Síntese e caracterização de partículas poliméricas à base de estireno com propriedades magnéticas para utilização como matriz de imobilização de enzimas

• Main Author: Rosa, Cintia Maria Rodrigues
• Other Authors: Freitas, Larissa de
• Format: Master Thesis
• Language: Portuguese
• Published: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP 2019
• Subjects: Biocatalisador; Suporte polimérico à base de estireno; Polimerização em suspensão; Partículas Magnéticas; Imobilização de lipase; Magnetic particles; Lipase immobilization; Styrene based support; Biocatalyst; Suspension polymerization; Alta; Antarc*; Antarctica
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/97/97139/tde-29012020-161444/; https://doi.org/10.11606/D.97.2020.tde-29012020-161444

O presente trabalho teve como objetivo sintetizar e caracterizar partículas poliméricas à base de estireno magnetizadas por co-precipitação de íons Fe2+ e Fe3+ em meio básico, para serem utilizadas como suporte de imobilização de enzimas. A síntese de 4 copolímeros magnéticos (STY-DVB-M, STY-EGDMA-M, STY-TEGDMA-M e STY-TMPTA-M) obtida por polimerização em suspensão empregando azobisisobutironitrila (AIBN) como iniciador foi estudada com o auxílio da metodologia estatística de arranjo ortogonal completo (L9 - Taguchi). Os fatores analisados foram: proporção monômero/ solvente; % de reticulante na massa total de monômero; proporção do solvente com alta afinidade/ solvente com baixa afinidade na mistura (toluol/heptano) e % de magnetita na massa total de monômero, sendo avaliados em 3 níveis. Como variáveis respostas foram estabelecidas: o rendimento total de polimerização e o rendimento em partículas úteis (com partículas entre 80-24 mesh). A partir da análise estatística foi possível determinar a condição de melhor ajuste para o processo de polimerização, visando o rendimento total das partículas, sendo o nível máximo para os 4 fatores estudados. Para o rendimento das partículas úteis, os ajustes indicados variaram para cada tipo de copolímero. Novos ensaios foram realizados visando confirmar os apontamentos estatísticos. A síntese dos diferentes copolímeros, empregando as melhores condições experimentais para máxima obtenção em partículas úteis, também foi realizada empregando peróxido de benzoíla como agente iniciador. Os copolímeros magnetizados obtidos foram caracterizados a partir de análises de EDX, FT-IR, Raman, ICP-OES, DRX, Histerese, DSC, TGA, Ângulo de contato, Densidade, MEV, MOC, BET e Grau de intumescimento. Por meio das análises de MEV, MOC e BET, foi possível perceber a influência dos agentes iniciadores nas características dos copolímeros, sendo observada diferenças nas morfologias e rugosidades das partículas. Já nas análises de FT-IR, DSC, TGA, Densidade, BET, Ângulo de contato e Grau de intumescimento foi possível observar a influência dos diferentes agentes reticulantes, sendo constatadas diferentes temperaturas de decomposição térmica, densidades, áreas superficiais e porcentagem de absorção do solvente heptano. A inserção da magnetita nas matrizes poliméricas foi comprovada pelas análises de EDX, ICP-OES, Histerese e Raman, apresentando saturação de magnetização entre 4 e 7 emu.g-1 e limite de incorporação da magnetita em torno de 35 a 40% de todo Fe2O3 fornecido durante a polimerização.Visando determinar a adequação das matrizes poliméricas sintetizadas para imobilização de enzimas, a lipase B de Candida antarctica foi imobilizada por adsorção física nos diferentes copolímeros, sendo quantificada suas atividades hidrolíticas e sintéticas. A estabilidade dos biocatalisadores que apresentaram melhor desempenho catalítico (obtidos pelos suportes de STY-EGDMA-M e STY-TEGDMA-M) foi avaliada, sendo constatadas atividades residuais superiores a 97% após incubação por 4 h a 50°C, e tempo de meia-vida de 21,6 h para a lipase imobilizada em STY-EGDMA-M, que apresentou um valor de Kd 14 vezes superior ao obtido pela sua forma livre, comprovando que o processo de imobilização forneceu maior estabilidade térmica à enzima. O trabalho experimental desenvolvido permitiu a obtenção de diferentes matrizes sólidas adequadas para utilização como suportes de imobilização de lipases, ampliando a gama desses materiais e contribuindo para a viabilidade da substituição de catalisadores químicos convencionais por biocatalisadores, empregando a tecnologia limpa. The aim of the present work was to synthesize and characterize styrene based particles magnetised by co-precipitation of Fe2+ and Fe3+ ions in basic media, to be used as support for enzyme immobilization. The synthesis of 4 magnetic copolymers (STY-DVB-M, STYEGDMA-M, STY-TEGDMA-M and STY-TMPTA-M) obtained by suspension polymerization employing azobisisobutyronitrile (AIBN) as the initiator was studied with the aid of the methodology statistics of complete orthogonal arrangement (L9 - Taguchi). The factors analyzed were: monomer / solvent ratio; % crosslinker in the total monomer mass; proportion of solvent with high affinity / solvent with low affinity in the mixture (toluol / heptane) and % of magnetite in the total mass of monomer, being evaluated in 3 levels. The responses variable were established as: total polymerization yield and yield in useful particles (particles between 80-24 mesh). From the statistical analysis it was possible to determine the best fit condition for the polymerization process, aiming at the total particle yield, being the 4 factors at the maximum level. For the yield of the useful particles, the settings indicated varied for each type of copolymer. Further tests were performed to confirm the statistical notes. The synthesis of the different copolymers, employing the best experimental conditions for maximum obtainment in useful particles, was also performed employing benzoyl peroxide as the initiating agent. The obtained magnetized copolymers were characterized by EDX, FTIR, Raman, ICP-OES, XRD, Hysteresis, DSC, TGA, contact angle, Density, SEM, OM, BET and swelling. Through the SEM, OM and BET analyzes, it was possible to observe the influence of the initiating agents on the characteristics of the copolymers, being observed differences in the morphologies and roughness of the particles. In the analysis of FT-IR, DSC, TGA, Density, BET, contact angle and degree of swelling, it was possible to observe the influence of the different crosslinking agents, noting different temperatures of thermal decomposition, densities, surface areas and percentage of heptane absorption. The insertion of magnetite into polymer matrices was confirmed by the EDX, ICP-OES, Hysteresis and Raman analyzes, with magnetization saturation between 4 and 7 emu.g-1 and the limit of incorporation of magnetite around 35 to 40% of all Fe2O3 supplied during the polymerization. In order to determine the suitability of synthesized polymer matrices for immobilization of enzymes, Lipase B from Candida antarctica was immobilized by physical adsorption in the different copolymers, quantifying its hydrolytic and synthetic activities. The stability of the biocatalysts that presented the best catalytic performance (obtained by the STY-EGDMA-M and STY-TEGDMA-M supports) was evaluated, with residual activity higher than 97% after incubation for 4 h at 50 ° C, and half-life equal to 21.6 h for STY-EGDMA-M immobilized lipase, which presented a Kd value 14 times higher than that obtained by its free form, proving that the immobilization process provided greater thermal stability to the enzyme. The experimental work allowed to obtain different solid matrices suitable for use as substrates for immobilization of lipases, expanding the range of these materials and contributing to the viability of replacing conventional chemical catalysts with biocatalysts using clean technology.