2023-06-252023-06-25https://tore.tuhh.de/handle/11420/16163Biokatalysen gewinnen als Alternative zu chemischen Produktionsverfahren immer mehr an Bedeutung. Hierbei besitzen Multienzymkaskaden den Vorteil Reaktionen miteinander zu verknüpfen um komplexe Synthesewege mit einer hohen Selektivität und Reinheit der Produkte durchzuführen. In-vitro Systeme besitzen das Potential Prozesse mit hohen Raum-Zeit-Ausbeuten zu realisieren und aufgrund der vergleichsweise einfachen mathematischen Beschreibung und geringen Komplexität bieten sie eine gute Möglichkeit der zielgerichteten Optimierung.In diesem Projekt wird die biotechnologische Synthese von Zimtsäurezimtester ausgehend von Zimtaldehyd untersucht. Diese biomimetische Claisen-Tischtschenko-Reaktion gewährleistet somit eine nachhaltige Produktion des Esters. Eingesetzt werden isolierte Enzyme zur Katalyse. Die Reaktionen sollen in einem mehrphasigen Stoffsystem durchgeführt werden. Das Aldehyd wird mittels Dehydrogenasen in die jeweils korrespondierende Säure bzw. den Alkohol umgesetzt. Diese NAD(H)-gekoppelten Reaktionen finden im wässrigen Medium statt. Um eine hohe Ausbeute zu gewährleisten, werden die Zwischenprodukte reaktionsintegriert extrahiert und anschließend im organischen Medium verestert. Der Zimtsäurezimtester wird durch eine thermische Trennung reaktionsintegriert abgeführt, so dass ein kontinuierlicher Prozess möglich ist. Eingesetzt wird ein Umlaufreaktor, mit einem Rührkessel für die wässrige Reaktion, einer kontinuierlich betriebenen Zentrifuge und einem Festbettreaktor für die Veresterung in der organischen Phase. Für das vorliegende Reaktionssystem bietet sich durch den innovativen und neuartigen Einsatz von zwei in-situ product removal Schritten in einem Prozess die Möglichkeit, einen kontinuierlichen Prozess mit hoher Raum-Zeit-Ausbeute zu realisieren.Dieses Projekt soll einen Beitrag leisten eine Plattformtechnologie zu entwickeln, bei welcher bisher zumeist einzeln durchgeführte Prozessschritte miteinander kombiniert werden. In dem hier beantragten Forschungsprojekt soll untersucht werden, wie ein Prozess mit einer in-vitro Enzymkaskade in einem Zweiphasensystem mit reaktionsintegrierter Zwischenprodukt und reaktionsintegrierter Endproduktgewinnung kontinuierlich zu betreiben ist. Das System wird mathematisch beschrieben und modelliert. Es soll zusätzlich eine vollständige Charakterisierung der drei enzymatischen Kinetiken sowie einer Etablierung der Enzymkaskade stattfinden. Die vollständige Beschreibung des Stofftransports für die Separationsschritte und die finale Umsetzung des Gesamtprozesses sind Teil des Konzepts. Aus den gewonnenen Informationen der einzelnen Schritte wird ein Gesamtmodell erstellt, welches es ermöglicht für vergleichbare Prozesse ein optimales Prozessdesign zu erstellen.Biocatalysis is of increasing importance as an alternative production process in chemical industry. In this context multienzymatic cascades have the potential to meet the demand for complex synthesis routes with high selectivity and purity of the products. Especially in-vitro systems have the potential for high space-time yields. They are less complex, comparatively simple to describe mathematically and therefor good to optimize. This project is about the biotechnological synthesis of cinnamyl cinnamate starting from cinnamaldehyde. Using a biomimetic Claisen-Tischtschenko reaction a sustainable production route of the ester is guaranteed. Isolated enzymes are used in a multiphasic reaction system. The aldehyde will be converted in the corresponding alcohol and acid by NAD(H) coupled sytnhesis. To ensure a high yield, these intermediates will be extracted to an organic phase. Within this phase the alcohol and acid are converted into the ester by a lipase. Removal of the ester will be carried out reaction integrated to ensure a continuous reaction system. The process will be realized in a recycle reactor with a stirred tank reactor for water phase reaction, a fixed bed reactor for organic phase reaction and a continuous operating centrifuge in-between. The present reaction system provides the innovative and novel use of two different in-situ product removal steps within one process. This provides a high potential for a continuous process with high space-time yield.This project aims to contribute to the development of a platform technology to combine process steps, which are usually individually performed. This research is about the continuous production of an in-vitro enzyme cascade with reaction integrated intermediate and reaction integrated product removal in a two phase system. The system will be described mathematical and modelled. The three enzymatic reactions and the mass transfer for the in-situ removal steps are described completely. In the end a whole process design will be given, based on the individual process steps, to give a valuable assistance for comparable processes.