2023-06-252024-02-122023-06-25https://hdl.handle.net/11420/15844Chemoenzymatic reaction cascades have a great potential for biosynthesis and sustainability, especially when coupled with the latest advances in electrochemical systems and material sciences. This envisaged project connects the expertise of three truly interdisciplinary groups in biocatalysis, bioprocess engineering, bioelectrochemical systems (BES) and nano-materials in a unique way to address fundamental challenges in developing a novel and individually optimizable platform for hydrogen peroxide-dependent enzymatic cascade reactions. H2O2 plays an important role as a green and powerful co-substrate or co-factor in the biosynthesis of a vast variety of value-added products and can be electrochemically efficiently generated from H2O and O2 as demonstrated in conventional BES with three-electrodes. One of the first objectives of this project is to develop a fully controllable BES for in situ and on-demand synthesis of H2O2 based on a novel All-in-One (AiO) electrode developed recently by one of the project partners. To realize a controlled H2O2 generation in the AiO electrode with high energy efficiency, highly porous carbon foams coated with carbon nanotubes (CNTs) will be designed and tailored by a sophisticated novel CVD process, yielding low density (20 mg/cm3) and high conductive hierarchical porous structure. H2O2 generated in such a controlled way is instantly used by enzymatic oxyfunctionalization in multistep chemoenzymatic reaction cascades. The reaction systems aimed at will include a peroxidase catalyzed sequential hydroxylation towards the synthesis of hydroquinone in aqueous media as well as the simultaneous chemoenzymatic esterification and epoxidation towards epoxidized fatty acid esters in a solvent free organic environment (adapted Prilezhaev reaction). The mentioned reactions will be investigated using both free and immobilized enzymes on functionalized CNTs. This integrated approach is unique and promising in tackling one of the major issues in H2O2 -dependent enzymatic oxyfunctionalization, namely the lowered half-life time of enzyme activity in the presence of H2O2. By integrating the AiO-electrode in an organic reaction medium in situ H2O2 addition will be realized without the addition of water, omitting side reactions (e.g. in the Prilezhaev reaction). With a fine-tunable system in hand, the rates of electrochemical H2O2 synthesis and enzymatic H2O2 consumption can be tightly coupled, enabling a constantly low concentration of H2O2 during the whole cascade reaction. This will open up new possibilities to develop chemoenzymatic reaction cascades with improved enzyme stability and activity and a more stable entire process.Durch die interdisziplinäre Verbindung von chemoenzymatischen Reaktionskaskaden mit elektrochemischen Systemen und den Materialwissenschaften werden nachhaltige Biosynthesen entwickelt. Das geplante Projekt vereinigt die Expertise von drei interdisziplinären Gruppen aus den Bereichen Biokatalyse, Bioverfahrenstechnik, bioelektrochemische Systeme (BES) mit den Nanomaterialien auf innovative Weise, um grundlegende Fragen für die Entwicklung von neuartigen und individuell maßgeschneiderten Plattformen für wasserstoffperoxidabhängige chemoenzymatische Kaskadenreaktionen zu beantworten. H2O2 spielt hierbei eine wichtige Rolle als umweltverträgliches und leistungsfähiges Cosubstrat oder Cofaktor bei der Biosynthese verschiedenster Mehrwertprodukte und kann aus H2O und O2 elektrochemisch effizient erzeugt werden, wie es bisher nur in herkömmlichen BES mit drei Elektroden möglich ist. Eines der ersten Ziele dieses Projekts ist die Entwicklung eines vollständig steuerbaren BES für die „in situ-„ und „on demand-Synthese“ von H2O2 auf Basis der kürzlich neu entwickelten „All-in-One“-Elektrode (AiO). Um eine kontrollierte H2O2-Erzeugung in der AiO-Elektrode mit hoher Energieeffizienz zu realisieren, werden hochporöse Kohlenstoffschäume, die mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs) beschichtet sind weiterentwickelt. Durch einen neuartigen CVD-Prozess können Elektrodenmaterialien maßgeschneidert hergestellt werden, welche eine niedrige Dichte (20 mg/cm3) und eine hochleitfähige, hierarchische poröse Struktur besitzen. Das so erzeugte H2O2 wird direkt durch enzymatische Oxyfunktionalisierung in mehrstufigen chemoenzymatischen Reaktionskaskaden genutzt. Zu den angestrebten Reaktionssystemen gehören eine peroxidasekatalysierte sequentielle Hydroxylierung zur Synthese von Hydrochinon in wässrigen Medien sowie die gleichzeitige chemoenzymatische Veresterung und Epoxidierung zu epoxidierten Fettsäureestern in einer lösungsmittelfreien organischen Umgebung (adaptierte Prilezhaev-Reaktion). Die genannten Reaktionen werden sowohl mit freien als auch mit immobilisierten Enzymen auf funktionalisierten CNTs untersucht. Dieser integrierte Ansatz ist einzigartig und vielversprechend bei der Bewältigung eines der Hauptprobleme der H2O2-abhängigen enzymatischen Oxyfunktionalisierung, nämlich der verkürzten Halbwertszeit der Enzymaktivität in Gegenwart von H2O2. Durch die Integration der AiO-Elektrode in ein organisches Reaktionsmedium wird in situ eine H2O2-Addition ohne Zugabe von Wasser unter Auslassung von Nebenreaktionen (z.B. in der Prilezhaev-Reaktion) realisiert. Mit einem feinabstimmbaren System können die Raten der elektrochemischen H2O2-Synthese und des enzymatischen H2O2-Verbrauchs eng gekoppelt werden, was eine konstant niedrige H2O2-Konzentration während der gesamten Kaskadenreaktion ermöglicht. Dies wird neue Möglichkeiten eröffnen, chemoenzymatische Reaktionskaskaden mit erhöhter Enzymstabilität und -aktivität und einem stabileren Gesamtprozess zu entwickeln.