Chemoenzymatic reaction cascade in an All-in-One electrochemical system with in situ supply of H2O2 for biosynthesis in aqueous and organic media (AiO-eChemBIO)

Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung einer neuartigen und optimierbaren Plattform für H2O2-abhängige enzymatische Reaktionskaskaden in wässrigen und organischen Medien. Ein Team von drei Forschern aus verschiedenen Instituten der Technischen Universität Hamburg-Harburg (TUHH) arbeitet in einem interdisziplinären Team zusammen, um eine vollständig kontrollierbare elektrochemische In-situ-H2O2-Synthese unter Verwendung einer neuartigen All-in-One (AiO)-Elektrode zu etablieren sowie die Enzymimmobilisierung an der Elektrode und zwei biokatalytische Modellreaktionskaskaden zu charakterisieren und zu optimieren. Wasserstoffperoxid (H2O2) ist ein mildes und stabiles Oxidationsmittel, das leicht elektrochemisch hergestellt werden kann und bereits in vielen biokatalytischen Prozessen als Substrat verwendet wird. Seine Anwendung in großtechnischen Prozessen wird jedoch durch zwei Faktoren eingeschränkt: Erstens wird H2O2 in wässriger Lösung durch klassische Chemosynthese hergestellt, wodurch Wasser in organische Systeme eingebracht wird und möglicherweise Nebenreaktionen begünstigt werden. Zweitens wirken sich höhere H2O2-Konzentrationen nachteilig auf die Aktivität und Stabilität vieler Enzyme aus. Daher ist die genaue und abstimmbare Dosierung von H2O2 in das Reaktionssystem eine Herausforderung, aber von großer Bedeutung.

Bei der vorgeschlagenen All-in-One (AiO)-Elektrodenanordnung kann die In-situ-Produktionsrate von H2O2 elektrisch genau auf die katalytische Kapazität der im System vorhandenen Enzyme abgestimmt werden. Um die H2O2-Produktion und den H2O2-Verbrauch noch näher aneinander zu bringen, können die Enzyme direkt an der Elektrode immobilisiert werden, die das H2O2 produziert. Dadurch könnte die H2O2-Konzentration niedrig gehalten und die schädliche Wirkung von H2O2 auf die Aktivität und Stabilität des Enzyms verringert werden. Das H2O2 wird in situ für den biokatalytischen Schritt durch elektrochemische Reduktion von Sauerstoff an der Anode und anschließende Umwandlung in H2O2 an der Kathode erzeugt. Die AiO-Elektrode besteht aus einer inneren Kammer, in der der Sauerstoff an der Anode erzeugt wird und durch ein Druckgefälle zur Kathode gelangt, wo er in H2O2umgewandelt wird. Dies ist möglich, weil die Kathode aus einem hochporösen Kohlenstoffschaumgerüst namens Globugraphit besteht, das mit Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) beschichtet ist. Beide Materialien weisen eine hohe spezifische Oberfläche auf und sind in ihrer mikro- und makroskopischen Konfiguration abstimmbar, was ein erhöhtes Potenzial für hohe H2O2-Produktionsraten sowie eine effiziente Enzymimmobilisierung mit sich bringt. Durch die einzigartige Anordnung der inneren Kammer und der außen liegenden Gasdiffusionskathode kann die komplette AiO-Elektrode ähnlich wie eine pH- oder pO2-Sonde in einen Reaktor eingebaut werden, wodurch sie für eine Vielzahl von Reaktoraufbauten und Scale-up-Szenarien geeignet ist.

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Mitarbeiter v.l.n.r.: Hubert Beisch (IPC), Victoria Bueschler (ITB), Giovanni Sayoga (IBB).

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