DE4436149A1 - Verfahren zur kontinuierlichen enzymkatalytischen Gewinnung hydrophober Produkte - Google Patents

Verfahren zur kontinuierlichen enzymkatalytischen Gewinnung hydrophober Produkte

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur konti­ nuierlichen enzym-katalytischen Gewinnung hydrophober Produkte in wäßriger Lösung.
Biotransformationen im allgemeinen und enzymatische Verfahren im besonderen gewinnen zunehmend an Bedeutung für die Synthese von optisch aktiven Substanzen, aber auch für Bulkchemikalien, wobei von der im allgemeinen äußerst selektiven chemischen Wirksamkeit der im wäßrigen Milieu aktiven Enzyme Gebrauch gemacht wird.
Schwierigkeiten entstehen, wenn Substrate umgesetzt werden sollen und Produkte entstehen, die schlecht wasserlöslich sind. Zur Lösung dieses Problems existieren verschiedene Ansätze, wie z. B. die Anwendung der Enzyme in auf einem festen Träger immobilisierter Form, der im organischen Lösungsmittel suspendiert wird, der Einsatz der Enzyme in homogener Lösung mit einem wassermischbaren Lösungsmittel oder der Einschluß von Enzymen in Reversmicellen.
Die direkte Gegenwart von organischen Lösungsmitteln (wassermischbar oder nicht wassermischbar) wird nur von wenigen Enzymen vertragen, die zur Klasse der Hydro­ lasen gehören, (z. B. WO 89/04784). Solche Enzyme werden dabei in der Regel zweidimensional in einer Membran immobilisiert eingesetzt. Unter dem Gesichtspunkt der besseren Katalysatorausnutzung in Bezug auf Aktivität und produktmengen-spezifischem Verbrauch sowie einer leichteren Handhabung ist ein homogen in Lösung verteilter Katalysator jedoch vorteilhaft.
Da - wie bereits erwähnt - die Gegenwart größerer Mengen organischer Lösungsmittel im Reaktionsraum zur Desaktivierung bzw. Denaturierung der Enzyme führt, wird erfindungsgemäß auf organische Lösungsmittel im Reaktionsraum verzichtet und durch eine direkte konti­ nuierliche Einspeisung des umzusetzenden Substrats im Reaktionsraum eine Substratkonzentration entsprechend der maximalen Löslichkeit desselben aufrechterhalten und das sich bildende hydrophobe Produkt (zusammen mit Substratresten) aus der Reaktionsmischung über einen selektiven Trennvorgang entfernt (unter Anwendung einer entsprechend produktdurchlässigen Membran von aus­ reichender Fläche), während die wasserlöslichen Kompo­ nenten der Reaktionsmischung unverändert in Lösung bleiben.
Das erfindungsgemäße Verfahren der eingangs genannten Art ist mithin im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß man das Produkt aus der produkthaltigen Reaktions­ mischung über eine produktdurchlässige, insbesondere hydrophobe Membran in ein organisches Lösungsmittel extrahiert und die produkt-verarmte Reaktionsmischung zur Produktion rezykliert.
Vorzugsweise wird dabei mit einer mikroporösen hydro­ phoben Membran gearbeitet, speziell mit einem Hohl­ fasermembranbündel, wodurch große Membranflächen und geringe Flüssigkeitsschichtdicken realisiert werden können, die eine der Geschwindigkeit der enzymatischen Produktbildung angemessene Produktabtrennung zulassen.
Weitere Besonderheiten ergeben sich aus den Patentan­ sprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Grundsätzlich ist die Erfindung durch Anwendung solcher Membranpatronen realisierbar, die in einen Produktions­ kreislauf eingesetzt werden, in dem die wäßrige Phase rezykliert. Bei einer solchen Ausgestaltung kommt das Enzym an der membranstabilisierten Grenzfläche mit dem organischen Lösungsmittel bei Verwendung mikroporöser Membranen in Kontakt, was gegebenenfalls zu einer Be­ einträchtigung der Enzymaktivität führen kann. In solchen Fällen wird zweckmäßigerweise für eine Reak­ tionszone mit darin immobilisiertem Enzym, zweckmäßi­ gerweise in Form eines Enzymmembranreaktors, gesorgt.
Erfindungsgemäß kann durch direkte Einspeisung der reinen Edukte und Austrag der hydrophoben Produkte eine produktabgereicherte Reaktionsmischung mit darin ge­ lösten Enzymen und Cofaktoren rezykliert werden, was zur Erhöhung der Zykluszahlen und damit zu einer Kostenreduzierung führt.
Besonders vorteilhaft werden erfindungsgemäß Hohlfaser­ bündel aus hydrophoben Materialien, wie gegebenenfalls fluorierten Kohlenwasserstoffpolymeren, wie insbeson­ dere Polypropylen und Polyäthylen verwendet, deren relativ hohe Porosität und geringe Wandstärke bei relativ kleiner Porenöffnung für eine zweckmäßige Realisierung der Erfindung geeignet sind.
Grundsätzlich sind auch nicht-poröse Membranen mit genügender Produktdurchlässigkeit anwendbar, vorzugs­ weise werden jedoch mikroporöse Membranen angewandt, die hydrophob oder auch hydrophil sein können, vorzugs­ weise aber hydrophob sein sollten.
Die organische Lösungsmittelphase kommt an der durch die Membran gebildeten Grenzfläche mit der wäßrigen Phase in Kontakt und würde (bei Verwendung einer hydro­ phoben Membran) in deren Raum übertreten, weshalb für eine relativ geringe positive Druckdifferenz zwischen wäßriger und organischer Phase gesorgt wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen sowie eines Durchführungsbeispiels näher erläutert; es zeigen schematisch
Fig. 1 ein Reaktionsschema;
Fig. 2 ein Extraktionsmodul;
Fig. 3 ein Extraktionsmodul eingebunden in eine erfindungsgemäße Produktionsanlage;
Fig. 4 eine Anordnung gemäß Fig. 3 gekoppelt mit einer kontinuierlicher Extraktionsmittelrektifikation; und
Fig. 5 eine erfindungsgemäße Produktionsanlage mit einem dem Extraktionsmodul vorgeschalteten Enzymmembranreaktor.
In Fig. 1 ist eine typische Reaktion gezeigt, die in einer erfindungsgemäßen Anlage durchgeführt werden kann. Ein hydrophobes Substrat S wird in einer durch ein Enzym 1 katalysierten Reaktion zu einem hydrophoben Produkt P umgesetzt. Dazu wird ein Cofaktor, hier NADH, benötigt, der zu NAD abreagiert und in einer zweiten, durch ein Enzym 2 katalysierten Reaktion (Oxidation von Ameisensäure zu CO₂) regeneriert wird.
In Fig. 2 wird ein Extraktionsmodul (1) gezeigt, das Bestandteil einer erfindungsgemäßen Anlage sein kann. Hier wird aus einer typischen wäßrigen Produktlösung mit Puffer, nicht umgesetztem Substrat S, durch enzym­ katatysierte Reaktion entstandenem Produkt P, Cofaktor in reduzierter (NADH) und oxidierter Form (NAD) und Cosubstrat (in diesem Falle Ameisensäure (HCOOH)) über eine poröse Membran (2) mittels eines hydrophoben Lösungsmittels im Gegenstrom selektiv Substrat S und Produkt P extrahiert. Der Puffer, der Cofaktor (NAD(H)) und das Cosubstrat (HCOOH) verbleiben aufgrund ihrer Hydrophilie in der wäßrigen Phase.
Die Membran (2) dient zur Stabilisierung der Phasen­ grenzfläche zwischen hydrophober und wäßriger Phase. Die Auslegung der Membran (2) als Hohlfaserbündel führt zu großen Phasengrenzflächen, was einen schnellen Stoffübergang befördert.
Um, im Falle einer hydrophoben, porösen Membran das Penetrieren des hydrophoben Lösungsmittels in die wäßrige Phase zu verhindern, muß auf der Seite des wäßrigen Mediums ein Überdruck (P₂ < P₁) aufgeprägt werden. Desgleichen muß bei Nutzung einer hydrophilen, porösen Membran ein Überdruck (P₁ < P₂) auf der Seite des hydrophoben Lösungsmittels aufgeprägt werden, um das Austreten der wäßrigen Reaktorlösung in die hydrophobe Phase zu verhindern.
Die in Fig. 3 skizzierte erfindungsgemäße Anlage bindet das in Fig. 1 dargestellte Extraktionsmodul (1) in einen Reaktorkreislauf (3) ein. Die Reaktionslösung wird durch die Umlaufpumpe (4) im Reaktorkreislauf (3) geführt. Neben den Enzymen (5) enthält die Reaktorlösung vor dem Extraktionsmodul (1) die Cofaktoren NAD und NADH, das Cosubstrat HCOOH, nicht umgesetztes Substrat S und durch enzym-katalysierte Reaktion entstandenes Produkt P. Letztere werden in Extraktionsmodul (1) in das hydrophobe Lösungsmittel extrahiert, welches im Gegenstrom zur wäßrigen Phase mit der Extraktions­ mittelpumpe (6) in das Extraktionsmodul gepumpt wird. Dem das Extraktionsmodul verlassenden wäßrigen Strom mit den verbliebenen hydrophilen Bestandteilen (Enzyme, NAD(H), HCOOH) wird durch Nachdosierung bei (7) wieder Substrat S zugesetzt. Ebenfalls wird durch die Nachdosierung bei (7) durch Reaktion verbrauchtes Cosubstrat HCOOH und durch Deaktivierung verlorener Cofaktor NAD ersetzt.
Die in Fig. 4 gezeigte Anordnung entspricht z. T. Fig. 3 mit Extraktionsmodul (1) und Reaktor­ kreislauf (3); sie ist jedoch durch einen Hexankreislauf (8) erweitert. In diesen Hexankreislauf (8) ist eine kontinuierliche Rektifikationskolonne (9) eingebunden, in der die extrahierten Substanzen (Substrat S, Produkt P) vom Extraktionsmittel Hexan getrennt werden. Rektifiziertes Hexan wird durch die Extraktions­ mittelpumpe (6) wieder dem Extraktionsmodul (1) zugeführt. Somit wird die effektive zur Extraktion benötigte Lösungsmittelmenge verringert.
Die in Fig. 5 dargestellte erfindungsgemäße Anordnung besteht aus einem Reaktorkreislauf (3), in dem durch die Reaktorkreislaufpumpe (4) eine Substratlösung bestehend aus Substrat S, Cofaktoren NAD(H) und Cosubstrat HCOOH in den Enzymmembranreaktor (10) gepumpt wird.
Der Enzymmembranreaktor (10) ist als Kreislauf ausgelegt, der aus der Enzymkreislaufpumpe (11) und dem Ultrafiltrationshohlfasermodul (12) besteht. In diesem Kreislauf sind die Enzyme (5) hinter einer hydrophilen Ultrafiltrationsmembran (13) immobilisiert.
Aus der auf der Filtratseite des Ultrafiltrations­ hohlfasermoduls (12) den Enzymmembranreaktor (10) verlassenden enzymfreien Produktlösung wird im Extraktionsmodul (1) das nicht umgesetzte Substrat S und das entstandene Produkt P in einen kontinuierlichen Hexanstrom extrahiert. Der Substrat S und Produkt P enthaltende Hexanstrom wird in einer kontinuierlichen Rektifikationskolonne (9) in ein Substrat S/Produkt P Gemisch und Hexan getrennt. Das Hexan wird über den Hexankreislauf (8) wieder dem Extraktionsmodul (1) zugeführt.
Die durch die Extraktion an Produkt P verarmte, wäßrige Lösung kann durch die Nachdosierung von Substrat S und Cofaktor NAD bei (7) und durch pH-geregelte Nach­ dosierung von Cosubstrat HCOOH bei (14) wieder als Substratlösung dem Enzymmembranreaktor (10) zugeführt werden.
Die in Fig. 5 skizzierte Anordnung wurde zur Produktion von (S)-1-Phenyl-2-propanol verwendet. Die Prozeßbedingungen sind im nachfolgenden Beispiel aufgeführt.
Beispiel
In einen 50 ml - Enzymmembranreaktor (EMR) mit einem Ultrafiltrationshohlfasermodul (Amicon hollow fibre, Typ HIPIO-43, cut off: 10000 Da) mit zugeordneter Kreislaufpumpe wurden die Enzyme:
Alkoholdehydrogenase aus Rhodococcus erythropolis: 0,9 u/ml EMR-Vol.
Formiatdehydrogenase aus Candida boidinii: 1,9 U/inl EMR-Vol.
gegeben und als Reaktionsmischung eine wäßrige Lösung von pH 6,7 mit
Phenylaceton 9 mM
NAD 0,124 mM
Natriumformiat 50 mM
Ameisensäure 14,5 mM
di-Kaliumhydrogenphosphat 60 mM
zugeführt.
Bei einer mittleren Verweilzeit von 0,33 h im EMR (Gesamtreaktorumlaufstrom: 150 ml/h) und einer Reaktionstemperatur von 20°C betrug der Umsatz bezüglich des Substrates Phenylaceton 73%.
Die den Enzymmembranreaktor verlassende Produktlösung wurde kontinuierlich einem mit einer hydrophoben, mikro­ porösen Polypropylenmembran (Membranfläche: 0,23 m²; effektive Porengröße: 0,05 µm) ausgestatteten Flüssig/Flüssig-Hohlfaserextraktionsmodul (Liqui-Cel® Phasenkontakt-Labormodul 5PCM - 106 der Hoechst Celanese Corp.) zugeführt. Hier wurde durch einen kontinuierlichen Hexangegenstrom (1000 ml/h) aus der Produktlösung kontinuierlich (S)-1-Phenyl-2-propanol und das nicht umgesetzte Phenylaceton extrahiert. Die produkthaltige Hexanlösung wurde einer kontinuierlichen Rektifikation zugeführt und rektifiziertes Hexan erneut zum Extraktionsmodul gepumpt. Das Gesamtvolumen der Hexanphase betrug 800 ml.
Das Penetrieren von Hexan durch die hydrophobe Membran wurde durch das Aufprägen eines Überdruckes von 0,5 bar auf der wäßrigen Seite verhindert.
Die das Extraktionsmodul verlassende, produktfreie wäßrige Lösung wurde mittels kontinuierlicher Nachdosierung von Phenylaceton (1,35 mmol/h), pH-geregelter Nachdosierung von Ameisensäure und Ersetzen des durch Deaktivierung verlorenen Cofaktors (0,724 µmol/h) wieder als Reaktionslösung verwendet und erneut dem Enzymmembranreaktor zugeführt.
Das Gesamtvolumen der wäßrigen Phase betrug 450 ml. Die Raum/Zeit-Ausbeute betrug bezogen auf das EMR-Volumen 64,3 g/(lEMR*d).
Die Wechselzahl des Cofaktors betrug 1361 molP/molNAD (73%*1,35*1000/0,724 µmolP/µmolNAD).
Die Wechselzahl des Cofaktors im Vergleichsfall, d. h. ohne kontinuierliche Produktextraktion aus dem zum EMR zurückführenden Rezyklierungsstrom beträgt 53 molP/molNAD (73%*9,0/0,124 mmolP/mmolNAD).
Somit ergibt die erfindungsgemäße, extraktive Rezyklierung eine mehr als 25-fach bessere Ausnutzung des teuren Cofaktors.
Die erfindungsgemäße kontinuierliche Produktentnahme aus der Reaktionsflüssigkeit, die ansonsten insgesamt zum Enzymmembranreaktor zurückgeführt wird, macht die sonst notwendige stetige Einspeisung von Cofaktor in den EMR (im allgemeinen zusammen mit der Substratlösung) praktisch überflüssig; es müssen lediglich die bei wenigen Prozent der erforderlichen Menge liegenden (durch thermische Deaktivierung hervorgerufenen) Verluste ausgeglichen werden.
Hydrophobe Membranen, insbesondere in Form von Hohlfaserbündeln, wie vorstehend erläutert, sind an sich seit gut 10 Jahren bekannt und erhältlich, ohne daß von ihrer außerordentlich nutzbringenden Wirkung für die enzymatische Gewinnung hydrophober Produkte Gebrauch gemacht worden wäre.

Claims (14)

1. Verfahren zur kontinuierlichen enzym-katalysier­ ten Gewinnung hydrophober Produkte in wäßriger Lösung, dadurch gekennzeichnet, daß man das Produkt aus der produkthaltigen Reaktionsmischung über eine produktdurchlässige, insbesondere hydrophobe Membran in ein organisches Lösungsmittel extrahiert und die produkt-verarmte Reaktionsmischung zur Produktion rezykliert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine cofaktor-abhängige enzymatische Umsetzung mit Cofaktor-regenerierung durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die enzym-katalysierte Umsetzung in einem Reaktor mit darin immobilisiertem Enzym durchführt.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß man die Umsetzung in einem Enzymmembranreaktor durchführt.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die produkthaltige Reaktionsmischung zur Abtrennung des Produkts durch ein Hohlfasermem­ branbündel schickt, das von außen - insbesondere im Gegenstrom - von organischem Lösungsmittel umströmt wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine mikroporöse Membran verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer mikroporösen Membran mit einer effektiven Porengröße von 5-500 µm und mit einem Differenzdruck zwischen wäßriger Phase und organischem Lösungsmittel von 0,5-5 bar gearbeitet wird.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Produktion chiraler Alkohole, Amine, Cyanhydrine.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Rezyklierungskreis für das organische Lösungsmittel, in den die Produktextraktion einbezogen ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine damit verbundene Produktisolierung und Rückführung von Substrat zur Produktion.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-10, gekennzeichnet durch einen Produktionskreis, in den eine Extraktions­ patrone mit produktdurchlässiger, insbesondere hydrophober poröser Membran einbezogen ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Extraktionspatrone ein Hohlfasermembranbündel aufweist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch Mittel zur Erzeugung eines Differenzdrucks zwischen wäßriger und organischer Phase in der Patrone.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11-13, gekennzeichnet durch eine EMR-Anordnung für die enzymatische Umsetzung im Produktionskreis.
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