01IF22612N
Im Forschungsprojekt PeroxyDirekt wurde ein neues Tandem-Katalysesystem entwickelt, das chemische Katalyse und Biokatalyse (Enzyme) direkt miteinander verbindet. Kernidee war, Wasserstoffperoxid (H₂O₂) nicht wie üblich extern zuzugeben, sondern im Prozess „in situ“ aus Wasserstoff (H₂) und Sauerstoff (O₂) zu erzeugen und anschließend sofort für enzymatische Reaktionen zu nutzen. Dadurch kann Biokatalyse effizienter und prozesssicherer werden, weil H₂O₂ gezielt dort entsteht, wo es gebraucht wird.
Die Projektpartner untersuchten dafür die katalytischen, enzymtechnischen und verfahrenstechnischen Grundlagen. Um die unterschiedlichen Anforderungen von chemischer und enzymatischer Reaktion zusammenzubringen, wurde ein gemeinsames Reaktionsmedium als guter Kompromiss definiert: 10 % Methanol in 100 mM Kaliumphosphatpuffer (pH 7). Kinetische Messungen zeigten zudem, dass die H₂O₂-Bildungsraten unter reduktiven Bedingungen deutlich höher liegen (etwa 6- bis 10-fach) als unter oxidativen. Als verlässlicher Standard wurde ein reproduzierbarer 1 % Pd/TiO₂-Katalysator ausgewählt.
Als Modell diente die enzymatische Hydroxylierung von Ethylbenzoesäure (EBA) zu Hydroxyethylbenzoesäure (HEBA). Diese Reaktion konnte erfolgreich optimiert werden: Schon bei einer sehr niedrigen Enzymkonzentration von 5 nM wurde eine Turnover Number (TON) von über 700.000 erreicht. Durch eine Fed-Batch-Strategie mit kontinuierlicher Gasdosierung sowie gezielten Enzymzugaben („Enzym-Spiking“) stieg die Produktausbeute deutlich – von 32 % auf 72 %.
Fazit: PeroxyDirekt zeigte, dass die kontinuierliche Kopplung der chemokatalytischen H₂O₂-Direktsynthese mit peroxidabhängigen Enzymreaktionen technisch machbar ist. Das Konzept bietet deutliche Vorteile für die Praxis – insbesondere bei Prozesseffizienz, Katalysatorstabilität und industrieller Anwendbarkeit.
Bearbeitet wurde das Forschungsthema von 10/22 bis 12/25 am DECHEMA-Forschungsinstitut (Benzstr. 1-3, 61352 Bad Homburg v. d. Höhe, Tel. 06172/89938-0) unter der Leitung von PD Dr. Jonathan Z. Bloh (Leiter der Forschungseinrichtung Prof. Dr.- Ing. Mathias Galetz), an der Technischen Hochschule Mittelhessen, Institut für Bioverfahrenstechnik und Pharmazeutische Technologie (Wiesenstr. 14, 35390 Gießen, Tel. 06431/309-1000) unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Dirk Holtmann (Leiter der Forschungseinrichtung Prof. Dr. Frank Runkel) und dem Karlsruher Institut für Technologie, Institut für Mikroverfahrenstechnik (Hermann-von-Helmholtz-Platz 1, 76344 Eggenstein-Leopoldshafen, Tel.: 0721/608-23114) unter der Leitung von Dipl.-Chem. Manfred Kraut (Leiter der Forschungseinrichtung Prof. Dr.-Ing. Roland Dittmeyer)
Das IGF-Vorhaben Nr. 01IF22612N der Forschungsvereinigung DECHEMA, Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde im Rahmen des Programms „Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF)“ durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.