Etil-acetát előállítása folyamatos rendszerben

2.3.1. Anyagok

A felhasznált anyagok megegyeztek az előző fejezetben megadottakkal. A víztartalom meghatározását Karl Fischer (KF) titrálással végeztem, az ehhez szükséges reagenst 99%-os tisztaságban a Spektrum 3D Kft.-től (Debrecen) szereztem be. Az ecetsavtartalom meghatározásához 0,1 M-os alkoholos KOH oldatot használtam (minden mérés előtt faktorozva), amit Spektrum 3D KOH-ból (> 99%) és Spektrum 3D etanolból (> 99,7%) készítettem.

2.3.2. Módszerek

Integrált bioreaktor-pervaporációs berendezés

A berendezés sémája a 2.3.1. ábrán, fényképe a 2.3.2. ábrán látható.

2.3.1. ábra: Enzim-membrán bioreaktor az etil-acetát enzimes észterezésének vizsgálatára. Jelmagyarázat: 1-reakcióedény mágneskeverővel, 2-intenzív hűtő, 3-perisztaltikus pumpa, 4-hidrofób membrán, 5-hidrofil membrán, 6,7-hűtött csapdák, 8-kifagyasztó, 9,10-szilikonolajos csapdák, 11-zeolitos adszorber, 12-vákuumszivattyú, 13-manométer, 14-szubsztrátum adagoló büretták, 15-termosztát.

2.3.2. ábra: A pervaporációs berendezés fényképe

A modulokat és a bioreaktort 4 mm belső átmérőjű és 1 mm falvastagságú tygon csővezetékkel, a termosztált egységeket a termosztáttal 4 mm belső átmérőjű és 1 mm falvastagságú szilikoncsővel kötöttem össze. A vákuumozott egységeket 5 mm belső átmérőjű és 5 mm falvastagságú vákuum-gumicsővel és üvegeszközökkel (könyökcső, csap) csatlakoztattam egymáshoz.

A reakcióedény (1) egy kb. 140 cm³ űrtartalmú, ötnyakú, mágneses kevertetésű, termosztálható edény volt, melybe 100,0 cm³ reakcióelegyet töltöttem. Az egyik csiszolatba a keringetés során kimenő, egy másikba a bemenő folyadékáram csatlakozását illesztettem. Két további csiszolatba illesztettem a rátápláló pipetták (14) csatlakozásait. Az ötödik csiszolatba egy csapvízzel hűtött intenzív hűtőt (2) helyeztem, melynek falán a reakció hőmérsékletén elpárolgó komponensek kondenzálódtak, és így visszakerültek a rendszerbe. Így a rendszerben nem alakulhatott ki veszélyes túlnyomás, ugyanakkor a párolgási veszteség is minimális volt.

A reakcióelegyet tygon csővezetéken át, egy perisztaltikus pumpával (3) emeltem át a membrán modulokra. A keringetési sebesség 50 cm³/perc volt. A keringetett elegy először egy 12 cm² felületű Sulzer gyártmányú „Pervap 2255-50” típusú hidrofób (4), majd egy 200 cm² felületű szintén Sulzer gyártmányú és „Pervap 2201” típusú hidrofil

membránra (5) került. A saválló acélból készült membrán modulokat vízzel termosztáltam (15). A membránmodulokról a reakcióelegyet egy tygon csővezetéken át visszavezettem a reakcióedénybe.

A membrán szekunder oldalán kb. 10 Hgmm (1315 Pa) vákuumot alkalmaztam, melyet vákuumszivattyú (12) állított elő. A (6) csapdát –melyben a reakcióelegyből kivont etil-acetát kondenzálódott– acetonos szárazjéggel (-70°C), míg a (7) csapdát – melyben a víz kondenzálódott– sós jéggel (-14 °C) hűtöttem. Biztonsági okokból, az illékony anyagok abszolút eltávolítására egy további kifagyasztót (8), valamint két szilikonolajos csapdát (9,10) illesztettem be a vákuumszivattyú elé. A szivattyú további védelmére egy zeolitos adszorber (11) szolgált. A rendszerben lévő vákuumot (13) higanyos manométerrel követtem nyomon. A folyamatos rendszer vizsgálatánál a szubsztrátum (etanol és ecetsav) rátáplálását bürettákból (14) hajtottam végre. A reakcióedény és a membránmodulok hőmérsékletét termosztát (15) által keringetett vízzel állítottam be.

A mérések kivitelezése

A mérések során alkalmazott reakcióelegy összetételét a 2.3.1. táblázat mutatja.

2.3.1. táblázat: A reakcióelegy összetétele pervaporációs mérések során m

Komponens c n (mmol)

(g) tömeg %

Ecetsav 0,786 (mmol/cm³) 78,6 4,72 3,9

Etanol 3×0,786 =2,258 (mmol/cm³) 225,8 10,40 8,7

Víz 2% vol. = 20 mg/cm³ 111,1 2,00 1,7

Ionos folyadék maradék 362,0 102,88 85,7

Az ecetsavat, etanolt és a vizet analitikai mérlegen egy 100 cm³-es mérőlombikba töltöttem. Ezután ionos folyadékkal jelre töltöttem a lombikot. A lombikot négy-ötszöri átbuktatással homogenizáltam, majd a reakcióedénybe töltöttem. A rektoredényt ezután csatlakoztattam a rendszerhez, beindítottam a keverést, a keringetést valamint a termosztálást. 15 perc eltelte után a reakcióelegy hőmérséklete már beállt az egyensúlyi értékre, így a reakcióelegybe az enzimet is bemértem. Mivel minden mérésem során 20 g/dm³ enzimtartalmat állítottam be, így a bemért enzim mennyisége 2,00 g volt, melyet

bemérőcsónakból, egy tölcséren keresztül juttattam a reaktoredénybe. Az enzim bemérése után számítottam a reakcióidőt.

Etil-acetát, etanol és víztartalom elemzése

A minták előkészítése és a gázkromatográfiás analízis megegyezett a szakaszos kísérletek során leírtakkal (2.2. fejezet). A víztartalmat egy METTLER DL 35 típusú Karl Fischer titrátorral határoztam meg.

A hidrofób membránhoz tartozó csapdában (6. csapda) összegyűlt permeátumot egy 10 cm³-es mérőlombikba töltöttem, a maradékot 3×2 cm³ hexánnal belemostam. A lombik tartalmát hexánnal jelre töltöttem, majd GC-n elemeztem.

Korábbi vizsgálataim kimutatták, hogy az etil-acetát a hidrofil membránon, a víz pedig a hidrofób membránon nem jut át kimutatható mértékben.

Ecetsavtartalom meghatározása

Az ecetsav mennyiségét mind a reakcióelegyben, mind pedig a hidrofil membrán permeátumában (7. csapda) figyelemmel követtem. A hidrofób membrán permeátumának ecetsav tartalmát tömegmérleggel határoztam meg. Ez alapján határoztam meg a membránok ecetsavra vonatkozó szelektivitását.

A reakcióelegyből vett minta ecetsav tartalmát 0,1 M-os alkoholos kálium-hidroxiddal titráltam. Egy kisméretű (25 ml-es) Erlenmeyer-lombikba gáztömör fecskendővel 200 µl mintát vettem. A bemért tömeget analitikai mérlegen határoztam meg. A mintát kb. 5 cm³ etanollal hígítottam, és a homogén oldatot mikrobürettába (0,01 cm³ pontosság) töltött KOH mérőoldattal fenolftalein indikátor mellett rózsaszínű átcsapásig titráltam.

A hidrofil membrán permeátumának teljes mennyiségét egy Erlenmeyer-lombikba töltöttem, a csapda falához tapadó maradékot kb. 3 × 3 cm³ vízzel mostam. A vizes oldatot 0,1 M-os vizes KOH-oldattal titráltam. A mérőoldatok faktorát napi frissítéssel, sósavas titrálással határoztam meg.

Szelektivitási tényező meghatározása

A membránok szelektivitása többféleképpen is megadható. Méréseim során a szelektivitási tényezőt számítottam ki az egyes komponensekre, páronként.

Szelektivitási tényező (α):

B A

B A B

A

x x

y y

/ /

/

=

α

₍₂₎

y

A,

y

B: A és B komponens tömegtörtje a permeátumban

x

A,

x

B: A és B komponens tömegtörtje a betáplálási oldalon

Összefoglalás

Az analitika összefoglalása a 2.3.2. táblázatban látható.

2.3.2. táblázat: Analitikai módszerek összefoglalása

Komponens Reakcióelegy Hidrofil membrán permeátuma

Hidrofób membrán permeátuma

Etanol GC Tömegmérleg alapján GC

Ecetsav KOH titrálás KOH titrálás Tömegmérleg alapján

Víz KF titrálás Tömegmérleg alapján gyakorlatilag nem jut át

Etil-acetát GC gyakorlatilag nem jut át GC

2.4. 2-Cl propionsav észterezése n-butanollal

2.4.1. Anyagok

A felhasznált anyagokat (név, eredet, tisztaság) a 2.4.1. táblázat mutatja be.

2.4.1. táblázat: A butil-2-klór-propionát enzimes előállítása során felhasznált anyagok:

Anyag neve Tisztaság Forrás

(R,S)-2-klór-propionsav >95% Merck, Darmstadt, Németország n-Butanol >99,5% Spektrum 3D, Debrecen (R,S)-Butil-2-klór-propionát >95% Sigma-Aldrich Co.

Candida rugosa enzim - Sigma-Aldrich Co.

1-butil-3-metil-imidazolium tetrafluoro-borát¹⁴; [bmim]BF4

>98% Solvent Innovation GmbH, Köln, Németország 1-butil-3-metil-imidazolium

hexafluoro-foszfát¹; [bmim]PF₆

>98% Solvent Innovation GmbH, Köln, Németország 1-nonil-3-metil-imidazolium

hexafluoro-foszfát¹; [nmim]PF₆

>98% Solvent Innovation GmbH, Köln, Németország

Toluol >99,7% Spektrum 3D, Debrecen

Tetrahidro-furán (THF) >99,9% Spektrum 3D, Debrecen

n-Hexán >96% Spektrum 3D, Debrecen

n-Heptán >99,2% Spektrum 3D, Debrecen Karl Fischer reagens 99% Spektrum 3D, Debrecen

Desztillált víz Λ < 10 µS MÜKKI

2.4.2. Módszerek

Rázatott lombikos kísérletek

Kísérleteim során a racém 2-klór-propionsav koncentrációját 0,5 mol/dm³-re állítottam be. A butanolt fölöslegben (az egyensúly eltolása céljából), különböző

14 Valamennyi ionos folyadék szerkezeti képlete és jelölése a „Definíciók és rövidítések” fejezetben található

mólarányokban adagoltam. A reakcióelegyhez a szubsztrátokon kívül kis mennyiségben vizet is adtam (0,1-0,5 térfogat% víztartalomig).

A bemérést analitikai mérlegen végeztem, 0,1 mg pontossággal. Egy méréssorozathoz 5 cm³ reakcióelegyre volt szükség, melyet mérőlombikba mértem be.

A bemérendő 2-klór-propionsav mennyiségét ennek alapján számítottam ki (2.4.2.

táblázat):

2.4.2. táblázat: A 2-klór-propionsav enzimes észterezése során bemért anyagok

Komponens Koncentráció n (mmol)

(R,S)-2-klór-propionsav 0,5 (mol/dm³) 2,5

Butanol 6×0,5 (mol/dm³) 15

Víz N × 0,1 vol.% (n = 1-6) n × 0,28

A komponensek bemérése után a mérőlombikot ionos folyadékkal jelre töltöttem, és négy-ötszöri átbuktatással homogenizáltam az elegyet.

A kísérleteket rázó inkubátorba helyezett Eppendorf-csövekben hajtottam végre. A rázatás intenzitását a korábbi tapasztalatok alapján 150 1/perc-re állítottam be.

Az inkubálás ideje alatt a reakcióelegyben a következő enantioszelektív észterezési reakció játszódott le (2.4.1. ábra):

O

2.4.1. ábra: 2-klór-propionsav enzimes enantioszelektív észterezése n-butanollal

A mintavételi és extrakciós módszerek megegyeztek az etil-acetát előállításánál leírt módszerekkel (2.2.2. fejezet), azonban itt az extrahálószer n-heptán volt, mivel ez az oldószer a butil-2-klór-propionát észtert és az n-butanolt jobban oldotta, mint a hexán.

Az analízist HP5890 Series II gázkromatográffal végeztem. Az enantiomerek elemzésére a következő királis kolonnát alkalmaztam: FS-LIPODEX E (Macherey-Nagel, Düren, Németország). A kolonna hossza 25 m, belső átmérője 0,25 mm, filmvastagsága 0,2 µm volt. A GC készüléken beállított paraméterek a 2.4.3. táblázatban láthatók.. A következő hőmérsékleti programozást alkalmaztam: A kolonnatér kezdeti hőmérséklete 100 °C volt, melyet 5 perc elteltével lineárisan növeltem (10 °C/min

értékkel), egészen 180 °C-ig, mely értéken 10 percig maradt. A kolonna hőmérséklete csak visszaállt a kezdeti, 100 °C-os hőmérsékletre. A gázkromatográfiás oszlopon a vivőgáz nitrogéngáz (99,5%-os tisztaságú) volt. A lángionizációs (FID) detektorra kerülő éghető gáz hidrogén (99%-os), az égést tápláló gáz pedig sűrített levegő volt. Az oszlopra kerülő a gáz térfogatáramát buborékos mérővel határoztam meg. Az így mért gázáramokat a 2.4.4. táblázat mutatja.

2.4.3. táblázat: A GC beállításai a 2-klór propionsav észterezésének elemzése során

Kolonna fejnyomás 80 kPa

Injektor hőmérséklet 250 °C

FID detektor hőmérséklet 250 °C

Range (érzékenység) 8

2.4.4. táblázat: Kolonna-gázáramok a 2-klór propionsav észterezésének elemzése során Vivőgáz (N2) 30 ml/min = 5,00 × 10^-1 cm³/s Éghető gáz (H2) 25 ml/min = 4,17 × 10^-1 cm³/s Égést tápláló gáz (levegő) 230 ml/min = 3,83 cm³/s

Egy-egy mérés alkalmával 0,5 µl mintát injektáltam a GC-re Hamilton fecskendővel. A kolonnatér kezdeti hőmérsékletét 50 °C-ra állítottam be. A hőmérsékleti programozás hasonló volt az etil-acetát analízisénél alkalmazotthoz: 3 perc elteltével a kolonnatér hőmérsékletét fokozatosan növeltem (10 °C/min értékkel), egészen 180 °C-ig, mely értéken 10 percig maradt. Az egyes komponensek retenciós idői a 2.4.5. táblázatban láthatók.

2.4.5. táblázat: Az egyes kromatográfiás csúcsokhoz tartozó komponensek

Retenciós idő (min) Komponens

1,35 n-Heptán

1,53 n-Butanol

3,67 (S)-Butil-2-klór-propionát

3,89 (R)-Butil-2-klór-propionát

9,91 (S)-2-klór-propionsav

10,07 (R)-2-klór-propionsav

A különböző időpontokban vett minták elemzése során a kalibrációs egyenes segítségével meghatároztam a konverziót és az enantioszelektivitást, melyet az idő függvényében ábrázoltam.

Az enzim stabilitásának mérése során az biokatalizátort egymást követő reakcióciklusokban újra felhasználtam. Ennek során az enzimszemcséket redős szűrőn leszűrtem az ionos folyadékból, 3 × 3 cm³ n-hexánnal mostam, majd a Petri-csészébe helyezett enzimet szobahőmérsékleten kb. 1 órát szárítottam. Ezután az enzimet hűtőszekrénybe (kb. +5 °C) helyeztem, és a következő felhasználásig egy óraüveggel lefedve tároltam.

A leszűrt ionos folyadékból rotációs vákuumdesztillációval eltávolítottam az oldott komponenseket, melynek során az eredetivel azonos tisztaságú ionos folyadékot nyertem vissza. A tömegveszteség (nagyrészt szűrőpapírra, edény falára tapadó ionos folyadék) kb. 10% volt.

Mérések laboratóriumi méretű integrált enzim-membrán bioreaktorral

A pervaporációs vízeltávolítás vizsgálatához kis változtatással ugyanazt a berendezést alkalmaztam, mint az etil-acetát vizsgálata esetén is (részletesen az előző fejezetben). A berendezés vázlata a 2.4.2. ábrán látható.

2.4.2. ábra: Integrált enzim-membrán bioreaktor a 2-klór-propionsav észterezésére

Jelmagyarázat: R-reakcióedény, K-intenzív hűtő, T-hőmérő, P-perisztaltikus pumpa, M-termosztált membránmodul, C1,C2-jéggel hűtött csapdák, S1,S2-szilikonolajos csapdák, Z-zeolitos adszorber, B-manométer, VP-vákuumszivattyú, 1,2,3, csapok.

A modulokat és a bioreaktort 4 mm belső átmérőjű és 1 mm falvastagságú tygon csővezetékkel, a termosztált egységeket a termosztáttal 4 mm belső átmérőjű és 1 mm

falvastagságú szilikoncsővel kötöttem össze. A vákuumozott egységeket 5 mm belső átmérőjű és 5 mm falvastagságú vákuum-gumicsővel és üvegeszközökkel (könyökcső, csap) csatlakoztattam egymáshoz.

A reakcióedény (R) egy kb. 140 cm³-es, ötnyakú, termosztálható üvegedény volt. A reakcióelegy térfogata 100 cm³ volt. A párolgási veszteség csökkentésére egy intenzív hűtőt (K) alkalmaztam. A reakcióelegyet tygon csővezetéken át, perisztaltikus pumpával (P) emeltem át a membrán modulra (M), melyben egy 200 cm² felületű, kör alakú hidrofil membrán (Sulzer Pervap 2201; ugyanaz a típus, amit az etil-acetát folyamatos előállítása során is alkalmaztam) helyezkedett el. A membránmodulról a reakcióelegyet tygon csővezetéken át visszavezettem a reakcióedénybe. A keringetési sebesség 0,75 cm³/s (45 cm³/min) volt. A membrán szekunder oldalán kb. 10 Hgmm (1315 Pa) vákuumot alkalmaztam.

A bemérés során a racém 2-klór-propionsavat, az ötszörös feleslegben lévő butanolt és a vizet analitikai mérlegen mértem be egy 100 cm³-es normállombikba, amit utána ionos folyadékkal jelre töltöttem. A bemért anyagok mennyiségét a 2.4.6. táblázat mutatja.

2.4.6. táblázat: A pervaporációs mérések során bemért komponensek

Komponens c n (mmol)

(R,S)-2-klór-propionsav 0,5 (mol/dm³) 50

Butanol 6×0,5 (mol/dm³) 300

Víz 0,1-0,6 vol. % 5,56-33,3

Enzim 10 mg/cm³ -

A bemérés után többszöri átbuktatással homogenizáltam az elegyet, majd a reakcióedénybe töltöttem. A reakcióedényt csatlakoztattam a berendezéshez, elindítottam a kevertetést, a keringetést és a termosztálást. 15 perc inkubálás után hozzáadtam az enzimet (1000 mg), és ettől kezdve számítottam a reakcióidőt.

A minta előkészítését és elemzését a korábban leírtakkal azonos módon végeztem.

A reakcióelegyből pipettával 800 µl mintát vettem, amit 3 × 3 cm³ n-heptánnal extraháltam, majd a 10,0 cm³-re feltöltött extraktumot GC-n elemeztem.

In document Ionos folyadékok alkalmazása katalitikus reakciók közegeként (Pldal 60-70)