Biokatalyysissä

Biokatalyysi tarkoittaa kemiallisten reaktioiden nopeuttamista luonnollisten katalyytien avulla, pääasiassa entsyymeillä. Biokatalyysiä voidaan toteuttaa eristettyihin entsyymeihin tai kokonaisiin soluihin (solujen biokatalyysi). Reaktiot tapahtuvat yleensä vedessä, lievissä lämpötiloissa ja fysiologisilla pH-arvoilla, mikä mahdollistaa herkimpien yhdisteiden käsittelyn sekä mahdollisuuden tarkan stereokehityksen hallintaan.

Entsyymit tarjoavat yleensä suurta chemo-, regio- ja enantioselektiivisyyttä, mikä mahdollistaa erittäin tarkkojen ja puhtaiden tuotteiden syntezin. Tämän vuoksi biokatalyysiä käytetään laajasti hankalienkin molekyylien valmistuksessa. Ennen käyttöä entsyymejä voidaan immobilisoida, mikä parantaa niiden stabiilisuutta ja mahdollistaa kierrätyksen reaktorissa. Kokonaiset solut voivat hyödyntää solujen omaa metabolisia reittejä, jolloin erillisiä puhdistettuja entsyymejä ei tarvita. Ko-faktoreiden kierrätys, kuten NADH/NADPH, parantaa prosessin taloudellisuutta. Lisäksi voidaan käyttää ohjattua evoluutiota ja tietokoneavusteista suunnittelua entsyymien ominaisuuksien parantamiseksi sekä substraattikirjon laajentamiseksi.

Sovelluskohteita ovat lääke- ja elintarviketeollisuus, vihreä kemia sekä biopohjainen tuotanto. Entsyymiluokista yleisimpiä ovat oksidoreduktaasit, hydrolaasit, transferaasit, lyaasit ja ligaasit, jotka katalysoivat hapetus- ja palautumisreaktioita, hydrolyysiä, siirtoreaktioita sekä sidosten muodostusta. Biokatalyysi mahdollistaa usein chiraalisen rakennuspalikoiden valmistamisen korkean enantioselektiivisyyden ansiosta.

Edut ovat ympäristöystävällisyys, pienempi energiankulutus ja vähäisempi sivutuoteteollisuus sekä mahdollisuus käyttää uusiutuvia lähteitä. Rajoitteita ovat sovellettavuuden rajallinen substraattikirjo, entsyymien stabiilisuus ja kustannukset sekä kofaktorien tarve ja skaalaus. Näihin ratkaisuihin vastaavat entsyymien immobilisointi, prosessisuunnittelu ja jatkuvat reaktorit sekä tarvittaessa kokonaiset solut.