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MATRIFIX

Immobilisierung von Biokatalysatoren
- Hydrogel-Trägersysteme für die reversible Immobilisierung von Enzymen
- Kalorimetrisches Verfahren zur Aktivitätsbestimmung immobilisierter Enzyme

Der Markt für biotechnologisch hergestellte Produkte erfährt gegenwärtig ein starkes Wachstum in vielen Bereichen der Chemie. Einen wichtigen Beitrag hierzu liefert der zunehmende Einsatz von Enzymen als Biokatalysatoren. Mit Hilfe der Biokatalyse können gegenüber konventionellen Verfahren die Anzahl an Reaktionsschritten verringert sowie der Energieverbrauch und die Schadstoffemissionen reduziert werden. Darüber hinaus bietet die Biokatalyse Zugang zu neuen Reaktionswegen und letztendlich auch neuen Produkten.

Um das große technische Potenzial biotechnologischer Verfahren auch wirtschaftlich effektiv nutzen zu können, ist der kostengünstige Einsatz von Biokatalysatoren von entscheidender Bedeutung. Die großtechnische Verwendung von immobilisierten Biokatalysatoren wird allerdings gegenwärtig noch durch unzureichende mechanische Stabilität, zu geringe Standzeiten und eine aufwändige Aktivitätsbestimmung erschwert.

Ziel eines in 2009 abgeschlossenen, gemeinsamen Forschungprojektes von Fraunhofer UMSICHT und Fraunhofer ICT war es, neue Möglichkeiten zur effektiven Immobilisierung von Biokatalysatoren und zur messtechnischen Bestimmung der Biokatalysator-Aktivität nach erfolgter Immobilisierung zu entwickeln.

Am Fraunhofer UMSICHT wurden neuartige Immobilisierungstechniken für Biokatalysatoren auf Basis von funktionalen und planaren Hydrogel-Trägersystemen entwickelt, die sich durch eine höhere mechanische Stabilität sowie eine bessere Wiederverwendverwendbarkeit auszeichnen. Das temperaturabhängige Quellungsverhalten der Hydrogele wird genutzt, um die Biokatalysatoren reversibel zu immobilisieren. So kann die Hydrogelmatrix durch Quellung in wässriger Enzymlösung beladen werden. Durch Erhöhung der Temperatur und der einhergehenden Entquellung des Hydrogels wird die Matrix wieder entladen.

Um die Hydrogele zu stabilisieren, können diese sowohl chemisch als auch physikalisch auf verschiedene Trägermaterialien, wie Zellstoff und PE-Folie fixiert werden. Durch den planaren Träger sind die Immobilisate einfach handhabbar und lassen sich leicht in katalytischen Prozessen vom Reaktionsmedium abtrennen. Die Langzeitstabilität der entstandenen Hydrogel-Verbundmaterialien wurde anhand von Durchströmungsversuchen in einem Rohrreaktor im Labormaßstab untersucht.

Für die Charakterisierung und Quantifizierung der Aktivität von immobilisierten Enzymen wurde am Fraunhofer ICT ein kalorimetrisches Messsverfahren eingesetzt. Es erfasst die Enzymaktivität in Abhängigkeit der Prozessbedingungen, die für die Immobilisierung des Enzyms im Hydrogel und für die Fixierung des Enzym-Hydrogel-Systems auf dem Trägermaterial gewählt wurden. Mit Hilfe des kalorimetrischen Messsverfahrens können so optimale Herstellungsbedingungen für ein zu immobilisierendes Enzymsystem ermittelt werden.

Der Vorteil des kalorimetrischen Messprinzips gegenüber klassischen photometrischen oder elektrochemischen Methoden zur Messung der Enzymaktivität ist dessen universelle Einsatzmöglichkeit. Da jede enzymatisch katalysierte Reaktion mit einer charakteristischen Wärmetönung verbunden ist, kann mittels Kalorimetrie auch entsprechend die Aktivität unterschiedlichster Enzyme bestimmt werden. Im Gegensatz zu anderen Methoden werden keine enzymspezifischen Anforderungen an die Indikation, wie z.B. Farbstoff oder Leitfähigkeit der Lösung, gestellt.
Um eine schnelle und einfache Vergleichbarkeit der unterschiedlichen Immobilisierungsbedingungen zu gewährleisten, wurde als Definition der Enzymaktivität die "thermische Aktivität" bzw. die "integrale thermische Aktivität" eingeführt. Anhand dieser Kenngrößen können die unterschiedlichen Einflussfaktoren auf die Enzym-Immobilisierung wie z.B. der PEG-Gehalt im Hydrogel, das verwendete Co-Polymerisat sowie die Art des verwendeten Trägermaterials quantifiziert und eine schnelle optimale Anpassung des Hydrogels an das entsprechende Enzym erreicht werden.

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Hydrogel auf Trägermaterial im entquollenen (links) und gequollenen Zustand (rechts)


Beispiel für gemessene thermische Aktivität der enzymatischen Umesterung von Rapsöl mit Ethanol

 

 

Gefördert durch Mittel der Fraunhofer Gesellschaft

 
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Ansprechpartner:

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Hydrogele:

Fraunhofer-Institut für Umwelt-,
Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT
Osterfelder Straße 3
D-46047 Oberhausen
www.umsicht.fraunhofer.de
Dr.-Ing. Görge Deerberg
Tel: +49 (0) 208 / 8598-1107
Fax: +49 (0) 208 / 8598-1295
E-Mail: goege.deerberg((@))umsicht.fraunhofer.de

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Kalorimetrie:

Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT
Joseph-von-Fraunhofer Str. 7
D-76327 Pfinztal
www.ict.fraunhofer.de
Jürgen Antes
Tel: +49 (0) 721 / 4640-340
Fax: +49 (0) 721 / 4640-111
E-Mail: juergen.antes((@))ict.fraunhofer.de

 

         
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