Biokatalyse Biokatalyse – eine nachhaltige und ressourcenschonende Chemie

Autor / Redakteur: Prof. Dr. Andreas Liese / Dipl.-Ing. (FH) Tobias Hüser

Die Biokatalyse verhilft der Chemie zur Nachhaltigkeit. Aber die Königsdisziplin ist die Kopplung von chemischen mit biologischen Schritten. Erst dann können Chemie und Biochemie Synergien nutzen und ihre volle Stärke ausspielen.

Anbieter zum Thema

Trend der Anwendung des biologischen Prinzips „Nutzung von Reaktionssequenzen“ (A. Bruggink, R. Schoevaart, T. Kieboom, Org. Process Res. Dev. 7 (2003) 622-640)
Trend der Anwendung des biologischen Prinzips „Nutzung von Reaktionssequenzen“ (A. Bruggink, R. Schoevaart, T. Kieboom, Org. Process Res. Dev. 7 (2003) 622-640)
(Bild: TU Hamburg-Harburg)

Ein Prinzip ist eine Gesetzmäßigkeit, die eine breite Anwendbarkeit besitzt und zudem von einer Vielzahl von Personen über einen langen Zeitraum getestet wurde. Biologische Prinzipien sind solche, welche von der Natur entwickelt wurden und seit tausenden von Jahren eingesetzt werden. Im Laufe der Zeit wurden sie durch die Evolution immer weiter optimiert. Einige solcher Prinzipien sind:

  • Lebende Systeme gehorchen physikalischen und chemischen Gesetzmäßigkeiten.
  • Alle Organismen speichern und übertragen Energie.
  • Alle Organismen sind an ihre Umgebung angepasst.
  • Evolution ist irreversibel.
  • Wachstum ist ein grundlegendes Charakteristikum von Leben.
  • Energiefixierung in Pflanzen basiert auf Photosynthese.

Die Übertragung von biologischen Prinzipien und Konzepten in technische Anwendungen führt häufig zu erstaunlich erfolgreichen Ergebnissen. Selbst wenn die Übertragung im ersten Sinne nicht wirklich ge-plant war, so weist die Lösung zu einem vergleichbaren Problem oft eine hohe Ähnlichkeit auf. Ein Beispiel ist die Entwicklung von hoch spezialisierten Werkzeugen für das Bohren von harten Materialien. Der von Ingenieuren entwickelte Holzbohrer, der Löcher in harte Materialien bohrt, nutzt das gleiche Prinzip, das die aus Nordamerika stammende gelbköpfige Wespe (Ichneumonidae) mit ihrem Stachel, der aus Chitin besteht, anwendet.

Bildergalerie
Bildergalerie mit 5 Bildern

Auch Leonardo da Vinci (1452-1519) nutzte die Natur als Quelle der Inspiration. Basierend auf seinen Beobachtungen wie Vögel fliegen, plante er die ersten Maschinen, die es dem Menschen ermöglichen sollten zu fliegen. Beide Beispiele zeigen, dass von der Natur inspiriertes Design und Entwicklung Lösungen zu technischen Fragestellungen aufzeigt. Aber welche Prinzipien aus der Natur können in die chemische Synthese übertragen werden?

Chemische Synthese in der Natur

Chemische Synthese wird in der Natur seit Bestehen der Welt durchgeführt. Und so formuliert G. v. Kiedrowski: „...mimicry of biological functions and processes means learning chemistry from biology with chemical means“ (ChemBioChem 2 (2001) 597-598).

Betrachten wir die Syntheseleistung des Menschen an ATP (Adenosintriphosphat), dem Energieträger im Menschen, mit dem wir in unserem Körper die chemische, osmotische und mechanische Arbeit bezahlen, so ist diese mehr als beachtlich.

Ein nicht trainierter Mensch hat im Durchschnitt eine Syntheseleistung an ATP von etwa der Hälfte seines Körpergewichtes, d.h. bei 70 kg Körpergewicht, von 35 kg ATP pro Tag. Leistungssportler erzielen sogar ein Vielfaches des eigenen Körpergewichtes, bis zu 200 kg. Wir brechen unter dieser Last aber nicht zusammen, was daran liegt, dass die Stationärkonzentration gerade mal bei rund 150 g in unserem Körper liegt.

Biologisches Prinzip nutzen

Aus diesem Beispiel lernen wir drei Dinge:

  • 1. Wenn jeder Leser dieses Artikels ein Labor mit der Syntheseleistung von Mulit-Kilogramm-Mengen an Produkt pro Tag darstellt, und das unter limitiertem Ressourceneinsatz, dann sollten wir diese Technologie auch in der industriellen chemischen Synthese einsetzen können.
  • 2. Da die Stationärkonzentration an ATP deutlich niedriger als die maximal produzierte Stoffmenge an ATP ist, setzt die Natur zur Synthese von chemischen Produkten Biokatalysatoren ein, die in Reaktionssequenzen miteinander gekoppelt werden.
  • 3. Syntheseprozesse in der Natur sind auf Ressourceneffizienz optimiert.

Warum sollten wir dann dieses biologische Prinzip: „Nutzung von Reaktionssequenzen“ nicht auch in der industriellen Produktion einsetzen? Zudem wird dieses in der Natur effizient mit einer optimalen Reaktionsselektivität durchgeführt, sodass auf die Abtrennung von Nebenprodukten und zusätzlichen Aufarbeitungsschritten von Intermediaten verzichtet werden kann.

Dieses steht im Gegensatz zur klassischen chemischen Synthese, wo in der Regel immer ein Aufarbeitungsschritt auf einen Syntheseschritt folgt, um in einer mehrstufigen Synthese die gebildeten Intermediate für den nächsten Reaktionsschritt aufzureinigen.

Insgesamt gibt es sechs grundlegende biologische Prinzipien für die chemische Biosynthese:

  • 1. Komplexe Chemikalien werden in Reaktionssequenzen synthetisiert.
  • 2. Biokatalysatoren sind makromolekular und im Allgemeinen homogen löslich.
  • 3. Makromolekulare, homogenlösliche Biokatalysatoren werden durch Membranen retentiert.
  • 4. Biokatalysatoren werden durch Kopplung/Integration an/in Membranen heterogenisiert.
  • 5. Schlüsselschritte von Reaktionssequenzen sind katalysiert.
  • 6. Energie- und Stofftransport sind gekoppelt.

Hierbei wird eine biologische Zelle als ein Reaktor mit einer Vielzahl an verschiedenen Biokatalysatoren, den Enzymen, verstanden.

Der Einsatz von Biokatalyse verhilft der Chemie deshalb zu Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz und ist damit der Weg der Zukunft. Deutlich wird dieses, wenn man den Trend der Anzahl an Publikation betrachtet (Abbildung 1), welcher den Einsatz von Reaktionssequenzen beschreibt.

Das biologische Prinzip der „Nutzung von Reaktionssequenzen“ gewinnt immer mehr an Bedeutung und hält inzwischen auch in der Chemokatalyse Einzug. Die Königsdisziplin ist aber sicherlich die Kopplung von chemischen mit biologischen Schritten. Der Vorteil der hohen Reaktionsselektivität macht die Biokatalysatoren, unabhängig ob isoliertes Enzym oder ganze Zelle, zu komplementären Werkzeugen der Chemokatalysatoren.

Praxisbeispiele zeigen den Nutzen

Ein Beispiel aus der Forschung ist hier die chemoenzymatische Synthese von nicht natürlichen ß-Aminosäureestern in einer zweistufigen Reaktionssequenz (Abbildung 2). Im ersten Schritt werden in einer chemischen C-N Knüpfungsreaktion (aza-Michael Addition) zwei einfache Ausgangsstoffe miteinander zu einem razemischen Zwischenprodukt verknüpft, welches in dem folgenden biokatalytischen Schritt eine Razematspaltung erfährt. Als Zielprodukt wird enantioselektiv ein ß-Aminosäureester mit > 98% ee bei 59% Umsatz gewonnen.

Jetzt Newsletter abonnieren

Verpassen Sie nicht unsere besten Inhalte

Mit Klick auf „Newsletter abonnieren“ erkläre ich mich mit der Verarbeitung und Nutzung meiner Daten gemäß Einwilligungserklärung (bitte aufklappen für Details) einverstanden und akzeptiere die Nutzungsbedingungen. Weitere Informationen finde ich in unserer Datenschutzerklärung.

Aufklappen für Details zu Ihrer Einwilligung

Das Alleinstellungsmerkmal dieser Reaktionssequenz ist, dass diese kontinuierlich in einem gekoppelten Reaktorsystem ohne Lösungsmittel (weder Wasser noch ein organisches Lösungsmittel) nur in den reinen Reaktanden ohne zusätzliche Zwischenaufreinigungsschritte durchgeführt wird. Hierdurch werden zudem Lösungsmittelabfälle vermieden. (S. Strompen, M. Weiss, T. Ingram, I. Smirnova, H. Gröger, L. Hilterhaus, A. Liese, Biotechnol. Bioeng. 109 (2012) 1479–1489)

Neue Reaktorkonzepte sind nötig

Am Beispiel der biokatalytischen Veresterung von Fettsäuren mit Fettalkoholen zu Fettsäureestern als Inhaltstoffe für Kosmetika wird deutlich, dass es für die Prozessierung von nachwachsenden Rohstoffen auch neuer Reaktorkonzepte bedarf. So konnten im Festbettreaktor, dem Stand der Technik, mit immobilisierten Biokatalysatoren nur niedrigviskose einphasige Systeme prozessiert werden. Für die biokatalytische Umsetzung von zweiphasigen hochviskosen Reaktandensystemen, wie z.B. Polyglycerol und Laurinsäure, musste ein neues Reaktorkonzept verwirk-licht werden.

Ein mit Evonik Industries gemeinsam entwickelter Blasensäulenreaktor ermöglichte die effiziente Durchmischung des hochviskosen zweiphasigen Reaktandensystems bei gleichzeitiger Verschiebung des Reaktionsgleichgewichtes durch Wasseraustrag. Auch diese Biotransformation wird lösungsmittelfrei in den reinen Reaktanden durchgeführt, welche aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen werden. (L. Hilterhaus, O. Thum, A. Liese, Org. Proc. Res. Dev. 12 (4) (2008) 618-625)

Neue Herausforderungen

Eine besondere Herausforderung bei der Umsetzung von chemoenzymatischen Reaktionssequenzen in die Praxis ergibt sich aus den unterschiedlichen Reaktionszeiten, Reaktionsbedingungen sowie Ausbeuten der einzelnen Schritte und der Kopplung mit jeweiligen Trennprozessen. Nur die konsequente Anpassung des Gesamtprozesses, sowohl von der katalytischen als auch von der verfahrenstechnischen Seite, ermöglicht die Integration der unterschiedlichen katalytischen Methoden.

An dieser Stelle wird deutlich, dass es sich bei dem Feld der Biokatalyse um ein ausgesprochen interdisziplinäres Forschungsgebiet handelt, dessen wissenschaftlichen Herausforderungen nur durch interdisziplinär agierende Wissenschaftler gelöst werden können. Hierzu werden Wissenschaftler z.B. der Biologie, Chemie und Verfahrenstechnik benötigt, die Spezialisten in ihren eigenen Fachgebieten sind, es aber gleichzeitig gelernt haben interdisziplinär zu kommunizieren.

Eine weitere Herausforderung ist mit der Nutzung nachwachsender Rohstoffe verbunden. Ein selektiver Zugang zu Substraten stellt heutzutage immer noch eines der größten Probleme dar. Eine effiziente und schnelle Reaktion auf Marktbedürfnisse, so wie es heute die erdölbasierte Industrie leistet, wird für eine biobasierte Industrie erst möglich, wenn schwer verwertbare Substrate aus der Palette der nachwachsenden Rohstoffe effektiv und flexibel umgesetzt werden können.

Themen der Zukunft

Die Themen der Zukunft sind vielfältig:

  • Effiziente Aufschlussverfahren von Biomasse;
  • Efiziente Reaktionssequenzen mit minimierter Anzahl an Aufarbeitungsschritten;
  • Neue Prozessfenster für chemoenzymatische Reaktionssequenzen;
  • Nutzung von CO2 als Kohlenstoffquelle;
  • Verfahren zur Gewinnung von Biokraftstoffen auf Basis nachwachsender Rohstoffe;
  • Herstellung von Bulkchemikalien;
  • Herstellung und Modifizierung von Materialien.

Interdisziplinarität ist nötig

Eine erfolgreiche Bearbeitung dieser Biokatalyse Themen und anschließender Transfer in die chemische Produktion wird nur durch die enge interdisziplinäre Zusammenarbeit von Biologen, Chemikern und Verfahrenstechnikern möglich sein. Durch den konsequenten Einsatz von biologischen Prinzipien in der chemischen Industrie kann die Biokatalyse der Chemie zu Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz verhelfen.

* Der Autor leitet das Institut für Technische Biokatalyse an der TU Hamburg-Harburg.E-Mail-Kontakt: liese@tuhh.de

(ID:36004060)