Analysis of process intensificaiton in enzyme catalyzed reactions using ultrasound
Creators: name: Ajmal, Muhammad
Publisher: name: Verlag Dr. Hut
Year: 2016
Subjects: subject: Enzyme, Ultrasound, Cavitaion, Esterification, Oleic Acid, Lipozyme CALB, Lipozyme 435
classificationCode: 500
subject: Naturwissenschaften

description: Enzyme sind Proteine, die als Biokatalysatoren chemische Reaktionen katalysieren. Ihre Einsatzmöglichkeiten in der chemischen Prozessindustrie werden momentan aktiv untersucht. Die entscheidenden Vorteile von Enzymen sind ihre hohe Selektivität und ihre Katalysatorwirkung bei milden Betriebsbedingungen. Die hohe Selektivität reduziert bzw. verhindert dabei die Nebenproduktbildung [1]. Milde Reaktionsbedingungen ermöglichen es die Energieeffizienz und Sicherheit von Prozessen deutlich zu erhöhen. Der Einsatz von Enzymen trägt zusätzlich zu einer nachhaltigen Prozessentwicklung bei. Enzyme (Proteine) sind natürlich abbaubar und werden von Mikroorganismen hergestellt, deren Fermentation primär mit nachwachsenden Rohstoffen durchgeführt wird. Diese Studie untersucht die Intensivierung von enzymkatalysierten Reaktionen mit Ultraschall (US) aus der Sicht der Prozessauslegung. Vor Beginn der Arbeit wurde eine ausführliche Literaturrecherche durchgeführt. Auf Basis dieser Ergebnisse wurde eine Forschungsmethodik entwickelt, mit der das Phänomen detailliert und systematisch untersucht werden kann. Nach dieser Vorgehensweise unterteilt sich die Arbeit in zwei Teile. Der erste Teil legt den Schwerpunkt auf das Verständnis der ablaufenden Prozesse. Im zweiten Teil wird ein Reaktorkonzept für den Einsatz im industriellen Maßstab entwickelt und getestet. Für das grundlegende Prozessverständnis wird der Einfluss von kavitierendem bzw. nicht-kavitierendem Ultraschall sowie freiem und immobilisiertem Enzym auf die Reaktion untersucht. Dabei werden die Einflüsse der relevanten Betriebsparameter systematisch getestet. Dieser systematische Ansatz unterstützt das Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen des Phänomens. Erstmals wurden die notwendigen Voraussetzungen für eine Prozessintensivierung mit Ultraschall identifiziert. Zusätzlich wurde die Stabilität der Enzyme nach dem Ultraschalleinsatz getestet und damit ihre Wiederverwendbarkeit untersucht. Im zweiten Teil der Untersuchungen wird ein Reaktorkonzept für den Einsatz von einem durch Ultraschall intensiviertem Prozess im Industriemaßstab entwickelt und getestet. Zusätzlich werden energieeffiziente Betriebsbedingungen für den Ultraschallreaktor getestet. Enzymbasierte selektive Prozesse sind in der Industrie etabliert. Daher kann das gewonnene Wissen nicht nur zur Entwicklung neuer Prozesse dienen, sondern auch zur Verbesserung existierender genutzt werden.
description: Enzymes are biological catalysts in the form of protein which catalyze chemical reactions. They are being actively investigated for their application in chemical process industry. The key advantages associated with enzymes include their high specificity and ability of functioning at milder operating conditions. High specificity helps to minimize or eliminate side product formation [1]. Capability to function at milder operating conditions enables considerable energy efficiency and safety of the process. They also contribute to sustainable development as due to protein nature they are biodegradable and are isolated from microorganisms which are fermented using primarily renewable resources. In context of present study, intensification of enzyme catalyzed reactions using US is investigated from process engineering viewpoint. Before starting the work a comprehensive literature survey is carried out. Based on literature results a research methodology was developed to study the phenomenon in a detailed and systematic manner. According to developed methodology the work is divided into two parts. In the first part emphasis is on fundamental understanding of the phenomenon. In part 2 a reactor concept for industrial scale application of the phenomenon is developed and tested. For fundamental understanding effect of non-cavitating and cavitating ultrasound on functioning of free as well as immobilized enzymes is studied. Effect of relevant operating parameters is investigated in a systematic manner. This systematic approach has helped to understand the underlying mechanisms of the phenomenon. For the first time conditions necessary to achieve intensification effect of ultrasound are identified. Post sonication stability of enzymes was also tested to determine the reusability of enzymes. In part 2 of the study a reactor concept for large scale application of intensification effect from ultrasound was also developed and tested. Approaches for energy efficiently operation of the ultrasonic reactor are also tested. Processes based on the selected enzymes are well established in the industry. Therefore from the gained knowledge not only the new processes but the existing processes can also benefit.