Thermodynamic and kinetic phenomena in the enzymatic conversion of acetophenone to 1-(R)-phenylethanol in a continuous gas/solid reactor

Dimoula, Kerasina; Büchs, Jochen

doi:910018259

Thermodynamic and kinetic phenomena in the enzymatic conversion of acetophenone to 1-(R)-phenylethanol in a continuous gas/solid reactor = Thermodynamische und kinetische Phänomene in der enzymatischen Konversion von Acetophenon zu 1-(R)-Phenylethanol in einem kontinuierlichen Gas/Feststoff-Reaktor

Dimoula, Kerasina (Author)

2009

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Kerasina Dimoula

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2009

UmfangXVIII, 149 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2009

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Büchs, Jochen (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2009-12-21

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-31677
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/51573/files/Dimoula_Kerasina.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik (416510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Biokatalyse (Genormte SW) ; Adsorption (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; unkonventionelle Medien (frei) ; Alkohol-Dehydrogenase (frei) ; kontinuierlicher Gas/Feststoff-Reaktor (frei) ; biocatalysis (frei) ; non conventional media (frei) ; alcohol dehydrogenase (frei) ; continuous gas/solid reactor (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Heutzutage setzen sich die Gas/Feststoff biokatalytische Systeme innerhalb des unkonventionellen Biokatalyse Bereichs besonders durch. Um die Gas/Feststoff Biokatalyse für analytischen oder synthetischen Zwecke zu nutzen, muss der jeweilige Prozess im Detail verstanden werden. Daher wurde der Aufbau und die Charakterisierung eines kontinuierlichen Gas/Feststoff Reaktors hier demonstriert. Die überstehenden thermodynamischen und kinetischen Phänomene, während der katalysierten Konversion von Acetophenon zu 1-(R)-Phenylethanol mit der gleichzeitigen Oxidation von 2-Propanol zu Aceton von Wildtyp LBADH, wurden beschrieben. Der Betrieb des Reaktoraufbaus wurde validiert und nachweislich die thermodynamische Steuerung erreicht. Am validierten System wurde der Stoffübergang entlang dem Festbett untersucht und die axiale Dispersion der reagierenden Komponenten wurde vorausberechnet. Dennoch wurde die Dispersion über dem Festbett durch eine ausgeprägte (bis 6 mgAcetophenon/mgProtein) Acetophenon Adsorption überlagert. Die Rolle des Wassers wurde durch Adsorptionsstudien erforscht. Die Hydration des immobilisierten Enzyms wurde durch eine BET-Isotherme beschrieben. Es wurde gezeigt, dass das Präsenz von Saccharose im Enzympräparat sehr signifikant ist, insbesondere für Wasseraktivitäten höher als 0.5. Signifikante Hysteresis während der Wasserdesorption, bis 0.6 mgWasser/mgProtein für lyophilisiertes Enzym und bis 10 mgWasser/mgProtein für immobilisiertes Enzympräparat, wurde festgelegt. Die für die messbare Konversion am Reaktor minimal benötigte Wasseraktivität wurde zwischen 0.2 und 0.25 festgelegt. Dies entspricht ungefähr 5 mgWasser/mgProtein absorbiertes Wasser. Eine weitere Erhöhung der Wasseraktivität des Reaktionsgemisches führte zu einer fast exponentielle Zunahme der Konversion. Eine kinetische Untersuchung wurde unter ausschließlich Reaktions-Limitierenden Bedingungen durchgeführt. Eine 1er-Ordnung Reaktion Kinetik bezüglich Acetophenon (vmax/KM=0.0046 µmol/min/IU) und eine Michaelis-Menten Kinetik bezüglich 2-Propanol (vmax=0.0046 µmol/min/IU und KM=0.105) wurden nachgewiesen. Die Stabilität der immobilisierten Wildtyp LBADH ohne Saccharose wurde unter normale Betriebsbedingungen nachgeforscht und die wichtige Rolle der Wasseraktivität wurde gezeigt. Der vor der Immobilisierung auftretende Aufreinigungszustand des Enzyms und das Handling des Enzympräparats wurden als entscheidende Faktoren für die Betriebsstabilität hervorgehoben. Eine Vergleichsstudie der Betriebsstabilität der Wildtyp LBADH und der G37D NADH-abhängigen Varianten zeigte, dass die Voraussage von Enzymeigenschaften der Daten in Flüssigkeit nicht zuverlässig ist. Die Enantioselektivität des Enzyms im studierten Reaktionssystem wurde ebenso erforscht. Die Konversion von Acetophenon wurde mit hoher Enantioselektivität im Gas/Feststoff Reaktor durchgeführt und lieferte enantiomerische Überschusswerte von ungefähr 99.5% bei allen verwendeten Betriebsbedingungen. Die Wasseraktivität des Reaktionsgemisches wurde als die maßgeblichste Einflussgröße festgestellt. Während des Gesamtprojektes wurde sowohl die Leistung des Reaktors, als auch des immobilisierten Enzympräparats geprüft und in Frage gestellt. Folgende Schwächen der ausgewählten Immobilisierungsmethode wurden beobachtet: ausgeprägte diffusive Limitation bei hoher spezifischer Aktivität des immobilisierten Enzympräparats mit Saccharose, Auswaschung des Enzyms bei hoher Wasseraktivität, Einfluss des Handlings des Enzympräparats auf die Reproduzierbarkeit der Messungen usw. Zusammenfassend ist zu sagen, dass diese Effekte auf die Wahl hinweisen in der Zukunft stärkere, vermutlich kovalenten, Immobilisierungsmethode und porösen Immobilisierungsträger anzuwenden.

Nowadays, the Gas/Solid Biocatalytic Systems gain continuously ground within the area of the Non-Conventional Biocatalysis. In order to use the gas/solid catalysis for analytical and synthetical purposes, the respective process has to be understood in detail. Therefore, the construction and characterization of a continuous gas/solid reactor was here demonstrated. The overlaying thermodynamic and kinetic phenomena taking place during the reduction of acetophenone to 1-(R)-phenylethanol with the concomitant oxidation of 2-propanol to acetone catalyzed by deposited wild type LBADH were described. The operation of the reactor set-up was validated and the achievement of thermodynamic control was proven. At the validated system, the mass transfer along the packed bed was investigated and axial dispersion of the reacting compounds along the packed-bed was predicted. Nevertheless, the dispersion over the packed-bed was overlaid by a pronounced adsorption of acetophenone, reaching up to 6 mgacetophenone/mgprotein. The role of water was investigated through adsorption studies and was proven to be central, influencing and interconnecting the separately studied phenomena. The hydration of the deposited enzyme was described by a BET-like isotherm. It was shown that the presence of sucrose in the enzyme preparation is significant for water activities exceeding 0.5 and reaches a factor of 2 with respect to bead mass at a water activity of 0.9. Significant hysteresis during water desorption was identified, resulting in up to 0.6 mgwater/mgprotein for lyophilized enzyme and up to 10 mgwater/mgprotein for deposited enzyme preparation. The minimal water activity at which measurable conversion at the reactor was achieved was shown to be between 0.2 and 0.25, corresponding to approximately 5 mgwater/mgprotein of adsorbed water, whereas further increase of the water activity of the reaction mixture led to an almost exponential increase of the conversion. A kinetic study was performed, under strictly reaction rate limiting conditions that demonstrated a first order kinetic pattern with respect to acetophenone (vmax/KM=0.0046 µmol/min/IU) and a Michaelis-Menten pattern with respect to 2-propanol (vmax=0.0046 µmol/min/IU and KM=0.105). The stability of the deposited wild type LBADH without sucrose was investigated under standard operating conditions and the significant role of water activity was underlined. The purification state of the enzyme prior to deposition and the handling of the deposited enzyme preparation were highlighted as decisive factors for the operational stability. A comparative study of the operational stability of the wild type LBADH and the G37D NADH-dependent mutant demonstrated that the prediction of enzyme properties from data obtained in solution is not straightforward. The enantioselectivity of the enzyme in the studied reaction system was also investigated. The acetophenone conversion was performed with high enantioselectivity in the gas/solid reactor, yielding enantiomeric excess values approaching 99.5 %, at all commonly used operating conditions. The most significant parameter influencing the enantioselectivity was found to be the water activity of the reaction mixture. Throughout the overall project the performance of the reactor set-up as well as of the deposited enzyme preparation was tested and challenged. Several weaknesses of the immobilization method of choice were revealed: pronounced diffusional limitation at high specific activities of deposited enzyme preparation with sucrose, leaching of the enzyme from its support at higher humidity levels, effect of the enzyme preparation handling on the measurement reproducibility and others. Those effects suggested the choice of a stronger, probably covalent immobilization method in the future and/or use of porous carriers.

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