1

Ingineria proceselor chimice şi biologice/14

Catedra Ingineria şi Managementul Mediului

Titular disciplină: Prof.dr.ing. Maria Gavrilescu

Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” din IaşiFacultatea de Inginerie Chimică şi Protecţia Mediului

2

PROCESE BIOLOGICE

Particularităţi ale proceselor biologice

În afară de reacţiile chimice tipice, care fac obiectul analizei proceselor chimice - este cunoscută şi o altă clasă de reacţii caracterizată prin utilizarea unor enzime sau celule vegetale sau animale în scopul realizării unor conversii mari sau pentru convertireaunor substanţe în altele, transformări care în alte situaţii ar necesita condiţii dure de lucru.

3

În cadrul acestor tipuri de reacţii, pot fi generate substanţe chimice (principii active cu rol farmaceutic) care, prin sinteză chimică, ar necesita costuri mari şi condiţii de lucru speciale.

Aplicarea acestor tipuri de reacţii nu este de dată recentă, documentele menţionând faptul că, încă din antichitate, celulele vii au fost exploatate în vederea obţinerii unor produse (alcool etilic, acid acetic etc.).

Organismele vii au o structură complexă şi sunt capabile să realizeze o gamă largă de transformări, care pot fi dirijate prin controlul mediului în care se dezvoltă sau prin modificarea constituţiei genetice.

4

Constituienţii biochimici ai celulelor vii sunt grupe particulare de proteine care pot avea proprietăţi catalitice: acestea sunt enzimele.

Inginerul chimist poate interveni în controlul condiţiilor de dezvoltare a microorganismelor adaptându-le astfel încât să orienteze transformările chimice spre un scop propus anterior.

5

Proteinele cu rol de catalizator (enzimele) sunt similare cu catalizatorii anorganici, dar diferă de aceştia din următoarele puncte de vedere:

• enzimele sunt catalizatori mai puternici, capabili să intensifice vitezele de reacţie

• sunt catalizatori mult mai specifici decât catalizatorii anorganici

• condiţiile de reacţie în care acţionează enzimele sunt blânde (T < 100˚C)

• enzimele sunt solubile în apă, dar se găsesc în mod frecvent în membrana celulară a microorganismelor

6

• structura pereţilor celulari este astfel construită încât permite pătrunderea substanţelor nutritive numite generic substrat

• peretele celular permite şi evacuarea produşilor de metabolizare

• îşi păstrează activitatea catalitică şi după izolarea de celula mamă şi sunt utilizate ca atare fără a fi necesară revigorarea celulei din care provin

• deoarece enzimele sunt solubile în apă, adesea este necesară imobilizarea lor, eventual prin ataşarea pe un suport solid astfel încât să nu fie antrenate cu produsele de reacţi

7

Numeroase probleme întâlnite în procesele biologice sunt similare cu cele din ingineria chimică, totuşi prezenţa materialelor biologice conferă masei de reacţie proprietăţi fizice şi cinetice care sunt particulare

Pentru inginerii chimişti care conduc procese biologice sunt importante următoarele aspecte:• alegerea microorganismului;• alegerea tipului de cultură;• alegerea tipului de reactor;• stabilirea condiţiilor de mediu (T, p, agitare,

intensitatea barbotării);• conducerea în sine a procesului în condiţii optime.

8

În centrul procesului biologic este reacţia biologică care se realizează într-un bioreactor.

Alegerea acestuia constituie una din atribuţiile de mare importanţă pentru inginerul de proces, care trebuie să ţină seama de următoarele:• natura şi modul de procesare a materiilor prime;• calitatea materialului biologic;• posibilitatea de control a procesului.

O analiză de ansamblu a unui proces biologic la nivel industrial (biotehnologii) se poate realiza conform unei scheme care evidenţiază complexitatea unui astfel de proces:

9

10

Caracteristici ale proceselor biologice:

• Procesele biologice au o complexitate ridicată pentru că implică lucrul cu organisme vii cu un grad mare de variabilitate din punct de vedere genetic.

• În interiorul fiecărei celule există un mediu controlat în care se produc mii de reacţii catalitice. În interiorul celulei pot coexista reactanţii şi produşii.

• Celulele constituie sisteme de control şi stocare a informaţiilor pentru coordonarea întregului sistem.

• Toate aceste activităţi au loc la temperatură şi presiune relativ blânde şi sunt părţi constituente ale metabolismului celular.

• Se poate spune că fiecare celulă constituie un microreactor.

11

Glyoxalasa umana: sferele rosii reprezinta ioni de Zn de care ar avea nevoie enzima pentru a activadrept catalizator

Enzima psi

12

Cinetica reacţiilor enzimatice

Enzimele au rol de catalizator şi intensifică viteza de reacţie, dar nu afectează echilibrul termodinamic.

Reacţiile catalizate de enzime utilizează exact aceiaşi reactanţi (substrat) şi generează exact aceleaşi produse ca şi reacţiile necatalizate. Ca şi catalizatorii convenţionali, enzimele nu alterează poziţia echilibrului între reactanţi şi produse de reacţie.

În reacţiile catalizate enzimatic însă, constanta de viteză k poate fi cu câteva ordine de mărime mai mare decât în cazul reacţiilor necatalizate.

13

ReactiaReactia necatalizatanecatalizata (in (in absentaabsenta enzimelorenzimelor))

ReactiaReactia catalizatacatalizata (in (in prezentaprezentaenzimelorenzimelor))

Continutul energetic al produsilor de reactie

Continutulenergetic al reactantilor

14

Enzimele se caracterizează prin două proprietăţi cinetice importante:

• cât de rapid se pot satura cu un anumit substrat• care este viteza maximă a transformării enzimatice pe

care o pot asigura

Aceste proprietăţi depind de condiţiile de reacţie.

Reacţia enzimatică se desfăşoară pe măsura saturării enzimeicu substrat, dar viteza de reacţie nu are un profil liniar cu creşterea cantităţii de substrat. Dacă viteza iniţială a reacţiei se măsoară pe un anumit domeniu al concentraţiei substratului(notată cu [S]), viteza de reacţie v va creşte dacă [S] creşte.Totuşi, pe măsură ce [S] devine mai mare, enzima se saturează cu substrat şi viteza reacţie atinge un maxim, vmax .

15

Concentratia substratului [S] (mol/L)

Viteza maxima, vmax (1/L.s]

Viteza initiala de reactie, v (1/L.s)

Enzima este saturata, concentratia substratului estemult mai mare decat ceanecesara enzimei

16

Prima treaptă în reacţiile catalitice enzimatice este formarea complexului enzimă-substrat (ES).Complexul este stabil datorită formării legăturilor de hidrogen, a forţelor van der Vaals şi a unor interacţiuni de natură ionică dintre enzimă şi substrat.

Acestea sunt consecinta apariţiei interacţiunilor intermoleculare şi intramoleculare între enzimă şi substrat.

Produsele de reacţie odată formate sunt puse în libertate atunci când disociază complexul enzimă-produs (EP).

Pentru majoritatea enzimelor viteza de reacţie poate fi descrisă de ecuaţia Michaelis – Menten, formulată în 1913.

Cinetica reacţiilor enzimatice este analizată după modelul propus de Michaelis - Menten.

17

Cinetica reacţiilor enzimatice cu un singur substrat

Această ecuaţie oferă o expresie pentru a descrie viteza unei reacţiienzimatice şi este fundamentală pentru interpretarea modului în care o enzimă reacţionează cu un substrat.

O relaţie între concentraţiile enzimei şi substratului a fost propusă în 1903 de către Victor Henry.

Ecuaţia Michaelis - Menten în ipoteza stării staţionare (particularizată de Briggs - Haldane)

18

Ulterior, în 1913, Leonor Michaelis şi Maud Menten au propus o interpretare a mecanismului reacţiilor enzimatice la nivel microscopic, pornind de la studiile lui Archibald Hill.

Conform acestui mecanism, enzima (catalizatorul) şi substratul (reactantul) sunt într-un echilibru, cu un complex, enzimă-substratES, echilibru care se stabileşte rapid.

Maud Menten

(1879–1960)Leonor Michaelis

(1875–1949)

19

Se consideră cea mai simplă schemă de reacţie între o enzimă şi substrat:

(1)

treapta de formare a

complexuluienzimă-substrat

treapta catalitică

20

enzima libera +substratul liber

complexul enzima-substrat complexul enzima-produs

enzima libera +produs liber

21

Conform acestui mecanism, enzima (catalizatorul) şi substratul (reactantul) sunt într-un echilibru care se stabileşte rapid, cu un complex, enzimă-substrat ES. Acesta apoi disociază, formând produsul P şi enzima liberă E

Briggs şi Haldane au studiat mecanismul reacţiilorenzimatice în stare staţionară, când concentraţiilecomplexului ES nu se modifică.

22

Se presupune că:

• reacţia de disociere a complexului ES este ireversibilă

• produsul P nu interacţionează cu enzima E

• descompunerea complexului ES este reversibilă

• descompunerea complexului ES este treapta limitativă de viteză

• descompunerea complexului ES are loc în regim staţionar, iar concentraţia produsului ES se poate considera constantă

• în regim staţionar, concentraţia totală a enzimei este mică înraport cu cea a substratului

• întrucât s-a presupus constantă concentraţia complexului ESviteza de variaţie în timp a concentraţiei complexului estezero.