Reaction and process-optimization of modular synthetic enzyme cascades towards diols and hydroxy ketones meeting industrial demands

• Reaktions- und Prozessoptimierung von synthetischen Enzymkaskaden für die Synthese von Diolen und Hydroxyketonen unter industriell-relevanten Bedingungen

Oeggl, Reinhard; Rother, Dörte (Thesis advisor); Blank, Lars Mathias (Thesis advisor)

Aachen (2019)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Kurzfassung

Hydroxyketone und Diole stellen wertvolle chirale Bausteine für Pharmazeutika dar. Die klassische organische Synthese ermöglicht die Herstellung dieser Stoffe in hohen Produktkonzentrationen. Jedoch leiden diese Syntheseprozesse unter geringer Stereo-, Regio- und Chemoselektivität. Hier kann der Einsatz von Biokatalyse eine substanzielle Verbesserung erzielen. Insbesondere Carboligasen und NADPH-abhängige Alkoholdehydrogenasen sind in der Lage günstige Bulkchemikalien in diese wertvollen Produkte umzusetzen. Nachteilig ist allerdings, dass diese Enzyme am besten in verdünnten wässrigen Lösungen arbeiten, was eine wirtschaftlich-nachhaltige Synthese beeinträchtigt. Daher verfolgt diese Dissertation das Ziel, Methoden der Prozessintensivierung zu entwickeln, welche eine enzymatische Synthese von Hydroxyketonen und Diolen ökonomisch nachhaltig machen. Insbesondere werden hierfür (i) Möglichkeiten der kostengünstigen NADPH Regeneration, (ii) unkonventionelle Reaktionsmedien und (iii) die optimierte Prozessintensivierung auf technischer Ebene untersucht. Um eine ökonomisch effiziente NADPH-Regeneration zu erreichen, werden zwei Substrat-gekoppelte Methoden, die Koproduktrezyklierung und Smart cosubstrates, eingesetzt. Beide Methoden bestechen durch ihre herausragenden Atomeffizienz. Des Weiteren wird bei der Rezyklierung anfallendes Koproduct in die Hauptsynthese rückgeführt, was die Ausbeute steigert. Im Falle der Smart cosubstrates wird ein wertvolles Coprodukt erzeugt, welches sich vorteilhaft auf die Kostenbilanz der Synthese auswirkt. Zusätzlich zu den beiden Methoden wird eine Ganzzellregeneration basierend auf Zitronensäure untersucht, welche eine kostengünstige und einfach einsetzbare Alternative zu bekannten Regenerationssystemen darstellt. Als zweite Methode wird der Einsatz von unkonventionellen Reaktionsmedien zur Substratkonzentrationssteigerung getestet, um hohe Produktendkonzentrationen erzielen zu können. Hierbei kommt ein mikrowässriges Reaktionsystem (MARS) zum Einsatz, welches sowohl die Konzentration hydrophober Substrate auf bis zu 0.5 M steigert. Hier wird die optimale Kombination von Lösungsmittelwahl und Pufferzusatz für die Erstellung eines hoch katalytisch aktiven MARS untersucht. Zusätzlich zur Synthese werden auch die vorteilhaften Eigenschaften des Reaktionsystems bei der Produktaufarbeitung beleuchtet. Im dritten Abschnitt werden Möglichkeiten der Steigerung von Raum-Zeit-Ausbeuten im Satz- und kontinuierlichen Betrieb verglichen. Insbesondere werden in beiden Systemen auf mögliche technische Lösungen zur Vorbeugung von Ausbeuteeinbußen auf Grund toxischer Substratkonzentrationen eingegangen. Auf diese Art und Weise können Raum-Zeit-Ausbeuten von bis zu 165 g L-1 d-1 im Satzreaktor und 7296 g L 1 d 1 im kontinuierlichen Betrieb erreicht werden. In Kombination erlauben diese drei Methoden eine biokatalytische Synthese von Hydroxyketonen und Diolen in industriell relevanten Maßstäben. Des Weiteren enthüllt eine Katalysatorkosten-Effizienz Analyse die Stabilität des Enzyms als Schlüsselfaktor für eine rentable Chemikaliensynthese. Eine ebenfalls durchgeführte Nachhaltigkeitsstudie belegt die Anwendung von MARS als überaus umweltfreundlich mit E Faktoren in einem Bereich von 12 bis 45.