Desenvolvimento de suportes à base de fibras de PET reciclado através do método de electrospinning para a imobilização de lacase

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2022.Nos últimos anos, enzimas vêm sendo utilizadas para substituir catalisadores químicos convencionais. As enzimas apresentam alto grau de especificidade, seletividade e são capazes de biocatalisar reações em condições mais brandas de pH e temperatura do que os catalisadores químicos. A lacase (EC 1.10.3.2) é uma enzima extracelular da classe das oxirredutases que contém quatro cobres em seu sítio catalítico, na presença de um mediador que aumenta seu potencial redox, possui também a capacidade de catalisar a oxidação de compostos não fenólicos. Esta enzima tem sido investigada em muitas pesquisas devido a sua versátil aplicação, no entanto, o uso de enzimas como as lacases em seu estado livre se torna limitado, pois são sujeitas à inativação por diversos fatores químicos, físicos e biológicos durante a aplicação catalítica ou durante seu armazenamento. Como uma alternativa para melhorar a estabilidade operacional das enzimas, as mesmas vêm sendo imobilizadas em suportes sólidos, que, além de melhorar as propriedades da enzima também possibilitam o reuso das mesmas em sucessivos ciclos catalíticos. O uso de fibras de PET reciclado como suporte de imobilização enzimática, têm despertado interesse na Engenharia Bioquímica, principalmente em função de sua estrutura em forma de rede tridimensional de fibras de diâmetro nanométrico a submicrométrico. O poli (tereftalato de etileno) é um polímero linear utilizado em uma ampla gama de aplicações sob a forma de filme, fibra ou plástico. Este polímero apresenta uma boa resistência mecânica, mesmo quando sujeito a temperaturas elevadas (até 175ºC), transparente e leve, apresenta baixa degradabilidade, baixo custo e pode ser facilmente processado. Nesta pesquisa, a lacase (Trametes versicolor) foi imobilizada em suportes de fibras de PET reciclado através de ligação covalente utilizando glutaraldeído como agente de reticulação. Deste modo foram produzidas matrizes de fibras de PET reciclado em diferentes concentrações (10, 20 e 30%) através do método de electrospinning. Analisou-se a influência da variação da concentração de PET levando em consideração os parâmetros fixos no processo de electrospinning, tais como o fluxo da solução, voltagem, distância agulha/coletor, concentração de polímero e as configurações operacionais do sistema, foi analisada. Avaliaram-se também a concentração da atividade enzimática no processo de imobilização. A morfologia das fibras foi verificada por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e as propriedades mecânicas foram testadas através de ensaios de tensão uniaxial. Uma análise aprofundada da literatura, em conjunto com os resultados obtidos, permitiu compreender melhor o funcionamento da técnica de electrospinning e alguns dos parâmetros que a governam. A distribuição dos diâmetros das fibras foi de 2,0-4,5 µm conforme a matriz analisada. Para a matriz de PET reciclado 30%, a curva tensão-deformação apresentou um Módulo de Young de 3,30 ± 0, 11 MPa, tensão máxima de 0,27± 0, 11 MPa e força máxima de 0,55 ± 0, 11 MPa. O estudo para selecionar a concentração de lacase nos suportes mostraram que a melhor atividade foi obtida para uma concentração de 0,3 % de lacase. A morfologia e a estrutura das matrizes fibrosas desenvolvidas apresentam potencialidade de imobilização enzimática, além de contemplar a reciclagem de PET.Abstract: In recent years, enzymes have been used to replace conventional catalysts. Enzymes have a high degree of specificity and selectivity and can biocatalyze reactions under milder pH and temperature conditions than chemical catalysts. Laccase (EC 1.10.3.2) is an extracellular enzyme of the oxidoreductases class that contains four coppers in its catalytic site. In the presence of a mediator that increases its redox potential, it also can catalyze the oxidation of non-phenolic compounds. This enzyme has been investigated in many types of research due to its versatile application. However, the use of enzymes such as laccases in their free state becomes limited, as they are subject to inactivation by various chemical, physical and biological factors during the catalytic or biological application during its storage. As an alternative to improve the operational stability of enzymes, they have been immobilized on solid supports, which, in addition to improving enzyme properties, enable their reuse in successive catalytic cycles. The use of recycled PET fibers as support for enzymatic immobilization has aroused interest in Biochemical Engineering, mainly due to its structure in a three-dimensional network of fibers from nanometric to submicrometric diameter. Poly (ethylene terephthalate) is a linear polymer used in a wide range of film, fiber, or plastic applications. This polymer has good mechanical strength, even when subjected to high temperatures (up to 175ºC), is transparent and light, has low degradability, low cost, and can be straightforward processed. In this research, laccase (Trametes versicolor) was successfully immobilized on recycled PET fiber supports via covalent bonding using glutaraldehyde as a crosslinking agent. Thus, recycled PET fiber matrices were produced using different polymer precursor concentrations (10, 20, and 30%) through the electrospinning method. The influence of parameters on the electrospinning process, such as solution flow, voltage, needle/collector distance, polymer concentration, and system operating settings, was analyzed. The concentration of enzymatic activity in the immobilization process was also evaluated. The morphology of the fibers was verified by scanning electron microscopy (SEM), and uniaxial stress tests were used to assess the mechanical properties. An in-depth analysis of the literature, together with the results obtained, allowed us to understand better the operation of the electrospinning technique and some of the parameters that govern it. According to the matrix analyzed, the distribution of fiber diameters was 2.0-4.5 µm according to the matrix analyzed. For the 30% recycled PET matrix, the stress-strain curve presented a Young's Modulus of 3.30 ± 0.11 MPa, the maximum stress of 0.27 ± 0.11 MPa, and the maximum force of 0.55 ± 0.11 MPa. The study to select the laccase concentration on the supports showed that the best activity was obtained for a concentration of 0.3% laccase. The morphology and structure of the fibrous matrices were developed to have the potential for enzymatic immobilization and to contemplate the recycling of PET