Zelená chemie Biotechnologie Jaromír Literák Jaromír Literák Zelená chemie – Biotechnologie Biotechnologie „Jakákoliv technologie, která využívá biologické systémy, živé organismy nebo jejich části k výrobě chemických látek, jejich přeměně či jejich jinému specifickému využití Biotechnologie mají dlouhou historii, v současné době dochází k jejich bouřlivému rozvoji, zvláště ve spojení s geneticky modifikovanými organismy. Červená biotechnologie – využití v lékařství a ve farmacii (výroba antibiotik, bílkovin, protilátek. . . ). Bílá (šedá) biotechnologie – průmyslová výroba chemických látek. Zelená biotechnologie – využití biotechnologií v zemědělství. Jaromír Literák Zelená chemie – Biotechnologie Biotechnologie v průmyslu Odvětví Složitost Typ Produkt zpracování katalyzátoru Základní výroba Nízká MO/enzymy Malé organické molekuly Čisté chemikálie Střední MO/enzymy Malé organické molekuly Detergenty Nízká MO Enzymy Kosmetika Střední až MO/enzymy/ Proteiny a malé molekuly vysoká buňky savců Farmacie Střední až MO/enzymy Malé organické molekuly vysoká Biofarmacie Vysoká MO/buňky Proteiny savců Potravinářství Střední MO/enzymy Proteiny a malé molekuly Těžba kovů Nízká MO Kovy a jejich sloučeniny Zpracování Nízká MO Čistý vzduch, odpadů voda, půda MO – mikroorganismy Jaromír Literák Zelená chemie – Biotechnologie Užití biotechnologií Roční biotechnologická produkce chemických látek (2005) Produkt Roční Produkt Roční produkce/t produkce/t Bioethanol 26.000.000 L-Hydroxyfenylalanin 10.000 L-Glutamová kys. 1.000.000 6-Aminopenicilinová kys. 7.000 Citronová kys. 1.000.000 Nikotinamid 3.000 L-Lysin 350.000 p-Hydroxyfenylglycin 3.000 Mléčná kys. 250.000 Vitamin F 1.000 Potravinářské 100.000 7-Aminocefalosporinová 1.000 enzymy kys. Vitamin C 80.000 Aspartam 600 Glukonová kys. 50.000 L-Methionin 200 Antibiotika 35.000 Dextran 200 Xanthan 30.000 Vitamin B12 12 L-Threonin 10.000 Provitamin D2 5 Jaromír Literák Zelená chemie – Biotechnologie Výhody biotechnologií Biotechnologie mají specifika, která jsou přitažlivá z pohledu zelené chemie: Základním rozpouštědlem a reakčním prostředím je voda (omezení spotřeby org. rozpouštědel). Reakce probíhají často za mírných podmínek (pokojová teplota, atmosferický tlak) nebo podmínek jen málo odlišných. Vzniká minimum vysoce toxických odpadů, méně škodlivých emisí. Chemické reakce probíhají často s vysokou selektivitou. Možnost stereoselektivních transformací. Enzymy jsou účinné katalyzátory, mohou nahradit běžné katalyzátory založené na těžkých kovech. Selektivní přeměna molekuly znamená menší potřebu aplikace chranicích skupin. Jaromír Literák Zelená chemie – Biotechnologie Nevýhody biotechnologií Reakce probíhají často pomalu. Reakce probíhají ve zředěných roztocích, z toho plyne obtížná izolace látek z reakční směsi. Enzymy mohou být drahé, jsou obtížně recyklovatelné, citlivé k deaktivaci. Produkt biotransformace může brzdit vznik produktu (negativní zpětná vazba). Málokdy lze provést celou syntézu látky s využitím enzymatických reakcí. Užití vody jako reakčního prostředí vede k nežádoucím reakcím (hydrolýza, racemizace, polymerace). Lze obtížně odhadnout náklady spojené s vývojem biotechnologického procesu. Potřeba pečlivé sterilizace a čistoty výchazích látek. Jaromír Literák Zelená chemie – Biotechnologie Enzymatické reakce Kvasný proces s využitím celých buněk. Nevýhodná je ztráta energie a látky spojená s růstem biomasy. Výhodou je přítomnost a regenerace (drahých) kofaktorů v buňce a stabilita enzymu. Reakce katalyzované enzymy nebo nerostoucími buňkami – výhodnější. Především následující typy reakcí: Oxidace, redukce. Příprava a hydrolýza esterů. Příprava aromatických sloučenin. O OH OH HO OHHO COOH OH OH OH OH HOOC COOH kys. mukonovákatechol Polymerace. Jaromír Literák Zelená chemie – Biotechnologie Enzymatické reakce Netradiční enzymatické reakce: Enzymy izolované z organismů žijících v extrémních podmínkách nacházejí uplatnění díky své zvýšené chemické a teplotní odolnosti (až do 120 ◦C). Imobilizace enzymů (usnadnění izolace katalyzátoru). Enzymatické reakce v organických solventech: Enzym suspendovaný v organickém rozpouštědle (stopy vody jako solvatační obal enzymů). Dvoufázové uspořádání nebo inverzní micela. Reakce v homogenním roztoku ve směsi vody s vodou mísitelným rozpouštědlem (např. glycerol, alkoholy). Jaromír Literák Zelená chemie – Biotechnologie Enzymatické reakce Enzymatické reakce probíhají také v superkritickém CO2. CH3 OH racemát + O CH3 O NOVOZYME 435 scCO2 CH3 OH + CH3 O O H3C Role genetického inženýrství: zvýšení katalytické účinnosti, zvýšení stability. Jaromír Literák Zelená chemie – Biotechnologie Enzymatické reakce Typické operace: Produkt reakce je přítomen v roztoku: Odstranění buněk (katalyzátoru) a pevných nečistot, zahuštění (redukce objemu). Produkt reakce je přítomen v buňce: Rozpustný produkt: rozrušení buněčných stěn, odstranění pevných složek zahuštění. Nerozpustný produkt: homogenizce směsi, odstředění, oplach pevného produktu, jeho rozpuštění a čištění. Čistící operace: Srážení, adsorpce, extrakce. Chromatografie. Filtrace, diafiltrace, ultrafiltrace, pervaporace. Jaromír Literák Zelená chemie – Biotechnologie Fermentace Voda, anorganické soli, báze a kyseliny pro nastavení optimálního pH a vyčeření. Zdroj C (glukosa), zdroj N, malé množství organických látek, protipěnící látky. Zpracování: Provozní materiál: Voda, anorganické soli, báze a kyseliny, pufry, močovina a detergenty. Chromatografické kolony. Alkoholy a glykoly C2 až C5 (rozpouštědla pro chromatografii). Speciální organická rozpouštědla (např. acetonitril). Spotřební materiál: Filtry, nádoby, trubice a spojky. Ultrafiltrační a mikrofiltrační membrány. Jaromír Literák Zelená chemie – Biotechnologie Možné úskalí biotechnologických procesů Částice s imobilizovanými enzymy se při míchání obrušují, což způsobuje problémy s jejich izolací a opětovným použitím. Pokud je substrátem O2, může ve velkých reaktorech i při intenzívním míchání nastat v reakční směsi nedostatek kyslíku. Ve dvoufázovém uspořádání vznikají nároky na intenzívní míchání. Jaromír Literák Zelená chemie – Biotechnologie Enzymy v organické syntéze Pregabalin – antikonvulzivum, aktivní pouze jeden enantiomer produktu. Klasická syntéza zahrnující dělení racemické směsi produktu krystalizací s (S)-mandlovou kyselinou může posytnout maximálně 50% výtěžek žádaného enantiomeru, protože opačný enantiomer nelze recyklovat a tvoří odpad. Praktický výtěžek je 18–22 %. CN COOEtEtOOC H3C CH3 KOH -CO2 Ni / H2 1. (S)-mandlová kys. 2. H2O/THF CN COOK H3C CH3 COOK H3C CH3 NH2 COOK H3C CH3 NH2 H Pregabalin 22 % Jaromír Literák Zelená chemie – Biotechnologie Enzymy v organické syntéze Pregabalin Žádaný enantiomer výchozí látky lze selektivně hydrolyzovat pomocí enzymu, druhý enantiomer lze recyklovat (přeměnit na racemickou směs). CN COOEtEtOOC H3C CH3 -CO2 Ni / H2 COOEt H3C CH3 COOK H3C CH3 NH2 H Pregabalin 40 % lipáza H2O OOC H CN + COOEt H3C CH3 EtOOC CN H recyklace COOEt H3C CH3 H CN Jaromír Literák Zelená chemie – Biotechnologie Enzymy v organické syntéze Atorvastatin H2N O O CH3H3C O O t-Bu N COO F CH3 CH3 N O H OH OH 2 Ca 2 Příprava řetězce je mnohastupňová syntéza, vychází z opticky čisté kys. jablečné, vyžaduje vytvoření druhého stereogenního centra s požadovanou konfigurací. Jaromír Literák Zelená chemie – Biotechnologie Enzymy v organické syntéze Atorvastatin Dvojnásobnou aldolizací chráněného 3-aminopropanalu s dvěma molekulami acetaldehydu za katalýzy deoxyribosa-5-fosfátaldolasou (DERA) lze připravit cyklický hemiacetal s oběma stereogenními centry, který lze snadno převést na požadovaný prekurzor syntézy atorvastatinu. H2N O O CH3H3C O O t-Bu O O N H O H H3C O H2+ DERA O OH OH N H O O Jaromír Literák Zelená chemie – Biotechnologie Enzymy v organické syntéze Anaerobní bakterie (produkující CH4 a CH3COOH) schopny enzymaticky redukovat CO2 pomocí H2. H2 + CO2 −→ HCOOH Enzymy závislé na přítomnosti NADPH. Acetobacterium woodii – jeden enzym bez potřeby dalších bílkovin nebo kofaktorů. Navíc zdrojem elektronů může být rovněž ferredoxin vznikající enzymatickou oxidací CO. Bakterie může transformovat syntézní plyn (směs CO, CO2 a H2) na kyselinu mravenčí. Úmělé snížení respirace −→ buněčný katalyzátor. Jaromír Literák Zelená chemie – Biotechnologie Enzymy v organické syntéze Jaromír Literák Zelená chemie – Biotechnologie