Biokatalüüs

Biokatalüüs, auch Biokatalyse genannt, bezeichnet die Nutzung von Enzymen oder lebenden Organismen als Katalysatoren, um chemische Reaktionen zu beschleunigen. Im Vergleich zu herkömmlichen chemischen Prozessen ermöglichen biokatalytische Reaktionen oft milde Reaktionsbedingungen, hohe Selektivität und weniger Abfall. Biokatalyse schließt freie Enzyme, immobilisierte Enzyme sowie ganzheitliche Zellreaktionen ein und wird in vielen Industriezweigen eingesetzt, von der Pharmazie bis zur Lebensmitteltechnik.

Die Grundlage bildet die Fähigkeit von Enzymen, spezifische chemische Umwandlungen mit hoher Stereoselektivität durchzuführen. Durch Biotechnologie und Proteinengineering lassen sich Enzyme anpassen oder neue Enzyme durch directed evolution entwickeln. Typische Reaktionen umfassen Hydrolasen, Transferasen, Oxidoreduktasen und Lyasen; Cofaktoren wie NAD(P)H werden oft in Kreisläufen recycelt, um Kosten zu senken.

Anwendungsfelder umfassen die Herstellung feiner Chemikalien, pharmazeutische Synthesen, die Bildung von chiralen Baugruppen sowie Enzymkettenreaktionen, bei denen mehrere Enzyme hintereinander arbeiten. Lipasen ermöglichen Veresterungen, Transaminasen führen zu enantioselektiven Amine, und Dehydrogenasen liefern kovalente Reduktionen. Ganzheitliche Zellreaktionen nutzen das gesamte Stoffwechselnetz, um Substrate in mehreren Schritten zu transformieren.

Vorteile der Biokatalyse sind hohe Chemoselektivität, geringe Umweltbelastung, tendenziell milde Temperaturen und pH-Werte. Herausforderungen sind begrenzte Substratspektren, Stabilität von Enzymen unter Prozessbedingungen, Cofaktorkosten und Skalierbarkeit. Lösungen umfassen Enzymimmobilisierung, Proteinengineering, Prozessentwicklung und in situ Cofaktorrecycling sowie die Nutzung von Enzymkaskaden.

Biokatalyse gilt als zentraler Baustein der grünen Chemie und gewinnt zunehmend in der industriellen Synthese an Bedeutung, insbesondere für die Herstellung von chiralen Arzneimittelvorstufen und nachhaltigen Feinchemikalien.