Entwicklung eines kontinuierlichen Verfahrens zur enzymkatalysierten Synthese eines strukturierten Triglycerides

Abstract

Ausgangspunkt für die in der vorliegenden Arbeit durchgeführten Entwicklung eines kontinuierlichen Verfahrens zur Synthese des strukturierten Triglycerides 1,3-Oleyl-2-palmitoylglycerin war die von Schmid [Schmid 1999] entwickelte lipase-katalysierte Zwei-Schritt-Synthese für strukturierte Triglyceride vom Typ ABA [European Patent Application; EP 0 882 797 A2]. In der ersten Reaktionsstufe dieser zweistufigen Umesterung wird in einer Folgereaktion das Substrat Tripalmitin mit Hilfe einer Lipase über das Zwischenprodukt 1,2-Dipalmitin zum 2-Monopalmitin hydrolysiert, während in einer Parallelreaktion die freigesetzte Palmitinsäure mit Ethanol zum Palmitinsäureethylester umgesetzt wird. Die zweite Reaktionsstufe ist ebenfalls eine Folgereaktion, in der das Monopalmitin aus der ersten Reaktionsstufe mit Ölsäure, durch Einsatz der gleichen Lipase, über 1-Oleyl-2-palmitoylglycerin zu 1,3-Oleyl-2-palmitoylglycerin verestert wird. Voruntersuchungen ergaben eine optimale Reaktionstemperatur von 50°C und eine Vernachlässigbarkeit der Nebenproduktbildung. Die Parameter der reaktionskinetischen Ansätze wurden durch Variation der Edukt- bzw. Produktkonzentrationen unter Verwendung experimentell ermittelter Konzentrations-Zeit-Verläufe identifiziert. Die Evaluierung des Reaktionsmodells mittels Paritätsdiagramm und Residuen zeigte eine zufrieden stellende Übereinstimmung zwischen experimentellen Beobachtungen und berechneten Daten.

Desweiteren zeigte die reaktionstechnische Untersuchung, daß vor der zweiten Reaktionsstufe der Produktstrom der ersten Reaktionsstufe aufkonzentriert, und das überschüssige Ethanol (Inhibierung des Enzyms) unter Rückhaltung des für die Aktivität des Enzyms notwendigen Wassers abgetrennt werden muß. Ferner ergab die Untersuchung der Monopalmitinumsetzung in der zweiten Stufe, daß eine Abtrennung des entstehenden Reaktionswassers aus dem Reaktionsgemisch (Gleichgewichtsverschiebung) während der Reaktion notwendig ist. Sowohl für die komplexe Trennaufgabe der Aufkonzentrierung des Produktstroms nach der ersten Reaktionsstufe, als auch für die Abtrennung des Reaktionswassers in der zweiten Reaktionsstufe wurde die Pervaporation eingesetzt. An den verwendeten Membranen wurden Stofftransportuntersuchungen (Variation von Feedkonzentration, Feedtemperatur und Permeatdruck) durchgeführt. Die experimentellen Ergebnisse der Stofftransportuntersuchungen wurden dazu verwendet, um für die eingesetzten Membranen die Parameter eines mathematischen Modells für die Pervaporation zu identifizieren. Neben den Trenneigenschaften der Membran ist deren Stabilität im Dauereinsatz ein wesentlicher Faktor für die Entscheidung über den Einsatz der Pervaporation in einer Produktionsanlage. Deshalb wurde für beide Membranen Untersuchungen des Standzeitverhaltens durchgeführt, die ausreichende Standzeiten von bis zu einem Jahr ohne Leistungsverlust ergaben.

Nachdem die zur Verfahrensauslegung notwendigen Ergebnisse aus den reaktionstechnischen Untersuchungen und Stofftransportuntersuchungen vorlagen, wurde ein kontinuierliches Verfahren konzipiert und auf der Basis dieses Konzeptes anschließend das Verfahrensschema für eine kontinuierliche Miniplant entworfen. Für den kontinuierlichen Dauerbetrieb der Miniplant wurde die Versuchsanlage mit einem Prozeßleitsystem weitgehend automatisiert, daß alle ermittelten Temperaturen, Drücke und Massenströme in regelmäßigen Zeitabständen aufzeichnet und diese mit der zugehörigen Prozeßzeit in einem Prozeßprotokoll abspeichert. Die Auslegung und Konstruktion der Apparate des Verfahrens erfolgte auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse aus den entsprechenden Untersuchungen. Nach Fertigstellung der Apparate erfolgte eine Charakterisierung hinsichtlich ihres Druckverlustes und Verweilzeit-verhaltens. Nach dem Aufbau der Miniplant und der erfolgreichen Inbetriebnahme erfolgten Untersuchungen zum Standzeitverhalten des immobilisierten Enzyms. Im Anschluß wurde eine Variation der verschiedenen Betriebsparameter durchgeführt und sowohl die Ergebnisse der stationären Zustände miteinander verglichen, als auch die dynamischen Übergänge zwischen den stationären Betriebspunkten untersucht. Zur Beschreibung sowohl der stationären Betriebszustände, als auch des dynamischen Verhaltens der Miniplant wurden dynamische Modelle der Grundoperationen für die kontinuierliche 1,3-Oleyl-2-palmitoylglycerin-Synthese unter Verwendung des kommerziellen Modellierungstools AspenCustomModeler (Aspen Technology Incorporated, USA) erstellt. Die Evaluierung dieser Modelle erfolgte durch Simulationen der Betriebsparametervariation und Vergleich mit den experimentellen Ergebnissen der stationären und instationären Betriebszustände. Umfassende Simulationen mit Hilfe des mathematischen Modells der 1,3-Oleyl-2-palmitoylglycerin-Synthese lieferten die Grundlage für eine Optimierung der Betriebs-parameter im Hinblick auf Maximierung der Produkt- und Raum-Zeit-Ausbeuten.

The starting point for the development of a continuous process producing 1,3-Oleyl-2-palmitoylglyceol, done in this thesis, was the thesis of Schmid [Schmid 1999]. She developed a lipase-catalyzed two-step reaction system for the synthesis of a structured triglyceride of the type ABA [European Patent Application: EP 0 882 797 A2]. The first reaction step of this transesterification can be described by a sequential reaction of Tripalmitin producing 2-Monopalmitin via 1,2-Dipalmitin. In a simultaneous reaction the arising Palmitic acid is esterified with Ethanol producing Palmitic acid ethyl ester. The second reaction step is also a sequential reaction of 2-Monopalmitin producing 1,3-Oleyl-2-palmitoylglycerol via 1-Oleyl-2-palmitoylglycerol. In preliminary investigations the optimized reaction temperature was found at 50°C. The formation of by-products by acyl migration and undesired by-reactions were neglected during the following investigations. The parameters the reaction rates were identified using the measured concentration-time-courses of the variation of substrate and product concentration. The evaluation of the reaction models using parity plots and residue showed a very well description of the 2-Monopalmitin respectively 1,3-Oleyl-2-palmitoylglycerol synthesis. Furthermore the kinetic studies resulted in the necessary of concentrating up the product flow of the first reaction step and the separation of hyperstoichiometric Ethanol because of enzyme inhibition in the following reaction step. The kinetic studies of the second step resulted in the necessary of the separation of the arising water during the esterification of 2-Monopalmitin respectively 1-Oleyl-2-palmitoylglycerol with Oleic acid in order to shift the equilibrium of the sequential reaction towards the products. Concentrating up the product flow of the first reaction step with simultaneous separation of Ethanol as well as the separation of the reaction water during the second reaction step was done by pervaporation. The used membranes for concentrating up and separation of Ethanol after reaction step one respectively for the water separation during reaction step two were investigated regarding to the mass transfer. The experimental results of varying the feed concentrations, the feed temperature and the permeat pressure were used for identification of the parameters of the mass transfer equations. The separation property is one of the important factors for the use of membranes in production plants, but an other one is the stability of the membrane during a long-term run. Therefore both membranes were tested in long-term runs and the result was a sufficient stability of both membranes. After the kinetic studies and the investigations of the mass transfer a concept of a continuous process was worked out. Based on this concept a flowsheet for a continuous miniplant was designed. For continuous working of the miniplant during several days the miniplant was equipped with a process control system for automation. In addition the process control system recorded all measured temperatures, pressures and mass to a process report including the accompanying process time. The design and construction of the apparatus for the process were based on the results of the corresponding investigations. After manufactoring of the moduls the pressure drop and residence time distribution was measured for each apparatus. After the construction of the miniplant and the successful startup an investigation of the long-term behaviour of the enzyme was done. In addition the various operating parameters of the process were varied and the results of the experiments were compared. An other important point of view of the scale-up and the operation of a production plant is the dynamic behaviour of the miniplant during the variation of a operating parameter changing the steady states. The mathematical description of the steady states and the dynamic behaviour of the miniplant was realized by programming dynamic models of the unit operations for the continuous synthesis of 1,3-Oleyl-2-palmitolyglycerol using the commercial software tool AspenCustomModele (Aspen Technology Incorporated, USA). The evaluation of the models was done by simulation of the parameter variation and comparison of the simulation results with the experimental results of the steady states and the dynamic changes. Extensive simulations using the evaluated models were the basis for a optimization of the operating parameters in view of product yield and space time velocity maximization.