Maßgeschneiderte Deep Eutectic Solvents für die Biokatalyse

Die chemische Industrie steht derzeit vor der Herausforderung von erdölbasierten Chemikalien auf die nachhaltige Synthese biobasierter Produkte im Sinne einer zirkulären Bioökonomie umzusteigen. Enzyme gewinnen daher in der Industrie aufgrund ihrer herausragenden Effizienz, Selektivität und sehr milden Reaktionsbedingungen immer mehr an Bedeutung. Mit diesen Stärken hat die Biokatalyse ihren Platz unter den katalytischen Methoden der heutigen Grünen Chemie gefunden. Acht Forscherinnen und Forscher aus Deutschland und Österreich haben sich zusammengeschlossen, um den Einsatz von anwendungsspezifisch angepassten Lösungsmitteln zur Steigerung der Nachhaltigkeit und Effizienz enzymatischer Prozesse zu untersuchen. Deep eutectic solvents (DES) sind eine sehr wirksame Klasse von Lösungsmittelsystemen, die aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften Vorteile bei (bio)chemischen Umwandlungen bieten. DESs sind Stoffgemische, die in Kombination eine Flüssigkeit mit einem viel niedrigeren Schmelzpunkt als die einzelnen Komponenten bilden. Durch diese einzigartige Eigenschaft unterscheiden sich DESs von anderen Lösungsmitteln. Sie sind besonders nützlich in der Biokatalyse, da sie die Stabilität und Aktivität von Enzymen verbessern können. Durch die sorgfältige Auswahl der Komponenten und Anpassung des Wassergehalts können DESs hohe Konzentrationen von Substraten und Produkten lösen, die Enzymleistung verbessern und nachgeschaltete Prozesse vereinfachen. Aufgrund dieser Eigenschaften sind DESs für den Fortschritt der nachhaltigen Biokatalyse von entscheidender Bedeutung. Ziel dieses Projektes ist es, durch die Kombination von maßgeschneiderten DES und kontinuierlichen Durchflussverfahren biokatalytische Umwandlungen zu verbessern und einen höheren Durchsatz (aufgrund einer höheren Substratlöslichkeit), sowie eine höhere Enzymproduktivität (aufgrund eines verbesserten Stofftransfers in kontinuierlichen Anlagen) zu erzielen. Weiters ist es ein Ziel durch die intelligente Auswahl der Lösungsmittel und der nachgeschalteten Prozesse, die DESs-Medien zu recyclen, wodurch die Umweltauswirkungen minimiert werden. Alle Entscheidungen über den Einsatz spezifischer DES in der kontinuierlichen Biokatalyse müssen in ein integriertes Prozessdesign eingebettet werden, das Theorie, Synthese und Ingenieurwissenschaften verbindet. Dies wird durch eine Kombination aus Modellen zum Verhalten von DESs, Studien zur enzymatischen Katalyse in maßgeschneiderten DESs und der Entwicklung der Prozesssteuerung inklusive nachgelagerten Prozessen ermöglicht. Da der Ansatz eine enge Zusammenarbeit von Experten aus Modellierung, Katalyse, Technischer Chemie und Verfahrenstechnik erfordert, wurde ein interdisziplinäres Team mit komplementären Kompetenzen aus verschiedenen Standorten zusammengestellt. Dies wird langfristig zur Etablierung rationaler, modellbasierter Entscheidungsprozesse für den Einsatz von DESs in kontinuierlichen biokatalytischen Prozessen führen.