Transcript Chemische industrie

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