Immobilisation of non-selective catalysts in permselective microcapsules
Creators: name: Pachariyanon, Pavadee
Publisher: name: Technische Universität Dortmund
Year: 2012
Subjects: subject: 660

description: Mikrokapseln sind Partikel mit Abmessungen im Mikro- bzw. Millimeterbereich, in denen eine aktive Substanz in einer schützenden Hülle oder Matrix eingeschlossen wird. Die Mikroverkapselung ist eine besondere Methode zur Verkapselung dieser neuartigen, kleinen Partikel. Sie dient entweder der Stabilisierung, der Immobilisierung, der geregelten Freisetzung oder dem verbesserten Handling der aktiven Komponente. Des Weiteren ermöglicht die Mikroverkapselung eine gezielte Manipulation der Selektivität von immobilisierten, mikroverkapselten Katalysatoren durch die Einstellung des Permselektivitätsverhaltens der Mikrokapselmembran. Damit können solche „Mikromembranreaktoren“ als ein permselektives Tool zur Prozessintensivierung verwendet werden. Die Mikroverkapselung findet ihre Anwendung in einem großen Bereich der Industrie, Ingenieurwissenschaft, Medizin, Biotechnik und Forschung. Ihre aktuelle Entwicklung konzentriert sich auf detaillierte Untersuchungen der permselektiven Eigenschaften der Mikrokapseln. In der vorliegenden Arbeit werden permselektive Polyacrylamid-Alginat-(pAAm-Alg)-Mikrokapseln untersucht, die eine flüssige Kern-Lösung enthalten. Zur Herstellung der hohlen Mikrokapseln kam eine doppelkonzentrische Düse mit verschiedenen intrinsischen und extrinsischen Parametern zum Einsatz. Der äquivalente Durchmesser und die Kreisform der Mikrokapseln wurden unter Verwendung der Bildanalyse-Software ImageJ bestimmt, wobei ihre Membrandicke mithilfe eines Stereo-Mikroskops beobachtet und gemessen worden ist. Es hat sich herausgestellt, dass die mittlere Größe und die Anzahl der hergestellten Mikrokapseln mit einer Zunahme von Vernetzer- und Monomer-Konzentration abnahmen, während der äquivalente Durchmesser mit einer Zunahme der Initiator-Konzentration zunahm. Der Einfluss von unterschiedlichen Konzentrationen an Vernetzer, Monomer und Initiator auf die Kreisform der Mikrokapseln war geringfügig. Mit Zufuhr von Druckluft in das System sank der äquivalente Durchmesser der Mikrokapseln dramatisch, wobei die Anzahl der erzeugten Mikrokapseln erheblich anstieg. Die Membrandicke der Mikrokapseln erhöhte sich proportional zur Zunahme des äquivalenten Durchmessers der Mikrokapseln. Um die Transporteigenschaften (Durchlässigkeit) und den Molekulargewichtschwellenwert (Molecular weight cut-off MWCO) der pAAm-Alg-Mikrokapselmembranen zu bestimmen, Kurzfassung V die Informationen über die Porosität und indirekt auch über die Struktur der Mikrokapseln zu liefern, sind Diffusionsexperimente durchgeführt worden. Der Einfluss auf den Diffusionskoeffizienten von Dextran T1 und Glucose wurde für verschiedene Konzentrationen des Monomers Acrylamid (AAm), des Vernetzers N,N-Methylen-Bis-Acrylamid (Bis-AAm), des Initiators und des Silica-Additivs ermittelt. Die Diffusionskoeffizienten wurden mittels der Crank-Methode bestimmt, um die instationäre Diffusion aus einer endlich verdünnten Lösung in die Mikrokapseln zu untersuchen. Es ist beobachtet worden, dass die Diffusionskoeffizienten mit Zunahme von AAm-, Bis-AAm- und Silica-Additiv-Konzentrationen abnahmen, wobei die Veränderung der Initiator-Konzentration nur eine mäßige Auswirkung zeigte. Dementsprechend konnte die Porengröße der pAAm-Alg-Mikrokapselmembran allein durch die Einstellung der vorher erwähnten Parameter manipuliert werden. Ein breites Spektrum gelöster Stoffe - Glucose, Maltose, Dextran T1, Insulin, a-Lactalbumin und Trypsin - wurde verwendet, um den Molekulargewichtschwellenwert der pAAm-Alg-Mikrokapseln zu ermitteln. Es hat sich ergeben, dass der Molekulargewichtschwellenwert einer pAAm-Alg-Mikrokapsel 1 bis 5,7 kDa beträgt. Dieses deutet darauf hin, dass die pAAm-Alg-Mikrokapsel als eine größenselektive Mikrokapsel für Substrate in diesem Molekulargewichtsbereich angewendet werden kann. Zur Bestimmung der spezifischen und selektiven Eigenschaften verkapselter Enzyme in einer pAAm-Alg-Mikrokapselmembran wurden multi-kompetitive enzymatische Reaktionen durchgeführt. Die von der Lipase M.Miehei (MML) katalysierte Umesterung verschiedener Kettenlängen von Fettsäureethylestern (C2-C14) und Alkoholen mit unterschiedlichen Größen, wurde als Testreaktionssystem gewählt. Während das freie Enzym eine hohe Selektivität für den Fettsäureethylester mit einer langen Kettenlänge (ab C8-Ethylester) und Butanol aufwies, lieferte das verkapselte Enzym eine hohe Selektivität für den Fettsäureethylester mit einer kurzen Kettelänge (C4- und C6-Ethylester) und Methanol. Dies ist auf die hydrophilen Eigenschaften der pAAm-Alg-Mikrokapselmembran zurückzuführen. Die Regelung der selektiven Eigenschaften der pAAm-Alg-Mikrokapselmembran erfolgte durch das Einbringen verschiedener Konzentrationen des hydrophoben Comonomers Isopropyl-Acrylamid (IPPAAm) in die Mikrokapselhülle. Dazu wurden die multi-kompetitiven enzymatischen Reaktionen wiederholt. Die Resultate zeigten, dass die Kurzfassung VI Eigenschaften der Mikrokapsel durch die Modifizierung der Mikrokapselmembran geringfügig beeinflusst wurden. Bei niedrigen Konzentrationen von IPPAAm wies das verkapselte Enzym eine hohe Selektivität für den Fettsäureethylester mit einer kurzen Kette (C4- und C6-Ethylester) auf, wobei ein höherer Prozentsatz an IPPAAm (höher als 2,5%) eine Umsetzung der langkettigen Fettsäureethylester (ab C8-Ethylester) begünstigt. Dies beruht auf den hydrophoben Eigenschaften des IPPAAm-Monomers. Die modifizierte Mikrokapsel mit einer 10%-IPPAAm-Konzentration zeigte eine hohe Selektivität für das kleine Alkohol-Molekül (Methanol). Die Wiederverwendbarkeit wurde anhand der Durchführung mehrfacher Reaktionszyklen der verkapselten Enzyme in pAAm-Alg-Mikrokapseln getestet. Die verkapselten Enzyme wiesen sogar nach fünf Reaktionszyklen (insgesamt 240 Stunden) noch ca. 90% ihrer anfänglichen katalytischen Aktivität auf. Damit ist von einer hohen Stabilität der Mikrokapseln auszugehen.