Untersuchung von neuartigen Methoden zur Enzymimmobilisierung und Reaktionsführung für enzymkatalysierte Synthesen | Investigation of novel enzyme immobilisation methods and reaction control of enzym-catalyzed synthesis

German. Im Rahmen dieser Arbeit werden neue Synthesewege mittels immobilisierter Enzyme entwickelt. Im ersten Teil der Arbeit werden hierfür kommerzielle Enzymformulierungen verwendet, während der Schwerpunkt im zweiten Teil auf der Entwicklung neuer Immobilisationstechniken und deren reaktionstechnische Anwendung für neuartige Reaktionen liegt. Die direkte Funktionalisierung von Polymeren mit zyklischen Carbonaten bietet die Möglichkeit einer isocyanatfreien Urethan (NIPU) Vernetzung. Daher wird eine biokatalytische Modellreaktion zur (Bi-)Funktionalsierung von Carboxylgruppen von Disäuren oder Polyestern mit zyklischem Glycerincarbonat entwickelt, die in der Folge auf kommerzielle Polyester Bindemittel für die Lackindustrie angewandt wird. Dabei zählen neben der Lipasenkatalyse die Reaktionszeit und -temperatur zu den Schlüsselfaktoren, um die Integrität des zyklischen Carbonats zu erhalten. Das synthetisierte SB-BisCC kann als grüner NIPU-Baustein dienen, während der funktionalisierte Polyester unter Verwendung einer deutlich reduzierten Menge an Aminkatalysator zu einer Stahlbeschichtung mit guten mechanischen und physikalischen Eigenschaften verarbeitet werden kann. Der zweite Teil beschreibt die Entwicklung zweier neuartiger Immobilisierungsverfahren: Lipase B aus C. antarctica wird auf PMMA-beschichteten SiO2 Partikeln, die mittels kontrollierter radikalischer Polymerisation hergestellt werden, immobilisiert. Der Einfluss der Oberflächenstruktur auf die Lipaseaktivität wird durch Variation der PMMA-Dichte und der daraus resultierenden Polymerstruktur analysiert. Der Lipasenkatalysator kann über sechs Recyclingschritte wiederverwendet werden, wobei intermediale Pfropfdichten zu den stabilsten Biokatalysatoren führen. Die mehrfache Verwendung ist ebenfalls in nicht nativen Medien möglich. Die kommerzielle Peroxidase MaxiBright® wird auf Polyvinylamin beschichteten Textilien kovalent mittels Glutardialdehyd immobilisiert. Anhand der Epoxidierung von Cyclohexen wird erstmalig die Möglichkeit der Nutzung der Peroxidase für gerichtet Oxidationsreaktionen demonstriert. Die Einbindung des textilen Biokatalysators in ein Reaktorkonzept ermöglicht eine signifikante Steigerung der Ausbeute. Hierfür wird der Textilkatalysator zwischen Reaktionsphase und Produktextraktionsphase eines 3D-gedruckten Modellreaktors platziert und ermöglicht sowohl eine Mehrfachnutzung des Biokatalysators als auch ein Recycling des nicht verbrauchten Cyclohexens.

English. In this work new synthesis pathways are developed using immobilized enzymes. In the first part of the work, commercial enzyme formulations are used for this purpose, while the second part of the work focuses on the development of new immobilization techniques and their application in novel reactions. The direct functionalization of polymers with cyclic carbonates offers the possibility of an isocyanate-free urethane (NIPU) crosslinking. Therefore, a biocatalytic model reaction for the (bi-)functionalization of carboxyl groups of diacids or polyesters with cyclic glycerol carbonate is being developed, which will subsequently be applied to commercial polyester binders for the coating industry. Besides lipase catalysis, reaction time and -temperature are key factors to maintain the integrity of the cyclic carbonate. The synthesized SB-BisCC can serve as a green NIPU building block, while the functionalized polyester can be processed into a steel coating with good mechanical and physical properties using a significantly reduced amount of amine catalyst. The second part describes the development of two novel immobilization processes. Lipase B from C. antarctica is immobilized on PMMA-coated SiO2 particles synthezised by controlled radical polymerization. The influence of the surface structure on the lipase activity is analyzed by varying the PMMA density and the resulting polymer structure. The lipase catalyst can be reused over six reaction cycles, whereby intermedial graft densities lead to the most stable biocatalysts. Multiple useage is also possible in non-native media. Covalent immobilization by glutardialdehyde on polyvinylamine coated textiles leads to an active biocatalyst for the peroxidase MaxiBright®. The epoxidation of cyclohexene is used to demonstrate the possibility of using the peroxidase for defined oxidation reactions. The integration of the textile biocatalyst into a reactor concept allows a significant increase in yield. For this purpose, the textile biocatalyst is placed between the reaction phase and the product extraction phase of a 3D-printed model reactor and allows multiple use of the biocatalyst as well as recycling of the unused cyclohexene.