Biokatalyse mit prozessintegrierter Produktisolierung

Unter milden Bedingungen katalysieren als Oxygenasen bezeichnete Enzyme den hoch spezifischen Sauerstoffeinbau in verschiedene, fĂŒr industrielle Anwendungen interessante Grundchemikalien. Dieser biokatalytische Sauerstoffeinbau ersetzt die Verwendung giftiger Schwermetall-Katalysatoren und komplizierte Mehrstufenprozesse der herkömmlichen Synthesen mit hoher Umweltbelastung. Das Hauptproblem der meisten sauerstoffeinbauenden biokatalytischen Prozesse, nĂ€mlich die starke Produkthemmung, die sich nachteilig auf die ProduktivitĂ€t auswirkt, wurde in diesem Projekt modellhaft am Beispiel der enantioselektiven Styrolepoxidierung gelöst. Den Erfolg brachte eine direkt in den Prozess integrierte, effektive und kostengĂŒnstige Abtrennung des Produkts aus dem Produktionsgemisch.

Wachsende Bakterien als Biokatalysatoren
Im Beispielprozess diente eine rekombinante Variante des Darmbakteriuns Escherichia coli als Biokatalysator. In einem so genannten Emulsionsprozess wurde zusÀtzlich zur wÀssrigen Phase mit dem Biokatalysator eine zweite, nicht mit Wasser mischbare organische Phase eingesetzt.
Diese dient als Substratreservoir und gleichzeitig auch zur in situ Produktextraktion. Auf diese Weise wurde die Konzentration der giftigen Substanzen in der wÀssrigen Phase mit dem Biokatalysator gesenkt.
Aus verschiedenenm getesteten ProzessfĂŒhrungs-varianten wurde ein «repeated fedbatch»-Verfahren, eine Art halbkontinuierlicher Fermentation, mit wachsenden Zellen als aktiven Biokatalysatoren gewĂ€hlt und optimiert. Dabei wurde eine durchschnittliche ProduktivitĂ€t von 5,3 g/L/h bezogen auf das Volumen beider Phasen erreicht. Der EnantiomerenĂŒberschuss – ein Maß fĂŒr die optische Reinheit des Produkts – betrug ĂŒber 99 %.

Keramische Membranen zur Begasung und Produktextraktion
Zur Abtrennung des fĂŒr den Biokatalysator giftigen Produkts aus der Emulsion mittels Pertraktion oder Pervaporation und zur effektiven Begasung wurden lösungsmittel-bestĂ€ndige und dampfsterilisierbare keramische Monokanal- und Hohlfasermembranen sowie Module aus Edelstahl mit austauschbaren Membranelementen entwickelt. Um selektive Produktabtrennung zu ermöglichen, wurden die keramischen Hohlfasermembranen mit Polydimethylsiloxan (PDMS) sowie Teflon beschichtet. FĂŒr Pertraktion und Pervaporation ĂŒber die beschichteten Membranen wurden Styroloxid-FlĂŒsse von 1,8 und 10 g/m2/h erreicht. Als letzter Aufreinigungsschritt wurde ein modifiziertes Verfahren zur Extraktion mit ĂŒberkritischem CO2 entwickelt. Styrol und Styroloxid können damit aus der organischen Phase sowie der Emulsion extrahiert werden.

Fazit:
Derartige Konzepte fĂŒr integrierte Prozesse zur Oxyfunktionalisierung wie auch die erreichten ProduktivitĂ€ten stellen die Basis fĂŒr die Entwicklung nachhaltiger und kostengĂŒnstiger Bioprozesse dar, die umweltbelastende Prozesse der Petrochemie ersetzen können.

Projektziel:
Entwicklung eines nachhaltigen biokatalytischen
ProjekttrÀger:
UniversitĂ€t Dortmund Fachbereich fĂŒr Bio- und Chemieingenieurwesen Prof. Dr. Andreas Schmid Emil-Figge-Strasse 66 44227 Dortmund
Telefon:
0231 755 7380
URL:
www.bci.uni-dortmund.de
E-Mail:
schmid@bci.uni-dortmund.de

Unbeschichtete Membranen zur Begasung und Produktextraktion; links: Monokanalrohr; rechts: Membranelement mit keramischen Hohlfasern
Schema der Biotransformation von Styrol zu (S)-Styroloxid in einem Zweiphasensystem; gewÀhltes PhasenverhÀltnis: 1:1.