Kísérleti módszerek

A reakcióelegyeket 10 ml-es Erlenmeyer-lombikokba mértem, melyeket temperálható rázóinkubátorba helyeztem, a rázatási intenzitást pedig minden esetben 150 rpm-re állítottam.

A mérések az esetek többségében 24 órán át tartottak, a reakcióidő kezdetét pedig az enzimek hozzáadásának pillanatától mértem. A méréseket 3 hőmérsékleti értéken végeztem, 30 °C, 50

°C illetve 70 °C-on. A reakcióelegyek az adott méréstől függően (D,L)- és/vagy (L)-tejsavat és etanolt tartalmaztak szubsztrátként, oldószerként pedig további mennyiségű etanolt, különböző összetételű foszfónium-típusú ionos folyadékokat vagy n-hexánt és a biokatalizátort (CALB, Candida rugosa).

A mérési elegyekbe minden esetben az etanolt mértem be állandó mennyiségben, és ebből számoltam a szükséges monomer tejsavat, melyből megkaptam a bemérendő tejsav elegy mennyiségét. Az ionos folyadékokat a szubsztrátként felhasznált etanolhoz viszonyítottan mértem be. A reakcióelegy összetevői közül a tejsav oldat tartalmazott legnagyobb mennyiségben vizet, ezért a bemérésnél ezt figyelembe kellett venni. A legkisebb tejsav mennyiség hozzáadása esetében a kezdeti víztartalom 3 m/m% körüli értéket mutatott, ha ennél nagyobb mennyiségben adtam a tejsavat az elegyhez, a víztartalom egyenes arányosságban növekedett. Mivel a mérések közötti összehasonlítás azonos víztartalomnál lehetséges, a legnagyobb tejsavmennyiség bemérésekor kapott víztartalmat vettem alapnak, és erre az értékre állítottam a kezdeti víztartalmat, mely 8 m/m%-os volt. Ezért az összehasonlító vizsgálatokat nagyobb víztartalommal végeztem, mint amennyi az elérhető minimális mennyiség.

A méréseket a pontos eredmények érdekében minden vizsgálat során 3 alkalommal végeztem el. Az így kapott eredményekből átlagot számítottam. Ahol az eredmények szórása 5%-nál nagyobb volt, ott újból elvégeztem a mérést. Ha a 3-ból 2 mérés már egymást megközelítő eredményt mutatott, akkor a két mérés átlagát fogadtam el végső eredményként.

A kereskedelmi forgalomban kapható tejsav elegyek monomer tejsav tartalmát többen is mérték [Torres, 2001; Asthana, 2006], de Major és társainak mérési eredményeit vettem alapul, mivel ők azonos víztartalmú és ugyanazon gyártótól származó tejsav elegyet használtak a reakciókhoz. HPLC-vel történt méréseik szerint a Reanalnál forgalmazott 90%-os tejsav elegy monomer tartalma 53%-90%-os [Major, 2010]. Bebizonyították, hogy ha a hozamot a kezdeti monomer tartalomra vonatkoztatjuk, ez esetben 100% feletti értékeket is elérhetünk, mivel az észterezési reakció során a kondenzációs reakcióban keletkező víz a dimerekből és

oligomerekből további monomer tejsavat hidrolizál, mely szintén reakcióba léphet az etanollal. A hozamot minden esetben a kezdeti monomer tejsav mennyiségre vonatkoztattam.

Chen szerint az enantioszelektív reakciót meg kell állítani legalább 50%-os hozamnál [Chen, 1987]. Az enantioszelektivitást vizsgáló mérési eredmények bemutatásánál az 50%-os hozam pontját abban az esetben jelöltem, amikor 24 órán belül elérte azt, és emellett számottevő (50% hozamnál 20% feletti) enantioszelektivitást is mértem. A reakció teljesebb megismerése érdekében a reakciót nem állítottam meg az 50%-os ponton, mert adott reakcióidő után tekintettem befejezettnek a méréseket.

Azon kísérletsorozatok esetében, mikor az oldószer hatását vizsgáltam, a kísérleti tervet a

„Statistica 8” kísérlettervező szoftverrel állítottam össze, és az eredményeket is a számítógépes programmal értékeltem ki. n-Hexánban, etanolfeleslegben és ionos folyadékokban végzett kísérletekhez 3 faktoros, 3 szintes (9 mérési pont) tervet készítettem, mivel ekkor még nem vizsgáltam az ionos folyadék mennyiségének hatását. A középponti mérések 3-szori ismétlésének átlagából volt számolható a szórás. Egyes későbbi vizsgálatokat hagyományos kísérlettervezéssel végeztem, melyben 4 faktort 3 szinten vizsgáltam 3-szori középponti mérések átlagával.

2.5.2. Vízeltávolítás

Az észterezés során képződött víz eltávolításához a zeolit [Major, 2010] és a pervaporáció elterjedt megoldásnak számítanak [Ulbert, 2004; Major, 2010]. Az első módszer esetében 4Å pórusméretű (Buchs, Svájc) zeolitot adtam két különböző mennyiségben az elegyekhez, és a reakciók végén összehasonlítottam a hatást a zeolit nélkül elvégzett kísérlet eredményeivel.

A pervaporációs eljárás lényege, hogy hidrofil membránon át vákuum segítségével távolítjuk el a rendszerben lévő felesleges vizet, melynek hatásfokát a fluxussal jellemezzük. A fluxus függ a membrán anyagától, felületétől, a hőmérséklettől és a vákuum nagyságától.

Az alkalmazott rendszer sémáját a 10. ábra. ábra szemlélteti, képe a 11. ábra11. ábrán látható.

A reaktorban (R) lévő mágneses keverővel kevertetett elegyet perisztaltikus pumpával (P-1) adjuk fel a membránmodulra (M). A csökkentett víztartalmú áramot visszavezetjük a reaktorba, a gőzfázisban lévő permeátumot pedig a C-1, C-2-es folyékony nitrogénes hidegcsapdákkal kondenzáltatjuk le. A membránmodul egy vizes termosztáttal (T) fűthető.

Ennek lényege az, hogy a reakcióelegy hőmérsékletét a membrán feladási oldalán megemelve a víz könnyebben alakul át gőzfázisba, mely egy plusz hajtóerőt jelent. Az itt felmelegedett reakcióelegyet a duplafalú reaktor köpeny részében keringtetett hűtővíz tartja az adott reakcióhőmérsékleten. A P-2 jelű vákuumszivattyú biztosítja a membrán permeátum oldalán a

vákuumot. Az S-1, S-2 és Z-1 (szilikonolajos és zeolitos) csapdák védik a szivattyút az esetlegesen a hidegcsapdából tovább jutó víztől. Az alkalmazott membrán típusa PERVAP 2201 (Sulzer Chemtech GmbH, Németország). A reaktor mérete miatt a reagenseket 14-szeres mennyiségben mértem be a rázólombikos kísérletek mennyiségeihez képest.

A mérési paraméterek a következők voltak:

Membránfelület: 10 cm² Vákuum: 0,1 bar

Membrán modulba betáplált áram: 87 cm³/min Fluxus: 0,0017 cm³/(cm²*min) víz

10. ábra: A pervaporációs rendszer sémája

T: termosztát; R: duplafalú, kevert reaktor; M: temperálható membránmodul; P-1:

perisztaltikus pumpa; P-2: vákuum szivattyú; C-1, C-2: hidegcsapdák; S-1, S-2: szilikonolajos csapdák; Z-1: zeolitos csapda; V-1, V-2, V-3: kétállású csapok; V-4: háromállású csap; T-1, T-2: hőmérsékletmérő; PI-1: nyomásmérő

11. ábra: A pervaporációs berendezés fényképe

2.5.3. Szuperkritikus CO2-dal végzett kísérletek

A mérésekhez a berendezést a Maribori Egyetem Kémiai és Vegyészmérnöki Tanszéke biztosította. A reaktor egy 50 cm³ befogadóképességű nyomástartó edény, melyben egy mágneses keverő helyezkedik el, fenntartva ezzel az elegy homogenitását. A reaktort olajfürdő fűti a kívánt hőmérsékletig, az aktuális hőmérséklet pedig az elegybe merülő, külső csatlakozással ellátott hőmérsékletmérővel követhető. A CO₂ külső kompresszor segítségével egy szabályozó szelepen keresztül juttatható a reaktortérbe. A belső nyomás nyomásmérő segítségével követhető. Mintavételre a reaktor fedél részébe épített szelep alkalmas. A reaktor védelmére egy hasadótárcsát is beépítettek, mely 320 bar nyomásnál hasad. A berendezés kapcsolási vázlata a 12. ábrán, képe a 13. ábrán látható.

12. ábra: A scCO2 reaktor kapcsolási rajza

P: szivattyú, C: CO2 előkezelő oszlop, T: hőmérsékletmérés, PI: nyomás mérő, R: kevert reaktor, M: mágneses keverő, V: golyós csap, SV: mintavevő csap, RV: hasadótárcsa, M:

mintatartó edény

13. ábra: Berendezés a scCO2-dal végzett kísérletekhez