Aromatik ketonların bitki biyokatalizörlüğünde enantiyoseçimli olarak biyoindirgenmesi ile (S)-1-feniletanol üretimi
Production of enantiomerically pure (S)-1-phenylethanol via plant biocatalytic reduction of aromatic ketones
Yazar: HİLAL KAZICI
Danışman: PROF. DR. ÜLKÜ MEHMETOĞLU
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu çalışmada asetofenonun biyoindirgenmesiyle, birçok farmokolojik ürünün öncü maddesi olan enantiyomerik saflıkta (S)-1-feniletanol üretilmiştir. (S)-1-feniletanol türevleri antialzaymır ilaç etken maddesi olarak da kullanım alanına sahiptir. (S)-1-feniletanolün üretimi, asetofenonun alkoldehidrojenaz (ADH) enzimi biyokatalizli asimetrik indirgenme tepkimesiyle gerçekleştirilmiştir. Çalışmada, karbonil grubunu indirgeyebilmesi için ADH enzim kaynağı olarak çeşitli meyve ve sebzeler kullanılmıştır. En yüksek aktiviteye sahip olan uygun bitkinin seçimi için, farklı bitkilerin (havuç, patates, üzüm, turp) ADH enzim aktiviteleri tayin edilmiştir. Biyokatalizör olarak en yüksek ADH aktivitesine sahip taze havuç seçilmiştir.
Biyoindirgenme deneyleri, substrat olarak asetofenon içeren 0.1 M sodyum fosfat tampon ortamında, 80 ml hacmindeki vida kapaklı kesikli biyoreaktörlerde, sıcaklık ve karıştırma hızı (150 rpm) kontrol edilen orbital çalkalayıcılarda gerçekleştirilmiştir. Örnekler yüksek basınçlı sıvı kromatografisinde (HPLC) ile analizlenmiştir.
Enantiyomerik saflıkta (S)-1-feniletanol üretimi üzerine, taze havuç biyokatalizörlüğünde substrat derişimi, sıcaklık, tepkime süresi, tepkime pH'ı ve hücre derişiminin etkileri araştırılmıştır. İkinci aşamada, biyokatalizör olarak kullanılan taze havuç dondurularak kurutulmuş ve liyofilize havuç elde edilmiştir. ADH enzimi tepkimeyi, taze havuç için 2 mM (0.24 g/L) substrat derişimi, 200 g/L biyokatalizör derişimi, 33 oC tepkime sıcaklığı,  pH=7 ve 150 rpm karıştırma hızı koşullarında, % > 99 enantiyomerik aşırılık (ee) ve % 92 dönüşüm (c) ile katalizlemiştir. Liyofilize havuç için ise 0.5 mM (0.06 g/L) substrat derişimi, 30 g/L biyokatalizör derişimi, 33 oC tepkime sıcaklığı, pH=7 ve 150 rpm karıştırma hızı koşullarında, % > 99 ee ve % 78 dönüşüm ile katalizlemiştir. Liyofilize havuç biyokatalizörü için optimum çalışma koşulları Cevap Yüzey Yöntemi ile belirlenmiştir.
Çalışmada, alginat jeline tutuklanmış taze havuç hücreleri ile kesikli sistemde çalışılmıştır. En uygun koşullar 2 mm pellet çapı, 33 oC tepkime sıcaklığı, pH 7 fosfat tamponu ve 48 h tepkime süresi olarak belirlenmiştir. Tutuklanmış taze havuç hücreleri ile sürekli sistemde, asetofenon derişimi 1 mM, 2 mM ve 4 mM değerleri için biyoindirgenme deneyleri gerçekleştirilmiştir. 1 mM (0.12 g/L) başlangıç girdi derişiminde, 0.64 mM (S)-1-feniletanol (% 64 dönüşüm), 2 mM (0.24 g/L) başlangıç girdi derişiminde ise 1.5 mM (S)-1-feniletanol (% 79 dönüşüm) elde edilmiştir.
Daha sonra taze havuç, liyofilize havuç ve tutuklanmış taze havuç hücreleri ile kesikli sistemde tepkime kinetiği incelenerek kinetik sabitler belirlenmiştir.  Ayrıca, asetofenonun aljinat jelindeki etkin difüzyon katsayısı belirlenmiştir. 

Dolgulu kolon biyoreaktörün modellenmesi ve çözümü gerçekleştirilmiştir. Modelin çözümü, Matlab paket programı ile yapılmıştır. Kolon boyunca alınan örnekler ile model sonuçları karşılaştırılarak uyum olduğu gözlenmiştir.

Abstract:
In this study, enantiomerically pure (S)-1-phenylethanol that the precursor of many pharmacological product was produced with bioreduction of acetophenone. Derivatives of (S)-1-phenylethanol (seconder alcohol) is used as the active ingredient of drug of antialzaymer. Production of (S)-1-phenylethanol was conducted with the asymmetric reduction reaction of acetophenone using the enzyme of alkoldehidrojenaz (ADH) as biocatalyst.  In this study, a variety of fruits and vegetables were used as source of enzyme (ADH ) for reduction of the carbonyl Group.  ADH enzyme activities were determined of different plants (carrots, potatoes, grapes, radishes) for selection of suitable plant which has the highest intracellular enzyme activity. At the end of this election carrot has been choosed as a biocatalyst which has highest ADH activity. Reactions was performed in 80 ml volume screw cap bioreactor containing acetophenone as substrate.   Experiments were performed in temperature and stirring rate controlled orbital shaker.  Samples were analyzed using high pressure liquid chromatography (HPLC).
The effects of enzyme source, substrate concentration, temperature,  reaction time, pH of the reaction and the amount of biocatalyst on the production of (S)-1-phenylethanol have been investigated. It was found that ADH enzyme in fresh carrots catalysed the bioselective asymmetric reduction reactions at high enantioselectively and high conversion (% > 99 ee ve % 92 conversion) under the conditions of 2 mM (0.24 g/L) substrate concentration, 200 g /L biocatalyst concentration, 33 °C reaction temperature, pH = 7 and 150 rpm stirring rate. Lyophilized carrots catalysed the bioselective asymmetric reduction reactions (% > 99 ee ve % 78 conversion), under the conditions of 0.5 mM (0.06 g/L) substrate concentration, 30 g/L biocatalyst concentration, 33 °C reaction temperature, pH=7 and 150 rpm stirring rate. Optimum operating conditions was determined for lyophilized biocatalyst by Response Surface Methodology.
The kinetic constants were determined by examining reaction kinetics with fresh carrot, lyophilized fresh carrots and immobilized carrot cells. Also, effective diffusion coefficient of acetophenone was determined in alginate gel using immobilized carrot cells in batch system. Before studying in a continuous bioreactor, cells were immobilized by alginate. In continuous system, several levels of substrate concentrations, 1 mM, 2 mM and 4 mM, were studied. At 4 h residence time, 1.5 mM (S)-1-phenylethanol (conversion 79 %) was obtained for 2 mM (0.24 g/L) initial substrate concentration.
A mathematical model of the bioreactor was developed and solved. The samples taken throughout the column was analyzed and the results were compared with the model results.