Las enzimas industriales son enzimas que se utilizan comercialmente en una variedad de industrias, como la farmacéutica , la producción química, los biocombustibles , los alimentos y bebidas y los productos de consumo. Debido a los avances de los últimos años, la biocatálisis mediante enzimas aisladas se considera más económica que el uso de células enteras. Las enzimas pueden usarse 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 suelen utilizar cuando una reacción requiere un cofactor . Aunque se pueden generar cofactores in vitro , suele ser más rentable utilizar células metabólicamente activas. [1]
A pesar de sus excelentes capacidades catalíticas, en muchos casos las enzimas y sus propiedades deben mejorarse antes de su implementación industrial. 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 sobre 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 deberían 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.
La adsorción enzimática sobre portadores funciona basándose en 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 vehículos enzimáticos. La selección de un portador depende del área de superficie, tamaño de partícula, estructura de poros y tipo de grupo funcional. [5]
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 mediante glutaraldehído a grupos amino y ésteres de N-hidroxisuccinido . Estas técnicas de inmovilización se producen a temperatura ambiente en condiciones suaves, que tienen un potencial limitado para modificar la estructura y función de la enzima. [6]
La inmovilización mediante afinidad se basa en la especificidad de una enzima para acoplar un ligando de afinidad a una enzima para formar un complejo enzima-ligando unido covalentemente. El complejo se introduce en una matriz de soporte por la cual el ligando tiene una alta afinidad de unión y la enzima se inmoviliza mediante interacciones ligando-soporte. [3]
La inmovilización mediante atrapamiento se basa en atrapar enzimas dentro de geles o fibras, mediante interacciones no covalentes. Las características que definen un material atrapante exitoso incluyen una alta área superficial, distribución uniforme de poros, tamaño de poro ajustable y alta capacidad de adsorción. [3]
Las enzimas suelen constituir 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 operan utilizando solventes orgánicos, la mayoría de los procesos ocurren en ambientes acuosos, lo que mejora la facilidad de separación. [1] La mayoría de los procesos biocatalíticos se producen por 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 enzimática 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]
Para industrializar una enzima se consideran los siguientes procesos de producción de enzimas upstream y downstream:
Los procesos anteriores son aquellos que contribuyen a la generación de la enzima.
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]
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 seleccionada la fuente de la enzima, se pueden realizar modificaciones genéticas para aumentar la expresión del gen responsable de producir la enzima. [12]
El desarrollo del proceso normalmente se realiza después de la modificación genética del organismo fuente e implica la modificación del medio de cultivo y las condiciones de crecimiento. En muchos casos, el desarrollo de procesos tiene como objetivo reducir la hidrólisis y proteólisis del ARNm . [12]
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 de la temperatura, el pH y los nutrientes, se deben considerar los fenómenos de transporte asociados a estos parámetros. La mayor productividad posible del fermentador se logra con la máxima capacidad de transporte del fermentador. [12] [13]
Los procesos posteriores son aquellos que contribuyen a la separación o purificación de enzimas.
Los procedimientos para la recuperación de enzimas dependen del organismo de origen y de si las enzimas son intracelulares o extracelulares. Normalmente, las enzimas intracelulares requieren lisis celular y 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 asegurar 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]
Dependiendo del uso previsto de la enzima, se requieren diferentes 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 una actividad catalítica que proporcione 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 cromatográficos para la separación. [12]
Las enzimas purificadas se venden en forma pura a otras industrias o se añaden a bienes de consumo.