Biokatalyse
Synonyme: Biokonversion, Biotransformation
Englisch: biocatalysis
Definition
Unter dem Begriff Biokatalyse versteht man die Beschleunigung, Initiation oder Umsetzung einer chemischen Reaktion in biologischen Systemen. Hier fungieren Enzyme als natürliche Katalysatoren, die häufig einen Kofaktor bzw. ein Koenzym gebunden haben.
Anwendungen
Die Biokatalyse kommt praktisch in allen lebenden Systemen vor. Sie spielen dennoch in vielen Bereichen der wirtschaftlichen Industrie eine Rolle, z.B.:
- Lebensmittelherstellung: Einer der ältesten, industriell genutzten Arten der Biokatalyse ist das Brauen von Bier und spielt auch bei der Herstellung von Käse oder Wein eine Rolle. Hierbei werden spezielle Bakterien, Hefen oder andere Pilze eingesetzt. Weitere Beispiele sind Synthese von Aspartam und der Verzuckerungsprozess von Stärke zu Glucosesirup in der industriellen Lebensmittelherstellung
- Pharmazeutische Industrie: Hier existieren viele Methoden, bei denen die chemischen Reaktionen zur Gewinnung bestimmter Arzneistoffe durch den Vorgang der Biokatalyse angetrieben werden, z.B. die Herstellung von Vitamin C oder die Antibiotika-Herstellung durch enzymatische Spaltung von Penicillin G
- Biotechnologie: Hier verwendet man isolierte Enzyme, oder man verwendet ganze Zell- bzw. Bakterienkulturen, die das für die Reaktion erwünschte Enzym enthalten.
Einige Reaktionen bzw. einige Produktionsschritte können ausschließlich durch die Biokatalyse realisiert werden. Andere Reaktionen – die zum Beispiel nur unter der Anwesenheit hochgiftiger Reagenzien ablaufen müssten – können durch eine schonendere, ungiftigere und nachhaltige Reaktion mittels Biokatalyse ersetzt werden.
Vorteile
- Sehr hohe Selektivität der eingesetzten Biokatalysatoren (Enzyme). Dadurch wird eine überdurchschnittlich hohe Ausbeute des gewünschten Produktes aus einem entsprechenden Substrat erzielt.
- Große Vorteile im Bereich der Regioselektivität, der Enantioselektivität, der Chemoselektivität, sowie der Diastereoselektivität
- Reine Ergebnisse, d.h. die erwünschten Produkte sind durch die hohe Selektivität der Biokatalysatoren wesentlich ärmer an Nebenstoffen, die bei einer chemischen Reaktion anfallen können
- Sehr milde und oft vergleichsweise unschädliche Reaktionsbedingungen
- In vielen Fällen kann auf giftige Lösungsmittel verzichtet werden, da Wasser bei vielen biokatalytischen Reaktionen als Lösungsmittel fungiert.
- In den meisten Fällen ist bei Reaktionen mit Biokatalysatoren eine gute biologische Abbaubarkeit aller an der Reaktion teilnehmenden Stoffe gewährleistet.
- Ständige Weiterentwicklung und Modifikation der Biokatalysatoren