Process development, analysis and improvement for biphasic oxidoreductions on miniplant scale

Begemann, Jens; Spieß, Antje (Thesis advisor); Büchs, Jochen (Thesis advisor); Pich, Andrij (Thesis advisor)

Aachen (2017)
Doktorarbeit

Kurzfassung

Für die biokatalytische Umsetzung schlecht wasserlöslicher Substrate ist der Einsatz von unpolaren Lösungsmitteln in einem wässrig/organischen Zweiphasensystem eine mögliche Lösung. Das Substrat kann in hohen Konzentrationen in der organischen Bulkphase gelöst werden und diffundiert, mit dem jeweiligen Verteilungsgleichgewicht als Triebkraft, in die wässrige Phase, wo die Umsetzung erfolgt. Hierbei können Hydrogele die eingesetzten Enzyme vor Deaktivierung an der Phasengrenzfläche und vor hydromechanischer Belastung schützen. Die Reduktion von Acetophenon, katalysiert durch die Carbonylreduktase aus Candida parapsilosis (CPCR2) bzw. die Alkoholdehydrogenase aus Lactobacillus brevis (LbADH G37D) ist eine modellhafte Reaktion zum Umsatz hydrophober Substrate. Cofaktorregeneration erfolgte durch Oxidation von Ameisensäure, via Formiatdehydrogenase aus Candida boidinii (FDH). Ziel der vorliegenden Arbeit war es, zwei Möglichkeiten der Prozessführung zu untersuchen, die es ermöglichen, die Oxidoreduktionsreaktion über einen langen Zeitraum aufrecht zu erhalten und den durch die Oxidation von Ameisensäure ansteigenden pH-Wert zu stabilisieren. Des Weiteren wurden die Bereitstellung ausreichender Enzymmengen und die Identifizierung und Einführung geeigneter Immobilisierungstechniken untersucht. Um alternative Methoden für die Immobilisierung von Enzymen in Hydrogelen zu ermitteln, sollten CPCR2 und FDH in unterschiedlichen Verfahren immobilisiert werden. Die Immobilisierung in mit Glutaraldehyd GA vernetztem Polyallylamin (PA) konnte für die CPCR erfolgreich durchgeführt werden. Mit Methylen-bis-Acrylamid (BIS) vernetzes Poly-N-Isopropylacrylamid (PNIPAAm) zeigte lediglich für die FDH restaktivitäten. Für die Immobilisierung der Enzyme in definierten Polyvinylalkohol (PVA)-Hydrogelkugeln musste zuerst ein bestehendes Protokoll zur Kryogelierung für die Anforderungen der vorliegenden Arbeit etabliert und charakterisiert werden. Für die Reduktion von Acetophenon in einem hydrogelstabilisierten wässrig/organischen Zweiphasensystem wurde ein auf der Basis einer CO2-Messung geregelter Prozess entwickelt. Mit einem holistischen Prozessmodell wurden Simulationsstudien durchgeführt, um für eine rationale Prozessoptimierung Potenziale und Limitationen aufzuzeigen. Da die Messung von CO2 in einem wässrig/organischen Zweiphasensystem aufgrund der guten Löslichkeit von CO2 in organischen Lösungsmitteln - besonders bei hohen Umsatz-geschwindigkeiten - zu einem Zeitversatz der CO2-Messung und damit zu einem temporären Anstieg des pH-Wertes führte, sollte eine direktere Methode zur Bestimmung des pH-Wertes als Basis der Prozessregelung entwickelt werden. Hierfür wurde Dual Lifetime Referencing (DLR) herangezogen. Ein experimenteller Konzeptnachweis konnte die Reaktion auf einem stabilen pH-Wert halten und die Produktausbeute gegenüber der CO2-geregelten Reaktion erhöhen. Neben der Identifizierung interessanter Ansätze der Immobilisierung von Enzymen in Hydrogelen für die Anwendung in wässrig/organischen Zweiphasensystemen - wenn auch mit Potential für Optimierungen - konnte gezeigt werden, dass beide vorgestellten Prozesskonzepte vielversprechende Alternativen für geregelte, biokatalytische Prozesse in Zweiphasensystemen darstellen und modellgestützte Prozessanalysen kritische Punkte und Optimierungspotential aufzeigen können.

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