Biocataliza  – cataliza naturala Biocataliza reprezinta utilizarea catalizatorilor naturali precum  enzime,  pentru  a  face  posibile  transformări ale diferitilor  compusi  organici.  În   cadrul   procesului  de biocataliză pot participa atât enzime sintetizate artificial cât si enzime rezidente în celule vii care au fost izolate.Scurt istoricReacţiile enzimatice au fost folosite din timpurile cele mai vechi pentru fabricarea vinului, a oţetului, a berii şi a brânzei. O ce r ce t a r e   s i s t ema t i c ă   a l o r a f o s t î n t r ep r i n să   ab i a î n epoca modernă. În 1713, Réaumur a observat dizolvarea cărnii în sucul stomacal al ciorii. De asemenea, fiziologul Spallanzani(1783) a hrănit animalele cu bucăţi de carne învelite în reţele de sârmă şi a observat dizolvarea cărnii în stomac.Lavo i s i e r ( 1789 ) a f ă cu t un b i l an ţ de ma t e r i a l e a l f e rmen t a ţ i e i , a r ă t ând că ox igenu l , h id rogenu l ş i c a rbonu l d in zahăr se regăsesc în alcoolul şi bioxidul de carbon ce iau naştere.O con t r i bu t i e impor t an t ă î n s t ud iu l f e rmen t a t i e i a l coo l i c e au avu t -o Cagna rd -La tou r (1838 ) , Kützing (1838) si Liebig (1839).Buchner (1897) a izolat din drojdia de bere un suc independent de celulă capabil sa provoace fermentaţie, pe care el a numit-ozimază si care mai târziu s-a dovedit a fi un amestec de mai multe enzime.În cursul secolului al XIX-lea, au fost preparate mai multe extracte de enzime. Kirchoff si Dubrunfaut au descoperit că extractul apos de malt  din orez transformă amidonul într-un zahăr solubil numit maltoză. Din acest extract, Payen şi Persoz (1833) au izolat prin precipitare cu etanol, prima enzimă,amilaza, sub forma unui material solid alb, amorf, capabil să solubilizeze o c an t i t a t e de amidon de 2000 de o r i ma i ma re decâ t p rop r i a s a g r eu t a t e . Ma i t â r z iu s - a f a cu t hidroliza  amigdalinei cu extract de amigdale amare, iar Wohler si Leibig au izolat emulsina. Aurmat decoperirea pepsinei, tripsinei, lipazei , invertazei si ureeazei.Un moment istoric deosebit de important este recunoaşterea clară, de către Berzelius, în1835 , a c a r ac t e ru lu i c a t a l i t i c a l r e ac ţ i i l o r enz ima t i c e , p r ecum ş i a r o lu lu i v i t a l a l a ce s to r a î n organismele vii.

Reac tii  de  biocatalizaÎn urma aplicării biocatalizei în industrie, s-a doveditfaptul că aceasta este cu mult superioară catalizei normale si mult mai  avantajoasă.Avantaje aduse de biocataliză:- nu se obtin deseuri care sa polueze mediul înconjurător;- reactiile decurg cu randament aproape de 100%;- r e ac t i i l e s e f a c î n t r -o s i ngu ră e t apă ev i t ându - se a s t f e l consumul prea mare de energie;- selectivitate (stereo si regio) ridicată;- nu se folosesc substante periculoase;Câteva dintre reactiile de biocataliză care se aplică pe scară largă în industrie sunt prezentate în cele ce urmează:1 . O b t i n e r e a c a t e c o l u l u i :Microorganismele modificate genetic au fost utilizate de Draths şi Frost(1998) pentru a sintetiza unul dintre cei mai importanţi compuşi chimici, catecolul, din glucoză.Această  metodă  este  aplicată  astazi  lascara industriala si s-a dovedit a fi foarte avantajoasă. Cel mai important aspect alacestei metode este acela că s-au utilizat camaterii prime materiale regenerabile.Metoda clasică  implică utilizarea benzenului, obţinut din petrol o surse neregenerabila, în 4 etape:

2.  Obtinerea acidului adipic:Acidul adipic este un produs foarte important în industrie fiind utilizat pentru a obtine nailon-6. Toate fabricile producătoare de acidadipic au adoptat măsuri cu privire la reducerea emisiilor de protoxidde azot care rezultă din metoda clasică ce implică utilizarea acidului azotic.  O soluţie “verde” şi durabilă a acestei sinteze a fost identificatăde Frost. Procesul introdus de acesta implică sinteza acidului adipic din glucoză prin catecolutilizând biocatalizatorul Escherichia coli modificat genetic: 3 .  H id rox i l a r ea c i c l u r i l o r a roma t i ce s i ox ida rea ca t ene lo r l a t e r a l e :Kirner (1995) a realizat hidroxilarea microbiană a ciclurilor aromatice şi oxidarea lanţurilor  legate de acestea pentru compuşii heteroaromatici:O astfel de selectivitate este dificil de realizat într-o singură etapă prin metodele de sintezătradiţionale. Exemplul arată faptul că pe lângă atingerea selectivităţii, biocataliza poate fi implicatăşi în etape cum ar fi protejarea, deprotejarea sau activarea anumitor grupări şi ca urmare creşteeficienţa utilizării atomilor, reduce deşeurile şi conduce la scăderea necesarului de energie.

4 . S in t eza ac idu lu i 6 - aminopen i c i l an i c (Pen i c i l i na G) :Metoda clasică se realizează cu protejarea grupării carboxilice şi reprezintă un proces în patru etape. Prin metodaenzimatică se realizează transformarea într-o singur etapă:5 .   R e a c t i i B a y e r - V i l l a g e r : Ingineria genetică reprezintă o alternativă utilizată în industrie. Astfel, Stewart a utilizat drojdia lui Baker modificată genetic în reacţii Bayer-Villiger:Reactia implică transformarea cetonei într-o lactonă, iar în mod obisnuit se utilizează  acidul m-cloroperoxibenzoic (m-CPB). Cum această substanţă este sensibilă la şocuri şi explozibilă estemult mai avantajoasă si mai sigură metoda biocatalitică.Acesta este un exemplu clasic în care biocataliza transformă o reacţie obişnuită într-o reacţiecompatibilă cu mediul. Drojdia, un organism sigur şi nepatogen, realizează oxidarea cetonei utilizând oxigenul atmosferic într-o reactie în care apa reprezintă singurul produs secundar obţinut.

Enzimele prezintă însa şi dezavantaje. Incompatibilitatea şi instabilitatea acestora limiteazăutilizarea lor industrială. S-au făcut însă numeroase cercetări pentru a se găsi noi metode care săelimine aceste dezavantaje.  Altus Biologics (1997) a descoperitcristale de enzime reticulate(CER)pentru creşterea elasticităţii enzimelor utilizate în reacţii ale compuşilor organici. Cristalelede enzime reticulate sunt foarte stabile în condiţii extreme de temperatură şi pH şi la expunerea lasolvenţi apoşi şi solvenţi organici.

6 .     S i n t e z a a n t i b i o t i c u l u i cefalexinAceas t ă r e ac t i e a f o s t pos ib i l ă p r i n u t i l i z a r ea c r i s t a l e l o r de  enzime reticulate.

7. Fermentatia alcoolică

Un alt exemplu al unei reacţii biocatalitice îl constituie fermentatia glucozei la etanol în prezenţa drojdiei Saccharomyces obţinută prin recombinare genetică:

8. Biocataliza aplicată materialelor celulozice

Ce rce t ă r i l e e f ec tua t e l a s ca r ă de l abo ra to r au a r ă t a t f ap tu l c ă a c idu l l evu l i n i c poa t e f i transformat în metil-tetrahidrofuran– un d i l uan t pen t ru combustibilii auto.De asemenea poate fi transformat înacidul δ-aminolevulinic

(DALA) care este un ierbicid cu spectru larg important deoarece este 100% biodegradabil.Recent s-a stabilit că DALA este util şi ca insecticid şi caun component în terapia fotodinamică utilizată în tratareacance ru lu i . As t f e l , d i n a c idu l l evu l i n i c s e ob t i ne DALA (sub formă de sare) cu puritate mai mare de 90%.Acidul difenolice s t e un ma te r i a l cu ap l i c a r e pe s ca r ă l a rgă î n producţia de polimeri. Se obţine uşor prin reacţia dintreacidul levulinic si doi moli de fenol. Acidul difenolic poate fi folosit ca înlocuitor de bisfenol A deoarece este mai putin toxic decât acesta. Acidul succinic este recunoscut ca fiind materie primăîntr-un număr mare de procese biotehnologice pentru obţinereade substanţe cu masă moleculară mare cum ar fi 1,4-butandiolul (BDO), tetrahidrofuranul, γ-butirlactona şi N-metil pirolidona.S-au făcut numeroase încercări pentru a aplica procesul de fermentaţie în scopul obţinerii aciduluisuccinic din resurse regenerabile, dar nici una dintre acestea încercări nu au putut fi aplicate la scară industrială. Pentru a obţine acid succinic la nivel industrial se aplică un proces care decurgeîn prezenţa bacterieiEscherichia coli: 

În acest proces glucoza este supusă unui proces de fermentaţie în urma căruia se obţineintermediarul succinat de sodiu. Sarea este transformată în acidul succinic şi o bază printr-unproces deelectrodializă î n s copu l d i soc i e r i i sub ac ţ i unea ape i u rma t de r e c i c l a r ea baze i ş i reintroducerea acesteia în etapa de fermentaţie. Producţia de BDO pe baza bioderivaţilor aciduluisuccinic s-a realizat cu costuri reduse în comparaţie cu metodele clasice de obţinere a acestui compus.ConcluziiÎn ultimii ani industria a pus unaccen t ma i ma re de t ehno log i i l e cu ra t eca r e î n a ce l a ş i t imp sa f i e ş i p ro f i t ab i l e . Impactul tehnologiilor verzi va fi resimţitca urmare a îmbunătăţirii treptate a unuinumăr din ce în ce mai mare de procese.Cataliza  este  o  componentă  cheie  aproceselor de  obţinere  a  substanţelor chimice  cu  economie  de  atomi  şi  cucantităţi reduse de deşeuri. Materiile primeregenerabile vor juca un rol important înp roce se l e t ehno log i ce de v i i t o r . B iop rocesa r ea r ep rez in t ă un p r im exemplu a l un iun i i d in t r e cataliză şi materii prime regenerabile şi ar putea da un impuls pentru dezvoltarea unei game multmai largi de procese nebiologice pentru transformarea biomasei.

  Bibliografie1. Afonso, C.A.M., Crespo, J.G., Green Separation Processes, Ed. Wiley-VCH2. Altus Biologics, Inc., The Presidential Green Chemistry Challenge Awards program, summary of 1997 awardentries and recipients, EPA 744-S-97-001, U.S. Environmental Protection Agency, Office of pollution Prevention andToxics, Washington, DC, 1997, pg. 13.3.Clark, J., Macquarrie, D., Handbook of Green Chemistry and Technology, Ed.  BlackwellScience Ltd.,2002, p.10-27.4. Dell, R.M., Rand, D.A.J, Clean Energy, The Royal Society of Chemistry, 2004.5. Draths K.M., Frost J.W., capitolul 9 în Anastas P.T., Williamson T.C., ed., Green Chemistry: Frontiers in BenignChemical Synthesis and Processes, Oxford University, Press, New York, 1998.6. Jowsey, E., “A new basis for assessing the sustainability of natural resources”. Energy, 2007, 32, pg. 906-911.7., Resources Research Unit, SheffieldHallam University, Sheffield, 1999.8. Kirner A., Chem. Tech., 1995, pg. 31-35.9. *** www.wikipedia.org