A levegőből, hogyan válik a szén-dioxid az aminosavak nyersanyagává a katalízis révén
Régi kémiai álom: Vegye ki a felesleges szén-dioxidot a légkörből, és jó minőségű anyagokká alakítsa. Ennek hátterében az áll, hogy finomítsák a nem mérgező és könnyen hozzáférhető üvegházhatást okozó gázokat egy másik molekulába beépítve. Ilyen álomreakció a metán szén-dioxiddal való átalakulása ecetsavvá. Azonban még nem valósult meg, ezért továbbra is az álmok birodalmába tartozik. Mivel a szén-dioxid anyag-újrafeldolgozása általában nagy energiafelhasználással jár. Csak a kifinomult katalizátor rendszerek fejlesztése vezethet ehhez a célhoz.
Nem utolsósorban emiatt körülbelül tíz éve intenzív tevékenység folyt a katalizátor-kutatás területén, és az „álomreakciók” ennek megfelelően haladnak. Például a matrachab alapanyagának, a poliuretánnak most ipari méretekben CO 2 hozzáadásával állítható elő. Most a müncheni műszaki egyetem vegyészcsoportja egy másik fontos anyagot szintetizált szén-dioxid hozzáadásával. Julia Martin, Lukas Eisoldt és Arne Skerra enzimek segítségével sikerült előállítaniuk a metionin aminosavat. Ezt a fehérje építőelemet nagy mennyiségben használják, különösen az állatok hízlalása során.
Az elején volt egy hirdetés
A három kémikus a methionint, a metionin természetes bomlástermékét használta kiindulási anyagként. Korábban azt hitték, hogy a reakció, amelyben a metionin átalakul metionissá a CO 2 felszabadulásával, nem olyan könnyen visszafordítható. Ehhez általában magas nyomás és hőmérséklet szükséges. De a müncheni kémikusok találtak egy egyszerűbb módszert: Két enzimet azonosítottak, amelyek kombinálva nagy mennyiségű aminosavat termelnek metionos és gáznemű szén-dioxidból, mindössze két bar nyomáson. A biokatalizátorok optimalizálása után Skerra kutatói akár 40 százalékos hozamot is elérhettek, ahogy a "Nature Catalysis" folyóiratban írják.
A kísérleteket kezdetben egy kis laboratóriumi autoklávban hajtották végre. Az eljárás viszonylag egyszerű volt: az összes reakcióelegyet a nyomástartó edénybe öntötték, és legfeljebb két napig hagyták ott. Mint részletes tanulmányok kimutatták, a dekarboxiláz enzim kezdetben elvégzi a dolgát, és egy CO₂ csoportot kapcsol a metionálishoz. A második lépésben egy aminocsoportot egy másik megfelelő enzim továbbít. Az eredmény a metionin aminosav.
A tesztsorozat az Evonik vegyipari vállalat, az egyik legnagyobb metioningyártó cég pályázatával indult. Ez az anyag a nyolc aminosav egyike, amely az ember számára elengedhetetlen, és széles körben használják az állati hizlalás során, mivel a baromfi és a sertés adagolása révén jobban hasznosítja takarmányát. A metionin éves termelése tízmillió tonna. Az aminosavat ipari léptékben állítják elő hatlépéses eljárásban, amelyben hidrogén-cianidot - más néven erősen mérgező hidrogén-cianidot - használnak.
A biztonságosabb gyártási folyamat keresése érdekében az Evonik öt évvel ezelőtt kereste fel a német egyetemeket. Számos javaslatot választottak ki, köztük a müncheni vegyészek javaslatát. Arne Skerra és munkatársai korai sikereket tudtak felmutatni az együttműködésben, így kutatási projektjüket azóta finanszírozzák.
Magas hozam az enyhe körülmények ellenére
A természet mindig nagy példakép a CO₂ kijavításában. A fotoszintézis során - a fényenergiától vezérelve - a zöld növények felszívják a szén-dioxidot, és szerves vegyületekké épülnek fel. Azonban összesen 14 enzim vesz részt a CO rögzítésében, és a hozam csak 20 százalék. Folyamatukkal Skerra és kollégái jobb rekordot tudnak felmutatni.
A múltban számos kísérlet történt a szén-dioxid biokatalitikus rögzítésére. Ezt azonban szuperkritikus CO 2 -val végezték, amely rendkívül nagy nyomást okozott, vagy karbonát-tartalmú oldatokkal, amelyek erősen lúgosak, ezért erősen maró hatásúak. A müncheni tudósok viszont enyhe nyomáson és szinte semleges savtartalmú gáznemű CO.
A metionin mellett más aminosavak is előállíthatók biokatalitikusan az eljárással. A vegyészek leucint és izoleucint nyerhettek 3-metil-butanalból, illetve 2-metibutanalból. Az enzimek további finomításának lehetővé kell tennie a jövőben a nagyüzemi termelést. A következő évben az Evonik új metionintermelő üzemet indít Szingapúrban, éves kapacitása 150 000 tonna - de a müncheni álomreakciót még nem alkalmazzák ott.