Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4059
Haberland, Jürgen
Verfahrensentwicklung zur Darstellung von (2R,5R)-Haxandiol mit Lactobacillus kefir DSM20587
XII, 167 S., 2003
Die Reduktion von (2,5)-Hexandion zu (2R,5R)-Hexandiol mit ruhenden, ganzen
Zellen von Lactobacillus kefir DSM20587 wurde als Modellreaktion mit industriellem
Hintergrund untersucht. Das enantiomerenreine Diol wird für die Synthese von
DuPhos, einem chiralen Liganden, welcher bei homogen Hydrierungen eingesetzt
wird, verwendet. Zunächst wurden sowohl die Kinetik, als auch die Stöchiometrie der
Reaktion untersucht. Im Zuge der Untersuchungen zur Stöchiometrie der Reaktion
konnten alle auftretenden extrazellulären Metabolite identifiziert und quantifiziert
werden.
In Fed-Batch Experimenten konnte (2R,5R)-Hexandiol enantiomerenrein mit einer chemischen Selektivität von 93% dargestellt werden. Um ein Verfahren zur Synthese von kg-Mengen zur Verfügung zustellen, wurde ein kontinuierlich betriebener Rührkessel (CSTR) mit Zellrückhaltung etabliert und charakterisiert.
Dieser wurde im 2-L Maßstab betrieben, so daß im Hinblick auf eine Kommerzialisierung bereits kg-Mengen von (2R,5R)-Hexandiol im Rahmen dieser Arbeit produziert werden konnten. Dabei konnte eine Raum-Zeit-Ausbeute von 64 g*L-1*d-1 erzielt werden. Ergänzt wurde der CSTR durch eine angekoppelte Flüssig- Flüssig-Gegenstromextraktion. Diese Gegenstromextraktion wurde mit Ethylacetat als Extraktionsmittel betrieben und lieferte eine Extraktionsleistung von über 90%. Das Produkt sammelte sich im Sumpf der Destillation, so daß hier chargenweise nur noch das Ethylacetat abgetrennt werden mußte, um das Produkt zu kristallisieren. Neben der Flüssig-Flüssig-Extraktion wurden auch andere Aufarbeitungsverfahren auf ihre Einsatzfähigkeit untersucht.
Die Ergebnisse aus der Synthese von (2R,5R)-Hexandiol wurden auf ein anderes
Substrat bzw. einen anderen Biokatalysator übertragen. So konnte in einem weiteren
kontinuierlichen Experiment 2-0ktanon stereospezifisch zu (2R)-Oktanol reduziert
werden. Hierbei wurde eine Raum-Zeit-Ausbeute von 42,4 g*L-1*d-1 erreicht werden.
Durch Einsatz von Bäckerhefe konnte mit der gleichen Technik unter aeroben
Bedingungen 3-0xobuttersäureethylester zu (3S)-Hydroxybuttersäureethylester
reduziert werden. Bei dieser Reduktion konnte ein Enantiomerenüberschuß von
>95% und eine Raum-Zeit-Ausbeute von 15 g*L-1*d-1 erreicht werden.
The reduction of (2,5)-hexanedion to (2R,5R)-hexanediol with resting whole cells of
Lactobacil/us kefir DSM20587 was investigated as model reaction with a industrial
background. The enentiopure diol is used for the synthesis of the chiral ligand
DuPhos, which is used in homogeneous hydrogenation reactions. At first the kinetics
and the stoichiometry of the reaction was investigated. Within the investigations of
the stoichiometry of the reaction all extracellular metabolites were identified and
quantified.
In fed-batch experiments (2R,5R)-hexanediol was produced enantiopure with a purity of 93%. To obtain a synthesis to produce kg quantities a continuous stirred tank reactor (CSTR) with cell retention was established and characterized.
The CSTR was run in 2-L scale and to look forward to a commercially used process kg quantities of (2R,5R)-hexanediol were produced during the practical work of this thesis. A space-time yield of 64 g*L-1*d-1 was achieved. The CSTR was completed by a coupled online liquid-liquid-extraction. As solvent for the extraction ethyl acetate was used. The extraction efficiency was >90%. The product was collected at the bottom of the distillation column. The ethyl acetate wa removed batchwise to crystallize the product. Besides the liquid-liquid-extraction other methods for downstream processing were tested.
The results of the synthesis of (2R,5R)-hexanediol were transferred to another
product and another biocatalyst. In an additional continuous experiment 2-octanone
was stereospecifically reduced to (2R)-octanol. A space-time-yield of 42,4 g*L-1*d-1
was achieved for this reaction. With the use of baker's yeast and the same
continuous setup 3-oxobutyric acid ethylester was reduced to (3S)-hydroxybutyric
acid ethylester under aerobic conditions. For this reduction an enantiomeric excess of
>95% and a space-time-yield of 15 g*L-1*d-1 was acieved.
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