Biokatalyse – Ist die Zeit für den Einsatz bio-basierter Prozesse endlich gekommen?

Biokatalyse – die Verwendung von Enzymen zur Katalyse einer chemischen Reaktion – ist zu einem wissenschaftlichen Schlagwort geworden. Um es klar zu sagen, ein Biokatalysator kann ein oder mehrere Enzyme oder Zellen sein – lebende, ruhende oder tote – und die Reaktion kann eine einzelne chemische Reaktion oder eine Reihe von Reaktionen sein. Die Biokatalyse umfasst somit die enzymatische Einstufenproduktion von Asparaginsäure (eine Komponente des kalorienfreien Süßstoffs Aspartam), die zweistufige Oxidation von Ethanol zu Essigsäure (auf diese Weise kann Essig hergestellt werden, und wenn es so ist) genannt wird, und das mehrstufige Brauen von Bier (wahrscheinlich das älteste Beispiel für Biokatalyse, mit historischen Aufzeichnungen, die 6000 Jahre zurückliegen!). Befürworter sagen Biokatalyse ist grün und nachhaltig. Kritiker werden Ihnen sagen, dass es oft teuer ist und einen Entwicklungszeitplan erfordert, der zu lang ist, um die Anforderungen der realen industriellen Fertigung zu erfüllen. Was ist die Realität? Zu Beginn ist es wichtig, darauf hinzuweisen, dass Biokatalyse kein Allheilmittel ist und niemals sein wird, und ich sage dies als Evangelist für die Biokatalyse. Es gibt sowohl Vor- als auch Nachteile für den Einsatz der Biokatalyse im Vergleich zur traditionelleren chemischen Katalyse. Ein Biokatalysator macht als Katalysator, was jeder Katalysator kann: Er erhöht die Geschwindigkeit, mit der eine chemische Reaktion stattfindet, beeinflusst aber nicht die Thermodynamik der Reaktion. Um die Vorteile der Biokatalyse voll ausschöpfen zu können, müssen wir verstehen, was Biokatalysatoren gut machen und was sie schlecht machen, und danach streben, Biokatalysatoren in Prozessen einzusetzen, die von ihren Vorteilen profitieren.

Einer der wichtigsten Vorteile von Biokatalysatoren ist die hohe Selektivität, die sich in Stereo-Selektivität manifestiert (für die chirale Synthese oder Trennung, oft für die Synthese von pharmazeutischen Zwischenprodukten, in denen nur ein Stereoisomer besitzt die gewünschte biologische Aktivität), Positionsselektivität (auch als Regioselektivität bekannt, die eine selektive Modifizierung einer spezifischen Stelle in einem Molekül erlaubt) und funktionelle Gruppenselektivität (dh Chemoselektivität, die eine Art von chemischer funktioneller Gruppe zulässt) modifiziert in Gegenwart einer anderen, manchmal reaktiveren funktionellen Gruppe). Eine solche Selektivität ist in der chemischen Synthese sehr wünschenswert, da sie Vorteile wie höhere Ausbeuten, weniger Nebenreaktionen, Eliminierung von Schutz- und Entschützungsschritten, reinere Produkte, leichtere Rückgewinnung und Trennung bietet und reduzierte Umweltverschmutzung. Es gibt auch betriebliche Vorteile, einschließlich der Fähigkeit, Reaktionen unter milden Betriebsbedingungen durchzuführen, wobei extreme pH-, Temperatur- und Druckextreme vermieden werden, die oft die Verwendung von teurer Ausrüstung oder energieintensiver Verarbeitung erfordern. Biokatalytische Prozesse basieren auch auf Katalysatoren, die biologisch abbaubar sind und aus erneuerbaren Ressourcen hergestellt werden, was bedeutet, dass die Prozesse typischerweise “grüner” und nachhaltiger sind. Da es für die meisten bekannten chemischen Reaktionen ein enzymatisches Gegenstück gibt, ist der mögliche Anwendungsbereich für die Biokatalyse breit. Praktisch gesehen ist diese Breite in der chemischen Industrie jedoch nicht erreicht worden. Ich schätze, dass derzeit weit über 100 verschiedene biokatalytische Prozesse in der Pharma-, Chemie-, Agrar- und Lebensmittelindustrie umgesetzt werden, die auf den ersten Blick erheblich erscheinen. Dies stellt jedoch nur einen kleinen Bruchteil der derzeit entwickelten und durchgeführten Prozesse dar. Enzyme sind noch nicht entwickelt worden, um ein so breites Spektrum chemischer Reaktionen abzudecken wie Chemokatalysatoren. Wissenschaftler aus Universitäten und Unternehmen arbeiten daran, diese Einschränkung zu überwinden, aber es wird Zeit brauchen. Die Geschwindigkeit der Prozessentwicklung ist für biokatalytische Prozesse oft langsamer als für ihre chemischen Gegenstücke, zum Teil aufgrund der fehlenden Erfahrung, die Chemiker bei der Verwendung von Enzymen und mikrobiellen Zellen haben . Moderne biotechnologische Werkzeuge ermöglichen es nun, Enzyme für eine gewünschte Reaktion signifikant zu verbessern, zu optimieren, aber diese Optimierung ist oft zu kostspielig und zeitaufwendig, um enge Zeitpläne einzuhalten; daher bleibt eine breite Anwendung schwer erreichbar. Wir konzentrieren uns jetzt auf diejenigen Reaktionen, bei denen enzymatische Alternativen bereits gut entwickelt sind, unsere Kenntnisse in der Biokatalyse vertiefen und zukünftige Entwicklungen berücksichtigen, die eine breitere Palette praktischer biokatalytischer Alternativen mit sich bringen. Wir können daher mit Bedacht auswählen, wo Ressourcen eingesetzt werden Wert dieser sich schnell entwickelnden Technologie.

David Rozzell unter http://www.bio-catalyst.com eine Website und einen Blog über die neuesten Entwicklungen und Neuigkeiten in den Bereichen Biokraftstoffe, Biokatalyse und industrielle Anwendungen der Biotechnologie. Kontaktieren Sie ihn unter david @ rozzell. com.

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