Enzyme modified magnetic nanoparticles: an approach for biomass conversion processes
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Data
2020-03-20
Autores
Orientador
Marques, Rodrigo Fernando Costa 
Coorientador
Pós-graduação
Química - IQ
Curso de graduação
Título da Revista
ISSN da Revista
Título de Volume
Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Tipo
Tese de doutorado
Direito de acesso
Acesso aberto
Resumo
Resumo (português)
A biomassa lignocelulósica vem se destacando como uma matéria-prima essencial para a produção de muitos produtos químicos de interesse industrial em áreas como a produção de energia, alimentos, fármacos, agricultura, meio ambiente e assim por diante. Apesar disso, muitas aplicações vêm esbarrando em uma série de dificuldades encontradas nos processos de conversão enzimática, como instabilidade operação das enzimas, alto custo de produção e purificação, reações de inibição e problemas de recuperação e reciclo. Para contornar esses problemas, muitos métodos de imobilização enzimática têm surgido, entre os quais, destaca-se a obtenção de agregados enzimáticos reticulados magnéticos (MCLEAs). Esta classe de materiais é obtida a partir da reação de reticulação entre agregados físicos de enzimas e suportes magnéticos, o qual pode unir as importantes propriedades catalíticas dos agregados físicos (como resultado da manutenção da estrutura nativa da enzima) à capacidade de recuperação e reciclo do suporte magnético (devido suas propriedades magnéticas intrínsecas). Frente a isso, esse trabalho relata a síntese, caracterização e potencial aplicação de MCLEAs de enzimas celulases em processos de conversão de celulose. Dividido em três capítulos, primeiramente é apresentado um review sobre o estado da arte no que diz respeito a obtenção de produtos de valor agregado a partir da biomassa lignocelulósica utilizando MCLEAs. No segundo capítulo, diferentes MCLEAs foram preparados na presença de nanopartículas magnéticas modificadas com quitosana, utilizando três agentes precipitantes diferentes (sulfato de amônio, etanol e polietileno glicol-PEG). Destacou-se a obtenção de um MCLEA utilizando etanol como agente de precipitação, o qual apresentou a maior atividade enzimática (193,42 U g-1) e atividade recuperada (43,53 %); e outro MCLEA obtido com polietileno glicol, com a maior capacidade de reciclo (80 % da atividade inicial após cinco ciclos de reação). Adicionalmente, pela primeira vez, as propriedades coloidais dos MCLEAs e celulases livres foram caracterizadas por medidas de espalhamento dinâmico de luz (DLS) e potencial zeta, as quais foram correlacionadas com suas respectivas atividades enzimáticas. Foi demonstrado que o aumento na estabilidade coloidal frente às mudanças de temperatura incrementaram a estabilidade térmica dos MCLEAs. Quando aplicados na hidrólise de celulose obtida a partir de uma mistura de bagaço e palha de cana-de-açúcar, os MCLEAs mostraram a uma maior capacidade de obtenção de celooligosacarídeos de valor agregado do que as celulases livres. Por fim, o último capítulo focou na investigação mais profunda dos efeitos da aplicação de um campo magnético alternado (AMF) na atividade de um MCLEA contendo nanopartículas magnéticas modificadas com aminosilano. Para isto, foi utilizado um planejamento fatorial (2x2) com duas variáveis em dois níveis, frequência (203-420 kHz) e amplitude (3-6 kA m-1). Independentemente da condição, a aplicação do AMF diminuiu a atividade enzimática do MCLEA em comparação à condição sem campo. Adicionalmente, a frequência do AMF mostrou efeitos mais significante na atividade do MCLEA quando comparada à amplitude e sugere-se que estudos posteriores devam ser realizados em condições de frequências mais baixas. No entanto, embora este último resultado não tenha sido o esperado, ele pode ajudar a preencher a lacuna de estudos mais aprofundados desta crescente e essencial abordagem que é o uso de nanopartículas magnéticas como suporte para enzimas.
Resumo (inglês)
Lignocellulosic biomass has highlighted as an essential renewable raw material for production of many value-added chemicals of industrial interest in field as energy production, food, pharmaceutical, agriculture, environment and so on. Despite it, many applications have wrought with a series of difficulties in regarding enzymatic conversion processes, as enzyme operational instability, high production and purification cost, inhibition reactions, and issues of recovery and recycle. To overcome these issues, many enzyme immobilization methods have emerged, among which highlights the obtention of magnetic-cross linked enzyme aggregates (MCLEAs). This materials class is obtained from cross-linking reaction between enzyme physical aggregates and magnetic supports, which can gather the important catalytic properties of the physical aggregates (as a result of enzyme native structure maintenance) to recovery and recycle capacity of magnetic nanoparticles (as result of its intrinsic magnetic properties). Faced it, this work reports the synthesis, characterization and potential application of different cellulases MCLEAs in the cellulose enzymatic conversion process. Sectioned in three chapters, firstly is presented a review about the state of art in concern to obtention of value-added chemicals from lignocellulosic biomass using MCLEAs. In the second chapter, different MCLEAs were prepared in the presence of quitosana-coated magnetic nanoparticles with three different precipitation agents (ammonium sulfate, ethanol and polyethylene glycol). Highlighted the obtention of a MCLEA using ethanol as precipitant agent, which showed highest enzymatic activity (193.42 U g-1) and activity recovery (43.53 %), and other MCLEA, obtained by use of polyethylene glycol as precipitation agent, with the highest reusability capacity (80% of initial relative activity after five cycles of reaction). In addition, for the first time, the colloidal properties of MCLEAs and free cellulases were characterized by dynamic light scattering (DLS) and zeta potential analyses, which were correlated with the activity of MCLEAs and free cellulases. As result, was demonstrated that increasing in colloidal stability with changes in temperature has improved the thermal stability of the MCLEAs. The hydrolysis of cellulose-derived from sugarcane bagasse and straw using MCLEAs showed a higher capacity of obtention of cello-oligosaccharides with value-added than the free cellulases. Lastly, final chapter engaged to further investigate the effects of an alternating magnetic field (AMF) in the activity of a MCLEA based on aminosilane-coated magnetic nanoparticles. For this purpose, it was used a factorial design (2x2) with two variables at two levels, frequency (203-420 kHz) and amplitude (3-6 kA m-1). Independently of condition, AMF application decrease MCLEA activity when compared to field free condition. In addition, frequency variable implied in more significant effects in the MCLEA activity when compared to AMF amplitude and suggest that further studies should carried out in conditions of lower AMF frequency. However, although this last result has not been expected, it can help to fill the gap of further study in this growing and essential approach that is the use of magnetic support for enzyme immobilization.
Descrição
Palavras-chave
Idioma
Inglês