Übertragung der Produktion hydrophober Substanzen mit immobilisierten Biokatalysatoren in den technischen Labormaßstab

• Implementation of the production of hydrophobic compounds by immobilized biocatalysts to technical laboratory-scale

Eberhard, Werner; Büchs, Jochen (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2012)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Kurzfassung

Bei der Synthese organischer Substanzen spielen Biokatalysatoren auf Grund ihre Substrat-, Stereo- und Regiospezifität eine wichtige Rolle als Reaktionskatalysator. Während ihr natürliches Milieu vorwiegend die wässrige Phase ist, sind viele wirtschaftlich interessante Reaktanden nur schwer wasserlöslich. Die Produktausbeute solcher hydrophoben Substanzen kann jedoch durch Immobilisierung der Biokatalysatoren in einer Hydrogelmatrix und Suspendierung in einem organischen Lösungsmittel erhöht werden. Das organische Lösungsmittel dient dabei als Reservoir für die Edukte und extrahiert gleichzeitig die hydrophoben Produkte aus der Hydrogelmatrix. Zugleich sind die Biokatalysatoren, eingeschlossen in der Hydrogelmatrix, vor dem organischen Lösungsmittel geschützt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde beispielhaft das Enzym Carbonylreduktase aus Candida parapsilosis (CPCR) gewählt, um unter Oxidation des Cofaktors NADH+H+, Acetophenon stereospezifisch zu (S)-1-Phenylethanol umzusetzen. In einer enzymgekoppelte Regeneration mit der Formiatdehydrogenase (FDH) wurde der verbrauchte Cofaktor bei gleichzeitiger Oxidation des Co-Substrates Ameisensäure zu CO2 wieder reduziert. Unter näherer Betrachtung systemspezifischer und verfahrenstechnischer Fragestellungen wurde der Übertrag dieses biokatalytischen Prozesses in den technischen Labormaßstab durchgeführt. Im ersten Teil der Arbeit wurde ein Laborrührreaktor aufgebaut und hinsichtlich durchschnittlicher und maximaler Energiedissipationsrate, vollständiger Suspension der Enzymimmobilisate und der Mischzeit charakterisiert. Für die objektive Bestimmung der vollständigen Suspension, wurde im Rahmen dieser Arbeit eine neue nicht-invasive Methode basierend auf Photometrie und automatischer Bildanalyse entwickelt und damit sechs Reaktorkonfigurationen verglichen. Im zweiten Teil der Arbeit wurde zum besseren Verständnis des Reaktionsprozesses, ein mathematisches Prozessmodell entwickelt, parameterisiert und in eine Software-Umgebung implementiert. Mit Hilfe des Prozessmodells wurde eine Co-Substratzuführungsstrategie entwickelt. Durch Messung des bei der Regenerationsreaktion frei werdenden CO2 in der Gasphase wird auf den Reaktionsfortschritt in der wässrigen Phase geschlossen und so das wässrig-organische Reaktionssystem als CO2-kontrollierter Fed-Batch-Prozess durch die geregelte Zudosierung von Ameisensäure geführt. Im dritten Teil der Arbeit wurde der Laborrührreaktor mit Mess- und Regeltechnik ausgerüstet sowie eine Zudosiertechnik für das Co-Substrat bereitgestellt. Im Rahmen von Reaktionsversuchen mit dem gewählten zweiphasigen, enzymatischen Reaktionssystem, wurde die Machbarkeit des entwickelten CO2-kontrollierten Fed-Batch-Prozesses erfolgreich nachgewiesen.