Streszczenie ang - Wydział Chemii UMK

Efektywność pracy dwufazowego
reaktora z membraną enzymatyczną w oparciu o model sieciowy
Piotr Adamczak*, Józef Ceynowa, Izabela Leciak
Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu, Wydział Chemii
*
Tel.: (+4856) 6114517, Fax: (+4856) 6542477, E-mail: [email protected]
WSTĘP
Wykorzystanie bioreaktorów z mem-
zymatyczną pozwala na takie prowa-
branami enzymatycznymi jest ciągle
dzenie procesu aby wpływ niepożąda-
ograniczone przez duży spadek ak-
nych efektów ograniczyć do minimum.
tywności enzymu, spowodowany za-
Typowym przykładem procesu, w któ-
równo przez proces immobilizacji, jak
rym wpływ wymienionych ograniczeń
i wszelkiego typu ograniczenia trans-
jest szczególnie widoczny jest hydroli-
portu reagentów do i ze środowiska
za triglicerydów w dwufazowym reak-
reakcji. Procesy te w znaczącym
torze
stopniu wpływają również na zjawisko
Opracowany model matematyczny ta-
odwracalnej inhibicji biokatalizatora
kiego reaktora pozwala na określenie
reagentami zalegającymi w środowi-
warunków prowadzenie procesu hydro-
sku reakcji. Znajomość wpływu wa-
lizy w celu uzyskania wysokiej wydaj-
runków prowadzenia procesu na wy-
ności reaktora, bądź założonego skła-
dajność bioreaktora z membraną en-
du
z
membraną
mieszaniny
enzymatyczną.
poreakcyjnej.
MODEL REAKTORA
Pełny opis modelu reaktora przedsta-
wracalną dezaktywację lipazy oraz nie-
wiono w pracy [1]. Założono w nim
odwracalną
ścisłe powiązanie procesów kinetycz-
procesy dyfuzyjnego transportu re-
nych i transportowych. Zaproponowa-
agentów do i z środowiska reakcji do
ny model uwzględnia zarówno proce-
reaktora i z niego do zbiorników ze-
sy chemiczne zachodzące w reakto-
wnętrznych.
rze (reakcję hydrolizy triglicerydu, od-
inhibicję enzymu), jak i
Rys. 1 Model przedziałowy reaktora
Hydrofilowa membrana z powierzch-
procesy dezaktywacji lipazy zachodzą w
niowo immobilizowanym enzymem se-
warstwie reakcyjnej ( r ), zlokalizowanej
paruje dwie fazy - organiczną (trigliceryd
w membranie i w przymembranowej war-
T) i wodną (bufor fosforanowy). Glicerol
stwie olejowej. Procesy dyfuzji reagentów
G powstający w warstwie reakcyjnej w
hydrofobowych zachodzą w warstwach
wyniku enzymatycznej hydrolizy triglice-
reakcyjnej (r) i przymembranowej war-
rydu dyfunduje przez hydrofilową mem-
stwie dyfuzyjnej (1,2) oraz komorze reak-
branę do fazy wodnej (n), a następnie
tora (n). Procesy dyfuzyjnego transportu
hydrodynamicznie
zewnętrznego
glicerolu zachodzą w hydrofilowej mem-
zbiornika. Pozostałe produkty A – kwasy
branie podzielonej na warstwy (r,1,2,3) i
tłuszczowe, D – diglicerydy, M – mono-
w komorze reaktora (n). Procesy hydro-
glicerydy, dyfundują z warstwy reakcyj-
dynamicznego transportu reagentów za-
nej do fazy olejowej (n), a następnie są
chodzą z odpowiednich komór reaktora
transportowane hydrodynamicznie do
(n) do zewnętrznych zbiorników faz (z).
do
zbiornika fazy olejowej. Wszystkie etapy
Na
elementarny
cykl
reakcyjno
–
chemiczne hydrolizy oleju, inhibicji lipa-
transportowy w opracowanym modelu
zy kwasami tłuszczowymi jak również
składają się następujące procesy:
•
Reakcja hydrolizy tri-, di-, oraz monoglicerydów
•
•
Procesy transportu reagentów z warstwy reakcyjnej do zbiorników faz
Procesy nieodwracalnej i odwracalnej
(Kompletny
model
sieciowy
inhibicji i enzymu
przedstawiono w pracy [1])
reaktora
ANALIZA EFEKTYWNOŚCI REAKTORA
Analiza modelu wykazała, że efektywność pracy reaktora zależy przede
- stałej szybkości reakcji inhibicji lipazy
powstającymi kwasami tłuszczowymi,
- stężenia lipazy immobilizowanej na
wszystkim od:
- dyfuzyjnego transportu glicerydów z i
membranie.
do warstwy reakcyjnej,
Charakterystyka hydrolizy triglicerydu limitowana kinetyką reakcji
Symulację procesu hydrolizy w warun-
- stężenie lipazy w warstwie reakcyjnej
5.04⋅10-7
kach ograniczeń kinetycznych prowa-
jest
dzono przy następujących założeniach:
6.30⋅10-5 (mol cm-3 ).
- szybkość reakcji inhibicji kwasami
Efekt ograniczeń kinetycznych reakcji
tłuszczowymi
jest
zaniedbywalnie
mała (kinh. =0),
w
zakresie
od
do
hydrolizy jest szczególnie dobrze widoczny przy stężeniach enzymu nie
- szybkość dyfuzji kwasów tłuszczo-
przekraczających 1×10-5 mol cm-3. Wyniki
wych i glicerydów jest duża i wynosi
symulacji (dla stężenia enzymu 5.04×10-7
1⋅10-6 (cm2 s-1),
mol cm-3) przedstawiono na Rys. 2.
-3
Stężenie mono- i diglicerydów ·103 [mole cm ]
0.4
-3
Stężenie kwasów tł. i gliceryny · 103 [mole cm ]
3.5
3.0
0.3
2.5
Kwasy tł.
Gicerol
Diglicerydy
Monoglicerydy
2.0
0.2
1.5
1.0
0.1
0.5
0.0
0.0
0
1
2
3
4
Czas reakcji [h]
Rys. 2. Czasowe zmiany stężenia reagentów w procesie hydrolizy limitowanej kinetyką reakcji
Obserwowane maksima stężeń mono-
metrii reakcji (1:3), i wynosi dla stopnia
(M) i diglicerydów (D) w zbiornikach faz i
przereagowania 25%
warstwie reakcyjnej są wyraźnie roz-
wyższych stężeń immobili-zowanej lipazy
dzielone. W początkowym okresie prze-
maksima stężeń M i D obserwowane w
biegu reakcji stosunek stężenia glicerolu
zewnętrznych zbior-nikach faz przesuwa-
do kwasów tłuszczowych jest zdecydo-
ją się do wyższych stopni przereagowa-
wanie niższy niż wynika to ze stechio-
nia (około ~60% konwersji)
około 1:15. Dla
(Fig.3).
400
CE=6.30·10-6 mol cm-3
CE=1.26·10-5 mol cm-3
Stężenie ·106 [mole cm-3]
D1
CE=2.52·10-6 mol cm-3
CE=5.04·10-7 mol cm-3
300
D2
M1
M2
200
M3
100
D3
M4
D4
0
0
20
40
60
80
100
Stopień konwersji [%]
Rys.3. Stężenia mono i diglicerydów w funkcji stopnia przereagowania dla
różnych stężeń lipazy w warstwie reakcyjnej
Efekt ten jest wynikiem wzrostu dyfuzyj-
drolizy akumulują się w warstwie reakcyj-
nych ograniczeń w transporcie glicery-
nej i przymembranowych warstwach dy-
dów i kwasów tłuszczowych z i do war-
fuzyjnych, nie opuszczając środowiska
stwy reakcyjnej; przy dużym stężeniu li-
reakcji wchodzą w dalsze etapy hydroli-
pazy szybko powstające produkty hy-
zy.
Charakterystyka procesu hydrolizy kontrolowanego procesami dyfuzji glicerydów
i kwasów tłuszczowych
Symulację pracy reaktora w warun-
- współczynnik przenikania glicerydów
kach ograniczeń transportu dyfuzyjnego
w warstwie olejowej jest równy Pol =
glicerydów przeprowadzono dla nastę-
4.0×10-8 (cm2 s-1), oraz
pujących parametrów modelu:
- brak inhibicji odwracalnej enzymu –
kinh = 0,
- wartości stężeń enzymu w warstwie
reakcyjnej od 5.04×10-7 do 6.30×10-5
(mol cm-3).
(stęż. lipazy 6.30×10-5 mol
glicerydów
kontrolowanego procesami transportu
cm-3) przedstawiono na Rys. 4 A i B.
-3
Stężenie mono- i diglicerydów ·103 [mol cm ]
0.005
A
-3
Stężenie kwsaów tł. i glicerolu · 103 [mol cm ]
Wybraną symulację procesu hydrolizy
3.0
0.004
Kwasy tł.
Glicerol
Diglicerydy
Monoglicerydy
2.0
0.003
0.002
1.0
0.001
0.0
0.000
0.0
0.3
0.6
0.9
1.2
1.5
Czas reakcji [h]
0.012
B
3.0
0.010
Kwasy tł.
Glicerol
Diglicerydy
Monoglicerydy
2.5
2.0
0.008
0.006
1.5
0.004
1.0
0.002
0.5
0.0
Stężenie mono- i diglicerydów·103 [mol cm-3]
Stężenie kwasów tł. i glicerolu ·103 [mol cm-3]
3.5
0.000
0.0
0.3
0.6
0.9
1.2
1.5
Czas reakcji [h]
Rys. 4.. Czasowe zmiany stężenia reagentów od czasu reakcji hydrolizy dla procesu kontrolowanego dyfuzją glicerydów i kwasów tłuszczowych; A – zewnętrzne
zbiorniki faz, B – warstwa reakcyjna
Proces o ograniczeniach dyfuzyjnych
warstwie reakcyjnej hydroliza triglicerydu
jest znacznie wolniejszy niż proces limi-
zachodzi do kwasów tłuszczowych i gli-
towany kinetyką reakcji, maksimum stę-
cerolu, a powstające produkty pośrednie
żenia mono- i diglicerydów obserwowa-
nie opuszczają środowiska reakcji. Sto-
ny w zewnętrznych zbiornikach faz po-
sunek stężeń glicerolu do kwasów tłusz-
jawia się dla obu produktów przy stopniu
czowych jest w całym zakresie czasów
konwersji ok. 60 % i jest zdecydowanie
reakcji bliski 1:3 (Rys.5).
niższe. Wskazuje to (Rys. 4. B), że w
Stosunek stęż. glicerolu do kwasów tł.
0.35
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
Ograniczenia kinetyczne
Ograniczenia dyfuzyjne
0.05
0.00
0
20
40
60
80
100
Stopień konwersji [%]
Rys. 5. Stosunek stężeń glicerolu do kwasów tłuszczowych w funkcji stopnia
przereagowania dla procesów hydrolizy o ograniczeniach kinetycznych i dyfuzyjnych
Wpływ ograniczeń dyfuzyjnych na pro-
przereagowania dla różnych współczyn-
ces hydrolizy jest widoczny na Rys. 6.
ników dyfuzji glicerydów w warstwie ole-
Przedstawiono na nim krzywe stężenia
jowej.
di i monoglicerydów w funkcji stopnia
70
D1
60
Stężenie ·106 [mole cm-3]
M1
50
Pol =4.8·10-8 cm 2 s-1
40
Pol =2.0·10-7 cm 2 s-1
Pol =1.0·10-6 cm 2 s-1
D2
30
M2
20
10
D3
M3
0
0
20
40
60
80
100
Stopień konwersji [%]
Rys. 6. Zależność stężenia mono- i diglicerydów od stopnia przereagowania
dla różnych współczynników dyfuzji glicerydów w warstwie olejowej
Dwie najwyższe krzywe były wcześniej
lipazy. Wraz ze wzrostem ograniczeń dy-
klasyfikowane jako procesy hydrolizy li-
fuzyjnych stężenia produktów pośrednich
mitowanej kinetyką z dużym udziałem
(mono- diglicerydów) obserwowane
ograniczeń
obserwowa-
zewnętrznych zbiornikach faz zmniejsza-
nych dla dużych stężeń immobilizowa-
ją się, a stosunek stężenia glicerolu do
nej lipazy (Rys. 3.). Pozostałe krzywe,
kwasów tłuszczowych (dla 20% przere-
dla niższych współczynników dyfuzji
agowania) zbliża się do 1:3.
dyfuzyjnych,
w
otrzymane są przy tym samym stężeniu
Charakterystyka procesu limitowanego procesami inhibicji
Symulację procesu hydrolizy, w któ-
- stała inhibicji odwracalnej
2.50×104 (s-1),
rym dominującym efektem są procesy
odwracalnej inhibicji enzymu powstającym
produktem
reakcji
- współczynnik przenikania glicerydów
Pol =1.0×10-6 (cm2 s-1), oraz
prowadzono
analogicznie jak w przypadku poprzednich procesów zakładając, że:
kinh =
-
stężenia enzymu w warstwie reakcyjnej od 5.04×10-7 do 6.30×10-5 (mol cm3
).
Charakter obliczonych krzywych zależ-
(szybkość
konwersji
ności stężeń reagentów w zbiornikach
zdecydowanie niższa.
triglicerydu)
jest
zewnętrznych i w warstwie reakcyjnej od
Na Rys. 7. przedstawiono zależ-
czasu reakcji jest zbliżony do obserwo-
ność produkcji kwasów tłuszczowych od
wanych w procesie o ograniczeniach ki-
stężenia immobilizowanej lipazy dla pro-
netycznych, ale efektywność reaktora
cesów hydrolizy z różnymi ograniczeniami.
Produkcja kwasów tł. ·103 [mol cm-3h-1]
14.0
12.0
10.0
Ograniczenia
8.0
- kinetyczne
- inhibicja lipazy
- dyfuzja glicerydów
- dyfuzja i inhibicja
6.0
4.0
2.0
0.0
0
10
20
30
40
50
6
-3
60
70
Stężenie lipazy · 10 [mol cm ]
Rys. 7. Zależność produkcja kwasów tłuszczowych od stężenia immobilizowanej lipazy dla różnych ograniczeń procesu hydrolizy
Poszczególne krzywe różnią się znacz-
ograniczeniach dyfuzyjnych jest nasyce-
nie i eksperymentalnie otrzymane krzy-
niowy charakter krzywej produkcji kwa-
we mogą być podstawą do określenia
sów tłuszczowych od stężenia lipazy.
efektów limitujących całkowity proces
Zwiększanie stężenia enzymu w mem-
hydrolizy. Ponadto, stosunek stężeń gli-
branie ponad pewną wielkość graniczną
cerolu do kwasów tłuszczowych bliski
jest w tym przypadku niecelowe. Charak-
1:3 dla niskich stopni przereagowania
ter zależności tego procesu jest jako-
(10-20%), może być szybkim wskaźni-
ściowo zgodny z procesem hydrolizy opi-
kiem dyfuzyjnych ograniczeń procesu.
sanym w pracy E. Drioli i współp. [3-4].
Cechą charakterystyczną procesu o
Jak było pokazane reaktor pracujący przy
ograniczeniach dyfuzyjnych produkuje
Omówione procesy w reaktorze z tą sa-
glicerol i kwasy tłuszczowe w stosunku
ma ilością immobilizowanego enzymu
bliskim 1:3 w całym zakresie stopni
różnią się również aktywnościami mem-
przereagowania. Oznacza to, że dla ta-
brany, co łatwo można zauważyć na
kich procesów z dobrym przybliżeniem
Rys.8. W przypadku procesu o ograni-
można stosować uproszczony model
czeniach kinetycznych obserwuje się
Michaelisa-Menten do opisu kinetyki re-
najwyższą aktywność membrany w całym
akcji hydrolizy triglicerydu [3-6].
zakresie stopni przereagowania.
Aktywność membrany [mol cm-3h-1mgenz-1]
0.8
Ograniczenia
Kinetyczne
dyfuzyjne
Inhibicja
dyfuzja i inhibicja
0.6
0.4
0.2
0.0
0
20
40
60
80
100
Stopień konwersji [%]
Rys. 8. Zależność aktywności membrany od stopnia przereagowania przy
różnych ograniczeniach procesu hydrolizy
Przedstawione ogólne zależności po-
dyfuzyjnej i inhibicji są znacząco zredu-
między parametrami prowadzenia pro-
kowane. Wprowadzone zmiany dotyczą
cesu hydrolizy a uzyskiwanymi wydaj-
zarówno postaci membrany enzymatycz-
nościami reaktora enzymatycznego po-
nej (membrany kapilarne), sposobu im-
zwoliły na zaprojektowanie nowego re-
mobilizacji lipazy, jak i samego sposobu
aktora, w którym ograniczenia natury
prowadzenia procesu hydrolizy.
WNIOSKI
° Największą efektywność pracy reaktora uzyskuje się w warunkach, gdy o
procesie decyduje kinetyka reakcji.
produktów hydrolizy z fazy wodnej i
olejowej.
° W przypadku silnych ograniczeń dyfu-
takiego
zyjnych i związanej z tym inhibicji pro-
procesu jest wyraźny wzrost wydaj-
duktem reakcji, szczególne znaczenie
ności reaktora wraz ze wzrostem stę-
w poprawie wydajności pracy mają
żenia enzymu w warstwie reakcyjnej,
odpowiednie właściwości transporto-
a obserwowane czasowe zmiany
wo-separacyjne membran oraz lokali-
produktów reakcji hydrolizy są cha-
zacji enzymu immobilizowanego w
rakterystyczne dla reakcji następ-
membranie.
Cechą
charakterystyczną
czych.
° Istotne znaczenie praktyczne mają
° Model pozwala na ustalenie warun-
wskazania wynikające z analizy mode-
ków prowadzenia procesu ciągłego,
lu co do celowości lub braku uzasad-
przy których jest możliwe uzyskiwa-
nienia w zwiększaniu gęstości za-
nie zwiększonych ilości mono- i / lub
szczepienia enzymu w membranie.
diglicerydów o założonym stosunku
Zwiększanie gęstości zaszczepienia
mono- do diglicerydów. Wymaga to
enzymu ma sens tylko w przypadku
prowadzenia procesu w warunkach
reaktora o ograniczeniach kinetycz-
stacjonarnych i związanego z tym
nych.
opracowania technik ciągłej separacji
Literatura
[1] Ceynowa J., Adamczak P., Staniszewski M., Kinetics of Olive Oil Hydrolysis on Membrane Reactor. I
Bond Graph Network Model of Reactor Performance, Biotechnologica Acta 17 (1997) 161-176
[2] Ceynowa J., Adamczak P., Enzyme Membrane Based Upon Poliamide-6 for Oil Hydrolysis, Journal Applied Polymer Science, 46 (1992) 749-755
[3] Molinari R, Santoro M.,E., Drioli E., Study and Comparison of Two Enzyme Membrane Reactors for Fatty
Acids and Glycerol Production, Ind. Eng. Chem. Res., 33(11) (1994) 2591.
[4] Giorno l., Molinari R., Drioli E., Bianchi D., Cesti P., Performance of a Biphasic Organic/Aqueous Hollow
Fibre Reactor Using Immobilized Lipase, J. Chem. Tech. Biotechnol., 64 (1995) 345-352.