Racemat-Spaltung von Aminosauren durch ImmobiliSierung von Acylase im wai8rigen Zweiphasensystem

Gesamtsystem (Punkt P) Oberphase iT ) Unterphase (B 1

Winfried Kuhlmann, Werner Halwachs und Karl Schugerl*

Die Herstellung und Verwendung von Aminosauren gewinnt industriell zunehmend an Bedeutung. Nach Chibata [I] entspricht die jahrliche Gesamterzeugung gegenwartig einem Wert von etwa 1 Mrd. $. Sie erfolgt alternativ durch Extraktion von Protein- Hydrolysaten, durch mikrobielle Fermentation, durch enzymatische Verfahren oder chemische Totalsynthese. Die vorliegende Arbeit zur Racemat-Spaltung von Aminosauren basiert auf einem enzymatischen Verfahren, wobei das Enzym in der einen Phase eines waBrigen Zweiphasensystems aufgrund seiner verschwindend geringen Loslichkeit in der anderen Phase immobili- siert ist. Dies ist eine besondere Form der Enzym-Fixierung fur reaktionstechnische Zwecke. Erfahrungen mit herkommlichen un- loslichen Tragern, die fur den Einsatz in Wirbelschichtanlagen geeignet sind, liegen bereits seit geraumer Zeit vor [2]. Das Substrat wird mit der Phase zugefuhrt, in der das Enzym nicht loslich ist, um das Volumen der Enzym-Phase nicht zu vergroBern. Die vorliegende Extraktions/Reaktionskopplung (Reaktivextrak- tion) erlaubt eine kontinuierliche Prozeljfiihrung zur Aminosaure- Produktion ohne nennenswerte Enzym-Verluste. Da beide Phasen hauptsachlich aus Wasser bestehen, sind sie beziiglich ihrer hydrophob/hydrophilen Eigenschaften in einem Losungsmittelspektrum in der Nahe von Wasser einzuordnen. Sie besitzen jedoch unterschiedliche Losevermogen, was zur Trennung von Naturstoffen, Makromolekiilen und sogar Partikeln ausgenutzt werden kann [3]. Fur die vorliegenden Untersuchungen wurde ein waBriges Zweipha- sensystem aus K2HP04/KH2P04, Polyethylenglykol 300 und Wasser gewahlt. Die zugehorige Binodalkurve ist in Abb. 1 dargestellt. Folgende Zusammensetzungen ergaben sich :

16 23 61

33,5 1,5 65 6,9 34,3 58,8

Phosphat PEG300 H,O [Gew. - %]

Obiges System zeichnet sich durch kurze Koaleszenzzeit aus. Die Verteilungskoeffizienten (H = cT/cB) fur das Substrat N-Acetyl-D,L-

* Dipl.-Chem. W . Kuhlmann, Dr. W. Halwachs und Prof. Dr. K . Schiigerl, Institut fur Technische Chemieder Universitat Hanno- ver, CallinstraBe 5, 3000 Hannover.

methionin und das Produkt L-Methionin betrugen 11,2 (k 1,3) bzw. 1,54 (+0,03). Die enzymatische Reaktion wurde im Satzbetrieb in einer Spriih- kolonne (180 ml) durchgefuhrt. Die resultierenden Umsatz/Zeit- Kurven sind in Abb. 2 fur zwei verschiedene Anfangskonzentratio- nen und ahnliche Enzym-Aktivitaten als Funktion der Zeit in Minuten aufgetragen (Kurve 1 : 0,112 M ; 2,9 U/mg; Kurve 2: 0,052 M ; 2,5 Ujmg) '',

Puffer-Gehalt

Abb. 1. (links) Binodalkurve fur das System Kaliumhydrogen- phosphat (306,9 g K2HP0,/168,6g KH2P04)PEG 300-H20 bei 25 "C.

Abb 2. (rechts) Umsatz-Zeit-Kurven der Acylase-Reaktion im Zweiphasensystem.

Die enzymatische Aktivitat ist zwar gegeniiber waBriger Losung vermindert, jedoch mit Sicherheit hoher als nach Tragefixierung einer definierten Einsatzmenge, bedingt durch den unumganglichen Verlust wahrend der Immobilisierung. Eingegangen am 6. Marz 1980

[l] Izumi, Y ; Chibata, I . ; I toh , T.: Angew. Chem. 90 (1978) S. 187. [2] Halwachs, W. ; Wandrey, C. ; Schiigerl, K . : Biotechnol. Bioeng. 19

[3] Albertsson, P . A . ; Partition of Cellparticles and Macromolecules, (1977) S. 1667.

J. Wiley & Sons Inc., New York 1971.

Schliisselworte: Enzyme, Enzym-Technik, Fliissigextraktion, Ami- nosauren, Spriihkolonne, Racemat-Spaltung.

1) Ein U ist die Enzym-Menge, die 1 pmol Substrat/min umsetzt.

Chem.-1ng.-Tech. 52 (1980) Nr. 7 0 Verlag Chemie, GmbH, D-6940 Weinheim 1980 0009-286X/80/07070607$02.50/0

607

Seite 608: Anzeige