Kulsyre anhydrase hjælper os med at trække vejret – kan dette enzym være med til at reducere CO2-udledning til atmosfæren?
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 12, 2009 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder.
Af Martin Simon Borchert, Novozymes A/S, Danmark og Paria Saunders, Novozymes North America Inc., USA
Isolering og opbevaring af kuldioxid, (”Carbon capture and storage”, CCS) er en proces, som bliver nævnt oftere og oftere for at adressere de stigende udledninger af CO2 til atmosfæren. I årevis er CCS blevet brugt til naturgas”rensning”, f.eks. i Statoils Sleipner West-felt i Nordsøen. Her fjernes en betragtelig del af den naturligt forekommende CO2, for at undgå korrosionsproblemer og for at naturgassen kan opfylde kravene til renhed. Røggas, der dannes ved afbrænding af fossile brændsler, har et lavt CO2-indhold sammenlignet med naturgas. Derfor er det nødvendigt, at CO2-koncentrationen øges betragteligt inden komprimering, transport og opbevaring. CO2-opkoncentrering sker i dag ved brug af forskellige aminbaserede solventer (f.eks. monoethanolamin MEA) ved opgradering af naturgas og ved ammoniakproduktion. En stor ulempe ved aminbaseret CO2-fjernelse er, at processen forventes at forbruge cirka 30% af den producerede energi på et kulkraftværk. Det vil selvsagt resultere i en stor økonomisk belastning for det enkelte kulkraftværk. Selve CO2-isoleringen fra røggas estimeres til at udgøre mellem 70-80% af de samlede udgifter forbundet med CCS, og målet er en reduktion til 10-20 euro pr. ton CO2, samtidig med at mere end 90% CO2 fjernes fra røggassen [1].
Andre ulemper ved CO2-fjernelse er langsomme processer, udslip af miljøskadelige og giftige stoffer (både solventer og solventnedbrydningsprodukter) og behov for et stort procesapparatur. Hvis isolering af CO2 virkelig skal vinde frem, er der behov for alternative teknologier, der nedbringer omkostningerne ved CCS og for en samtidig reduktion af miljøpåvirkningerne.
En mulig teknologi til bæredygtig CO2-fjernelse fra røggasser kan være enzymatisk CO2-fjernelse [2,7]. Denne teknologi er stadig under udvikling og er endnu ikke testet i industriel skala. Biokatalysatoren, som potentielt kan anvendes til enzymatisk fjernelse af CO2, er enzymet kulsyre anhydrase (KA). Det kan fungere sammen med både alkalisalte og aminbaserede solventer.
Vi har konstrueret en reaktor i laboratorieskala for at karakterisere forskellige KA’er for deres effektivitet og for deres stabilitet under lang tids drift. Det blev vist, at tilstedeværelse af KA øger absorption i væsken, således at 94% af CO2 i den indkomne gas bliver fjernet mod 34% uden biokatalysator.
Kulsyre anhydrase, et enzym med adskillige funktioner i naturen
I 1933 blev en kulsyre anhydrase opdaget i blodet fra en ko, og siden er enzymet blevet fundet i mange forskellige organismer [3]. Enzymets funktion er at hydrere CO2, så der dannes bikarbonat:
En KA er et zink metalloenzym, og i dag opdeles disse enzymer i tre hovedklasser (alfa, beta og gamma). KA’er har udviklet sig uafhængigt og parallelt i forskellige organismer, hvilket ses fylogenetisk i figur 1.
Humant isozymII (hCAII) findes i menneskets lunger, og det er bl.a. vha. dette enzym, vi kan trække vejret.
hCAII er et af de hurtigste enzymer, man kender. Det har en hydreringshastighed på mindst 1,4 mio. molekyler CO2 pr. sekund pr. molekyle enzym. Den modsatte reaktion, hvor bikarbonat omdannes til CO2, er temmelig langsom. Sodavand mister ikke sit brus i glasset, men først når drikken kommer ind i munden. Her findes KA bl.a. i smagsløgene, hvor det registrerer surhed [4]. KA inhibitorer bruges farmaceutisk for at modvirke grøn stær (glaukom), og mod højdesyge, hvor inhibitorerne forhindrer optaget af CO2, hvilket fører til en reduktion i mængden af bikarbonat i blodet. Alger, cyanobakterier og planter bruger KA til at fiksere CO2 . Bakterier, herunder de metanogene arkebakterier, bruger KA ved dannelsen af metan fra brint og kuldioxid.
Gør-det-selv kulsyre anhydrase aktivitetsmåling
Det grundlæggende princip i aktivitetsmålingen er, at dannelsen af bikarbonat resulterer i dannelsen af hydrogenioner [5]. Iskoldt destilleret vand mættes med CO2 ved gennembobling med CO2-gas. Alternativt kan et stykke tøris kommes ned i destilleret vand (det ser også underholdende ud).
Således udføres selve eksperimentet: lav en 25 mM Tris-HCl buffer pH 8,3, tilsæt bromothymolblåt indtil farven er klart blå, 2 ml af denne buffer kommes i to reagensglas, der står i isvand. Til det ene rør tilsættes KA (eksempelvis fra Sigma-Aldrich®), og et tilsvarende væskevolumen uden KA tilsættes det andet reagensglas som kontrol. Med en sprøjte med lang nål, tilsættes hurtigt den CO2-mættede opløsning på bunden af hvert reagensglas. Samtidig startes et stopur, og tidspunktet registreres, når opløsningen skifter farve fra blå til gul (omslagsintervallet for bromothymolblåt er pH 6,0-7,6). Den tid, det tager, før opløsningen skifter farve til gul, er omvendt proportional med KA-aktiviteten. Dvs. jo højere aktivitet des flere hydrogenioner frigives pr. tid, hvilket medfører, at pH falder hurtigt, og omslaget sker inden for kortere tid.
Opdagelsen af en termostabil kulsyre anhydrase
KA’er fra pattedyr, planter eller bakterier virker ofte ved fysiologisk temperatur (37°C) eller lavere. Ved enzymatisk fjernelse af CO2 fra varm røggas udgør den højere temperatur således en stor potentiel ulempe, da enzymerne inaktiveres, med mindre røggassen afkøles væsentligt inden CO2-fjernelsen. Afkølingsprocessen vil kræve en relativt stor mængde energi, som ”spildes”. Derfor er der i enzymatisk CO2-fjernelse behov for en mere termostabil KA. Tidligere har vi fundet flere termostabile enzymer fra Bacillus (f.eks. proteaser såsom Alcalase® og Subtilisin® og alfa-amylaser såsom BAN™ og Duramyl®). Disse enzymer har vist sig at være egnede i flere forskellige og krævende industrianvendelser. Desværre er det kun enkelte Bacillus-specier, der har et gen, som koder for en KA, der kan transporteres over cellemembranen.
Set fra et industrielt synspunkt som enzymproducent, så er sekretion af proteinet nødvendig, da det muliggør adskillelse af det ønskede protein og produktionsorganismen. Gener, der koder for alfa-KA’er, er hidtil kun fundet i de alkalitolerante specier B. plakortidis [6], B. halodurans og B. clausii. I andre Bacillus-specier findes der gener (ofte multiple) for intracellulære, ikke-sekreterede beta-klasse KA’er.
Første gang en KA er produceret i en Gram-positiv værtsorganisme
KA-generne fra B. plakortidis, B. halodurans og B. clausii har vi klonet og produceret i B. subtilis. Efterfølgende er disse KA’er blevet oprenset til homogenitet, før de blev karakteriseret. Så vidt man ved, er det første gang, at en KA er blevet udtrykt i en Gram-positiv vært, hvilket er strengt nødvendigt for kommerciel storskala-produktion.
Alle de oprensede kulsyre anhydraser blev undersøgt for deres termostabilitet for at finde den mest robuste KA, der potentielt kan virke i røggasrensning. Tidligere videnskabelige studier har anvendt en KA fra koblod og en modificeret human CAII [7], men ingen af disse KA’er er i dag tilgængelige i industriel skala. Figur 2 viser stabiliteten af hCAII og af de fire heterologt udtrykte KA’er i dette studie. Både hCAII og B. plakortidis KA er ustabile ved højere temperaturer. KA fra B. clausii (CAC) udviste samme termostabilitet som den hidtil mest termostabile KA (gamma-KA fra M. thermophila (CAM)[10]. Yderligere viste karakteriseringen, at en KA fra en anden B. clausii-stamme (fra Novozymes’ stammesamling) havde en endnu højere termostabilitet. Begge B. clausii KA’er var aktive ved applikationsrelevante pH-værdier, dvs. pH 9,0-10,0. Det betyder, er disse KA’er interessante til industriel CO2-fjernelse ud fra en teknisk synsvinkel.
Reaktordesign til enzymatisk CO2-fjernelse
Anvendelsen af en KA til CO2-fjernelse er tidligere blevet beskrevet i litteraturen og forskellige reaktordesign er blevet foreslået. Disse reaktordesign er bl.a. “hollow fiber contained liquid membrane” reaktorer (HFCLM) [8], “contained liquid membranes” [2] eller søjle-pakkede absorbere/desorbere [7]. Det generelle princip i disse design er, at en absorptionsopløsning bringes i kontakt med gassen, samtidig med at der er en KA til stede, enten i opløsning eller immobiliseret.
Vores laboratoriereaktor er en “hollow fiber contained liquid membrane” (ca. 15 cm høj), hvor et gasflow af nitrogen og kuldioxid bringes i kontakt henover membranen med absorberopløsningen, der indeholder KA. Herved omdannes CO2 til bikarbonat ved gas-væske-overgangen ved membranen (figur 3). Ud-gassen analyseres ved gaskromatografi. De enkelte Bacillus KA’er blev testet i dette system [9], og vi viste, at alle de nævnte Bacillus KA’er kunne fjerne CO2 fra gasblandingen. I forsøg ved rumtemperatur, hvor absorberopløsningen var en bikarbonatbuffer indeholdende KA, var det muligt at reducere CO2-indholdet i gasblandingen fra 15%vol til 0,1%vol, hvilket svarer til en fjernelse på 99% (figur 4). Kontroleksperimentet uden KA fjernede 34% af CO2’en.
Studierne viste, at en velvalgt KA kan øge raten af både absorption og desorption (også i blanding med MEA), hvilket kan være med til at reducere størrelsen på en reaktor til CO2-fjernelse. Desuden viste studierne, at desorptionsprocessen kan køre ved lavere temperatur sammenlignet med desorptionprocessen fra aminbaserede solventer (~120 °C), dog skal der bruges f.eks. svagt vakuum til desorptionsprocessen, hvilket skal medregnes i det samlede energiforbrug. Inden for produktion af biogas har indledende eksperimenter vist, at reaktoren også kan bruges til at fjerne CO2 fra en metan-kuldioxid blanding (60/40%vol) [9].
Med den nye enzymbaserede teknologi har hele processen således potentiale til at være mere miljøvenlig. Enzymer laves hovedsageligt ud fra fornybare ressourcer, og dertil kan absorptionsvæsken være bikarbonat, som er væsentligt mere ufarlig end aminbaserede solventer.
Referencer
1. European Comission. “A vision for zero emission fossil fuel power plants.” RTD info magazine, Zero Emission Fossil Fuel Power Plants Technology Platform (2006)
2. R. M. Cowan, J.-J. Ge, Y.-J. Qin, M. L. McGregor og M. C. Trachtenberg. “CO2 Capture by Means of an Enzyme-Based Reactor.” Ann. N.Y. Acad. Sci. 984 (2003): 453-469.
3. K. Smith og J. Ferry. “Prokaryotic carbonic anhydrases.” FEMS Microbiol Rev 24, no. 4 (2000): 335-366.
4. G. Miller. “Enzyme lets you enjoy the bubbly.” Science 326, no. 5951 (2009): 349.
5. K. M. Wilbur og N. G. Anderson. “Eletrometric and Colorimetric Determination of Carbonic Anhydrase.” J Biol Chem 176 (1948): 147-154.
6. M. S. Borchert, P. Nielsen, I. Graeber, I. Kaesler, U. Szewzyk, T. Pape, G. Antranikian og T. Schäfer. “Bacillus plakortidis sp. nov. and Bacillus murimartini sp. nov., novel alkalitolerant members of rRNA group 6.” IJSEM, (2007): 2888-2893.
7. R. Daigle, M. Desrochers og R. Blais. Patentnr. US0257990 og US6524843. (2006 og 2000)
8. S. Majumdar. “A new liquid membrane technique for gas separation.” AIChE 34, no. 7 (1988): 1135-1145.
9. M.S. Borchert og P. Saunders. Patentnr. WO2008/095057. (2008)
10. B. Alber og J. Ferry. “Characterization of heterologously produced carbonic anhydrase from Methanosarcina thermophila.” J Bacteriol 178, no. 11 (1996): 3270-3274.
Figur 1. Udklip af fylogenetisk træ over alfa-klasse kulsyre anhydraser (i dag findes der ca. 1300 alfa-KA-sekvenser ud af i alt 2300 KA-sekvenser). Proteinsekvenser fra bakterier (grønne) og eukaryoter (gule) kan vises i et fylogenetisk træ pga. den tætte evolution af disse enzymer [3]. KA’er med fed skrift indgik i dette studie.
Figur 2. Temperaturstabilitet for de fire Bacillus KA’er, humant ISOZYM-CAII og gamma-KA fra M. thermophila (data for hCAII og CAM er fra [10]). Enzymopløsningerne blev inkuberet 30 min ved de forskellige temperaturer ved pH 8,0, og residualaktiviteten blev målt med Wilbur-Andersson assay (Faktaboks 2).
Figur 3. Skematisk oversigt over laboratorieskala-reaktor til bestemmelse af CO2-fjernelse og til karakterisering af de enkelte KA’er. ”Hydration modulet” er et hollow fiber modul, som tilføres en gasblanding (84±1%vol N2 og 14±1%vol CO2). I modulet omdannes CO2(g) til bikarbonat i væskefasen. Bikarbonat kan så igen omdannes til CO2 på lignende vis i et andet modul (dvs. i et dehydrationsmodul, ikke tegnet), hvorefter den oprensede CO2 kan komprimeres og lagres som på normal vis ved aminbaseret fjernelse. Tilsætning af en KA øger CO2-transporten ind i væskefasen betragteligt. Afhængig af den enkelte KA’s egenskaber kan KA-opløsningen anvendes flere gange.
Figur 4. CO2-fjernelse i laboratorieskala-reaktor med og uden B. clausii KA. Vandfasen indeholdende bikarbonat ved forskellige pH-værdier. Jo højere pH-værdi (fra pH 6,5 i destilleret vand til pH 9.5), desto mere CO2 kunne der fjernes ved ren kemisk absorption. Ved de KA-katalyserede processer kunne absorptionsraten øges fra 33% til 94% CO2 ved pH 9,5 og mere end 99% ved pH 9,95.
