Química Verde – Biocatálisis

Ilustración de un biocatalizador

La Química Verde es una serie de principios que tienen como objetivo reducir el impacto ambiental de los procesos químicios industriales y de laboratorio mediante la implementación de materias primas inocuas, diseño de procesos que no usen ni produzcan sustancias peligrosas, así como el uso eficiente de energía y recursos. Uno de los puntos abordados por esta filosofía de diseño y producción es el uso de catalizadores para hacer más eficientes los procesos de reacción.

Un catalizador es una sustancia que aumenta la velocidad de una reacción, si bien esta sustancia no es ni consumida ni generada por ella. En otras palabras, los catalizadores son compuestos que, al ser agregados a una reacción química, hacen que esta suceda de manera más veloz; aunque estos no participen en ella. La manera en la que estas sustancias hacen esto posible es mediante la disminución de la energía de activación de la reacción; es decir, la energía que es necesaria para que la reacción suceda (American Chemical Society, 2024). Algunos ejemplos de catalizadores son óxidos metálicos como la alúmina y el dióxido de silicio, y metales nobles como el platino, paladio y osmio.

Varias geometrías y materiales de catalizadores sólidos

Entonces, un biocatalizador es una sustancia de este tipo, pero de origen biológico. En los organismos vivientes, las enzimas actúan como catalizadores de diversos procesos; tales como, el metabolismo, la degradación natural de sustancias como el alcohol etílico en nuestros cuerpos, la replicación del ADN en las células, entre otras. La mayor parte de las enzimas están compuestas por proteínas, las cuales se juntan en cierta configuración geométrica para generar sitios activos para que los reactivos se unan a estos. Una vez que esto sucede, el reactivo pasa a un estado de transición; el cual necesita de menor energía para llevar a cabo la reacción deseada (Robinson, 2015).

Diagrama de funcionamiento de una enzima

En la actualidad, los biocatalizadores se han empleado en distintas industrias. Por ejemplo, en el sector energético se ha desarrollado un proceso de producción de biodiesel mediante la transesterificación de los triglicéridos (esto es, descomponer los triglicéridos en glicerina y ésteres de ácidos grasos) con alcohol y una enzima lipasa (“que rompe las grasas”, etimológicamente), la cual es extraída de hongos y levaduras. De esta manera, se aumenta la selectividad a bajas temperaturas de la reacción de producción de los ésteres de ácidos grasos, los cuales son los componentes del biodiesel (de Regil & Sandoval, 2013). Normalmente, se necesita que la reacción se lleve a cabo a altas para que la selectividad favorezca la producción de biodiesel, y no la de jabón u otros ésteres.

Biodiesel en un matraz

Otro ejemplo es la producción de compuestos en la industria alimentaria. Para la producción de oligosacáridos, moléculas prebióticas que ayudan a la digestión al promover el crecimiento de bacterias benéficas en el intestino, se han empleado procesos con enzimas. Notablemente, se ha usado la enzima bacteriana β-Galactosidasa para producir Galacto-oligosacáridos a partir de la lactosa. La importancia de este producto recae en que se ha encontrado que este compuesto ayuda en la absorción de minerales al cuerpo, la producción de vitaminas de complejo B, y la reducción del colesterol y los niveles de lípidos (de Regil & Sandoval, 2013).

No obstante, la implementación a gran escala de los biocatalizadores ha tenido retos significativos. Las dificultades principales son que las enzimas no están hechas para soportar las condiciones habituales que se tienen en los procesos químicos industriales. Es decir, son sensibles a las altas temperaturas y presiones, a niveles de pH no-neutros, a muchos solventes químicos, e incluso al mezclado brusco. Esto se debe a que están diseñadas para funcionar en ambientes moderados, como los que existen al interior de las células de los organismos; por lo tanto, el estar expuestas a condiciones fuera de ese rango de operación hace que las proteínas que componen a las enzimas se desnaturalicen, lo que a su vez causa que los sitios activos se destruyan (Pacific Northwest National Laboratory, 2021).

En conclusión, los biocatalizadores son sustancias de origen biológico que ayudan a que las reacciones ocurran de manera más ágil. Estos compuestos tienen diversos usos en la industria; sin embargo, la implementación de este tipo de catalizadores a niveles generalizados tiene dificultades relacionadas a la estabilidad de estas moléculas en las condiciones de operación típicas de la industria.

Referencias:

American Chemical Society. (2024). 12 Principles of Green Chemistry. Retrieved from ACS: https://www.acs.org/greenchemistry/principles/12-principles-of-green-chemistry.html

de Regil, R., & Sandoval, G. (2013). Biocatalysis for Biobased Chemicals. Biomolecules, 812-847.

Encylopaedia Britannica. (2024). Enzyme - Biochemistry. Retrieved from Encyclopaedia Britannica: https://www.britannica.com/science/enzyme

Pacific Northwest National Laboratory. (2021). Biocatalysis. Retrieved from Pacific Northwest National Laboratory: https://www.pnnl.gov/explainer-articles/biocatalysis

Robinson, P. (2015). Enzymes: principles and biotechnological applications. Essays Biochem, 1-41.