Biosilicificación de enzimas: caracterización, optimización y aplicaciones en procesos de valorización de la biomasa y bioelectrocatálisis

Abstract

El paulatino reconocimiento de la catálisis enzimática como una alternativa eficiente, económica y respetuosa con el medio ambiente, ha puesto de manifiesto una amplia gama de aplicaciones en biocatálisis. En primer lugar, el desarrollo de procedimientos alternativos para la valorización de la biomasa utilizando enzimas ha sido optimizado con excelentes resultados en multitud de estudios, no solo considerando el rendimiento de formación del producto sino también la selectividad en la producción de los mismos. Por otro lado, la creciente demanda de estas moléculas biológicas en el desarrollo de biosensores, pilas y otros dispositivos, ha visto incrementada su demanda en multitud de campos antes exclusivos de la Química Inorgánica. La sustitución de los catalizadores tradicionales por moléculas biológicas catalíticamente activas ha contado desde su inicio con dos desventajas principalmente: el alto costo inherente a los biocatalizadores y la baja estabilidad de estos en el medio de reacción (térmica y a los disolventes), que evitaban su reutilización a diferencia de los catalizadores inorgánicos/orgánicos convencionales. En la actualidad, estos inconvenientes pueden ser solventados mediante el uso de protocolos de inmovilización enzimática, ofreciendo magníficos rendimientos en diferentes reacciones tanto en medio acuoso como orgánico. En la presente tesis doctoral, se han desarrollado investigaciones relacionadas con el estudio de un novedoso protocolo de inmovilización de enzimas (denominado biosilicificación) aplicado a dos tipos de enzimas (lipasas y lacasas). Los biomateriales fueron optimizados y caracterizados, para finalmente ser empleados en dos aplicaciones diferentes. En el caso de las lipasas, se propuso la optimización de su uso en la reacción de esterificación del ácido valérico mediante diferentes métodos (ultrasonidos, calentamiento, convencional y microondas) para la obtención de los ésteres derivados de este ácido, considerados como productos de alto valor añadido en sectores industriales tan competitivos como el sector farmacéutico, alimentario y cosmético. Las investigaciones realizadas mostraron la posibilidad de obtener unos rendimientos muy elevados a tiempos de reacción cortos y en condiciones relativamente suaves. Además, el reúso del catalizador fue posible en algunas condiciones, estableciendo la posibilidad de un potencial escalado del proceso a nivel industrial. Por otro lado, el uso de lacasas se ha orientado hacia su aplicación en componentes electrocatalíticos, aprovechando el potencial eléctrico natural de las lacasas para satisfacer las posibles necesidades energéticas, médicas y de otros sectores de interés hasta ahora inexplorados por la catálisis enzimática. El presente trabajo se encuentra desarrollado como compendio de artículos científicos, y se distribuye en seis apartados principales: una breve introducción, tres artículos publicados, conclusiones generales y listado de otras publicaciones derivadas del trabajo desarrollado durante la presente tesis doctoral. Para la presentación de los artículos se han establecido tres apartados previos a la publicación derivada en cada caso, donde se recogen las hipótesis, el objetivo del estudio y un breve resumen previo. Finalmente, las distintas técnicas experimentales empleadas en la presente memoria de tesis doctoral están desarrolladas en el Anexo I de este documento.

Gradual acceptance of enzyme biocatalysis as an alternative efficient, economical and environmentally friendly approach, has revealed a wide range of applications for biocatalysts. The development of alternative procedures in biomass valorisation by enzymes has been optimized in many studies with excellent results, not only in terms of product formation but also in terms of the reactions selectivity. On the other hand, the use of these biological molecules in the design of biosensors, batteries and other devices has increased their demand in a multitude of fields previously exclusive to organic chemistry. Replacement of traditional catalysts by biological catalytic molecules mainly has two disadvantages: the high inherent cost of biocatalysts and their poor stability in the reaction medium, which prevented their reuse, unlike conventional organic/inorganic catalysts. These drawbacks were solved through enzymatic immobilization protocols exhibiting promising yields in different reactions as well as in aqueous as in organic media. In the present work, research studies have been aimed to study in detail a novel immobilisation protocol (denoted as biosilicification) based on two types of enzymes (lipases and laccases). Biocatalysts were synthesized and extensively characterised in view of their application in two different processes. In the case of lipases, these were employed as biocatalysts in the esterification reaction of valeric acid under different reaction conditions (ultrasound, heating, conventional and microwave) to synthesize esters derived from this acid, considered as high added value products in industrial sectors as competitive as the pharmaceutical, food and cosmetic sector. Biosilicified lipases exhibited very high yields to products in short reaction times and relatively mild conditions. In addition, the reuse of the catalyst was possible in some conditions which provided the possibility of potentially scaling up the process to industrial premises. Comparably, studies using biosilicified laccases was directed towards their applications in electrocatalytic components combining the natural electrical potential of laccases to satisfy energy, medical needs and other sectors of interest, largely unexplored by enzymatic catalysis. The present work is divided into six sections composed of: a brief introduction, published articles, general conclusions and other works, which have been derived from the same project. The articles are organised in three different chapters, where the hypotheses, the objective of the study and the subsequent derived publication are collected, in each case. Finally, the different experimental techniques used in this doctoral thesis report have been included in Annex I of this document.