Keramische Monolithe als Enzymträger für die Katalyse in Mehrphasensystemen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Unter dem Thema „Keramische Monolithe als Enzymträger für die Katalyse in Mehrphasensystemen“ wurde die Immobilisierung von Enzymen auf anorganischen Trägern untersucht. Zunächst wurde die Laccase aus Trametes versicolor adsorptiv und kovalent mit verschieden aktivierten Oberflächen und Enzymkonzentrationen auf Monolithen, keramischen Trägern mit Honigwabenstruktur immobilisiert. Dabei stellte sich die kovalente Immobilisierung als erfolgreichste heraus. An der Entfärbung des Laccasesubstrates Kernechtrot mit immobilisierter Laccase aus Trametes versicolor auf Monolith konnten die kontinuierliche und diskontinuierliche Reaktionsführung mit verschiedenen Enzymmengen in speziell entwickelten Reaktoren studiert werden. Die Parameter Substratkonzentration, Katalysatormenge und Fluss wurden variiert, um den Umsatz und die Verweilzeit zu bestimmen. In der zweiten Förderphase sollte die Immobilisierung modifiziert werden. Angeregt durch eine Literaturrecherche ergab sich ein interessanter Ansatz, die zeitlich aufwendige Immobilisierungsschritte mit Hilfe einer Mikrowelle deutlich zu verkürzen. Die weiter entwickelte Mikrowellenmethode zur kovalenten Immobilisierung konnte erfolgreich für die Laccase aus Trametes versicolor umgesetzt werden. Beispielsweise dauert der Kopplungsschritt statt 24 h nach konventioneller Methode nur maximal 40 min mit der Mikrowelle. Da die Mikrowelle die Aktivität abhängig vom Enzym beeinflusst, wurden zwei weitere Enzyme (Laccase Novozym® 51003 und Glucoseoxidase) mit verbesserten Stabilitäten gegenüber der Mikrowellestrahlung gefunden. Auch die Kombination mit einem zweiten anorganischen Träger (TRISOPERL und TRISOPERL 1000 AMINO) bestätigte die Zeitersparnis bei gleicher Größenordnung von Enzymmenge und Stabilität bezogen auf die konventionelle kovalente Immobilisierung. Mehrere Reaktoren für die immobilisierten Enzyme auf verschiedenen Trägern wurden gebaut und getestet. Das Arbeiten mit Reaktoren für Monolithen als Enzymträger zeigte eine gut steuerbare kontinuierliche Reaktionsführung mit stabilen Flüssen über größere Zeiträume. Allerdings konnte der Nachteil der kleinen Enzymaktivität pro Träger nicht gelöst werden, was die Maßstabvergrößerung und praktische Anwendung einschränkt. Auf TRISOPERLs wurde eine deutlich höhere Enzymmenge immobilisiert, was höhere Umsätze ermöglicht. Bei dem kontinuierlich arbeitenden Festbettreaktor mit TRISOPERLs blieb der Fluss allerdings über die Zeit nicht konstant, denn das wachsende Auftreten von Abriebteilchen beeinträchtigte die Reaktionsführung. Eine unerwartet stabile katalytische Wirkung in bis zu 80% v/v Methanol wurde bei der Laccase Novozym® 51003 beobachtet. Die Umsetzung von Methylcatechol mit n-Hexylamin mit der immobilisierten Novozym® 51003 wurde untersucht. Die hohe Methanolkonzentration erhöht die Löslichkeit der Edukte und verbessert bei niedrigen Eduktkonzentrationen deutlich die Selektivität.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2011) Ceramic honeycomb as support for covalent immobilization of laccase from Trametes versicolor and transformation of nuclear fast red. Applied Microbiology & Biotechnology 90, 313-320
Regina Plagemann; Ludwig Jonas; Udo Kragl
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(2014) Eco-efficiency analysis as a reaction-engineering tool-Case study of a laccase-initiated oxidative C-N coupling. Journal of Molecular Catalysis. B, Enzymatic 102, 106- 114
Sabine Illner; Regina Plagemann; P. Saling; Udo Kragl
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(2014) Microwaveassisted covalent immobilization of enzymes on inorganic surfaces. Engineering in Life Sciences 14, 493-499
Regina Plagemann; Jan von Langermann; Udo Kragl
