Desarrollo de biocatalizadores inmovilizados para el tratamiento de efluentes líquidos industriales

Abstract

Los efluentes líquidos industriales contienen cantidades diversas de compuestos fenólicos y de colorantes azo. En general, estos compuestos son potencialmente tóxicos y difíciles de degradar bajo condiciones naturales. Por tanto, su descarga a cuerpos receptores sin un tratamiento adecuado implica un impacto negativo sobre el ambiente y la salud en general. Recientemente, la catálisis enzimática es una alternativa ecoamigable para obtener altas tasas de remoción de compuestos xenobióticos en aguas residuales bajo condiciones predecibles en comparación con los tratamientos biológicos y químicos. El diseño de biocatalizadores debe considerar especialmente la estabilidad y la factibilidad de recuperación de la enzima. Por consiguiente, la inmovilización de enzimas se ha convertido en una importante estrategia para el desarrollo de bioprocesos económicamente viables. Sin embargo, para escalar los procesos y desarrollar sistemas controlados, es importante conocer primero las características estequiométricas y cinéticas de las reacciones enzimáticas en fase homogénea, ya que las enzimas suelen ser sensibles a condiciones externas o la presencia de inhibidores, que pueden ser, incluso, sus mismos sustratos. La presente Tesis Doctoral tuvo como objetivo general desarrollar biocatalizadores basados en la inmovilización de una enzima peroxidasa de rábano picante (HRP) para el tratamiento de efluentes líquidos industriales con peróxido de hidrógeno. En el Capítulo 3 se estudió el comportamiento catalítico de la enzima en fase homogénea en la oxidación del contaminante modelo orange II (OII), poniendo énfasis en las condiciones de reacción y posibilidad de reutilización de la enzima, determinando la cinética de degradación y las condiciones óptimas de la reacción. A partir de los resultados obtenidos se desarrolló una versión modificada del mecanismo Dunford de las peroxidasas, que tuvo en cuenta la inhibición de la enzima por altas concentraciones de peróxido de hidrógeno (P), la descomposición de P en agua y oxígeno, la generación de productos de oxidación (PO) y el efecto del pH sobre la cinética de decoloración del OII. En el Capítulo 4 se estudió la degradación de los contaminantes modelo orange II, fenol y bisfenol A poniendo énfasis en la modalidad de suministro de peróxido de hidrógeno (Sistemas batch y fed-batch) y monitoreando la reacción mediante mediciones del potencial de oxidación-reducción (ORP) para detectar el punto final de la oxidación de los contaminantes estudiados. Los resultados obtenidos demostraron que el ORP puede ser útil para controlar la adición de peróxido de hidrógeno durante la oxidación de OII, fenol y BPA catalizada por HRP, minimizando el tiempo y los costos del proceso. Una segunda etapa del trabajo de investigación consistió en el estudio de técnicas de inmovilización de la enzima por adsorción y unión covalente sobre dos tipos de materiales: membranas nanofibrosas de poliuretano y diatomitas. En el Capítulo 5 se desarrollaron biocatalizadores a base de HRP inmovilizada sobre sobre nanofibras de poliuretano. La técnica de Caracciolo y col. (2017) fue adaptada con éxito para maximizar la carga de HRP inmovilizada mediante uniones covalente, funcionalizando y activando el material con hipoclorito de sodio y un activador epoxi a pH 8. Los resultados obtenidos demostraron que la inmovilización de la enzima se efectuaba tanto por adsorción (ME) como por unión covalente (MAE). La evaluación de los biocatalizadores demostraron que la actividad enzimática de ME y MAE fue mayor cuando la inmovilización se realizaba a 20 que a 40 °C. Asimismo, los resultados obtenidos demostraron que los biocatalizadores a base de membranas nanofibrosas de poliuretano fueron utilizados con éxito en dos ciclos de oxidación de OII durante un tiempo comprendido entre 4 y 10 h, dependiendo de las condiciones de inmovilización. Finalmente, en el Capítulo 6 se desarrollaron biocatalizadores a base de HRP inmovilizada sobre diatomitas mediante adsorción (DE) y por uniones covalentes (DSGE, DHSGE). El material de soporte y los biocatalizadores obtenidos fueron caracterizados por microscopía electrónica de barrido (SEM), difracción de rayos X (DRX), fluorescencia de rayos X (FRX), espectroscopía infrarroja por transformada de fourier de reflectancia difusa (DRIFT), microscopía electrónica de barrido y análisis de dispersión de rayos X (SEM/EDX) y análisis termogravimétrico (TGA). Los resultados obtenidos durante la inmovilización mostraron que DSGE tuvo mayores valores de carga enzimática inmovilizada en comparación con DE. Estos resultados fueron consistentes con los obtenidos durante la remoción de OII con P empleando los biocatalizadores a base de diatomitas. La técnica de inmovilización propuesta definió un protocolo exitoso para soportar enzimas estables al almacenamiento durante al menos un mes. Esto reduciría los costos operativos proyectados a la aplicación industrial de enzimas. Los resultados obtenidos representan un punto de inicio para la futura inmovilización de extractos de distintas enzimas con diversas aplicaciones industriales.