Immobilization of Enzymes on mesoporous Supports and their Application in continuous-flow Biotransformations

Immobilisierung von Enzymen auf mesoporösen Trägermaterialien und deren Anwendung in kontinuierlichen Biotransformationsprozessen

  • Green and sustainable chemistry is an approach to reduce or to eliminate the use and the generation of hazardous substances by designing appropriate products and processes. The demand for specific and highly-purified fine-chemicals and pharmaceuticals can not be fulfilled with conventional catalysts alone. A promising alternative is the use of enzymes, the catalysts of biological processes. Enzymes are used to increase the selectivity of reactions; their outstanding advantage is the differentiation between enantiomers. Enzyme-catalyzed reactions routinely achieve enantiomeric excess of more than 99 %, which is important for the pharmaceutical industry. Until the early eighties, most of the cGreen and sustainable chemistry is an approach to reduce or to eliminate the use and the generation of hazardous substances by designing appropriate products and processes. The demand for specific and highly-purified fine-chemicals and pharmaceuticals can not be fulfilled with conventional catalysts alone. A promising alternative is the use of enzymes, the catalysts of biological processes. Enzymes are used to increase the selectivity of reactions; their outstanding advantage is the differentiation between enantiomers. Enzyme-catalyzed reactions routinely achieve enantiomeric excess of more than 99 %, which is important for the pharmaceutical industry. Until the early eighties, most of the chiral drugs, which were launched on the market, were racemates. However, the therapeutically non-active enantiomers in a racemate were not declared as an impurity until twenty years after the thalomide medical tragedy. Nevertheless, the built-in chirality traces back to available enantiopure building blocks, while optical resolution is highly complicated on industrial scale and is accompanied by a large loss of production capacity. Thus, the most promising strategy is asymmetric synthesis including asymmetric catalysts and/or enzymatic or biological catalysis. The technical use of enzymes has increased in the last twenty years due to their directed evolution. However, the use of enzymes on a large-scale for industrial applications is handicapped by the low operational stability, and the difficult recovery and reuse. Thus, enzyme immobilization paves the way for economic efficiency and, furthermore, the development of continuous enzyme-catalyzed processes. In addition, immobilization often results in enhanced stability under storage as well as under operational conditions with respect to denaturation by high temperature, organic solvents or autolysis and to a broad pH range. In this work, a variety of enzymes like chloroperoxidase (CPO), glucose oxidase (GOx), laccase, and manganese peroxidase (MnP) has been immobilized following different strategies: i) physisorption, ii) covalent anchoring and iii) encapsulation by cross-linking. SBA-15 and SBA-16, as well as siliceous mesocellular foams (MCF) were used as enzyme carriers. These materials fulfill many of the requirements for enzyme supports such as large surface area, sufficient functional groups for enzyme attachment, hydrophilic character, water insolubility, chemical and thermal stability, mechanical strength, suitable particle form, regenerability, and toxicological safety. The mesoporous silica materials were characterized by powder X-ray diffraction, nitrogen adsorption and small angle neutron scattering (SANS). Additionally, the organo-modified materials are characterized by elemental analysis, diffuse reflectance infrared spectroscopy, and solid-state NMR spectroscopy. After enzyme immobilization, the resulting heterogeneous biocatalysts were characterized by activity assays to calculate the activity of the material and, furthermore, the amount of the immobilized enzyme was determined. In the subsequent step, the immobilized enzymes were used in biocatalysis and biodegradation in different types of reactors. The oxidation of indole to oxindole was carried out in a batch as well as in a fixed-bed reactor with immobilized chloroperoxidase as biocatalyst. Immobilized laccase was tested in the biodegradation of dibenzothiophene (DBT) using 2,2′-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid) (ABTS) as a mediator in continuously-operated reactors. The last part of the work deals with the production of enantiopure chiral epoxides as highly reactive intermediates for drug synthesis via enzyme-catalyzed reaction steps. The enzyme-catalyzed oxidation of 2,2-dimethyl-2H-1-benzopyran-6-carbonitrile was investigated. By using the tandem reaction with immobilized CPO and GOx in buffered solutions chiral 3,4-dihydroxy-2,2-dimethyl-2H-1-benzopyran-6-carbonitriles were produced. In aqueous media, the desired epoxide 3,4-dihydro-2,2-dimethyl-2H-oxireno-benzopyran-6-carbonitrile was hydrolyzed to the corresponding diol. To circumvent hydrolysis, the reaction medium was changed. The desired chiral epoxides can be obtained in glycerol with MnP and tBuOOH as oxidizing agent. These epoxides are interesting intermediates for chemical synthesis. The presence of immobilized CPO in the pores of the mesocellular foam was confirmed by small-angle neutron scattering (SANS) after perfluoropentane adsorption, based on the principles of contrast matching. These experiments clearly confirm that the CPO-CLEAs are located in the pores of the mesocellular foam and that the non-cross-linked enzymes are washed out during the catalytic experiment in the fixed-bed reactor.show moreshow less
  • Oxidationen sind vermutlich, neben der Knüpfung von Kohlenstoff-Kohlenstoff Bindungen, die häufigsten in der chemischen und pharmazeutischen Industrie durchgeführten Reaktionen. Aufgrund der Tatsache, dass es sich bei den verwendeten Oxidationsmitteln und Katalysatoren häufig um metallhaltige Verbindungen oder metallorganische Reagenzien handelt, stellen Oxidationreaktionen insbesondere in der pharmazeutischen Industrie ein Problem dar. Eine interessante Alternative zu den herkömmlich verwendeten Oxidationsmitteln und Katalysatoren bietet die „natürliche“ Oxidation mittels oxidativer Enzyme in grösstenteils wässrigen Medien. Weitere Vorteile von Enzymen sind deren Enantioselektivität, SubstrOxidationen sind vermutlich, neben der Knüpfung von Kohlenstoff-Kohlenstoff Bindungen, die häufigsten in der chemischen und pharmazeutischen Industrie durchgeführten Reaktionen. Aufgrund der Tatsache, dass es sich bei den verwendeten Oxidationsmitteln und Katalysatoren häufig um metallhaltige Verbindungen oder metallorganische Reagenzien handelt, stellen Oxidationreaktionen insbesondere in der pharmazeutischen Industrie ein Problem dar. Eine interessante Alternative zu den herkömmlich verwendeten Oxidationsmitteln und Katalysatoren bietet die „natürliche“ Oxidation mittels oxidativer Enzyme in grösstenteils wässrigen Medien. Weitere Vorteile von Enzymen sind deren Enantioselektivität, Substratspezifität und die katalytische Aktivität unter milden Bedingungen. Enzyme sind bisher als chirale Katalysatoren in der asymmetrischen Synthese unübertroffen. Peroxidasen beispielsweise katalysieren Oxidationen unter Verwendung von Peroxiden als Oxidantionsmittel. Chloroperoxidase (CPO), ein Enzym des marinen Pilzes Caldariomyces fumago, ist eines der vielseitigsten Enzyme in der Gruppe der Haloperoxidasen. Es katalysiert oxidative Dehydrogenierungen, oxidative Halogenierungen, Epoxidierungen und überträgt Sauerstoff auf aktivierte Gruppen. Manganperoxidase (MnP) katalysiert spezifisch die H2O2-abhängige Oxidation von Mn2+ zu Mn3+. Ausserdem wird es für die Oxidation einer Vielzahl organischer Verbindungen eingesetzt. Hierbei agiert Mn2+ als Redoxmediator, wobei auch Mn-unabhängige Oxidationen möglich sind. Peroxidasen sind empfindlich gegenüber dem benötigten Oxidationsmittel Wasserstoffperoxid. Erhöhte H2O2-Konzentrationen bewirken eine Desaktivierung der Enzyme. Um dies zu umgehen, kann durch eine weitere enzymatische Reaktion mit Glukoseoxidase (GOx) aus Glukose und Sauerstoff kontinuierlich Wasserstoffperoxid hergestellt werden. Laccasen gehören zur Gruppe der Oxidoreduktasen und werden wegen ihrer Substratspezifität auch als Monophenoloxidase bezeichnet. CPO und GOx wurden zunächst auf SBA-15 physisorbiert und in einem Festbettreaktor in der Oxidation von Indol zu 2-Oxindol getestet. Die Immobilisierung von Enzymen, insbesondere durch Quervernetzung (cross-linking) in käfigartigen Materialien, wurde im Rahmen dieser Arbeit hinsichtlich ihrer Effektivität und der maximalen Aktivität des Enzym-Träger-Systems systematisch verbessert. Die in dieser Arbeit eingeführte Kenngröße der effektiven Aktivität beschreibt die Aktivität des Enzym-Träger-Systems, d.h. die nach der Immobilisierung aktiven und für das Substrat erreichbaren Enzyme pro Menge an immobilisertem Enzym. Somit ist die effektive Aktivität des Enzym-Träger-Systems auch ein Maß für die Effizienz des Immobilisierungsprozesses, mit deren Hilfe die Immobilisierung auch aus ökonomischer Sicht bewertet werden kann. Bei der Quervernetzung von Enzymen in käfigartigen Silikaten laufen zwei Prozesse parallel ab: i) die Adsorption der Enzyme im porösen Netzwerk und ii) deren Quervernetzung. Am Beispiel der Oxidation von Indol zu 2-Oxindol mittels CPO und in-situ Wasserstoffperoxiderzeugung durch GOx im Festbettreaktor wurden grundlegende Kenntnisse hinsichtlich des Immobilisierungsprozesses und der Prozessoptimierung im Reaktor gesammelt. Die so gewonnenen Erkenntnisse wurden auf die Oxidation von Dibenzothiophen (DBT) im Festbettreaktor übertragen. Immobilisierte Laccase und der Mediator 2,2′-Azino-bis(3-ethylbenzothiazolin-6-sulfonsäure) (ABTS) wurden zum biologischen Abbau von DBT eingesetzt. Abschliessend wurde die enzymkatalysierte enantioselektive Epoxidierung von 2,2-Dimethyl-6-cyano-3-chromen untersucht. Chirale Epoxide sind auf Grund ihrer Reaktivität wichtige und hochinteressante Synthesebausteine in der pharmazeutischen Industrie. Als Teil dieser Arbeit wurde 2,2-Dimethyl-6-cyano-3-chromen im Festbettreaktor mittels immobilisierter CPO und GOx in einer gepufferten Lösung zu dem Diol 3,4-Dihydroxy-2,2-dimethyl-2H-1-benzopyran-6-carbonitril in guten Umsätzen umgesetzt. In Glycerin und unter Verwendung von MnP und tBuOOH als Oxidationsmittel konnte das (R,R)-Epoxid von 2,2-Dimethyl-1-benzopyran-6-carbonitril mit einer Enantiomerenreinheit von über 98 % im Satzreaktor hergestellt werden. In einem weiteren Schritt erfolgte die Umsetzung mit 2,4 Dihydroxypyridin zu (3R,4S)-trans-3,4-Dihydro-4-[(1,2-dihydro-2-oxo-4-pyridyl)oxy]-3-hydroxy-2,2-dimethyl-2H-1-benzopyran-6-carbonitril mit einer Ausbeute von 60,4 % (bezogen auf das Epoxid) und einer Enantiomerenreinheit von ebenfalls über 98 %.show moreshow less

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Metadaten
Author:Dirk Jung
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-38741
Advisor:Martin Hartmann
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2012/11/23
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2012/10/04
Release Date:2012/11/23
Tag:Biotransformationen; Mesoporöse Materialien; kontinuierlich betriebene Festbettreaktoren
Enzyme immobilization; biotransformations; continuously operating fixed-bed reactors; mesoporous materials; oxidations
SWD-Keyword:Carrier; Enzymatische Oxidation; Immobilisiertes Enzym; Reaktionstechnik
Institutes:Technische Fakultät / Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 66 Chemische Verfahrenstechnik / 660 Chemische Verfahrenstechnik

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