Enzimas Industriais

Contexto histórico

A maioria das reações em organismos vivos é catalisada por moléculas de proteínas chamadas enzimas. As enzimas podem ser corretamente chamadas de maquinaria catalítica dos sistemas vivos. A verdadeira ruptura das enzimas ocorreu com a introdução de proteases microbianas em detergentes em pó. A primeira protease bacteriana de Bacillus comercial foi comercializada em 1959 e os principais fabricantes de detergentes começaram a usá-la por volta de 1965.

Os produtores industriais de enzimas vendem enzimas para uma ampla variedade de aplicações. O valor estimado do mercado mundial é atualmente de cerca de US$ 2 bilhões. Detergentes (37%), têxteis (12%), amido (11%), panificação (8%) e ração animal (6%) são as principais indústrias, que utilizam cerca de 75% das enzimas produzidas industrialmente.

Classificação enzimática

Atualmente, mais de 3.000 enzimas diferentes foram isoladas e classificadas. As enzimas são classificadas em seis categorias principais com base na natureza da reação química que catalisam:

1. As oxidorredutases catalisam a oxidação ou redução de seus substratos.

2. As transferases catalisam a transferência de grupo.

3. As hidrolases catalisam a quebra de ligações com a adição de água.

4. As liases removem grupos de seus substratos.

5. As isomerases catalisam rearranjos intramoleculares.

6. As ligases catalisam a união de duas moléculas à custa de energia química.

Apenas um número limitado de todas as enzimas conhecidas está comercialmente disponível. Mais de 75% das enzimas industriais são hidrolases. As enzimas de degradação de proteínas constituem cerca de 40% de todas as vendas de enzimas. Mais de cinquenta enzimas industriais comerciais estão disponíveis e seu número está aumentando constantemente.

Produção de enzimas

Algumas enzimas ainda são extraídas de tecidos animais e vegetais. Enzimas como papaína, bromelaína e ficina e outras enzimas especiais como a lipoxigenase são derivadas de plantas e as enzimas pepsina e renina são derivadas de animais. A maioria das enzimas é produzida por microrganismos em culturas submersas em grandes reatores chamados fermentadores. O processo de produção de enzimas pode ser dividido nas seguintes fases:

1. Seleção de uma enzima.

2. Seleção da linhagem de produção.

3. Construção de uma coloração superprodutiva por engenharia genética.

4. Otimização do meio de cultura e condição de produção.

5. Otimização do processo de recuperação.

6. Formulação de um produto enzimático estável.

Os critérios usados ​​na seleção de uma enzima industrial incluem especificidade, velocidade de reação, pH e temperatura ótimos e estabilidade, efeito de inibidores e afinidade a substratos. As enzimas usadas nas aplicações industriais devem geralmente tolerar vários metais pesados ​​e não precisam de cofatores.

Cepas de produção microbiana

Na escolha da linhagem de produção, vários aspectos devem ser considerados. Idealmente, a enzima é secretada pela célula. Em segundo lugar, o host de produção deve ter um status GRAS. Em terceiro lugar, o organismo deve ser capaz de produzir grandes quantidades da enzima desejada em um período de tempo de vida razoável. A maioria dos microorganismos usados ​​industrialmente foram geneticamente modificados para produzir em excesso a atividade desejada e não para produzir atividades secundárias indesejadas.

Produção de enzimas por fermentação microbiana

Uma vez que o organismo biológico de produção tenha sido geneticamente modificado para produzir em excesso os produtos desejados, um processo de produção deve ser desenvolvido. A otimização de um processo de fermentação inclui composição do meio, tipo de cultivo e condições do processo. As enzimas industriais de grande volume são produzidas em fermentadores de 50 -500 m3. As enzimas extracelulares são frequentemente recuperadas após a remoção das células (por filtração em tambor a vácuo, separadores ou microfiltração) por ultrafiltração.

Engenharia de proteínas

Muitas vezes as enzimas não possuem as propriedades desejadas para uma aplicação industrial. Uma opção é encontrar uma enzima melhor da natureza. Outra opção é projetar uma enzima comercialmente disponível para ser um melhor catalisador industrial. Outra opção é projetar uma enzima comercialmente disponível para ser um melhor catalisador industrial. Dois métodos diferentes estão disponíveis atualmente: um método aleatório chamado avaliação direcionada e um método de engenharia de proteínas chamado design racional.

Tecnologia enzimática

Este campo trata de como as enzimas são usadas e aplicadas em processos práticos. A maneira mais simples é usar enzimas é adicioná-las a uma corrente de processo onde catalisam a reação desejada e são gradualmente inativadas durante o processo. Isso acontece em muitas aplicações de enzimas a granel e o preço das enzimas deve ser baixo para que seu uso seja econômico.

Uma forma alternativa de usar enzimas é imobilizá-las para que possam ser reutilizadas. A enzima pode ser imobilizada usando membranas de ultrafiltração no sistema do reator. A grande molécula de enzima não pode passar através da membrana, mas os pequenos produtos da reação molecular podem. Muitos métodos laboratoriais diferentes para imobilização de enzimas com base em reação química, aprisionamento, ligação específica ou absorção foram desenvolvidos.

Aplicações de enzimas em grande escala

1]Detergentes

As proteinases bacterianas ainda são as enzimas detergentes mais importantes. As lipases decompõem as gorduras em compostos mais solúveis em água. As amilases são usadas em detergentes para remover manchas à base de amido.

2]Hidrólise de amido e produção de frutose

O uso de enzimas degradantes de amido foi a primeira aplicação em larga escala de enzimas microbianas na indústria alimentícia. Principalmente duas enzimas realizam a conversão de amido em glicose: alfa-amilase e enzimas fúngicas. Frutose produzida a partir de sacarose como material de partida. A sacarose é dividida pela invertase em glicose e frutose, a frutose separada e cristalizada.

3]Bebidas

As enzimas têm muitas aplicações na indústria de bebidas. A lactase divide a lactose do açúcar do leite em glicose e galactose. Este processo é usado para produtos lácteos que são consumidos por consumidores intolerantes à lactose. A adição de pectinase, xilanase e celulase melhora a liberação do suco da polpa. Da mesma forma, as enzimas são amplamente utilizadas na produção de vinho.

4]Têxteis

O uso de enzimas na indústria têxtil é um dos campos de crescimento mais rápido na enzimologia industrial. As enzimas utilizadas no campo têxtil são amilases, catalase e lactases que são usadas para remover o amido, degradar o excesso de peróxido de hidrogênio, branquear tecidos e degradar a lignina.

5]Alimentação animal

A adição de xilanase à ração à base de trigo aumentou a energia metabolizável disponível em 7-10% em vários estudos. A adição de enzimas reduz a viscosidade, o que aumenta a absorção de nutrientes, libera nutrientes seja por hidrólise de fibras não degradáveis ​​ou pela liberação de nutrientes bloqueados por essas fibras e reduz a quantidade de fezes.

6]Cozimento

As alfa-amilases têm sido amplamente estudadas em conexão com a melhoria da qualidade do pão e o aumento da vida útil. O uso de xilanases diminui a absorção de água e, portanto, reduz a quantidade de água adicionada necessária no cozimento. Isso leva a uma massa mais estável. As proteinases podem ser adicionadas para melhorar as propriedades de manuseio da massa; A glicose oxidase tem sido usada para substituir oxidantes químicos e lipases para fortalecer o glúten, o que leva a uma massa mais estável e melhor qualidade do pão.

7]Celulose e Papel

A principal aplicação é o uso de xilanases no branqueamento de celulose. Isso reduz consideravelmente a necessidade de produtos químicos de branqueamento à base de cloro. Na fabricação de papel, as enzimas amilases são usadas especialmente na modificação do amido. O piche é uma substância pegajosa presente principalmente em madeiras macias. O piche causa problemas nas máquinas de papel e pode ser removido por lipases.

8]Couro

A indústria do couro utiliza enzimas proteolíticas e lipolíticas no processamento do couro. As enzimas são usadas para remover partes indesejadas. Nas fases de depilação e remoção de lã, as enzimas proteases bacterianas são usadas para auxiliar o processo químico alcalino. Isso resulta em um processo mais ecológico e melhora a qualidade do couro. Enzimas bacterianas e fúngicas são usadas para tornar o couro macio e mais fácil de tingir.

9]Enzimas especiais

Há um grande número de aplicações especiais para enzimas. Isso inclui o uso de enzimas em aplicações analíticas, produção de aromas, modificação de proteínas e produtos de cuidados pessoais, tecnologia de DNA e na produção de química fina.

10]Enzimas em análises

As enzimas são amplamente utilizadas na metodologia analítica clínica. Ao contrário das enzimas industriais em massa, essas enzimas precisam estar livres de atividades secundárias. Isso significa que processos elaborados de purificação são necessários.

Um importante desenvolvimento em química analítica são os biossensores. A aplicação mais utilizada é um biossensor de glicose envolvendo reação catalisada por glicose oxidase.

Vários instrumentos comerciais estão disponíveis que aplicam este princípio para medição de moléculas como glicose, lactato, lactose, sacarose, etanol, metanol, colesterol e alguns aminoácidos.

11]Enzimas em produtos de cuidados pessoais

Os produtos de higiene pessoal são uma área relativamente nova para as enzimas. Soluções enzimáticas contendo proteinase e lipase são usadas para limpeza de lentes de contato. O peróxido de hidrogênio é usado na desinfecção de lentes de contato. O peróxido de hidrogênio residual após as desinfecções pode ser removido pela enzima catalase. Alguns cremes dentais contêm glicoamilase e glicose oxidase. As enzimas também são estudadas para aplicações em produtos para cuidados com a pele e cabelos.

12]Enzimas na tecnologia de DNA

A tecnologia de DNA é uma ferramenta importante na indústria de enzimas. A maioria das enzimas tradicionais são produzidas por organismos que foram geneticamente modificados para produzir em excesso a enzima desejada. A ordem específica das bases orgânicas na cadeia de DNA constitui a linguagem genética. A engenharia genética significa ler e modificar essa linguagem. As enzimas são ferramentas cruciais neste processo.

13]Enzimas na produção de química fina

Apesar de alguns sucessos, a produção comercial de produtos químicos por células vivas usando engenharia de vias ainda é, em muitos casos, a melhor alternativa para aplicar a biocatálise. Enzimas isoladas têm, no entanto, sido utilizadas com sucesso na síntese química fina. Alguns dos exemplos mais importantes estão representados aqui.

13 A]Aminoácidos quiralmente puros e aspartame

Aminoácidos naturais são geralmente produzidos por fermentação microbiana. Novos métodos de resolução enzimática foram desenvolvidos para a produção de L-, bem como de D-aminoácidos. O aspartame, o adoçante intensivo não calórico, é sintetizado em condições não aquosas pela termolisina, uma enzima proteolítica.

13 B]Açúcares raros

Recentemente, métodos enzimáticos foram desenvolvidos para fabricar praticamente todas as formas D e L de açúcares simples. A glicose isomerase é uma das importantes enzimas industriais usadas na fabricação de frutose.

13 C]Penicilinas semissintéticas

A penicilina é produzida por cepas geneticamente modificadas de cepas de Penicillium. A maior parte da penicilina é convertida pela enzima acilase imobilizada em ácido 6-aminopenicilânico, que serve como espinha dorsal para muitas penicilinas semi-sintéticas.

13 D]Reações baseadas em lipase

Além das aplicações em detergentes, as lipases podem ser usadas em reações químicas versáteis, uma vez que são ativas em solventes orgânicos. Lipases usadas na transesterificação e também usadas para separação enantiomérica de álcoois e misturas de aminas racêmicas separadas. As lipases também têm sido usadas para formar polímeros aromáticos e alifáticos.

13 E]Síntese enzimática de oligossacarídeos

A síntese química de oligossacarídeos é um complicado esforço de várias etapas. Sínteses biocatalíticas com enzimas isoladas como glicosiltransferases e glicosidases ou células inteiras modificadas são alternativas poderosas aos métodos químicos. Os oligossacarídeos têm encontrado aplicações em cosméticos, medicamentos e como alimentos funcionais.

Tendências futuras em enzimologia industrial

O mercado de enzimas industriais está crescendo de forma constante. A razão para isso está na melhoria da eficiência de produção, resultando em enzimas mais baratas, em novos campos de aplicação. A adaptação de enzimas para aplicações específicas será uma tendência futura com ferramentas de melhoria contínua e compreensão das relações estrutura-função e maior busca por enzimas de ambientes exóticos.

Novas ferramentas técnicas para usar enzimas como catalisadores cristalinos, capacidade de reciclar cofatores e enzimas de engenharia para funcionar em vários solventes com múltiplas atividades são importantes desenvolvimentos tecnológicos, que criarão constantemente novas aplicações.

Deixe uma resposta

O seu endereço de email não será publicado.