Thermodynamic and kinetic phenomena in the enzymatic conversion of acetophenone to 1-(R)-phenylethanol in a continuous gas/solid reactor

  • Thermodynamische und kinetische Phänomene in der enzymatischen Konversion von Acetophenon zu 1-(R)-Phenylethanol in einem kontinuierlichen Gas/Feststoff-Reaktor

Dimoula, Kerasina; Büchs, Jochen (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2009)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Kurzfassung

Heutzutage setzen sich die Gas/Feststoff biokatalytische Systeme innerhalb des unkonventionellen Biokatalyse Bereichs besonders durch. Um die Gas/Feststoff Biokatalyse für analytischen oder synthetischen Zwecke zu nutzen, muss der jeweilige Prozess im Detail verstanden werden. Daher wurde der Aufbau und die Charakterisierung eines kontinuierlichen Gas/Feststoff Reaktors hier demonstriert. Die überstehenden thermodynamischen und kinetischen Phänomene, während der katalysierten Konversion von Acetophenon zu 1-(R)-Phenylethanol mit der gleichzeitigen Oxidation von 2-Propanol zu Aceton von Wildtyp LBADH, wurden beschrieben. Der Betrieb des Reaktoraufbaus wurde validiert und nachweislich die thermodynamische Steuerung erreicht. Am validierten System wurde der Stoffübergang entlang dem Festbett untersucht und die axiale Dispersion der reagierenden Komponenten wurde vorausberechnet. Dennoch wurde die Dispersion über dem Festbett durch eine ausgeprägte (bis 6 mgAcetophenon/mgProtein) Acetophenon Adsorption überlagert. Die Rolle des Wassers wurde durch Adsorptionsstudien erforscht. Die Hydration des immobilisierten Enzyms wurde durch eine BET-Isotherme beschrieben. Es wurde gezeigt, dass das Präsenz von Saccharose im Enzympräparat sehr signifikant ist, insbesondere für Wasseraktivitäten höher als 0.5. Signifikante Hysteresis während der Wasserdesorption, bis 0.6 mgWasser/mgProtein für lyophilisiertes Enzym und bis 10 mgWasser/mgProtein für immobilisiertes Enzympräparat, wurde festgelegt. Die für die messbare Konversion am Reaktor minimal benötigte Wasseraktivität wurde zwischen 0.2 und 0.25 festgelegt. Dies entspricht ungefähr 5 mgWasser/mgProtein absorbiertes Wasser. Eine weitere Erhöhung der Wasseraktivität des Reaktionsgemisches führte zu einer fast exponentielle Zunahme der Konversion. Eine kinetische Untersuchung wurde unter ausschließlich Reaktions-Limitierenden Bedingungen durchgeführt. Eine 1er-Ordnung Reaktion Kinetik bezüglich Acetophenon (vmax/KM=0.0046 µmol/min/IU) und eine Michaelis-Menten Kinetik bezüglich 2-Propanol (vmax=0.0046 µmol/min/IU und KM=0.105) wurden nachgewiesen. Die Stabilität der immobilisierten Wildtyp LBADH ohne Saccharose wurde unter normale Betriebsbedingungen nachgeforscht und die wichtige Rolle der Wasseraktivität wurde gezeigt. Der vor der Immobilisierung auftretende Aufreinigungszustand des Enzyms und das Handling des Enzympräparats wurden als entscheidende Faktoren für die Betriebsstabilität hervorgehoben. Eine Vergleichsstudie der Betriebsstabilität der Wildtyp LBADH und der G37D NADH-abhängigen Varianten zeigte, dass die Voraussage von Enzymeigenschaften der Daten in Flüssigkeit nicht zuverlässig ist. Die Enantioselektivität des Enzyms im studierten Reaktionssystem wurde ebenso erforscht. Die Konversion von Acetophenon wurde mit hoher Enantioselektivität im Gas/Feststoff Reaktor durchgeführt und lieferte enantiomerische Überschusswerte von ungefähr 99.5% bei allen verwendeten Betriebsbedingungen. Die Wasseraktivität des Reaktionsgemisches wurde als die maßgeblichste Einflussgröße festgestellt. Während des Gesamtprojektes wurde sowohl die Leistung des Reaktors, als auch des immobilisierten Enzympräparats geprüft und in Frage gestellt. Folgende Schwächen der ausgewählten Immobilisierungsmethode wurden beobachtet: ausgeprägte diffusive Limitation bei hoher spezifischer Aktivität des immobilisierten Enzympräparats mit Saccharose, Auswaschung des Enzyms bei hoher Wasseraktivität, Einfluss des Handlings des Enzympräparats auf die Reproduzierbarkeit der Messungen usw. Zusammenfassend ist zu sagen, dass diese Effekte auf die Wahl hinweisen in der Zukunft stärkere, vermutlich kovalenten, Immobilisierungsmethode und porösen Immobilisierungsträger anzuwenden.

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