Biokataliza – potencjalne

zastosowania w przemyśle

chemicznym

Stuart M. Thomas, Robert DiCosimo and Vasantha

Nagarajan

Trends in Biotechnology June 2002

Biotechnol

ogia

• czerwona
• zielona
• biała ( przemysłowa )

Celem białej biotechnologii

jest

ukierunkowanie przemysłu na
zmianę sposobu syntezy
związków
( biokataliza )

Biotransformacja i

biokatalizatory

Biokatalizatory

są to substancje

biologiczne, które inicjują lub

zwiększają szybkość reakcji

chemicznych w żywych

organizmach, koniecznych do

przeżycia bądź reprodukcji.

Biotransformacja

jest to proces

chemiczny zachodzący przy udziale

wolnych enzymów lub zawierających

je tkanek oraz komórek

mikroorganizmów, roślin, zwierząt.

Wady i zalety biokatalizy w

porównaniu do katalizy

konwencjonalnej

•specyficzność
substratowa,

•chemoselektywność,

•regioselektywność,

•enancjoselektywność

•proces biokatalizy
prowadzony jest w
temperaturze i
ciśnieniu zbliżonych do
warunków otoczenia

Zalety

Wady

•wysokie koszty
biokatalizy
( recykling kofaktorów )

•małe objętości
otrzymanego produktu

• powstawanie tylko
jednej formy
enancjomerycznej

• mniejsza ilość
produktów ubocznych

•możliwość
wykorzystania wolnych
lub immobilizowanych
enzymów czy też całych
komórek

•zmniejszenie kosztów
poprzez użycie tanich
źródeł węgla w
pożywkach do wzrostu
mikrobiologicznego

• enzymy łatwo ulegają
inhibicji poprzez
zaostrzenie warunków
reakcji

• enzymy przejawiają
największą aktywność
katalityczną w wodzie

• wiele enzymów
wymaga kofaktorów

Wady

Zalety

Przemysł

chemiczny:

•

uznawany jest za przemysł kluczowy – chemiczne

produkty mają ogromny wpływ na codzienne życie

•

w samych tylko Stanach Zjednoczonych przemysł

chemiczny zarobił w ubiegłym roku 419 milionów

dolarów

•

a na całym świecie zysk z przemysłu chemicznego

przekracza 1,5 tryliona dolarów

•

wytwarzanie produktów chemicznych obecnie

wykorzystuje 7% produkcji energetycznej USA

•

w ciągu ostatnich dekad zwiększyło się wykorzystywanie

biokatalizy w konwersji produktów chemicznych ( np.

przemysł farmaceutyczny – kwas 6 – aminopenicylanowy,

przemysł spożywczy syrop glukozowy i fruktozowy )

Biokonwersja

cykloketonów

Reakcja Baeyera – Villigera

• Jest to reakcja chemiczna polegająca na

utlenieniu cyklicznych ketonów do

cyklicznych estrów czyli laktonów
• W przypadku komercyjnej reakcji

chemicznej wykorzystywane są nadkwasy
• Najczęściej produkowanym laktonem jest

kaprolakton, którego światową produkcję

szacuje się na około milion funtów rocznie

( do produkcji wykorzystuje się kwas

nadoctowy ). Kaprolakton wykorzystywany

jest następnie do produkcji kaprolaktamu
•W systemach biologicznych cykliczne

ketony metabolizowane są w serii reakcji

redoks

• Najczęściej stosowanym enzymem w biokatalizie tych związków jest

monooksygenaza Baeyera-Villigera

• Znajomość przebiegu cyklu metabolicznego cykloketonów pozwoli

na ukierunkowanie syntezy w stronę użytecznych i pożądanych

produktów

• Ostatnio poznano szlak oksydacji cyklodekanonu przez dwa gatunki

Rhodococcus – utlenianie to jest analogiczne jak w przypadku

cykloheksanonu. Odkrycie to pozwoli na produkcję - przykładowo

laktonu laurowego czy kwasu 12 – hydroksydodekanowego- związki

ten nie są dostępne na drodze konwencjonalnej syntezy chemicznej

• Biokataliza na skalę przemysłową prowadzona jest z użyciem

mikroorganizmów w szczególności zrekombinowanego

Acinetobacter

Biotransformacja

węglowodorów

aromatycznych

• Chemiczna oksydacja węglowodorów aromatycznych

ma głównie zastosowanie w produkcji składników

włókien, farb, klejów czy zmiękczaczy

• Zastosowanie biokatalizy zwiększa efektywność

energetyczną procesu, ułatwia oczyszczanie

końcowego produktu otrzymanego z wysoką

specyficznością i selektywnością

• Przykładowo wykorzystanie enzymów specyficznych

w kierunku meta -, orto -, para-ksylenu z którego

powstaję kwas tereftalowy, ułatwi proces

oczyszczania mieszanin poprzez selektywną

hydroksylację - punkty wrzenia składników

mieszaniny będą na tyle różne, że możliwe będzie

zastosowanie standardowej destylacji

Nitryle

• nitryle pochodzenia naturalnego są

syntetyzowane przez rośliny, grzyby i bakterie

• służą nie tylko jako magazyn azotu, ale także

jako czynnik chroniący przed atakiem
drapieżników

• istnieje kilka ścieżek biochemicznej degradacji

nitryli tj. utlenianie i hydroliza

Biokonwersja nitryli

• Enzymatyczna hydroliza nitryli przebiega z udziałem enzymów -

hydratazy nitrylowej i nitrylazy

• Hydrataza katalizuje przekształcenie nitryli do odpowiednich

karboksyamidów (RCONH

2

), podczas gdy nitrylaza

przekształca nitryle w kwasy karboksylowe i amoniak

• Przykładem hydrolizy nitryli jest konwersja akrylonitrylu do

akrylamidu

Enzymatyczna hydroliza

akrylonitrylu

• Firma Mitsubishi Rayon Co produkuje rocznie ok. 20

000 ton akrylamidu z akrylonitrylu wykorzystując
rekombinowane szczepy Rhodococcus rhodochnis J1. Z
1 grama suchej masy komórek produkowane jest
> 7000 g akrylamidu

• tradycyjnie akrylamid otrzymywany jest z

wykorzystaniem katalizatorów miedziowych; w
konwencjonalnej metodzie pojawia się problem izolacji
czystego produktu, konieczność eliminacji metali
ciężkich, wysokie straty wody i wysokie koszty
utrzymywanie wysokiej temperatury i ciśnienia podczas
trwania całego procesu

Otrzymywanie niacyny

• Firma Lonza Guangzhou Fine

Chemicals produkuje rocznie ok.
3400 ton niacyny

• wykorzystuje się immobilizowane

komórki Rhodococcus rhodachrous

• najpierw 2-metylo-1,5-diaminopentan

jest przekształcany do 3-
metylopirydyny, która jest następnie
amonifikowana a rezultatem procesu
jest 3-cyjanopirydyna ostatecznie
hydrolizowana do niacyny

• reakcja ta przebiega ze 100%

konwersją związku oraz powstaje
jedynie ok. 4% produktów ubocznych

Enzymatyczna produkcja 5-

cyjanowaleramidu

(5-CVAM)

•

tradycyjne otrzymywanie 5-CVAM
przebiega z zastosowaniem
katalizatorów w postaci dwutlenku
manganu, jednak proces ten jest
mało wydajny (już przy 25%
konwersji pojawia się produkt
uboczny adipoamid)

•

biotransformacja 5-CVAM
zachodzi z wykorzystaniem
szczepów Pseudomonas
chlororaphis B23. Hydratacja
adiponitrylu (ADN) w ilości 218 kg
daje 13,6 ton produktu, reakcja
przebiega z wydajnością 97%

Enzymatyczna karboksylacja

substratów aromatycznych

• cel - karboksylacja fenolu do kwasu 4-

hydroksybenzoesowego (4-HBA)

• biologiczna karboksylacja fenolu jest bardzo

podobna do chemicznej reakcji Kolbego-
Schmitta( służącej m.in. do produkcji 4-HBA)

• ograniczeniem reakcji Kolbego-Schmitta są

występujące w dużej ilości produkty uboczne

Konwersja glukozy do 1,3-

propanodiolu (3G)

• W botransformacji wykorzystuje się rekombinowane

szczepy E.coli, przeprowadzające na dwóch szlakach
metabolicznych konwersję glukozy: najpierw powstaje
produkt pośredni - glicerol, który przekształcany jest
następnie do 3G

Podsumowanie

Przykłady przez nas przedstawione mogą być w

przyszłości stosowane na szeroką skalę w

biotechnologii. Aby wykorzystanie procesów

biotechnologicznych w przemyśle chemicznym

było ekonomicznie korzystne, muszą się one

cechować:

• mniejszym zużyciem energii

•większym stężeniem produktów

•oraz większą wydajnością katalizatorów

Jedną z wad procesów chemicznych jest

długoterminowa potrzeba wysokiej energii a co za

tym idzie wysokie koszty. Wiele procesów

chemicznych prowadzonych w sposób komercyjny

wymaga do swojego przebiegu wysokiej

temperatury i ciśnienia więc zużycie energii jest

bardzo duże, i prawdopodobnie znacznie wyższe

niż porównywalne biologiczne procesy.

Wiele firm chemicznych przechodzi obecnie

restrukturyzację w celu poprawienia wydajności i

zwiększenia zysków. Niektóre z tych firm obierają

biotechnologię jako potencjalną drogę produkcji.

Odkrycia chemiczne z początku XX wieku

zaowocowały wybuchem „syntetyczno-

polimerowej” rewolucji, która polepszyła jakość

życia ludzi na ziemi i stworzyła dobrze opłacalny
przemysł, teraz to biotechnologia jest gotowa do

wprowadzenia podobnej rewolucji w tym stuleciu.

Dziękujemy za

uwagę