Usuari:Albert Almasque/Aplicacions industrials dels enzims

Els enzims tenen diverses aplicacions industrials.

Context

Des del descobriment de l'existència dels enzims (la seva naturalesa proteica, la seva síntesi i els seus mecanismes de catàlisi), aquests es mostren com una alternativa a molts dels processos que es feien fins ara amb mètodes quimicofísics. Com veurem, són alternatives més eficients, sovint molt superiors als catalitzadors químics convencionals, fet que els fa cada cop més estesos en l'actual societat altament industrialitzada. El seu ús ha creat negocis que mouen milions de dòlars entre els quals trobem una àmplia diversitat de processos industrials, nous o millorats productes per al consumidor així com l'emergent indústria dels biosensors. Constantment apareixen noves aplicacions dels enzims.

Els principals avantatges que presenten els enzims respecte als catalitzadors químics convencionals són: l'elevat grau de selectivitat i especificitat; no només per a reaccions concretes, sinó també per la seva capacitat de distingir entre parts diferents d'una mateixa molècula (regiospecificitat) o entre isòmers òptics (estereoespecificitat). Gràcies a això, els enzims tenen la capacitat de catalitzar reaccions molt concretes sense possibilitat de reaccions secundàries que produeixin subproductes indesitjats. D'aquesta manera, s'obté una major productivitat i es redueixen els costos materials. Els productes obtinguts mitjançant enzims no contenen cap tipus de contaminant, fet que permet l‘estalvi dels processos de purificació i són més beneficiosos pel medi ambient. Sovint, l'ús d'enzims permet escurçar els processos de síntesi química en diversos passos. A més a més, els enzims treballen en medis a condicions suaus, fet que fa als processos enzimàtics menys costosos que els que necessiten elevades condicions de temperatura, pressió o pH.

L'ús d'enzims també té conseqüències desavantatjoses que cal remarcar, les dues més importants són el seu elevat cost d'obtenció i purificació; i la seva escassa estabilitat fora de condicions naturals. Tot i així, s'estan buscant solucions a aquests desavantatges mitjançant la immobilització dels enzims en suports de resines o gels d'agar, o mitjançant l'enginyeria genètica.

Indústria tèxtil

Amb les creixents normatives mediambientals que afecten a la indústria tèxtil, l'ús dels enzims per al tractament químic de les fibres i dels teixits s'està mostrant ràpidament com l'opció més avantatjosa per als fabricants degut a les seves característiques ecològiques. S'usen enzims en processos com desizing, biopolishing, biostoning, bioscouring, bleaching i dyeing (explicats a continuació), l'alternativa dels quals són forts processos químics i nocius per al medi ambient. Cal remarcar que l'ús d'enzims permet un acabat de la fibra tèxtil menys agressiu, i per tant un producte de millor qualitat.

Desizing

Les fibres tèxtils abans de ser teixides han de ser reforçades perquè no es trenquin. Per això s'afegeixen compostos que s'adhereixin a les fibres. El midó, combinat amb petites quantitats d'altres substàncies com gelatina i carboximetil cel·lulosa (cel·lulosa tractada per fer-la soluble en aigua), és un dels compostos més utilitzats. Després de teixir cal treure aquest midó i en aquest procés anomenat desizing és on s'utilitzen les amilases. Abans s'utilitzaven tractaments amb àcids o bases a alta temperatura, que a part dels efectes negatius dels residus que s'originaven sobre el medi ambient, eren tractaments agressius amb les fibres dels teixits.

Biopolishing

A la indústria tèxtil moderna s'utilitzen cada cop més els enzims en l'acabament dels productes. El principal component del cotó és la cel·lulosa que es troba organitzada en fibres. Mentre que la majoria de les fibres són gruixudes, allargades i rectes, algunes petites fibres poden formar estructures protuberants. La correcta aplicació de cel·lulases pot eliminar aquestes fibres protuberants externes (que són les que tenen més tendència a trencar-se) donant lloc a productes més suaus i amb un color més intens, evitant els borrissols en teixits de cotó. Aquests tècnica anomenada Biopolishing es pot aplicar també en la llana, i s'anomena Biopolishing de la llana (Biopolishing of wool) i s'utilitzen proteases.

Biostoning

Tradicionalment, els texans anomenats eren rentats a la pedra per a destenyir-los i aconseguir el color desitjat. Des de 1992 s'ha estès l'ús de les cel·lulases per fer aquest procés, ara anomenat Biostoning. Les cel·lulases trenquen les fibres de cel·lulosa descolorint els pantalons. Petites quantitats d'enzim substitueixen així grans quantitats de pedra. Els avantatges d'aquest procés respecte al mètode tradicional són que els texans duren més a causa d'un tractament menys agressiu i on s'utilitza una quantitat molt inferior d'aigua. Aquesta aplicació s'ha convertit en un dels mercats de vendes més grans per a les cel·lulases.

Bioscouring

Abans que les fibres de cotó es tenyeixin han de ser rentades (procés que es coneix com scouring) per eliminar tot allò que no sigui la cel·lulosa que forma les fibres de cotó (compostos naturals o impureses introduïdes durant la manipulació). Aquest rentat permetrà un posterior blanquejant (bleaching) i tenyit (dyeing) adequats. Tradicionalment, aquest procés es fa a altes temperatures i en condicions alcalines fortes. El 1999 es va introduir una pectinasa alcalina en aquest procés de rentat per ajudar a eliminar les pectines (components de les parets cel·lulars vegetals). L'ús de les pectinases redueix el consum d'aigua i d'energia utilitzada (ja que és un procés que es du a terme a menor temperatura) i millora la qualitat del producte.

Bleaching

En la preparació de les fibres de cotó per a la tinció s'utilitza peròxid d'hidrogen (aigua oxigenada) com a blanquejant. Després es necessita un agent reductor per neutralitzar el peròxid d'hidrogen perquè no afecti el procés de tenyir. Per fer-ho, s'utilitza l'enzim catalasa que hidrolitza el peròxid d'hidrogen donant lloc a oxigen i aigua. Amb l'ús de la catalasa no cal, doncs, utilitzar altres compostos reductors i es redueix molt el consum d'aigua necessari.

Dyeing

En el procés de tinció es fan servir colorants químics. En el posterior pas d'eliminació de l'excés de colorant es fan servir peroxidases, ja que aquests enzims són capaços de detectar compostos colorants i eliminar-los sense malmetre el teixit.

Enzims en l'adobat de pells

El procés d'adobat de pells té com a objectiu estabilitzar l'entramat de col·lagen que forma la pell dels éssers vius per tal d'evitar-ne la putrefacció i la degradació. Per a aconseguir-ho, la indústria pelletera se serveix d'enzims com proteases i lipases per a eliminar les proteïnes no fibroses i els greixos que es troben en la dermis dels animals. Aquest mètode és més pràctic, segur i ecològic que no pas els mètodes tradicionals on s'utilitzen sulfats de sodi. En aquest procés es fan servir grans quantitats d'enzims (0,1-1,0% del pes total) i el procés ha d'estar ben controlat per a evitar la pèrdua de qualitat de la pell.

Un altre procés en l'adobat de pells on s'utilitzen enzims és en l'eliminació dels pèls dels animals per a obtenir suaus peces de cuir. Aquest procés es fa mitjançant proteases alcalines (ja que es treballa a pH alcalí) que ajuden a solubilitzar els pèls en lloc de dissoldre'ls completament com es fa en els processos químics tradicionals. Finalment, en alguns acabats de cuirs també es fan servir enzims (enzims pancreàtics) per a donar una major flexibilitat o acabats més suaus.

Detergents

La indústria dels detergents és, avui en dia, la major consumidora d'enzims, amb un consum del 25 – 30% de les vendes totals. L'ús d'enzims en els detergents és una pràctica comuna als països desenvolupats, on més de la meitat dels detergents que existeixen presenten enzims com a part dels seus components.

Les taques poden tenir naturalesa lipídica, proteica, o glucosídica (greixos, proteïnes o sucres). Remenant la roba bruta en aigua a elevades temperatures amb detergents convencionals es poden eliminar la majoria de taques, però aquest mètode comporta una elevada despesa energètica, ja que cal escalfar una quantitat considerable d'aigua i moure el tambor de la rentadora per remenar la roba, a més del fet que el tracte que reben els teixits en malmet la qualitat. L'ús d'enzims permet treballar a baixes temperatures i es redueix el període d'agitació, sovint amb una etapa de remullat prèvia. En general, els detergents amb enzims lleven taques de sang, llet, suor, herba, etc. millor que els detergents sense enzims, això és degut al fet que en els detergents actuals hi podem trobar proteases i amilases, i recentment, també s'han incorporat lipases.

Les proteases utilitzades són estables a pH molt basics (entre 9 i 13) i termoestables. Habitualment són d'origen bacterià. Com que els detergents contenen gran quantitat d'agents segrestants d'ions (per contrarestar així la duresa de l'aigua i evitar la formació de cal), no es poden fer servir metal·loproteases (proteases que necessiten ions metàl·lics).

Les amilases es van introduir als detergents durant els anys 70. Tenen la funció d'eliminar les taques que contenen midó d'aliments com salses, aliments infantils, aliments precuinats, etc. La característica principal d'aquests enzims per a poder-los utilitzar en detergents és la seva alta estabilitat i activitat a pHs basics.

La dificultat més important en la incorporació de les lipases als detergents és la seva inactivació i desestabilització pels agents oxidants i quelants que aquests contenen. Fins a l'aparició de lipases modificades per enginyeria genètica, resistents a aquestes condicions no es van començar a introduir les lipases com a components dels detergents (1988). Les lipases permeten l'eliminació de taques de grasses, mantegues, salses, olis, suor, etc.

Recentment s'han desenvolupat detergents que incorporen cel·lulases per al tractament de teixits de cotó. La seva funció és equivalent al seu ús en el procés de biopolishing, ja que amb l'aplicació d'aquest enzim s'aconsegueix, amb la rentada, un teixit més suau i de colors més brillants, aconseguint que la roba sembli com nova.

Biocombustibles

Davant el panorama actual on s'està veient que els combustibles fòssils no poden ser la font d'energia de la societat de manera infinita i que la comunitat internacional sembla prendre consciència dels problemes mediambientals de l'ús d'aquests (Protocol de Kyoto); els combustibles d'origen vegetal es perfilen com la millor solució, si més no a curt termini, per a resoldre el complicat panorama energètic i mediambiental. Els biocombustibles també es veuen afavorits per una situació actual d'inestabilitat en els països o zones productores de combustibles fòssils, fet que en desestabilitza els preus causant daltabaixos en l'economia mundial; amb els combustibles d'origen natural es pretén aconseguir una universalització de la producció d'energia i així assolir una estabilitat en la producció d'aquests nous combustibles.

Els biocombustibles es poden dividir en dos grups segons l'origen de les seves matèries primeres renovables: el bioetanol i el biodiesel. El bioetanol prové de la degradació de compostos de naturalesa glucosídica (sucres); mentre que el biodiesel prové de la degradació de compostos oleaginosos, grasses i olis reutilitzables. Cal remarcar que els biocombustibles actuals tan sols contenen un percentatge reduït de combustible renovable. S'utilitzen anotacions abreviades segons el percentatge per volum de biodiesel en la mescla: B100 en cas d'utilitzar biodiesel pur, o altres anotacions como B5, B15, B30 o B50, on la numeració indica el percentatge volumètric de biodiesel en la mescla.

Per a la producció de bioetanol es fan servir plantes riques en sucres (canya de sucre, remolatxa, etc.), cereals (blat, blat de moro, civada, etc.) o material lignocel·lulòsic. Tots els compostos es degraden fins a l'obtenció de sucres simples mitjançant processos enzimàtics depenent de la seva naturalesa. Els cereals pateixen un procés de sacarificació amb amilases aprofitant-ne les grans quantitats de midó fins a obtenir els sucres que el formen. Al material lignocel·lulòsic, en canvi, se li aplica un procés inicial de separació de la lignina per a deixar-ne únicament el material cel·lulòsic, el qual s'hidrolitzarà mitjançant l'ús de cel·lulases fins a l'obtenció de sucres. Els passos següents, en tots els casos, són la fermentació dels sucres obtinguts enzimàticament i la destil·lació dels productes de fermentació per a obtenir l'etanol o bioetanol.

A partir d'aquesta tecnologia, ha aparegut un enorme camp d'investigació en l'aprofitament de la biomassa. Es tracta d'una possibilitat d'aprofitament dels residus agrícoles i forestals així com urbans i industrials de naturalesa lignocel·lulòsica, que en darrer terme són, tots els residus orgànics. Mitjançant plantes de pretractament dels residus i els processos de degradació, fermentació i destil·lació es pot aconseguir un aprofitament absolut del que fins ara és material de rebuig. I si a aquests processos hi sumem l'aprofitament de la gran quantitat de lignina, que se separa inicialment del material cel·lulòsic, com a material de combustió per a l'autoabastiment energètic de la planta, obtenim una completa conversió dels residus en productes o energia. Tot en un únic sistema renovable i ecològic.

D'altra banda, per a produir biodiesel es fan servir àcids grassos provinents de plantes oleaginoses (girasol, soja, palma, etc.), grasses animals o olis vegetals (verges o reciclats). Els àcids grassos pateixen un procés d'esterificació amb alcohol (generalment alcohol metílic) en presència de catalitzadors. Majoritàriament es fa servir la catàlisi bàsica on s'usa l'hidròxid de sodi, o la catàlisi àcida amb àcid sulfúric com a catalitzador, ja que són mètodes ràpids i relativament econòmics, però presenten desavantatges com l'elevada quantitat d'aigües residuals que es generen, la formació de sabons en cas de catàlisi bàsica i la corrosió del material per part de la catàlisi àcida. L'alternativa actual a aquests processos és la catàlisi enzimàtica: l'enzim utilitzat és la lipasa, que en medi orgànic té activitat esterificadora. Els avantatges en l‘ús de lipases són que no es fan servir productes químics nocius (com àcids o bases) i per tant no cal una posterior purificació del biodiesel, que és un procés sense residus contaminants ni aigües que cal depurar, i que es consumeix menys energia en el procés de transesterificació. Com a desavantatges hi ha l'elevat cost dels enzims i la inactivació dels enzims pel glicerol (subproducte de l'esterificació).

Producció d'edulcorants

Els grans de cereals són una matèria primera molt important. Estan formats (en composició variable depenent de cada espècie) fonamentalment per midó, proteïnes, olis o lípids i fibra. De la mateixa manera que es pot utilitzar la cel·lulosa com a matèria primera per obtenir etanol o altres productes, també podem utilitzar el midó dels grans dels cereals per obtenir glucosa, solucions de glucosa i fructosa, etanol o altres productes (a partir de la fermentació o transformació de la glucosa). Als Estats Units el blat de moro és el principal cereal utilitzat com a matèria primera per obtenir etanol o solucions dolces riques en glucosa i fructosa (xarops de glucosa i fructosa o High-fructose corn syrup,HFCS, en anglès) utilitzades en la indústria alimentària. Durant el procés de formació dels edulcorants s'utilitza tan sols el midó del gra de cereal. El procés consta de tres etapes:

• Liquació.
• Sacarificació.
• Isomerització.

El midó és un polisacàrid que es troba emmagatzemat a l'interior del gra de forma molt compacte i és pràcticament insoluble en aigua. Durant l'etapa de liquació les complexes estructures de midó (amb amilopectina) són degradats parcialment gràcies a amilases i les elevades temperatures del procés (aprox. 100 °C), així s'obtenen oligosacàrids solubles en aigua. En el procés de sacarificació l'objectiu és obtenir molècules lliures de glucosa. Per a això es fan servir amiloglucosidases, que trenquen els oligosacàrids fins a les seves unitats estructurals; la glucosa.

Una vegada obtinguda la glucosa el següent pas és la isomerització d'un percentatge d'aquesta en fructosa. No es pot convertir tota la glucosa en fructosa, ja que la reacció d'isomerització és catalitzada per la glucosa isomerasa és una reacció d'equilibri. Si volem obtenir solucions amb unes concentracions de fructosa de més del 42%, hem d'augmentar la temperatura, fins a obtenir solucions del 55% en fructosa. El principal inconvenient és que l'enzim serà menys estable a altes temperatures. L'enzim glucosa isomerasa és, en realitat, una xilosa isomerasa que catalitza la isomerització de la xilosa a xilulosa. L'activitat d'isomerització de la glucosa en fructosa és una activitat "col·lateral" de l'enzim. La glucosa isomerasa és un enzim intracel·lular, això fa que la seva producció sigui cara. Per aquest motiu i per augmentar l'estabilitat de l'enzim a altes temperatures, la glucosa isomerasa s'utilitza en forma immobilitzada per a poder-la reutilitzar.

Avui en dia es poden aconseguir glucosa isomerases termostables gràcies a l'enginyeria genètica. Així, amb la substitució d'algun dels residus de la molècula s'obtenen proteïnes més estables a temperatures elevades. També s'està treballant per augmentar l'afinitat de l'enzim per la glucosa, aconseguint així velocitats més ràpides en el procés d'isomerització.

Millores en la producció de cervesa

Tot i que la cervesa es pot elaborar sense l'addició de cap enzim, això no vol dir que no intervinguin enzims en la seva elaboració. Els enzims es troben en les matèries primeres (ordi o llevats) i s'hauran de controlar les condicions perquè actuïn correctament. El procés d'elaboració de la cervesa (brewing) consta de les etapes de maltatge, maceració, cocció del most, fermentació i les etapes finals de maduració, filtració, carbonatació i embotellament. Al llarg d'aquests processos s'han anat introduint enzims per a millorar els processos de producció, reduir costos, obtenir noves cerveses o utilitzar noves matèries primeres.

En el procés de maltatge l'objectiu és fer germinar el gra d'ordi (obtenint l'anomenada malta). En aquest procés s'activa la producció d'enzims del mateix gra d'ordi (amilases, cel·lulases i proteases) estimulant el creixement de la llavor que, sota condicions de temperatura i humitat molt concretes, arribarà a un punt d'activació enzimàtica màxima on caldrà aturar el procés mitjançant la deshidratació del gra. Això es fa mitjançant la torrefacció del gra, i és el procés que dóna el color característic a la cervesa segons el grau de torrefacció que es doni al gra.

El procés de maceració està destinat a oferir les millors condicions possibles per a l'acció de les amilases del gra. La barreja de malt i aigua se sotmet a temperatures d'activació dels enzims (amilases) per a la degradació del midó del gra fins a obtenir glucosa per a la posterior fermentació. La presència de proteases i cel·lulases i el fet de moldre la malta ajudaran que les amilases accedeixin més fàcilment al midó. En aquest punt es poden afegir enzims "externs" per a aconseguir degradacions més eficients del midó, reduir la terbolesa, augmentar els rendiments i facilitar els filtratges posteriors. La cocció del most es fa principalment per a esterilitzar-lo i controlar-ne el pH. En aquest punt s'afegeix el llúpol a la mescla (degut a la seva activitat bactericida i responsable del gust amarg de la cervesa). Posteriorment es filtra el most i es refreda per a iniciar la fermentació.

Durant el procés de fermentació, a part de l'acció dels enzims dels llevats s'acostuma a afegir l'enzim alfa-acetolactat descarboxilasa. Mitjançant aquest enzim s'evita la formació de molècules de diacetils (alteren el sabor de la cervesa) i així es poden escurçar o fins i tot evitar els processos de maduració de la cervesa obtenint una cervesa de millor qualitat. També s'han desenvolupat beta-glucanases per a millorar el rendiment en els processos de filtratge. La funció d'aquest enzim és degradar els compostos glucosídics que no s'han pogut degradar amb l'acció de les amilases i així obtenir una solució més clara i fàcil de filtrar.