Study of an enzymatic packed bed reactor for production of butyl acetate under liquid and supercritical conditions

• Main Author: Wurm, David Johannes
• Other Authors: Friedl, Anton, Harasek, Michael
• Format: Thesis
• Language: English
• Published: 2020
• Subjects: Enzymkatalyse; überkritische Kohlendioxid; Immobilisierung von Enzymen; Butyl Acetat Synthese; Festbettreaktor; enzyme catalysis; supercritical carbondioxide; enzyme immobilisation; butyl acetate synthesis; packed bed reactor; Sauren; Antarc*; Antarctica
• Online Access: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-96389; https://hdl.handle.net/20.500.12708/9172

Zsfassung in dt. Sprache Ester von kurzkettigen Säuren und Alkoholen, die als Aroma- und Geschmacksstoffe bekannt sind, werden in der Lebensmittel-, Kosmetik- und Pharmazeutischen Industrie eingesetzt. Herkömmlicherweise wird die Synthese dieser Substanzen in organischen Lösungsmitteln mit sauren Katalysatoren ausgeführt. Aktuelle Studien zeigen, dass nicht konventionelle Lösungsmittel wie überkritische Fluide viele Vorteile im Vergleich zu klassischen Lösungsmitteln bieten. Zusätzlich ist das Enzym Candida antarctica Lipase B (CALB) dafür bekannt, die Synthese von kurzkettigen Estern auch unter überkritischen Bedingungen zu katalysieren. Somit wird eine biologische Katalyse ermöglicht, wodurch Probleme, die durch chemische Synthese verursacht werden, verhindert werden können. Ein "grünes" Lösungsmittel wie überkritisches Kohlendioxid kombiniert mit Lipasen als Biokatalysatoren bereitet einen sehr attraktiven Ansatz zu einem umweltfreundlichen und nachhaltigen Prozess. Das Ziel dieser Diplomarbeit war die Entwicklung eines Prozesses zur Synthese eines Aromastoffes, der in der Lebensmittelindustrie eingesetzt werden kann, in einem Festbettreaktor und unter überkritischen Bedingungen. Eine Methode zur Immobilisierung der Lipase CALB auf einem keramischen Träger wurde entwickelt und die Modellreaktion der Synthese von Butylacetat wurde in einer Pilotanlage mit überkritischem Kohlendioxid als Lösungsmittel durchgeführt. Nach einer Literaturrecherche und Vorversuchen in wässrigem und organischem Medium konnten Reaktionsparameter wie Substratverhältnis, Konzentration, Temperatur und Druck optimiert werden. Es wurde auch festgestellt, dass die Wasseraktivität einen entscheidenden Einfluss auf die Enzymaktivität hat. Schließlich wurde die Aktivität der Enzyme bezüglich der Synthese von Butylacetat in organischem Lösungsmittel und unter überkritischen Bedingungen ermittelt. Verglichen mit organischen Lösungsmitteln wurden ähnliche Umsätze und sogar höhere Aktivitäten für die Reaktion in überkritischem Kohlendioxid beobachtet, was dieses neue Konzept sehr interessant für zukünftige Studien und industrielle Anwendungen macht. Esters of short chained acids and alcohols which are known for their aroma and flavour quality are widely used in food, cosmetic and pharmaceutical industries. The synthesis of those substances is conventionally carried out in organic solvents with acid catalysers. Recent studied showed that non-conventional solvents such as supercritical fluids offer many advantages compared to conventional solvents. In addition Candida antarctica Lipase B (CALB) is known to catalyse the synthesis of short chained esters also under supercritical conditions and then allow to carry out a biological catalysis thus avoiding problems induced by chemical ones. A green solvent such as supercritical Carbondioxide combined with lipases as biocatalysts is a very attractive approach towards an environmentally friendly and sustainable process. The goal of this master thesis was to develop a process to synthesise a flavour that can be used for food industry with an enzymatic packed bed reactor under supercritical conditions. A way of immobilising the lipase CALB on a ceramic support was found and the model reaction synthesis of butyl acetate was carried out in a pilot plant of industrial scale with sc-CO2 as solvent. After literature revue and preliminary experiments in aqueous and organic solvent optimised reaction parameters were found regarding substrate ratio, concentration, temperature and pressure. The effect of water activity was found to play an important role on the enzymes activity. Finally the activity of the immobilised enzymes regarding the synthesis of butyl acetate was measured in an organic solvent and in under supercritical conditions. The results showed equal yield and even higher activities when carrying out the reaction in supercritical CO2 compared to an organic solvent making this new concept very attractive for further studies and industrial applications. 83