Como fazer uma imobilização enzimática em um Reator Biológico impresso em 3D

Direitos da imagem: Royal Society of Chemistry

Olá leitor, tudo bem? Hoje falaremos sobre processos biológicos na microfluídica. Espero que aproveitem 😊

Os processos biológicos são uma forma mais sustentável de produção pois utiliza uma menor quantidade de reagentes químicos, o que reduz o impacto no meio ambiente. Apesar de ter o apelo da produção limpa, os processos biológicos utilizam enzimas, fungos ou células, que ainda possuem um alto custo devido à matéria prima, rendimento e capacidade de produção.

A matéria prima é cara, portanto, para compensar os custos é necessário que se obtenha altos rendimentos e que seja possível a reutilização de células, enzimas ou leveduras em vários ciclos para se obter a quantidade de produto desejada. (Uma coisa bem simples não é mesmo?! hahaha).

 A microfluídica aplicada na utilização de microrreatores pode superar os desafios apresentados acima e tornar processos biológicos mais acessíveis, principalmente quando se trata da redução dos custos de produção.

Assim, como já sabemos, a microfluídica utiliza uma menor quantidade de matéria prima, alcança altos rendimentos devido ao favorecimento da transferência de massa e é escalável, ou seja, por meio do “empilhamento” (numbering-up) de microdispositivos é possível atingir a produção desejada, o que é chamado de escalonamento.


Se você ficou com dúvidas sobre o escalonamento da produção em microescala acesse nosso artigo que explica um pouco mais do assunto clicando aqui


Mas será que podemos tornar os processos biológicos em microescala ainda mais acessíveis?

A (nossa querida) impressora 3D pode tornar a construção de microrreatores mais barata e rápida, sendo possível testar diversos tipos de designs que vão proporcionar um maior rendimento.

A grande vantagem é que os polímeros utilizados na impressora 3D para a fabricação de microdispositivos são compatíveis com organismos vivos, como o PLA e o Nylon, por exemplo.

Entretanto, ainda há algumas dificuldades em relação ao reaproveitamento da matéria prima em processos biológicos.

Quando se aplica enzimas, leveduras, ou células livres existe a necessidade de recuperação das mesmas ao final do processo. Isso requer uma ou duas etapas a mais que incluiria uma centrifugação e/ou filtração.

Uma forma de eliminar essas etapas é imobilizando enzimas, leveduras, ou células no próprio canal do microrreator.

Mas vocês devem estar pensando: “Como eu vou fazer a imobilização em um microcanal?”

Figura 1: Preparação de biorreatores impressos em 3D. (A) Processo de impressão de Nylon empregando impressora FDM, incluindo o arquivo CAD do microdispositivo (esquerda), processo de impressão (centro) e dispositivo finalizado (direita). (B) Esquema de imobilização enzimática após a fabricação do microrreator. Fonte: Peris et al. (2017). Reproduzido com permissão da Royal Society of Chemistry.

Peris e seus colaboradores mostraram em um trabalho publicado no periódico Green Chemistry que é possível fazer imobilização enzimática, de uma forma fácil, em um canal microfluídico. O trabalho pode ser acessado em 10.1039/c7gc02421e.

Por meio de impressora 3D os pesquisadores fabricaram um microrreator, modificaram a superfície do canal e testaram diferentes tipos de imobilização enzimática, conforme é apresentado na Figura 1.

A modificação do canal foi realizada através de um fluxo dos reagentes (ácido clorídrico e glutaraldeído) pelo canal do microrreator de Nylon de 1,5 mm de diâmetro e 0,8 mL de volume interno.

Após a modificação do canal, a imobilização enzimática por ligação covalente foi realizada pela recirculação de uma solução tampão contendo as enzimas nos canais do microrreator. Uma análise da solução residual da recirculação confirmou que as enzimas ficaram retidas no canal.

O microrreator com enzimas imobilizadas foi testado para tempos de residência de 20 e 50 minutos. Para o tempo de residência de 20 minutos o reator alcançou uma produtividade de 20 µmol h-1 mgenz-1 (mgenz: mg de enzima), equivalente a produção em batelada, mostrando que o processo de imobilização não comprometeu a atividade da enzima.

Em um segundo ciclo, o microrreator foi testado para um tempo de residência de 50 minutos e operou com estabilidade durante 78h, mantendo a atividade maior que 94%. Os autores ainda reutilizaram o mesmo microrreator com as enzimas por 105 ciclos.

Perspectivas

Peris e seus colaboradores afirmam que enzimas podem ser imobilizadas com sucesso em microrreatores de fluxo contínuo fabricados por impressora 3D e que a alta produtividade pode ser alcançada com a reutilização do biorreator biológico.

Portanto, vimos que a microfluídica aliada a impressão 3D pode tornar os processos biológicos mais baratos, de alto rendimento e produtividade. Isso abre a possibilidade de aplicação de processos sustentáveis nas indústrias, sem onerar a produção e o produto final.

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Texto escrito por Mariana G. M. Lopes, @marigmlopes

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Sobre Harrson S. Santana

Harrson S. Santana obteve seu doutorado em Engenharia Química pela Universidade de Campinas em 2016. Sua tese de doutorado foi a investigação da síntese de biodiesel em microcanais, utilizando simulações numéricas e ensaios experimentais. Em 2015, ele passou vários meses na Universidade de Glasgow (Reino Unido) desenvolvendo pesquisas na área de impressão 3D. Atualmente, ele é pesquisador associado e professor colaborador da Faculdade de Engenharia Química da Unicamp, trabalhando no desenvolvimento de microplantas químicas e uso de impressoras 3D em processos químicos. Ele publicou vários artigos explorando desde simulações numéricas no desenvolvimento de microdispositivos até o uso de microfluídica em reações químicas e operações unitárias. Seu interesse científico se concentra em fenômenos de transporte em sistemas microfluídicos, impressoras 3D e sistemas robóticos aplicados a processos químicos em microescala.

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