Use of alcohol dehydrogenase and alcohol oxidase to convert alcohols in two valuable products: chlorolactone and vanillin

Abstract

Els enzims presenten una sèrie d’avantatges catalítiques respecte als catalitzadors químics emprats en síntesis química clàssica: especificitat, selectivitat i la possibilitat de treballar en condicions suaus de temperatura i pressió. No obstant, també presenten una sèrie de limitacions com són la baixa estabilitat i les baixes productivitats. En el present treball es combinen dues tècniques per tractar d’optimitzar les reaccions d’interès seleccionades: la immobilització i l’enginyeria de reacció. Les reaccions objectiu d’aquest treball són reaccions d’oxidoreducció centrades en la biosíntesis de molècules, de mitjà i alt valor afegit, d’alt interès industrial. En la primera part de la tesis s’ha utilitzat una alcohol deshidrogenasa (ADH99) per a la oxidació de l’alcohol chlorolactol a chlorolactona i una NAD(P)H oxidasa (NOX) com a sistema de regeneració del cofactor. La chlorolactona és un precursor per a la síntesis d’estatines les quals són fàrmacs utilitzats per a la reducció del LDL-colesterol ja que inhibeixen l’enzim encarregat de la seva biosíntesis. Ambdós enzims van ser immobilitzats eficientment en diferents suports, dels quals es van seleccionar els tres que van mostrar major activitat retinguda. Seguidament es va estudiar l’estabilitat dels derivats immobilitzats en condicions de reacció i es va determinar la càrrega enzimàtica màxim per a cada enzim. Es va descartar l’ús de la NOX immobilitzada ja que no es va millorar l’estabilitat amb cap suport. Posteriorment es van optimitzar les condicions de reacció amb un disseny experimental (DoE) amb l’ADH99 soluble però utilitzant la quantitat màxima d’ADH99 que es pot afegir a la reacció quan es fa servir el l’ADH99 immobilitzada en epoxy-agarosa-UAB M2. Finalment es va estudiar la capacitat de reutilització del derivat immobilitzat, on es va poder millorar 1.5 vegades tant el producte obtingut com el rendiment del biocatalitzador. No obstant, la millor configuració va resultar ser la utilització dels dos enzims en forma soluble. La segona part d’aquesta tesis es va centrar en la reacció d’oxidació de l’alcohol vainillínic a vanil·lina biocatalitzada per l’eugenol oxidasa (EUGO). La vanil·lina és la molècula que dona les propietats organolèptiques a la vainilla, el segon aromatitzant més car del món. La síntesi de vanil·lina via biotecnològica és d’un gran interès industrial ja que pot etiquetar-se com a natural. L’EUGO va ser immobilitzada eficientment en diferents suports dels que es van seleccionar els tres que van retenir més activitat i se’n van estudiar els mateixos paràmetres de l’apartat anterior. En aquest cas els tres derivats immobilitzats van ser utilitzats per a realitzar la reacció de síntesi, amb l’objectiu de seleccionar el més estable operacionalment. Tots els derivats van permetre ser reutilitzats 5 vegades conservant una elevada conversió en l’últim cicle. L’epoxy-agarosa-UAB M2 va ser el suport que millor estabilitat va mostrar. Els bons resultats obtinguts en el segon apartat d’aquest treball van permetre aprofundir en aquesta reacció. Pel que, en el tercer apartat, es va realitzar una optimització de les condicions de reacció des del punt de vista de millorar les mètriques del procés i també amb l’objectiu de fer el procés més sostenible ambientalment. A l’hora d’escollir les noves condicions de reacció es van tenir en compte l’activitat de la EUGO i la seva estabilitat. Ambdues condicions van ser testades en la reacció objectiu amb l’EUGO soluble i immobilitzada. En les noves condicions es va poder millorar la productivitat volumètrica 5.7 i 6.6 vegades respectivament, en comparació a les condicions prèvies. Finalment, en el reciclatge de l’enzim immobilitzat es van poder realitzar 5 cicles de reacció en les primeres condicions i 18 cicles de reacció en les noves condicions on es va poder millorar el rendiment del biocatalitzador 3.9 i 12.4 vegades respectivament.

Las enzimas presentan una serie de ventajas catalíticas respecto a los catalizadores químicos empleados en síntesis química clásica: especificidad, selectividad y la posibilidad de trabajar en condiciones suaves de temperatura y presión. No obstante, también presentan una serie de limitaciones como son la baja estabilidad y las bajas productividades. En el presente trabajo se combinan dos técnicas para tratar de optimizar las reacciones de interés seleccionadas: la inmovilización y la ingeniería de reacción.

Las reacciones objetivo de este trabajo son reacciones de oxidoreducción centradas en la biosíntesis de moléculas, de medio y alto valor añadido, de alto interés industrial. En la primera parte de la tesis se ha utilizado una alcohol deshidrogenasa (ADH99) para la oxidación del alcohol chlorolactol a chlorolactona y una NAD(P)H oxidasa (NOX) como sistema de regeneración del cofactor. La chlorolactona es un precursor para la síntesis de estatinas las cuales son fármacos utilizados para la reducción del LDL-colesterol puesto que inhiben la enzima encargada de su biosíntesis. Ambas enzimas fueron inmovilizados eficientemente en diferentes soportes, de los cuales se seleccionaron los tres que mostraron mayor actividad retenida. Seguidamente se estudió la estabilidad de los derivados inmovilizados en condiciones de reacción y se determinó la carga enzimática máximo para cada enzima. Se descartó el uso de la NOX inmovilizada puesto que no se mejoró la estabilidad con ningún apoyo. Posteriormente se optimizaron las condiciones de reacción con un diseño experimental (DoE) con la ADH99 soluble pero utilizando la cantidad máxima de ADH99 que se puede añadir a la reacción cuando se usa la ADH99 inmovilizada en epoxy-agarosa-UAB M2. Finalmente se estudió la capacidad de reutilización del derivado inmovilizado, donde se pudo mejorar 1.5 veces tanto el producto obtenido como el rendimiento del biocatalizador. No obstante, la mejor configuración resultó ser la utilización de las dos enzimas en forma soluble.

La segunda parte de esta tesis se centró en la reacción de oxidación del alcohol vanillínico a vanillina biocatalizada por la eugenol oxidasa (EUGO). La vanillina es la molécula que da las propiedades organolépticas a la vainilla, el segundo aromatizante más caro del mundo. La síntesis de vainillina vía biotecnológica es de un gran interés industrial puesto que puede etiquetarse como natural. La EUGO fue inmovilizada eficientemente en diferentes soportes de los que se seleccionaron los tres que retuvieron más actividad y se estudiaron los mismos parámetros que en el apartado anterior. En este caso los tres derivados inmovilizados fueron utilizados para realizar la reacción de síntesis, con el objetivo de seleccionar el más estable operacionalmente. Todos los derivados permitieron ser reutilizados 5 veces conservando una elevada conversión en el último ciclo. La epoxy-agarosa-UAB M2 fue el soporte que mejor estabilidad mostró.

Los buenos resultados obtenidos en el segundo apartado de este trabajo permitieron profundizar en esta reacción. Por lo que, en el tercer apartado, se realizó una optimización de las condiciones de reacción desde el punto de vista de mejorar las métricas del proceso y también con el objetivo de hacer el proceso más sostenible ambientalmente. A la hora de escoger las nuevas condiciones de reacción se tuvieron en cuenta la actividad de la EUGO y su estabilidad. Ambas condiciones fueron testadas en la reacción diana con lo EUGO soluble e inmovilizada. En las nuevas condiciones se pudo mejorar la productividad volumétrica 5.7 y 6.6 veces respectivamente, en comparación a las condiciones previas. Finalmente, en el reciclaje de la enzima inmovilizada se pudieron realizar 5 ciclos de reacción en las primeras condiciones y 18 ciclos de reacción en las nuevas condiciones donde se pudo mejorar el rendimiento del biocatalitzador 3.9 y 12.4 veces respectivamente.

Enzymes have some catalytic advantages over chemical catalysts used in classical chemical synthesis: specificity, selectivity and the possibility to work under mild conditions of temperature and pressure. However, they also have some limitations such as low stability and low productivity. This work combines two techniques aiming to optimise the target reactions: immobilisation and reaction engineering.

The target reactions of this work are redox reactions focused on the biosynthesis of molecules, of medium-high value, of industrial interest. In the first part of the thesis, an alcohol dehydrogenase (ADH99) was used, with an NAD(P)H oxidase (NOX) as a cofactor regeneration system, to oxidise a chlorolactol to chlorolactone. Chlorolactone is a precursor for the synthesis of statins which are drugs used to lower LDL-cholesterol by inhibiting the enzyme responsible for its biosynthesis. Both enzymes were efficiently immobilised on different supports, selecting the three that showed the highest retained activity. The stability of the immobilised derivatives under reaction conditions was studied and the maximum enzyme load for each enzyme also was determined. The use of immobilised NOX was discarded because no stability improvements were achieved with any support. The reaction conditions were optimised by design of experiments (DoE), using soluble ADH99 added at maximum loading onto an epoxy-agarose support. Finally, the reusability of the immobilised enzyme was studied, where both the total product obtained and the biocatalyst yield could be improved 1.5-fold. However, the best configuration resulted from the use of the two enzymes in soluble form.

The second part of this thesis was focused on the oxidation reaction of vanillyl alcohol to vanillin catalysed by eugenol oxidase (EUGO). Vanillin is the molecule that gives vanilla its organoleptic properties. Vanillin biotechnological synthesis is of high interest industrially because it is the second most expensive flavouring in the world and the product can be labelled as natural. Similar to the previous section, EUGO was efficiently immobilised onto different supports, selecting the three that retained most activity. These supports were used to study the stability of the immobilised enzyme and the maximum EUGO load that can be immobilised. In this case, the three immobilised derivatives were used to perform the target reaction, in order to select the most stable operationally. All immobilised derivatives could be reused 5 times maintaining a high conversion in the last cycle. Epoxy-agarose-UAB M2 was the support that showed the best stability, improving the biocatalyst yield 3-fold.

The encouraging results obtained in the second section of this work allowed us to deepen the study of this reaction. Therefore, in the third section, an optimisation of the reaction conditions was carried out to improve the process metrics and also aiming to make the process more environmentally sustainable. The EUGO activity and its stability were taken into account to choose the reaction conditions. Both conditions, maximum activity and maximum stability, were tested in the target reaction with soluble and immobilised EUGO. Using the new conditions, it was possible to improve the volumetric productivity 5.7 and 6.6-fold respectively, compared to the previous conditions. Finally, the reusability of the immobilised EUGO allowed us to perform 5 reaction cycles and 18 reaction cycles, with unoptimised and optimised reaction conditions respectively. This resulted in an improvement of the biocatalyst yield of 3.9 and 12.4-fold, respectively, compared to reactions with soluble enzyme under the same conditions.