Vaskemiddelenzymer - Danmarks Tekniske Universitet

Vaskemiddelenzymer
– et fascinerende dansk industrieventyr med en masse kemi
AF TURE DAMHUS
V
erden over produceres
der her i Kemiens År
2011 så meget tøjvaskemiddel, at det svarer til
over 3 kg om året per menneske på jorden (jf. Figur 1). Til
fremstilling af alt dette medgår
der råstoffer, energi til produktionsprocesserne, emballage til
produkterne, energi til transport
af dem osv., foruden at de
komponenter, der udledes med
spildevandet efter vasken, i et
eller andet omfang belaster
vandrensningsanlæg og recipienter. I hjemmene og på
institutionerne forbruges energi
til vaskeprocesserne, primært
til opvarmning af vand. Det
burde være indlysende, at hele
dette kompleks er værd at
arbejde med alene ud fra et
ressourcebesparelsessynspunkt,
og der ofres ganske betydelige
midler på forskning og udvikling inden for området. Kemi
og fremstillings- og bioteknologi er godt i gang med
gennemgribende at forandre
vaskemidler, vaskeprocesser og
vaskemaskiner. Et vigtigt bidrag hertil fra dansk side er
udviklingen af industrielle processer til fremstilling af enzymer og produktion i stor skala
(dvs. tonsmængder) af disse –
en udvikling, der startede for et
Figur 1. Den totale produktion af tøjvaskemidler var i 2010 på omkring
6
24 ∙ 10 t, svarende til over 3 kg per person på jorden (alle medregnet!).
Figuren viser fordelingen på de enkelte produkttyper. Disse er dog næppe
helt skarpt defineret og udviser også stærk regional variation.
Kilde: Euromonitor.
halvt århundrede siden og fort- hvilket er en voldsom forsætter i dag i virksomheden enkling – sæbe er teknisk set
Novozymes.
blot én af en hel række mulige
ingredienser. I Boks 1 er opregnet en række af de kateHVAD HAR
gorier af ingredienser, som man
VASKEMIDDELENZYMER
finder i europæiske pulverMED KEMI AT GØRE?
Prøv at gå i supermarkedet og vaskemidler anno 2011. De
køb en pakke vaskepulver eller tilhører en række forskellige
en flaske flydende vaske- kemiske klasser; nogle af kommiddel, eller, endnu bedre ponenterne undergår kemiske
måske, gå ind på producentens reaktioner i vaskevæsken eller
hjemmeside og prøv at finde ud deltager i komplicerede procesaf, hvad der er i vaskemidlet. ser relateret til aggregering og
De fleste vil formentlig blive adsorption
til
overflader.
forbavsede over, hvor mange Pladsen tillader ikke at gå i
ingredienser, der kan antræffes detaljer her; i stedet anbefales
i sådan et produkt. Mange taler det at læse artikel-serien i
om "sæbe" og "sæbepulver", Dansk Kemi [1].
1
industri, bryggerier, industribagerier osv.: for at kunne drive sådan business to businessvirksomhed må man nødven Overfladeaktive stoffer (tensider): anioniske – herunder sæber; nodigvis have en temmelig detalnioniske; kationiske; zwitterioniske
jeret forståelse af kemien i
 'Buildere' (carbonater, silicater, phosphater; zeolitter; chelatorer)
kundens (vaskemiddelprodu Blegesystem (hydrogenperoxidkilde, aktivator)
centens, tekstilmøllens osv.)
 Fyld-/hjælpestoffer (oftest natriumsulfat)
processer.
 Antiredepositionsmidler (polymerer)
Et ligeså vigtigt område, hvor
 Soil-release-polymerer
kemisk indsigt er afgørende, er
 Komponenter til forhindring af farveoverførsel (polymerer)
de besmudsninger, som vaske Skumdæmpere (sæber, siliconeolier)
processerne tilsigter at fjerne
fra tekstiloverfladerne (og køk Enzymer (proteaser, amylaser, lipaser, cellulaser, mannanaser, ...)
kengrej og service, når det
 Optisk hvidt
handler om opvask). Se herom
 Parfume
i Boks 2. Vi skal senere se på,
 Sprængmidler (i tabletter)
hvordan udviklingen af enzymer foregår i dag, men vi tager
Det kræver et indgående ioner), rust, eventuelt dichlor først et strejf tilbage gennem
kendskab til disse ingrediensers og hypochlorit fra chlorering historien.
kemi at udvikle enzymer, der mv. Der gælder noget tilsvakan arbejde sammen med dem i rende i forbindelse med de DEN SPÆDE START
en vaskevæske, hvis sammen- mange andre industrier, som På en måde startede det hele
sætning i øvrigt yderligere Novozymes i dag leverer med de to canadiere Best og
kompliceres af tilstedeværelsen enzymer til: tekstilindustrien, Bantings opdagelse af insulin i
i ledningsvandet af vandhård- stivelsesindustrien, fremstilling 1921. Det var nemlig baggrunhed (calcium- og magnesium- af biobrændstoffer, læder- den for, at de to brødre Harald
Boks 1. Ingredienser, der kan antræffes i velformulerede europæiske
pulvertøjvaskemidler med blegesystem [1]
Boks 2. Almindeligt forekommende besmudsninger, delvis ordnet efter kemiske karakteristika
Proteiner
æg
blod
mælk/fløde
"kravefedt"
græs
sovs
chokoladeis
Lipider
spiseolie
læbestift
mælk/fløde
"kravefedt"
Carbohydrater
stivelse (ris, pasta,
havregrød, ...)
galactomannan
(i guar gum)
græs
sovs
chokoladeis
cellulose (!!)
sovs
chokoladeis
Andet
motorolie
te, kaffe
rødvin
"kravefedt"
frugtfarver
sovs
chokoladeis
Det er klart ud fra kategoriseringen, at der er arbejde her til proteaser (proteinspaltende enzymer), lipaser (fedtspaltende enzymer), amylaser (stivelsesnedbrydende enzymer), mannanaser og cellulaser. "Kravefedt", hudfedt
plus eventuelle kosmetika mv. afsat på skjortekraver, er et stort problem for forbrugerne i visse lande og derfor
genstand for nøjere udforskning. Der er tale om meget komplekse blandinger!
Grunden til, at cellulose er nævnt her, er, at mange tekstiler baseret på cellulosefibre (med bomuld som den
vigtigste type) slides på overfladen, sådan at mikrofibriller, der stikker ud fra overfladen, tiltrækker smuds og
også selv spreder lyset og dermed giver tøjet et nusset udseende. Passende udvalgte og doserede cellulaser kan
her bruges til at fjerne mikrofibrillerne og derved mindske og forebygge disse uønskede virkninger. Se nedenfor
om Carezyme.
2
Figur 2. Villa Rolighed på Fuglebakkevej, Frederiksberg (1925).
Det var i kælderen her, at det
hele startede som Novo Terapeutisk Laboratorium.
og Thorvald Pedersen fra
Hurup grundlagde et firma i en
villa i København i 1925 (jf.
Figur 2), hvor de udvandt
insulin af bugspytkirtler fra
grise og køer. Kirtlerne hentede
man i Kødbyen og cyklede ud
til villaen. Dette var starten på
firmaet Novo, der langt senere
(1989) ved fusion med Nordisk
Insulin (et konkurrerende, men
også dansk firma, grundlagt i
1923) blev til Novo Nordisk,
og hvorfra Novozymes blev
udskilt i 2000. Der er fortræffelige kilder til firmahistorien,
som vi kun vil behandle glimtvis her [2,3,4,5,6]. Situationen
omkring insulinproduktionen i
dag er beskrevet i nærværende
artikelserie [7].
I 1913 havde tyskeren Otto
Röhm udtaget patent på at
anvende enzymer (se Boks 3)
fra bugspytkirtler (pancreasenzymer) i vaskemidler. Der
var erfaringer fra slagterier om,
at det var lettere at vaske blod-
Boks 3. Enzymer
Enzymer er katalytiske proteiner. De findes i planter og dyr i bl.a. celler
og fordøjelseskanaler og produceres også af mikroorganismer: svampe
og bakterier. Moderne industriel produktion af enzymer er vidtgående
baseret på mikroorganismer, som om fornødent er genetisk modificerede, så de bliver særligt effektive til at producere de pågældende enzymer – til gavn for produktionsøkonomi, ressourceforbrug og miljø.
Som proteiner har enzymer forskellige egenskaber, som er relevante
for anvendelsen i vaskemidler:
De har en struktur, der er mere eller mindre følsom overfor påvirkning
fra det kemiske og fysiske miljø, de befinder sig, specielt denatureres de
o
o
over en vis temperatur, som regel et sted mellem 50 C og 100 C. Det
følger heraf, at enzymer ikke er ubetinget og ubegrænset stabile, så
formuleringen af faste og flydende enzymprodukter er en vigtig del af
fremstillingsprocessen.
De har et stort antal ladede grupper, de fleste pH-afhængige, således
at enzymets samlede ladning fra at være positiv ved lavt pH passerer
gennem et punkt med ladning 0 (det isoelektriske punkt) og videre til
negativ ladning ved højt pH. Enzymers katalytiske aktivitet er afhængig
af temperatur og pH.
Som fremmedproteiner i forhold til den menneskelige organisme er
enzymer potentielt allergene. Arbejder man med enzymer på en måde,
der medfører risiko for indånding af støv eller aerosoler indeholdende
enzymprotein, må man beskytte sig på relevant vis. Forbrugere er ved
normal brug af de få produkttyper, der overhovedet indeholder enzymer, når de når frem til hjemmene, ikke udsat for nogen erkendt risiko,
men det er et vigtigt forhold at tage højde for i industrien.
Se videre i bl.a. artikel 7 og 8 i serien [1].
Figur 3. Produktion af proteasen trypsin fra bugspytkirtler på det gamle
Novo i 1940erne. I slamcentrifugerne blev trypsinet skilt fra kirtelrester.
3
Figur 4. Etiket til spand med Novo-Enzym, som var Novos første enzymprodukt til vask og indeholdt en blanding af
pancreasenzymer (herunder trypsin) og bakterieprotease. Under overskriften står: "Specialpræparat til vask af tøj
med æggehvidestofholdig besmudsning (f.eks. slagtetøj, fiskekitler etc.)." Brugsanvisningen starter henne til højre
og fortsætter til venstre og involverer forskyl, forvask (en kogevask, if. den håndskrevne tilføjelse i natriumcarbonat med nonionisk tensid), mellemskyl, så enzymvasketrinnet, der eventuelt kan forlænges til en iblødsætning natten over ved lavere enzymforbrug, og endelig "normal eftervask (incl. blegning og skylning)". Det kan ikke
undre, at flere kunder klagede over, at metoden var omstændelig!
pletter af, hvis der kom findelte
bugspytkirtler med i vasken. I
det meste af første halvdel af
det 20. århundrede kunne man
købe vaskemidler indeholdende
pancreasenzymer; problemet
var bare, at disse enzymer ikke
var synderligt aktive ved det
høje pH, der herskede i brugsopløsninger af datidens husholdnings-tøjvaskemidler.
På Novo begyndte man også
tidligt at producere navnlig
trypsin, en pancreasprotease,
Figur 5. Produktionen nåede hurtigt et anseligt omfang efter boomet
med Alcalase. Her centrifugehallen i rensningsafdelingen hos Novo Industri i Kalundborg i 1969. Se også Figur 6.
4
som blev solgt til forskellige
andre industrier, ikke mindst
garveriindustrien (jf. Figur 3). I
[3, kapitel 6] kan man læse om
nogle af de mere spektakulære
anvendelser, såsom forsøg på at
anvende det ved øjenoperationer. Senere fik trypsin en kortvarig karriere som ingrediens i
et vaskemiddelenzymprodukt
(se Figur 4).
ENZYMPRODUKTIONEN
TAGER FART
Gennembruddet kom imidlertid, da man begyndte at producere mikrobielle enzymer. Det
startede med en bakterieamylase
(stivelsesspaltende
enzym) til tekstilindustrien [8],
men i slutningen af 50erne
fandt man (i virkeligheden en
kompliceret trekant mellem
Nordisk Insulin, Carlsberg og
Novo [3, kapitel 6]) en alkalisk
protease i bakterien Bacillus
licheniformis (et bakterielt
proteinspaltende enzym med
aktivitet ved "højt" pH, dvs. pH
Figur 6. To pulverblandere med tilhørende afvejningssystem i produktionshal (Novo Industri 1969). Færdigvarer på pulverform blev fyldt i fibertromler. Enzymkoncentratet, som lå til grund for fremstillingen, blev
internt transporteret i de stålbeholdere, der ses til venstre og i baggrunden, og som populært kaldtes "sputnikker".
= 8 og et stykke opefter). Enzymet kom på markedet under
navnet Alcalase og vandt hurtigt frem i vaskemidler som
Biotex, der blev lanceret i Holland i 1963 og i Danmark i
1964 [3, kapitel 6].
Markedet voksede hastigt,
firmaet ligeså (jf. Figur 5 og 6)
– man producerede jo i øvrigt
fremdeles også insulin og et
spektrum af andre produkter –
men i 1970 indtrådte en krise,
efter at der blev konstateret
tilfælde af allergi på nogle engelske vaskemiddelfabrikker.
Enzymer er potentielt allergene
(se Boks 3), og datidens
pulverformige produkter var
ikke støvfri, så hvis man arbejdede med dem, kunne man
også komme til at indånde
enzymstøv. Det afgørende slag
mod enzymproduktionen var
imidlertid en kampagne i USA,
anført af Ralph Nader (senere
kendt som præsidentkandidat!),
som gik på, at enzymer kunne
være farlige for forbrugerne.
Nærmest fra den ene dag til
den anden forsvandt en stor del
af vaskemiddelmarkedet, og
Novo måtte fyre omkring 400
medarbejdere.
Ikke så længe efter (november 1971) fremkom imidlertid
en rapport fra de amerikanske
myndigheder, der godtgjorde,
at der ingen risiko var for forbrugere ved at anvende enzymholdige vaskemidler, det var
oven i købet også en god ting
for miljøet, hed det, og i øvrigt
udviklede man i de nærmest
følgende år nye faste enzymproduktformer (prills og granulater), som nedsatte støvdannelsen betragteligt og der-
5
med også gjorde det sikkerhedsmæssigt forsvarligt at
arbejde med enzymer i vaskemiddel-industrien.
Ikke desto mindre holdt det
amerikanske markeds skepsis
over for enzymer sig til langt
op i 80erne, og i England
møder man den dag i dag en så
stor skepsis, at der er basis for,
at de førende vaskemiddelmærker med enzymer også har
en non-bio-pendant, dvs. et
tilsvarende produkt, bare uden
enzymer.
Det globale marked voksede
dog hurtigt igen fra midt70erne, og i løbet af 70erne og
80erne kom nye enzymtyper
til: amylaser (stivelsesspaltende),
cellulaser
(cellulosespaltende) og lipaser (fedtspaltende). Navnlig amylaser
var også af interesse for
maskinopvask, og bakterieamylasen med produktnavnet
Termamyl, oprindelig udviklet
til tekstilindustrien [8], fik succes i både tøjvask og maskinopvask.
Faktisk
bidrog
Novos/Novo Nordisks ihærdige
indsats med at promovere
enzymer til maskinopvaskemidler til en mindre revolution,
hvor helt nye, chlorfrie og meget mindre alkaliske formuleringer blev udviklet og slog
igennem.
Den første lipase på markedet, Lipolase, var det første
industrielle enzym produceret i
en gensplejset mikroorganisme.
Den blev færdigudviklet på
rekordtid i 1988 for at være
klar til 100-årsjubilæet for den
japanske
vaskemiddelproducent Lion [3, kapitel 27].
Figur 8. Otto Andresen fra Novo Industri var på Assistens Kirkegård i 60erne og samlede jordprøver til
undersøgelse for enzymer af mulig interesse. Han var
ved Kierkegaards grav og samlede også jord ved Niels
Bohrs grav, men først i en upåfaldende kompostbunke
ved udgangen var der bid. I en prøve derfra fandt man
det enzym, der senere markedsførtes som vaskemiddelproteasen Esperase. Billedet her kom senere i
New York Times. Firmaet var i mellemtiden blevet til
Novo Nordisk, som man kan se. Den bakterie, hvorfra
en anden vaskemiddelprotease, Savinase, blev isoleret, var (trods sejlivede skrøner om Kierkegaards grav)
slet ikke fra Assistens, men fra almindelig havejord.
Figur 7. Efter krisen med enzymallergitilfældene gav
det fornyede avisoverskrifter i 1971, da enzymer i
vaskemidler blev frikendt af den amerikanske regeringsrapport.
CASE STORY: SAVINASE
Efterhånden blev Alcalase
vidtgående afløst af Savinase
[3, kapitel 6], der kom på
markedet i 1983. Trods senere
udvikling af mange varianter
med specielle egenskaber til
bestemte
markedssegmenter
osv. er Savinase stadig, med sin
brede anvendelighed, Novozymes' største produkt til vaskemiddelindustrien. Boks 4 og
Figur 10 giver yderligere information om dette enzym.
Formålet med boksen og figuren er at demonstrere, hvad det
er for informationer, der (bl.a.)
er relevante, når man skal arbejde med et sådant enzym til
vaskemidler.
Det er vigtigt, at enzymet er
ekstracellulært, da det betyder,
at det kan oprenses fra en cellefri gæringsvæske efter fracentrifugering af cellerne (jf. Figur
5), i stedet for at disse skal oplukkes.
De forskellige begreber i
Boks 4 er muligvis ikke alle
bekendte; i så fald må man ty
til biokemilærebogen eller
eventuelt det enzym-crash
6
course, der er medtaget i artikel
7 i serien [1].
FORSKNINGEN BAG
UDVIKLINGEN
Allerede i 1944 anstillede man
på Novo vaskeforsøg med
trypsin [3, kapitel 6], såvel på
kitler som små testlapper besmudset med f.eks. blod, for at
undersøge, og siden demonstrere, enzymernes vaskeeffekter. I
årtierne derefter var vask, primært stiliseret vask i laboratoriet, formentlig den primære
metode på Novo i forbindelse
Boks 4. Savinase
Klassifikation
 Mikroorganisme: Bacillus clausii (tidl. Bacillus lentus)
 Extracellulært enzym
*)
 EC 3.4.21.62 (IUBMB-IUPAC's enzymnomenklatur baseret på den katalyserede reaktion)
 Serinproteaser > klan SB > familie S8 (subtilaser) > subtilisiner > Savinase
 Reaktivitet: endopeptidase, bred specificitet, foretrækker stor uladet rest i P1; spalter også peptidamider,
f.eks. det chromogene Suc-Ala-Ala-Pro-Phe-pNA, hvor pNA = 4-nitroanilin, som anvendes i spektrofotometriske aktivitetsassays
 Katalytisk triade (D = asparaginsyre, H = histidin, S = serin)
 Molekylstruktur: 269 aminosyrerester, 2 calciumioner (jf. Figur 10)
 Molar masse: 26698 g/mol
Sekvens
AQSVPWGISR VQAPAAHNRG LTGSGVKVAV LDTGISTHPD LNIRGGASFV PGEPSTQDGN GHGTHVAGTI AALNNSIGVL
GVAPSAELYA VKVLGASGSG SVSSIAQGLE WAGNNGMHVA NLSLGSPSPS ATLEQAVNSA TSRGVLVVAA SGNSGAGSIS
YPARYANAMA VGATDQNNNR ASFSQYGAGL DIVAPGVNVQ STYPGSTYAS LNGTSMATPH VAGAAALVKQ KNPSWSNVQI
RNHLKNTATS LGSTNLYGSG LVNAEAATR
Proteinkemi
 Isoelektrisk punkt (pI): 10.1
o
2+
 Denatureringstemperatur: 76 C (i nærvær af Ca )
 pH-optimum: 8.5–11
o
 Temperaturoptimum: 50 C
 Oxidationsfølsom (methionin M222 lige ved det aktive center oxideres til sulfoxid, evt. sulfon); oxidationsstabile varianter kan fremstilles ved at udskifte methionin med ikke-oxidationsfølsomme aminosyrer.
*)
IUBMB = International Union of Biochemistry and Molecular Biology; IUPAC = International Union of Pure and
Applied Chemistry; EC = Enzyme Committee.
med udvikling af "vaskeenzymer". I midten af 80erne
begyndte man at interessere sig
mere for mekanismerne bag
vaskeresultaterne, og fysiskkemiske metoder og stofkemien af vaskemiddelingredienserne kom i fokus. Ikke
mindst for lipasernes vedkommende skulle det vise sig af
stor betydning, at man studerede den detaljerede mekanisme ved nedbrydningen af
fedtstofferne [9] og lipasernes
fysisk-kemiske forhold. Man
kan sige, at der kom spotlight
på disciplinen biofysik, som vi
nu kender den fra universitetsuddannelserne.
Figur 9. Enzymgranulat fyldes i big bags i Kalundborganlægget (Novo Industri 1987).
7
varigt detektivarbejde at identificere lige netop det enzym og
renfremstille det [3, kapitel 26].
Senere kom viden til om den
helt specielle modulære opbygning af den type cellulaser, jf.
Figur 12.
De hidtil omtalte enzymer er
alle hydrolaser; de katalyserer
alle hydrolytiske reaktioner,
som ellers ikke ville foregå
med kendelig hastighed under
Figur 10. Rumlig struktur af
vaskebetingelser. Tidligt invaskemiddelproteasen Savinase.
teresserede vi os også for evenOmråder med helix- og foldebladsstruktur er markeret. Den
tuelt at kunne erstatte blegekatalytiske triade af aminosyrerne
midler med enzymer. Det første
asparaginsyre, histidin og serin er
store projekt af slagsen havde
vist (jf. Boks 4). De to gule kugler
ikke succes i vaskemidler, men
symboliserer calciumioner, der
resulterede til gengæld i et
sidder bundet til peptidkæden og
produkt til blegning af indigoer med til at stabilisere konformafarvede (blå) cowboybukser
tionen af enzymet.
baseret på et redoxenzym (en
Computerbilleder som dette
genereres i dag enten ved direkte
laccase) [10]. Der er den dag i
bestemmelse af koordinaterne i
dag ikke kommercialiseret
en krystal af enzymet ved røntenzymer, som kan gøre noget
gendiffraktion – hvis det er muligt
effektivt ved besmudsninger
at krystallisere enzymet – eller
som rødvin, te, kaffe, solbær
ved modellering af strukturen ud
osv., som hidtil kun de oxifra kendte strukturer af nært
dative blegemidler i pulvervabeslægtede enzymer.
skemidler har haft en signifikant positiv effekt på (jf. Boks
Der var også proteinkemiske 2).
udfordringer. Et godt eksempel
er udviklingen af den vaske- HVAD RØRER SIG I 2011
middelcellulase, der kom til at De tre vigtigste tendenser på
hedde Carezyme. Enzymet vaskemiddelmarkedet her i
kunne bruges til at "barbere" 2011 er: stigende interesse for
mikrofibriller af overfladen på flydende vaskemidler, koncenfarvede bomuldstekstiler og trering eller kompaktering af
derved medvirke til klaring af produkter og fokus på vask ved
farven på tekstiler, der ellers lav temperatur.
var blevet nussede og grålige at
Der er store regionale variase på, og også forebygge dette tioner i forbrugernes præferenfænomen, altså det kunne ud- cer for forskellige produktøve color care. Carezyme var typer: flydende, pulvere og
del af et kompleks af enzymer tabletter eller andre unit doseudtrykt af svampen Humicola former og mere eller mindre
insolens, og det var et lang- koncentrerede versioner. Ingre-
8
Figur 11. Måling af lysrefleksion
på stoflapper efter et vaskeforsøg på Novo i 1981 ved hjælp
af et refleksionsspektrofotometer. I dag anvendes mere moderne udstyr svarende til dette,
naturligvis forbundet til en computer til opsamling af data.
dienserne i de forskellige typer
er forskellige, så de kemiske
miljøer, enzymer møder i vaskemaskinerne rundt omkring,
er tilsvarende forskellige.
VEDVARENDE OG NYE
UDFORDRINGER
For flydende vaskemidler er
der et specielt problem, nemlig
at enzymer, ofte systemer af
flere enzymer, skal være i stand
til at bevare deres aktivitet
under opbevaringen af produktet frem til, at det tilsættes i en
vask. Alle enzymer har potentielt et problem her, fordi andre
ingredienser kan destabilisere
deres struktur. Overfladeaktive
stoffer er kendt for at kunne
have denne virkning, og den
kan forstærkes af kompleksdannere, som kan binde metalioner (især calcium), som fin-
des indlejret i enzymets struktur og stabiliserer denne [11].
Et andet problem er, at
proteaser som proteinspaltende
enzymer i princippet nedbryder
både sig selv og andre enzymer. Det afhænger dog af de
konkrete enzymer, men generelt har man haft brug for at
udvikle
inhibitorer,
der
formuleres
sammen
med
proteaserne i de flydende
vaskemidler og så dissocieres
fra i brugsopløsningen. I en
årrække brugte man borsyre
(borat) til dette formål, men
med et stigende myndighedspres for regulering af bor (pga.
iagttagne reproduktionstoksiske
egenskaber) var det nødvendigt
at udvikle alternativer. Et større
screeningsprogram førte til
udvælgelsen af forbindelsen
(4-formylphenyl)boronsyre, 4(OHC)C6H4B(OH)2, som ganske vist indeholder bor, men
som er en meget mere effektiv
inhibitor end borsyre, således at
man kan klare sig med et meget
lavere indhold af bor i det færdige produkt [12].
Når talen falder på vask ved
lav temperatur, kan man ikke
sige andet end at sænkninger af
vasketemperaturen formentlig
er den miljømæssigt vigtigste
forbedring af vaskeprocesserne.
Opvarmning af vaskevand forbruger rigtig meget energi.
Noget andet er, hvad man mener med lav temperatur. Formentlig vil vi se et stigende
antal vaskemaskiner med 20 oC
-programmer, men meget lavere kan man nok ikke påregne at
kunne styre temperaturen, så
bliver det bare koldtvandstemperaturen det pågældende
Figur 12. Rumudfyldende struktur af vaskemiddelcellulasen Carezyme
med pindemodel af et cellulosemolekyle under hydrolyse. Enzymmolekylet er ikke omtrentlig globulært, som mange andre proteiner, herunder
enzymer, men har en tredelt struktur med til venstre hoveddelen med
det aktive sted, dernæst et linker-modul og endelig til højre det cellulosebindende modul. Billede genereret af Esben Friis, Novozymes.
sted. Læseren kan altså tænke
på 'lav temperatur' som betydende alt fra 30 oC og nedefter.
Vask ved lav temperatur er
ikke nødvendigvis et akut problem for de traditionelle enzymer med hensyn til deres traditionelle virkninger. Enzymer
fungerer typisk over et ret bredt
temperaturområde, og i første
tilnærmelse kan man ved reformulering af et vaskemiddel,
herunder passende justering af
enzymdoseringen, ofte opnå en
lige så god vaskevirkning ved i
hvert fald lidt lavere temperatur. Men andre ingredienser har
også temperaturprofiler, ikke
mindst blegemidlerne. Og så
har generel vask ved lavere
temperatur en række konsekvenser, som ikke er udtryk for
svigt af bestemte ingredienser,
men som man roligt kan sige
udgør udfordringer, som de
fleste råvareleverandører til
vaskeindustrien får brug for at
tænke over: fremvækst af biofilm i vaskemaskinerne, dårlig
9
lugt i vasketøjet, manglende
drab på husstøvmider osv.
FORSKNING OG
UDVIKLING I
DAGENS NOVOZYMES
Når nye enzymer skal udvikles,
er der tre vigtige aktiviteter:
- Generering af nye enzymvarianter (det kan i princippet
være at gå ud og finde dem i
naturen, men er meget oftere en
proces med målrettet generering af en passede diversitet i
det genteknologiske laboratorium [13]).
- Afprøvning af enzymvarianter under mere eller mindre
virkelighedsnære betingelser,
indtil man (forhåbentlig) står
med det helt rigtige produkt i
hånden.
- Grundlæggende forskning
for at forstå de processer, hvori
man ønsker, at enzymerne skal
indgå, altså i vores tilfælde
vaskeprocesser med smudsige
tekstiler og en række andre
ingredienser ud over enzymerne.
ANVENDELSESFORSØG
De praktiske afprøvningsforsøg
kan arte sig på mange måder,
men eksempler er givet i Figur
13 og 14. Mens de viste
tallerkner stammer fra et opvaskeforsøg i fuld skala, viser
Figur 14 en laboratorievasketeknik i lille skala, der tillader
tests af flere enzymer og ved
lavere forbrug af enzymer end
fuldskalavask i husholdningsvaskemaskine. Dette er vigtigt
tidligt i en optimeringsproces,
hvor der ikke er store mængder
til rådighed af de endnu kun
eksperimentelle enzymvarianter.
GRUNDLÆGGENDE
UNDERSØGELSER
I det daværende Novo Industri
begyndte man i 1980erne at
interessere sig i detaljer for,
hvordan vaskemiddelingredienser som tensider og blegemidler virker, og enzymernes lokalisering under vaskeprocesser
blev undersøgt ved mærkning
af enzymmolekyler med radioaktive isotoper (primært 14C).
Senere er der indført metoder
til studier af adsorption af enzymer og andre proteiner og
vaskemiddelingredienser
til
overflader (QCM-D, jf. Figur
15, og Biacore-metoder baseret
på overfladeplasmonresonans),
målinger af zeta-potential af
overflader og metoder baseret
på attenuering af ultralyd til
bestemmelse af aggregering i
opløsninger (URT, ultrasonic
resonance technology). FT-IRmålinger (Fourier-transform-
Figur 13. Den kendte reaktion mellem stivelse og iod kan anvendes ved
synliggørelse (og faktisk også kvantitative målinger) af reststivelse på
tallerkner i maskinopvaskeforsøg. Den venstre tallerken er vasket i et
referenceopvaskemiddel, den højre i det samme opvaskemiddel tilsat en
amylase.
Figur 14. Vask i lille skala. Pipetten holdes af Malte Birk Petersen, og
bagved ses Jonathan Kürstein. De to elever fra Frederiksborg Gymnasium
udførte i december 2011 forsøg hos Novozymes i forbindelse med et
studieretningsprojekt. Hvert af de 16 bægre i dette såkaldte Terg-otometer fyldes typisk med 1 L vaskevæske. Forskellige besmudsede
tekstillapper ligger klar, nogle udskåret af brede baner med homogen
besmudsning, andre med afgrænsede pletter på et hvidt baggrundstekstil. Nogle af bægrene skal tilsættes en ekstra vaskemiddelingrediens,
der er under afprøvning (ligger parat i de hvide vejebåde).
10
infrarød spektroskopi) kan
hjælpe til at kvantificere
bestemte fedt- og proteinbelægninger på tekstilfibre.
Tensiometri har været anvendt
til måling af overfladespænding
af opløsninger af tensider,
polymerer mv. Lysmikroskopi
er også et nyttigt redskab ved
studier af tekstiloverflader (se
Figur 16).
For den udenforstående kan
ovenstående lyde som ren
namedropping. Det er det sådan set også, men idéen er at
påpege, at der er et meget inspirerende spænd fra de praktiske afprøvninger til grundlæggende studier med særdeles
sofistikerede fysiske metoder,
kort sagt noget for eksperimen-
tatorer med enhver smag.
Visse avancerede teknikker
kan det ikke svare sig at have
udstyr og ekspertise til inhouse, og de dyrkes typisk i
projekter sammen med universiteterne eller andre institutioner, der har udstyret og ved,
hvordan det bruges og data
fortolkes: elektronmikroskopi,
confocal mikroskopi, metoder
til single molecule tracking (se
som smagsprøve f.eks. [14]).
Hele det mikrobiologiske og
genteknologiske arbejde, der
ligger forud for, at vi i udviklingsafdelinger som dem, der
beskæftiger sig med vaskemiddelenzymer, kan få nye kandidater til afprøvning, vil vi ikke
gå nærmere ind på her. De æn-
dringer i enzymstrukturen, som
man frembringer ved at ændre i
arvemassen på de producerende
mikroorganismer, vil ofte være
rationelle og baseret på en del
af den grundlæggende forståelse, man allerede har oparbejdet,
eller de kan bevidst være mere
tilfældige. En oversigt er givet i
[13].
SAMMENFATNING
I en bioteknologisk virksomhed
som Novozymes er mange discipliner i sving, for at hele
forløbet fra mikroorganisme til
brugbart enzymprodukt får
succes. I mange af trinene i
forløbet er kemi eller kemisk
tankegang af vital betydning,
og den nødvendige forståelse af
de industrielle processer, hvori
de bioteknologiske produkter
skal fungere, kan kun opnås
ved brug af kemi. Dette har
ovenstående strejftog gennem
vaskemiddelenzymernes historie og nuværende stade forhåbentlig overbevist læseren om.
Der vokser mange nye fag
frem i det naturvidenskabelige
landskab for tiden, men kemi
vil fortsat være en central
disciplin. En god konklusion at
gå ud af Kemiens År med.
Forfatteren
Figur 15. Azar Morhill, Novozymes, arbejder her med en QCM-D (quartz
crystal microbalance with dissipation). Jo mere avanceret udstyr er, desto
mindre er der ofte at se. I den lille blå enhed forrest sidder en piezoelektrisk kvartschip i en sandwich mellem guldelektroder, som man kan belægge med et tyndt lag af f.eks. stivelse. Hvis man derefter bringer sandwichen/chippen i kontakt med en amylaseholdig opløsning, vil stivelseslaget formindskes. Ved at vibrere chippen ved at pålægge en vekselspænding mellem guldelektroderne og registrere frekvensændringen og
dæmpningen af signalet (dissipationen) kan man måle lagtykkelsen (som
kan være nede i nm-området) og den dynamiske viskositet af laget.
11
Ture Damhus er cand.scient. i kemi
og matematik og lic.scient. i kemi fra
Københavns Universitet. Siden 1985
har han arbejdet hos Novo Industri,
senere Novo Nordisk og nu Novozymes med vaskemiddelkemi og enzymer til vaskemiddel- og tekstilindustrien.
Han er også redaktør af Kemisk
Ordbog (på Ordbogen.com).
Figur 16. Her er Sisse Lakner Schmidt fra Novozymes i gang med studier i
mikroskop med fluorescens af farvede bomuldstekstiler, der er blevet
vasket gentagne gange og har fået det nussede udseende, der er omtalt
ovenfor i forbindelse med cellulaser.
Billedmateriale
Alle fotos gengivet i denne artikel
tilhører Novozymes A/S.
Referencer
1. T. Damhus et al., serie på 8 artikler om vaskemiddelkemi i midtersektionerne af bladet, Dansk Kemi
2005−2006. Artiklerne er tilgængelige i artikeldatabasen på
hjemmesiden www.techmedia.dk
2. H. Richter-Friis: Livet på Novo
[Gyldendal 1991].
3. K. Aunstrup: Vejen til Novozymes
[Novozymes A/S, 2001; ISBN 87988324-1-7].
4. K. Aunstrup: ”Historien om Novozymes”, side 111−129 i Dansk
bioteknologi i det 20. århundrede,
redigeret af A. Kildebæk Nielsen
[Historisk-kemiske skrifter nr. 18,
Dansk Selskab for Historisk Kemi, 2008].
5. Novo Nordisk Historie [Novo
Nordisk A/S, 2010; ISBN 978-87993835-0-4].
6. J. Markussen: ”Opfindelserne bag
Novo Nordisks succes i insulinbranchen”, side 93−110 i Dansk
bioteknologi i det 20. århundrede,
redigeret af A. Kildebæk Nielsen
[Historisk-kemiske skrifter nr. 18,
Dansk Selskab for Historisk Kemi, 2008].
7. T. Høeg-Jensen: ”Diabetes, insulins kemi og Novo Nordisk” (artikel til Kemiåret 2011).
8. K. Aunstrup, T. Damhus: ”Afsletning af bomuldstekstil: en af de
ældste anvendelser af mikrobielle
enzymer – og kimen til verdens
største enzymproducent”, side
145−155 i Kemi & Klæ'r – Tekstilkemi i historisk perspektiv, redigeret af T. Damhus, A. Kildebæk
Nielsen og C.B. Knudsen [Historisk-kemiske skrifter nr. 20,
Dansk Selskab for Historisk Kemi, 2011].
9. E. Gormsen: ”Brug af fedtspaltende enzymer i vaskemidler”,
Dansk Kemi 72 (1991) 160−163.
10. T. Damhus: ”Fra vaskefiasko til
tekstilsucces – en overraskende
udvikling med en industriel oxidoreductase”, side 167−176 i Kemi & Klæ'r – Tekstilkemi i historisk perspektiv, redigeret af T.
12
Damhus, A. Kildebæk Nielsen og
C.B. Knudsen [Historisk-kemiske
skrifter nr. 20, Dansk Selskab for
Historisk Kemi, 2011].
11. H. Lund et al.: “Protease and
Amylase Stability in the Presence
of Chelators Used in Laundry Detergent Applications: Correlation
Between Chelator Properties and
Enzyme Stability in Liquid Detergents”, J. Surf. Deterg. (on-line:
DOI 10.1007/ s11743-011-13188).
12. N. Prieto et al.: “A new enzyme
stabilizer for liquid detergents”,
Inform 13 (2002) 731−733.
13. M. Bjørnvad, T.V. Borchert, S.
Ernst: ”Optimering af proteiners
funktion”, Dansk Kemi 84, 11
(2003) 1−4.
14. A.W. Sonesson et al.: “Tracking
Single Lipase Molecules on a
Trimyristin Substrate Surface Using Quantum Dots”, Langmuir 23
(2007) 8352−8356.