ENZYMATYCZNA DEACETYLACJA CHITOZANU

PRAC E NAUKOW E IN ŻYNIE R II C HE M IC Z NE J I P R OC E S OWE J
POLITEC HNIKI WAR S Z AWS KIE J
T. XXXV, z. 3
2011
Małgorzata M. Jaworska
Zakład Biotechnologii i Inżynierii Bioprocesowej
ENZYMATYCZNA DEACETYLACJA CHITOZANU
Rękopis dostarczono 28.06.2011 r.
Enzymatyczna deacetylacja chitozanu jest procesem, który może w najbliższej przyszłości stać
się interesującą alternatywą dla chemicznej modyfikacji tego polimeru. Proces enzymatyczny, podobnie jak chemiczny, prowadzi do przekształcenia merów N-acetyloglukozoaminy w mery glukozoaminy, lecz prowadzony jest w warunkach znacznie łagodniejszych i nie jest związany z jednoczesną hydrolizą łańcucha polimeru. Modyfikacja enzymatyczna pozwala także na prowadzenie
procesu w warunkach kontrolowanych, co umożliwiłoby produkowanie chitozanu o z góry określonym stopniu acetylacji.
W badaniach stosowano deacetylazę chitynową wydzieloną z biomasy grzybów strzępkowych
Absidia orchidis vel coerulea NCAIM F 00642. W pracy scharakteryzowano enzym wykazując, że
ma on maksymalną aktywność przy pH wynoszącym 4,0, (pH-stabilność w zakresie od 1,0 do 9,0)
oraz w temperaturze 55°C. Zaproponowano także model opisujący termostabilność deacetylazy chitynowej w temperaturze pracy (50°C).
Badania kinetyczne wykazały, że enzymatyczna deacetylacja chitozanu może być opisana za
pomocą modelu zaproponowanego przez Michaelisa-Menten, z tym, że enzym podlega jednocześnie inhibicji współzawodniczącej wywołanej przez uwalniany kwas octowy. Równanie kinetyczne
skorelowano z aktywnością preparatu enzymatycznego, co dawało lepszą zgodność z danymi doświadczalnymi niż oryginalna zależność oparta na stężeniu enzymu.
Przeprowadzono badania mające na celu dobór właściwego nośnika do immobilizacji deacetylazy chitynowej oraz określenie kinetyki deacetylacji chitozanu przez enzym immobilizowany.
Stwierdzono, że najlepsze efekty daje immobilizacja na nośniku DEAE-Granocel aktywowanym diwinylosulfonem w środowisku alkalicznym (pH 8,0). Warunki, przy których preparat wykazywał
maksymalną aktywność, były zbliżone do tych dla enzymu natywnego: pH = 4,0 i temperatura 45°C.
Stwierdzono także, że enzymatyczna deacetylacja chitozanu z wykorzystaniem enzymu immobilizowanego może być również opisana za pomocą zależności zaproponowanej przez Michaelisa-Menten.
Wykazano jednak, że otrzymany preparat stracił aktywność po trzykrotnym zastosowaniu w reaktorze
okresowym, przy prowadzeniu doświadczeń w odstępach dwudziestoczterogodzinnych.
Na końcowym etapie prac zbadano możliwość zastosowania reaktora membranowego do enzymatycznej deacetylacji chitozanu. Określono parametry w istotny sposób wpływające na badany proces.
4
Ważniejsze symbole i skróty
Analiza uzyskanych danych wykazała, że w obszarze przepływów laminarnych cieczy (Recm do 1700)
oraz w obszarze mieszania w reaktorze zbiornikowym z mieszadłem w zakresie przejściowym między
laminarnym a burzliwym (Rem do 1150) deacetylaza chitynowa nie ulega inaktywacji. Stwierdzono, że
tworzenie się w układzie pęcherzy powietrza jest zjawiskiem bardzo niekorzystnym, prowadzącym do
całkowitego zahamowania procesu. Wzrost lepkości mieszaniny reakcyjnej powodował spadek ilości
zdeacetylowanych merów GlcNAc, a zatem zmniejszał wydajność procesu. Dezaktywacja termiczna
enzymu okazała się czynnikiem najsilniej wpływającym na proces.
Porównano także dane doświadczalne uzyskane w trakcie enzymatycznej deacetylacji chitozanu w reaktorze membranowym z modelem wykorzystującym zaproponowane równanie kinetyczne
przy uwzględnieniu dezaktywacji termicznej enzymu, wykazując ich zgodność.
Słowa kluczowe: deacetylaza chitynowa, chitozan, modyfikacja zależności Michaelisa-Menten,
immobilizacja, reaktor membranowy.
WAŻNIEJSZE SYMBOLE I SKRÓTY
AcOH
– kwas octowy
acetic acid
AD
– stopień acetylacji [%]
acetylation degree [%]
AHA
– ω-aminoheksylagaroza
ω-aminoheksylagarose
APA
– ω-aminopropylagaroza
ω-aminopropylagarose
C
– stężenie [mg/dm3]
concentration [mg/dm3]
CDI
– karbodiimid
carbodiimide
D
– współczynnik dyfuzji [m2/s]
diffusion coefficient [m2/s]
DVS
– diwinylosulfon
divinylsulphone
F
– natężenie przepływu [cm3/min]
flow rate [cm3/min]
GLA
– aldehyd glutarowy
glutaraldehyde
GlcN
– glukozoamina
glucosamine
GlcNAc – N-acetyloglukozoamina
N-acetyloglucosamine
h
– połowa wysokości kanału membrany [m]
half of height of membrane channel [m]
k
– stała szybkości reakcji [1/min]
reaction rate coefficient [1/min]
ks
– współczynnik wnikania masy [m/s]
mass penetration coefficient [m/s]
KM
– stała Michaelisa [mg/dm3]
Michaelis constant [mg/dm3]