Maßgeschneiderte Deep Eutektische Lösemittel

Die chemische Industrie steht derzeit vor der Herausforderung, von der klassischen Herstellung erdölbasierter Chemikalien auf die nachhaltige Synthese biobasierter Produkte im Sinne einer zirkulären Bioökonomie umzustellen. Dank ihrer herausragenden Effizienz, Selektivität und sehr milden Reaktionsbedingungen spielen Enzyme eine immer wichtigere Rolle in der Industrie. Mit diesen Stärken hat die Biokatalyse ihren Platz unter den komplementären katalytischen Methoden der heutigen grünen Chemie gefunden. Acht Forscherinnen und Forscher aus Deutschland und Österreich haben sich nun im Rahmen der DFG-Forschergruppe 5730 zusammengeschlossen, um den Einsatz von anwendungsspezifisch angepassten Lösungsmitteln zur Steigerung der Nachhaltigkeit und Effizienz von enzymatischen Prozessen zu untersuchen. Deep Eutectic Solvent (DES) sind eine Klasse von Lösungsmitteln, die aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften eine Vielzahl von Vorteilen bei (bio)chemischen Umsetzungen bieten. DESs bestehen aus Gemischen von Einzelsubstanzen, die sich bei ihrer Kombination durch eine erhebliche Absenkung des Schmelzpunktes auszeichnen und sich daher in ihrer flüssigen Form strukturell von klassischen molekularen Systemen unterscheiden. Diese Unterschiede im Lösungsverhalten sind besonders in der Biokatalyse von Vorteil, da sie u. a. höhere Enzymstabilitäten und -aktivitäten ermöglichen können. Der große Gestaltungsspielraum für die Entwicklung anwendungsspezifischer DES, einschließlich der Auswahl einzelner Komponenten und der Anpassung des Wassergehalts (der für die katalytische Leistung der Enzyme und die Verringerung der Viskosität entscheidend ist), ermöglicht die Entwicklung von Lösungsmitteln, die in der Lage sind, hohe Konzentrationen von Substraten und Produkten zu lösen, Enzyme zu stabilisieren/aktivieren und gleichzeitig eine auf spezifische Anwendungen zugeschnittene Weiterverarbeitung zu ermöglichen. DESs können somit einen entscheidenden Beitrag dazu leisten, den Anwendungsbereich der Biokatalyse als nachhaltige Technologie zu erweitern. Die zentrale Hypothese der DFG-Forschergruppe 5730 Maßgeschneiderte tief eutektische Lösungsmittel für die Biokatalyse - ein zirkulärer Ansatz von molekularen Wechselwirkungen zu Prozessparametern - DESMOL2PRO ist, dass DES zwei kritische Aspekte von Bioprozessen grundlegend beeinflussen werden, nämlich die Reaktivität und Stabilität von Biokatalysatoren und das Downstream Processing. Die Entwicklung und Intensivierung von Bioprozessen erfordert daher einen anderen Ansatz als bei klassischen Prozessen mit wässrigen, organischen und mehrphasigen Systemen und vor allem eine nahtlose Integration verschiedener Disziplinen. Das DESMOL2PRO-Projekt befasst sich explizit mit diesen beiden Aspekten, indem es einen ganzheitlichen, zirkulären Ansatz verfolgt, um zunächst effiziente und gleichzeitig nachhaltige Prozesse zu verstehen und dann zu entwickeln. Die zirkuläre Strategie wird dazu führen, dass ein tiefes Verständnis für die Entwicklung von Molekülen zu Prozessen und umgekehrt erlangt wird.