Rasemik-2-pentanolün lipaz katalizli kinetik rezolüsyonu
Lipase catalyzed kinetic resolution of racemic-2-pentanol
Yazar: ASLI SOYER MALYEMEZ
Danışman: PROF. DR. EMİNE BAYRAKTAR
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, Alzhemir ilaçlarının üretiminde kiral ara bileşen olarak kullanılan sekonder alkol olan S-2-pentanolün, rasemik-2-pentanolün transesterleşmesi ile kinetik rezolüzosyununa enzim ve açil verici türünün, substrat derişiminin, açil verici/rasemik-2-pentanol mol oranının etkisi incelenmiş, Cevap Yüzey Yöntemi (RSM) ile substrat ve enzim derişiminin optimizasyonu yapılmıştır. Kesikli sistemde iç ve dış kütle aktarım kısıtlamaları incelenerek, tepkime kinetik modeli belirlenmiş, sürekli sistemde dolgulu biyoreaktörde üretim koşulları incelenmiş, dolgulu biyoreaktör modelleri oluşturularak çözülmüştür.
Öncelikle üretim parametrelerinin belirlenmesi için farklı enzimler, farklı açil vericiler  kullanılmıştır. Enzim olarak Novozyme 435, açil verici olarak vinil bütirat ile 30 dakikada S-2-pentanol için %99 enantiyomerik aşırılığa ve %50 dönüşüme ulaşılmıştır. Substrat ve enzim derişiminin kinetik rezolüsyona etkisine RSM ile sistematik olarak bakılmış, başlangıç tepkime hızını maksimum yapan koşullar belirlenmiştir. Maksimum koşul olarak 1500 mM substrat derişiminde 4 mg/ml enzimle 24.88 mM/dk başlangıç tepkime hızı elde edilmiş, deneysel olarak  ise 28.48 mM/dk elde edilmiş, modelin deney ile uyumlu olduğu görülmüştür. Tutuklanmış enzim kullanımında dış ve iç kütle aktarım kısıtlamaları araştırılmış, 150 rpm ve daha yukarı karıştırma hızında dış kütle aktarım kısıtlamasının, başlangıç tepkime hızının, incelenen aralıkta enzim tanecik boyutundan etkilenmemesi nedeniyle iç kütle aktarım kısıtlamasının ihmal edilebileceği belirlenmiştir.
Kesikli sistemde çalışılarak tepkime kinetiğinin inhibiyonsuz Ping Pong bi bi modeline uyduğu belirlenmiştir. Polymath 6.1 paket programı kullanılarak kinetik sabitler olarak maksimum hız, 4.16 mmol/dk/g enzim, alkol için KmA 103.73 mM, vinil bütirat için KmB 51.18 mM bulunmuştur.  
Sürekli sistemde L/D=10 ve L/D=12.5 olan iki farklı dolgulu kolon biyoreaktörde farklı akış hızlarında ve substrat derişimlerinde çalışılmış, sistem modellenmiş, MATLAB'de yazılan program ile çözülmüştür.

Abstract:
In this study, the effects of enzyme, acyl donor, substrate concentration and acyl donor/racemic-2-pentanol mol ratio on the kinetic resolution of racemic-2-pentanol, of which have been used as a key chiral intermediate required in the synthesis of several potential anti-Alzhemeir drugs, with transesterification were investigated, and substrate and enzyme concentration was optimized with Response Surface Methadology (RSM). Internal and external mass transfer limitations were studied at batch mode and reaction kinetic model was obtained. Then continuous flow production parameters and packed bed bioreactor models were built and solved.
First, production parameters were investigated with different type of enzyme and acyl donor. The optimum transesterification conditions were obtained with Novozyme 435 and vinil butyrate with the 50% conversion,  99% of enantiomeric excess for the substrate at 30 minutes. These condtions were used on the RSM and the optiumum conditions were obtained with 1500 mM substrate and 4 mg/ml enzyme concentration with 24.88 mM/min maximum initial reaction rate. Maximum initial reaction rate was verified expermentally, and obtained at 28.48 mM/min. The close rate values showed that the equation was suitable for the reaction. Due to the use of immobilized enzyme, external and internal mass transfer limitations were studied, and it is concluded that above 150 rpm external mass transfer limitation could be negligible and there were no internal mass transfer limitation due to the ineffectiveness of the enzyme particular size on initial reaction rate.
It was obtained that Ping Pong bi bi mechanism without inhibition was the appropriate reaction kinetic for this process according to the studies with batch mode. Kinetic parameters were determined with Polymath 6.1 software and maximum reaction rates, Km for R-2-pentanol and Km for vinyl butyrate were found 4.16 mmol/min/g enzyme, 103.73 mM and 51.18 mM, respectively.
Continuous flow mode studies were held with two different packed bed bioreactor, which had L/D=10 and L/D=12.5. Investigations were carried out with diffent flow rates and substrate concentrations and process model was solved with MATLAB.