Improving Productivity and Enzyme Stability Through Process Design: Lipase-catalysed Synthesis of Epoxides and Esters

Abstract: Popular Abstract in Swedish Bioteknik är ett mycket brett ämne som handlar om att använda biologiska reaktioner för att tillverka önskvärda produkter. Det innefattar arbete med mikroorganismer, svampar, enzymer och att få dem att göra som man vill. Enzymer är naturens egna katalysatorer som gör att reaktioner går snabbare utan att själva förbrukas och de är till exempel en viktig del i vår matsmältning för att bryta ner maten till smådelar som kroppen kan använda till energi eller som byggstenar. Inom forskningsprogrammet Greenchem, där mitt arbete ingår, har vi fokuserat på att utnyttja enzymer med en förhoppning om att tillverka kemikalier av olika slag såsom tensider, smörjmedel och komponenter till ytbehandling på ett mer miljövänligt sätt. En annan grundpelare inom programmet har varit att använda förnyelsebara råvaror, som t.ex. vegetabiliska oljor och socker. För länge sedan utgjorde denna typ av ämnen grunden för kemiindustrin, men byttes så småningom ut mot fossil olja. I och med all uppmärksamhet under senare tid på att oljan kommer att ta slut (eller i alla fall stiga i pris) har intresset för förnyelsebara råvaror återigen ökat. Enzymer, som finns till för att omvandla naturliga ämnen, kan därmed vara utmärkta redskap för att kunna tillverka användbara kemikalier. Vatten är det vanligaste lösningsmedlet i naturen. Det är mycket viktigt för allt liv och naturligtvis också för enzymer som finns i alla levande organismer. En del enzymer är därför vana vid att fungera i vattenlösningar, medan andra bara kräver några få vattenmolekyler för att kunna fungera. I många fall är det viktigt att kunna kontrollera fuktigheten i reaktorn där enzymerna ska användas för att de ska kunna arbeta så effektivt som möjligt, vilket var målet med ett av delprojekten som beskrivs i denna avhandling. Den relativa fuktigheten i reaktorn mättes och justerades till det önskade värdet genom bubbling av antingen torr eller fuktig luft genom systemet för att sänka respektive höja den relativa fuktigheten i reaktorn. I mitt arbete har jag använt en typ av enzym som kallas lipas, vars naturliga funktion är att bryta esterbindningar i fett. Genom att ändra reaktionsförhållandena vi runt lipaserna kan man vända på reaktionen och istället få dem att bygga upp esterbindningar, men också att utföra andra reaktioner som inte är lika naturliga för enzymet. Det effektivaste sättet för att kunna bilda esterbindningar är att minska på mängden vatten. Det lipas som jag oftast har använt i mitt arbete klarar av att arbeta vid mycket små vattenmängder, vilket jag utnyttjade i mitt första projekt som gick ut på att tillverka vax för ytbehandling av trä, närmare bestämt s.k. vaxestrar – feta estrar baserade på en fettalkohol och en fettsyra. Reaktionen torkades i detta fall genom att blåsa torr luft genom reaktionsvätskan för att ta bort vattnet som bildades i reaktionen. Vid utvärderingen av vaxesterprodukterna visade det sig att de inte skyddade träet tillräckligt bra, speciellt inte mot fett. Arbetet gick då vidare med att tillverka en lack genom att sätta på akrylgrupper på polyestrar för att de skulle kunna binda ihop sig till ett nätverk och bilda en film på träet. Akrylgrupperna innehåller en reaktiv del (terminal dubbelbindning) som när de utsätts för UV-ljus lätt reagerar med varandra. Om det då finns två eller fler akrylgrupper på varje molekyl kan det bildas ett nätverk. Istället för att bubbla luft genom reaktorn utnyttjades här vakuum för att ta bort en biprodukt, etanol, och på så sätt få reaktionen att gå mot mer av den önskade produkten. Vakuum användes också för att driva bort vatten från reaktionen då vi tillverkade smörjmedel, TMP-oleate, som kan användas i skogsmaskiner som ett miljövänligt alternativ till mineraloljor. Det kan brytas ner i naturen och är det dessutom tillverkat med hjälp av enzymer istället för metalliska katalysatorer kan man undvika utsläpp av tungmetaller i naturen då de kan finnas kvar i produkten. Det fjärde projektet som ingår i denna avhandling skiljer sig från de tidigare genom att det inte var en esterbindning som skulle bildas utan en så kallad persyra från en fettsyra och väteperoxid. Persyran kan i sin tur reagera vidare med en dubbelbindning (i en fettsyra) och bildar då en s.k. epoxidgrupp. Epoxider används inom en mängd olika områden, t.ex. i epoxylim, lacker, plast, m.m. Problemet med denna process är att enzymet inaktiveras när det kommer i kontakt med väteperoxiden. Mitt arbete inom detta projekt gick ut på att hitta en process för denna reaktion som var så skonsam som möjligt för enzymet så att det kan användas som katalysator och inte förbrukas på samma sätt som en reaktant.