Enzimas industriales
Las enzimas industriales son enzimas que se utilizan comercialmente en una variedad de industrias, como productos farmacéuticos , producción química, biocombustibles , alimentos y bebidas y productos de consumo. Debido a los avances de los últimos años, la biocatálisis a través de enzimas aisladas se considera más económica que el uso de células enteras. Las enzimas se pueden utilizar como una operación unitaria dentro de un proceso para generar un producto deseado, o pueden ser el producto de interés. La catálisis biológica industrial a través de enzimas ha experimentado un rápido crecimiento en los últimos años debido a su capacidad para operar en condiciones suaves y una especificidad quiral y posicional excepcional, cosas de las que carecen los procesos químicos tradicionales. [1] Las enzimas aisladas se utilizan normalmente en reacciones hidrolíticas y de isomerización . Las células enteras se utilizan normalmente cuando una reacción requiere un cofactor . Aunque los cofactores se pueden generar in vitro , normalmente es más rentable utilizar células metabólicamente activas. [1]
Las enzimas como unidad de operación
Inmovilización
A pesar de sus excelentes capacidades catalíticas, las enzimas y sus propiedades deben mejorarse antes de su implementación industrial en muchos casos. Algunos aspectos de las enzimas que deben mejorarse antes de su implementación son la estabilidad, la actividad, la inhibición por productos de reacción y la selectividad hacia sustratos no naturales. Esto se puede lograr mediante la inmovilización de enzimas en un material sólido, como un soporte poroso. [2] La inmovilización de enzimas simplifica enormemente el proceso de recuperación, mejora el control del proceso y reduce los costos operativos. Existen muchas técnicas de inmovilización, como la adsorción, la unión covalente, la afinidad y el atrapamiento. [3] Los procesos de inmovilización ideales no deben utilizar reactivos altamente tóxicos en la técnica de inmovilización para garantizar la estabilidad de las enzimas. [4] Una vez completada la inmovilización, las enzimas se introducen en un recipiente de reacción para la biocatálisis.
Adsorción
La adsorción de enzimas sobre portadores funciona en función de fenómenos químicos y físicos como las fuerzas de van der Waals , las interacciones iónicas y los enlaces de hidrógeno . Estas fuerzas son débiles y, como resultado, no afectan la estructura de la enzima. Se puede utilizar una amplia variedad de portadores de enzimas. La selección de un portador depende del área de superficie, el tamaño de partícula, la estructura de poros y el tipo de grupo funcional. [5]
Enlace covalente
Se pueden utilizar muchas químicas de unión para adherir una enzima a una superficie con distintos grados de éxito. Las técnicas de unión covalente más exitosas incluyen la unión a través de glutaraldehído a grupos amino y ésteres de N-hidroxisuccinida . Estas técnicas de inmovilización se realizan a temperatura ambiente en condiciones suaves, que tienen un potencial limitado para modificar la estructura y la función de la enzima. [6]
Afinidad
La inmovilización por afinidad se basa en la especificidad de una enzima para acoplar un ligando de afinidad a una enzima y formar un complejo enzima-ligando unido covalentemente. El complejo se introduce en una matriz de soporte por la que el ligando tiene una alta afinidad de unión y la enzima se inmoviliza a través de interacciones ligando-soporte. [3]
Atrapamiento
La inmovilización mediante atrapamiento se basa en atrapar enzimas dentro de geles o fibras, mediante interacciones no covalentes. Las características que definen un material de atrapamiento exitoso incluyen una gran área de superficie, una distribución uniforme de poros, un tamaño de poro ajustable y una alta capacidad de adsorción. [3]
Recuperación
Las enzimas suelen representar un costo operativo significativo para los procesos industriales y, en muchos casos, deben recuperarse y reutilizarse para garantizar la viabilidad económica de un proceso. Aunque algunos procesos biocatalíticos funcionan utilizando solventes orgánicos, la mayoría de los procesos se llevan a cabo en entornos acuosos, lo que mejora la facilidad de separación. [1] La mayoría de los procesos biocatalíticos se llevan a cabo en lotes, lo que los diferencia de los procesos químicos convencionales. Como resultado, los bioprocesos típicos emplean una técnica de separación después de la bioconversión. En este caso, la acumulación de producto puede provocar la inhibición de la actividad enzimática. Se realizan investigaciones en curso para desarrollar técnicas de separación in situ , donde el producto se elimina del lote durante el proceso de conversión. La separación de enzimas se puede lograr mediante técnicas de extracción sólido-líquido, como centrifugación o filtración, y la solución que contiene el producto se alimenta aguas abajo para la separación del producto. [1]
| Las enzimas como operación unitaria | ||
|---|---|---|
| Enzima | Industria | Solicitud |
| Palatasa [7] | Alimento | Realza el sabor del queso |
| Lipozima TL IM [7] | Alimento | Interesterificación del aceite vegetal |
| Lipasa AK Amano [7] | Farmacéutico | Síntesis de compuestos quirales |
| Lipopan F [7] | Alimento | Emulsionante |
| Celulasa [8] | Biocombustible | Clase de enzimas que degradan la celulosa a monómeros de glucosa. |
| Amilasa [9] | Alimentos/biocombustibles | Clase de enzimas que degradan el almidón a monómeros de glucosa. |
| Xilosa isomerasa [10] | Alimento | Producción de jarabe de maíz con alto contenido de fructosa |
| Resinasa [7] | Papel | Control del paso en el procesamiento del papel |
| Amidasa de penicilina [11] | Farmacéutico | Producción de antibióticos sintéticos |
| Amidasa | Químico | Clase de enzimas utilizadas para la producción de aminoácidos enantioméricamente puros no proteinogénicos |
Las enzimas como producto deseado
Para industrializar una enzima se consideran los siguientes procesos de producción enzimática ascendentes y descendentes:
Río arriba
Los procesos ascendentes son aquellos que contribuyen a la generación de la enzima.
Selección de una enzima adecuada
Se debe seleccionar una enzima en función de la reacción deseada. La enzima seleccionada define las propiedades operativas requeridas, como el pH, la temperatura, la actividad y la afinidad del sustrato. [12]
Identificación y selección de una fuente adecuada para la enzima seleccionada
La elección de una fuente de enzimas es un paso importante en la producción de enzimas. Es común examinar el papel de las enzimas en la naturaleza y cómo se relacionan con el proceso industrial deseado. Las enzimas se obtienen más comúnmente a través de bacterias, hongos y levaduras. Una vez que se selecciona la fuente de la enzima, se pueden realizar modificaciones genéticas para aumentar la expresión del gen responsable de producir la enzima. [12]
Desarrollo de procesos
El desarrollo del proceso se lleva a cabo normalmente después de la modificación genética del organismo de origen e implica la modificación del medio de cultivo y las condiciones de crecimiento. En muchos casos, el desarrollo del proceso tiene como objetivo reducir la hidrólisis y la proteólisis del ARNm . [12]
Producción a gran escala
La ampliación de la producción de enzimas requiere la optimización del proceso de fermentación. La mayoría de las enzimas se producen en condiciones aeróbicas y, como resultado, requieren un aporte constante de oxígeno, lo que afecta el diseño del fermentador. Debido a las variaciones en la distribución del oxígeno disuelto, así como la temperatura, el pH y los nutrientes, se deben considerar los fenómenos de transporte asociados con estos parámetros. La mayor productividad posible del fermentador se logra con la máxima capacidad de transporte del fermentador. [12] [13]
Río abajo
Los procesos posteriores son aquellos que contribuyen a la separación o purificación de enzimas.
Eliminación de materiales insolubles y recuperación de enzimas de la fuente.
Los procedimientos para la recuperación de enzimas dependen del organismo de origen y de si las enzimas son intracelulares o extracelulares. Por lo general, las enzimas intracelulares requieren la lisis celular y la separación de mezclas bioquímicas complejas. Las enzimas extracelulares se liberan en el medio de cultivo y son mucho más sencillas de separar. Las enzimas deben mantener su conformación nativa para garantizar su capacidad catalítica. Dado que las enzimas son muy sensibles al pH, la temperatura y la fuerza iónica del medio, se deben utilizar condiciones de aislamiento suaves. [12]
Concentración y purificación primaria de enzimas.
Según el uso previsto de la enzima, se requieren distintos niveles de pureza. Por ejemplo, las enzimas utilizadas con fines de diagnóstico deben separarse con una pureza mayor que las enzimas industriales a granel para evitar la actividad catalítica que produce resultados erróneos. Las enzimas utilizadas con fines terapéuticos suelen requerir la separación más rigurosa. Lo más habitual es que se emplee una combinación de pasos de cromatografía para la separación. [12]
Las enzimas purificadas se venden en forma pura a otras industrias o se añaden a los bienes de consumo.
| Las enzimas como producto deseado | ||
|---|---|---|
| Enzima | Industria | Solicitud |
| Novozym-435 [7] | Bienes de consumo | Producción de miristato de isopropilo (cosmético) |
| Bromelina [14] | Alimento | Ablandador de carne |
| Noopazyme [7] | Alimento | Mejorar la calidad de los fideos |
| Asparaginasa [15] | Farmacéutico | Terapéutica del cáncer linfático |
| Ficina [16] | Farmacéutico | Ayuda digestiva |
| Uroquinasa [17] | Farmacéutico | Anticoagulante |
| β-Lactamasa | Farmacéutico | Tratamiento de la alergia a la penicilina |
| Subtilisina [18] | Bienes de consumo | Detergente para ropa |
Véase también
Referencias
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