Exploración de un material biocompuesto para la inmovilización de enzimas : diseño, caracterización y evaluación preliminar de su aplicación en procesos industriales
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Resumen
La catálisis enzimática es una herramienta eficiente y ambientalmente favorable en procesos industriales, aunque su aplicación a gran escala se ve limitada por la estabilidad y reutilización de las enzimas. La inmovilización ofrece una solución al facilitar su recuperación y uso repetido; sin embargo, aún existe un vacío en la literatura respecto a evaluaciones que integren simultáneamente aspectos técnicos, económicos y ambientales. Este trabajo responde a este vacío mediante el diseñó un material espumado de base bioepoxi para la inmovilización de enzimas cuya viabilidad técnica, económica y ambiental fue evaluada. Se inmovilizaron cinco enzimas en el nuevo soporte, alcanzando recuperaciones de actividad superiores al 80%, con evidencias de activación y mejoras en la estabilidad frente a pH y temperatura. Los análisis FTIR confirmaron una inmovilización covalente reforzada por interacciones débiles, mientras que las micrografías SEM revelaron estructuras macroporosas (0,10–0,40 mm²) y mayor rugosidad superficial. La resistencia mecánica se evaluó mediante distribuciones de probabilidad, observándose que alrededor del 5% de los biocatalizadores podrían fracturarse bajo cargas entre 600 y 1000 N.
La viabilidad económica se evaluó mediante simulación con SuperPro Designer, y el impacto ambiental mediante Análisis de Ciclo de Vida conforme a la norma ISO 14040 en SimaPro, utilizando los métodos ReCiPe Midpoint (H) – ReCiPe Endpoint (H) y la base de datos Ecoinvent v3.2. Un nuevo indicador, el mínimo número de reciclos, reveló que se necesitan más de 300 ciclos para la viabilidad, aunque la escala y la carga enzimática podrían reducirlo a 20–30. El impacto ambiental se asoció principalmente a los componentes epoxi. En el proceso de hidrólisis de proteína de arroz, la enzima inmovilizada resultó ligeramente más costosa y con mayor impacto ambiental, pero con mejoras en el desempeño catalítico podría superar a la enzima libre (Texto tomado de la fuente).
Abstract
Enzymatic catalysis is an efficient and environmentally friendly tool in industrial processes, yet large-scale application remains limited by issues of stability and reuse. Immobilization offers a solution by enabling recovery and repeated use; however, there is still a gap in the literature regarding evaluations that jointly address technical, economic, and environmental aspects. This work addresses this gap by designing a foamed bioepoxy-based material for enzyme immobilization, whose technical, economic, and environmental feasibility was comprehensively evaluated. Five enzymes were immobilized on the novel support, achieving activity recoveries above 80%, with evidence of activation effects in some cases and improvements in pH and thermal stability in others. FTIR analyses confirmed successful covalent immobilization reinforced by weak interactions, with the possibility of multipoint attachment. SEM micrographs revealed macroporous structures (0.10–0.40 mm²) and enhanced surface roughness derived from the material modification during its design. Mechanical resistance was assessed through probability distributions, showing that approximately 5% of the biocatalysts could fracture under loads between 600 and 1000 N.
The economic viability of the system was assessed using a computer simulation with SuperPro Designer, while the environmental impact was assessed using Life Cycle Assessment in accordance with ISO 14040 in SimaPro, employing the ReCiPe Midpoint (H) – ReCiPe Endpoint methods and the Ecoinvent v3.2 database. A new indicator, the minimum number of recycles, revealed that more than 300 cycles are required for feasibility, although increasing scale and enzyme loading could reduce this to 20–30. Environmental impact was mainly associated with epoxy components. In the rice protein hydrolysis process, the immobilized enzyme proved slightly more costly and with greater environmental impact, but improvements in catalytic performance could make it more competitive.
Descripción
graficas, ilustraciones, tablas