3. Eredmények és értékelés
3.7. Cyphos 104-ben mért optimális paraméterek a maximális enantiomerfelesleg és hozam
A Cyphos 104-gyel végzett kísérletek paramétereit eddig olyan intervallumon vizsgáltam, melyekből nem derül ki, hogy milyen értékek mellett érvényesül maximálisan a hatásuk.
Ezért kiegészítésként további méréseket végeztem, hogy teljes képet kapjak a reakciókörülmények hatásáról. A fejezetben bemutatott mérések rázatott lombikos kivitelben, Cyphos 104-es ionos folyadék és CALB enzim felhasználásával történtek 24 órás időtartamban. A kísérletek kivitelezése során csak egy paramétert változtattam, a másik hármat állandó értéken tartottam. Az alk/TS arányt a 3-as és 19-es értékek között, a kezdeti víztartalmat 4-12 m/m% között állítottam, mindkét esetben 4-esével növeltem az értékeket.
Az IL/alk arányát 0,5 és 2-es értékek között változtattam 0,5-tel növelve, a hőmérsékletet pedig 30, 50 és 70 °C-on vizsgáltam. Az eredményeket a 40-47. ábrák mutatják be.
A hozam mértékére jól látható hatással volt a hőmérséklet, nagyobb hozamok eléréséhez magasabb hőmérséklet az ideális, — melyet az irodalmi adatok [Inaba, 2009] is alátámasztanak —, hiszen az enzim aktivitását növeli. Az alk/TS arány a legnagyobb értékénél eredményezte a legnagyobb hozamot, melynek magyarázata, hogy az egyik reakciópartner feleslege növeli az egyensúlyi reakció hajtóerejét. Ezt bizonyították Bodnár és társai [Bodnár, 1990], akiknél az alkohol/sav arány növelése során a kisebb értékek csökkenést, majd egyértelmű növekedést mutattak a hozamban 1 : 6-os arányig, mely után csökkenést figyeltek meg. Csökkenést nem, viszont stagnálást megfigyeltem 3 és 7 alk/TS aránynál, de a további növelés négyszeres értékre emelte a hozamot. 19-es arány felett nem végezem méréseket, így nem derül ki, hogy a továbbiakban okoz-e lassulást a reakció lefutásában.
Valószínűleg a kezdeti víztartalom játssza a legnagyobb szerepet, mivel itt a 4 m/m%-os érték mellett értem el a legnagyobb hozamot. A hozam a víztartalom növelése során 12 m/m%-ig meredeken csökkent egészen 10%-os értékig (24 h), 12 m/m% felett nem látható további csökkenés, 16 m/m%-ig nem változik. Ebben az esetben is az egyensúlyi reakcióra való ráhatás lehet a magyarázat, mivel a termék oldalon lévő egyre nagyobb vízmennyiség egyre erősebben gátolja a reakció lefutását.
Az IL/alk arányt 1-es értékig növelve figyelhetünk meg növekvő hozamot, ez érték felett nem tapasztalható további növekedés. Mivel az ionos folyadék láthatóan csak bizonyos
mennyiségig fejt ki pozitív hatást a hozamra, — negatív behatást viszont a vizsgált tartományban nem észleltem —, az arányt nem indokolt 1-nél nagyobbra állítani. Ez az érték fejtheti ki a legnagyobb stabilizáló hatást az enzimre, valamint valószínűleg a további mennyiség az anyagátadást nehezíti a viszkozitás növekedése miatt. Major és társai [Major, 2009] 0,2 mol/dm3 és 0,44 mol/dm3 értékek között vizsgálták az ionos folyadék mennyiségének hatását, mely során az utóbbi érték nagyobb hozamot eredményezett. Mivel az IL/alk arány vizsgálatakor a többi paraméter értéke változatlan maradt, ezért koncentrációban is kifejezhető az IL mennyisége. Méréseim során 0,15 mol/dm3 (0,5 IL/alk arány) és 0,6 mol/dm3 (2 IL/alk arány) értékek között vizsgáltam a hatást, melynek eredményei jól összevethetők Major megfigyeléseivel. A koncentráció növelésével ugyanúgy növekedett a hozam, de valamivel 0,3 mol/dm3 felett nem mértem további pozitív eredményt.
40. ábra: A hőmérséklet hatása a hozamra 24 óra reakcióidő után, CALB enzim és Cyphos 104-es
ionos folyadék használata mellett
41. ábra: Az alk/TS arány hatása a hozamra 24 óra reakcióidő után, CALB enzim és Cyphos
104-es ionos folyadék használata mellett
42. ábra: A kezdeti víztartalom hatása a hozamra 24 óra reakcióidő után, CALB enzim és Cyphos
104-es ionos folyadék használata mellett
43. ábra: Az IL/alk arány hatása a hozamra 24 óra reakcióidő után, CALB enzim és Cyphos
104-es ionos folyadék használata mellett
Az enantioszelektivitásra a hőmérséklet erősebb befolyással volt, mint a hozamra. Itt a legjobb eredmények a 30 °C-on végzett reakció során születtek. Egyértelműen, ha az enzim aktivitása nagyobb, a viszkozitás pedig csökken, tehát a reakció gyorsabb lefutású, akkor a
lassabban reagáló enantiomer reakcióba lépése előbb történik meg, ezért kapunk kisebb e.e.
értékeket. Az alk/TS arány esetében a hozammal párhuzamosan 11-es értékig növekedést figyeltem meg, ám e felett nem tapasztaltam további pozitív hatást az enantioszelektivitásra.
A vizsgált legnagyobb (19) értékig nem volt megfigyelhető további változás. A növekedés okát Berglund [Berglund, 2001] azzal magyarázza, hogy az egyensúlyi pont eltolódik a termékképződés irányába, ezzel növeli mind a hozamot, mind az enantioszelektivitást. 4 és 8 m/m%-os víztartalmi értékek mellett nagy enantiomerfelesleg mutatkozott, de a további emelés meredeken csökkentette az e.e. értéket. Bodnár és társai [Bodnár, 1990] 0,4 m/m%
kezdeti víztartalom felett tapasztaltak csökkenő enantioszelektivitást. A kiértékelés során hasonló eredményre jutottam, de a csökkenés a vizsgált intervallumon 8 m/m% víztartalom felett következik be. Ionos folyadék hozzáadásával az e.e értékek számottevően nagyobbak voltak, mint IL nélkül. 0,5-ös és 1-es IL/alk arány esetében az e.e. értékek 14, majd 19%-ra növekedtek 24 óra után, ám e felett nem volt pozitív hatással a további aránynövelés, feltehetően itt is az anyagátadási korlátozás érvényesül, mint a hozam esetében.
Az eredményeket tekintve elmondható, hogy egyidejűleg a maximális hozam és enantioszelektivitás megvalósításához 30 °C vagy 50 °C hőmérsékletet ajánlott alkalmazni.
Az észterezéses reakciók hozamára előnyösen hat a magasabb hőmérséklet [Inaba, 2009], de az enantioszelektivitás esetében ez nem jelenthető ki ilyen egyértelműen, bár általában a hőmérséklet csökkentése növeli az e.e. értékeit [Rotticci, 2000], viszont Persson és társai kimondják, hogy a hatás pont az ellenkező [Persson, 2002]. Eredményeim a gyakrabban megfigyelt állítást erősítik meg, mivel a magasabb hőmérsékleten lejátszatott reakciók esetében kisebb e.e. értékeket mértem. A továbbiakban a 30 °C-os reakció hőmérsékletet részesítettem előnyben a nagyobb enantioszelektivitás érdekében, valamint azért is, hogy zöld technológiára törekedve alacsonyabb hőmérsékleten kisebb energiafelhasználással menjen végbe a folyamat.
44. ábra: Hőmérséklet hatása az enantioszelektivitásra 1 és 24 óra után, CALB
enzim és Cyphos 104-es ionos folyadék használata mellett
45. ábra: Az alk/TS arány hatása az enantioszelektivitásra 1 és 24 óra után, CALB
enzim és Cyphos 104-es ionos folyadék használata mellett
46. ábra: A kezdeti víztartalom hatása az enantioszelektivitásra 1 és 24 óra után, CALB
enzim és Cyphos 104-es ionos folyadék használata mellett
47. ábra: IL/alk arány hatása az enantioszelektivitásra 1 és 24 óra után, CALB
enzim és Cyphos 104-es ionos folyadék használata mellett
Ha a szubsztrátok arányának változtatásával a termékképződés felé toljuk el az egyensúlyt, akkor láthatóan bizonyos mértékig a hozam és az enantioszelektivitás is növekszik. Ezzel együtt az alkohol túlzott feleslegénél inhibíciós hatás érvényesülhet. Berglund szerint [Berglund, 2001] kisebb alkoholfelesleg esetében az enantiomerfelesleg értéke nagyobb.
Méréseim során az alk/TS arány növelésével mind a hozam, mind az enantioszelektivitás növekedett. Az utóbbi 11-es érték után nem mutatott további növekedést, tehát nem célszerű e feletti alkoholmennyiséget alkalmazni.
Az IL/alk arány 1-es érték felett már nem mutatott további hozamnövelő hatást, mely hasonlóan igaz az enantioszelektivitásra is. Ezek alapján kijelenthető, hogy ez a mennyiségű IL nagymértékű pozitív hatást fejt ki a vizsgált paraméterekre, azonban az arány további
lipázok többségének enantioszelektivitására pedig nincs egyértelmű hatással a víztartalom [Persson, 2002]. Mérési eredményeim mutatják, hogy a vizsgált reakció során a víztartalom növekedése 8 m/m% felett csökkentette az e.e. értéket. A hozam pedig még 4 m/m%-nál sem értem el a maximumot, mely valószínűleg ez érték alatt mérhető. Major és társai [Major, 2009] 4 m/m%-nál mérték a legnagyobb hozamot.
A 10. táblázatban összevetettem különböző kezdeti víztartalmak hatásait 30 °C-on, 11-es alk/TS arány és 1-es IL/alk arány mellett. Az említett három paraméter értéke az előbbiekben a vizsgált intervallumon pontosan meghatározható volt, a kezdeti víztartalom azonban nem.
Mivel ilyen értékek mellett a kísérleti elegy elérhető legkisebb víztartalma 2,5 m/m% körüli, ezért a mérést tovább folytattam. Látható, hogy az enantiomerfelesleg 4 m/m%-on mutat maximumot, ez érték alatt enyhe csökkenés figyelhető meg. A hozam a víztartalom csökkentésével 4 m/m% alatt már csak enyhén növekszik. Ha a reakciót 50%-os átalakulási foknál megállítjuk, akkor 4 m/m%-os víztartalom esetén az e.e. érték 30,4%. Ezek az eredmények azt mutatják, hogy a kezdeti víztartalmat 4 m/m%-ra állítva érhető el a legjobb eredmény.
10. táblázat: A kezdeti víztartalom hatása 2,5-8 m/m% intervallumon a reakció hozamára és enantioszelektivitására, CALB enzim és Cyphos 104-es ionos folyadék használata mellett
Hőmérséklet
A 3.7-os fejezetben a Cyphos 104-es ionos folyadékban történő észterszintézis optimális paramétereit írtam le. A továbbiakban a reakció közben képződő víz eltávolítását valósítottam meg, melyhez két módszert alkalmaztam: Elsőként az adszorpciós elven működő zeolitos vízeltávolítást, a későbbiekben pedig pervaporációval történő víztartalom csökkentést.
A kiindulási tejsav elegy legjobbnak talált víztartalmát közvetlenül nem célszerű csökkenteni, mivel ez esetben eltolódik a monomer/oligomer arány, és a pontos számoláshoz külön analízist lenne szükséges végezni a megváltozott arány megállapításához. Ezért célszerű a reakció közben, a kondenzáció során keletkezett „felesleges” vizet eltávolítani, melynek előnye, hogy a reakció hajtóerejét nem befolyásolja negatívan.
3.8.1. Zeolittal történő vízeltávolítás
A zeolitos vízeltávolítást két különböző mennyiségű zeolit hozzáadásával végeztem el azonos körülmények és elegy összetétel mellett, melyeket összehasonlítottam a már előzőleg kapott mérési eredményekkel (30 °C, 11-es alk/TS arány, 4 m/m% kezdeti víztartalom, 1-es IL/alk arány). A méréseket 48 órás reakcióidővel végeztem. Ezekhez olyan zeolitot alkalmaztam (4Å, Buchs, Svájc), mely oldószerek vízelvonásához használatos. A zeolit elméleti vízmegkötő képessége: tömegének 30%-a, gyakorlatilag 23% vizet volt képes megkötni.
11. táblázat: A zeolitos vízeltávolítás során mért (0: 0 mg, 1: 70 mg, 2: 110 mg zeolit) hozam és e.e.
értékek Cyphos 104-es ionos folyadék és CALB enzim használata mellett
hozam (%) 0 1 2
A mérési pontok eredményeit a 11. táblázat és a 48., 49. ábrák szemléltetik. A 0. pont a zeolit nélküli mérés eredményeit mutatja, mely összehasonlításul szolgál. Az 1. és 2. pont esetében 70 mg illetve 110 mg mennyiségben adtam zeolitot az elegyhez. Látható, hogy zeolit nélkül 24 óra után 26%-os, 48 óra után pedig 19%-os enantiomerfelesleget mértem 78% illetve 92%-os hozam mellett. Zeolit alkalmazása nélkül kaptam a legjobb eredményeket, melyhez képest a másik két mérési pont esetében a hozam csökkent a hozzáadott zeolit mennyiségének függvényében, az e.e. értékek pedig nem változtak számottevően. Az eredmények magyarázata lehet, hogy a víztartalom növekedése nem tolta el a monomer/oligomer tejsav arányt a monomer képződés irányába, melynek a bemérthez képest további mennyisége az
észterképződés hajtóerejét növelné. Major mérési eredményei is azt mutatták, hogy a tejsav észterezése során a zeolitos vízeltávolítás csökkentette a hozamot, mellyel alátámasztja azt az elméletét, hogy a nagyobb víztartalom megváltoztatja a monomer tejsav mennyiségét [Major, 2010].
48. ábra: A hozam alakulása különböző mennyiségű zeolit hozzáadása, Cyphos 104-es ionos folyadék és CALB enzim használata mellett, 24 és 48 h után
49. ábra: Az enantiomerfelesleg alakulása különböző mennyiségű zeolit hozzáadása, Cyphos 104-es ionos folyadék és CALB enzim használata mellett, 1, 24 és 48 h után
0
3.8.2. Pervaporációval történő vízeltávolítás
A pervaporációval történő vízeltávolítás szabályozottabb formában távolítja el a reakcióban képződő vizet, mint a zeolit. Ezért használják elterjedten az észterezéses reakciók során. A vízeltávolítás hatását 5 órán át vizsgáltam. A kapott értékeket a 12. táblázat és az 50.
szemlélteti, melyben a 0 pont a vízeltávolítás nélküli eredményeket mutatja a 3.7.1. fejezetben leírt paraméterek mellett, de 2,5 m/m%-os kezdeti víztartalommal. Az előző fejezetben megállapítást nyert, hogy a zeolitos vízeltávolítás során 4 m/m%-os kezdeti víztartalom esetén a monomer/oligomer tejsav arány növekedése nem gyorsítja a reakciót. A 10. táblázatban bemutattam, hogy 2,5 m/m%-os kezdeti víztartalom mellett gyorsabb a reakció, ezért a pervaporációt is ilyen víztartalom mellett vizsgáltam. Feltételeztem, hogy a vízeltávolítás során csökkent hajtóerőt kompenzálni lehet a kisebb víztartalommal.
Az 1-es pont a pervaporációs vízeltávolítás eredményeit mutatjaa. Látható, hogy kezdetben nagyobb volt az enantioszelektivitás mértéke, mint pervaporáció nélkül (40% és 44%), de ez az előny a reakcióidő előrehaladtával megszűnt. 5 óra után a pervaporáció nélküli enantiomerfelesleg 34%-ra csökkent, ezzel szemben pervaporáció esetében 27%-ra. A hozam esetében látható, hogy a pervaporáció az első órákban segítette a termékképződést, de a vizsgálat végére mégis nagyon hasonló (23%) eredményeket mértem.
12. táblázat: A pervaporációval történő vízeltávolítás hozama és e.e. értékei (0: pervap. nélkül, 1:
pervap. alkalmazásával) Cyphos 104-es ionos folyadék és CALB enzim használata mellett
hozam (%) 0 1
0,5 h 3,1 6,2
1 h 6,8 7,0
3 h 15,6 17,3
5 h 22,8 22,9
e.e. (%)
0,5 h 39,5 44,4
1 h 38,4 32,9
3 h 38,3 32,1
5 h 34,4 26,6
50. ábra: A hozam és e.e. értékek a reakció lefutása során pervaporációval és a nélkül, Cyphos 104-es ionos folyadék és CALB enzim használata mellett
A víztartalom alakulását az 51. ábra szemlélteti. A kezdeti 2,5 m/m%-os víztartalom az 1-es esetben elérte a 3 m/m%-ot fél óra elteltével, majd az első óra végére 3,5 m/m%-ig emelkedett. Ez után figyelhető meg a képződött vízmennyiség csökkenése, melyet a dimer tejsav hidrolízise „fogyaszt el”, ám ennek sebessége hagyományos hőközlés esetében kicsi [Engin, 2003], valószínű ezért jelentkezik csak 1 óra után. Ez a folyamat 3 m/m% körülire csökkentette a víztartalmat 5 óra után.
A pervaporáció során a kezdeti reakciósebesség nagyobb volt, mely annak tudható be, hogy a vízeltávolítás miatt gyorsabban indult a reakció. Ez után viszont a kisebb víztartalom miatt nem következik be olyan mértékű dimer tejsav hidrolízis, mely a reakció egyensúlyát a termékképződés felé tolná. Ezért lassul a reakció, melynek lefutása a 12. táblázatban követhető. Az enantioszelektivitás kezdetben kissé nagyobb volt, mint vízeltávolítás nélkül, de mértéke gyorsabban csökkent, mivel láthattuk, hogy a maximumot 4 m/m% körül mutatta.
A vízeltávolítás eredményei összevethetők Major [Major, 2010] mérési eredményeivel. A tejsav észterezés során történő vízeltávolítás hatását vizsgálta, és megfigyelte, hogy a tejsav elegy egyedi összetétele miatt a vízeltávolítás hátrányosan hat a hozamra. Továbbá azt is mérte, hogy az idő előrehaladtával növekszik a dimer tejsav mennyisége, vagyis a monomer tejsavat nem csak az etil-laktát képződése fogyasztja, hanem a dimer tejsavé is. Erre az esetre viszont nincsenek olyan közlemények, melyek a tejsav észterezés enantioszelektivitásáról számolnának be.
51. ábra: A víztartalom értékei a reakció lefutása során pervaporációval és a nélkül, Cyphos 104-es ionos folyadék és CALB enzim használata mellett