Photoenzymatische Kaskadenreaktionen: Kopplung von photokatalytischer in-situ Wasserstoffperoxid-Produktion und Biokatalyse mit Peroxygenasen

• Antragsteller: Dr. Jonathan Bloh
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik ; Technische Chemie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 277634680

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel des Projektes war die Untersuchung von photoenzymatischen Prozessen, bei denen ein Photokatalysator wie TiO2 mit einer Peroxygenase wie AaeUPO kombiniert wird. Dabei erzeugt der Photokatalysator in-situ H2O2, welches vom Enzym benötigt wird. Für die gezielte Optimierung dieses Hybridsystems wurde zunächst die Kinetik der einzelnen Komponenten (Photokatalysator und Enzym) detailliert in Abhängigkeit verschiedener Reaktionsparameter untersucht und mittels eines kinetischen Modells beschrieben. Weiterhin wurden verschiedene Photokatalysator-Materialien untersucht auf ihre Eignung für dieses System hin untersucht. Besonders effizient waren dabei polymere C3N4-Materialien mit Phosphat-modifizierung sowie mit Anthrachinon beladenes Titandioxid. Auch das Enzym wurde durch Immobilisierung hinsichtlich seiner Stabilität verbessert. Mit diesen optimierten Komponenten sowie der Kinetik konnte schließlich der Prozess soweit optimiert werden, dass die relevanten Indikatoren Photoneneffizienz, Produktbildungsrate sowie Turnover Number des Enzyms um Größenordnungen verbessert wurden. Die hier entwickelten Methoden können außerdem zur Optimierung von anderen verwandten Prozessen eingesetzt werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Formation of hydrogen peroxide via heterogeneous photocatalysis, IPS-21 Conference, 2016, St. Petersburg (Russland).
  Burek, B. O.; Bahnemann, D. W. & Bloh, J. Z.
  
• Photocatalytic in-situ formation of hydrogen peroxide for enzymatic reactions, IPS-21 Conference, 2016, St. Petersburg (Russland).
  Burek, B. O. & Bloh, J.Z.
  
• Photocatalytic In-situ Formation of Hydrogen Peroxide for Peroxidase Enzymes. SPEA9 Conference, 2016, Strasbourg (Frankreich).
  Burek, B.O. & Bloh, J. Z.
  
• Coated Wireless Light Emitters for Efficient Up Scaling of Photocatalytic Processes, ACA VI Conference, 2017, Belgrad (Serbien).
  Burek, B. O., Bahnemann, D. W. & Bloh, J. Z.
  
• Coated Wireless Light Emitters for Efficient Up Scaling of Photocatalytic Processes. SP-6 Conference, 2017, Oldenburg.
  Burek, B. O.; Bahnemann, D. W. & Bloh, J. Z.
  
• Completely integrated wirelessly-powered photocatalyst-coated spheres as a novel means to perform heterogeneous photocatalytic reactions. Catal. Sci. Technol., 7(21), 4977-4983.
  Burek, B. O.; Sutor, A.; Bahnemann, D. W. & Bloh, J. Z.
  
• Drahtlos betreibbare Leuchte zur Anregung lichtgetriebener chemischer Reaktionen in einem Reaktionsgefäß, Verfahren zu deren Herstellung und Vorrichtung mit einer solchen Leuchte, DE102017109687, 2017.
  Burek, B. O. & Bloh, J. Z.
  
• Photocatalytic in situ Hydrogen Peroxide Production for Biocatalysis based on Peroxidases, SP-6 Conference, 2017, Oldenburg.
  Burek, B. O.; Bahnemann, D. W. & Bloh, J. Z.
  
• Selective Activation of C−H Bonds in a Cascade Process Combining Photochemistry and Biocatalysis. Angewandte Chemie International Edition, 56(48), 15451-15455.
  Zhang, Wuyuan; Burek, Bastien O.; Fernández‐Fueyo, Elena; Alcalde, Miguel; Bloh, Jonathan Z. & Hollmann, Frank
  
• Using heterogeneous photocatalysis for cofactor regeneration of coupled enzymatic reactions, EMN Catalysis, 2017, Dubrovnik (Kroatien).
  Burek, B. O., Bahnemann, D. W. & Bloh, J. Z.
  
• Coupling Peroxidase Enzymes with Photocatalytic Hydrogen Peroxide Production, CIMTEC 2018, Perugia (Italien).
  Burek, B. O., Bahnemann, D. W. & Bloh, J. Z.
  
• Modeling and Optimization of the Photocatalytic Reduction of Molecular Oxygen to Hydrogen Peroxide over Titanium Dioxide. ACS Catalysis, 9(1), 25-37.
  Burek, Bastien O.; Bahnemann, Detlef W. & Bloh, Jonathan Z.
  
• Photocatalyst-Coated Wireless Light Emitters for Efficient Up-Scaling of Photocatalytic Processes. Reaktionstechnik Jahrestagung 2018, Würzburg.
  Burek, B. O.; Sutor, A. & Bloh, J. Z.
  
• Selective Activation of C-H Bonds in a Combined Photo-Enzymatic Process. IPS-22 Conference, 2018, Hefei (China).
  Burek, B. O., Bahnemann, D. W. & Bloh, J. Z.
  
• A Holistic Approach to Model the Kinetics of Photocatalytic Reactions. Frontiers in Chemistry, 7.
  Bloh, Jonathan Z.
  
• A holistic approach to model the kinetics of photocatalytic reactions. SP-7 Conference, 2019, Mailand (Italien).
  Bloh, J. Z.
  
• Hydrogen peroxide driven biocatalysis. Green Chemistry, 21(12), 3232-3249.
  Burek, B. O.; Bormann, S.; Hollmann, F.; Bloh, J. Z. & Holtmann, D.
  
• Kinetic effects and oxidation pathways of sacrificial electron donors on the example of the photocatalytic reduction of molecular oxygen to hydrogen peroxide over illuminated titanium dioxide. Catalysis Today, 335, 354-364.
  Burek, Bastien O.; Timm, Jana; Bahnemann, Detlef W. & Bloh, Jonathan Z.
  
• Photoenzymatic Hydroxylation of Ethylbenzene Catalyzed by Unspecific Peroxygenase: Origin of Enzyme Inactivation and the Impact of Light Intensity and Temperature. ChemCatChem, 11(13), 3093-3100.
  Burek, Bastien O.; de Boer, Sabrina R.; Tieves, Florian; Zhang, Wuyuan; van Schie, Morten; Bormann, Sebastian; Alcalde, Miguel; Holtmann, Dirk; Hollmann, Frank; Bahnemann, Detlef W. & Bloh, Jonathan Z.
  
• Photoenzymatic Cascade Reactions: Photocatalytic in situ Hydrogen Peroxide Production for Biocatalysis based on Peroxidases, SPEA11, 2022, Turin (Italien).
  Wegstein, D., Burek, B. O. & Bloh, J.Z.
  
• Strategies to overcome efficiency loss of photocatalytic reactions at high light intensity using kinetic analysis and optimized reactor concepts. SPASEC-22, 2022, Rostock.
  Bloh, J. Z.
  
• Photocatalytic Synthesis of Hydrogen Peroxide from Molecular Oxygen and Water. Topics in Current Chemistry, 381(4).
  Garcia-Munoz, Patricia; Valenzuela, Laura; Wegstein, Deborah; Schanz, Tobias; Lopez, Girlie Eunice; Ruppert, Agnieszka M.; Remita, Hynd; Bloh, Jonathan Z. & Keller, Nicolas
  
• Robust Light Driven Enzymatic Oxyfunctionalization via Immobilization of Unspecific Peroxygenase. ChemSusChem, 16(23).
  De Santis, Piera; Wegstein, Deborah; Burek, Bastien O.; Patzsch, Jacqueline; Alcalde, Miguel; Kroutil, Wolfgang; Bloh, Jonathan Z. & Kara, Selin
  
• The Importance of Precise Reaction Condition Control for the Comparison of Photocatalyst Materials on the Example of Hydrogen Peroxide Formation over Polymeric Carbon Nitrides. ChemPhotoChem, 7(11).
  Wegstein, Deborah; Zaim, Abdelkarim; Burek, Bastien O. & Bloh, Jonathan Z.