3. Eredmények és értékelés
3.9. Kinetikus rezolválás, termék újbóli reakcióba vitele
A zeolitos és pervaporációs vízeltávolítás egyike sem eredményezett olyan kedvező hatást, mely indokolta volna, hogy a további kísérletekhez alkalmazzam őket. Szuperkritikus CO2 -ban kiemelkedően nagy hozamot mértem, de emellett az enzim kisebb enantioszelektivitást mutatott, mint a rázatott lombikos kísérletek esetében. A továbbiakban az enantiomerfelesleg növeléséhez más módszert alkalmaztam rázatott lombikos kísérletek során 30 °C-on, 11-es alk/TS, 1-es IL/alk aránnyal, 4 m/m%-os kezdeti víztartalommal, Novozym 435 enzim jelenlétében.
Chen [Chen, 1982] szerint a termék enantiomerfeleslege úgy növelhető, hogy a reakcióelegyből kinyerjük a több (L)-enantiomert tartalmazó észtert, majd azt hidrolízissel visszaalakítjuk a kiindulási vegyületekké (tejsav), és a visszakapott terméket újra reakcióba visszük. Dalkin [Dalkin, 1903] korán felfedezte, hogy lipáz enzimmel lehetséges az észterek hidrolízise, Kazlauskas [Kazlauskas, 1991] és Berglund [Berglund, 2001] pedig azt is kimondják, hogy a reakció irányától függetlenül, vagyis hidrolízis esetén is az (L)-enantiomer reagál gyorsabban. Lou és társai [Lou, 2006] pedig (D,L)-fenilglicin-metil-észter hidrolízisét végezték el lipáz enzim segítségével. Az említett megfigyelések alapján az etil-laktát hidrolízise is lejátszatható enantioszelektíven.
A termék illetve a tejsav kinyerését forráspontkülönbség alapján történő elválasztással vagy extrakcióval lehet megvalósítani. Ezt a folyamatot alapul véve alkalmaztam a méréseimhez a
0
termék újbóli reakcióba vitelét. Az első reakcióban képződött termék hidrolízise során kapott (D)- és (L)-tejsav elegye újra reagáltatható, de az (L)-tejsav többlete miatt a második reakció termékének enantiomerfeleslege nagyobb lesz, mint az elsőé.
A termék kinyerését, tisztítását, hidrolízisét a gyakorlatban nem valósítottam meg. Ezért a kísérleteket úgy valósítottam meg, hogy az minden előző 24 órás mérés végén (n) kapott (L)-tejsav-észter enantiomerfeleslegével (eep/n) állítottam össze a következő kísérlet (n+1) kiindulási tejsav enantiomerfeleslegét (ee0/n+1), melyet (L)- és (D,L)-tejsav megelelő arányú keverésével állítottam elő. Ezt a sorozatot addig folyatattam, míg az enantioszelektivitás elérte a 80% körüli értéket, mely azt jelenti, hogy az (L) és (D) enantiomerer aránya 9 : 1. Ez az elegy már alkalmas arra, hogy az elegyből való kinyerése után polimerizálható legyen, mivel itt már megfelelő a (D)- és az (L)-tejsav aránya a kívánt polimer tulajdonságokhoz.
A kísérlet elméleti sémája az 52. ábrán látható. A hidrolízishez CALB enzim használható víz feleslege mellett, mellyel a reakció egyensúlya a tejsav képződése irányába tolható el. A termékkinyerés során visszamaradt (D)-tejsav is felhasználható. CALB-bal történő észterezés során optikai tisztasága növelhető.
52. ábra: A termék újbóli reakcióba vitelének lehetősége az e.e. értékek növelése céljából (D,L)-tejsav
A kísérleteket három különböző módszerrel végeztem el. Első esetben a reakciókat 24 órás lefutásban vizsgáltam, a második esetben 50%-os, a harmadik esetben pedig 30%-os hozamnál megállítottam a reakciót.
A 24 órás reakciók során a hozam 70-87%-os értékeket ért el. Látható (13. táblázat), hogy az első reakciók során kezdetben a 77%-os hozam elkezdett emelkedni 87%-ig, majd csökkenő tendenciát mutatott. Az enantiomerfelesleg alakulását az 53. ábra szemlélteti. Az első mérés során a kezdeti 40% körüli enantiomerfelesleg értéke a 24 óra múlva 25% körülire csökkent.
A továbbiakban már nem volt megfigyelhető ilyen mértékű e.e. csökkenés a reakció végére. A 8 reakció eredményeit összevetve látható, hogy az enantiomerfelesleg értékei telítési görbe formájú növekedést mutattak. A 7. visszaforgatást követően 89%-os e.e. értéket mértem fél óra elteltével, a reakcióidő végére ez 78%-ig csökkent. Itt már a reakcióidő függvényében kisebb az enantiomerfelesleg értékének csökkenése, mivel kevesebb (D)-tejsav van a rendszerben, mely a reakciója során közelíthetné az (L)-észter mennyiségét.
13. táblázat: A tejsav többszörös reakcióba vitele során mért hozam és e.e. értékek Cyphos 104-es ionos folyadék és CALB enzim használata mellett
Újra felhasználás
hozam (%) 0 1 2 3 4 5 6 7
0,5 h 3,7 2,4 2,6 3,0 3,6 4,4 1,9 1,6
1 h 7,3 5,5 6,4 7,6 7,5 8,2 4,7 4,1
3 h 17,4 17,0 15,4 18,7 18,6 16,3 13,5 13,0
5 h 23,9 23,9 25,6 29,8 27,8 27,3 25,0 20,5
24 h 77,7 68,3 87,7 81,7 84,9 86,5 72,9 68,5 e.e. (%)
0,5 h 39,3 56,0 67,6 72,8 77,3 82,8 85,6 88,6
1 h 38,6 55,6 66,4 72,7 76,4 82,2 85,0 86,4
3 h 38,2 55,9 65,1 72,7 72,0 82,1 83,1 85,1
5 h 33,9 54,7 60,4 67,9 71,0 81,3 81,6 83,6
24 h 26,3 46,2 54,9 64,7 67,8 75,6 77,5 78,1
53. ábra: A tejsav többszörös reakcióba vitele során mért e.e. értékek Cyphos 104-es ionos folyadék és CALB enzim használata mellett, 24 órás reakcióidők után
A két következő ábra számított értékeket mutat. Az 54. ábrán látható (számszerű eredmények a Függelék 24. táblázatában), hogy ha 50%-os hozamnál megállítjuk a reakciókat, akkor azonos reakciókörülmények mellett a kívánt e.e. érték eléréséhez elegendő 4-szeri visszaforgatás. A reakciók 50%-os hozama kb. 15 óra után érhető el. Az 55. ábra mutatja (eredmények a Függelék 25. táblázatában) az enantiomerfelesleg értékeket abban az esetben, ha a reakciókat 30%-os hozamnál állítanám meg. A visszaforgatások száma nem csökkent, viszont fele annyi idő alatt elérhető a 80% körüli e.e. érték, mint az előző esetben.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0 1x 2x 3x 4x 5x 6x 7x
Enantiomerfelesleg (%)
Újbóli reakcióba vitel
0,5h 1h 3h 5h 24h
54. ábra: 50%-os hozam után a tejsav többszörös reakcióba vitele során mért e.e. értékek Cyphos 104-es ionos folyadék és CALB enzim használata mellett
55. ábra: 30%-os hozam után a tejsav többszörös reakcióba vitele során mért e.e. értékek Cyphos 104-es ionos folyadék és CALB enzim használata mellett
A három módszer közül az első igényli a legtöbb lépést. Ha a termékkinyerést és tisztítást elvégeznénk, akkor a lépések számával emelkedne az eljárás költsége, de a termékkihozatal szempontjából ez a leghatásosabb. A három módszer időigényét a 14. táblázatban hasonlítottam össze. Ha a második módszernél háromszoros mennyiségű kiindulási anyaggal végeznénk a reakciót, akkor meghaladná az 1-ben számolt kihozatalt. A nagyobb mennyiség kezelése még így is kevesebb költséget igényelne, mint a több lépésben elvégzett terméktisztítás. Ez azért mondható ki, mert a terméktisztításhoz sorozatos desztillációt,
0
vákuumdesztillációt kell alkalmazni, az ebből adódó nagy hőmérséklet és a vákuum előállítása pedig energiaigényes a 30 °C-ra fűtött reakció lejátszatásával szemben. A kihozatal javításához a további enantiomerfelesleg érték növelése lehetne a cél.
14. táblázat: A termék újbóli felhasználása során vizsgált három módszer időigényének és a reakcióba vitelek számának összehasonlítása
Módszer Időigény (h) Újbóli reakcióba vitel
1.) 24 órás (75% hozam) 192 7
2.) 50%-os hozam 75 4
3.) 30%-os hozam 36 4
A mérési eredményekből tapasztalatai egy elméleti rendszer modelljéhez nyújtanak alapot.
Ezzel a rendszerrel szakaszosan lehet megvalósítani a poli-tejsav alapanyagának kinyerését a vegyiparban előállított racém tejsav elegyből. A technológia sémája az 56. ábrán látható.
56. ábra: A tejsav enantioszelektív észterezése során képződött termék újbóli reakcióba vitelének folyamatábrája
A kiindulási anyagokat az 1-es reaktorba adagoljuk, ahol 30 °C-os hőmérsékleten megtörténik a reakció 50%-os hozamig. A reakció végén (15 h) a keverő leállításával az immobilizált enzim leülepszik, majd a reaktorból egy (P) szivattyúval elvezetjük a reakcióelegyet az 1-es
szeparáló egységre. Itt a kisebb forráspontú komponenseket (etanol, víz, (L>D)-etil-laktát, egyéb laktátok) csökkentett nyomáson elkülönítjük, így az ionos folyadék magas hőmérsékleten történő bomlása nem következik be. A fenéktermékeket ionos folyadék és (D>L)-tejsav egy következő (3-as) szeparációs egységre továbbítjuk, ahol vákuumdesztilláció segítségével a tejsavat eltávolítjuk az ionos folyadéktól. Az utóbbit újból felhasználjuk a követező reakcióknál, a tejsavat pedig további feldolgozásra eltároljuk.
A 2-es szeparátor desztilláció útján 96%-os etanolt különít el, melyet a következő reakciónál fel lehet használni. A fenékterméket a 2-es reaktorba továbbítjuk, ahol az etil-laktát hidrolízisét enzimes úton (CALB) elvégezzük. Savas katalizátor használata azért nem előnyös, mivel a hidrolízis termékét racemizálja, ezzel az enantioszelektív reakció során kapott tejsav enantiomerfeleslege a hidrolízist követően ismét 0% lenne. A hidrolízis közben az etanolt desztillációval vagy membrános eljárással folyamatosan eltávolítjuk a rendszerből, mely a tejsavképződés irányába tolja el a reakciót. A 2-es szeparátorban és a 2-es reaktorban eltávolított 96%-os etanol membránszeparációs vagy extrakciós lépéssel vízteleníthető, vagy a víztartalmát számba véve felhasználható a következő reakcióhoz. A 4-es szeparátorban az elegyből a felesleges vizet eltávolítjuk olyan mennyiségben, hogy a visszamaradó tejsav elegyünk víztartalma 10%-os legyen. Ezzel elérhetjük ugyanazt az egyensúlyi állapotot, mely a kísérletekhez használt tejsav elegyben beállt. Az oligomer tejsav észterek hidrolízisével visszakapjuk az oligomer tejsav tartalmat, mely az egyensúly beálltához szükséges. A monomer/oligomer egyensúly beállta után az elegyet újra felhasználjuk a következő reakció során.
A munka következő lépése lehetne az 50%-os hozamig történő laborméretű rendszer megvalósítása, melyhez ebben a dolgozatban csak az elvi lehetőséget vázoltam fel.