Bioaktive Pickering Emulsionen für die nachhaltige Oxyfunktionalisierung

• Antragstellerinnen: Professorin Dr. Marion Ansorge-Schumacher; Professorin Dr.-Ing. Anja Drews
• Fachliche Zuordnung: Bioverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 495312945

Die Funktionalisierung mit Sauerstoff ist ein zentraler Schritt in diversen organisch-chemischen Synthesen. Im Hinblick auf Umweltschutz und Nachhaltigkeit sollten die derzeit verwendeten hochtoxischen Oxidationsmittel wie Chromate durch Wasserstoffperoxid oder molekularen Sauerstoff ersetzt werden. Eine Vielzahl von Enzymen wie Lipasen, Per- und Monooxygenasen katalysieren dies unter milden und selektiven Bedingungen. Da bislang jedoch eine Technologie fehlt, die sowohl die spezifischen Merkmale von Oxyfunktionalisierungsreaktionen als auch die besonderen Eigenschaften von Biokatalysatoren berücksichtigt, werden biobasierte Oxyfunktionalisierungen bisher kaum synthetisch genutzt. Basierend auf den Erkenntnissen früherer gemeinsamer Projekte der Antragstellerinnen schlagen wir hier vor, dass bioaktive Pickering Emulsionen (BioPE) in einem kontinuierlichen Membranreaktor eine tragfähige Basis für eine solche Technologie sein könnten. Wir gehen außerdem davon aus, dass sowohl die Präparation des Biokatalysators bzw. seine Platzierung an der flüssig-flüssig-Grenzfläche als auch die physikalischen Eigenschaften der BioPE optimiert werden können, sodass sich die Syntheseleistung erhöht. Das Projekt untersucht daher systematisch BioPE im kontinuierlichen Membranreaktor hinsichtlich der Eignung für die nachhaltige biokatalysierte Oxyfunktionalisierung organischer Verbindungen unter Verwendung unterschiedlich komplexer Biokatalysatoren (Lipasen, Per- und Monooxygenasen) und Berücksichtigung spezifischer Eigenschaften der katalytischen Systeme, der Reaktionstechnik und der gegenseitigen Wechselspiele. Es beschäftigt sich mit der grundlegenden Frage, ob oder ggf. welche biokatalysierten Oxyfunktionalisierungen von der Implementierung in Pickering Emulsionen profitieren und wird Schlüsselparameter, die die katalytische Leistungsfähigkeit des Reaktionssystems bestimmen (z.B. Tropfengröße, Grenzfläche, Biokatalysatorbeladung und -lokalisierung, Substratversorgung, Phasenverhältnis), identifizieren und optimieren. Der interdisziplinäre Ansatz mit Partnern aus Biotechnologie und Ingenieurwissenschaften ermöglicht ein tiefgreifendes Verständnis der zugrundeliegenden enzymatischen und physikalisch-chemischen Prozesse. Wir erwarten, dass durch den Erkenntnisgewinn über den Einfluss der Emulsionseigenschaften und -zusammensetzung ein mathematisches Modell entwickelt werden kann, das die Reaktionskinetik in BioPE beschreibt und hilft, optimale technische Bedingungen für die effiziente Oxyfunktionalisierung zu finden. Die Ergebnisse des Projekts können grundlegend dazu beitragen, biokatalysierte Oxyfunktionalisierungen für biochemische Prozesse zugänglich machen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr. Thomas Heine