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 Rational design Directed evolution Designer bugs 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 CO 2
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 e.g. petroleum (100 $/barrel = 400 /t) Renewable resources e.g. wheat or corn (200 /t) (Petro)chemistry Chemicals Materials Energy Industrial Biotechnology
Technology base Petroleum refineries destillation thermochemical processes inorganic catalysts Biorefineries plant fractionation industrial biotechnology: fermentation and enzymes (biocatalysts)
Technology base Petroleum refineries destillation thermochemical processes inorganic catalysts Biorefineries plant fractionation industrial biotechnology: fermentation and enzymes (biocatalysts)
Chemicaliën Materialen Energie Fossiele grondstoffen vb. petroleum (100 $/vat = 400 /t) Hernieuwbare grondstoffen vb. tarwe of mais (200 /t) (Petro)chemie Industriële Biotechnologie basis bouwstenen
Chemische bulkproducten: succinaat Succinaat = barnsteenzuur (C 4 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) enzymes fermentation lactic acid chemistry corn glucose PLA bioplastic PLA is produced from renewable resources through a combination of industrial biotechnology and conventional (chemical) polymerisation PLA is a bioplastic comparable to conventional plastics PLA is biodegradable and 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 NatureWorks TM PLA bioplastic packaging
The milk comes from mother nature Now, so does the bottle
Fibres made from PLA
Cost Value Going from easy to hard biorefinery operations Biomass Bioproducts Vegetable oil Sugar easy hard Fine chemicals Bioplastics Glucose Starch Biorefinery Base chemicals Solvents Hemicellulose Cellulose Lignin Biofuels Biogas Heat
Product diversification: valorisation of byproducts of the biodiesel production rapeseed rapeseed oil fermentation glycerol 1,3-propanediol biodiesel 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 C N Rhodococcus rhodochrous cells containing nitrile hydratase O C NH 2 H 2 C CH H 2 C CH acrylonitrile acrylamide Mitsubishi Rayon etc. : > 100 000 ton/jaar
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 CO 2 productie (kg CO 2 /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 β-amylase Tarwe zetmeel xylanase α-amylase maltodextrines amyloglucosidase CGT-ase gluten protease maltose glucose glucose isomerase isoglucose cyclodextrines 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 HOOC COOH NH 2 Regioselectiviteit Aspartase Enzym selecteert de juiste functionele groep op de juiste plaats HOOC COOH NH 2 Stereoselectiviteit Thermolysin Enzym selecteert de juiste functionele groep op de juiste plaats en met de juiste stereochemische configuratie H 2 N O O H 2 N Thermolysin O O
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) Enzymatische resolutie Fysische scheiding (bv. chromatografie) Resolutie via kristallisatie Directe asymmetrische synthese 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 * * R 2 O * CN R 1 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: H 2 C O HN H H S CH 3 E H 2 N H H S CH 3 E R O C HN H H S CH 3 O N CH 3 COOH O N CH 3 COOH RCOOH O N CH 3 COOH penicillin G 6-APA E = Alcaligenes penicillin acylase overexpressed in E. coli new penicillin
Total number of processes Biokatalyse in de chemische industrie 140 120 Agro/Feed Cosmetics Polymers Other 100 80 60 40 20 0 1960 1970 1980 1990 2002 Year Food Other non-chiral Nucleotides Steroids Fat derivatives Other chiral sec -Alcohols Peptides b-lactams Pharma: AI's / API's Carbohydrates Amino acids 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 Biotechnologisch proces 8 staps chemisch proces Eénstaps fermentatie proces met gevaarlijke reagentia Startend van hernieuwbare grondstoffen Gevaarlijk afval dat moet worden verbrand 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: een tijd te verliezen op de weg aar industriële duurzaamheid