Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Der gr\u00f6\u00dfte Anteil derzeit hergestellter optisch aktiver Feinchemikalien wird noch klassisch chemisch synthetisiert. Enzymatische Biotransformationen gewinnen aber zunehmend an Bedeutung. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines kontinuierlichen enzymatischen Gasphasenreaktors zur Herstellung optisch aktiver Alkohole und die Entwicklung eines Verfahrens, welches mit den etablierten Verfahren konkurrieren kann. Der Einsatz enzymkatalysierter Stoffwandlungsverfahren in der Gasphase ist aus \u00f6kologischen und \u00f6konomischen Gesichtspunkten deshalb so interessant, da Edukte umgesetzt werden k\u00f6nnen, die in w\u00e4ssrigen Medien nur sehr schlecht l\u00f6slich sind, ohne dass organische L\u00f6sungsmittel verwendet werden m\u00fcssen. Die problematische Entsorgung oder Aufarbeitung der organischen L\u00f6sungsmittel entf\u00e4llt daher. Weiterhin ergeben sich bedeutende Vorteile bei der Aufarbeitung der Produkte und bei deren Abtrennung von eventuell nicht umgesetzten Edukten. Auch in der Aufarbeitung entf\u00e4llt die Notwendigkeit, organische L\u00f6sungsmittel einzusetzen, woraus sich eine zus\u00e4tzliche Umweltentlastung bei der Produktion ergibt.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEs wurden Alkoholdehydrogenasen sowohl aus mesophilen als auch thermophilen Mikroorganismen eingesetzt. Die Bereitstellung und Testung geeigneter enzymatischer Pr\u00e4parate obliegt der Julich Chiral Solutions GmbH. Dazu werden zuerst Versuche in der Fl\u00fcssigphase durchgef\u00fchrt. Am Lehrstuhl f\u00fcr Bioverfahrenstechnik werden die Enzyme f\u00fcr den Einsatz in der Gasphase pr\u00e4pariert. Es wurden Batch- und kontinuierliche Reaktoren zur Durchf\u00fchrung des ersten Screenings entwickelt. Das Reaktionssystem wurde durch regelm\u00e4\u00dfige Probennahme, die im GC gemessen werden, analysiert. Zur Herstellung von Produkt im gr\u00f6\u00dferen Ma\u00dfstab wurde ein kontinuierlicher Enzym-Gasphasen-Festbettreaktor auf Edel-stahl-Basis gebaut und optimiert. Die Enzympr\u00e4parationen und Betriebsbedingungen, die sich bei den Vorversuchen als g\u00fcnstig erwiesen haben, werden als Orientierungsgrundlage f\u00fcr die Optimierung der Parameter im kontinuierlichen Betrieb dienen.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die Bearbeitung des Projekts Enzymatische Gasphasenreaktionen hat auf verschiedenen Ebenen Erkenntnisse geliefert, die den vorherigen Stand des Wissens entscheidend voran gebracht haben. Die Mechanismen der enzymatischen Gasphasenreaktionen konnten grunds\u00e4tzlich gekl\u00e4rt werden und fungieren als Basis f\u00fcr die Prozessoptimierung hinsichtlich eines sp\u00e4teren umweltschonenden Produktions-verfahrens. Eine systematische Optimierungsmethode wurde mit der Reduktion von Acetophenon zu (R)-Phenylethanol als Standardreaktion entwickelt, die leicht zu anderen Reaktionssystemen \u00fcbertragen werden kann.
\nDie Bereitstellung der Alkoholdehydrogenase aus Lactobacillus brevis wurde zuerst durch das Institut f\u00fcr Enzymtechnologie (IET), ab dem zweitem Projektjahr durch die Julich Chiral Solutions GmbH erm\u00f6glicht. Neue thermostabile Enzyme haben sich als sehr interessante Katalysatoren bewiesen und werden zuerst durch die Julich Chiral Solutions GmbH weiter untersucht.
\nF\u00fcr die Herstellung des Enzympr\u00e4parats wurde die Lyophilisierung aufgegeben und eine systematische Untersuchung der optimalen Immobilisierungsmethode, die in diesem System die h\u00f6chsten enzymatischen Aktivit\u00e4ten bei maximaler Enzymstabilit\u00e4t gew\u00e4hrleistet, verfolgt. Dabei konnte gezeigt werden, dass unter optimierten Bedingungen die adsorptive Immobilisierung der ADHs auf Glastr\u00e4gern zu einer Aktivierung der ADH im Vergleich zur L\u00f6sung f\u00fchrt. Wesentliche Parameter hierbei sind Saccharose als Stabilisator, ein geeigneter Puffer (50 mM Phosphatpuffer, pH 7). Wider Erwarten zeigte das thermostabile Enzym aus Thermoanaerobacter sp. im Vergleich zu ADH aus Lactobacillus brevis (LB ADH) bisher keine erh\u00f6hte Stabilit\u00e4t in der Gasphasenreaktion.
\nMit kinetischen Daten der Umsetzung von Acetophenon zu (R)-1-Phenylethanol, katalysiert durch LB ADH, erfolgte eine Auslegung des Gasphasenreaktors in guter \u00dcbereinstimmung zu experimentellen Ergebnissen. Eine \u00dcbertragbarkeit der Methodik konnte anhand der Umsetzung von 2-Octanon ebenfalls gezeigt werden. Mit einer halbtechnischen Umsetzung von Acetophenon \u00fcber 10 Tage konnten 1,7 g (R)-1-Phenylethanol hergestellt werden. Die Produktivit\u00e4t erreichte dabei 107 g\/L\/d und die Total Turnover Number 7.106 bezogen auf den Enzymeinsatz.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Jahr 2001: Bioforum, L\u00fcttich, 04.05.01 (Poster).
\nJahr 2002: 20. GVC\/Dechema-Jahrestagung, Wiesbaden 11.-13.06.02 (Vortrag); 4th European Sympo-sium of Biochemical Engineering Science, Delft, 28.-31.08.02 (Poster); Cell@Work, Maastricht, 28.11.02 (Poster).
\nJahr 2003: ACHEMA, Frankfurt, 18.-24.05.03 (Ausstellung); 11th European Congress on Biotechnology, Basel, 24.-29.08.03 (Poster).
\nJahr 2004: Bioperspectives 2004, Wiesbaden, 04.-06.05.04 (Vortrag), Biocat 2004, Hamburg, 29.08.-01.09.04 (Poster und Vortrag).<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Das Forschungsvorhaben Innovative Ans\u00e4tze zur umweltschonenden Herstellung optisch aktiver Feinchemikalien konnte mit wenigen \u00c4nderungen von Projektmethodik und Projektstruktur zum Ziel gef\u00fchrt werden. Es konnte ein wettbewerbsf\u00e4higes Verfahren zur Herstellung von (R)-1-Phenylethanol etabliert werden, wobei gleichzeitig gezeigt wurde, dass auch h\u00f6her siedende Substanzen erfolgreich in der Gas-phase umgesetzt werden k\u00f6nnen.
\nAus den w\u00e4hrend des Projekts gewonnenen Erfahrungen konnten f\u00fcr die Etablierung neuer Reaktionssysteme wesentliche Prinzipien erarbeitet werden. Bei der Immobilisierung von Enzymen werden sich zuk\u00fcnftige Optimierungen auf Stabilisatoren und Puffersysteme beschr\u00e4nken k\u00f6nnen. Allerdings muss die Aktivit\u00e4t und Stabilit\u00e4t in der Gasphase untersucht werden, da keine \u00dcbertragbarkeit dieser Eigenschaften von der Fl\u00fcssig- auf die Gasphase besteht. Gleicherma\u00dfen kann nicht davon ausgegangen werden, dass ein Enzym aus einem thermophilen Organismus zwangsl\u00e4ufig auch in der Gasphase bessere Stabilit\u00e4t als ein Enzym aus einem mesophilen Organismus zeigt.
\nZur Optimierung des Reaktionssystems zeigte der kontinuierliche Gasphasenreaktor insbesondere durch die online-Analytik unerwartete positive Eigenschaften. Die kinetischen und Gleichgewichtsuntersuchungen konnten mit einem hohen Grad an Genauigkeit und direkt f\u00fcr die Auslegung genutzt werden.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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