Kontinuierliche, Enzymatische Produktion von Schwer-Wasserlöslichen, Enantiomerenreinen Alkoholen

Bild Forschungsprojekt
Laufzeit: 01.01.2012 - 31.12.2014 
Geldgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie über AiF (ZIM)
Bearbeiter: Dr. Susanne Leuchs, Prof. Dr. Lasse Greiner
Arbeitsgruppe: Technische Chemie, Bioverfahrenstechnik

Die Reduktion von prochiralen Ketonen zu den korrespondierenden enantiomerenreinen Alkoholen mit Hilfe chemischer Katalysatoren wurde in den letzten Jahren mit großem Erfolg untersucht[1]. Trotz intensiver Forschung zeigen diese Katalysatoren jedoch bei der Reduktion von aliphatischen Ketonen nur eine geringe Enantioselektivität[2]. Biokatalysatoren hingegen sind meist, auch bei der Reduktion solch relativ schwieriger Substrate sehr enantioselektiv. Aufgrund der oft geringen Wasserlöslichkeit solcher Substrate liegen die resultierenden Raum-Zeit-Ausbeuten (engl.: Space-time-yield, STY) häufig in technisch nicht relevanten Größenordnungen. Um die Zugänglichkeit des Enzyms zum Substrat zu verbessern können Lösungsvermittler, zum Beispiel ionische Flüssigkeit (engl.: ionic liquid, IL) zugesetzt werden. Die Vorzüge eines solchen Systems zusammen mit der Möglichkeit die wässrige Phase zu regenerieren werden hier untersucht.

 

Abb.1

Abb 1: Reaktionsschema am Beispiel der enantioselektiven Synthese von (R)-2-Octanol

 

Die enantioselektive Reduktion von langkettigen, aliphatischen Ketonen (2-Octanon bis 2-Decanon) wurde in einem Enzym-Membranreaktor (EMR)[3] untersucht. Hierbei wurde die (R)-selektive Alkohol Dehydrogenase aus Lactobacillus brevis (LbADH)[4] eingesetzt, eine Glukose Dehydrogenase aus Bacillus spec. (GDH) wurde für die in situRegeneration von NADPH ausgewählt (siehe Abb. 1). Verfahrensschema ist in Abb. 2 dargestellt. 

Abb. 2

Abb 2: Fließschema für die kontinuierliche Produktion von (R)-2-Alkoholen

Um die Löslichkeit von Substraten und Produkten zu erhöhen, wurde die ionische Flüssigkeit TEGO IL K5 von Evonik eingesetzt. In einem Aufbau mit zwei EMR und Produktabtrennung mittels Festphasenextraktion (engl.: solid phase extraction, SPE), wurde auch die Regenerierung der wässrigen Phase erfolgreich durchgeführt (siehe Abb. 2). Mit einer Gesamtlaufzeit von über 1000 h, konnten sehr hohe Enzymproduktivitäten erzielt werden (TONLbADH = 25.8x106; TONGDH = 5.9x106) bei einem sehr guten Enantiomerenüberschuss von (engl.: enantiomeric excess, ee) ee>99.9 (R)-2-Octanol. Eine detaillierte Kostenanalyse hob die Vorzüge der Regenerierung der wässrigen Phase hervor, zeigte jedoch auch, dass der größte Beitrag zu den Gesamtkosten von dem Nicotinamidcofactor NADP+ ausgeht. Mit Hilfe eines, auf Anfangsreaktiongeschwindigkeiten basierenden Modells wurden Bedingungen ermittelt um eine höhere STY und Cofactorausnutzung zu erzielen.

Literatur

[1] Noyori, R. et al., Tetrahedron Letters 1997, 38, 761-764

[2] Kim, J.; Singaram, B., Tetrahedron Letters, 2006, 47, 3901-3903; Kawanami, Y. et al.; Chemistry Letters, 2009, 38, 722-723

[3] Kohlmann, C.; Leuchs, S.; Greiner, L. & Leitner, W., Green Chemistry, 2011, 13, 1430-1436

[4] Leuchs, S. & Greiner, L., Chemical & Biochemical Engineering Quarterly, 2011, 25, 267-281

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