CEEPOx- Entwicklung einer Systemlösung für chemo-elektro-enzymatische Percarbonsäure-vermittelte Oxidationsreaktionen am Beispiel der Erzeugung chiraler Monoterpene

Generell ermöglicht die Kombination von Elektrochemie und Enzymkatalyse zu elektroenzymatischen Verfahren eine Vielzahl von zukunftsweisenden Produktionssystemen sowie Verfahren zur Schonung der Ressourcen.

Dabei werden elektrochemische Verfahren zur Erzeugung von Reaktanden sowie zur Regeneration oder Substitution von Kofaktoren genutzt. Insbesondere die Kombination von Wasserstoffperoxid-abhängigen Enzymen (Peroxidasen, Peroxygenasen, Laccasen sowie unter entsprechenden Bedingungen Lipasen und P450 Monooxygenasen) mit elektrochemischen Verfahren weist ein extrem hohes Anwendungspotential auf. Beispielsweise können Peroxidasen für verschiedene selektive Sauerstofftransfer-Reaktionen wie z.B. Hydroxylierungen oder Epoxidierungen eingesetzt werden. Aufgrund eines breiten Substrat- und Reaktionsspektrums und der Unabhängigkeit von Kofaktoren sind diese Enzyme industriell interessante und vielseitig einsetzbare Enzyme. Neben der Nutzung dieser Enzyme für Synthesen ergeben sich aus dieser Reaktionsvielfalt auch Verfahren zur Entfernung von persistenten Umweltschadstoffen beispielsweise im Abwasserbereich.

Allerdings besitzen die H₂O₂-abhängigen Enzyme häufig eine geringe Stabilität gegenüber dem obligatorischen Ko-Substrat Wasserstoffperoxid; dies ist ein wesentlicher Grund, weshalb die Enzyme bisher technisch nur in begrenztem Umfang eingesetzt werden. Die bedarfsgerechte elektrochemische Erzeugung des H₂O₂ kann dazu genutzt werden, die Zykluszahl (ttn, total turnover number) der Reaktion erheblich zu erhöhen und gleichzeitig hohe Raumzeitausbeuten zu ermöglichen. Als besonders geeigneter Elektrodentyp haben sich im Rahmen von Vorarbeiten dabei Gasdiffusionselektroden (GDE) erwiesen [1-4]. Durch die elektrochemische Steuerung der H₂O₂-Erzeugung gelingt es, die Konzentration des Ko-Substrates während des gesamten Reaktionsverlaufes unterhalb der Inhibierungsgrenze zu halten und trotzdem hohe Produktbildungsraten zu erzeugen. Im Rahmen des Projektes werden verschiedene Systemlösungen für den Einsatz der H₂O₂-abhängigen Enzyme am Beispiel von Chloroperoxidase, unspezifischen Peroxygenasen und Lipasen erarbeitet.

1.         Getrey, L., et al., Enzymatic halogenation of the phenolic monoterpenes thymol and carvacrol with chloroperoxidase. Green Chemistry, 2014. 16(3): p. 1104-1108.

2.         Holtmann, D., et al., Electroenzymatic process to overcome enzyme instabilities. Catalysis Communications, 2014. 51(0): p. 82-85.

3.         Krieg, T., et al., Gas diffusion electrode as novel reaction system for an electro-enzymatic process with chloroperoxidase. Green Chemistry, 2011. 13(10): p. 2686-2689.

4.         Horst, A.E., K.M. Mangold, and D. Holtmann, Application of gas diffusion electrodes in bioelectrochemical syntheses and energy conversion. Biotechnology and Bioengineering, 2015.