Care Specialties Enzymatische Herstellung neuartiger Esteröle für Kosmetika Dr. Oliver Thum Gruppenleiter F&E Enzymatische Produkte Goldschmidt GmbH, Essen

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


Überblick

Navigation


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


Anforderungen an kosmetische Rohstoffe

Navigation


Anforderungen der kosmetischen Industrie

• Einfach zu verarbeiten

• Mildheit

• Berücksichtigung aktueller Trends und Entwicklungen

• Nachhaltiger Umweltschutz

• “Value for money”


Kationische und amphotere Surfactants

Nichtionische Surfactants:Alkylpolyglucoside 40 kt

Ethoxylate und Propoxylate

Anionische Surfactants:Lineare AlkylbenzolsulfonateFettalkoholsulfateFettalkoholethersulfate

470 kt

1340 kt1770 kt

Weltmarkt Surfactants


AXOL C62:Glyceryl stearate citrate

Beispiel eines „modernen“ Inhaltsstoffs

HO COONa

O

O

O

OH

O

O

O

OH

O

O


Biokatalyse für die Kosmetik

Navigation


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.


COOH HO+

O

O

Decyl Oleat, Tegosoft® DO

Konventionelle vs. Enzymatische Produktion

Navigation


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


Navigation

Vorteil 1: Prozess-Vereinfachung


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


Navigation

Vorteil 2: Nachhaltiger Prozess

Vorteil 1: Prozess-Vereinfachung


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

Navigation


Vorteil 3: Qualitativ hochwertige Produkte

Navigation

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


Möglichkeiten und Limitierungen

Navigation


Vorteile auf einen Blick

Navigation

• 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.


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.

Navigation


Forschungsziele

Navigation


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.

Navigation


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


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

Navigation


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

Navigation

Modellreaktion:

PG-3-lauratHO O O OH

OH OH OH

Lipase B60 °CLaurinsäure


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

Navigation


Dank

Navigation

Service Center BiocatalysisSolutions from NatureService Center BiocatalysisSolutions from Nature

Und Ihnen für Ihre Aufmerksamkeit!

Documents

Care Specialties Enzymatische Herstellung neuartiger Esteröle für Kosmetika Dr. Oliver Thum Gruppenleiter F&E Enzymatische Produkte Goldschmidt GmbH, Essen