care specialties enzymatische herstellung neuartiger esteröle für kosmetika dr. oliver thum...
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Care Specialties
Enzymatische Herstellung neuartiger Esteröle für Kosmetika
Dr. Oliver Thum
Gruppenleiter F&E Enzymatische ProdukteGoldschmidt GmbH, Essen
Frankfurt, 12. Oktober 2005
Care Specialties Dr. Oliver Thum 12.10.2005 2
Überblick
Biokatalyse für die
Kosmetik Möglichkeiten und
Limitierungen Forschungsziele
Anforderungen an kosmetische
Rohstoffe
Navigation
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Überblick
Navigation
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Übersicht
Navigation
Möglichkeiten der weißen Biotechnologie als innovative und nachhaltige Technologieplattform
Möglichkeiten der weißen Biotechnologie als innovative und nachhaltige Technologieplattform
Vorteile enzymatischer ProdukteVorteile enzymatischer Produkte
Überblick über die Anforderungen der kosmetischen Industrie an moderne Inhaltsstoffe
Überblick über die Anforderungen der kosmetischen Industrie an moderne Inhaltsstoffe
Limitierungen des verfügbaren Standes der Technik und Ideen zu deren Behebung
Limitierungen des verfügbaren Standes der Technik und Ideen zu deren Behebung
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Anforderungen an kosmetische Rohstoffe
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Anforderungen der kosmetischen Industrie
• Einfach zu verarbeiten
• Mildheit
• Berücksichtigung aktueller Trends und Entwicklungen
• Nachhaltiger Umweltschutz
• “Value for money”
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Kationische und amphotere Surfactants
Nichtionische Surfactants:Alkylpolyglucoside 40 kt
Ethoxylate und Propoxylate
Anionische Surfactants:Lineare AlkylbenzolsulfonateFettalkoholsulfateFettalkoholethersulfate
470 kt
1340 kt1770 kt
Weltmarkt Surfactants
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AXOL C62:Glyceryl stearate citrate
Beispiel eines „modernen“ Inhaltsstoffs
HO COONa
O
O
O
OH
O
O
O
OH
O
O
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Biokatalyse für die Kosmetik
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Warum Biokatalyse für kosmetische Produkte?
• Die Kosmetikindustrie bevorzugt Rohstoffe aus natürlichen Quellen. Biokatalytische Prozesse für diese Verbindungen zu finden ist relativ wahrscheinlich.
• Die Biokatalyse eröffnet alternative Zugangswege für neue Produkte.
• Die Biokatalyse stellt gegenüber der konventionellen Produktion eine zukunftsträchtige Technologie mit besserer Ökobilanz dar.
• McKinsey 2003: Der Anteil biotechnologisch hergestellter Chemikalien der Weltproduktion – nicht nur der Spezialchemie – wird bis zum Jahr 2010 zwischen 10 und 20 % liegen.
• Die Kosmetikindustrie bevorzugt Rohstoffe aus natürlichen Quellen. Biokatalytische Prozesse für diese Verbindungen zu finden ist relativ wahrscheinlich.
• Die Biokatalyse eröffnet alternative Zugangswege für neue Produkte.
• Die Biokatalyse stellt gegenüber der konventionellen Produktion eine zukunftsträchtige Technologie mit besserer Ökobilanz dar.
• McKinsey 2003: Der Anteil biotechnologisch hergestellter Chemikalien der Weltproduktion – nicht nur der Spezialchemie – wird bis zum Jahr 2010 zwischen 10 und 20 % liegen.
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COOH HO+
O
O
Decyl Oleat, Tegosoft® DO
Konventionelle vs. Enzymatische Produktion
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aqueous waste
raw mat.
reaction
desodor.
bleaching
drying
filtration
packing
catalyst
steam
bleach
filter aid
volatile comp.
aqueous waste
solid waste
conventional
> 180°C140°C100°C
60°C20°C
applied temperature
raw mat.
reaction
packing
catalystrecycled
enzymatic
Konventionelle vs. Enzymatische Produktion
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Vorteil 1: Prozess-Vereinfachung
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aqueous waste
raw mat.
reaction
desodor.
bleaching
drying
filtration
packing
catalyst
steam
bleach
filter aid
volatile comp.
aqueous waste
solid waste
conventional
> 180°C140°C100°C
60°C20°C
applied temperature
raw mat.
reaction
packing
catalystrecycled
enzymatic
Konventionelle vs. Enzymatische Produktion
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Vorteil 2: Nachhaltiger Prozess
Vorteil 1: Prozess-Vereinfachung
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Vorteil 3: Qualitativ hochwertige Produkte
Analyse verschiedener Muster von Myristyl Myristate
Enzymatisch Wettbew. 1 Wettbew. 2 Wettbew. 3 Wettbew. 4
GC: Reinheit [%] 97.5 95.0 88.6 94.5 80.1
GC: C14-OH [%] 0.8 1.6 0.8 4.7 4.1
GC: unbek. [%] 0.4 1.4 2.2 0.4 4.2
Farbe @ 50°C 6 48 32 trübe trübe
OH-Zahl 3 1.6 8.7 14.0 13.0
Peroxid-Zahl < 0.1 6.0 1.7 < 0.1 < 0.1
Schmelzpunkt [°C] 42.5 40 40 40 39
O
O
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Vorteil 3: Qualitativ hochwertige Produkte
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Cetyl Ricinoleat, ein kosmetisches Wachs (TEGOSOFT® CR)
GC Signal
Zeit
Enzymatisch hergestelltes TEGOSOFT® CR
4 % 93 % 3 %
Produkt
Cetylalkohol Dimer
Konventionelles Produkt
GC Signal
Zeit23 % 61 % 12 %
Cetylakohol
Produkt
Dimer
O
O
OH
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Möglichkeiten und Limitierungen
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Vorteile auf einen Blick
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• Prozessvereinfachung durch mildere Reaktionsbedingungen und die Verwendung eines Festbettreaktors.
• Biokatalyse ist ein Musterbeispiel eines nachhaltigen Prozesses.
• Biokatalyse erlaubt den Zugang zu Produkten von hoher Qualität und Reinheit.
• Biokatalyse ermöglicht den Zugang zu neuartigen Produkten die konventionell nicht darstellbar sind.
• Prozessvereinfachung durch mildere Reaktionsbedingungen und die Verwendung eines Festbettreaktors.
• Biokatalyse ist ein Musterbeispiel eines nachhaltigen Prozesses.
• Biokatalyse erlaubt den Zugang zu Produkten von hoher Qualität und Reinheit.
• Biokatalyse ermöglicht den Zugang zu neuartigen Produkten die konventionell nicht darstellbar sind.
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Bestehende Limitatierungen
• Nur wenige Enzyme sind kommerziell erhältlich, die für die Synthese großvolumiger Spezialchemikalien geeignet sind, v. a. in Hinblick auf Aktivität und Stabilität.
• Daher können heute nur Veresterungsreaktionen (Lipase-katalysiert) industriell durchgeführt werden.
• Obere Prozesstemperatur: < 60°C.Um ohne organische Lösungsmittel auszukommen, können nur niedrigschmelzende Rohstoffe eingesetzt werden.
• Bei diesen niedrigen Temperaturen (< 60 °C) treten oft Inkompatibilitäten zwischen polaren und unpolaren Rohstoffen auf.
• Im Festbettreaktor können nur niedrigviskose Mischungen eingesetzt werden, Suspensionen gar nicht.
• Nur wenige Enzyme sind kommerziell erhältlich, die für die Synthese großvolumiger Spezialchemikalien geeignet sind, v. a. in Hinblick auf Aktivität und Stabilität.
• Daher können heute nur Veresterungsreaktionen (Lipase-katalysiert) industriell durchgeführt werden.
• Obere Prozesstemperatur: < 60°C.Um ohne organische Lösungsmittel auszukommen, können nur niedrigschmelzende Rohstoffe eingesetzt werden.
• Bei diesen niedrigen Temperaturen (< 60 °C) treten oft Inkompatibilitäten zwischen polaren und unpolaren Rohstoffen auf.
• Im Festbettreaktor können nur niedrigviskose Mischungen eingesetzt werden, Suspensionen gar nicht.
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Forschungsziele
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FNR Projekt FKZ: 220-201-03
• Erweiterung der existierenden Technologie auf neue esterbasierende Produkte.
• Entwicklung einer hyperthermostabilen Lipase zur Überwindung der Temperaturlimitierungen.
• Entwicklung neuer Reaktorkonzepte als Alternative zum Festbettreaktor.
• Übertragung in die Synthese von Neuprodukten im Labormaßstab.
• Erweiterung der existierenden Technologie auf neue esterbasierende Produkte.
• Entwicklung einer hyperthermostabilen Lipase zur Überwindung der Temperaturlimitierungen.
• Entwicklung neuer Reaktorkonzepte als Alternative zum Festbettreaktor.
• Übertragung in die Synthese von Neuprodukten im Labormaßstab.
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Potentielle Neuprodukte
Reaktionsprodukte von Fettsäuren und deren Derivaten (z. B. Methylester) mit polaren, nachwachsenden Rohstoffen, z. B.:
R1HOOC
NH2
O
OHHOHO
HOCH2
OH
O
HO OH
O
OH
CH2OH
OH O O
OH OH OH
OHn
HOOH
OH
OH
OH
OH
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Partner 1: FZ Jülich
Ziel: Entwicklung einer hyperthermostabilen Lipase für Hochtemperaturanwendungen, z. B. Synthese hochschmelzender Ester.
Das Teilprojekt wird bearbeitet von Prof. Dr. Karl-Erich Jäger, Forschungszentrum Jülich / Universität Düsseldorf
Ziel: Entwicklung einer hyperthermostabilen Lipase für Hochtemperaturanwendungen, z. B. Synthese hochschmelzender Ester.
Das Teilprojekt wird bearbeitet von Prof. Dr. Karl-Erich Jäger, Forschungszentrum Jülich / Universität Düsseldorf
Aktive Lipase mit mangelnder Thermostabilität
Gerichtete Evolution
Isolierung einer thermostabilen
Lipase
Strategie:
Modellreaktion:thermostableesteraseHO
O
+18
HO
18
O
O18 18
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Partner 2: TU Hamburg-Harburg
Ziele:1. Entwicklung eines alternativen Reaktorkonzeptes, zum Einsatz
hochviskoser Mischungen und Suspensionen sowie 2. alternativer Immobilisierungsmethoden.
Das Teilprojekt wird bearbeitet von Prof. Dr. Andreas Liese,Technische Universität Hamburg-Harburg
Ziele:1. Entwicklung eines alternativen Reaktorkonzeptes, zum Einsatz
hochviskoser Mischungen und Suspensionen sowie 2. alternativer Immobilisierungsmethoden.
Das Teilprojekt wird bearbeitet von Prof. Dr. Andreas Liese,Technische Universität Hamburg-Harburg
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Modellreaktion:
PG-3-lauratHO O O OH
OH OH OH
Lipase B60 °CLaurinsäure
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Arbeiten bei Degussa / Goldschmidt
•Aufbau und Betrieb eines Laborfestbettreaktors
•Fermentative Herstellung aller neuen Enzyme
•Herstellung einsetzbarer Immobilisate
•Anwendung aller neuen Biokatalysatoren in der Synthese kosmetischer Produkte
•Aufbau und Betrieb eines Laborfestbettreaktors
•Fermentative Herstellung aller neuen Enzyme
•Herstellung einsetzbarer Immobilisate
•Anwendung aller neuen Biokatalysatoren in der Synthese kosmetischer Produkte
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Dank
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Und Ihnen für Ihre Aufmerksamkeit!