ERA-Chemistry - Enzymatische Carboxylierung in ionischen Flüssigkeiten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Decarboxylase-katalysierten Synthese von 2,6-Dihydroxy-4-methylbenzoesäure (DHMBA) wurde optimiert und in den größeren Maßstab überführt. Der Einsatz von Adsorpern erlaubt eine einfache Produktisolierung. Die biokatalytische Reaktion wurde optimiert und eine Vielzahl von Adsorberharzen für die effektive Entfernung von Produkt und Substrat aus der bicarbonathaltigen Reaktionslösung untersucht. Hier wurde das stark basische Anionenaustauscherharz Dowex 1x2 (Cl) als bester Adsorber identifiziert und anschließend in dieser Studie eingesetzt. Nach Elutionsstudien wurde das Harz erfolgreich für die Maßstabsvergrößerung zur Herstellung von hochreinem DHMBA ohne weitere Reinigungsschritte eingesetzt. Das hierin entwickelte Verfahrenskonzept ermöglicht die synthetische Nutzung der biokatalytischen Carboxylationsreaktion ohne die vollständige Entfernung von überschüssigem Bicarbonat bei der Weiterverarbeitung. Nicht reagiertes Substrat und die verbrauchten Harze können aus dem Reaktionsgemisch gewonnen und in einer späteren Reaktion wiederverwendet werden. Diese Fallstudie verdeutlicht das synthetische Potenzial biokatalytischer Carboxylationsreaktionen und kann als Modell für andere Biotransformationen der Carboxylation dienen, insbesondere im größeren Maßstab. Auch die Etablierung des Fermentationsprozesses im 9-L-Maßstab konnte erfolgreich umgesetzt werden. Damit kann eine ca. fünf Mal so hohe Zellmasse kultiviert werden kann; im Vergleich zu der derzeit üblichen Kultivierung im Schüttelkolben mit Schikanen. So konnte der Weg zu weiteren Versuchen zur Maßstabsvergrößerung geebnet werden, da eine größere Masse an Biokatalysatoren reproduzierbar hergestellt werden kann. Es konnten neue Substrate für die biokatalytische ortho-Carboxylierung von Phenolen gefunden werden und dadurch das Wissen über die mögliche Substratbandbreite dieses Enzyms erweitert werden. Ein neu gefundenes Substrat ist beispielsweise Paracetamol, welches durch die Carboxylierung an Hydrophilie gewinnt, wodurch sich die Bioverfügbarkeit erhöhen könnte. Mit dem Substrat Orcinol wurden Versuche zur Enzymimmobilisierung durchgeführt. Dadurch war die erste Carboxylierung in einem kontinuierlichen Prozess im Flussbetrieb im Zusammenhang mit Carboxylasen möglich. Diese konnten eine Umsetzung von Orcinol zu DHMBA aufweisen. Zudem wurden zum ersten Mal EziG im Zusammenhang mit Carboxylasen verwendet. Die verwendeten ionischen Träger konnten jedoch bisher keine gleichbleibend guten Umsätze aufweisen. Zudem wurden verschiedene Reaktionen mit Orcinol durchgeführt, um die Reaktionsfähigkeit bei der Veränderung verschiedener Parameter zu untersuchen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Adsorbent-Based Downstream- Processing of the Decarboxylase-Based Synthesis of 2,6-Dihydroxy-4-methylbenzoic Acid. Org. Process Res. Dev. 2018, 22, 963–970
L.-E. Meyer, K. Plasch, U. Kragl, J. von Langermann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.oprd.8b00104) - Adsorbent-based downstream-processing of a decarboxylase-based synthesis of 2,6-dihydroxy-4-methylbenzoic acid. 8. Innovationskongress Chemie und Biotechnologie Magdeburg, Germany 30.5.2018
Meyer, L.-E.; Plasch, K.; Glueck, S.; Kragl, U.; Faber, K.; von Langermann, J.
- Adsorbent-based downstream-processing of a decarboxylase-based synthesis of 2,6-dihydroxy-4-methylbenzoic acid. 9th International Congress on Biocatalysis 2018 (Biocat 2018) Hamburg, Germany
Meyer, L.-E.; Plasch, K.; Glueck, S.; Kragl, U.; Faber, K.; von Langermann, J.
(Siehe online unter https://doi.org/10.13140/RG.2.2.32813.13285) - Recent Developments in Biocatalysis in Multiphasic Ionic Liquid Reaction Systems. Biophys. Rev. 2018, 10, 901–910
L.-E. Meyer, J. von Langermann, U. Kragl
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s12551-018-0423-6) - “Improving biocatalysis by combining catalysis and separation processes” 8th International CeBiTec Research Conference and the 1st BIOCASCADES Symposium ‘Reaction Concepts for Industrial Biocatalysis’. Bielefeld, Germany 09.04.–11.04.2018
Hülsewede, D.; Uhrich, D.; Meyer, L.-E.; von Langermann, J.
- Application of In Situ Product Crystallization and Related Techniques in Biocatalytic Processes. Chem. Eur. J. 2019, 25, 4871– 4884
D. Hülsewede, L.-E. Meyer, J. von Langermann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/chem.201804970) - Development of Ionic Liquid- Water-Based Thermomorphic Solvent (TMS)-Systems for Biocatalytic Reactions. Biotechnol. J. 2019, 14, e1900215
L.-E. Meyer, A. Gummesson, U. Kragl, J. von Langermann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/biot.201900215)
