Enzimas en La Industria

Obtención y uso de las enzimas en la industria Dra. Ana Blandino Garrido

Índice:

¿Por qué se utilizan las enzimas en lo los procesos industriales? Carrac Ca acte terí rís sti tica cas s de las las enz nzim ima as Prod Pr oduc ucci ción ón de enzi enzima mas s Apli Ap lic cac acio ione nes s in ind dus ustr tria iale les s de la las s en enzi zim mas Aspectos gene nerrales so sob bre la inm nmo ovilización de enzimas

Índice:

¿Por qué se utilizan las enzimas en lo los procesos industriales? Carrac Ca acte terí rís sti tica cas s de las las enz nzim ima as Prod Pr oduc ucci ción ón de enzi enzima mas s Apli Ap lic cac acio ione nes s in ind dus ustr tria iale les s de la las s en enzi zim mas Aspectos gene nerrales so sob bre la inm nmo ovilización de enzimas

I. ¿Por qué se utilizan las enzimas en los procesos industriales? Inconvenientes de los procesos químicos: Desarrollo de reacciones no específicas Necesidad de altas temperaturas y/o presiones para que transcurra la reacción Los procesos que se realizan en condiciones extremas y los peligrosos necesitan la inversión de un capital muy elevado, y el empleo de equipos especialmente diseñados y de sistemas de control. Los subproductos no deseados pueden ser difíciles de separar del producto de interés El consumo de reactivos químicos y de energía, y la generación de subproductos nocivos tiene un

I. ¿Por qué se utilizan las enzimas en los procesos industriales? Ventajas de los procesos enzimáticos: Se llevan a cabo en condiciones suaves Son altamente específicos Implican velocidades de reacción muy elevadas Son llevados a cabo por numerosas n umerosas enzimas Las enzimas industriales se obtienen a partir de sistemas biológicos lo que contribuye al desarrollo sostenible Sólo se requiere una pequeña cantidad de enzima enz ima Hay una gran disponibilidad y variedad de equipamiento a utilizar Son fáciles de controlar Se reduce el impacto ambiental

Índice:

¿Por qué se utilizan las enzimas en lo los procesos industriales?

Carracterísticas de las enzimas Ca Produc Prod ucci ción ón de enzi enzima mas s Apli Ap lic cac acio ione nes s in ind dus ustr tria iale les s de la las s en enzi zim mas Aspectos gene nerrales so sob bre la inm nmo ovilización de enzimas

II. Características de las enzimas 1. Las reaccciones químicas tienen lugar en condiciones suaves Maltosa

+ Agua

→

2 Glucosa

pH =7, 25ºC

2. Son altamente específicas 3. Las reacciones son muy rápidas CO2

+ Agua

→

HCO3- + H+

4. Numerosas enzimas para diferentes “tareas”

II. Características de las enzimas Clase

Enzimas industriales

1. Oxidoreductasas

Peroxidasa Catalasa Glucosa oxidasa Lacasa

2. Transferasa

Fructosil-transferasa Glucosil-transferasa

3. Hidrolasas

Amilasas Celulasas Lipasas Pectinasas Proteasas Pululanasa

4. Liasas

Pectato liasa Alfa-acetolactato-descarboxilasa

5. Isomerasas

Glucosa isomerasa



1. Oxidoreductasas

Transferencia de átomos de hidrógeno u oxígeno, o de electrones, desde un sustrato a otro.

2. Transferasas

Transferencia de grupos de átomos (radicales) desde un sustrato a otro.



3. Hidrolasas

Catalizan reacciones entre un sustrato y agua, y unen agua a ciertas moléculas.

4. Liasas

Catalizan la adición de grupos a dobles enlaces, o la formación de dobles enlaces mediante eliminación de grupos .



5. Isomerasas

Catalizan la transferencia de grupos de una posición a otra dentro de la misma molécula.

6. Ligasas

Unen moléculas entre sí mediante enlace covalente.

Índice:

¿Por qué se utilizan las enzimas en los procesos industriales? Características de las enzimas

Producción de enzimas Aplicaciones industriales de las enzimas Aspectos generales sobre la inmovilización de enzimas

III. Producción de enzimas Las enzimas se obtienen de microorganismos. La fermentación se realiza en un reactor. Las enzimas son concentradas y/o purificadas. Se procede al aislamiento, clonación y secuenciación del gen que codifica la enzima. Se realiza la inmovilización enzimática

III. Producción de enzimas Tecnología de cultivo sumergido

Consiste en el crecimiento del microorganismo en vasos de reacción cerrados que contienen un caldo rico en nutrientes (el medio de fermentación) y una elevada concentración de oxígeno (condiciones aeróbicas).

III. Producción de enzimas El medio de fermentación: Se emplean “medios complejos”. Las fuentes de carbono: Glucosa, sacarosa, lactosa, almidón, dextrinas Glicerol y manitol Hexadecano, octadecano y otros Granos, melazas, celulosas, suero de queso, etc. Las fuentes de nitrógeno: Hidrolizados de proteínas Extracto de carne, de levadura o de malta Cornsteep

III. Producción de enzimas Tecnología de cultivo sumergido: el biorreactor Mantener las células uniformemente distribuidas. Mantener constante la T. Minimizar los gradientes de concentración de nutrientes. Suministrar O2 a una velocidad tal que satisfaga el consumo.

III. Producción de enzimas Tecnología de cultivo sumergido: el biorreactor Eje provisto de turbinas accionado por un motor. El aire es distribuido por una corona que posee pequeños orificios espaciados. Las placas deflectoras “rompen” el movimiento circular del fluido. Encamisado por el que circula agua. De acero inoxidable y pulidos. El aire se inyecta estéril.

III. Producción de enzimas Tecnología de cultivo sumergido: el biorreactor

El aire inyectado promueve la agitación. Dos cilindros concéntricos Circulación de líquido ascendente en el compartimiento interno y descendente en el externo

III. Producción de enzimas Tecnología de fermentación en estado sólido FERMENTACIÓN EN ESTADO SÓLIDO (SSF)

soportes sólidos húmedos

sólidos inertes

sustratos naturales

FERMENTACIÓN EN CULTIVO SUMERGIDO (SmF)

fase líquida

III. Producción de enzimas Tecnología de fermentación en estado sólido Fibras y paja de trigo Maíz Arroz Bagazo de caña de azúcar y de remolacha Residuos de banana, patata,té, coco, manzana y cítricos Harinas de trigo y maíz Cáscaras de café y de arroz Alpechín Malta agotada, etc. ORUJO DE UVA

III. Producción de enzimas

Secado Molienda Tamizado Esterilización Orujo de uva (Palomino Fino)

Orujo de uva acondicionado

III. Producción de enzimas Estática Humedad inicial: 60% (p/p) 30ºC pH natural

Fermentación

III. Producción de enzimas Condiciones estándar: 10 g sólido/ 50 mL agua destilada Agitación: 200 rpm, 30ºC y 30 minutos Centrifugación a 10000 rpm 20 minutos

Extractos

Celulasa Xilanasa Pectinasa

III. Producción de enzimas Tecnología de fermentación en estado sólido FERMENTACIÓN EN ESTADO SÓLIDO (SSF)

Mayores rendimientos Recuperación de productos más fácil No se producen espumas Volumen del reactor menor Menor riesgo de contaminación Residuos agrícolas como sustratos

FERMENTACIÓN EN CULTIVO SUMERGIDO (SmF)

Mayor homogeneidad Tecnología más desarrollada

III. Producción de enzimas Fermentación en estado sólido: el biorreactor

El sustrato es extendido sobre cada bandeja. Cámara a T constante Circulación de aire humidificado


Columna con el sólido retenido. Circulación de aire humidificado en sentido ascendente


El mezclado se consigue rotando el vaso o mediante un sistema de agitación de palas. Sólo puede llenarse un 30% de su capacidad.

III. Producción de enzimas Recuperación de la enzima (downstream processing): 1. Separación de los sólidos

Floculación Flotación Filtración Centrifugación

Desintegración de los microorganismos

M. químicos M. biológicos M. físicos

2. Aislamiento

Precipitación Cromatografía

3. Concentración y envasado Liofilización Encapsulación

III. Producción de enzimas Recuperación de la enzima (downstream processing):

Índice:

¿Por qué se utilizan las enzimas en los procesos industriales? Características de las enzimas Producción de enzimas

Aplicaciones industriales de las enzimas Aspectos generales sobre la inmovilización de enzimas

IV. Aplicaciones industriales de las enzimas


Mercado mundial (millones de dólares) de las enzimas de interés industrial


Industria de detergentes (años 60)

proteasas lipasas

Proteí nas actúan de aglutinante, impidiendo que los sistemas detersivos eliminen los otros componentes de la suciedad. Degradan moléculas de grasa (1988)

amilasas

Eliminan residuos de comida con almidón

celulasas

Eliminación de microfibrillas que parcialmente las fibras de algodón.

separan

IV. Aplicaciones industriales de las enzimas Industria textil Desencolado

-Productos quí micos fuertes -Amilasas

-Prelavado con agua caliente (80-95ºC) -Ajuste a pH 5,5-7,5 y 60-80ºC -Adición de amilasa

IV. Aplicaciones industriales de las enzimas Industria textil Biostoning

-Una pequeña cantidad de celulasa puede sustituir varios kilos de piedra pómez - Se producen menos daño a las telas, desgaste de las lavadoras y polvo de piedra en el ambiente.

IV. Aplicaciones industriales de las enzimas Industria textil Biopolishing

-Tratamiento con celulasas para eliminar la pelusilla que sobresale en las fibras naturales

Lavado después del blanqueado

-Una pequeña dosificación de catalasa es capaz de degradar el peróxido de hidrógeno en agua y oxí geno.

IV. Aplicaciones industriales de las enzimas Industria del cuero Remojo

Depilado

Rendido

-La piel se hidrata para facilitar la penetración y absorción de los productos curtientes. -Degradando la proteí na entre las fibras mediante proteasas se facilita la absorción de agua y puede reducirse el tiempo de remojo. -Las proteasas y lipasas aceleran las reacciones de los productos quí micos depilatorios. -Rompen las grasas y la materia proteí ca facilitando la penetración de los reactivos y la eliminación del pelo. -Tratamiento con proteasas y tripsina para hacer flexible el cuero eliminando componentes proteí cos.

IV. Aplicaciones industriales de las enzimas Industria del papel

Proceso Kraft

-Se trata de formar una suspensión de fibras de madera -La madera astillada se cuece en una mezcla de sosa cáustica y sulfuro de sodio. -Se produce una pasta de color marrón oscuro Blanqueado de pastas Kraft -El cloro y sus derivados son los blanqueantes más baratos y versátiles para las pastas quí micas -Tratando las pastas Kraft con xilanasas se abre al estructura de la hemicelulosa que tiene enlazada la lignina, lo que facilita la liberación de esta última antes del blanqueamiento.

IV. Aplicaciones industriales de las enzimas Industria del almidón y del azúcar

1. Licuefacción: Suspensión

α-amilasa


2. Sacarificación: maltodextrinas Maltosa + glucosa

α-amilasa

glucoamilasa

Maltosa + glucosa Glucosa


3. Isomerización: Glucosa Glucosa

42% fructosa + 54% glucosa isomerasa

IV. Aplicaciones industriales de las enzimas Industrias de molinería y panadería Mejora de la manipulaci ón y propiedades de la masa de panader í a ↓ α-amilasa

Pobre producción gas Pan inferior calidad Corteza menos color Miga cerrada

↑ α-amilasa

Baja retención agua Masa pegajosa Corteza oscura Miga abierta

Proteasas Producción galletas y crackers

↓ fuerza

gluten

IV. Aplicaciones industriales de las enzimas Industrias de productos lácteos Elaboración de quesos

leche leche

renina

lipasas proteasas

Precip. caseí na maduración

Tratamientos de la leche leche leche

lactasa catalasa

Glucosa + Galactosa leche + H2O + O2

IV. Aplicaciones industriales de las enzimas Industrias de zumos de frutos Elaboración de zumos pulpa zumo zumo

pectinasas pectinasas amilasas celulasas

filtración transparencia color

IV. Aplicaciones industriales de las enzimas Industria bodeguera Elaboración de vinos

Liberación antocianos mosto).

de taninos y (tanque del

Aceleración de los procesos de clarificación (tras el prensado) Maduración del vino (tras la fermentacíón)

IV. Aplicaciones industriales de las enzimas Industria cervecera Malteado Se pone al grano en condiciones de H y T adecuadas, lo que induce la síntesis de enzimas hidrolíticas que degradan el almidón. Se seca el grano a altas T, con lo que se detiene el proceso de germinación Maceración Se añade agua caliente al grano molido que, tras ser batido, produce una infusión azucarada o wort. Las amilasas convierten al almidón en azúcares fermentables y

IV. Aplicaciones industriales de las enzimas Industria cervecera Aromatización Se añade al “mosto dulce” la flor de lúpulo y se hierve todo, obteniéndose el “mosto aromatizado”. Seguidamente se realiza una clarificación, enfriamiento y aireación del mosto aromatizado. Fermentación Gran parte de la maltosa, glucosa y maltotriosas (carbohidratos fermentables) se convierten en alcohol y dióxido de carbono. Otros metabolitos de las levaduras contribuyen al aroma y al bouquet característico de la cerveza. La fermentación se realiza a

IV. Aplicaciones industriales de las enzimas Industria cervecera Enzimas industriales Sustitución de la malta por cebada no malteada: cebada + amilasas + proteasas. Mejora de la filtración: Degradación de los betaglucanos mediante betaglucanasa añadida durante la maceración o la fermentación.

Reducción del tiempo de maduración: Alfa-acetolato neutro)

diacetilo

(sabor desagradable)



acetoína (sabor

Índice:

¿Por qué se utilizan las enzimas en los procesos industriales? Características de las enzimas Producción de enzimas Aplicaciones industriales de las enzimas

Aspectos generales sobre la inmovilización de enzimas

V. Inmovilización de enzimas ¿enzima inmovilizada? Unida f ís icamente a un soporte sólido, pero permite que el sustrato sea transformado en producto

Normalmente las enzimas se estabilizan Facilidad para parar rápidamente la reacción El producto no se contamina con la enzima Múltiples o repetitivos usos en discontinuo Posibilidad de trabajar en continuo

V. Inmovilización de enzimas


V. Inmovilización de enzimas ¿enzima inmovilizada? Unida f ís icamente a un soporte sólido, pero permite que el sustrato sea transformado en producto

Alteración de la conformación de la enzima con respecto a su estado nativo Pérdida de la actividad de la enzima durante la inmovilización El biocatalizador es más caro que la enzima nativa


Métodos de inmovilización

Retención física

Atrapamiento

Encapsulación

Unión química

Unión a soportes

Reticulado

V. Inmovilización de enzimas Retención física

Atrapamiento:

Encapsulación:

retención física de la enzima en las cavidades interiores de una matriz sólida porosa constituida generalmente por polímeros.

las enzimas están rodeadas de membranas semipermeables que permiten el paso de moléculas de sustrato y producto, pero no de enzima.

V. Inmovilización de enzimas Retención física

Cloruro cálcico

Alginato sódico

Enzima

Bomba peristáltica

V. Inmovilización de enzimas Unión química

Unión a soportes:

Reticulado: consiste en uso de reactivos bifuncionales que originan uniones intermoleculares entre las moléculas de enzima.

la enzima se une a un soporte sólido mediante adsorción o enlace covalente

V. Inmovilización de enzimas Unión química

Adsorción: la enzima se une a un soporte sin funcionalizar mediante interacciones iónicas, fuerza de Van der Waals y por puentes de hidrógeno

Unión covalente: Se basa en la activación de grupos químicos del soporte para que reaccionen con grupos nucleófilos de las proteínas.

V. Inmovilización de enzimas Unión covalente •Diazonación: SOPORTE--N=N--ENZIMA. •Formación de enlace amida: SOPORTE--CO-NH--ENZIMA •Alquilación y arilación: SOPORTE--CH2-NH--ENZIMA SOPORTE--CH2-S--ENZIMA •Formación de una base de Schiff: SOPORTE--CH=N--ENZIMA •Reacción de amidación: SOPORTE--CNH-NH--ENZIMA •Intercambio tilo-disulfuro:SOPORTE--S-S--ENZIMA •Unión al soporte mediante reactivos bifuncionales: SOPORTE-O(CH2)2N=CH(CH2)3CH=N-ENZIMA

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