β-グルコシダーゼ酵素によるセロビオースのグルコースへの加水分解のためのマイクロリアクターのCFDシミュレーション

リグノセルロース性バイオマス由来の化合物の酵素加水分解は、地政学的および環境的利益を伴う化石燃料への依存を減らすための有効な戦略を表しています。特に、β-グルコシダーゼ（BG）酵素は、他のセルロール分解酵素の既知の阻害剤であるセロビオースの加水分解を触媒するため、セルロースの分解におけるボトルネックです。ただし、遊離酵素は不安定で、高価で、回復が困難です。このため、適切なサポートにBGを固定化することは、その触媒性能を改善するために重要です。このホワイトペーパーでは、しわのあるシリカナノ粒子（WSNS）ウォッシュコートに吸着されたBGによってコーティングされたモノリスチャネルで加水分解反応をテストするために、計算液ダイナミクス（CFD）シミュレーションを実行しました。最初に、混合物の物理的特性、動態と質量移動に関連するパラメーター、および予備的な実験テストのおかげで初期および境界条件を定義しました。数値シミュレーション結果は、実験的なものと大きな類似性を示しており、このモデルの妥当性を示しています。これに続いて、システムの動作をリアルタイムで探索することができ、他の実験分析を実行せずに、他の指定されたパラメーター（つまり、反応器表面の混合入口速度または酵素負荷）を変化させることができました。

The enzymatic hydrolysis of lignocellulosic biomass-derived compounds represents a valid strategy to reduce the dependence on fossil fuels, with geopolitical and environmental benefits. In particular, β-glucosidase (BG) enzyme is the bottleneck in the degradation of cellulose because it catalyzes the hydrolysis of cellobiose, a known inhibitor of the other cellulolytic enzymes. However, free enzymes are unstable, expensive and difficult to recover. For this reason, the immobilization of BG on a suitable support is crucial to improve its catalytic performance. In this paper, computational fluid dynamics (CFD) simulations were performed to test the hydrolysis reaction in a monolith channel coated by BG adsorbed on a wrinkled silica nanoparticles (WSNs) washcoat. We initially defined the physical properties of the mixture, the parameters related to kinetics and mass transfers and the initial and boundary conditions thanks to our preliminary experimental tests. Numerical simulation results have shown great similarity with the experimental ones, demonstrating the validity of this model. Following this, it was possible to explore in real time the behavior of the system, varying other specified parameters (i.e., the mixture inlet velocity or the enzymatic load on the reactor surface) without carrying out other experimental analyses.