Improving pure enantiomer provision by coupling chromatography with enzymatic racemization

Abstract

Enantiomers are pairs of chemical compounds that are mirror images of each other. Due to their stereoisomerism, they take on fundamentally different roles in biological systems. The development of efficient stereoselective production processes is therefore of great industrial importance. One approach is the chiral separation of a racemic mixture (1:1 mixture of both enantiomers) in combination with a partial or total racemization of the unwanted enantiomer and a consecutive recycling of the resulting mixture. In this work, the approach of coupling a continuous "Simulated Moving Bed" (SMB) chromatography apparatus with enzymatic racemization in a fixed bed reactor was investigated with simulations and in an experimental setup. The challenges of finding suitable coupling conditions, as well as optimising the operating parameters of both processes, were investigated using two case studies: The production of a) S- or R-mandelic acid with an immobilised mandelate racemase and b) L- or D-methionine with an immobilised amino acid racemase. For this purpose, both systems were characterised experimentally and modelled mathematically by means of the thermodynamic and kinetic parameters. Simulation studies carried out on this basis illustrate the advantages of the coupled system. Not only can the process yield be increased from 50 % to over 99 %, but the productivity of the chromatography step can also be increased. Reason for this is that the recycling of the unwanted enantiomer eliminates the usual trade-off between productivity and yield. Furthermore, the efficiency of the fermentation and purification of the amino acid racemase was enhanced. As a result, the material costs for the production of the immobilized amino acid racemase for the reactor could be reduced by 80 %. Based on the simulation studies conducted and the racemase cost estimates, operat- ing conditions for efficient production were identified and a laboratory plant was designed, constructed and used for validation studies. In a final run, it was operated for two days and produced D-methionine with a purity of 99 % and equally high yield during steady-state operation.

Enantiomere sind Paare chemischer Verbindungen, die Spiegelbilder voneinander sind. Aufgrund dieser Stereoisomerie spielen sie fundamental unterschiedliche Rol- len in biologischen Systemen. Die Entwicklung effizienter stereoselektiver Produk- tionsprozesse ist daher von großer industrieller Bedeutung. Ein Ansatz ist die chirale Trennung eines Racemats (1:1-Mischung eines Enantiomerenpaars) in Kombination mit einer Weiterverwendung des unerwünschten Enantiomers durch dessen partielle oder vollständige Racemisierung und anschließender Rückführung des Gemisches. In dieser Arbeit wurde die Verschaltung der kontinuierlichen Chromatographiemeth- ode "Simulated Moving Bed" (SMB) zur Enantiomerentrennung mit enzymatischer Racemisierung durch Racemasen in einem Festbettreaktor untersucht. Die Heraus- forderungen, geeignete Kopplungsbedingungen zu identifizieren sowie die Betrieb- sparameter beider Prozesse zu optimieren, wurde anhand von zwei Fallstudien untersucht: Die Produktion von a) S- oder R-Mandelsäure mit einer immobilisier- ten Mandelsäureracemase und b) L- oder D-Methionin mit einer immobilisierten Aminosäureracemase. Dafür wurden die Teilschritte beider Fallstudien experimentell charakterisiert und mathematisch modelliert. Die darauf aufbauenden Simula- tionsstudien verdeutlichen die Vorteile des gekoppelten Systems. Zum einen steigt die Prozessausbeute von 50 % auf über 99 %, zum anderen kann die Produktivität des Chromatographieschritts erhöht werden. Grund hierfür ist, dass Prozessausbeute und Produktivität der Trennung durch den Rückführungsschritt des Gegenenan- tiomers entkoppelt werden. Darüber hinaus konnten im Rahmen dieser Arbeit die Materialkosten für die Produk- tion der Aminosäureracemase durch Effizienzsteigerung bei der Fermentation und Optimierung des Aufreinigungsprozesses um 80 % gesenkt werden. Basierend auf den Simulationsergebnissen und den Kostenabschätzungen der Ra- cemase, wurden Betriebsbedingungen für eine effiziente Produktion identifiziert. Anhand der Betriebsbedingungen wurde eine Laboranlage ausgelegt, aufgebaut und für diverse Validierungsexperimente genutzt. In einem abschließenden Lauf wurde sie für zwei Tage betrieben und produzierte D-Methionin mit einer Reinheit von 99 % und ebenso hoher Ausbeute im kontinuierlichen Betrieb.