2026-01-302026-01-30https://hdl.handle.net/11420/61232Ziel dieses Teilprojekts ist die Erforschung und das Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Reaktionssystemen auf der Basis von tiefen eutektischen Lösungsmitteln (DES) und Enzymen bei der Biotransformation von Carboxylierung und Decarboxylierung sowohl unter Umgebungs- als auch unter Hochdruckbedingungen (bis zu 120 MPa). Für diese Anwendungen müssen die physikalisch-chemischen Eigenschaften der DESs durch die Zusammensetzung des Wasserstoffbrückenbindungs-Donors und des Wasserstoffbrückenbindungs-Akzeptors, die Wasserstoffbrückenbindungs-Netzwerke bilden, fein abgestimmt werden. Die Zusammensetzung ist entscheidend, um unter anderem eine hohe Substratlöslichkeit, Enzymstabilität und -aktivität zu erreichen. Online-Analysetechniken wie FTIR- und NMR-Spektroskopie werden eingesetzt, um diese Reaktionen in Echtzeit zu überwachen. Hier müssen chemometrische Modelle entwickelt werden, und zwar sowohl indirekte harte Modelle auf der Grundlage physikalischer Eigenschaften als auch flexible weiche Modelle, um die dynamischen Veränderungen der Reaktionskomponenten in den DES-basierten Medien während eines Prozesses genau zu quantifizieren. Diese Erkenntnisse sind entscheidend für das Verständnis und folglich für die Auswahl optimaler Reaktionsbedingungen und DES-Medien in der Biokatalyse. Eine grundlegende Forschungsfrage betrifft die Auswirkung des Wassergehalts in DESs auf die enzymatische Aktivität und Stabilität. Durch Manipulation dieses Gleichgewichts soll die katalytische Effizienz von Enzymen verstanden und verbessert werden, wobei die Umweltfreundlichkeit von DESs erhalten bleiben soll. Auf diese Weise sollen thermodynamische und kinetische Daten sowie Daten zu Prozessparametern und Enzym-Lösungsmittel-Wechselwirkungen gewonnen werden. In Zusammenarbeit mit den FOR 5730-Partnern wird ein iterativer Zyklus von "Entwerfen - Analysieren - Verstehen" geschaffen, um bessere DES-Medien und Modelle zur Vorhersage der jeweiligen Wechselwirkungen zu entwickeln. Diese Modelle werden in Kombination mit reaktionstechnischen Ansätzen verwendet, um geeignete nachgeschaltete Verfahren wie Kristallisation, Adsorption und Extraktion für eine effiziente Produktisolierung zu untersuchen und gleichzeitig die Wiederverwendbarkeit der DES-Komponenten und des Biokatalysators sicherzustellen. Die Forschungsarbeiten sollen auch Pionierarbeit bei der Untersuchung der Biokatalyse in DES unter erhöhtem Druck leisten und untersuchen, wie sich solche Bedingungen auf das Verhalten der Enzyme und die Reaktionsdynamik auswirken, einschließlich einer möglichen Carbamatbildung, die die Enzymfunktionalität beeinflussen könnte. Letztlich könnte dieses Projekt zu neuen Methoden und Erkenntnissen über DES als unkonventionelles Lösungsmittelsystem für die Biokatalyse und seine Anwendungen in der Gasadsorption und -speicherung führen.The goal of this subproject is to explore and understand the interactions between deep eutectic solvent (DES)-based reaction systems and enzymes in the biotransformations of carboxylation and decarboxylation, under both ambient and high pressure conditions, up to 120 MPa. For these applications, the DESs physicochemical properties need to be fine-tuned by the composition of the hydrogen bond donor and the hydrogen bond acceptor that form hydrogen bond networks. The composition is crucial to achieve, among others, high substrate solubility, enzyme stability and enzyme activity. Online analytical techniques, such as FTIR and NMR spectroscopy, will be applied to monitor these reactions in real-time. Here, chemometric models need to be developed, both indirect hard modeling based on physical properties and flexible soft modeling, to accurately quantify dynamic changes in reaction components in the DES-based media throughout a process. This insight is crucial for understanding and, in consequence thereof, to select optimal reaction conditions and DES media choices in biocatalysis. A fundamental research question involves the effect of water content in DESs on enzymatic activity and stability. By manipulating this balance, the project seeks to understand and enhance the catalytic efficiency of enzymes while maintaining the environmentally benign nature of DESs. In this way, thermodynamic and kinetic data and data on process parameters and enzyme-solvent interactions will be gathered. In cooperation with the FOR 5730 partners, an iterative cycle of "design-analyze-understand" is created to develop better DES media and models predicting respective interactions. These models will be used in combination with reaction engineering approaches to investigate suitable downstream approaches, such a crystallization, adsorption and extraction, for efficient product isolation while ensuring reusability of DES components and biocatalyst. The research also intends to pioneer the study of biocatalysis in DES under elevated pressures, investigating how such conditions affect enzyme behavior and reaction dynamics, including potential carbamate formation which could influence enzyme functionality. Ultimately, this project could lead to new methodologies and insights of DES as non-conventional solvent systems, for use in biocatalysis and its applications in gas adsorption and storage.