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FP7

INDOX Ergebnis in Kürze

Project ID: 613549
Gefördert unter: FP7-KBBE
Land: Spanien

Zurück zur Natur für eine umweltfreundlichere Produktion

Das von der EU finanzierte INDOX-Projekt hat mit der Erforschung der Enzymtechnologie und biokatalytischer Prozesse für die Industrieproduktion einen wichtigen Beitrag zur Grünen Chemie (Green Chemistry) geleistet.
Zurück zur Natur für eine umweltfreundlichere Produktion
Die chemische Industrie hat schon lange erkannt, dass ein Blick in die Natur in Form von lebenden Zellen durchaus zu einer umweltfreundlicheren industriellen Produktion hinführen kann. Von speziellem Interesse für die Ausführung synthetischer Umwandlungen ist ein wichtiger Sektor der Industriechemie, der auf Oxidations- und Reduktionsprozesse und oxidative Enzyme (Oxidoreduktasen) angewiesen ist.

In der chemischen Industrie sind bislang jedoch aufgrund mangelnder Biokatalysatoren mit der erforderlichen Selektivität, Verfügbarkeit und Kompatibilität mit den strengen Prozessbedingungen noch keine enzymatischen Oxidationsreaktionen angekommen. INDOX hat die maßgeblichen industriellen Szenarien für oxidative Enzyme bereitgestellt, um die Wirksamkeit von optimierten Biokatalysatoren auf zielgerichtete Reaktionen vorzuführen. Man legte außerdem Skalierbarkeit, Nachhaltigkeit und Kosteneffizienz der Prozesse im Vergleich zu den traditionellen chemischen Umwandlungsprozessen dar.

Szenarien für Machbarkeitsnachweise in der Entwicklung

INDOX untersuchte Oxidoreduktasen in Bezug auf ihre Anwendung in den Zielreaktionen, die für die chemische Industrie von Interesse sind. Projektkoordinator Prof. Angel T. Martínez erklärt dazu: „Die Auswahl der Oxidationsreaktionen ist ein wichtiger Schwerpunkt, da auch mit modernen Synthesewerkzeugen einige Oxidationen sehr schwierig zu handhaben sind. Enzyme können nicht nur einen nachhaltigeren Weg zur Herstellung von Industriechemikalien weisen, sondern sogar kostengünstigere und selektivere Routen für deren Fertigung anbieten.“

Im Zuge des Projekts wählte man aus den Gruppen der Häm-Peroxidasen/Peroxygenasen, Flavo-Oxidasen und Kupfer-Oxidoreduktasen aus Pilzgenomen die vielversprechendsten Enzymkandidaten aus und setzte anschließend Proteinengineering-Instrumente, unterstützt durch rechnergestützte Analysen, ein, um deren katalytische Eigenschaften zu verbessern und/oder deren Robustheit zu steigern. Des Weiteren folgte man verschiedenen Ansätzen, um die Reaktionsbedingungen und Reaktorkonfigurationen (einschließlich Immobilisierungstechnologien und neuen enzymatischen Kaskadenreaktionen) zu optimieren.

Martínez führt die 100 %ige Umwandlung von aus Biomasse hergestelltem 5-Hydroxymethylfurfural in 2,5-Furandicarbonsäure (FDCA) in einer intelligenten Kaskadenreaktion mit zwei kombinierten oxidativen Enzyme als ein Beispiel dafür an, wie erfolgreich dieser Ansatz war. „ FDCA ist als eine von 12 `Plattformchemikalien´ (ebenso wie Succin- und weitere organische Säuren, 3-Hydroxybutyrolacton, Glycerinderivate, Sorbitol und Xylitol) identifiziert worden und kann als eine nachhaltige Alternative zur Herstellung etlicher großvolumiger Polymere wie z. B. von Polyester und Polyamiden angewandt werden. Die gegenwärtige chemische Technologie zur FDCA-Herstellung hat eine geringe Selektivität, was zu unerwünschten Nebenprodukten führt, welche die Ausbeute der Polymerherstellung verringern, wobei dieses Problem mit dem Einsatz unserer enzymatischen Technologie gelöst werden könnte.“

Einer der neuartigen Ansätze von INDOX bestand darin, dass die für das Funktionieren verantwortlichen oxidativen Enzyme Pilz-Oxidoreduktasen waren, die im Gegensatz zu anderen zu diesem Zweck untersuchten Enzymtypen für die wissenschaftliche Gemeinschaft relativ neu sind. Martínez kommentiert: „Das hat zu einigen Engpässen geführt, da man versuchte, deren Wirksamkeit in maßgeblichen industriellen Anwendungen zur Herstellung von chemischen Grundprodukten in großen Mengen und großvolumigen Spezialchemikalien zu präsentieren, worin das Hauptziel des INDOX-Projekts bestand.“

Mehr Grüne Chemie!

INDOX hat eine ganze Kollektion neuer oxidativer Biokatalysatoren erschaffen, die im Labor getestet wurden und einen Machbarkeitsnachweis für verschiedene Zielreaktionen wie etwa die Oxyfunktionalisierung von aliphatischen und aromatischen Verbindungen, die Kopplung von Phenolen und anderen Aromaten zur Herstellung von Polymeren und Farbstoffen, die Entfärbung von Farbstoffen und zur oxidativen Modifizierung von Lignin darstellen.

Komplexe Moleküle für Spezialchemikalien über die Identifizierung und technische Veränderung spezifischer Enzyme zu gewinnen, ist für die chemische Synthese eine nahezu unlösbare Aufgabe. Wird diese Fähigkeit mit einer verbesserten Produktionseffizienz kombiniert (z. B. durch Modifizieren kostengünstiger Rohstoffe in bei niedriger Temperatur ablaufenden, energetisch günstigen und selektiven Prozessen), wird der Einsatz von Enzymen zum wichtigsten Bestandteil der „grünen Chemie“, durch den die Anstrengungen zur Steigerung der Nachhaltigkeit von Produktionsprozessen verstärkt werden.

Die Arbeit ist über INDOX hinaus fortgesetzt worden. Die jetzige Finanzierung stammt aus einer Initiative des Gemeinsamen Unternehmens Biobasierte Industrie (Bio-based Industries Joint Undertaking), einer öffentlich-privaten Partnerschaft zwischen der EU und dem Konsortium der Bioindustrie (Bio-based Industries Consortium), die im Rahmen von Horizont 2020 tätig ist.

Schlüsselwörter

INDOX, oxidative Biokatalysatoren, Enzyme, Oxidoreduktasen, Green Chemistry, Grüne Chemie, Industriezweige auf biologischer Basis
Datensatznummer: 190647 / Zuletzt geändert am: 2016-12-07