El concepto de desarrollo sostenible se ha convertido en el foco tanto del mundo industrial como de la sociedad. La producción de compuestos químicos y su aplicación, ya sea a escala industrial o a pequeña escala en los laboratorios de investigación del ámbito académico, ha estado sufriendo un cambio de paradigma en el siglo 21, teniendo la “sostenibilidad” como fuerza motriz. Una de las formas de alcanzar este tan anhelado objetivo es implementar los preceptos de la Química Verde como herramienta rutinaria de trabajo, que aboga, entre otras cosas, por el uso de catalizadores en detrimento de reactivos estequiométricos.
El uso de tecnologías catalíticas aumenta la ecoeficiencia de productos y procesos optimizando el uso de recursos y minimizando la generación de residuos y el impacto ambiental. Una de las opciones de tecnologías catalíticas disponibles actualmente es la Biocatálisis, que utiliza enzimas para catalizar reacciones químicas. En comparación con otros tipos de catalizadores como los metales de transición y compuestos organometálicos, las enzimas presentan grandes ventajas:
- Son muy eficientes y por lo tanto pueden ser utilizadas en concentraciones tan bajas como 10-3-10-4 mol % mientras que los procesos catalíticos mediados por metales requieren alrededor de 0,1-1 mol % de catalizador;
- Son altamente selectivas: quimio-, regio-, diastereo- y enantioselectivas;
- Son ambientalmente aceptables debido a su total biodegradabilidad;
- Las enzimas actúan bajo condiciones suaves de reacción con pH’s variando en la mayoría de los casos entre 5-8 y temperaturas entre 20-40 °C lo que minimiza problemas con reacciones laterales no deseadas;
- Posibilidad de reacciones en cascada en un solo recipiente ya que las enzimas generalmente funcionan bajo condiciones reaccionales similares;
- Las enzimas no están restringidas a sus sustratos naturales y pueden catalizar una amplia gama de reacciones. Hay equivalentes enzimáticos para casi todas las reacciones orgánicas conocidas como por ejemplo: hidrólisis o síntesis de ésteres, amidas, lactonas, lactamas, éteres, anhídridos de ácidos, epóxidos y nitrilos; oxidación de alcanos, alcoholes, aldehídos, sulfuros, sulfóxidos; epoxidación de alcenos, compuestos aromáticos, hidroxilación y dihidroxilación, oxidación de Baeyer-Villiger de cetonas, reducción de aldehídos / cetonas, alcenos, amonización reductora; adición-eliminación de agua, de amoníaco, del cianuro de hidrógeno; halogenación y deshalogenación, alquilación de Friedel-Crafts, desalkilación, carboxilación, descarboxilación, isomerización, reacciones aldol. Incluso las adiciones de Michael, reacción de Stetter, Nef y de Diels-Alder tienen sus versiones enzimáticas.
En una reacción biocatalítica, las enzimas pueden ser utilizadas en forma aislada, como un extracto enzimático crudo o incluso las propias células microbianas o vegetales que contienen un enorme maquinaria enzimática a nuestra disposición. También podemos pensar en diversas alternativas para mejorar el rendimiento y la estabilidad de las enzimas y/o del proceso como por ejemplo el uso de métodos de inmovilización que permitan el reuso de los biocatalizadores, sustitución del medio acuoso por medios no convencionales como líquidos iónicos, fluidos supercríticos, sistemas multifásicos, uso de herramientas de biología molecular para crear enzimas más adecuadas a la reacción o proceso en cuestión, entre otros.
Las reacciones de Biocatálisis han sido utilizadas con éxito en diversas áreas de la química y son hoy una realidad en las líneas de producción de industrias multinacionales, de mediano y pequeño porte para la síntesis orgánica de compuestos de interés farmacéutico como el agente quimioterapéutico Taxol®, producción de commodities químicos como acrilamida, en la industria textil en las etapas de eliminación de pelos de las fibras, desencolado y lavado de jeans, en la industria de papel de celulosa durante el blanqueo de la pulpa, en el agronegocio, en medicina, en la industria minera, en las industrias de alimentos y cosméticos con la producción de aromas, etc. Todo esto sin mencionar las aplicaciones relacionadas con la biorremediación y biodegradación de contaminantes tóxicos.
En fin, la Biocatálisis es una alternativa atractiva, factible y que ha sido adoptada por industrias de diferentes sectores que buscan no solo minimizar la producción de residuos generados, optimizar sus procesos haciéndolos más eficientes y/o menos dañinos para el medio ambiente, sino también ofrecer a sus consumidores productos de calidad y con mayor valor agregado debido a la producción sostenible del mismo. Después de todo, ser o no sostenible depende de nuestras elecciones diarias.
Cíntia Milagre es investigadora en la UNESP, en el Departamento de Bioquímica y Microbiología. Hizo su doctorado y posdoctorado en Unicamp en biocatálisis, y en 2011 estudió en la Delft University of Technology, en su segundo posdoctorado.
Referencias:
Meyer, H-P; Eichhorn, E.; Hanlon, S.; Lutz, S.; Schurmann, M.; Wohlgemuth, R.; Coppolechia, R. Catal. Sci. Technol. 2013, 3, 29.
Sheldon, R. A. Green Chemistry 2012, 41, 1437.
Bornscheuer, U. T.; Huisman, G. W.; Kazlauskas, R. J.; Lutz, S.; More, J. C.;
Robins, K. Nature 2012, 485, 185.
