Dokument: Enzymunterstützte Kristallisation chiraler Aminosäuren

Titel:	Enzymunterstützte Kristallisation chiraler Aminosäuren
Weiterer Titel:	Enzyme supported crystallization of chiral amino acids
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=18424
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20110627-113806-6
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Würges, Kerstin [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 38,80 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 10.06.2011 / geändert 10.06.2011
Beitragende:	PD Dr. Pohl, Martina [Gutachter] Prof. Dr. Jaeger, Karl-Erich [Gutachter]
Stichwörter:	amino acid racemase, crystallization, allo-threonine, asparagine
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Chirale Moleküle finden u. a. Anwendung als vielseitig einsetzbare Intermediate in der Synthese von pharmazeutisch wirksamen Substanzen und Feinchemikalien. Natürliche wie auch unnatürliche α-Aminosäuren, die mit Ausnahme von Glycin mindestens ein asymmetrisches C-Atom besitzen, stellen dabei eine wichtige Gruppe dieser chiralen Bausteine dar. Aminosäuren können sowohl fermentativ als auch mittels chemischer Synthese in Form von Racematen hergestellt werden. Für die Anwendung als chirale Intermediate muss somit gegebenenfalls eine Enantiomerentrennung erfolgen. Um die Ausbeute über die bei einfachen Trennverfahren üblichen 50 % zu steigern, sollten im Rahmen dieser Doktorarbeit neue und effiziente Prozesse zur Produktion und Abtrennung chiraler Aminosäuren entwickelt werden. Dies erfolgte durch die Kombination einer enzymatischen Racemisierung bzw. Isomerisierung mit einer Kristallisation zur Produktabtrennung. Ausgehend von entweder racemischen oder chiralen Aminosäuren wurden zwei verschiedene Prozessansätze untersucht: 1) Die Enzymunterstützte bevorzugte Kristallisation vereint die Kristallisation eines einzelnen Enantiomers aus einer racemischen Lösung mit der enzymatischen Racemisierung des verbleibenden Enantiomers. Die bevorzugte Kristallisation kann nur für eine relativ kleine Gruppe der sogenannten konglomeratbildenden Racemate angewendet werden, zu der auch die proteinogene Aminosäure Asparagin zählt. Sie stellt zudem ein geeignetes Substrat der Aminosäureracemase AArac2440 aus Pseudomonas putida dar. Ein Modellprozess zur dynamischen Abtrennung von L-Asparagin aus einer übersättigten racemischen Lösung wurde im 20 mL Maßstab entwickelt. Durch die enzymatische Racemisierung des verbleibenden D-Asparagins während der bevorzugten Kristallisation, konnte ein deutlicher Anstieg des Enantiomerenüberschusses in den Produktkristallen erzielt werden. Dieser Prozess kann als eine neue Variante der klassischen dynamisch kinetischen Racematspaltung angesehen werden, bei der die Produktabtrennung durch bevorzugte Kristallisation anstelle einer asymmetrischen Transformation erfolgt. 2) Der zweite untersuchte Prozess umfasst die Produktion von chiralem allo-Threonin aus Threonin durch enzymatische Isomerisierung und Kristallisation. Beide Enantiomere des hochpreisigen allo-Threonins konnten mit guten Reinheiten und Ausbeuten aus dem preiswerten Ausgangsmaterial Threonin hergestellt werden. Die Isomerisierung von D- und L-Threonin zu L-allo- bzw. D-allo-Threonin erfolgte dabei mit Hilfe der reinen Aminosäureracemase AArac12996 aus Pseudomonas putida NBRC12996. Durch einfache Kristallisation des weniger löslichen allo-Threonins aus der Reaktionslösung konnte eine effiziente Produktabtrennung erreicht werden. Die hier präsentierten Prozesse zur Herstellung enantiomerenreiner Aminosäuren sind Beispiele für neue vielversprechende Methoden zur Produktion und Abtrennung chiraler Aminosäuren. Durch die Entwicklung verbesserter Biokatalysatoren mit erweiterten Substratspektren, könnte die Anwendungsbreite dieser neuen Methoden auf weitere interessante chirale Stoffgruppen erweitert werden. Chiral molecules are versatile building blocks for the synthesis of pharmaceuticals and fine chemicals. α-amino acids (natural and non-natural ones) represent one major group among these chiral molecules having, with the exception of glycine, at least one chiral center. Besides fermentative production methods, amino acids are also synthesized chemically as racemates. Thus, for chiral applications, the enantiomers have to be separated. To overcome yield limitations of simple enantioseparation processes, which are generally limited to 50 %, the aim of this thesis was the development of new processes for the efficient production and separation of chiral amino acids by the combination of enzymatic racemization/isomerization and crystallization. To achieve this goal, two different approaches have been investigated starting from either racemic or enantiopure substrates: 1) Enzyme-assisted preferential crystallization combines the crystallization of a single enantiomer from a racemic solution with enzymatic racemization of the remaining enantiomer. This concept is only applicable to the relatively small group of conglomerate forming racemates. Asparagine was identified as a suitable model substrate for preferential crystallization and enzymatic racemization using the purified amino acid racemase AArac2440 from Pseudomonas putida KT2440. A process for the dynamic resolution of L-asparagine from a supersaturated racemic solution was developed in a 20 mL scale, and the product ee could be increased significantly by enzymatic racemization of the remaining D-asparagine during crystallization. This process is a modification of a classical dynamic kinetic resolution, where product separation occurs via enantioselective crystallization instead of asymmetric transformation. 2) The second approach focuses on the production of chiral allo-threonine from threonine by enzymatic isomerization and crystallization. Both enantiomers of the valuable allo-threonine have been produced with good yields from low-prized threonine using purified amino acid racemase AArac12996 from Pseudomonas putida NBRC12996. Product separation was performed by simple crystallization from the reaction solution, which was possible due to the lower solubility limit of allo-threonine compared to threonine. The presented approaches are examples of new promising methods for the production and separation of chiral amino acids. Further investigations on improved catalysts may expand the general application scope of these methods to even more versatile substance groups.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie
Dokument erstellt am:	27.06.2011
Dateien geändert am:	27.06.2011
Promotionsantrag am:	01.03.2011
Datum der Promotion:	04.05.2011