Modeling-based performance evaluation of immobilized invertase via magnetite nanoparticles as a biocatalyst for fructooligosaccharides (FOS) production in various reactive systems, and further glucose-inhibition strategy implementation

Abstract

Este trabajo evaluó el rendimiento de la invertasa obtenida de Saccharomyces cerevisiae (SInv), inmovilizada en nanopartículas de magnetita, en la producción de fructooligosacáridos (FOS). Para lograr esto, se ajustó un modelo cinético modificado basado en literatura usando la estimación de parámetros para representar la cinética de hidrólisis y transfructosilación de sacarosa usando SInv inmovilizada en una nanopartícula de magnetita funcionalizada. El modelo se utilizó para simular el funcionamiento de un reactor por lotes para la enzima libre e inmovilizada. Se encontró que la concentración máxima de FOS para la enzima libre era 123.1 mM, mientras que, para el caso inmovilizado, se obtuvo una concentración máxima de 125.4 mM. Adicionalmente, se modeló un reactor de tanque agitado continuo (CSTR) para la enzima inmovilizada. La concentración máxima de FOS se encontró a una tasa de dilución de 14.2 h^-1, correspondiente a una concentración de 73.96 mM en la salida del reactor. Por último, se incorporó un mecanismo de reacción de glucosa oxidasa al modelo teórico inmovilizado para estudiar los efectos de la inhibición de la glucosa en la producción de FOS. La ausencia (y reducción) de glucosa en los medios reactivos aumentó la producción de FOS en un 2.1% en un reactor por lotes. En resumen, el rendimiento general de SInv fue mejorado por la inmovilización del biocatalizador. Los biocatalizadores magnéticos nanoestructurados representan un avance a nivel industrial: facilitan la recuperación del catalizador y prolongan la productividad de la enzima en el tiempo. Asimismo, este tipo de inmovilización enzimática podría ser implementado para acoplar la glucosa oxidasa en nanopartículas funcionalizadas como una estrategia para mitigar la inhibición de la glucosa, dando lugar a una síntesis de FOS más eficiente y garantizando una recuperación y reutilización óptimas de la enzima

This work evaluated the performance of immobilized invertase from Saccharomyces cerevisiae (SInv) on magnetite nanoparticles in the production of fructooligosaccharides (FOS). To achieve this, a modified literature-based kinetic model was fitted using parameter estimation in order to represent the kinetics of hydrolysis and transfructosylation of sucrose using SInv immobilized on a magnetite-functionalized nanoparticle. The model was used to simulate the operation of a batch reactor for both the free and immobilized enzyme. The maximum FOS concentration for the free enzyme was found to be 123.1 mM, whereas for the immobilized case, a maximum concentration of 125.4 mM was obtained. Additionally, a continuous stirred tank reactor was modeled for the immobilized enzyme. The maximum FOS concentration was found at a dilution rate of 14.2 h^-1 which yielded 73.96 mM at the reactor's outlet. Lastly, a glucose oxidase reaction mechanism was coupled to the fitted immobilized theoretical model to study the effects of glucose inhibition in FOS production. The absence (and reduction) of glucose in the reactive media increased the production of FOS by 2.1% in a batch reactor. In summary, the overall performance of SInv was enhanced by the immobilization of the biocatalyst. Nanostructured magnetic biocatalysts represent a breakthrough at an industrial level: they facilitate the recovery of the catalyst and lengthen the enzyme's productivity over time. Additionally, this sort of enzyme immobilization could be potentially implemented to couple glucose oxidase onto functionalized nanoparticles as a strategy to mitigate glucose inhibition which would render a more efficient FOS synthesis and ensure an optimal recovery and reuse of the enzyme