Ganzzell-Biokatalyse in MikroreaktionssystemenBiotechnologische Verfahren gewinnen als Erg\u00e4nzung von klassisch-chemischen Verfahren immer mehr Bedeutung. Enzyme oder ganze Zellen k\u00f6nnen metallorganische Katalysatoren in der Herstellung von Feinchemikalien, besonders bei der Produktion optisch aktiver Substanzen, ersetzen. Enzyme sind in der Lage, nur eine definierte Reaktion mit einem eingeschr\u00e4nkten Substratspektrum zu katalysieren. Allerdings ist ein Gro\u00dfteil der Enzyme au\u00dferhalb der Zelle instabil. Ein weiterer Nachteil tritt bei Reaktionen auf, bei denen Cofaktoren ben\u00f6tigt werden (z.B. Redoxreaktionen). Diese Cofaktoren k\u00f6nnen auf Grund ihrer Kosten nicht in \u00e4quimolarer Menge zugesetzt werden, was eine effiziente Cofaktorregenerierung n\u00f6tig macht.Diese Probleme werden durch Einsatz der Ganzzell-Biokatalyse umgangen, da die Enzyme in ihrer nat\u00fcrlichen Umgebung vorliegen, und eine Cofaktorregenerierung zellintern vorhanden ist. Aber auch der Einsatz ganzer Zellen hat Nachteile. Zellen besitzen meist mehrere Enzyme, die eine Reaktion katalysieren k\u00f6nnen. Je nach Kopienzahl und Geschwindigkeitskonstanten der Enzyme wird durch zum Beispiel Reduktion eines prochiralen Ketons das (R)- oder das (S)-Enantiomer gebildet. Wenn die Zelle Stress ausgesetzt wird, kann es zu einer Ver\u00e4nderung der Kopienzahl und zur Bildung anderer Enzyme kommen, um die Zelle vor den Auswirkungen des Stresses zu sch\u00fctzen. Das kann wiederum zu einer Verringerung der Enantiomerenreinheit und einem wertlosen, verunreinigten Produkt f\u00fchren. Stress kann auf die Zelle durch zum Beispiel Temperaturschwankungen, Konzentrationsschwankungen des Eduktes beziehungsweise Produktes oder durch die Scherwirkung des R\u00fchrers ausge\u00fcbt werden.Im technischen Ma\u00dfstab finden biotechnologische Verfahren in Reaktoren mit einem Volumen bis zu 10m\u00b3 statt. Zellen produzieren durch ihren Stoffwechsel W\u00e4rme, die durch geeignete K\u00fchlvorrichtungen abgef\u00fchrt werden muss. Die K\u00fchlung kann \u00fcber die Wand (Doppelmantelreaktor) und\/oder \u00fcber K\u00fchlschlangen im Reaktor erfolgen. Die Zellsuspension ist in der N\u00e4he der K\u00fchlung k\u00e4lter als im Inneren des Reaktors. Durch R\u00fchren der Zellsuspension werden die Zellen abwechselnd durch kalte und w\u00e4rmere Bereiche des Reaktors geleitet. Dadurch sind sie nie in einer optimalen Temperaturumgebung, was Stress auf die Zellen aus\u00fcbt und, wie oben erl\u00e4utert, zu einer Verringerung der Enantiomerenreinheit f\u00fchrt. Ein weiterer Einflussfaktor ist der R\u00fchrer. Durch diesen wird Scherstress auf die Zellen ausge\u00fcbt. Die Zugabe des Eduktes erfolgt meist im fed-batch-Verfahren. Dadurch ist die Konzentration des m\u00f6glicherweise toxischen Eduktes an der Dosierstelle h\u00f6her als im Rest des Reaktors. Die Zelle sieht sich chemischem Stress ausgesetzt, was auch zu einer Verringerung der Enantiomerenreinheit f\u00fchrt.Eine M\u00f6glichkeit, die Zellen diesem Stress nicht auszusetzen, ist der Einsatz der Mikroreaktionstechnik. Die Apparaturgr\u00f6\u00dfe liegt im \u00b5m- bis mm-Bereich. Durch diese geringen Abmessungen leisten die Diffusion und die W\u00e4rmeleitung, die in gr\u00f6\u00dferen Reaktoren vernachl\u00e4ssigbar w\u00e4ren, einen signifikanten Beitrag zur W\u00e4rme- und Stoff\u00fcbertragung. Die Folge ist eine Prozessintensivierung. W\u00e4rme kann schneller abgef\u00fchrt und Konzentrationsunterschiede schneller ausgeglichen werden. Dadurch herrschen im gesamten Reaktor reproduzierbare Bedingungen. W\u00e4hrend dieser Promotion soll ein neuer Reaktor f\u00fcr die Ganzzell-Biokatalyse entwickelt werden. Dieser Reaktor ist ein Mikrokanal mit einem Innendurchmesser von 1 bis 2 mm und einer L\u00e4nge von bis zu 100 m. Die als Reaktionsmedium genutzte Zellsuspension soll mit Stickstoff kompartimentiert werden. Diese Kompartimentierung f\u00fchrt zum sogenannten Slug-Flow, der die Vermischung innerhalb des Reaktionsmediums gew\u00e4hrleistet und die R\u00fcckvermischung im Kanal verhindert. Dadurch soll die Enantiomerenreinheit der Reduktion von ?-Ketoestern zu ?-Hydroxyestern durch Saccharomyces cerevisiae deutlich verbessert werden.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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