Wenn der Haushaltsreiniger einen zitronenartigen Geruch verströmt, kann dies an einem Nitril namens Citronellylnitril liegen. Diese vielseitig einsetzbare chemische Nitrilgruppe wird auch bei der Herstellung von Arzneimittelwirkstoffen, Sekundenklebern und chemikalienbeständigen Handschuhen verwendet. Der bisher gängige Produktionsprozess erforderte eine chemische Reaktion bestimmter Moleküle mit hochgiftigem Cyanid.
Margit Winkler vom Institut für Molekulare Biotechnologie der TU Graz hat nun gemeinsam mit Ludmila Martínková vom Institut für Mikrobiologie der Tschechischen Akademie der Wissenschaften einen biokatalytischen Prozess entwickelt, der ohne Cyanid auskommt und bei Raumtemperatur funktioniert, daher weniger Energie benötigt und weniger schädliche Abfälle produziert.
Die Arbeit ist veröffentlicht im Zeitschrift für Biotechnologie.
Zwei enzymgesteuerte Schritte
Um das Cyanid zu ersetzen, nutzt die Forschungsgruppe Enzyme und verknüpft drei Einzelreaktionen zu einer Kaskade. Ausgangsstoffe sind Carbonsäuren, etwa Fettsäuren aus Pflanzenölen oder Lignin, das als Nebenprodukt bei der Holzverarbeitung entsteht.
Im ersten Schritt wird die Carbonsäure durch Zugabe von Zucker, Sauerstoff und dem in lebenden Bakterienzellen enthaltenen Enzym Carboxylatreduktase in einen Aldehyd umgewandelt. Dieser Aldehyd ist jedoch hochreaktiv und daher instabil und in vielen Fällen auch flüchtig.
Um diese Substanz einzufangen, lässt man das Aldehyd mit Hydroxylamin reagieren, wodurch es in das stabile Oxim umgewandelt wird.
Oxim ist eine „verwässerte“ Form des Nitrils, weshalb im letzten Schritt das Enzym Aldoxim-Dehydratase zum Einsatz kommt. Dieses Enzym ist ebenfalls in Bakterienzellen enthalten und ist für die Wasserentziehung aus dem Oxim verantwortlich.
Ist dies geschehen, hat die Kaskade ihr Ziel erreicht und das gewünschte Nitril ist hergestellt.
Mit dieser Methode lassen sich nun auch kleine Mengen Nitril herstellen. Für sehr potente Duftstoffe, von denen man nur eine kleine Menge braucht, um eine Wirkung zu erzielen, ist dies bereits eine vielversprechende Technologie.
Für die Produktion größerer Mengen Nitril sind noch Optimierungsarbeiten nötig, um das biokatalytische Verfahren zu vertretbaren Kosten einsetzen zu können. Aktuell werden im ersten Prozessschritt stark verdünnte Lösungen eingesetzt und für die Produktion großer Mengen wäre ein großer Reaktor erforderlich, der derzeit noch nicht wirtschaftlich ist.
Winkler forscht deshalb bereits daran, den ersten Schritt effizienter zu gestalten. Die alleinige Dehydratisierung des Oxims hingegen ist äußerst effizient und hat heute bereits die technische Produktionsreife erreicht.
„Die Cyanidchemie hat mich schon seit meiner Masterarbeit interessiert und wie man aus Agatha Christies Romanen weiß, ist Cyanid hochgiftig“, sagt Winkler. „Daher war es uns wichtig, einen Weg zu finden, diesen gefährlichen Stoff in der Produktion zu vermeiden.“
„Die Fettsäuren, die wir verwenden, stammen aus Pflanzenölen. Wir haben hier also tatsächlich ein biobasiertes Produktionsverfahren. Dieses möchten wir nun noch weiter verbessern, sodass es breit eingesetzt werden kann.“
Mehr Informationen:
Barbora Křístková et al., Immobilisierung von Aldoxim-Dehydratasen auf Metallaffinitätsharzen und Verwendung der immobilisierten Katalysatoren für die Synthese von Nitrilen, die in der Duftstoffindustrie wichtig sind, Zeitschrift für Biotechnologie (2024). DOI: 10.1016/j.jbiotec.2024.02.005