Continuous enzymatic synthesis of enantiopure, aliphatic (R)-2-alcohols

Leuchs, Susanne; Liauw, Marcel

doi:32761

Continuous enzymatic synthesis of enantiopure, aliphatic (R)-2-alcohols = Kontinuierliche enzymatische Synthese von enantiomerenreinen, aliphatischen (R)-2-Alkoholen

Leuchs, Susanne (Author)

2013 & 2014

VerantwortlichkeitsangabeSusanne Leuchs

ImpressumAachen : Shaker 2013

UmfangGetr. Zählung : Ill., graph. Darst.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Zsfassung in dt. und engl. Sprache. - Druckausgabe: 2013. - Onlineausgabe: 2014

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Liauw, Marcel (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-06-27

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-48108
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/229671/files/4810.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Biokatalyse (Genormte SW) ; schwerlöslicher Stoff (Genormte SW) ; Aliphatische Alkohole (Genormte SW) ; Chemie (frei) ; kontinuierliche Prozesse (frei) ; kontinuierliche Synthese (frei) ; technische Biokatalyse (frei) ; schwerlösliche Substrate (frei) ; continuous synthesis (frei) ; biocatalysis (frei) ; aliphatic alcohols (frei) ; hardly water-soluble substrates (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540
rvk: VN 5070

Kurzfassung
In der vorliegenden Arbeit wurden Konzepte zur kontinuierlichen Reduktion langkettiger, aliphatischer 2-Ketone (2-Octanon bis 2-Decanon) zu den entsprechenden enantiomerenreinen Alkoholen ((R)-2-Octanol bis (R)-2-Decanol) untersucht. Dabei zeigte sich das die Alkoholdehydrogenase aus Lactobacillus brevis (LbADH) besonders geeignet ist die Substrate mit hoher Enantioselektivität zu reduzieren. Die reaktionstechnische Herausforderung ist dabei die Schwerlöslichkeit der eingesetzten Substrate im wässrigen Medium damit zu vereinbaren, dass die LbADH für die katalytische Aktivität Wasser benötigt. Basierend auf einer umfangreichen Literaturrecherche wurden Synthesestrategien mit der LbADH zur Bewältigung dieser Schwerlöslichkeit identifiziert und diese später im kontinuierlichen Versuch getestet. Hier sind besonders die einphasige Synthese mit einer ionischen Flüssigkeit (engl.: ionic liquid, IL) als Lösungsvermittler (TEGO IL K5) und die zweiphasige Synthese mit einem organischen Lösungsmittel (Methyl-tert-Butylether, MTBE) als Substrat- und Produktreservoir zu nennen. Die LbADH benötigt den reduzierten Nicotinamidcofaktor NADPH als Hydridquelle. Da dieser allein schon unter Wirtschaftlichkeitsgesichtspunkten nicht stöchiometrisch eingesetzt werden kann, wurden für die reduktive in situ Regenerierung des Redoxmediators angepasste Cofaktorregenerierungsysteme verwendet. Bei der zweiphasigen Synthese wurde die Cofaktorregenerierung substratgekoppelt mit 2-Propanol als Reduktionsmittel durchgeführt. In miniaturisierten kontinuierlichen Experimenten mit Austausch der organischen Phase konnten Gesamtlaufzeiten von bis zu 320 h bei Zyklenzahlen bis TON(LbADH) = 186·103 und TON(NADP) = 26·103 erzielt werden. Aufgrund des niedrigen Umsatzes von 31% wurde der Schwerpunkt auf die einphasige Reaktionsführung gelegt. Bei der einphasigen Reaktionsführung in einem Enzymmembranreaktor wurde die Cofaktorregenerierung enzymgekoppelt mit einem zweiten Enzym, der Glucosedehydrogenase (GDH) aus Bacillus spec. und Glucose als Reduktionsmittel durchgeführt. Hier sind insbesondere die Gesamtlaufzeiten von bis zu 1150 h bei Zyklenzahlen von TON(LbADH)= 46· 106 und TON(NADP) = 26· 103 hervor zu heben. Aufgrund der insgesamt besseren Kennzahlen wurde die einphasige Synthese weiter verfolgt und einer computergestützten Optimierung unterworfen. Zur Modellerstellung wurden unter anderem Cofaktorstabilitäten und Anfangsreaktionsgeschwindigkeiten herangezogen. Insgesamt konnten so die Produktionskosten von 150 Euro/kg(Produkt) auf 52 Euro/kg(Produkt) und der E-Faktor (= kg(Abfall)/kg(Produkt)) von 130 auf 30 gesenkt werden. Die einphasige Reduktion von 2-Ketonen im Enzymmembranreaktor ist demnach eine gute Möglichkeit enantiomerenreine Alkohole herzustellen. Das Problem der Schwerlöslichkeit kann gut mit der verwendeten IL umgangen werden. Es konnte dadurch exemplarisch gezeigt werden, dass Kosten und E-Faktor für die Produktion von Feinchemikalien attraktiv sind.

In the present work, concepts for the continuous synthesis of enantiopure, long-chain, aliphatic (R)-2-alcohols ((R)-2-octanol to (R)-2-decanol) starting from the corresponding 2-ketones were elaborated. The alcohol dehydrogenase from Lactobacillus brevis (LbADH) is the catalyst of choice with so far unmatched enantioselectivity. For reaction engineering the main challenge is the low solubility of substrates and products in aqueous solutions which is mandatory for activity and stability of LbADH. Strategies to overcome this challenge for synthesis were elaborated based on previous work. Later, these strategies were applied in continuous experiments. The most interesting systems are a monophasic approach using an ionic liquid (IL, TEGO IL K5) as solubiliser as well as a biphasic approach with an organic solvent (methyl-tert-butylether, (MTBE) as substrate and product reservoir. For LbADH catalysed reduction the reduced nicotinamide cofactor NADPH is compulsory as hydride source. NADPH cannot be used in stoichiometric amounts for economic reasons. Therefore, the cofactor is regenerated in situ. The applicable cofactor regeneration systems were chosen for the actual synthesis mode. In the biphasic synthesis, a substrate-coupled cofactor regeneration using 2-propanol was used. In miniaturised continuous experiments with a continuous exchange of the organic phase, a total runtime of 320 h with turnover numbers (TON) of TON(LbADH) = 186·103 and TON(NADP) = 26· 103 were achieved. With this setup a conversion of only 31% were achieved. In consequence, the main focus was shifted to the monophasic approach. In the monophasic synthesis mode, the cofactor regeneration was carried out enzyme coupled with a glucose dehydrogenase from Bacillus spec. (GDH) and glucose as hydride donor. Enzymes were retained by ultrafiltration in an enzyme membrane reactor (EMR). With this setup a remarkably long total runtime of up to 1150 h with turnover numbers of TON(LbADH) = 46· 106 and TON(NADP) = 26· 103 were achieved. The key values for the monophasic approach were much better compared to the ones obtained in the biphasic approach. For this reason, the monophasich approach was chosen for a computer-aided optimisation using a process model based on initial rates and cofactor stabilities In total, the costs could be reduced from 150 Euro/kg(product) to 52 Euro/kg(product) and the enviromental impact was decreased with the E-Factor (kg(waste)/kg(product)) from 130 to 30. The monophasic reduction of 2-ketones in an enzyme-membrane reactor is therefore a good possibility to produce enantiopure alcohols. The low solubility of the substrates and products can be overcome using the IL TEGO IL K5. Costs as well as envormental impact render the results attractive for the production of fine chemicals such as the sparingly soluble long-chain enantiopure aliphatic alcohols.

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