Estudio del sistema de inmovilización de enzimas para la hidrólisis de lactosa

Abstract

En este trabajo se estudió la reacción de hidrólisis de la lactosa, empleando preparaciones comerciales de enzimas adecuadas para el tratamiento de leche fluida y suero neutro de quesería, inmovilizadas en geles de hidrocoloides. En los ensayos experimentales se caracterizaron distintas preparaciones de enzimas comerciales en base a: pH y temperaturas óptimas de operación, efecto de distintas sustancias sobre la actividad y estabilidad de la enzima en estado libre para seleccionar la de mejor comportamiento en las condiciones de reacción establecidas. A la preparación seleccionada se la caracterizó cinéticamente adoptando un modelo de reacción del tipo de Michaelis-Menten con inhibición competitiva por producto. Se obtuvieron y caracterizaron distintos biocatalizadores en base a: actividad, estabilidad, resistencia mecánica, temperatura y pH óptimos, características cinéticas, resistencias a la difusión de sustrato y productos y rendimientos para seleccionar el de mejor comportamiento en las condiciones de reacción establecidas. El mejor catalizador obtenido fue ensayado en un reactor tubular de lecho fijo, estudiando su comportamiento bajo distintas condiciones de caudal y concentraciones de lactosa. A partir del balance de materia en el reactor, se elaboró un modelo matemático que considera condiciones de flujo pistón isotérmico con dispersión axial en estado estacionario. El modelo incluye la estimación en las condiciones de reacción, de la resistencia a la transferencia de materia desde el seno del líquido hacia la superficie del soporte y luego al sitio activo en el interior del soporte, donde se produce la reacción. Finalmente, el modelo completo fue corroborado por los datos experimentales.

This work describes the study of the lactose hydrolysis process using commercial preparations of beta-galactosidase enzyme immobilized by entrapment into polysaccharide gels. The immobilization by entrapment has been accepted as an appropriate technique to fix the beta-galactosidase due to the substrate (lactose) and the products (glucose and galactose) are compounds of low molecular size with high diffusion rates on several supporting matrices. The results for different concentrations of polysaccharides, enzyme and gelling components; pH and temperature during the immobilization process are presented. The quantity of immobilized protein, the enzyme activity, and the biocatalyst half-life in every assay were determined for obtaining the process conditions of the immobilization method that produces more enzymatic activity and stability of the immobilized enzyme. Also, the effect of temperature and pH on immobilized enzyme with better performance, and the activity retention respect to free enzyme are indicated. The Ca-alginate-K-kappa-carrageenan gel exhibited the best activity and improved the mechanical stability during the beta-galactosidase immobilization. An isothermal packed-bed reactor was used to study the lactose hydrolysis process by beta-galactosidase entrapped into Ca-alginate-K-kappa-carrageenan gels. A mathematical model for the bioreactor was developed considering Michaelis-Menten kinetics with competitive product inhibition. The effects of intraparticle diffusion, external mass transfer, axial dispersion, biocatalyst swelling and deactivation effects have been taken into account in the model. The relevant equations were solved by the method of orthogonal collocation and Gauss method and the performance of packed-bed immobilized enzyme reactor was investigated parametrically for various operational conditions.