Introductie tot Biokatalyse en
Industriële Biotechnologie Prof. Wim Soetaert
Kleuren van de Biotechnologie • Rode Biotechnologie Biotechnologie in de gezondheidszorg
• Groene Biotechnologie Planten Biotechnologie • Witte Biotechnologie Industriële Biotechnologie Industriële biotechnologie is een inherent schone
technologie, sterk verbonden met duurzame ontwikkeling
Wat is industriële biotechnologie? Industriële biotechnologie is de toepassing van de moderne biotechnologie voor de industriële productie en verwerking van chemische stoffen, materialen en energie • Typisch gebruik makend van micro-organismen en
hun enzymen • Vaak uitgaand van hernieuwbare grondstoffen • In fermentatie en biokatalyse processen
Synthetic biology Designer enzymes
Designer bugs
Rational design Directed evolution
Metabolic engineering Pathway engineering
Impact van de Industriële Biotechnologie op de chemische industrie (McKinsey) Sterke penetratie van IB in alle sectoren van de chemie • Penetratie vandaag ca. 10 % • Sterkste penetratie in fijnchemicaliën: ca. 30 % in 2010
• Maar ook in bulkchemicaliën, plastics, solventen,… In 2010 werd 150 Miljard € jaarlijkse omzet aan chemicaliën geproduceerd via industriële biotechnologie tegen 2015 wordt 250 Miljard € jaarlijkse omzet aan
chemicaliën geproduceerd via industriële biotechnologie
Impact van de industriële biotechnologie op de chemische industrie (McKinsey)
Industriële Biotechnologie is goed aanvaard in Europa • Genetisch gemodificeerde micro-organismen worden gebruikt in een hermetisch gesloten omgeving (ze blijven in de fabriek). • Genetisch gemodificeerde micro-organismen en hun enzymen worden reeds meer dan 15 jaar zonder problemen gebruikt in de industrie • Industriële biotechnologie wordt aanzien als werken en produceren in harmonie met de natuur
Het gebruik van hernieuwbare grondstoffen reduceert sterk de uitstoot van CO2
“Hockeystick” curve of global warming
Toepassingssectoren van de Industriële Biotechnologie Chemische industrie Farmaceutische industrie Voedingsindustrie Textielindustrie Papier en pulp industrie Energiesector Landbouwsector
Industriële Biotechnologie is een sleuteltechnologie voor de uitbouw van de bio-gebaseerde economie
Producten van de bio-gebaseerde economie • • • • • • • • • • •
Fijnchemicaliën Bulk chemicaliën Bioplastics Detergenten Antibiotica Cosmetische grondstoffen Farmaceutische ingrediënten Vitamines Voedselingrediënten Geur en smaakstoffen …
Technology base of the fossil-based and bio-based economy Fossil resources
Renewable resources
e.g. petroleum (100 $/barrel = 400 €/t)
e.g. wheat or corn (200 €/t)
Industrial Biotechnology
(Petro)chemistry
Chemicals Materials Energy
Technology base Petroleum refineries
Biorefineries
destillation thermochemical processes inorganic catalysts
plant fractionation industrial biotechnology: fermentation and enzymes (biocatalysts)
Technology base Petroleum refineries
Biorefineries
destillation thermochemical processes inorganic catalysts
plant fractionation industrial biotechnology: fermentation and enzymes (biocatalysts)
Fossiele grondstoffen
Hernieuwbare grondstoffen
vb. petroleum (100 $/vat = 400 €/t)
vb. tarwe of mais (200 €/t) Industriële Biotechnologie
(Petro)chemie
basis bouwstenen
Chemicaliën Materialen Energie
Chemische bulkproducten: succinaat Succinaat = barnsteenzuur (C4 dicarbonzuur) • Vandaag geproduceerd via een petrochemisch proces petroleum
butaan
maleïne anhydride
succinaat
• Nu steeds meer via een biotechnologisch proces fermentatie
Tarwe/maïs
zetmeel
glucose
succinaat
Biotechnologische succinaatproductie is een groene route naar vele chemische stoffen
PLA bioplastic (Cargill) PLA is produced from renewable
corn
resources through a combination of industrial biotechnology and
enzymes
conventional (chemical) polymerisation
glucose fermentation
PLA is a bioplastic comparable to conventional plastics
lactic acid PLA is biodegradable and chemistry
PLA bioplastic
decomposes on the compost heap after use
Poly Lactic Acid (PLA): Bioplastic from corn : 140.000 t/year
Innovative bioproducts for sustainable production and consumption NatureWorksTM PLA bioplastic packaging
The milk comes from mother nature
Now, so does the bottle
Fibres made from PLA
Going from “easy“ to “hard” biorefinery operations
Cost
Vegetable oil
Bioproducts
easy
hard
Fine chemicals
Sugar
Bioplastics
Glucose
Base chemicals
Starch
Biorefinery
Solvents
Hemicellulose
Biofuels
Cellulose
Biogas
Lignin
Heat
Value
Biomass
Product diversification: valorisation of byproducts of the biodiesel production
rapeseed
rapeseed oil
biodiesel glycerol
fermentation 1,3-propanediol Sorona™ (DuPont) synthetic fibre
Enzymen voor biokatalyse • Enzymen zijn natuurlijke eiwitten die chemische reacties versnellen • Enzymen vormen de machinerie van de levende cel en dirigeren de chemie van het leven • Enzymen worden nu ook toegepast in de industrie als zeer efficiënte biokatalysatoren om chemische reacties uit te voeren (biokatalyse)
Biokatalyse in de chemische industrie Bulkchemie: synthese van acrylamide met geïmmobiliseerde enzymen Rhodococcus rhodochrous cells C N containing nitrile hydratase H2C CH acrylonitrile
Mitsubishi Rayon etc. : > 100 000 ton/jaar
O C NH2 H2C CH acrylamide
Enzymatische synthese van acrylamide chemisch proces
biokatalytisch proces
reactietemperatuur
70ºC
0-15ºC
single-pass reactierendement
70-80%
100%
acrylamide concentratie
30%
48-50%
productzuivering
nodig
niet nodig
energieverbruik (MJ/kg acrylamide)
1.9
0.4
CO2 productie (kg CO2/kg acrylamide)
1.5
0.3
Voordelen biokatalytisch proces: • Betere conversie efficiëntie • Veel hogere productzuiverheid • Lager energieverbruik
Enzymen zijn dé werkpaardjes in bioraffinaderijen
Vb: zetmeelindustrie op basis van tarwe Tarwe
gluten
xylanase
zetmeel α-amylase CGT-ase
maltodextrines β-amylase
maltose
protease
amyloglucosidase
glucose
cyclodextrines
glucose isomerase
isoglucose
gehydrolyseerd gluten
Enzymen voor textielbehandeling Behandeling van weefsels met enzymen leidt tot • Zachter en soepeler weefsel • Kleureffecten: vb. jeans “stonewashing” • Krimpvaster weefsel
• Verwijderen van pluisjes
Denim behandeling met enzymen
CO2 emissie reductie door het gebruik van enzymen in kg CO2 per kg enzyme Productie van enzymen: + 10 kg/kg
Gebruik van enzymen: Textiel industrie :
-120 kg/kg
Detergent industrie :
-150 kg/kg
Bio-energie industrie: -500 kg/kg Chemische industrie: -3.500 kg/kg
Bakkerij industrie:
-3.800 kg/kg
De totale enzymproductie van het bedrijf Dupont (genencor) in Brugge spaart ongeveer 2 miljoen ton CO2 uit per jaar!
Fijnchemie: enzymatische synthese van aspartaam Het enzym thermolysine selecteert de juiste koppeling uit vier verschillende mogelijkheden:
• Aspartaam wordt gebruikt als laagcalorische zoetstof • De andere isomeren zijn allemaal bitter
Chemo-, Regio- en Stereoselectiviteit Chemoselectiviteit • Enzym selecteert de juiste functionele groep Regioselectiviteit • Enzym selecteert de juiste functionele groep op de juiste plaats Stereoselectiviteit • Enzym selecteert de juiste functionele groep op de juiste plaats en met de juiste stereochemische configuratie
COOH
HOOC
NH2
Aspartase COOH
HOOC
NH2
Thermolysin
O
H2N
O
H2N O
O
Thermolysin
Chiraliteit van moleculen
Hoe enantiozuivere chirale verbindingen produceren? Standaard organische chemie geeft doorgaans een racemisch mengsel (50/50 mengsel van beide enantiomeren) Als slechts één enantiomeer actief is, is dit 50% afval Scheiding van een racemisch mengsel (chirale resolutie)
Directe asymmetrische synthese
• Enzymatische resolutie • Fysische scheiding (bv. chromatografie) • Resolutie via kristallisatie
• Met enzymen als biokatalysator • Gebruik chiraliteit van fermentatie-producten of natuurlijke stoffen (Chiral pool) • Chirale organometaal katalyse
50% opbrengst
100% opbrengst
Biokatalyse is uitstekend geschikt voor chirale chemie
Synthese van pyrethroiden • Afgeleid van natuurlijk product pyrethrine, een natuurlijk insecticide uit Chrysanthenum bloemen • Synthetische varianten (pyrethroiden) zijn stabieler, effectiver en minder toxisch dan natuurlijk pyrethrine • Synthetische pyrethroiden worden gebruikt als mengsel van stereoisomeren waarbij slechts één actief is … O O O
R2
* *
*
R1 CN
• Drie chirale centra, 8 stereoisomeren.
Synthese van pyrethroiden Hydroxynitrile Lyase uit de rubberboom Hevea brasiliensis wordt gebruikt als biokatalysator voor de synthese van het (S)-cyanohydrine intermediair
Fijnchemicaliën: penicilline antibiotica – ca. 15.000 ton/yr:
H2 C
O
O H
H S
HN N
H
E CH3
S
H2N
CH3
O
H
N
CH3 CH3
R
H
C
H S
HN RCOOH
O
N
CH3 CH3
O
COOH penicillin G
E
COOH 6-APA
E = Alcaligenes penicillin acylase overexpressed in E. coli
COOH new penicillin
Biokatalyse in de chemische industrie Other Polymers
140 Total number of processes
Agro/Feed
120
Cosmetics
100 Food
80
Pharma: AI's / API's
60
Other non-chiral Nucleotides Steroids Fat derivatives
40
Carbohydrates
20 0
Amino acids
Other chiral
1960 1970 1980 1990 2002 Year
sec -Alcohols
Peptides b-lactams
Vooral toegepast voor de synthese van chirale verbindingen! Liese et al (2001) Industrial Biotransformations Straathof et al. (2002) Current Opinion in Biotechnology
Industriële biotechnologie kan een erg disruptieve technologie zijn Voorbeeld: Synthese van vitamine B2 (riboflavin) Chemisch process 8 staps chemisch proces met gevaarlijke reagentia
Gevaarlijk afval dat moet worden verbrand
Biotechnologisch proces Eénstaps fermentatie proces Startend van hernieuwbare grondstoffen 90 % reductie in afval Helemaal geen gevaarlijk afval
Riboflavine fermentatie vloeistof
BASF
Industriële biotechnologie kan een erg disruptieve technologie zijn Voorbeeld: Synthese van vitamine B2 (riboflavine) Chemisch proces
Biotechnologisch proces
12 chemicaliën vervangen door suiker grote veranderingen op komst! 5 solventen vervangen door water
40 % kost reductie
Biokatalyse: geen tijd te verliezen op de weg naar industriële duurzaamheid
