Knowledge base: Warsaw University of Technology

Settings and your account

Back

Kinetic resolution of enantiomers in membrane reactor

Aleksandra Rowicka

Abstract

-
Record ID
WUT77faf8be00d748008b78586d5fb77cf1
Diploma type
Master of Science
Author
Aleksandra Rowicka Aleksandra Rowicka,, Undefined Affiliation
Title in Polish
Kinetyczny rozdział enancjomerów w reaktorze membranowym
Supervisor
Katarzyna Dąbkowska (FCPE/DBBE) Katarzyna Dąbkowska,, Department of Biotechnology and Bioprocess Engineering (FCPE/DBBE)Faculty of Chemical and Process Engineering (FCPE)
Certifying unit
Faculty of Chemistry (FC)
Affiliation unit
Department of Biotechnology and Bioprocess Engineering (FCPE/DBBE)
Study subject / specialization
, Biotechnologia Przemysłowa
Language
(pl) Polish
Status
Finished
Defense Date
24-01-2012
Issue date (year)
2012
Keywords in Polish
-
Keywords in English
-
Abstract in Polish
Ze względu na często różną aktywność biologiczną enancjomerów tej samej cząsteczki chemicznej, otrzymywanie substancji enancjomerycznie czystych stanowi wielkie wyzwanie dla przemysłu farmaceutycznego i chemicznego. Spośród znanych metod otrzymywania pojedynczych enancjomerów na szczególną uwagę zasługuje rozdział kinetyczny mieszaniny racemicznej. W metodzie tej wykorzystuje się różnice w szybkości reakcji poszczególnych enancjomerów z danym reagentem, które obserwuje się dzięki obecności w reakcji enancjoselektywnych biokatalizatorów. W idealnym przypadku przemianie do produktu ulega tylko jeden enancjomer substratu. Po reakcji otrzymuje się wówczas mieszaninę nieprzereagowanego pojedynczego enancjomeru substratu oraz czystego enancjomerycznie produktu. Pojedyncze enancjomery kwasu migdałowego i jego pochodnych (o konfiguracji R bądź S) są cennymi związkami stosowanymi jako chiralne bloki budulcowe lub czynniki pomocnicze w syntezie wielu enancjomerycznie czystych substancji o działaniu leczniczym. Wykorzystuje się je m.in. do otrzymywania leków przeciwnowotworowych, antydepresyjnych, czy też antybiotyków z grupy cefalosporyn. W niniejszej pracy zbadano efektywność kinetycznego rozdziału enancjomerów kwasu O-acetylomigdałowego na drodze enancjoselektywnej reakcji hydrolizy prowadzonej w dwufazowym, enzymatycznym bioreaktorze membranowym. Reaktor składał się z dwóch komór oddzielonych płaską, asymetryczną membraną ultrafiltracyjną o właściwościach hydrofilowych. Katalizatorem badanej reakcji była lipaza z Burkholderia cepacia unieruchomiona w porach membrany na drodze filtracji jej roztworu przez membranę. Membrana, obok funkcji katalitycznej, stanowiła granicę kontaktu niemieszających się ze sobą faz organicznej i wodnej, przepływających po jej obu stronach. Fazę organiczną stanowił eter izopropylowy, w którym rozpuszczono główny substrat reakcji (kwas (R,S)-O-acetylomigdałowy). Faza wodna stanowiła drugi substrat reakcji, ale jej zadaniem było także selektywne odbieranie produktów hydrolizy z przestrzeni reakcyjnej. Taki układ ma szereg zalet w porównaniu do tradycyjnych bioreaktorów. Są to m.in.: możliwość prowadzenia procesu w sposób ciągły, zmniejszenie efektu inhibicji produktem oraz zwiększenie stabilności biokatalizatora dzięki jego unieruchomieniu. Pierwszym etapem badań był wybór membrany do prowadzenia procesu w reaktorze membranowym. Jako kryterium przyjęto największą wydajność unieruchomienia w porach membrany białka enzymatycznego. Stosowano trzy membrany polieterosulfonowe różniące się zdolnością separacyjną. Punty odcięcia membran wynosiły odpowiednio 10kDa, 20kDa i 30kDa. Wyznaczono współczynniki przepuszczalności membran względem ultraczystej wody. Dla membran o punktach odcięcia 10kDa i 20kDa przyjmują one zbliżone wartości (odpowiednio 106,33 i 113,33 dm3/(m2·h·bar)), zaś dla membrany 30kDa współczynnik przepuszczalności jest znacznie niższy i wynosi 29,67 dm3/(m2·h·bar). Ilość białka unieruchomionego w porach membran oznaczano z bilansu masowego – na podstawie różnicy ilości białka w roztworze wyjściowym oraz w retentacie, permeacie i w objętości buforu, którym płukano membranę po immobilizacji. Otrzymane wyniki oznaczeń wskazują, że największa ilość białka została unieruchomiona w porach membrany o punkcie odcięcia 20 kDa. Z tego względu membrana ta została użyta do badań rozdziału enancjomerów w bioreaktorze membranowym. Kolejny etap badań obejmował określenie wpływu ciśnienia transmembranowego na efektywność badanego rozdziału enancjomerów w reaktorze membranowym. Przeprowadzono reakcję hydrolizy kwasu O-acetylomigdałowego z zastosowaniem czterech wartości ciśnienia transmembranowego (0,05; 0,1; 0,15 i 0,2 bar) przy ustalonych wartościach przepływu fazy wodnej i organicznej wynoszących 10ml/min. Reakcje prowadzono przez ok. 50 godzin. W ich trakcie, z obu faz pobierano próbki, w których chromatograficznie oznaczano stężenia enancjomerów substratu i produktu. Otrzymane wyniki wskazują, że im większe ciśnienie transmembranowe zastosowane od strony fazy organicznej (w zakresie od 0,05 – 0,15 bar) tym reakcja zachodzi szybciej. Wynika to prawdopodobnie z faktu, że przy wyższym ciśnieniu strumień substratu głębiej wnika do wnętrza membrany, zatem większa jest przestrzeń kontaktu substratu z enzymem. Ciśnienie wynoszące 0,2 bar okazało się być zbyt wysokie i dochodziło w tym przypadku do przebicia membrany, czego skutkiem było wymieszanie się fazy organicznej z fazą wodną. W następnym etapie doświadczeń zbadano wpływ szybkości przepływu fazy wodnej na szybkość reakcji w bioreaktorze membranowym. Badania prowadzono przy ustalonej wartości ciśnienia transmembranowego (0,1 bar) oraz przy szybkości przepływu fazy eterowej (10 ml/min). Na podstawie otrzymanych wyników można stwierdzić, że wraz ze wzrostem szybkości przepływu fazy wodnej reakcja biegnie szybciej. Zaobserwowane zależności wynikają prawdopodobnie z faktu, iż przy większych wartościach szybkości przepływu fazy wodnej produkty hydrolizy (hamujące reakcję) są szybciej odbierane z przestrzeni reakcyjnej. Niezależnie od warunków prowadzenia procesu w reaktorze membranowym reakcji hydrolizy ulegał wyłącznie enancjomer S substratu. Poza tym wyniki przeprowadzonych badań wskazują, że nieprzereagowany substrat reakcji pozostaje głównie w fazie organicznej. Z kolei produkt hydrolizy (kwas (S)-migdałowy) selektywnie przechodzi do fazy wodnej niezależnie od zastosowanych warunków prowadzenia reakcji. Jego stężenie rośnie w czasie w obu fazach, jednak w fazie wodnej przyjmuje znacznie większe wartości.
File
  • File: 1
    A.Rowicka.Kinetyczny rozdział enancjomerów w reaktorze membranowym.pdf
Request a WCAG compliant version

Uniform Resource Identifier
https://repo.pw.edu.pl/info/master/WUT77faf8be00d748008b78586d5fb77cf1/
URN
urn:pw-repo:WUT77faf8be00d748008b78586d5fb77cf1

Confirmation
Are you sure?
Report incorrect data on this page