hrvatski

Razvoj integriranog biokatalitičkog procesa oksidacije heksanola u mikroreaktoru

Heksanal je bitan predstavnik grupe lako hlapivih komponenata poznatije kao „green note“. Zbog svojih organoleptičkih svojstava povezanih sa svježinom, heksanal je našao široku primjenu u različitim područjima. Različite tehnologije koje se trenutno koriste za proizvodnju heksanala (fermentacija, ekstrakcija iz biljaka ili enzimski katalizirane reakcije) ne mogu zadovoljiti potrebe tržišta, pa se stoga danas naglasak stavlja na razvoj novih procesa njegove proizvodnje. Glavni nedostatak ovih tradicionalnih metoda je da ne daju dovoljnu količinu proizvoda koju zahtjeva tržište, a općenito mišljenje je da bi zahtjevi tržišta čak i rasli kada bi se heksanal proizvodio na ekonomski prihvatljiviji način. Osim toga, kada se radi o heksanalu koji se upotrebljava u prehrambenoj industriji, puno se veći naglasak stavlja na prirodno sintetizirani spoj pri čemu do izražaja dolaze enzimski katalizirane reakcije. Kombinirajući enzimatsku biokatalizu i mikroreaktorsku tehnologiju u ovoj disertaciji je predložen novi način sinteze heksanala. Mikroreaktorska tehnologija je nova interdisciplnirana tehnologija koja pruža nove mogućnosti u kemijskoj industriji, biotehnologiji, farmaciji i medicini. Veliki omjer površine i volumena, bolji prijenos tvari i topline, smanjena energetska potrošnja, bolja kontrola procesnih uvjeta, smanjena potrošnja kemikalija itd. samo su neke od prednosti mikroreaktorskih sustava u odnosu na postojeće reaktorske tehnologije. Cilj disertacije bio je istražiti mogućnost primjene mikroreaktorske tehnologije u proizvodnji heksanala. Provedena je biokatalitička oksidacije heksanola uz NAD(H) ovisnu alkohol dehidrogenazu (ADH) porijeklom iz pekarskog kvasca. Ispitani su utjecaji različitih profila strujanja (segmentirano i paralelno), u više tipova mikroreaktora, zatim utjecaj početnih koncentracija supstrata kao i njihovih omjera, te utjecaj protoka na proces oksidacije heksanola. Osim izoliranog enzima ADH, ispitana je mogućnost primjene permeabiliziranih stanica kvasca kao izvora ADH zbog dostupnosti i niske cijene tog tipa biokatalizatora. Kako bi zaobišli neke nedostatke upotrebe suspendiranog biokatalizatora kao što su smanjenje stabilnosti prilikom skladištenja, složene postupke separacije produkta i katalizatora, nemogućnost ponovne upotrebe, oba tipa biokatalizatora su imobilizirana s te je ispitana mogućnost njihove upotrebe u procesu oksidacije heksanola. Zbog visoke cijene koenzima kojeg je nužno dodati u reakcijski sustav kako bi se reakcija mogla provesti i nemogućnosti njegove zamijene s jeftinijim, sintetičkim spojem, provedena je regeneracija koenzima u mikroreaktoru. U procesu regeneracije koenzima korišten je isti enzim (ADH) kao i u primarnoj reakciji. Zbog niske cijene i visokog afiniteta ADH prema acetaldehidu isti je korišten kao kosupstrat. Kako bi proces učinili ekonomičnijim, ispitana je mogućnost upotrebe cijelih peremabiliziranih stanica kvasca kao biokatalizatora u procesu regeneracije koenzima u suspendiranoj i imobiliziranoj formi. Rezultati svih pokusa međusobno su uspoređeni kako bi se odredio najpogodniji reakcijski sustav. Za sve reakcijske sustave postavljeni su odgovarajući kinetički modeli, procijenjeni su kinetički parametri te razvijeni 2D matematički modeli procesa koji uključuju konvekciju u smjeru strujanja, difuziju u aksijalnom i radijalnom smjeru i kinetiku procesa. S obzirom da rezultati direktne kovalentne imobilizacije na stjenku mikroreaktora nisu dali očekivane rezultate (mala učinkovitost procesa imobilizacije) ispitana je mogućnost imobilizacije enzima na prethodno sintetizirane nanočestice. Nakon imobilizacije enzima na nanočestice iste su korištene u procesu regeneracije koenzima koji je proveden u mikrorekatoru. Kao konačni cilj ovog istraživanja razvijen je integrirani sustav u kojem je uz oksidaciju heksanola paralelno provedena i regeneracija koenzima. Razvijena su tri različita integrirana sustava (integrirani sustav s jednim mikroreaktorom, s dva te tri serijski spojena mikroreaktora), a dobiveni rezultati su međusobno uspoređeni. Usporedbom svih rezultata istraživanja provedenih u mikroreaktoru s rezultatima koji su dobiveni u kotlastom reaktoru pri istim početnim uvjetima uočeno je značajno povećanje produktivnosti što ukazuje da je mikroreaktorska tehnologija bolji izbor za proces proizvodnje heksanala biokatalitičkom oksidacijom heksanola.

enzim alkohol dehidrogenaza; regeneracija koenzima; oksidacija heksanola; heksanal; imobilizacija; mikroreaktor; matematičko modeliranje

nije evidentirano