditions interact along the bed. Building on a critical review of recent advances in PBR employing immobilized lipases (2019–2024), with emphasis on operational limitations and transport effects, this thesis develops a process-oriented basis for designing packed-bed biocatalysts containing the Eversa ® Transform 2.0 lipase (ETL) through (i) systematic characterization of ETL in its soluble form, (ii) development of a marine-derived biopolymeric support for ETL immobilization, and (iii) in situ immobilization under flow within the packed bed. The commercial ETL preparation exhibited a total protein concentration of 20.36 ± 1.09 mg mL -1 and an essentially single band by electrophoresis. Kinetic screening with p- nitrophenyl butyrate (pNPB) identified 50 mM as the best substrate concentration evaluated (103.36 ± 1.27 U) and 50 °C as the best reaction temperature evaluated, increasing activity by 85.62% relative to 25 °C (216.71 ± 7.87 U). Thermal stability between 60 and 80 °C was described using the Sadana–Henley model (1987), revealing exceptional resistance at 60 °C (no measurable half-life over 288 h) and accelerated deactivation at higher temperatures; nonlinear Arrhenius analysis yielded a low apparent deactivation energy (5.05 kJ mol -1 ). Circular dichroism measurements supported preservation of α-helical structure across the pH range and the absence of a cooperative denaturation transition up to 95 °C, consistent with deactivation governed by aggregation and local rearrangements. The isoelectric point was pH 4.56, and DLS at pH 7.0 indicated a tendency toward aggregate formation. Next, iota-carrageenan (i-CA) was extracted from Solieria filiformis and optimized using a face-centered experimental design, achieving a maximum yield of 33.31% (100 °C, 4 h). The extracted polysaccharide was incorporated into a chitosan/i-CA blend (1:3, w/w) chemically crosslinked with glutaraldehyde (0.61%, v/v) and evaluated as an immobilization support (1 mg protein g -1 support, 1 h, pH 7.0). The support retained 37.3 ± 2.7% of the offered enzyme and exhibited 35.1 ± 0.9 U g -1 , corresponding to 106.9 ± 10.4% of the ETL activity at an equivalent soluble-enzyme concentration. Thus, enzymatic activity was preserved. Subsequently, ETL was immobilized in situ by hydrophobic adsorption onto Amberlite ™ XAD 1180 in a packed-bed reactor. Breakthrough-curve analysis (C/C 0 vs. bed volumes) and derived characteristic metrics demonstrated the influence of external and internal mass-transfer effects on front dynamics and effective loading. Increasing the feed concentration intensified adsorption but produced non-monotonic loading at a fixed immobilization time (maximum q = 23.95 mg g resin -1 at C 0 = 1.0 mg mL -1 ; q = 18.92 mg g resin -1 at C 0 = 2.0 mg mL -1 ), indicating accessibility limitations at high C 0 . Expressed activity reached a maximum at Q = 0.75 mL min -1 (A bed = 198.50 U g -1 ; A eff = 66.27 U mg -1 ). The immobilized bed was reused (stable hydrolysis over eight cycles) and maintained conversion in esterification after reuse. Solvent compatibility was supported by unchanged FTIR spectra and preservation of overall textural properties (S BET = 616-640 m 2 g -1 ). Overall, the results establish an integrated framework linking enzyme properties, support synthesis, and immobilization processes for the operation of ETL biocatalysts in packed-bed reactors, explicitly accounting for transport constraints and operational stability. |
| Descrição: | Este documento está disponível online com base na Portaria no 348, de 08 de dezembro de 2022, disponível em: https://biblioteca.ufc.br/wp-content/uploads/2022/12/portaria348-2022.pdf, que autoriza a digitalização e a disponibilização no Repositório Institucional (RI) da coleção retrospectiva de TCC, dissertações e teses da UFC, sem o termo de anuência prévia dos autores. Em caso de trabalhos com pedidos de patente e/ou de embargo, cabe, exclusivamente, ao autor(a) solicitar a restrição de acesso ou retirada de seu trabalho do RI, mediante apresentação de documento comprobatório à Direção do Sistema de Bibliotecas. |
| URI: | http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/84619 |
| ORCID do(s) Autor(es): | https://orcid.org/0000-0002-5033-0089 |
| Currículo Lattes do(s) Autor(es): | http://lattes.cnpq.br/2292376019413449 |
| Currículo Lattes do Orientador: | http://lattes.cnpq.br/8628710115274949 |
| ORCID do Coorientador: | https://orcid.org/0000-0003-0012-8971 |
| Currículo Lattes do Coorientador: | http://lattes.cnpq.br/2577657690021566 |
| Tipo de Acesso: | Acesso Embargado |
| Aparece nas coleções: | DEQ - Teses defendidas na UFC |
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