DE4041896C1

DE4041896C1 - Enzymatic synthesis of organic cpds. e.g. for producing cyanohydrin(s) - by feeding reactants and enzyme catalyst to compartment contg. permeable membrane to allow diffusion

Info

Publication number: DE4041896C1
Application number: DE4041896A
Authority: DE
Inventors: Bernd Dipl.-Chem. 7000 Stuttgart De Bauer; Heiner Prof. Dr. 7460 Tuebingen De Strathmann; Franz Prof. Dr. 7000 Stuttgart De Effenberger
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1990-12-27
Filing date: 1990-12-27
Publication date: 1991-12-19
Anticipated expiration: 2010-12-28

Abstract

Enzymatic synthesis of organic cpds. comprises feeding reactants and enzyme catalyst to one side of a divided compartment reactor in which a selectively permeable membrane keeps reactants from prods; such that the prod. diffuses through the membrane but not the reactants or enzyme catalysts; and recovery of the prod. The membrane is a hydrophobic or hydrophilic polymer film having free functional gps. e.g. -SO3k. USE - The process is applicable to the prodn. of cyanohydrins (e.g. from butanal and 3-phenoxybenzaldehyde), enantioselective ester exchange (e.g. S-geraniol from geranyl acetate), stereoselective hydrolysis (e.g.1S,2R-monoester from dimethyl cyclohexane-1,2-dicarboxylate), etc., giving intermediates for pharmaceuticals, insecticides, etc. (14pp Dwg. No.0/6)

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur enzymatischen Synthese von organischen Verbindungen, worin die in einem Reaktionsraum synthetisierte organische Verbindung von dem an der Synthese beteiligten Enzym oder den an der Synthese beteiligten Enzymen mittels einer Membran abgetrennt wird, welche für die organische Verbindung selektiv durchlässig ist.The invention relates to a method for enzymatic synthesis of organic compounds wherein the in a reaction space synthesized organic compound from that at the Synthesis involved enzyme or participating in the synthesis Enzyme is separated by means of a membrane which for the organic compound is selectively permeable.

Ein wichtiges Beispiel eines Verfahrens der eingangs genannten Art ist die kontinuierliche enzymatische Synthese von Cyanhydrinen, insbesondere optisch aktiven (R)- und (S)-Cyanhydrinen.An important example of a method of the aforementioned Art is the continuous enzymatic synthesis of Cyanohydrins, in particular optically active (R) - and (S) -cyanohydrins.

(R)-Oxinitrilase (EC 4.1.2.10) und (S)-Oxinitrilase (EC 4.1.2.11) katalysieren die Bildung von (R)- und (S)-Cyanhydrinen aus einer großen Vielzahl von Aldehyden bzw. Ketonen und HCN. Die racemisierungsfreie Umsetzung dieser optisch reinen Cyanhydrine in α-Hyxdroxycarbonsäuren und α-Aminoalkohole wurde bereits beschrieben. Weiterhin stellen sie ein wertvolles chirales Synthon dar, zum Beispiel für die Synthese von Pyrethroid-Insektiziden.(R) -oxinitrilase (EC 4.1.2.10) and (S) -oxinitrilase (EC 4.1.2.11) catalyze the formation of (R) - and (S) -cyanohydrins from a large variety of aldehydes or ketones and HCN. The racemization-free implementation of this optical pure cyanohydrins in α-Hyxdroxycarbonsäuren and α-amino alcohols has already been described. Continue to set valuable chiral synthon, for example for synthesis of pyrethroid insecticides.

Die enantioselektive enzymatische Reaktion dieser Synthese konkurriert mit der nicht-stereospezifischen chemischen Addition von Blausäure an die Carbonylkomponente. Diese unerwünschte Nebenreaktion ist pH-Wert abhängig, und kann im wäßrigen Medium wie in EP 03 26 063 A2 beschrieben durch Verschiebung des pH-Wertes in den sauren Bereich auf etwa pH 3,5 verringert werden. Gleichzeitig muß jedoch eine Abnahme der Reaktionsgeschwindigkeit in Kauf genommen werden. Bei diesem Verfahren wird zur Abtrennung des gewünschten Reaktionsprodukts vom Enzym in einem Enzym-Membran-Reaktor eine Porenmembran verwendet, bei der die Stoffe gemäß ihrer Molekülgröße die Membran passieren können. Die Ausschlußgrenze liegt bei der verwendeten Membran BMK 100 der Firma Berghoff bei 10 000 Dalton. Als treibende Kraft dient eine hydrostatische Druckdifferenz über der Membran. Somit können sämtliche Substanzen außer dem Enzym selbst die Membran passieren, so daß noch eine aufwendige Aufarbeitung des vom Enzym befreiten Reaktionsgemischs notwendig ist, um zu dem reinen Produkt zu gelangen, abgesehen davon, daß die Umwelt durch ins Abwasser abgeführtes Lösungsmittel, Puffersalz und Substratmaterial stark belastet wird.The enantioselective enzymatic reaction of this synthesis competes with non-stereospecific chemical addition of hydrogen cyanide to the carbonyl component. This unwanted Side reaction is pH dependent, and can be in the aqueous Medium as described in EP 03 26 063 A2 by displacement the pH in the acidic region to about pH 3.5 be reduced. At the same time, however, a decrease in the Reaction rate can be accepted. In this Method is used to separate the desired reaction product from the enzyme in an enzyme membrane reactor, a pore membrane used in which the substances according to their molecular size the membrane can pass. The exclusion limit is included the membrane used BMK 100 from Berghoff at 10,000 Dalton. The driving force is a hydrostatic pressure difference over the membrane. Thus, all substances except the enzyme itself pass through the membrane so that still an elaborate work-up of the reaction mixture freed from the enzyme necessary to get to the pure product, except that the environment is discharged through wastewater Solvent, buffering salt and substrate material strong is charged.

Von den beiden vorstehenden Problemen, die sich bei dem Verfahren nach EP 03 26 063 A2 im wäßrigen Medium ergeben, nämlich Problematik der unerwünschten chemischen Nebenreaktion einerseits und aufwendige Aufarbeitung andererseits, läßt sich die erstere Problematik der Unterdrückung der chemischen Reaktion auch dadurch lösen, daß die enzymatische Umsetzung in einem organischen Medium durchgeführt wird. Hierdurch werden zusätzlich neben einer höheren Reaktionsgeschwindigkeit und besseren optischen Ausbeuten auch höhere Substratkonzentrationen erzielt. Daraus resultieren wesentlich verbesserte Raum-Zeit-Ausbeuten. Als weiterer Vorteil des organischen Mediums ist insbesondere die unbeschränkte Löslichkeit der Carbonylkomponente zu nennen, da in diesem Medium auch aromatische Aldehyde, höhere aliphatische und heterocyclische Aldehyde und Ketone umgesetzt werden können. In der US-PS 48 59 784 und der entsprechenden DE-OS 37 01 383 wird deshalb die enzymatische Umsetzung verschiedener Carbonylkomponenten in Essigsäureethylester oder Diisopropylether als Lösungsmittel beschrieben. Die Umsetzungen werden bei pH 5,6 in Acetat- oder Citrat-Puffer durchgeführt. Die Oxinitrilase wird jeweils rein adsorptiv auf mikrokristalliner Cellulose mit der Handelsbezeichnung Avicel immobilisiert. Jedoch ist die Problematik der Produktaufarbeitung hier überhaupt nicht gelöst. Die eben genannten beiden Druckschriften enthalten keine Angaben, wie das gewünschte Reaktionsprodukt aus dem Reaktionsgemisch gewonnen werden soll.Of the two above problems arising in the process according to EP 03 26 063 A2 in the aqueous medium, namely Problem of the unwanted chemical side reaction on the one hand and elaborate processing on the other hand, leaves the former problem of the suppression of chemical Reaction also solve that the enzymatic reaction is carried out in an organic medium. This will be in addition to a higher reaction rate and better optical yields also higher substrate concentrations achieved. This results in much improved Space-time yields. Another advantage of the organic medium is in particular the unlimited solubility of the carbonyl component to name as in this medium also aromatic Aldehydes, higher aliphatic and heterocyclic aldehydes and ketones can be implemented. In the US PS 48 59 784 and the corresponding DE-OS 37 01 383 is therefore the enzymatic conversion of various carbonyl components in ethyl acetate or diisopropyl ether as solvent described. The reactions are reacted at pH 5.6 in acetate. or citrate buffer. The oxynitrilase becomes each purely adsorptive on microcrystalline cellulose with the trade name Avicel immobilized. However, that is Problem of product processing here not solved. The above two publications contain no details, such as the desired reaction product from the Reaction mixture to be obtained.

Einer praktischen Anwendung dieser enzymatischen Synthese stehen eine Reihe reaktionstechnischer und wirtschaftlicher Nachteile und Probleme entgegen:A practical application of this enzymatic synthesis are a number reactionary and more economical Disadvantages and problems:

(1) The cost-effectiveness of the process becomes almost exclusive determined by the maximum number of cycles of the enzyme. This depends on the one hand on the enzyme stability on the other hand, however, in particular the quality of Immobilization from, d. H. to what extent does the enzyme in the reaction space remains. The adsorptive immobilization of the enzyme on the above microcrystalline cellulose Avicel is dependent on the ion potential of the solution and thus reversible.
(2) Cyanohydrins are generally observed to be very strong low reaction rate, due to a low Enzyme activity. In particular, the implementation undergoes a competitive inhibition by the carbonyl component, d. H. the aldehyde, and by the product, d. H. the cyanohydrin.
(3) The products are not distillable without racemization (Product has high boiling point and has been decomposed) yet chromatographable (many decompose even under Reverse reaction). This makes a clean presentation very expensive and often impossible. The distillation residue contains in addition to the cyanohydrin always buffer salts, the only very expensive, for example, by extraction, from cyanohydrin, with part of the Cyanohydrin is lost.
(4) The optical yields are usually very good good, but there is a very slow reaction to Equilibrium turnover, which is often very low.
(5) Many solvents, buffer salts and unreacted Substrate material come into the wastewater, which is a high Environmental pollution means.

Prinzipieller gesagt, stellen sich hier folgende Probleme:In principle, here are the following problems:

(A) The reaction is relatively slow because it gets through the reaction mixture slows down more and more.
(B) The reaction is relatively incomplete, because it ends due to the reaction mixture at an equilibrium state.
(C) The mentioned reaction product is extremely expensive purely to win, because it is extremely expensive and losses as well as heavy environmental impact detachable from the reaction mixture.

Aufgabe der Erfindung ist es daher insbesondere, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur enzymatischen Synthese von organischen Verbindungen zur Verfügung zu stellen, womit es, insbesondere jedoch keineswegs ausschließlich im organischen Medium, ermöglicht wird, eine schnellere und vollständigere Reaktion zu erzielen und die synthetisierte organische Verbindung (das Produkt) auf verhältnismäßig unaufwendige Weise sowie möglichst wirtschaftlich und ohne wesentliche Umweltbelastung zu gewinnen.The object of the invention is therefore in particular, a method and a device for the enzymatic synthesis of organic To provide connections, what it, in particular but by no means exclusively in organic medium, allows a faster and more complete reaction to achieve and the synthesized organic compound (the product) in a relatively inexpensive way as well as economically as possible and without significant environmental impact to win.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die organische Verbindung mittels einer Lösungsdiffusionsmembran abgetrennt wird, die funktionelle Gruppen enthält, welche eine selektive Wechselwirkung zu der organischen Verbindung haben. This object is achieved by a method of the aforementioned generic type according to the invention solved in that the organic compound by means of a solution diffusion membrane which contains functional groups containing a selective interaction with the organic compound to have.

Außerdem wird die obige Aufgabe gelöst mit einer Vorrichtung zur enzymatischen Synthese von organischen Verbindungen, umfassend einen Reaktionsraum zur Durchführung der Synthese und eine Membran zum Abtrennen der synthetisierten organischen Verbindung von dem Enzym oder den Enzymen, welche für die organische Verbindung selektiv durchlässig ist, welche Vorrichtung sich erfindungsgemäß dadurch auszeichnet, daß die Membran eine Lösungsdiffusionsmembran ist, die funktionelle Gruppen enthält, welche eine selektive Wechselwirkung zu der organischen Verbindung haben.In addition, the above object is achieved with a device for the enzymatic synthesis of organic compounds, comprising a reaction space for carrying out the synthesis and a membrane for separating the synthesized organic Compound of the enzyme or enzymes responsible for the organic Compound is selectively permeable, which device According to the invention characterized in that the membrane a solution diffusion membrane is the functional Contains groups which have a selective interaction with the have organic compound.

Mit der Erfindung wird ein fortlaufender selektiver Austrag der synthetisierten organischen Verbindung (Produktaustrag) aus dem Reaktionsraum ermöglicht, wodurch insbesondere folgende Vorteile erzielt werden:With the invention becomes a continuous selective discharge the synthesized organic compound (product discharge) out of the reaction space, whereby in particular the following Advantages to be achieved:

(1) The reaction becomes faster because no competitive inhibition through the synthesized organic compound (Product) is more possible because it is discharged.
(2) The reaction becomes more complete because the reaction equilibrium always new, because the product always is subtracted again.
(3) It is a gain of the pure product in relative very favorable way possible (without elaborate workup), because only or through the solution diffusion membrane almost only the product is discharged.
(4) The result is a high level of economic efficiency because the Starting substances running, d. H. continuous, fed and completely implemented (the substrates are sometimes very expensive) and in the reaction room remain (the recovery of enzymes is usually very expensive).

Die Erfindung ist nicht nur auf die Herstellung von Cyanhydrinen anwendbar, die u. a. Zwischenprodukte für sehr viele Pharmaka und Insektizide sind, sondern sie ist auf alle Enzymreaktionen anwendbar und bringt besonders dort große Vorteile, wo der Gleichgewichtsumsatz weniger als 100% beträgt.The invention is not limited to the production of cyanohydrins applicable, the u. a. Intermediates for a great many Pharmaceuticals and insecticides are, but it is on all enzyme reactions applicable and brings great benefits especially there, where equilibrium turnover is less than 100%.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel zur Verschiebung des Reaktionsgleichgewichts durch selektive Produktabtrennung und damit zur Erzielung erhöhter Raum-Zeit-Ausbeuten ist die Lipase-katalysierte Umesterung. Hier kann beispielsweise durch enantioselektive Umesterung von Geranylacetat in einer Lösung von Vinylacetat kontinuierlich S-Geraniol, (S)-trans-3,7-Dimethyl- 2,6-octadien-ol, in hoher Ausbeute synthetisiert werden. Der Gleichgewichtsumsatz im Batch-Reaktor beträgt 55% bei einer optischen Ausbeute von 96% ee. Die Inhibierung durch den entstehenden Acetaldehyd kann mittels selektivem Produktaustrag verhindert werden. Als produktselektive Membran kann eine hydrophile Lösungsdiffusionsmembran aus definiert vernetztem Polyvinylalkohol mit freien Hydroxydgruppen als funktionellen Gruppen verwendet werden.Another application example for shifting the reaction equilibrium by selective product separation and thus to achieve increased space-time yields is the lipase-catalyzed Transesterification. Here, for example, by enantioselective Transesterification of geranyl acetate in a solution of Vinyl acetate continuously S-geraniol, (S) -trans-3,7-dimethyl- 2,6-octadiene-ol, synthesized in high yield become. The equilibrium conversion in the batch reactor is 55% with an optical yield of 96% ee. The inhibition by the resulting acetaldehyde can by means of selective Product discharge can be prevented. As a product-selective Membrane can be made out of a hydrophilic solution diffusion membrane defines cross-linked polyvinyl alcohol with free hydroxy groups be used as functional groups.

In gleicher Weise ist dieses Konzept auf die Schweineleber- esterase-katalysierte Hydrolyse von 1,2-Cyclohexan-dicarbonsäure- dimethylester zum (1S,2R)-Monoester übertragbar. Als geeignete, produktselektive Membran kann die schwach basische, vernetzte Lösungsdiffusionsmembran eingesetzt werden. Diese wird als Composite-Membran durch Quaternisierung und Vernetzung von Poly(4-vinylpyridin) mit 1,6-Dibromhexan hergestellt, wobei die funktionellen Gruppen quartäre Ammoniumgruppen sind.In the same way, this concept is based on pork liver esterase-catalyzed hydrolysis of 1,2-cyclohexanedicarboxylic acid dimethyl ester to (1S, 2R) monoester transferable. When suitable, product-selective membrane may be the weakly basic, crosslinked solution diffusion membrane can be used. These is called a composite membrane by quaternization and crosslinking of poly (4-vinylpyridine) with 1,6-dibromohexane, where the functional groups are quaternary ammonium groups are.

Die mit der Erfindung zur Verfügung gestellte Lösungsdiffusionsmembran ist selektiv durchlässig für das Produkt, d. h. vorliegend im Beispiel für Cyanhydrine. Diese erfindungsgemäße Membran läßt sonst fast gar keine anderen Stoffe des Reaktionsgemischs durch, d. h., sie istThe solution diffusion membrane provided by the invention is selectively permeable to the product, i. H. in this case in the example of cyanohydrins. This invention Otherwise, membrane leaves almost no other substances of the reaction mixture through, d. h., she is

(a) impermeable to reactants (= substrates); it but would be enough if the selectivity, d. H. the ratio of permeability to the product too Permeability to other components (for example Substrates) is greater than 1;
(b) almost impermeable to solvents, d. h., she only lets very little solvent through; the selectivity for Product to solvent is for the reaction itself unimportant, but for later removal of the solvent economically very important.

Das erfindungsgemäße Prinzip der funktionellen Lösungsdiffusionsmembran, die funktionelle Gruppen enthält, welche eine selektive Wechselwirkung zum Produkt haben, ermöglicht Membranen, die fast nur für das Produkt durchlässig sind und in denen insbesondere die Substrate und Lösungsmittel unlöslich oder nur relativ sehr wenig löslich sind, ergibt also je nach Optimierung der Membran folgende spezielle Möglichkeiten:The inventive principle of the functional solution diffusion membrane, which contains functional groups which one selective interaction with the product allows membranes, which are almost permeable only to the product and in in particular, the substrates and solvents insoluble or are only very slightly soluble, so depending on Optimization of the membrane following special possibilities:

(A) Continuous enzymatic synthesis of vaporizable organic compounds in an enzyme membrane reactor by means of pervaporative product discharge;
(B) Continuous enzymatic synthesis of non-volatile organic compounds in an enzyme membrane Reactor by means of pertraktivem product discharge;
(C) Reaction in aqueous medium and selective product discharge via a functional hydrophobic solution diffusion membrane;
(D) Reaction in organic nonpolar medium and selective Product discharge via a functional hydrophilic solution diffusion membrane;
(E) Implementation of the reaction solvent-free and selective Product discharge with retention of the substrate via the functional solvent diffusion membrane;
(F) that via a selective product discharge a shift of thermodynamic equilibrium and thus a maximum turnover is achieved;
(G) that complete retention of the enzyme over the functional solution diffusion membrane is achieved;
(H) that the reaction is in a continuously operated Stirred tank reactor with limiting, the substrate and / or selectively excluding the solvent functional solution diffusion membrane carried out becomes;
(I) that the reaction in a tubular reactor with subsequent, the solvent selectively excludes more functional Solution diffusion membrane is performed;
(J) that the reaction is directly in the selective capillary membranes a hollow fiber module is carried out, the Capillary membranes according to the invention functional solution diffusion membranes are;
(K) that the reaction is directly between the selective membranes a pipe module is performed, the inventive functional solution diffusion membranes are;
(L) that the reaction is directly between the selective membranes a winding module is performed, the inventive functional solution diffusion membranes are;
(M) that about the hydrophilicity of the functional solution diffusion membrane a selective retention of the solvent is achieved and that about the additional functionalization This solution diffusion membrane is a selective Retention of the substrates is achieved;
(N) that on the functionalization of the solution diffusion membrane a racemization of the products during the selective Permeation is prevented;
(O) that via the functional solution diffusion membrane a achieved complete restraint of the buffer substances becomes.

In der erfindungsgemäßen funktionellen Lösungsdiffusionsmembran wandern die Produktmoleküle gewissermaßen von einer funktionellen Gruppe zur anderen unter jeweiliger Wechselwirkung mit diesen funktionellen Gruppen durch die Membran hindurch. Das ist ein völlig anderes Prinzip als bei den bisher bekannten nichtfunktionellen Lösungsdiffusionsmembranen, bei denen die Wanderung der Stoffe überhaupt nicht auf irgendeiner chemischen Wechselwirkung mit funktionellen Gruppen beruht, sondern lediglich auf dem Prinzip der unterschiedlichen physikalischen Diffusionsgeschwindigkeiten und der unterschiedlichen physikalischen Kondensierbarkeit.In the functional solution diffusion membrane according to the invention The product molecules migrate to a certain extent from one functional group to another under respective interaction with these functional groups through the membrane. This is a completely different principle than in the past known non-functional solution diffusion membranes, at to whom the migration of the substances is not at all at all based on chemical interaction with functional groups, but only on the principle of different physical diffusion rates and the different physical condensability.

Der Begriff der Lösungsdiffusionsmembran, wie er hier im Rahmen der Beschreibung und der Patentansprüche gebracht wird, schließt ein, daß diese Membran nicht porös durchlässig ist.The concept of the solution diffusion membrane, as here in the context the description and the claims are brought, includes that this membrane is not porous permeable.

Dieselbe funktionelle erfindungsgemäße Lösungsdiffusionsmembran kann für pervaporativen und pertraktiven Produktsaustrag verwendet werden.The same functional solution diffusion membrane according to the invention can be used for pervaporative and pertractive product discharge be used.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Further developments of the invention are specified in the subclaims.

Die Erfindung sei nachfolgend in näheren Einzelheiten anhand von grundsätzlichen Erörterungen und Ausführungsbeispielen sowie unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 6 der Zeichnung erläutert; es zeigtThe invention will be explained in more detail below with reference to basic discussions and embodiments and with reference to Figures 1 to 6 of the drawing. it shows

Fig. 1 eine schematische Darstellung der im Reaktionsgemisch einer enzymatischen Synthese von Cyanhydrin enthaltenen Substanzen durch eine Porenmembran, Fig. 1 is a schematic representation of the substances contained in the reaction mixture to an enzymatic synthesis of cyanohydrin by a porous membrane,

Fig. 2 eine schematische Darstellung über den Durchgang der Substanzen des Reaktionsgemischs gemäß Fig. 1 durch eine erfindungsgemäße funktionelle Lösungsdiffusionsmembran, Fig. 2 is a schematic representation via the passage of the substances of the reaction mixture as shown in FIG. 1 by a present invention's functional solution diffusion membrane,

Fig. 3 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit pervaporativem Produktaustrag, Fig. 3 shows an embodiment of an inventive device with pervaporativem product discharge,

Fig. 4 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit pertraktivem Produktaustrag, Fig. 4 shows an embodiment of an inventive device with pertraktivem product discharge,

Fig. 5 die Änderung der Wechselwirkung zwischen dem Substrat Butanal und der funktionellen Sulfonsäuregruppe mit sich ändernden Gegenionen H⁺, Na⁺, K⁺, C⁺ und Fig. 5 shows the change of the interaction between the substrate and the butanal sulfonic acid functional group with varying counter ions H⁺, Na⁺, K⁺, and C⁺

Fig. 6 die Änderung der Wechselwirkung zwischen Butanalcyanohydrin und der funktionellen Sulfonsäuregruppe mit sich ändernden Gegenionen der gleichen Art wie in Fig. 3. FIG. 6 shows the change in the interaction between butanalcyanohydrin and the sulfonic acid functional group with varying counterions of the same type as in FIG. 3. FIG .

Die obengenannten Probleme (1) bis (4) lassen sich durch einen kontinuierlichen Prozeß in einem speziell entwickelten Enzym-Membran-Reaktor beseitigen. Die Cyanhydrine werden dazu sehr selektiv kontinuierlich aus dem Reaktionsgemisch über eine Lösungsdiffusionsmembran mittels Pervaporation oder Pertraktion entfernt. The above-mentioned problems (1) to (4) can be understood a continuous process in a specially developed Remove enzyme membrane reactor. The cyanohydrins are added very selectively continuously from the reaction mixture over a solution diffusion membrane by pervaporation or pertraction away.

Alle Verbindungen, die unzersetzt und racemisierungsfrei in die Gasphase überführt werden können, werden direkt durch Pervaporation abgetrennt. Als Modell für diese Verbindungsklasse wurde im Rahmen der Erfindung kontinuierlich (R)-2-Hydroxypentannitril pervaporativ aus einem Bioreaktor entfernt (Fig. 3). Nicht verdampfbare Produkte werden wesentlich schonender mittels Pertraktion (erleichterte Extraktion über eine Lösungsdiffusionsmembran) und anschließender Abtrennung der Spül- bzw. Extraktionsflüssigkeit abgetrennt. Als Beispiel wurde das (S)-2-Hydroxy-2-(2-phenoxy)-phenylacetonitril kontinuierlich produziert (Darstellung des Bioreaktors in Fig. 4).All compounds which can be converted to the gas phase without decomposition and without racemization are separated off directly by pervaporation. As a model for this class of compounds, continuous (R) -2-hydroxypentanenitrile was pervaporatively removed from a bioreactor in the context of the invention ( FIG. 3). Non-evaporable products are separated much more gently by means of pertraction (facilitated extraction via a solution diffusion membrane) and subsequent separation of the rinsing or extraction liquid. As an example, the (S) -2-hydroxy-2- (2-phenoxy) -phenylacetonitrile was continuously produced (representation of the bioreactor in Fig. 4).

Für beide Prozesse kann prinzipiell derselbe Membrantyp verwendet werden. Die Membran muß eine Reihe von Forderungen erfüllen, nämlichIn principle, the same membrane type can be used for both processes become. The membrane must meet a number of requirements, namely

solvent resistant,
selectively permeable to the product,
impermeable to the educts and the solvent,
complete retention of enzyme, carriers and buffer salts.

Die pervaporative Abtrennung der Produkte ergibt jedoch nicht nur hinsichtlich der Membran, sondern auch bezüglich der Verfahrensführung neue, bisher nicht beschriebene Aspekte. Bislang wird die Pervaporation ausschließlich zur Abtrennung leicht flüchtiger Verbindungen aus einem Gemisch höher flüchtiger Substanzen verwendet. Die Siedepunktsunterschiede der literaturbekannten Trennprobleme überschreiten ein Δ 30°C in aller Regel nicht.However, the pervaporative separation of the products does not give only in terms of the membrane, but also in terms of process control new, previously unmentioned aspects. So far the pervaporation is exclusively for separation Volatile compounds from a mixture of higher volatile Used substances. The boiling point differences of known separation problems exceed a Δ 30 ° C in usually not.

Um dennoch das wenig flüchtige 2-Hydroxypentannitril mit einem Siedepunkt von etwa 210°C von HCN, Butanal und Diisopropylether mit Siedepunkten von 26°C, 75°C und 68°C zu trennen, muß die Membran außerordentlich gute Selektivitäten aufweisen. Um die Verdampfungsselektivität β_td zu überwinden, muß von der verfahrenstechnischen Seite der Permeatdruck für das Produkt gegen Null gehen. Nur in diesem speziellen Fall ergibt sich dann die Permeationsselektivität β_Permeation als Produkt der Verdampfungsselektivität und der Membranselektivität α_Membran.In order nevertheless to separate the low-volatile 2-hydroxypentanenitrile having a boiling point of about 210 ° C of HCN, butanal and diisopropyl ether with boiling points of 26 ° C, 75 ° C and 68 ° C, the membrane must have exceptionally good selectivities. In order to overcome the evaporation selectivity β _td , the permeate pressure for the product must approach zero from the process side. Only in this special case does the permeation selectivity β _{permeation result} as the product of the vaporization _selectivity and the membrane _selectivity α _membrane .

β_Permeation = β_td · α_Membran.β _permeation = β _td · α _membrane .

Die Membranselektivität setzt sich für Lösungsdiffusionsmembranen aus dem Produkt der Sorptionsselektivität α_Sorption und der Diffusionsselektivität α_Diffusion zusammen.Membrane selectivity for solution diffusion membranes consists of the product of sorption selectivity α _sorption and diffusion selectivity α _diffusion .

α_Membran = α_Sorption · α_Diffusion.α _membrane = α _sorption · α _diffusion .

Beim vorliegenden Trennproblem molekular ähnlicher Verbindungen läßt sich eine gute Membranselektivität nur erfindungsgemäß über eine ausreichend starke Wechselwirkung der Permeanten mit funktionellen Gruppen der Membranphase erzielen, d. h. durch eine sorptionskontrollierte Permeation. Erfolgt eine zu starke Wechselwirkung zwischen mobiler und stationärer Phase, so wird die Permeation dieser Komponente wieder diffusionsgehemmt. Dies würde sich in einer Erniedrigung der Einzelpermeabilität und damit einer Verschlechterung der Selektivität äußern. Das Ausmaß eines erleichterten Transports von Cyanhydrin durch eine funktionelle Lösungsdiffusionsmembran hängt also von der Stabilitätskonstante des Permeanten/Carriermembran- Komplexes ab. Daraus folgt als eine weitere Forderung an die Membran, daß ihre Wechselwirkung zu den verschiedenen Cyanhydrinen einstellbar sein sollte.In the present separation problem of molecularly similar compounds good membrane selectivity can only be achieved according to the invention over a sufficiently strong interaction of the permeants achieve with functional groups of the membrane phase, d. H. by a sorption-controlled permeation. Is one too strong interaction between mobile and stationary phase, Thus, the permeation of this component is again diffusion-inhibited. This would result in a lowering of the single permeability and thus a deterioration of the selectivity express. The extent of facilitated transport of cyanohydrin through a functional solution diffusion membrane that is, from the stability constant of the permeant / carrier membrane Complex. It follows as another requirement to the membrane that their interaction with the various Cyanohydrins should be adjustable.

Für den Fall einer sorptionskontrollierten Permeation kann eine geeignete Membran unter Betrachtung von Löslichkeitsparametern ermittelt werden. Das ursprüngliche Konzept der Löslichkeitsparameter geht auf die Arbeiten von Hildebrand und Scott zurück. Die grundlegende Beziehung dieses Modells postuliert eine Korrelation zwischen der Kohäsionsenergiedichte e_A, d. h. der potentiellen Energie einer kondensierten Phase pro Einheitsvolumen und der relativen Löslichkeit, dem sogenannten Löslichkeitsparameter δ einer Komponente:In the case of sorption-controlled permeation, a suitable membrane can be determined considering solubility parameters. The original concept of solubility parameters goes back to the work of Hildebrand and Scott. The fundamental relationship of this model postulates a correlation between the cohesive energy density e _A , ie the potential energy of a condensed phase per unit volume and the relative solubility, the so-called solubility parameter δ of a component:

Nach den historischen Ansätzen von van Laar, Scatchard und Hildebrand läßt sich die Mischungsenergie zweier Komponenten wie folgt ausdrücken:After the historical approaches of van Laar, Scatchard and Hildebrand allows the mixing energy of two components express as follows:

Δ_mU_v = (x_AV_A + x_BV_B) · Φ_A · Φ_B · A_AB.Δ U _m _v = (x _A x V _A + _B V _B) · Φ Φ _A · _B · A _AB.

Der Term A_AB wird als Austauschenergiedichte bezeichnet und stellt ein Maß für den inneren Zusammenhalt zwischen den Molekülen dar. Er läßt sich somit über die Verdampfungsenergie mit der Kohäsionsenergiedichte verknüpfen:The term A _AB is called exchange energy density and represents a measure of the internal cohesion between the molecules. It can thus be linked to the cohesive energy density via the evaporation energy:

Damit erhält man schließlich die Hildebrand-Scatchard-Beziehung für die Mischungsenergie, welche für reguläre Lösungen der Gibbsschen freien Mischungsenthalpie entspricht (für nichtideale Lösungen muß sie mit der Exzessentropie erweitert werden):This finally gives the Hildebrand-Scatchard relationship for the mixing energy, which for regular solutions Gibbs's free enthalpy of mixing (for Non-ideal solutions must be extended with excess entropy become):

Δ_mU_v = (x_AV_A + x_BV_B) · Φ_A · Φ_B · (δ_A - δ_B)².Δ U _m _v = (x _A x V _A + _B V _B) · Φ Φ _A · _B · (δ _A - δ _B) ².

Eine Lösung oder Mischung ist um so stabiler, desto kleiner die nach Definition stets positive Mischungswärme ist. Somit läßt sich aus der Hildebrand-Scatchard-Beziehung die Aussage ableiten, daß eine Lösung auch um so stabiler ist, desto ähnlicher die Löslichkeitsparameter sind. Die Kohäsionsenergiedichte kann man sich aus drei Wechselwirkungsenergien zusammengesetzt denken: A solution or mixture is the more stable, the smaller which is by definition always positive mixture heat. Thus the statement can be derived from the Hildebrand-Scatchard relationship to deduce that a solution is all the more stable, the more similar the solubility parameters are. The cohesive energy density one can be composed of three interaction energies think:

- dispersion energy E d ,
- dipole-dipole interaction energy E p ,
- hydrogen bond energy E h .

Damit läßt sich auch der Löslichkeitsparameter in drei Komponenten zerlegen:This also allows the solubility parameter in three components Dismantling:

δ² = δ_d² + δ_p² + δ_h².δ² = δ _d ² + δ _p ² + δ _h ².

Zur Darstellung trägt man die Komponenten des Löslichkeitsparameters in einem räumlichen Koordinatensystem ab. Die Mischbarkeit zweier Komponenten läßt sich damit aus dem Abstand zweier Punkte im Raum beurteilen:For representation one carries the components of the solubility parameter in a spatial coordinate system. The miscibility two components can thus be out of the distance judge two points in space:

Die notwendigen experimentellen Daten bezüglich den Löslichkeitsparametern lassen sich aus Sorptionsexperimenten einmal gewinnen, und werden dann tabelliert. Weiterhin sind sie näherungsweise aus einem Inkrementverfahren aus Tabellen kalkulierbar.The necessary experimental data regarding solubility parameters can be determined from sorption experiments once win, and are then tabulated. Furthermore, they are approximate calculable from tables using an increment method.

Entsprechend den Polaritäten der Cyanhydrine konnte aus einem Membranscreening festgestellt werden, daß die besten Selektivitäten mit hydrophilen Lösungsdiffusionsmembranen gefunden werden, welche zusätzlich kovalent gebundene, negativ geladene Gruppen tragen. Die bestehen Ergebnisse wurden mit einer Membrane gefunden, welche entsprechend den Vorschriften zur Herstellung von Kationenaustauschermembranen, jedoch als sehr dünner, unverstärkter Film hergestellt wurde. Dazu wurde eine Folie aus Polyethylen getränkt mit einem Gemisch bestehend aus Ethylbenzol, Styrol, Divinylbenzol, Isopren und Benzoylperoxid. Nach Polymerisation bei 80°C während 4 Stunden unter Argon wurde der resultierende, vernetzte Film mit Chlorsulfonsäure in Trichlorethan auf eine Kapazität von According to the polarities of cyanohydrins could from a Membrane screening found that the best selectivities found with hydrophilic solution diffusion membranes which are additionally covalently bonded, negatively charged Bear groups. The existing results were with a Membrane found, which according to the regulations for Production of cation exchange membranes, but as very thin, unreinforced film was made. This was one Polyethylene film impregnated with a mixture from ethylbenzene, styrene, divinylbenzene, isoprene and benzoyl peroxide. After polymerization at 80 ° C for 4 hours under Argon became the resulting crosslinked film with chlorosulfonic acid in trichloroethane to a capacity of

sulfoniert. Sulfonierte Membranen von vergleichbarem Typ wurden auch auf andere Weise hergestellt, wobei die Hauptcharakteristik jedoch durch die saure funktionelle Gruppe der Membran bestimmt wurde.sulfonated. Sulfonated membranes of a similar type were also produced in other ways, However, the main characteristic of the acidic functional group of the membrane was determined.

Die Einstellung der optimalen Wechselwirkung zum Permeanten erfolgt über eine Variation der Gegenionen der Sulfonsäuregruppe. Dabei nimmt die Säurestärke bzw. die Stärke der negativen Ladung in der ReiheThe setting of the optimal interaction with the permeant occurs via a variation of the counterions of the sulfonic acid group. The acidity or the strength of the negative increases Cargo in the row

H⁺ < Li⁺ < Na⁺ < K⁺ < Rb⁺ < Cs⁺H⁺ <Li⁺ <Na⁺ <K⁺ <Rb⁺ <Cs⁺

zu. Durch Austausch mit zwei- und dreiwertigen Gegenionen wie zum Beispiel Al³⁺ kann zusätzlich die Sorption reduziert und damit die Selektivität weiter erhöht werden.to. By exchange with divalent and trivalent counterions such as Al ³⁺ , in addition, the sorption can be reduced and thus the selectivity can be further increased.

Die Variation der Wechselwirkungsenergie findet für verschiedene Cyanhydrine bei unterschiedlichen Gegenionbeladungen ihre optimale Komplexbildungskonstante und damit auch Selektivität. Für "Butanal- und Acetoncyanhydrin" werden die besten Selektivitäten mit dem Kalium-Gegenion-SO₃K gemessen. Für das "meta-Phenoxybenzaldehydcyanhydrin" wurde dagegen die optimale Selektivität für das Cäsium-Gegenion-SO₃Cs gefunden.The variation of the interaction energy takes place for different ones Cyanohydrins at different counterion loadings their optimal complexing constant and thus also selectivity. For "butanal and acetone cyanohydrin" are the best Selectivities with the potassium counterion SO₃K measured. For the "meta-Phenoxybenzaldehydcyanhydrin", however, the optimal selectivity for the cesium-counterion SO₃Cs found.

In Fig. 5 wird die Wechselwirkung nach rechts zu immer schlechter, d. h. für das Substrat, das zurückgehalten werden soll, immer günstiger. In Fig. 6 ist für das Produkt eine günstigste Wechselwirkung beim Gegenion K⁺ ersichtlich.In Fig. 5, the interaction to the right is getting worse and worse, ie for the substrate to be retained, always cheaper. In Fig. 6 for the product is a most favorable interaction in the counterion K⁺ visible.

Da der Trennfaktor α_Membran bzw. exakter die Anreicherung der Komponente i im Permeat auch eine Funktion der Feedzusammensetzung ist, muß die Gesamtkonzentration der Edukte/Produkte im Lösungsmittel maximiert werden.Since the separation factor α _membrane or more precisely the accumulation of the component i in the permeate is also a function of the feed composition, the total concentration of the reactants / products in the solvent must be maximized.

J_i J _i = Molenstromdichte = transmembraner Fluß der Komponente i (zum Beispiel gr. pro m² und h) über die Membran= Molenstromdichte = transmembrane flow of component i (for example, gr. Per m² and h) across the membrane K_i K _i = Löslichkeitskoeffizient der Komponente i= Solubility coefficient of component i D_i D _i = Diffusionskoeffizient der Komponente i= Diffusion coefficient of component i p_is p _is = Sättigungsdampfdruck der Komponente i= Saturation vapor pressure of component i p′′p '' = absoluter Druck im Permeatraum= absolute pressure in permeate space γ_i γ _i = Aktivitätskoeffizient der Komponente i= Activity coefficient of component i x_i′x _i ' = Molenbruch der Komponente i auf der Feedseite der Membran= Mole fraction of component i on the feed side of the membrane x_i′′x _i '' = Molenbruch der Komponente i auf der Permeatseite der Membran= Mole fraction of component i on the permeate side of the membrane ΔzAz = Schichtdicke der Membran= Layer thickness of the membrane

Damit folgt nach Einführung der idealen Selektivität S_{i, k} des Trennfaktors für die Druckabhängigkeit der erzielbaren Anreicherung im Permeat:Thus, after the introduction of the ideal selectivity S _{i, k of} the separation factor for the pressure dependence of the achievable enrichment in the permeate follows:

γ_k γ _k = Aktivitätskoeffizient der Komponente k= Activity coefficient of component k x_k′x _k ' = Molenbruch der Komponente k auf der Feedseite der Membran= Mole fraction of component k on the feed side of the membrane x_k′′x _k '' = Molenbruch der Komponente k auf der Permeatseite der Membran= Mole fraction of component k on the permeate side of the membrane

Da im vorliegenden Fall der enzymatischen Cyanhydrinsynthese ausschließlich die Carbonylkomponente und das Produkt eine Hemmung auf das Enzym bewirken, muß die Selektivität nur für diese Komponenten angepaßt werden. Das Produkt muß dabei sofort nach seiner Bildung entzogen werden, und in gleichem Maße muß dann Aldehyd nachdosiert werden. Die Blausäure kann in großem Überschuß bezüglich des Aldehyds eingesetzt werden.As in the present case the enzymatic cyanohydrin synthesis exclusively the carbonyl component and the product one Inhibition on the enzyme, the selectivity must only for these components are adapted. The product must be immediately be withdrawn after his education, and in the same Dimensions must then be replenished aldehyde. The hydrocyanic acid can be used in large excess with respect to the aldehyde.

Gegenüber den in der US-PS 48 59 784 beschriebenen Konzentrationen konnte im stationären Zustand die Gesamtsubstratkonzentration durchschnittlich mehr als verzehnfacht werden. Dies äußert sich in einer deutlich verbesserten Raum-Zeit- Ausbeute. In der US-PS 48 59 784 ist für das (R)-2-Hydroxypentannitril eine Ausbeute von 0,033 mol (R)-2-Hydroxypentannitril je Liter und Stunde angegeben. Diese konnte im Rohrreaktor aufCompared to the concentrations described in US-PS 48 59 784 could in steady state the total substrate concentration average more than tenfold. This manifests itself in a significantly improved space-time Yield. In US-PS 48 59 784 is for the (R) -2-hydroxypentanenitrile a yield of 0.033 mol of (R) -2-hydroxypentanenitrile given per liter and hour. This could in the Tube reactor on

und im Rührkesselreaktor unter kontinuierlicher Abtrennung des Produktes sogar auf 1,65 mol (R)-2-Hydroxypentannitril je Liter und Stunde erhöht werden. Die optische Ausbeute blieb wie bei den Batch-Ansätzen bei 98% ee erhalten. Während eines 7-Tage-Versuchs konnte kein Verlust an Protein über die Membran nachgewiesen werden. Die Enzymaktivität verringerte sich auf etwa 95% des Ausgangswertes und damit weniger stark als dies für die reine Lagerung im Lösungsmittel gemessen wurde. Bei den Versuchen im Rohrreaktor erfolgte die Immobilisierung kovalent auf Eupergit C (Handelsbezeichnung). Bei den Versuchen zur Rückhaltung des nativen Enzyms konnten nur stark verringerte Aktivitäten und Stabilitäten gemessen werden. Da der Proteingehalt sich nicht verringerte, kann dieses Ergebnis nicht auf einen Verlust an Enzym, sondern als Oxinitrilase- spezifisches Problem geringerer Stabilität gewertet werden.and in the stirred tank reactor with continuous separation of the product even to 1.65 mol of (R) -2-hydroxypentanenitrile each Liters and hour are increased. The optical yield remained as with batch approaches at 98% ee. During one 7-day experiment could not show any loss of protein across the membrane be detected. The enzyme activity decreased to about 95% of the initial value and thus less than this was measured for pure storage in the solvent. In the experiments in the tubular reactor, the immobilization was carried out covalently on Eupergit C (trade name). In the trials to retain the native enzyme could only strong decreased activities and stabilities are measured. There the protein content did not decrease, this result can be not to a loss of enzyme but as oxinitrilase specific problem of lesser stability.

Noch entscheidendere Vorteile lassen sich aus dem zweiten Separationsverfahren der Pertraktion erhalten. Hier wird als Modellverbindung einer nicht-verdampfbaren Substanz kontinuierlich (S)-2-Hydroxy-2-(2-phenoxy)-phenylacetonitril hergestellt und isoliert. Im beschriebenen Batch-Ansatz muß eine Reaktionszeit von 192 h eingehalten werden, was die zu erwartenden Raum-Zeit-Ausbeiten nicht mehr sinnvoll erscheinen läßt.Even more decisive advantages can be derived from the second separation process obtained the pertraction. Here is called Model compound of a non-volatile substance continuously (S) -2-hydroxy-2- (2-phenoxy) -phenylacetonitrile and isolated. In the batch approach described must have a Reaction time of 192 h are kept, which is the expected Space-time-Ausbeiten no longer make sense leaves.

Bei der Pertraktion wird die permeierte Komponente nicht in das Vakuum verdampft, sondern mittels einer Spülflüssigkeit desorbiert. Dabei sollte das Produkt einen besseren Verteilungskoeffizienten in die Spülflüssigkeit haben als in die Feedlösung. Die Permeationsleistung wird insbesondere durch die Desorption bestimmt, weshalb hier bevorzugt verschiedene Faktoren einzuhalten sind:In the case of pertraction, the permeated component is not in the vacuum evaporates, but by means of a rinsing liquid desorbed. The product should have a better distribution coefficient in the rinse liquid than in the Feed solution. The permeation performance is in particular by the desorption determines why different preferred here Factors to be adhered to are:

(1) The concentration of permeant in the rinse solution should ideally go to zero at the module input.
(2) The flow at the back of the membrane (permeate side) should be turbulent.
(3) The membrane should be as thin as possible and on the permeate side not be mechanically supported.
(4) The product should have a high partition coefficient have to permeate.
(5) The permeate temperature and the permeate pressure should be those Parameter on the feed side of the membrane is not exceed.
(6) The desorption on the permeate side should be irreversible his.
(7) There should be no back diffusion of the rinsing liquid in the Feed solution done.

Diese genannten Bedingungen ließen sich für das "meta-Phenoxybenzaldehydcyanhydrin" in der nachstehend angegebenen Weise erreichen. Dieses Cyanhydrin stellt die wichtigste Vorstufe zur Synthese eines bekannten Pyrethroid-Insektizids dar. Zu dessen Synthese muß es in einem Folgeschritt noch einer Veresterung an der -OH-Gruppe unterzogen werden. Solche Veresterungen lassen sich besonders einfach ausgehend von acetylierten, tosylierten oder mesylierten Hydroxid-Gruppen ausführen. Es wurde deshalb nicht das Cyanhydrin, sondern acetyliertes Cyanhydrin als Produkt betrachtet. Dazu wurde der Spülflüssigkeit Methylenchlorid, Essigsäureanhydrid und alternativ Acetylchlorid als 1%-Lösung zugesetzt. Durch diese irreversible Entfernung des permeierten Cyanhydrins konnte die Permeationsleistung gegenüber reinem Methylenchlorid deutlich verbessert werden.These mentioned conditions could be for the "meta-Phenoxybenzaldehydcyanhydrin" in the below Reach way. This cyanohydrin is the most important precursor for the synthesis of a known pyrethroid insecticide For its synthesis, it must in a subsequent step still one Be subjected to esterification at the -OH group. Such Esterifications can be particularly easily based on acetylated, tosylated or mesylated hydroxide groups To run. It was therefore not the cyanohydrin, but acetylated Cyanohydrin considered as a product. This was the Rinsing liquid methylene chloride, acetic anhydride and alternatively Acetyl chloride added as a 1% solution. Through this irreversible removal of permeated cyanohydrin the permeation performance over pure methylene chloride be significantly improved.

Die Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bei der beispielsweisen Verwendung für die enzymatische Synthese von Cyanhydrin. Einem Rührkesselreaktor 1 mit Rührer 2 werden über einen Mikromischer 3 die Substrate Blausäure und Aldehyd in den Reaktionsraum 4 zugeführt. Außerdem wird gesondert Oxinitrilase und Pufferlösung in den Reaktionsraum 4 eingeleitet, sowie ein Inertgas, vorliegend Argon. Der Reaktionsraum grenzt an eine funktionelle Lösungsdiffusionsmembran 5, über die das Reaktionsgemisch im Reaktionsraum 4 durch eine Pumpe 6 laufend umgewälzt wird (Feedseite). Auf der Permeatseite der funktionellen Lösungsdiffusionsmembran wird das synthetisierte Cyanhydrin im Permeatraum 7 durch Vakuum pervaporativ abgezogen und in einer Ausfriereinrichtung 8 ausgefroren, wobei die nichtkondensierbaren Anteile abgeführt werden, während der durch Ausfrieren erhaltene Anteil in einem Verflüssiger 9 verflüssigt und anschließend in einem Dünnfilmverdampfer 10 von Lösungsmittel getrennt wird. Im technischen Betrieb wird das dampfförmige Permeat direkt dem Dünnfilmverdampfer zugeführt. Fig. 3 shows an apparatus according to one embodiment of the invention in the exemplary use for the enzymatic synthesis of cyanohydrin. A stirred tank reactor 1 with a stirrer 2 , the substrates hydrocyanic acid and aldehyde are fed into the reaction chamber 4 via a micromixer 3 . In addition, oxinitrilase and buffer solution are separately introduced into the reaction chamber 4 , and an inert gas, in this case argon. The reaction space adjoins a functional solution diffusion membrane 5 , via which the reaction mixture in the reaction space 4 is continuously circulated by a pump 6 (feed side). On the permeate side of the functional solution diffusion membrane, the synthesized cyanohydrin is pervaporatively withdrawn in the permeate 7 by vacuum and frozen in a Ausfriereinrichtung 8 , wherein the non-condensable fractions are removed, while the obtained by freezing portion liquefied in a condenser 9 and then in a thin-film evaporator 10 of solvent is disconnected. In technical operation, the vapor permeate is fed directly to the thin-film evaporator.

Die Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung für den pertraktiven Austrag des synthetisierten Produkts, bei der der Rührkessel- oder Rohrreaktor 1 von der in einer gesonderten Abtrenneinrichtung 11 vorgesehenen funktionellen Lösungsdiffusionsmembran 5 getrennt ist, deren Feedseitenraum 12 das Reaktionsgemisch über die Leitung 13 zugeführt und von dort über die Leitung 14 und eine Pumpe 15 zum Rührkessel- oder Rohrreaktor 1 wieder zurückgeführt wird. Ein Spülflüssigkeitskreislauf 16 führt das durch die Lösungsdiffusionsmembran permeierte Produkt pertraktiv ab. In einem Verdampfer 10 wird das Produkt von der Spülflüssigkeit getrennt und bei 17 abgeführt. Der Permeatraum ist mit 7 bezeichnet. FIG. 4 shows a device according to the invention for the pertractive discharge of the synthesized product, in which the stirred tank or tubular reactor 1 is separated from the functional solution diffusion membrane 5 provided in a separate separation device 11 whose feed side space 12 is supplied via the line 13 and from there via the line 14 and a pump 15 is returned to the stirred tank or tubular reactor 1 again. A rinsing fluid circuit 16 performs the permeated through the solution diffusion membrane product pertraktiv from. In an evaporator 10 , the product is separated from the rinsing liquid and discharged at 17 . The permeate space is designated 7 .

Die Fig. 1 und 2 zeigen im Vergleich miteinander die mit der Erfindung durch eine funktionelle Lösungsdiffusionsmembranen erzielte, hochselektive Trennung des Produkts vom Reaktionsgemisch gegenüber der nur sehr unvollkommenen Trennung bei Verwendung einer Porenmembran, die lediglich die Enzyme und Mikroorganismen zurückhält. Figures 1 and 2 show, in comparison with each other, the highly selective separation of the product from the reaction mixture with the invention by a functional solution diffusion membrane versus the very imperfect separation using a pore membrane which retains only the enzymes and microorganisms.

Wird daher anstelle einer Ultrafiltration als Separationseinheit erfindungsgemäß eine Pervaporation oder Pertraktion durch eine funktionelle Lösungsdiffusionsmembran angewandt, so ergeben sich daraus folgende wesentliche Vorteile:Therefore, instead of an ultrafiltration as a separation unit According to the invention a pervaporation or pertraction applied by a functional solution diffusion membrane, This results in the following significant advantages:

(a) Only the product may preferentially pass over the membrane subtracted from,
(B) Substrates, solvents and buffer substances can be completely retained in the reactor,
(c) the total conversion, and thus the space / time yield leaves increase considerably, because of the selective product withdrawal the reaction equilibrium are constantly shifted can
(d) complete enzyme retention can be ensured
(e) the fouling occurring in the pore membrane, the topcoat formation on the outer and inner surface the membrane is largely avoided
(f) Solution diffusion membranes are suitable preparation resistant in organic solvents, so can the advantages of an enzymatic Synthesis can be used in organic solvents.

Reaktionsprodukte, die sich unzersetzt in die Gasphase überführen lassen, können durch den Verfahrensschritt der Pervaporation über die funktionelle Lösungsdiffusionsmembranen abgetrennt werden. Die Trennung zwischen Substrat/Lösungsmittel und dem Produkt erfolgt hier durch die beiden Schritte selektive Sorption des Permeanten in die Membranphase, selektive Diffusion des Permeanten durch die Membran und Desorption im Vakuum oder durch ein inertes Spülgas auf der Permeatseite.Reaction products that convert without decomposition into the gas phase can let through the process step of pervaporation separated via the functional solution diffusion membranes become. The separation between substrate / solvent and the product is here through the two steps selective Sorption of the permeant into the membrane phase, selective Diffusion of the permeant through the membrane and desorption in the membrane Vacuum or by an inert purge gas on the permeate side.

Reaktionsprodukte, die sich nicht unzersetzt in die Gasphase überführen lassen oder die beim Verdampfen zur Racemisierung neigen, können mittels der Pertraktion über die funktionelle Lösungsdiffusionsmembranen selektiv abgetrennt werden. Die Trennung zwischen Substrat/Lösungsmittel und dem Produkt erfolgt hier ebenfalls durch die beiden Schritte selektive Sorption des Permeanten in die Membranphase, selektive Diffusion des Permeanten durch die Membran. Zusätzlich wird hier jedoch eine selektive Desorption auf der Permeatseite dadurch erreicht, daß eine Spülflüssigkeit, in der sich das Produkt aufgrund des Nernst-Verteilungskoeffizienten bevorzugt anreichert, die Permeatseite der Membran überströmt. Diese Spülflüssigkeit wird in einem nachfolgenden Schritt abgetrennt und wieder zur Desorption eingesetzt.Reaction products that do not decompose into the gas phase can be converted or the racemization during evaporation can, by means of the pertraction over the functional Solution diffusion membranes are selectively separated. The Separation between substrate / solvent and the product takes place Here also through the two steps selective Sorption of the permeant into the membrane phase, selective diffusion of the permeant through the membrane. In addition, here however, selective desorption on the permeate side thereby achieved that a rinsing liquid in which the product enriches preferentially due to the Nernst distribution coefficient, the permeate side of the membrane flows over. This rinsing liquid is separated in a subsequent step and used again for desorption.

Claims

Process for the enzymatic synthesis of organic compounds, in which the organic compound synthesized in a reaction space ( 4 ) is separated from the enzyme or enzymes by means of a membrane ( 5 ) which is selectively permeable to the organic compound, characterized in that the organic compound is separated by means of a solution diffusion membrane ( 5 ) containing functional groups which have a selective interaction with the organic compound.

2. The method according to claim 1, characterized in that the organic compound is removed by pervaporative discharge from the solution diffusion membrane ( 5 ).

3. The method according to claim 1, characterized in that the organic compound is removed by pertractive discharge from the solution diffusion membrane ( 5 ).

4. The method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the synthesis is carried out in an aqueous medium and the organic compound by means of a hydrophobic solution diffusion membrane ( 5 ) is separated.

5. The method of claim 1, 2 or 3, characterized in that the synthesis is carried out in an organic non-polar medium and the organic compound by means of a hydrophilic or hydrophobic solution diffusion membrane ( 5 ) is separated.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the synthesis in one of the solution diffusion membrane ( 5 ) limited reaction space ( 4 ) is performed.

7. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the synthesis in one of the solution diffusion membrane ( 5 ) separate reaction space ( 4 ) is performed.

8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the synthesis in the reaction space ( 4 ) of a stirred tank reactor ( 1 ) is performed.

9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the solution diffusion membrane ( 5 ) in the form of one or more tubular membranes, wound membranes or hollow fiber membranes is used.

10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized characterized in that the enzymatic synthesis carried out continuously and the organic compound is continuously separated.

11. The method according to one or more of the preceding Claims characterized by the enzymatic Synthesis of a cyanohydrin as an organic compound.

12. The method according to claim 11, characterized that as cyanohydrin meta-Phenoxybenzaldehydcyanhydrin is synthesized.

13. The method according to claim 11, characterized that synthesized as cyanohydrin butanal cyanohydrin becomes.

14. The method according to claim 11, 12 or 13, characterized in that as the solution diffusion membrane ( 5 ) such is used with sulfonic acid groups as functional groups.

15. The method according to claim 12 and 14, characterized that the sulfonic acid groups -SO₃Cs groups are.

16. The method according to claim 13 and 14, characterized that the sulfonic acid groups -SO₃K- Groups are.

17. An apparatus for enzymatic synthesis of organic compounds, comprising a reaction space ( 4 ) for carrying out the synthesis and a membrane ( 5 ) for separating the synthesized organic compound from the enzyme or enzymes which is selectively permeable to the organic compound, characterized in that the membrane is a solution diffusion membrane ( 5 ) containing functional groups which have a selective interaction with the organic compound.

18. The apparatus according to claim 17, characterized by a to the permeate or outlet side ( 7 ) of the solution diffusion membrane ( 5 ) connected to the pervaporation discharge device.

19. The apparatus according to claim 17, characterized by a at the outlet side ( 7 ) of the solution diffusion membrane ( 5 ) connected to Pertraktions-discharge device ( 16 ).

20. Device according to claim 17, 18 or 19, characterized by a hydrophilic or hydrophobic solution diffusion membrane ( 5 ).

21. Device according to one of claims 17 to 20, characterized in that the solution diffusion membrane ( 5 ) limits the reaction space ( 4 ).

22. Device according to one of claims 17 to 20, characterized in that the solution diffusion membrane ( 5 ) is arranged separately from the reaction space ( 4 ).

23. Device according to one of claims 17 to 22, characterized in that the reaction space ( 4 ) that of a stirred tank reactor ( 1 ).

24. Device according to one of claims 17 to 23, characterized in that the solution diffusion membrane ( 5 ) is formed as one or more hollow fibers, one or more tubular membranes or one or more winding membranes.

25. Device according to one of claims 17 to 24, characterized characterized in that the functional Groups of the solution diffusion membrane are sulfonic acid groups.

26. The device according to claim 25, characterized that the sulfonic acid groups -SO₃Cs groups are.

27. The device according to claim 25, characterized characterized in that the sulfonic acid groups -SO₃K groups are.

28. Application of the device according to one of claims 17 to 27 for the synthesis of cyanohydrins.