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Biokatalyse - Hochviskose Esteröle - Kosmetik

Innovativ: Der Blasensäulenreaktor mischt zähflüssige Substanzen für Kosmetika auf

von Dr. Lutz Hilterhaus, Prof. Dr. Andreas Liese

Hautcremes und Duschgels kennen und nutzen alle. Ihre Komponenten und deren Produktion sind hingegen eher unbekannt. Viele dieser Komponenten sind Ester langkettiger Fettsäuren und ihre Herstellung basiert meist auf der Verwendung klassisch chemischer Katalysatoren bei hohen Temperaturen. Hier bietet die Biokatalyse die Möglichkeit bei weit milderen Reaktionsbedingungen mit deutlich höheren Reinheiten Produkte für den Personal Care Bereich herzustellen. Es stellt sich jedoch die Frage: Sind derartige biokatalytische Reaktionen für alle diese Komponenten technisch umsetzbar?

Ein neuer Reaktor macht’s möglich

Esteröle sind grenzflächenaktive Substanzen, die in Körperpflegeprodukten als Emulgatoren oder als Ölphase eingesetzt werden. Sie werden in großer Menge aus Alkoholen und Fettsäuren produziert, wobei diese in vielen Fällen auf nachwachsenden Rohstoffen basieren. Aus ökologischen und ökonomischen Gründen ist die Synthese mittels Enzymkatalyse in lösungsmittelfreier Umgebung wünschenswert, da so im Endprodukt keine Nebenprodukte und auch kein organisches Lösungsmittel enthalten sind [1-3].

Enzymatische Herstellung hochviskoser Esteröle

Mit bestehender Festbett-Technologie können bereits niedrigviskose einphasige Systeme prozessiert werden, jedoch ist es mit diesem Reaktortyp nicht möglich, höherviskose Substanzen umzusetzen.

Hier kommt es zu einem großen Druckabfall über die Reaktorlänge, vergleichbar mit dem Versuch, Honig durch einen Kaffeefilter laufen zu lassen. Um diese Limitierung zu umgehen, sollten neue Reaktoren oder Prozesse gefunden werden, die die enzymatische Herstellung dieser hochviskosen Esteröle ermöglichen.
Die Antwort auf diese Frage ist: Eine einfache Blasensäule als Reaktortyp. Diese ist nicht nur in der Lage, die Viskositätslimitierung zu umgehen, sondern ist auch noch effizienter im Bezug auf die Reaktionsgeschwindigkeit und der Raum-Zeit-Ausbeute im Gegensatz zum konventionellen Festbettreaktor [4,5]. Warum dies in diesem Fall so ist, wird im Folgenden erklärt.

Ausgangspunkt

Die biokatalytische Veresterung ist bereits seit mehreren Jahrzehnten ausführlich beschrieben worden, wobei die verwendeten Reaktorkonzepte vom Rührkessel über Festbett bis hin zu Membranverfahren reichen [6].
In den meisten Fällen wurde in Lösungsmitteln oder mit Substanzen mit geringer Viskosität gearbeitet. Essenziell für eine vollständige Veresterung ist – sowohl im Fall niedrig- wie auch hochviskoser Substanzen – die Verschiebung des thermodynamischen Gleich-gewichts, was in vielen Fällen durch das Entfernen des Nebenprodukts Wasser erfolgt. Gleichzeitig ist zu beachten, dass oftmals eine gewisse Menge Wasser für die Aktivität der verwendeten Enzyme notwendig ist. Hinsichtlich der schnellen Reaktion der Substrate, speziell im Fall der lösungsmittelfreien Umsetzungen, ist eine ausreichende Durchmischung sicherzustellen. Ferner ist für einen wirtschaftlich erfolgreichen Einsatz eine hohe Stabilität des Biokatalysators erforderlich, denn ein industrieller Bioprozess setzt die Beachtung technischer und vor allem ökonomischer Aspekte voraus [7,8].

Zur technischen Seite zählen die Reaktionstechnik, die Reaktorkonfiguration, der Rückhalt des Enzyms und die Skalierbarkeit des Prozesses.

Zur ökonomischen Seite zählt die Ausbeute an Produkt pro Masse Biokatalysator, welche direkten Einfluss auf die Kosten des finalen Produkts hat.

Um die Kosten niedrig zu halten, Aufarbeitungsschritte zu erleichtern und die Wechselzahl des Biokatalysators zu erhöhen, ist es erforderlich, das Enzym vom Reaktionsmedium abzutrennen und es wieder zu verwenden. Ein Ansatz hierzu ist die

Immobilisierung auf einem heterogenen Trägermaterial.

Das Enzym Lipase B aus Candida antarctica ist beispielsweise als geträgerte Form unter dem Namen Novozym 435 kommerziell erhältlich und wird bereits in verschiedenen industriellen Prozessen eingesetzt.

Anforderungsprofil

Ein modellhaftes Beispiel für ein Reaktionssystem, das nicht mit bestehender Festbett-Technologie prozessiert werden kann, ist die Synthese von Polyglycerollaurat. Neben der erhöhten Viskosität stellt auch die unterschiedliche Polarität der Ausgangssubstanzen spezielle Anforderungen an das Reaktorsystem: Die beiden Ausgangsstoffe sind nicht ineinander löslich und können nur durch eine ausreichende Durchmischung (Emulgierung) effektiv verknüpft werden.

Chemisches Gleichgewicht

Eine weitere Hürde stellt das chemische Gleichgewicht der Reaktion in Hinblick auf einen schnellen und vollständigen Umsatz dar. Die Anforderungen an die enzymatische lösungsmittelfreie Umsetzung am Beispiel der Veresterung von Polyglycerol-3 und Laurinsäure lassen sich wie folgt zusammenfassen:

>>Emulgieren der Reaktanden Polyglycerol-3 und Laurinsäure
>>Suspendieren des heterogenen Katalysators Novozym 435
>>Entfernen des entstehenden Reaktionswassers

Versuche im Rührkesselreaktor haben gezeigt, dass die enzymatische, lösungsmittelfreie Umsetzung von Polyglycerol und Laurinsäure prinzipiell möglich ist, wenn die Durchmischung von Reaktanden und dem heterogenen Biokatalysator sichergestellt ist.

Problematisch beim Betrieb des Rührkesselreaktors ist jedoch die mechanische Zerstörung des Trägermaterials von Novozym 435 auf Grund der hohen Scherkräfte. Folglich wird daher bei der lösungsmittelfreien Synthese auf die Verwendung von Rührern verzichtet. Der gewählte einfache Blasensäulenreaktor bietet die Möglichkeit, Energie in den Reaktor einzutragen ohne die Verwendung beweglicher mechanischer Komponenten. Das Emulgieren und Suspendieren der an der Reaktion beteiligten Substanzen erfolgt durch einen Druckluftstrom, der gleichzeitig dazu dient, das Reaktionswasser zu entfernen [9].
In Abb. 1 ist ein Ausschnitt des Blasensäulenreaktors bei unterschiedlichen Begasungsraten zu sehen. Die Bilder wurden mithilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgenommen und zeigen die Veränderung des Blasenbildes bei ansteigender Begasungsmenge. Es zeigt sich das typische Verhalten in Blasensäulen: von homogener Blasenverteilung bei niedrigen Begasungsraten bis zu inhomogener, turbulenter Strömung mit starkem Koaleszenzverhalten bei hohen Begasungsraten. Die eingetragene Gasmenge und der damit verbundene veränderte Stofftransport ist eine essenzielle Grundlage für eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit in dem untersuchten System.

Es hat sich gezeigt, dass die Durchmischung im Blasensäulenreaktor zur Umsetzung dieser speziellen Reaktionssysteme geeignet ist, bei gleichzeitiger reduzierter Scherbeanspruchung auf den Katalysatorträger im Gegensatz zum Rührkesselreaktor.

Maßstabsvergrößerung

Die technische Realisierung von Verfahren im Produktionsmaßstab zeigt, dass bei Stoffumwandlungen mit gekoppeltem Stoff-, Wärme- und Impulsaustausch ein verändertes Verhalten im Vergleich zum Labormaßstab zu beobachten ist. Dies liegt darin begründet, dass derartige Verfahren maßstabsabhängig sind, d. h. dass Unterschiede hinsichtlich des Strömungszustands im Labormaßstab im Vergleich zum Reaktor in der Produktion bestehen. Da sich eine Übertragung der Parameter vom Labormaßstab in den Produktionsmaßstab als schwierig herausstellt, kann eine Maßstabsvergrößerung im Technikumsmaßstab mögliche Schwierigkeiten aufzeigen.

Um die Effizienz des Blasensäulenreaktorsystem mit den ansonsten genutzten Reaktorsystemen zu vergleichen, wurde daher die Synthese von Myristylmyristat in einem Pilotreaktor mit größerem Volumen von 118 kg Substrat und einer angepassten Begasungsrate von 13 m/h durchgeführt (Abb. 2). In den verschiedenen Reaktortypen – Rührkesselreaktor, Festbettreaktor und Blasensäulenreaktor – wurden gleiche Bedingungen bezüglich Temperatur, Katalysator, etc. verwendet. Der Vergleich zeigt, dass unter den gewählten Bedingungen die Synthese von Myristylmyristat im Rührkessel 24 h benötigt, um einen Umsatz von mehr als 99,6 % zu erreichen, wobei im Festbett die Synthese nur 14 h dauert. Im Kontrast hierzu kann der verlangte Umsatz in der Blasensäule schon nach 5,5 h erhalten werden (Abb. 3).
Dies entspricht einer Erhöhung der Raum-Zeit-Ausbeute um den Faktor 2,8 oder ökonomisch ausgedrückt: Die höhere Auslastung des Reaktors ermöglicht geringere Produktionskosten.

Online-Analytik

Die gerade erwähnte höhere Auslastung des Reaktors soll auch in Zukunft weiter voran getrieben werden. So sollen die limitierenden Parameter der Reaktion identi-fiziert und Strategien zu ihrer Verschiebung erarbeitet werden. Hierzu ist eine schnelle und genaue Analytik notwendig. Die Möglichkeiten der in-situ-Infrarotspektroskopie in Echtzeit macht daher -diese Technologie zu einem Werkzeug von größtem Interesse für dieses Projekt. Die Eigenschaft, sehr spezifische Information zu erhalten, macht die Methode weiterhin zu einem sehr aussagekräftigen Werkzeug der Prozessentwicklung, wobei die Infrarotspektroskopie eine moderne Analyse von Reaktionsfortschritt, Zwischenstufen, Konzentrationsänderungen, Reaktionsmechanismen und deren Kinetik erlaubt. Hierdurch können aufwändige Probennahmen und Titrationen der Säurezahl bzw. GC-Untersuchungen, wie sie in -diesem Projekt bisher notwendig sind, vermieden werden und so eine online-Verfolgung des Reaktionsfortschritts gewährleistet werden. Speziell das oben vorgestellte Vier-Phasen-System, bestehend aus den beiden flüssigen Phasen Polyglycerol und Laurinsäure, der festen Phase Novozym 435 und der Gasphase stellt hohe Ansprüche an eine reproduzierbare Analytik. Hier bietet die FT-IR-Spektroskopie entscheidende Vorteile im Hinblick auf reproduzierbare Messungen im Vergleich zu offline-Analysemethoden.

Ausblick

In Zukunft soll der Reaktionsfortschritt mit dem ReactIR™ der Firma Mettler -Toledo GmbH verfolgt werden, da dieses speziell für in-situ-Reaktionsanalysen geeignet ist. ReactIR™ wird das Studium des Reaktionsverlaufs erleichtern und -beschleunigen. Es liefert aussagekräftige Informationen zu Reaktionsstart, Reaktionsfortschritt und Reaktionsendpunkt, weshalb das System ideal für die kinetische Analyse ist. Die eindeutigen Korrelationen zwischen der Änderung von Reaktionsvariablen und deren Auswirkungen auf den Prozess tragen zur Beschleunigung der Prozessentwicklung bei. Ein besseres Verständnis der limitierenden Parameter der Reaktion führt direkt zu höherer Qualität und Effizienz des Prozesses.

Literatur
[1] Hilterhaus, L. et al. (2008) OPRD 12, 618
[2] Hilterhaus, L. et al. (2008) Bioproc. Biosys. Eng. 31, 163
[3] Thum, O. (2004) Tens. Surf. Det. 41, 287-290
[4] Thum, O. et al. (2008) DE102008004726.0
[5] Thum, O. et al. (2008) DE102008004725.2
[6] Liese, A. et al. (2006) Industrial Biotransformations, Wiley-VCH
[7] Hilterhaus L. & Liese A. (2009) Applications of reaction engineering to industrial biotransformations In: Bio-catalysis for the Pharmaceutical Industry (Tao, Lin, Liese eds.) 65-88 Wiley
[8] Hilterhaus, L. & Liese, A. (2009) Bioprocess Development In: Manual of Industrial Microbiology and Biotechnology 3rd edition (Zhao, sect. ed.) ASM Press, in press
[9] L. Hilterhaus (2008) Entwicklung eines Reaktorkonzepts zur enzymatischen Herstellung neuartiger Esteröle. Mensch und Buch Verlag

Foto: R. Jupitz/TUHH