Биокатализ в нефтехимии

Нефтехимическое сырьё — это углеводороды: ни кислотных групп, ни солеобразования, растворимость в воде — миллиграммы на литр. Белок — противоположный объект: заряженный полимер, который держит укладку только внутри воды. Свести их — не вопрос поиска нужного фермента, а вопрос перемещения реакции туда, где существуют оба, то есть на границу масло–вода, и сохранения белка в по существу органическом мире.

Межфазный катализ#

Липазы решают задачу размещения межфазной активацией. В водном растворе активный центр прикрыт спиральной крышкой; при контакте с гидрофобной поверхностью крышка откидывается, подставляя широкое гидрофобное лицо, которым фермент пришивает себя к масляной поверхности каталитическим серином внутрь масла. Фермент буквально сконструирован быть активнее всего там, где лежит субстрат. Следствие для проектирования процесса: скорость масштабируется площадью межфазной поверхности, а не концентрацией субстрата. Эмульсия с мелкими каплями обгоняет чистую масляную фазу, размер капель становится управляемой переменной процесса, а перемешивание делает химию, а не только смешивает.

Гидратная оболочка#

В почти безводном органическом растворителе белок живёт на связанном монослое воды — оболочке из нескольких сотен молекул на фермент, которая несёт водородно-связанную сеть, держащую укладку. Управляющая величина — снова активность воды: слишком мало, и белок деревенеет и перестаёт работать; слишком много, и гидролиз начинает конкурировать с нужным синтезом. Растворители атакуют, срывая или пронизывая эту оболочку: гидрофобные в неё почти не проникают, и ферменты переносят их хорошо, а полярные — короткие спирты, ацетон — растворяют оболочку и разворачивают белок; поэтому толерантность к растворителю следует за его гидрофобностью, а не за какой-либо универсальной шкалой. Ароматические углеводороды посередине: оболочке они мягче этанола, но проникают в гидрофобное ядро белка и разрыхляют его. Есть и ещё один поворот: органическая среда меняет саму химию — равновесие сдвигается от гидролиза к синтезу, поэтому в воде фермент рвёт сложноэфирные связи, а в почти сухом гексане собирает их. Это не новое свойство, а та же обратимость, помещённая в другую среду.

В чём потолок#

Пределов три. Массоперенос: субстрат, запертый в объёме масляной фазы, фермента не встретит, так что площадь контакта ограничивает скорость, каков бы ни был катализатор. Температура: нефтезаводские потоки горячи, а даже инженерные варианты белков работают на десятки градусов ниже условий крекинга — селективность покупается мягкими условиями, в этом весь смысл сделки. И кислород: самые ценные превращения углеводородов — окисления, а делает их кофактор-зависимые оксигеназы, тратящие NADH или NADPH на каждый оборот, — регенерация кофактора становится центром затрат. Именно поэтому промышленная ферментативная химия на гидрофобном сырье — бескофакторная: гидролиз, этерификация, разделение рацематов. Функционализация с хиральностью и кислородсодержащими группами — вот где выигрывает биология; крекинг и риформинг остаются за неорганическими твёрдыми телами, которым не нужна вода и которые прощают всё.