Die vorliegende Arbeit betrachtet einen bisher noch unzureichend untersuchten Aspekt aus dem Bereich der heterogen katalysierten enzymatischen Hydrolyse. Hierbei handelt es sich um die Entwicklung eines physikalisch-mathematischen Modells zur Beschreibung einer im zweiphasig durchströmten Festbett durchgeführten Reaktion als Werkzeug für die methodische Verfahrensanalyse. Der Kern der Arbeit befasst sich dabei mit der Dekomposition des Systemverhaltens in ein physikalisches Vorstellungsmodell, auf dessen Basis eine fundierte mathematische Beschreibung des Reaktionsverhaltens ermöglicht wird. Hierbei werden möglichst einfache und physikalisch konsistente Ansätze bevorzugt, die sich zur Beschreibung der Phänomenologie eignen. Die Studie des Reaktionsverhaltens erfolgt exemplarisch anhand der enzymatischen Hydrolyse kurzkettiger Fettsäuremethylester zu Fettsäuren und Methanol in einer wässrigen Emulsion in einem absatzweise betriebenen Kreislauffestbettreaktor mit differentiellem Umsatz je Reaktordurchlauf. Die Verwendung des Festbetts ermöglicht es, insbesondere bei dem stark das Trägermaterial quellenden Medium, die strukturelle Integrität der Katalysatorpartikel zu bewahren. Damit wird das Konzept der Untersuchung eines differentiellen Festbettreaktorelements erstmalig auf die Hydrolyse kurzkettiger Fettsäuremethylester mittels des Katalysators Novozym®435 mit dem Ziel angewandt, die für eine mathematische Modellierung notwendigen Kenntnisse bereitzustellen. Hierzu werden die sich auf das Verhalten des Reaktionssystems auswirkenden Mechanismen identifiziert und deren Einfluss sorgfältig bewertet. Es werden systematisch unterschiedliche Einflüsse, die typischerweise als entscheidend bei enzymatischen Umsetzungen gelten, experimentell untersucht. Hierbei handelt es sich um die Katalysatormenge, das Reaktantenverhältnis, die Temperatur, die Umlaufrate bzw. Leerrohrgeschwindigkeit, den pH-Wert der wässrigen Phase und implizit die spezifische Phasengrenzfläche. Die ausgeprägte Diversität der Problemstellung äußert sich dabei in dem zu beachtenden kombinierten Phasen- und Reaktionsgleichgewicht, der zu berücksichtigenden Strömungsform im Katalysatorbett sowie den Auswirkungen auf die katalytische Aktivität des Enzyms. Auf Basis einer tragfähigen Interpretation der an dem Beispielreaktionssystem beobachteten Phänomene wird eine neue Modellvorstellung validiert. Aus ihr geht hervor, dass der Katalysatorträger von der organischen Phase vollständig eingeschlossen wird und damit deren Zusammensetzung die Umsatzrate bestimmt. Die wässrige Phase sättigt dabei die organische Phase mit dem für die Reaktion benötigten Waser und dient zur Extraktion des entstehenden Methanols. Es kann vereinfachend eine pseudohomogene Reaktion in der organischen Phase angenommen werden. Im relevanten Bereich spielt daher der pH-Wert der wässrigen Phasen keine signifikante Rolle. Die Berechnung des Reaktionsverhaltens basiert dabei auf der Annahme, dass unabhängig vom angenommenen Verhältnis der flüssigen Phasen stets eine vollständige Nutzung des gesamten Katalysatorträgers vorliegt. Die Übereinstimmung der Modellrechnung und der experimentellen Werte lässt den Schluss zu, dass diese Annahme bei Massenanteilen der organischen Phase im Festbettreaktor zwischen 0,05 und 1 zutrifft. Aus der Untersuchung folgt, dass Reaktion und Flüssig-flüssig-Stofftransport prinzipiell räumlich voneinander ohne Verringerung der maximalen Umsatzraten getrennt werden können. Für den Labormaßstab resultiert daraus ein neuer methodischer Ansatz zur Verfahrensanalyse hinsichtlich der effizienten Nutzung des Katalysators. Um zu hohen Umsätzen gelangen zu können, wird erstmals die Anwendung der mehrstufigen Extraktivreaktion im Gegenstrom als Reaktionsführungskonzept für die betrachtete durch die Gleichgewichtslage limitierte Reaktion vorgeschlagen. Simulationen des Verhaltens zeigen, dass die Trennung von Reaktion und Einstellung des Phasengleichgewichts eine effiziente technische Umsetzung einer mehrstufigen Extraktivreaktion im Gegenstrom ermöglicht. Das resultierende Reaktionsführungskonzept stellt eine praktisch einfach umsetzbare Prozessalternative dar.

Keywords: zweiphasig durchströmter enzymatischer Festbettreaktor

Berichte aus dem Institut für Prozess- und Anlagentechnik der TU Hamburg