Gli sono sostanze essenziali ai processi biologici di tutti gli esseri viventi, in cui svolgono la funzione di catalizzatori di reazioni spesso complesse che fanno avvenire con velocità sorprendente, specie se si pensa alle miti condizioni (temperatura ambiente, soluzione acquosa, pH prossimo alla neutralità) in cui in genere avvengono. Utilizzati dall’uomo fin dall’antichità per produrre birra e formaggi, hanno struttura proteica, cioè sono costituiti da α-amminoacidi polimeri, e hanno un comportamento che ricorda quello dei catalizzatori eterogenei. Infatti l’attività catalitica è localizzata solo in alcuni punti della macromolecola e la struttura proteica fa sì che ai siti attivi si possano avvicinare solo alcuni tipi di composti e con un determinato orientamento. La loro specificità arriva a distinguere al livello di isomeri ottici, così tra le applicazioni industriali sono molto diffuse quelle che permettono di produrre per via enzimatica sostanze , difficilmente ottenibili con i metodi tradizionali. In Tab. 11.4 sono raccolte alcune tra le più significative applicazioni industriali. enzimi chirali Enzimi Enzima Applicazione Amilasi Idrolisi dell’amido, fabbricazione della birra Rennina (caglio) Industria casearia Invertasi Produzione di zucchero invertito Penicillinacilasi Produzione di acido 6-amminopenicillanico (intermedio di penicilline e cefalosporine semisintetiche) Glucosioisomerasi Produzione di fruttosio da glucosio Amminoacilasi Produzione di amminoacidi della serie L (naturale) da racemi (sintetici) : Alcuni esempi di applicazioni industriali della catalisi enzimatica. Tab. 11.4 Anche i , in cui si ha lo sviluppo di microrganismi, possono rientrare nei processi catalitici. Infatti la crescita dei microrganismi per sdoppiamento cellulare da un punto di vista cinetico è una reazione , cioè una reazione in cui il prodotto catalizza la reazione. processi di fermentazione autocatalitica Infatti, considerando il processo di crescita una trasformazione di substrato nutriente in cellule, secondo la reazione: da cui è evidente, per il particolare meccanismo di “reazione”, come la velocità di crescita dipenda dal numero di cellule presenti e come sia impossibile la crescita in assenza di cellule iniziali. Quindi l’equazione cinetica potrà essere del tipo: Una difficoltà insita nella catalisi omogenea è quella della separazione del catalizzatore dai prodotti e del suo recupero. Con lo sviluppo delle biotecnologie questo problema è diventato particolarmente sentito e ha sollecitato la ricerca di tecniche di . Cellulosa, amidi, destrine, matrici polimeriche di vario tipo, ecc. vengono utilizzate come supporto per enzimi, cellule o altri catalizzatori. Tra questi supporti e i componenti attivi devono instaurarsi dei legami piuttosto forti, tali da resistere al dilavamento operato dal mezzo di reazione, decisamente più forte in fase liquida che in fase gassosa. Non sempre il problema è di facile soluzione, spesso il catalizzatore eterogeneizzato risulta meno attivo o la sua attività decade rapidamente nel tempo. Con le cellule, che per le loro dimensioni presentano meno problemi, si utilizzano già fermentatori a biomassa adesa o con cellule intrappolate in matrici polimeriche altamente porose. eterogeneizzazione dei catalizzatori omogenei Reazioni autocatalitiche