WO2003072793A2 - Verfahren zur herstellung von alkoholen aus substraten mittels oxidoreduktasen, zweiphasensystem umfassend eine wässrige phase und eine organische phase sowie vorrichtung zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zur herstellung von alkoholen aus substraten mittels oxidoreduktasen, zweiphasensystem umfassend eine wässrige phase und eine organische phase sowie vorrichtung zur durchführung des verfahrens Download PDF

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Murillo De Oliveira Villela-Filho
Andreas Liese
Werner Hummel
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Forschungszentrum Jülich GmbH
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    • B01D61/24—Dialysis ; Membrane extraction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • C12P7/24—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a carbonyl group
    • C12P7/26—Ketones

Definitions

  • the invention relates to a process for the production of alcohols from substrates by means of oxidoreductases, a two-phase system comprising an aqueous phase and an organic phase and a device suitable for carrying out the process.
  • Chiral or achiral alcohols can be produced according to the prior art by reducing substrates by means of oxidoreductases.
  • the reduction of prochiral ketones using alcohol dehydrogenase from Lactobacillus brevis (LBADH) can be mentioned as an example.
  • LBADH Lactobacillus brevis
  • solubilizers can intervene in the enzymatic activity of the oxidoreductase, shorten their lifespan or reduce their activity.
  • some substrates are unstable in the aqueous phase, so that the reaction leads to losses of starting materials, which evade the main reaction due to competing reactions, for example with water as a solvent.
  • the enzyme is placed in an aqueous phase, the substrate is dissolved and metered in an organic solvent which is soluble in water (Wolberg, M; Hummel, W; Müller, M, Biocatalytic
  • Biotransformation, 2002. Vol.20 (l), pp. 23-28 discloses the conversion of cinnamon alcohol to cinnamaldehyde in an aqueous organic two-phase system using horse liver alcohol dehydrogenase.
  • the substrate concentration in the aqueous phase is regulated and kept constant by the distribution coefficient.
  • horse liver alcohol dehydrogenase shows no activity after 38 hours.
  • the process should be simple and economical.
  • a simple enantioselective synthesis should be made possible.
  • the figures show test results and a device suitable for carrying out the method.
  • Fig.l A device according to the invention
  • Fig.2 Course of an LBADH-catalyzed enantioselective reduction of acetophenone
  • Phenylethanol. Fig. 3 Course of an LBADH-catalyzed reduction of tert-butyl-6-chloro-3, 5-dioxohexanoate to tert-butyl (S) -6-chloro-5-hydroxy-3-oxo-hexanoate in a batch reactor test.
  • Fig. 4 Course of an LBADH-catalyzed enantioselective reduction of acetophenone. In repeated sentence attempts (repetitive batch)
  • Fig. 5 Course of an LBADH-catalyzed enantioselective reduction of tert-butyl-6-chloro-3, 5-dioxohexanoate to tert-butyl (S) - 6-chloro-5-hydroxy-3-oxohexanoate in repeated - th sentence attempt (repetitive batch)
  • Fig. 6 Course of an LBADH-catalyzed enantioselective reduction of acetophenone in the phase contactor
  • Fig. 7 Course of an LBADH-catalyzed enantioselective reduction of tert-butyl-6-chloro-3, 5-dioxohexanoate to tert-butyl (S) - 6-chloro-5-hydroxy-3-oxohexanoate in phase contactor
  • Fig. 9 Stability of LBADH in MTBE water two-phase system
  • Fig. 10 LBADH-catalyzed asymmetric (R 1 ⁇ R 2 ) reduction with cofactor regeneration.
  • Fig. 11 LBADH-catalyzed asymmeric reduction of acetophenone to phenylethanol with cofactor regeneration
  • Fig. 12 LBADH-catalyzed asymmetric reduction of 6-chloro-5, 3-dioxohexanoate (2) to (S) - 6 - chloro-5-hydroxy-3-oxohexanoate (3) with cofactor regeneration and a side reaction in the aqueous buffer to (4-oxo-4,5-dihydrofuran-2-yl) acetic acid tert-butyl ester (1).
  • the method according to the invention works with a two-phase system comprising an aqueous phase which contains an oxidoreductase of microbial origin and an organic phase in which the substrate is dissolved, which are brought into contact with one another. There is a sharp phase separation between the aqueous phase and the organic phase.
  • the substrate has a distribution coefficient for the distribution in the organic solvent and in water. It can be in a range from, for example, organic solvent / water 1: 1 to 1000/1.
  • the substrate is preferably readily or very readily soluble in the organic phase and has a lower solubility in the aqueous phase than in the organic phase.
  • the substrate molecules enter the aqueous phase in which the enzyme is located.
  • the substrate is converted to the product at a rate that depends on the activity of the enzyme. The speed can be increased by increasing the enzyme concentration.
  • an equilibrium can be established in which the stationary concentration of substrate in the aqueous solution is as low as possible.
  • the reaction product for example the alcohol, is more soluble in the organic phase than in the aqueous phase, so that it in turn is removed from the aqueous phase.
  • NAD + or NADP + is added to the aqueous phase as a cofactor.
  • An oxidoreductase of microbial origin serves as the reaction enzyme, for example an alcohol dehydrogenase such as. B. the alcohol dehydrogenase from Candida parapsylosis or Lactobacillus kefir, or a carbonyl reductase.
  • the alcohol dehydrogenase as Lactobacillus brevis (LBADH) is particularly preferred.
  • enzymes of enzyme class 1 (oxidoreductases), especially the oxidoreductases (EC 1.1) acting on CH-OH donor groups, very particularly those with NAD + or NADP + as acceptor (EC1.1.1) or alcohol dehydrogenases of EC 1.1.1.2 or EC 1.1 .1.1 can be used.
  • the oxidoreductases are preferably expressed from E. coli.
  • Suitable organic solvents are at least one component from the group ether, open-chain alkanes, cyclic alkanes and aromatic solvents or at least one component from this group.
  • Examples include methyl tertiary butyl ether (MTBE), cyclohexane, isohexane and toluene, and furthermore ethers with radicals R ⁇ R 2 , a chain length from Cl to C7 or to C9, any sub-combination and also branched variants being possible.
  • examples include diisopropyl ether, diethyl ether, dibutyl ether, butyl ethyl ether and propyl methyl ether.
  • These solvents are preferably not miscible with water or are only slightly soluble in water, that is to say the solvents form gaps in the mixture with water.
  • the oxidoreductases are particularly stable in the presence of MTBE, so that they are active for several hundred hours.
  • the activity of the oxidoreductase is preferably in a range from 0.5 U to 1000 U / ml and remains largely constant within a period of up to 500 hours. However, excellent results are also observed after 800 to 1000 hours, as can be seen from FIG. 9.
  • the aqueous phase preferably has a pH of 4.5 to 9. Potassium phosphate, citrate, HEPES, tris-HCl, MES and other buffers for this range can be used as buffers, for example.
  • a ketone or aldehyde which is preferably lipophilic, is preferably used as the substrate.
  • examples include acetophenone and derivatives, benzophenone, acetone, methyl propyl ketone, methyl pentyl ketone and their derivatives, oxohexanoates, especially the ⁇ -halogeno-5-oxohexanoic acid derivatives, cyclic ketones, especially cyclohexanone and derivatives, aromatic and aromatic-substituted ketones, diketones their derivatives, such as hexadiones and 3,5-
  • Dioxohexanoic acid and its derivatives and ⁇ -halodioxohexanoic acid and its derivatives especially 6-chloro-3, 5-dioxohexanoic acid and its derivatives, such as. B. tert-butyl-6-chloro-3, 5-dioxohexa-noat, furthermore the esters and phenylpropanedione and derivatives, or the mono-hydroxy derivatives thereof or at least one component thereof.
  • the concentration of the substrate in the organic phase depends on the solubility of the compound in the organic phase and is preferably 20 mM to 1000 mM. However, the solubility of the substrate in the aqueous phase is preferably less than 100 mmol / 1. An embodiment in which the Substrate has a solubility of less than 40 mmol / 1 in the aqueous phase.
  • microporous membrane between the aqueous and the organic phase, which separates the two phases.
  • the microporous membrane has pores that are permeable to the substrate and the reaction product and have a size of 300 ⁇ m, for example. Membranes with a pore size of this order of magnitude
  • 100 to 500 or 1000 ⁇ m enable a particularly fast and well-running reaction.
  • other commercially available membranes such as micro, nano or ultrafiltration membranes, can also be used.
  • the aqueous phase and the organic phase preferably flow along the membrane, the direction of flow of organic solvent and water preferably being oriented according to the countercurrent principle, that is to say that the directions of flow are essentially in the opposite direction.
  • the aqueous and organic phases can be conducted in separate circuits.
  • the water emerging from the cycle, which contains the cofactor, can be one
  • a cofactor-regenerating enzyme is located in which a cofactor-regenerating enzyme is located.
  • This enzyme can be identical to or different from the reaction enzyme, the oxidoreductase, the aqueous phase. If the regeneration enzyme is different from the reaction enzyme, it is practical to pass the water stream, which contains the reaction enzyme, the oxidoreductase, out of the reaction space through a filter or a membrane, which is suitable for retaining the oxidoreductase. so that only the water with the coenzyme emerges from the reaction space and can be fed to the regeneration. After the regeneration, the regenerated cofactor can be fed back into the reaction solution in a cycle, with the retention of the regenerating enzyme being possible.
  • the regeneration enzyme is different from the oxidoreductase in the reaction space, then, for example, formate dehydrogemase (FDH), hydrogenase, another ADH, e.g. GDH (Glucerol dehydrogenase), Glc-6-P DH or horse liver dehydrogenase can be used.
  • FDH formate dehydrogemase
  • ADH e.g. GDH (Glucerol dehydrogenase)
  • Glc-6-P DH Glucerol dehydrogenase
  • horse liver dehydrogenase e.g., horse liver dehydrogenase
  • the same effect can be achieved by different residence times or reaction times or different reaction conditions for the production process and regeneration flow.
  • These different reaction conditions for the production and regeneration process can be, for example, different pH values, different enzyme concentrations or a different temperature and different concentrations of co-substrate and co-product.
  • the increased reaction speed in the reaction solution in this way results in a lower concentration of substrate in the aqueous solution, since the substrate is faster is out of balance.
  • One consequence of this is that side reactions of the substrate, for example in the aqueous solution, are prevented, which results in a higher purity of the product.
  • by reducing the reaction time by decoupling the regeneration rate from the enzyme rate of the reaction solution the contact time between the aqueous and organic phases can be reduced.
  • the organic phase can also be circulated with the substrate.
  • the organic solvent which still contains substrate and which is already enriched with product, which is to be removed from the process, emerges from this area of contact and is fed to a separation station from which the product is selectively removed.
  • the solvent which has already been removed from the product and which may still contain substrate residues is fed back into the reaction zone in a circuit, it being possible to additionally feed in substrate. If the aqueous phase and the organic phase are guided in a countercurrent principle, there can no longer be a substrate at the exit point of the organic solvent. In this case, only the product is removed, new substrate is added to the solvent and the new substrate solution is fed back into the process.
  • a two-phase system is provided with which a production process for the production of alcohols can be operated, which enables process control in which the oxidoreductase is not reduced in its activity over very long periods of time.
  • the two-phase system according to the invention comprises an aqueous phase in which the oxidoreductase of microbial products is dissolved as well as an organic phase which is in contact with the aqueous phase and which forms a sharp phase boundary with the aqueous phase. It can be used as a finished agent for the reduction of ketones and aldehydes.
  • the organic phase should preferably have little or no solubility in the aqueous phase and ideally form a mixture gap.
  • the device according to the invention shown in FIG. 1 comprises a reactor 1 which has membranes 2 which separate different rooms 3a / b.
  • the device is associated with a substrate storage container 4, from which a line 5 emanates, which opens into the reactor 1 on the A side.
  • the line 5 runs via a pump 6.
  • a line 7 leaves the reactor 1 and opens into the substrate storage container 4.
  • a further container 8 is assigned to the reactor 1, which is connected via a line 9 via a pump 10 runs, which is connected to side B of the reactor 1.
  • a line 11 emerges from the reactor 1, which opens into the container 8.
  • the lines 5 and 9 are arranged such that they supply different zones separated by the membrane 2 in the reactor 1.
  • the membrane is preferably a polypropylene membrane with a pore size of approximately 300 ⁇ m.
  • the device according to the invention is characterized in that it has the second container 8, which enables a decoupled regeneration of the cofactor. Examples:
  • the LBADH-catalyzed from acetophenone to phenylethanol was carried out in a two-phase water / MTBE system (1: 1 v / v).
  • the enantioselectivity of the reaction remained as in a single-phase system.
  • FIG. 2 shows the course of the LBADH-catalyzed enantioselective reduction of acetophenone to (J.) - phenylethanol under the conditions 10 mM acetophenone; 200 mM 2-propanol; 0.2 mM NADP; 4U / mL enzyme, 5mL buffer 150mM potassium phosphate, pH 7.0; 5 mL MTBE.
  • FIG. 3 shows the course of the LBADH-catalyzed reduction to tert-butyl (S) -6-chloro-5-hydroxy-3-oxohexanoate under the conditions 20 mM substrate; 1.5 M 2-propanol; 1.0 mM NADP; 30 U / mL enzyme, 15 mL buffer - 150 mM potassium phosphate, pH 7.0; 15 mL MTBE.
  • the abscissa means x: time (hours)
  • the LBADH-catalyzed reduction of acetophenone to phenylethanol is carried out in a two-phase water / MTBE system (1: 1 v / v).
  • the organic phase solvent, substrate and product against solvent and substrate
  • the catalyst and cofactor can be reused.
  • FIG. 4 shows the course of the LBADH-catalyzed enantioselective reduction of acetophenone to [R) -phenylethanol in the repetitive mode under the conditions 10 mM acetophenone; 1.5 M 2-propanol; 4.0 mM NADP; 100 U / mL enzyme, 2.5 mL buffer - 150 mM potassium phosphate, pH 7.0; 2.5 mL MTBE.
  • Example 4 Repetitive batch of the LBADH-catalyzed enantioselective reduction of tert-butyl (S) -6-chloro-3, 5-dioxohexanoate. Analogously to Example 3, the utilization of the catalyst and cofactor is increased by renewing the organic phase (solvent, substrate, product and by-product against solvent and substrate) after the desired conversion has been reached.
  • FIG. 5 shows the course of the LBADH-catalyzed enantioselective reduction of tert-butyl (S) -6-chloro-3, 5-dioxohexanoate in the repetitive mode under the conditions of 20 mM substrate; 1.5 M 2-propanol; 1.0 mM NADP; 30 U / mL enzyme, 15 mL buffer - 150 mM potassium phosphate, pH 7.0; 15 mL MTBE.
  • the ordinate y concentration (mM)
  • the abscissa x time (hours)
  • Example 5 LBADH-catalyzed enantioselective reduction of acetophenone in the phase contactor.
  • the LBADH-catalyzed reduction of acetophenone to phenylethanol is carried out in a two-phase water / MTBE system (1: 1 v / v).
  • a phase contactor (minimodule 0.75 X 5 Liqui-Cel G 477 from Celgrad Inc.) is used to stabilize the phase boundaries with a defined area.
  • the distribution coefficient is quickly achieved through back and forth diffusion.
  • FIG. 6 shows the course of the LBADH-catalyzed enantioselective reduction of acetophenone to (R) -phenylethanol in the phase contactor under the conditions 10 mM acetophenone; 3.0 mM NADP; 30 U / mL enzyme, 50 mL buffer - 150 mM potassium phosphate, pH 7.0; 50 mL MTBE.
  • 10 mM acetophenone 3.0 mM NADP
  • 30 U / mL enzyme 50 mL buffer - 150 mM potassium phosphate, pH 7.0; 50 mL MTBE.
  • the ordinate y conversion of substrate normalized to 1
  • the abscissa x time (min)
  • the LBADH-catalyzed reduction of tert-butyl (S) -6-chloro-3, 5-dioxohexanoate to tert-butyl (S) -6-chloro-5-hydroxy-3-oxohexanoate was carried out in the reactor shown in Fig. 1 carried out .
  • the organic phase acts as a substrate reservoir and at the same time as a control for the aqueous substrate concentration, which is thereby kept low. This method is used to reduce the spontaneous decomposition of the substrate.
  • FIG. 7 shows the course of the LBADH-catalyzed enantioselective reduction to tert-butyl (S) -6-chloro-5-hydroxy-3-oxohexanoate in the phase contactor under the conditions of 20 mM substrate; 1.5 M 2-propanol; 1.0 mM NADP; 30 U / mL enzyme, 50 mL buffer - 150 mM potassium phosphate, pH 7.0; 50 mL MTBE.
  • the ordinate y concentration mM
  • the abscissa x time (hours)
  • the cofactor regeneration is carried out in the aqueous phase. This ensures a sufficient cofactor concentration at the inlet of the organic phase in the phase contactor a stirred tank is integrated. This enables constant selectivity across the entire turnover.
  • FIG. 8 shows the selectivity as a function of the conversion in the LBADH-catalyzed reduction to tert-butyl (S) - 6-chloro-5-hydroxy-3-oxohexanoate in the phase contactor. It means:
  • Abscissa x sales normalized to 1.
  • FIG. 9 shows a graph in which the storage stability of the LBADH in a 1: 1 MTBE / buffer system with 50 mM potassium phosphate, pH 7.0 at 4 ° C. is shown. It shows: The abscissa x: time (hours)
  • the ordinate y the residual activity normalized to 1.
  • FIG. 13 shows the course of the LBADH-catalyzed reduction to tert-butyl (S) -6-chloro-5-hydroxy-3-oxohexanoate with enzyme-linked cofactor regeneration (20 mM substrate; 200 mM formate; 1.0 mM NADP; 20 U / mL LBADH, 6.6 U / mL FDH (for cofactor regeneration), 15 mL buffer - 150 mM potassium phosphate, pH 5.5; 15 mL MTBE).
  • enzyme-linked cofactor regeneration (20 mM substrate; 200 mM formate; 1.0 mM NADP; 20 U / mL LBADH, 6.6 U / mL FDH (for cofactor regeneration), 15 mL buffer - 150 mM potassium phosphate, pH 5.5; 15 mL MTBE).
  • enzyme-linked cofactor regeneration 20 mM substrate; 200 mM formate; 1.0 mM NADP; 20 U / mL LBADH

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Alkoholen aus Substraten mittels Oxidoreduktasen, Zweiphasensystem umfassend eine wässrige Phase und eine organische Phase sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Erfindungsgemäß ist das Verfahren zur Herstellung von Alkoholen aus Substraten mittels Oxidoreduktasen dadurch gekennzeichnet, dass eine Oxidoreduktase mikrobieller Herkunft in wässriger Lösung und das Substrat in einer organischen Lösung vorgelegt werden und dass die wässrige Phase und die organische Phase in einem Zweiphasensystem miteinander in Kontakt gebracht werden. Überraschenderweise können mit diesem Verfahren Enzymaktivitäten einer Dauer von ca. 1000 Stunden beobachtet werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können die enzymatische Reaktion und die Cofaktorregenerierung räumlich entkoppelt werden. Hierdurch kann die Effektivität des Reaktionsprozesses gesteigert werden.

Description

B e s c h r e i b u n g
Verfahren zur Herstellung von Alkoholen aus Substraten mittels Oxidoreduktasen, Zweiphasensystem umfassend eine wässrige Phase und eine organische Phase sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Alkoholen aus Substraten mittels Oxidoreduktasen, ein Zweiphasensystem umfassend eine wässrige Phase und eine organische Phase sowie eine für die Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung.
Chirale oder achirale Alkohole können nach dem Stand der Technik durch Reduktion von Substraten mittels Oxidore- duktasen hergestellt werden. Beispielhaft kann die Reduktion prochiraler Ketone mittels Alkoholdehydrogenase aus Lactobacillus brevis (LBADH) genannt werden. Bei der en- zymatischen Herstellung von Alkoholen treten immer wieder Probleme auf, so dass bei den bekannten Verfahren regel- mäßig Verbesserungsbedarf besteht. So ist zum Beispiel die Löslichkeit von Ketonen begrenzt, welche häufig als Substrat für die enzymatische Gewinnung des Alkohols dienen. Zur Überwindung dieses Problems werden häufig Lös- lichkeitsvermittler, wie in Zelinski, T. „Enantioselekti- ve Reduktion von Ketonen mit neuen NAD (H) - abhängigen Oxidoreduktasen", Inaugural -Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades Heinrich Heine Universität Düsseldorf 1995 sowie in Zelinski, T. Liese A. ; andrey, C; Kula, .-R., „Asymmetrie reduetions in aqueous media: enzymatic synthesis in cyclodextrin containing buffers" Tetrahedron Asymmetry 10, 1999, 1681-1687 dargestellt wurde, eingesetzt, die jedoch die enzymatische Reaktion stören können und die nach deren Gebrauch aus dem Reaktionsgemisch oder aus dem Endprodukt entfernt werden müssen. Weiterhin können die Löslichkeitsvermittler in die enzymatische Aktivität der Oxidoreduktase eingreifen, deren Lebensdauer verkürzen bzw. deren Aktivität mindern. Einige Substrate sind ihrerseits in der wässrigen Phase instabil, so dass es bei der Reaktion zu Verlusten von Ausgangsstoffen kommt, die sich durch Konkurrenzreaktionen, beispielsweise mit dem Wasser als Lösungsmittel, der Hauptreaktion entziehen.
In einem anderen Verfahren wird das Enzym in einer wässrigen Phase vorgelegt, das Substrat in einem organischen Lösungsmittel, das in Wasser löslich ist, aufgelöst und zudosiert (Wolberg, M; Hummel, W; Müller, M, Biocatalytic
Reduction of ß,δ-Diketo Esters: A Highly Stereoselective Approach to All Four Sterioiso ers of a Chlorinated ß,δ- Dihydroxy Hexanoate, Chemistry-A European Journal 7 (21) , 2001, 4562-4571) . Erst bei Verbrauch des Substrates in der wässrigen Lösung wird die organische Lösung mit weiterem Substrat zudosiert. Hierbei dient die organische Phase als inertes Reservoir für die organische Verbindung. Es kommt dabei zu einer Erhöhung der Konzentration von organischen Lösungsmitteln in der wässrigen Phase, welche ihrerseits die Enzyme deaktivieren oder zumindest teilweise in ihrer Aktivität einschränken bzw. Inhibieren kann. Weiterhin können sich Emulsionen ausbilden, deren Kontaktfläche nicht definiert ist und die sich im Verlauf der Umsetzung ändern kann, was Einfluss auf die Reakti- onsgeschwindigkeit hat. Es hat sich gezeigt, dass an den Phasengrenzflächen zwischen wässriger Phase und organischer Phase eine Enzymdesaktivierung zu beobachten ist. Die Verwendung von Zweiphasensystemen für die enzymatische Umsetzung von Substraten zu Alkoholen führt daher auch zu begrenzten Lebensdauern der eingesetzten Oxidoreduktasen, die bis zu 38 Stunden liegen können. Die Veröffentlichung „Efficient Repeated Use of Alcohol Dehydroge- nase with NAD+ Regeneration in an Aqueous-organic Two- phase System" in der Zeitschrift Biocatalysis and
Biotransformation, 2002. Vol.20(l), pp . 23-28, offenbart die Umwandlung von Zimtalkohol in Zimtaldehyd in einem wässrig-organischen Zweiphasensystem mittels Pferdeleber- Alkoholdehydrogenase. Die Substratkonzentration in der wässrigen Phase wird durch den Verteilungskoeffizienten geregelt und konstant gehalten. Die Pferdeleber-Alkohol- dehydrogenase zeigt jedoch nach 38 Stunden keine Aktivität mehr.
Weiterhin wurden verschiedene reaktionstechnische Konzepte entwickelt, bei denen Enzym und Substrat mit dafür vorgesehenen Vorrichtungen in einen bestimmten Reaktions- prozess geführt werden. Diese reaktionstechnischen Problemlösungen, wie sie beispielsweise in DE 44 36 149 AI offenbart sind, sind jedoch nur für große Produktionsmengen mit hoher Wertschöpfung gerechtfertigt und daher nicht für den Laborbetrieb geeignet. Auch die Wirtschaftlichkeit ist erst bei großen Produktionsmengen gegeben.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren, ein Stoffsystem und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen Alkohole durch enzymatische Reaktionen mittels Oxidoreduktasen unter Beibehaltung einer länger andauernden Enzymaktivität hergestellt werden können. Das Verfahren soll einfach und wirtschaftlich sein. Insbesondere soll eine einfache enantioselektive Synthese ermöglicht werden. Ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 wird die Aufgabe überraschenderweise gelöst, mit dem im gekennzeichneten Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine hohe Enzymaktivität über einen langen Zeitraum von bis über 800 bis 1000 Stunden aufrechterhalten. Die Anwendung der erfindungsgemäßen Verfahrensweise ermöglicht eine örtliche Entkopplung der Cofaktor-Regenerierung für die enzymati- sehe Reaktion von der Umsetzung des Substrats zu einem Alkohol .
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Im folgenden soll die Erfindung detailliert erläutert werden.
Die Figuren zeigen Versuchsergebnisse sowie eine für die Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung.
Es zeigt :
Fig.l.: Eine erfindungsgemäße Vorrichtung Fig.2.: Verlauf einer LBADH-katalysierten enantiose- lektiven Reduktion von Acetophenon zu
Phenylethanol . Fig.3.: Verlauf einer LBADH-katalysierten Reduktion von tert-Butyl-6-chloro-3 , 5-dioxohexanoat zu tert-Butyl (S) -6-chloro-5-hydroxy-3-oxo- hexanoat im Satzreaktorversuch.
Fig.4.: Verlauf einer LBADH-katalysierten enantiose- lektiven Reduktion von Acetophenon. Im wiederholten Satzversuch (repetitive Batch) Fig.5.: Verlauf einer LBADH-katalysierten enantiose- lektiven Reduktion von tert-Butyl-6-Chloro- 3 , 5-Dioxohexanoat zu tert-Butyl (S) - 6- chloro-5-hydroxy-3-oxohexanoat im wiederhol - ten Satzversuch (repetitive Batch)
Fig.6.: Verlauf einer LBADH-katalysierten enantiose- lektiven Reduktion von Acetophenon im Pha- senkontaktor
Fig.7: Verlauf einer LBADH-katalysierten enantiose- lektiven Reduktion von von tert-Butyl -6- chloro-3 , 5-dioxohexanoat zu tert-Butyl (S) - 6-chloro-5-hydroxy-3-oxohexanoat im Phasen- kontaktor
Fig.8: Produktselektivität der Reaktion gemäß Figur 7 als Funktion des Umsatzes
Fig.9: Stabilität von LBADH im MTBE-Wasser Zweiphasensystem
Fig.10: LBADH katalysierte asymmerische (R1 ≠ R2) Reduktion mit Cofaktorregenerierung Fig.11: LBADH katalysierte asymmerische Reduktion von Acetophenon zu Phenylethanol mit Cofak- torregenerierung
Fig.12: LBADH katalysierte asymmetrische Reduktion von 6-chloro-5, 3-dioxohexanoat (2) zu (S) - 6 - chloro-5-hydroxy-3-oxohexanoat (3) mit Co- faktorregenerierung und im wäßrigen Puffer verlaufenden Nebenreaktion zu (4-Oxo-4,5- dihydrofuran-2-yl) -essigsaure tert-butyl es- ter (1) . Fig.13: Reaktion mit enzymgekoppelten Cofaktorrege- nerierungen unter Verwendung von NADPH- abhängiger Formiatdehydrogenase (FDH) Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet mit einem Zwei- phasensystem umfassend eine wässrige Phase, die eine Oxidoreduktase mikrobieller Herkunft enthält und eine organische Phase, in der das Substrat gelöst ist, die mitein- ander in Kontakt gebracht werden. Zwischen der wässrigen Phase und der organischen Phase existiert eine scharfe Phasentrennung. Das Substrat hat einen Verteilungskoeffizienten für die Verteilung im organischen Lösungsmittel und in Wasser. Es kann in einem Bereich von beispielswei- se organisches Lösungsmittel/Wasser 1:1 bis 1000/1 liegen. Vorzugsweise ist das Substrat gut oder sehr gut in der organischen Phase löslich und besitzt in der wässrigen Phase eine geringere Löslichkeit als in der organischen Phase. Bedingt durch dieses Verteilungsgleichge- wicht gelangen Substratmoleküle in die wässrige Phase, in denen sich das Enzym befindet. In der wässrigen Phase wird das Substrat mit einer Geschwindigkeit zum Produkt umgesetzt, die von der Aktivität des Enzyms abhängig ist. Dabei kann die Geschwindigkeit durch eine Erhöhung der Enzymkonzentration erhöht werden. Über den Verteilungskoeffizienten des Substrates, das Volumenverhältnis Wasser/organische Phase und/oder durch die Wahl der Enzymaktivität bzw. der Enzymkonzentration kann ein Gleichgewicht hergestellt werden, in dem die stationäre Konzent- ration an Substrat in der wässrigen Lösung so gering wie möglich ist. Hierdurch werden Nebenreaktionen des Substrates beispielsweise mit Wasser, weitestgehend oder vollständig unterbunden. In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform ist das Reaktionsprodukt, beispielsweise der Alkohol, in der organischen Phase besser löslich als in der wässrigen Phase, so dass er der wässrigen Phase seinerseits entzogen wird. Der wässrigen Phase ist als Cofaktor beispielsweise NAD+ oder NADP+ zugesetzt. Als Reaktionsenzym dient eine Oxidoreduktase mikrobieller Herkunft, beispielsweise eine Alkoholgehydrogenase wie z. B. die Alkoholdehydrogenase aus Candida parapsylosis oder Lactobacillus kefir, oder eine Carbonylreduktase . Beson- ders bevorzugt ist die Alkoholgehydrogenase als Lactobacillus brevis (LBADH) . Im Allgemeinen können Enzyme der Enzymklasse 1 (Oxidoreduktasen) besonders die auf CH-OH Donorgruppen wirkende Oxidoreduktasen (EC 1.1), ganz besonders die mit NAD+ oder NADP+ als Akzeptor (E.C.1.1.1) oder Alkoholdehydrogenasen der EC 1.1.1.2 oder E.C. 1.1.1.1 verwendet werden .
Die Oxidoreduktasen werden vorzugsweise aus E. coli expri- miert .
Als organische Lösungsmittel kommen mindestens eine Komponente aus der Gruppe Ether, offenkettige Alkane, zyklische Alkane und aromatische Lösungsmittel oder mindestens einer Komponente aus dieser Gruppe in Betracht. Beispiel- haft können Methyltertiärbutylether (MTBE) , Cyclohexan, Isohexan und Toluol, weiterhin Ether mit Resten R^R2, einer Kettenlänge von Cl bis C7 oder bis C9, wobei jede Unterkombination sowie auch verzweigte Varianten möglich sind, genannt werden können. Beispielhaft können Dii- sopropylether, Diethylether, Dibutylether, Butylethyl- ether, Propylmethylether genannt werden. Vorzugsweise sind diese Lösungsmittel nicht mit Wasser mischbar bzw. nur in geringem Maße in Wasser löslich, das heißt, die Lösungsmittel bilden mit Wasser Mischungslücken.
Überraschenderweise sind die Oxidoreduktasen in Gegenwart von MTBE besonders stabil, so daß sie über mehrere hundert Stunden aktiv sind. Die Aktivität der Oxidoreduktase liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,5 U bis 1000 U/ml und bleibt innerhalb eines Zeitraumes bis zu 500 Stunden weitgehend konstant. Ebenfalls hervorragende Ergebnisse werden jedoch noch nach 800 bis 1000 Stunden beobachtet, wie aus Figur 9 zu entnehmen ist .
Vorzugsweise hat die wässrige Phase einen pH-Wert von 4,5 bis 9. Als Puffer können beispielsweise Kaliumphosphat, Citrat, HEPES , tris-HCl, MES und weitere Puffer für diesen Bereich verwendet werden.
Als Substrat wird vorzugsweise ein Keton oder Aldehyd eingesetzt, daß vorzugsweise liphophil ist. Beispielhaft können Acetophenon und Derivate, Benzophenon, Aceton, Me- thylpropylketon, Methylpentylketon und deren Derivate, Oxohexanoate, besonders die ω-Halogen-5-oxohexansäure- deri-vate, cyclische Ketone, besonders Cyclohexanon und Derivate, aromatische und aromatsubstituierten Ketone, Diketone und deren Derivate, wie Hexadione und 3,5-
Dioxohexansäure und deren Derivate sowie ω-Halogendioxo- hexansäure und deren Derivate, besonders 6-Chlor-3, 5- dioxohexansäure und deren Derivate, wie z. B. tert-Butyl - 6-chloro-3 , 5-dioxohexa-noat , weiterhin die Ester und Phe- nylpropandion und Derivate, beziehungsweise die Mono- hydroxyderivate davon oder mindestens eine Komponente daraus eingesetzt werden.
Die Konzentration des Substrates in der organischen Phase richtet sich nach der Löslichkeit der Verbindung in der organischen Phase und beträgt vorzugsweise 20 mM bis 1000 mM. Die Löslichkeit des Substrates ist jedoch in der wässrigen Phase vorzugsweise kleiner als 100 mmol/1. Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform bei der das Substrat eine Löslichkeit von weniger als 40 mmol/1 in der wässrigen Phase hat .
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform befindet sich zwischen der wässrigen- und der organischen Phase eine mikroporöse Membran, welche die beiden Phasen trennt. Die mikroporöse Membran besitzt Poren, die für das Substrat und für das Reaktionsprodukt durchlässig sind und beispielsweise eine Größe von 300 μm haben. Membranen einer Porengröße in dieser Größenordnung von
100 bis 500 oder 1000 μm ermöglichen überraschenderweise eine besonders schnelle und gut verlaufende Reaktion. Es können jedoch auch andere, sich im Handel befindliche Membranen, wie Mikro-, Nano-, oder Ultrafiltrationsmemb- ranen eingesetzt werden.
Die wässrige Phase und die organische Phase fließt vorzugsweise entlang der Membran, wobei die Fließrichtung von organischem Lösungsmittel und Wasser vorzugsweise nach dem Gegenstromprinzip ausgerichtet sind, das heißt, dass die Fließrichtungen im wesentlichen in entgegengesetzter Richtung erfolgen. In einem derartigen System können die wässrige- und organische Phase in getrennten Kreisläufen geführt werden. Das aus dem Kreislauf austre- tende Wasser, welches den Cofaktor enthält, kann einer
Station zugeführt werden, in welcher sich ein cofaktorre- generierendes Enzym befindet. Dieses Enzym kann mit dem Reaktionsenzym, der Oxidoreduktase, der wässrigen Phase identisch oder auch verschieden sein. Ist das Regenerie- rungsenzym vom Reaktionsenzym verschieden, so ist es praktikabel den aus dem Reaktionsraum austretenden Wasserstrom, welcher das Reaktionsenzym, die Oxidoreduktase, enthält, über einen Filter bzw. über eine Membran zu leiten, welche geeignet ist, die Oxidoreduktase zurückzuhal- ten, so dass nur das Wasser mit dem Coenzym aus dem Reaktionsraum austritt und der Regenerierung zugeführt werden kann. Nach der Regenerierung kann der regenerierte Cofak- tor der Reaktionslösung in einem Kreislauf wieder zuge- führt werden, wobei die Rückhaltung des regenerierenden Enzyms möglich ist.
Ist das Regenerierungsenzym von der Oxidoreduktase im Reaktionsraum verschieden, so können als Regenerierungsen- zyme beispielsweise Formiatdehydrogemase (FDH) , Hydroge- nase, eine andere ADH, z.B. GDH (Glucerol-Dehydrogenase) , Glc-6-P DH oder Pferdeleberdehydrogenase eingesetzt werden. Hierdurch kann auch die Regenierungsgeschwindigkeit des Cofaktors von der Leistungsfähigkeit des Reaktionsen- zyms entkoppelt werden. Ist die Regenerierung des Coen- zyms in der Reaktionslösung die langsamste Reaktion, so kann durch die Regenerierung mit einem anderen Enzym im Regenerierungskreislauf eine Beschleunigung der Reaktion und damit eine Verkürzung der Produktionszeit erreicht werden .
Ist das Produktionsemzym und das Regenerationsenzym identisch, so kann der selbe Effekt durch unterschiedliche Verweilzeiten bzw. Reaktionszeiten oder unterschiedliche Reaktionsbedingungen für den Produktionsprozess und Regenerierstrom erreichet werden. Diese unterschiedlichen Reaktionsbedingungen für den Produktions- und Regenerie- rungsprozess können zum Beispiel unterschiedliche pH- Werte, verschiedene Enzymkonzentrationen oder eine unter- schiedliche Temperatur sowie verschiedene Konzentrationen von Co-Substrat und Co-Produkt sein. Durch die auf diese Weise erhöhte Reaktionsgeschwindigkeit in der Reaktions- lösung wird eine niedrigere Konzentration an Substrat in der wässrigen Lösung erreicht, da das Substrat schneller aus dem Gleichgewicht entzogen wird. Eine Folge davon ist auch, daß Nebenreaktionen des Substrats beispielsweise in der wässrigen Lösung unterbunden werden, was eine höhere Reinheit des Produkts zur Folge hat. Durch Verringerung der Reaktionsdauer durch die Entkopplung der Regenerierungsgeschwindigkeit von der Enzymgeschwindigkeit der Reaktionslösung kann wiederum die Kontaktzeit zwischen der wässrigen- und organischen Phase vermindert werden.
Wie die wässrige Phase so kann auch die organische Phase mit dem Substrat in einen Kreislauf geführt werden. In diesen Kreislauf tritt das organische Lösungsmittel, welches noch Substrat beinhaltet und das bereits mit Produkt angereichert ist, welches aus dem Prozess entfernt werden soll aus dem Kontaktbereich aus und wird einer Trennstation zugeführt, aus der das Produkt selektiv entfernt wird. Das Lösungsmittel, das bereits vom Produkt entfernt ist und das gegebenenfalls noch Substratreste enthält wird in einem Kreislauf wieder in die Reaktionszone zuge- führt, wobei zusätzlich Substrat eingespeist werden kann. Werden die wässrige- und die organische Phase in einem Gegenstromprinzip geführt, so kann sich an der Austrittsstelle des organischen Lösungsmittels kein Substrat mehr befinden. In diesem Fall wird lediglich das Produkt ent- fernt, dem Lösungsmittel neues Substrat zugegeben und die neue Substratlösung wieder in den Prozess eingespeist .
Erfindungsgemäß wird ein Zweiphasensystem bereitgestellt, mit dem ein Herstellungsverfahren zur Produktion von Al- koholen betrieben werden kann, welches eine Prozessführung ermöglicht, bei der die Oxidoreduktase über sehr lange Zeiträume nicht in ihrer Aktivität gemindert wird. Das erfindungsgemäße Zweiphasensystem umfasst eine wässrige Phase in dem die Oxidoreduktase mikrobieller Her- kunft gelöst ist sowie eine organische Phase, welche mit der wässrigen Phase in Kontakt steht und die eine scharfe Phasengrenze zur wässrigen Phase ausbildet. Es kann als fertiges Agens für die Reduktion von Ketonen und Aldehy- den eingesetzt werden. Vorzugsweise sollte die organische Phase wenig oder gar nicht in der wässrigen Phase löslich sein und idealerweise eine Mischungslücke ausbilden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich enan- tioselektive Synthesen auf effektive Weise durchzuführen.
Die in Figur 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Reaktor 1, welcher Membranen 2 besitzt, die verschiedene Räume 3a/b trennen. Der Vorrichtung ist ein Substratvorratsbehälter 4 zugehörig, von dem eine Leitung 5 ausgeht, die auf der Seite A in den Reaktor 1 mündet. Die Leitung 5 läuft über eine Pumpe 6. An der gegenüberliegenden Seite verlässt eine Leitung 7, den Reaktor 1 und mündet in den Substratvorratsbehälter 4. Analog ist dem Reaktor 1 ein weiterer Behälter 8 zugeordnet, welcher über eine Leitung 9, die über eine Pumpe 10 läuft, der mit Seite B des Reaktors 1 in Verbindung steht . An der Seite B tritt eine Leitung 11 aus dem Reaktor 1 aus, die in den Behälter 8 mündet . Die Leitungen 5 und 9 sind so angeordnet, dass sie im Reaktor 1 verschiedene, durch die Membran 2 getrennte Zonen versorgen.
Vorzugsweise handelt es sich bei der Membran um eine Polypropylenmembran, mit einer Porengröße von ca. 300μm. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie über den zweiten Behälter 8 verfügt, welcher eine entkoppelte Regenerierung des Cofaktors ermöglicht. Beispiele :
Beispiel 1 (Fig.2)
LBADH-katalysierte enantioselektive Reduktion von Acetophenon zu (R) - Phenylethanol :
Die LBADH-katalysierte von Acetophenon zu Phenylethanol wurde im Zweiphasensystem Wasser/MTBE (1:1 v/v) durchgeführt. Die Enantioselektivität der Reaktion blieb dabei wie in einem einphasigen System.
Figur 2 zeigt den Verlauf der LBADH-katalysierten enanti- oselektiven Reduktion von Acetophenon zu (J.) - Phenylethanol unter den Bedingungen lOmM Acetophenon; 200 mM 2-Pro- panol; 0,2 mM NADP; 4U/mL Enzym, 5mL Puffer- 150mM Kaliumphosphat , pH 7,0; 5 mL MTBE .
Ordinate y: Restkonzentration bzw. Umsatz auf 1 normiert Abszisse x: Zeit (min)
Beispiel 2 :
LBADH-katalysierte enantioselektive Reduktion von tert . - Butyl-6-chloro-3 , 5-dioxohexanoat zu tert-Butyl ( S) -6- Chloro-3 , 5-dioxohexanoat :
Die LBADH-katalysierte Reduktion von tert-Butyl ( S) -6- Chloro-3 , 5-dioxohexanoat zu tert-Butyl (S) -6-Chloro-5- Hydroxy-3-Oxohexanoat wurde im Zweiphasensystem Wasser/MTBE (1:1 v/v) durchgeführt. Dabei wirkt die organi- sehe Phase als Substratreservoir und gleichzeitig als Reglung für die wäßrige Substratkonzentration, die dadurch niedrig gehalten wird. Diese Methode wird benutzt, um die spontane Zersetzung des Substrates zu vermeiden.
Figur 3 zeigt den Verlauf der LBADH-katalysierten Reduktion zu tert-Butyl (S) -6-Chloro-5-hydroxy-3-oxohexanoat unter den Bedingungen 20 mM Substrat; 1,5 M 2-Propanol; 1,0 mM NADP; 30 U/mL Enzym, 15 mL Puffer - 150 mM Kaliumphosphat, pH 7,0; 15 mL MTBE. Hierin bedeuten die Abszisse x: Zeit (Stunden)
Die Ordinate y: Konzentration mM
Beispiel 3 :
Repetitiver Batch der LBADH-katalysierten enantioselekti- ven Reduktion von Acetophenon in einem Zweiphasensystem.
Die LBADH-katalysierte Reduktion von Acetophenon zu Phenylethanol wird im Zweiphasensystem Wasser/MTBE (1:1 v/v) durchgeführt. Durch Erneuerung der organischen Phase (Lö- sungsmittel, Substrat und Produkt gegen Lösungsmittel und Substrat) nach Erreichen des erwünschten Umsatzes wird die Wiederverwendung von Katalysator und Cofaktor erzielt .
Figur 4 zeigt den Verlauf der LBADH-katalysierten enanti- oselektiven Reduktion von Acetophenon zu [R) -Phenylethanol im repetitiven Modus unter den Bedingungen 10 mM Acetophenon; 1,5 M 2-Propanol; 4 , 0 mM NADP; 100 U/mL Enzym, 2,5 mL Puffer - 150 mM Kaliumphosphat, pH 7,0; 2 , 5 mL MTBE .
Es zeigt die Ordinate y: Umsatz auf 1 normiert Die Abszisse x: Zeit (Stunden)
Beispiel 4 : Repetetive Batch der LBADH-katalysierten enantioselekti- ven Reduktion von tert-Butyl (S) -6-Chloro-3 , 5- dioxohexa- noat . Analog Beispiel 3 wird die Ausnutzung des Katalysators und Cofaktors durch Erneuerung der organischen Phase (Lösungsmittel, Substrat, Produkt und Nebenprodukt gegen Lösungsmittel und Substrat) nach Erreichen des erwünschten Umsatzes erhöht .
Figur 5 zeigt den Verlauf der LBADH-katalysierten enanti- oselektiven Reduktion von tert-Butyl (S) -6-Chloro-3 , 5- dioxohexanoat im repetitiven Modus unter den Bedingungen 20 mM Substrat; 1,5 M 2-Propanol; 1,0 mM NADP; 30 U/mL Enzym, 15 mL Puffer - 150 mM Kaliumphosphat, pH 7,0; 15 mL MTBE.
Es zeigt :
Die Ordinate y: Konzentration (mM) Die Abszisse x: Zeit (Stunden)
Beispiel 5: LBADH-katalysierte enantioselektive Reduktion von Acetophenon im Phasenkontaktor .
Die LBADH-katalysierte Reduktion von Acetophenon zu Phenylethanol wird im Zweiphasensystem Wasser/MTBE (1:1 v/v) durchgeführt. Zur Stabilisierung der Phasengrenzen mit definierter Fläche wird ein Phasenkontaktor (Minimodul 0,75 X 5 Liqui-Cel G 477 der Firma Celgrad Inc.) verwendet. Der Verteilungskoeffizient wird schnell durch Hin- und Rückdiffusion erreicht.
Figur 6 zeigt den Verlauf der LBADH-katalysierten enanti- oselektiven Reduktion von Acetophenon zu (R) -Phenylethanol im Phasenkontaktor unter den Bedingungen 10 mM Acetophenon; 3 , 0 mM NADP; 30 U/mL Enzym, 50 mL Puffer - 150 mM Kaliumphosphat, pH 7,0; 50 mL MTBE. Hierin bedeuten:
Die Ordinate y: Umsatz von Substrat auf 1 normiert Die Abszisse x: Zeit (min)
Beispiel 6 :
LBADH-katalysierte enantioselektive Reduktion von tert- Butyl (S) -6-chloro-3 , 5-dioxohexanoat im Phasenkontaktor.
Die LBADH-katalysierte Reduktion von tert-Butyl (S) -6- chloro-3 , 5-dioxohexanoat zu tert-Butyl (S) -6-Chloro-5- hydroxy-3-oxohexanoat wurde in dem in Abb. 1 dargestellten Reaktor durchgeführt . Dabei fungiert die organische Phase als Substratreservoir und gleichzeitig als Regelung für die wäßrige Substratkonzentration, die dadurch niedrig gehalten wird. Diese Methode wird benutzt um die spontane Zersetzung des Substrates zu vermindern.
Figur 7 zeigt : Verlauf der LBADH-katalysierte enantiose- lektive Reduktion zu tert-Butyl ( S) -6-Chloro-5-hydroxy-3- oxohexanoat im Phasenkontaktor unter den Bedingungen 20 mM Substrat; 1,5 M 2-Propanol; 1 , 0 mM NADP; 30 U/mL Enzym, 50 mL Puffer - 150 mM Kaliumphosphat, pH 7,0; 50 mL MTBE.
Es zeigt :
Die Ordinate y: Konzentration mM Die Abszisse x: Zeit (Stunden)
Cofaktorregenerierung gemäß Fig.8:
Die Cofaktorregenerierung wird in der wäßrigen Phase durchgeführt. Damit am Zulauf der organischen Phase im Phasenkontaktors eine ausreichende Cofaktorkonzentration vorhanden ist, wird ein Rührkessel integriert. Dies ermöglicht eine konstante Selektivität über den gesamten Umsatz .
Figur 8 zeigt die Selektivität als Funktion des Umsatzes bei der LBADH-katalysierten Reduktion zu tert-Butyl ( S) - 6-Chloro-5-hydroxy-3-oxohexanoat im Phasenkontaktor. Es bedeuten:
Ordinate y: Selektivität der Produktbildüng auf 1 nor- miert
Abszisse x: Umsatz auf 1 normiert.
Beispiel 7 :
Stabilität der LBADH im MTBE/Wasser Zweiphasensystem:
Figur 9 zeigt einen Graphen, in dem die Lagerstabilität der LBADH im 1:1 MTBE/Puffer System mit 50mM Kaliumphosphat, pH 7,0 bei 4°C abgebildet ist. Es zeigt : Die Abszisse x: Zeit (Stunden)
Die Ordinate y: Die Restaktivität auf 1 normiert.
Beispiel 8:
Figur 13 zeigt den Verlauf der LBADH-katalysierten Reduk- tion zu tert-Butyl (S) -6-Chloro-5-hydroxy-3 -oxohexanoat mit enzymgekoppelten Cofaktorregenerierung (20 mM Substrat; 200 mM Formiat; 1,0 mM NADP; 20 U/mL LBADH, 6,6 U/mL FDH (für die Cofaktorregenerierung) , 15 mL Puffer - 150 mM Kaliumphosphat, pH 5,5; 15 mL MTBE) . In ihr sind: Die Abszisse x: Zeit (Stunden)
Die Ordinate y: Konzentration mM
Die Ordinate y" : Selektivität der Produktbildung auf 1 normiert .

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Herstellung von Alkoholen aus Substraten mittels Oxidoreduktasen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oxidoreduktase mikrobieller Herkunft in wässriger Lösung und das Substrat in einer organischen Lösung vorgelegt werden und dass die wässrige Phase und die organische Phase in einem Zweiphasensystem miteinander in Kontakt gebracht werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidoreduktase der Enzymklasse 1 (ECl) , eine auf CH-OH-Donorgruppen wirkende Oxidoreduktase (EC 1.1), mit NAD+ oder NADP+ als Akzeptor geeignete Oxi- doreduktase (EC 1.1.1), eine ADH EC 1.1.1.1 und EC
1.1.1.2 oder eine Carbonylreduktase, ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Alkoholdehydrogenase aus Lactobacillus bre- vis, Lactobacillus kefir oder Candida paraspylosis abstammt .
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidoreduktase rekombinant aus E. coli expri- miert ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Lösungsmittel mindestens eine Komponente aus der Gruppe von Ethern, offenkettige Alkane, cyclische Alkane und aromatische Lösungsmittel ist .
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Lösungsmittel mindestens eine Komponente aus der Gruppe von Methyltertiärbutyl- ethan, Cyclohexan, Isohexan, Ether mit Resten R1 und
R und Toluol ist .
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration / Aktivität der Oxidoreduktase in der wässrigen Phase mindestens 0,5 U/ml ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anfangskonzentration des Substrates in der mit Wasser nicht mischbaren organischen Phase mindestens 10 mM ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein Keton oder ein Aldehyd ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Keton mindestens eine Komponente aus der
Gruppe Acetophenon, Benzophenon, Aceton, α-Halogen- hexansäureester, Oxobenzoat, Methylpropylketon, Me- thylpentylketon und deren Derivate, Oxohexanoate, ω-Halogen-5-oxohexansäurederivate, cyclische Ketone, Cyclohexanon und Derivate, aromatische und aromat- substituierte Ketone, Diketone und deren Derivate, wie Hexadione und 3 , 5-Dioxohexansäure und deren Derivate, sowie ω-Halogendioxohexansäure und deren Deri- vate, wie 6-Chlor-3 , 5-dioxohexansäure und deren Derivate, wie tert . -Butyl-6-Chloro-3 , 5-dioxohexanoat , Ester und Phenylpropandion und deren Derivate, beziehungsweise deren Monohydroxyderivate eingesetzt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige Phase einen pH-Wert in einem Bereich von 4,5 bis 9 hat.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der wässrigen Phase ein Cofaktor zugesetzt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Cofaktor NAD+ oder NADP+ eingesetzt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Substrat eingesetzt wird, dessen Löslichkeit in der wässrigen Phase kleiner 100 mmol/1 ist.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Substrat eingesetzt wird, dessen Löslichkeit in der wässrigen Phase kleiner 40 mmol/1 ist.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasengrenzfläche zwischen der wässrigen und der organischen Phase durch eine mikroporöse Membran getrennt ist.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine mikroporöse Membran mit Poren einer Größe von 100 μm bis 1000 μm eingesetzt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Lösungsmittel mit dem Substrat in einem Kreislauf über der mikroporösen Membran geführt wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige Lösung mit der Oxidoreduktase in einem Kreislauf über der mikroporösen Membran geführt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Lösungsmittel mit dem Substrat und die wässrige Phase mit der Oxidoreduktase in gegenläufiger Richtung über die Membran geleitet werden.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige Phase mit dem Cofaktor in einem Kreislauf geführt wird, bei dem der Cofaktor haupt- sächlich außerhalb des Reaktionsraumes regeneriert wird.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Cofaktor mit dem selben Enzym regeneriert wird.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Regenerierung mindestens ein experimenteller Parameter gegenüber dem Produktionsprozess verändert ist.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Cofaktorregenerierung mit einem anderen Enzym durchgeführt wird als die Umsetzung in der wässrigen Phase, die mit der organischen Phase in Kontakt steht.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21 und 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Enzym nach Anspruch 21 befähigt ist, den Co- faktor effektiver zu regenerieren als die Oxidoreduktase in der wässrigen Phase, die mit der organischen Phase in Kontakt steht .
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Enzym nach Anspruch 21 eine Formiatdehadro- gemase (FDH) , eine Hydrogenase, eine andere ADH, GDH (Glucerol-Dehydrogenase) , Glc-6-P DH oder Pferdeleberdehydrogenase ist.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die organische Phase mit dem Substrat in einem
Kreislauf geführt wird, bei dem Produkt abgetrennt und neues Substrat eingespeist wird.
28. Zweiphasensystem umfassend eine wässrige Phase und eine organische Phase, dadurch gekennzeichnet, dass die organische Phase mit der wässrigen Phase eine Mischunglücke bildet und daß die wässrige Phase eine Oxidoreduktase mikrobieller Herkunft enthält.
29. Zweiphasensystem nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidoreduktase eine Alkoholdehydrogenase, eine Oxidoreduktase der Enzymklasse 1 (ECl) , eine auf CH-OH-Donorgruppen wirkende Oxidoreduktase EC 1.1, mit NAD+ oder NADP+ als Akzeptor geeignete Oxidoreduktase EC 1.1.1, eine ADH EC 1.1.1.1 und EC 1.1.1.2 oder eine Carbonylreduktase, ist.
30. Zweiphasensystem nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Alkoholdehydrogenase die Alkoholdehydrogenase aus Lactobacillus brevis aus Lactobacillus kefir oder Candida parapsylosis ist
31. Zweiphasensystem nach einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Lösungsmittel mindestens eine Komponente aus der Gruppe Ethern, offenkettige Alka- ne, cyclische Alkane und aromatische Lösungsmittel ist .
32. Zweiphasensystem nach Anspruch 28 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Lösungsmittel mindestens eine Komponente aus der Gruppe von Methyltertiärbutyl- ethan, Cyclohexan, Isohexan und Toluol ist.
33. Vorrichtung, umfassend einen Reaktor (1), der durch eine Membran (2) in mindestens zwei Räume 3a, 3b, aufgeteilt ist und bei dem ein Raum (3b) über Leitungen (5,7) und einer Pumpe (6) mit einem Substratvorrats- behälter (4) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum (3a) über Leitungen (9,11) über eine Pumpe (10) mit einem weiteren Behälter (8) in Verbindung steht .
34. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran eine mikroporöse Membran ist.
35. Vorrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass die mikroporöse Membran eine Porengrδße von 100 μm bis 1000 μm besitzt.
PCT/DE2003/000518 2002-02-26 2003-02-15 Verfahren zur herstellung von alkoholen aus substraten mittels oxidoreduktasen, zweiphasensystem umfassend eine wässrige phase und eine organische phase sowie vorrichtung zur durchführung des verfahrens WO2003072793A2 (de)

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