FKKT

Uvod

Potencial biokatalitskih procesov kot ključne tehnologije za trajnostno proizvodnjo snovi še zdaleč ni izkoriščen. Glavni izziv je nizka produktivnost procesov povezana s pogosto prisotno nizko topnostjo substratov in/ali produktov v vodi in deaktivacijo encimov v organskih topilih ali pri visokih koncentracijah produkta. Uporaba evtektičnih topil (angl. deep eutectic solvents, DES), ki sodijo med najperspektivnejša zelena topila, lahko bistveno izboljša topnost in zmanjša stroške procesov, porabo energije in količino nastalih odpadkov. Z imobilizacijo biokatalizatorjev lahko dosežemo njihovo stabilizacijo ter dolgotrajno uporabo v kontinuirnih pretočnih sistemih. Miniaturizacija reaktorjev omogoča visoke koncentracije imobiliziranega biokatalizatorja, kontinuirno delovanje procesa in hiter prenos snovi in toplote, kar vodi do visoke volumetrične produktivnosti in izboljšane produktivnosti biokatalizatorja. Poleg tega je v mikropretočnih sistemih boljši nadzor procesa, omogočena je integracija in situ odstranjevanja produktov in razvoj multiencimskih reakcij, kar pomembno prispeva k intenzifikaciji biokatalitskih procesov. S tem projektom želimo razviti kontinuirno biopretvorbo furfurala v njegove derivate z visoko vrednostjo z uporabo DES in imobiliziranih biokatalizatorjev v mikrotopretočnih sistemih z integriranim odstranjevanjem produktov.

 V projektu bomo obravnavali aminacijo furfurala v furfuril amin (shema 1) z uporabo izbranih transaminaz (ATA) ob prisotnosti kofaktorja (PLP) in izbranega donorja amina. Furfuril amini so zanimivi za uporabo kot monomeri v sintezi biopolimerov in za sintezo aktivnih farmacevtskih učinkovin.

Shema 1: Encimsko katalizirana aminacija furfurala.

Faze projekta

Projekt bo obsegal 5 delovnih sklopov (DS).

V okviru DS1 se bomo osredotočili na opredelitev obeh reakcijskih sistemov, kar vključuje izbiro biokatalizatorjev, analitiko za spremljanje reakcij in ovrednotenje kinetike reakcij v šaržnih sistemih. V okviru tega bomo testirali in izbrali transaminaze za nadaljnjo uporabo v mikropretočnih sistemih. V DS2 bomo izvedli racionalni izbor DES za izbrano encimsko katalizirano reakcijo, v okviru česar bomo pripravili in eksperimentalno ter teoretično okarakterizirali tudi nove DES, da bi dobili globlje razumevanje interakcij med komponentami, ki tvorijo DES, in drugimi reakcijskimi spojinami.

V DS3 bomo preučili imobilizacijo izbranih biokatalizatorjev v mikroreaktorjih, ki bodo zagotavljali tudi učinkovito regeneracijo kofaktorja. Preizkusili bomo različne napredne tehnike imobilizacije, nastale biokatalizatorje pa bomo sistematično okarakterizirali.

V DS4 se bomo osredotočili na reaktorsko in procesno inženirstvo, ki bo temeljilo na matematičnem modeliranju. Razvili bomo separacijske procese za in situ odstranjevanje produktov z namenom razvoja integriranega procesa v mikropretočnem sistemu.

Nazadnje bomo v DS5 izvedli podrobno tehno-ekonomsko študijo in presojo vplivov integriranih biokatalitskih procesov na okolje z uporabo standardnih izračunov in računalniško podprtih metod.

Cilji

1. Razviti kontinuirni biokatalitski proces sinteze furfurilamina, katalizirane s transaminazo, v mikropretočnih sistemih.
2. Izbrati ustrezne DES za encimsko pretvorbo furfurala v furfurilamin. Da bi razširili nabor DES za presejanje topil, bomo pripravili in testirali novi DES, ki temeljijo na metabolitih, najdenih v ekstremofilnih mikroorganizmih in rastlinah.
3. Učinkovito imobilizirati zgoraj navedene encime v mikroreaktorjih za doseganje visoke učinkovitosti imobilizacije, odražene v visokih koncentracijah imobiliziranih encimov in zadržanju njihove stabilnosti v kontinuirnih biokatalitskih procesih. Preizkušene in okarakterizirane bodo različne strategije imobilizacije, ki vključujejo hidrogele, zamrežene encimske agregate, magnetne nanodelce in samosestavljive strukture.
4. Razviti integrirane biokatalitske procese z več encimskimi koraki in separacijskim procesom v miniaturiziranih pretočnih napravah. Izvedeno bo odstranjevanje produktov in situ z uporabo tehnik ločevanja, kot sta izhlapevanje in pervaporacija v mikropretoku. Na osnovi modeliranja z uporabo analize časovnih nivojev z karakterističnimi časi bo načrtovan integriran sistem mikroenot za biotransformacije in pretočnih zaključnih procesov.
5. Oceniti ekonomsko upravičenost in okoljsko trajnost razvitih bioprocesov s podrobno tehno-ekonomsko študijo in presojo vplivov na okolje z uporabo standardnih izračunov in računalniško podprtih metod.