Blasensäulenreaktor

Bereits im Bereich für Schülerinnen und Schüler wurde im Unterkapitel Herstellungsmethoden kurz auf den Vergleich des konventionellen und des biokatalytischen Prozesses eingegangen.

Um den Biokatalysator, die Lipase, in wasserfreien Reaktionsmedien einsetzen zu können, wird dieser auf einem heterogenen Träger immobilisiert. Die Lipase als Protein ist in Wasser löslich, aber nicht in der Fettsäure, dem Fettalkohol oder dem Fettsäureester. Bei der im folgenden Video vorgestellten Veresterungsreaktion handelt es sich um zwei nicht mischbare flüssige Ausgangsstoffe, welche durch die Begasung mit Luft im Blasensäulenreaktor durchmischt werden. Der Biokatalysator wird als Immobilisat, d. h. an einen heterogenen Träger angebundenen Biokatalysator, hinzugegeben. Final resultiert ein vierphasiges Reaktionssystem.1 In dem speziell hier vorgestellten Experiment haben Polyglycerol als Reaktionskomponente und der gebildete Fettsäureester eine ähnlich hohe Viskosität wie Honig.

Durch den Einsatz des Blasensäulenreaktors für die Veresterung in dem vierphasigen Reaktionssystem ergeben sich drei Vorteile im Vergleich zu einem klassischen Rührkesselreaktor:

  1. Energieeintrag zur Durchmischung der Reaktionsphase bei geringen Scherkräften (Wird dieses vierphasige Reaktionssystem mit einem hängenden Rührer in einem Rührkessel durchmischt, so tritt an den Rührblättern des Rührers eine große Scherung auf, welche zur Zerstörung der Träger des Biokatalysators führt. Dieses ist nicht der Fall bei Einsatz des Blasensäulenreaktors2 ).
  2. Durch die durchströmende Gasphase wird das Reaktionswasser ausgetragen und dadurch das Reaktionsgleichgewicht auf die Seite der Produkte zu maximalem Umsatz verschoben.
  3. Durch die im vierphasigen Reaktionsgemisch vorliegenden Gasblasen verringert sich die makroskopische Viskosität des Gesamtsystems. Dieses lässt sich dadurch effizienter durchmischen als in einem klassischen Rührkesselreaktor.

Das folgende Video zeigt nun ausführlich einen typischen Versuchsaufbau und die Versuchsdurchführung einer Veresterung in einem Blasensäulenreaktor in der Bioverfahrenstechnik.

Vor der Einführung des Blasensäulenreaktors für die Veresterung von viskosen Reaktionssystemen war Stand der Technik der Einsatz eines Festbettreaktors. Hierbei wird der immobilisierte Biokatalysator als Festbett in ein Rohr gepackt, und die Reaktanden kontinuierlich durch dieses Festbett hindurch gepumpt. Diese Technologie ist aber nur für niedrigviskose einphasige Reaktionssysteme anwendbar. Höherviskose Ausgangsstoffe, wie in dem Video gezeigten Beispiel, können so nicht umgesetzt werden, und es würde zu einem großen Druckabfall über die Reaktorlänge kommen. Dieses ist vergleichbar mit dem Versuch, Honig durch einen Kaffeefilter laufen zu lassen.

1. L. Hilterhaus, O. Thum and A. Liese, Reactor concept for lipase-catalyzed solvent-free conversion of highly viscous reactants forming two-phase systems, Organic Process Research Development, 12 (4) (2008), 618-625, DOI: 10.1021/op800070q ↩
2. A. Prediger, A. Bluma, T. Höpfner, P. Lindner, S. Beutel, J. J. Müller, L. Hilterhaus, A. Liese and T. Scheper, In-situ-Mikroskopie zur online-Überwachung von Enzymträgern und Zweiphasenprozessen, Chemie Ingenieur Technik, 83 (6) (2011), 884-887, DOI: 10.1002/cite.201000203 ↩

Fragen:

Hier werden nun einige Fragen gestellt, die die verschiedenen Vorteile der Veresterung im Blasensäulenreaktor beleuchten sollen. Also diskutiere Deine Antworten und Dein Verständnis der zugrundeliegendenen Theorien mit anderen Nutzer/innen. Nutze hierzu das Forum "Veresterung in der Blasensäule" (siehe unten).

  • Welche verschiedenen Aspekte haben Einfluss auf die Durchmischung der beiden Phasen mittels der aufsteigenden Blasen?

  • Warum verursachen die Blasen eine Gleichgewichtsverschiebung zugunsten vom Produkt?

  • Die Synthese des Fettsäureesters wird ohne Lösungsmittel durchgeführt. Welche Vorteile ergeben sich hierdurch für das spätere Produkt oder aus ökologischen Gesichtspunkten?

  • Welche Eigenschaften besitzt Polyglycerol und wie wird es hergestellt?

  • Welche verschiedenen Vorteile hat die Veresterung in einem Blasensäulenreaktor?

Veresterung in der Blasensäule