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Main Title: Development of a continuous process and dynamic modeling of the chemo-enzymatic epoxidation of α-pinene
Translated Title: Entwicklung eines kontinuierlichen Prozesses und dynamische Modellierung der chemo-enzymatischen Epoxidierung von α-Pinen
Author(s): Meyer-Waßewitz, Janine
Advisor(s): Kraume, Matthias
Drews, Anja
Referee(s): Kraume, Matthias
Drews, Anja
Liese, Andreas
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
References: 10.1016/j.cherd.2018.04.029
10.1016/j.bej.2017.07.002
10.1016/j.bej.2016.11.009
10.1002/elsc.201600171
10.1016/j.molcatb.2017.01.002
10.1002/cite.201650345
10.1002/cite.201650338
Language Code: en
Abstract: There is a keen interest of the chemical industry in exploiting the benefits of continuous processing like consistent product quality and high space-time yield for eco-friendly biocatalysis. The design of an optimal process is particularly crucial when the reactants deactivate the biocatalyst. The reaction cascades of the chemo-enzymatic epoxidation, where the intermediate peroxy acid is produced by an enzyme, are still limited as a result of the enzyme deactivation by the reactants. The aim of this work was the development of an economic process (w.r.t. space-time yield, catalytic productivity, and selectivity) for the chemo-enzymatic epoxidation of alpha-pinene – a renewable platform chemical and sensitive terpene – and the model based description of the multistep reaction. In peroctanoic acid formation studies, the continuous stirred tank reactor (CSTR) was identified as a suitable process to maintain enzyme activity. Moreover, the economic superiority of the continuous process over the fed-batch process was shown. Even though the enzymatic reaction was feasible using octanoic acid as both substrate and excess medium, the coupled reaction was strongly impaired as it yielded low concentrations of the product alpha-pinene oxide and high concentrations of by-products. In contrast, ethyl acetate was found to be a suitable substrate (less by-product formation). Therefore, the new process strategy for the in-situ chemo-enzymatic synthesis of alpha-pinene oxide developed in this work was based on ethyl acetate, a CSTR, and the avoidance of liquid/liquid interfaces by performing the reaction in a single-phase organic solution. Considering the numerous degrees of freedom of this continuous multistep reaction which due to enzyme deactivation additionally does not reach a steady-state, the process development is a challenging task. Therefore, the influence of operating conditions (influent concentrations and molar ratios, enzyme concentration, hydraulic residence time and temperature) on the efficiency was studied in detail for the enzymatic reaction alone and for the coupled reaction. Due to the avoidance of harsh conditions, at optimized conditions alpha-pinene oxide was produced at simultaneously high target values of 95% selectively, 880 gPOL-1d-1 space-time yield, and 118 gPOg-1 CalB catalytic productivity. To compensate for the reduced but still present deactivation, the performance of the organic-single-phase CSTR was enhanced by intermittent enzyme dosing. This enabled, for the first time, long-term operation (validated for 100 h) with a maintained maximum space-time yield and selectivity. In addition, after 30 d of continuous operation with enzyme dosing, a catalytic productivity of 282 gPOg-1 CalB can be anticipated. The achieved values are well above the typical thresholds that make biocatalysis economical. Based on the experimental data, a valid and reliable deterministic model for the chemo-enzymatic epoxidation in a CSTR was developed. The model covers the different steps of the reaction cascade, and all involved kinetic constants were found to be uniquely identifiable, which is a prerequisite for trustworthy model predictions. To obtain the model structure, the goodness of fit and parameter identifiability were taken into account. Likewise, different mass action kinetics, as well as mechanistic approaches, were investigated. The developed process model matched the experimental data very accurately. Moreover, it was successfully verified and validated over a broad range of operating conditions.
Die chemische Industrie hat ein großes Interesse, die Vorteile kontinuierlicher Prozesse wie gleichbleibende Produktqualität und hohe Raum-Zeit-Ausbeute für umweltfreundliche biokatalytische Prozesse zu nutzen. Die Entwicklung eines optimalen Prozesses ist besonders wichtig, wenn die Reaktanden den Biokatalysator deaktivieren. Die Reaktionskaskaden der chemo-enzymatischen Epoxidierung, bei der Persäure als Intermediat durch ein Enzym produziert wird, sind noch immer aufgrund von Deaktivierung des Enzyms durch Reaktanden begrenzt. Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung eines ökonomischen Prozesses (unter Berücksichtigung der Raum-Zeit-Ausbeute, katalytischer Produktivität und Selektivität) für die chemo-enzymatische Epoxidierung von alpha-Pinen – eine erneuerbare Plattformchemikalie – und die modellbasierte Beschreibung der mehrstufigen Reaktion. In dieser Arbeit konnte durch Untersuchungen zur Bildung von Peroktansäure der kontinuierlich betriebene Rührkesselreaktor (CSTR) als geeignete Prozessführungsstrategie zur Aufrechterhaltung der Enzymaktivität identifiziert werden. Darüber hinaus wurde die wirtschaftliche Überlegenheit des kontinuierlichen Prozesses gegenüber dem Fed-Batch-Verfahren gezeigt. Obwohl die enzymatische Reaktion erfolgreich mit Oktansäure als Substrat und Überschussmedium durchgeführt werden konnte, kam es bei der gekoppelten Reaktion zu hohen Nebenproduktkonzentrationen und niedrigen Produktkonzentrationen von alpha-Pinenoxid. Im Gegensatz dazu erwies sich Ethylacetat sowohl als geeignetes Substrat als auch als geeignetes Überschussmedium (weniger Nebenproduktbildung). Die neue Prozessstrategie für die in-situ-chemo-enzymatische Synthese von alpha-Pinenoxid basiert daher auf Ethylacetat als Substrat, dem CSTR und der Vermeidung von flüssig/flüssig Grenzflächen durch die Reaktionsdurchführung im einphasig organischen Medium. In Anbetracht der zahlreichen Freiheitsgrade dieser kontinuierlichen mehrstufigen Reaktion, die aufgrund der Enzymdeaktivierung zusätzlich keinen stationären Zustand erreicht, ist die Prozessentwicklung eine komplexe Aufgabe. Daher wurde der Einfluss der Betriebsbedingungen (Zulaufkonzentrationen und Molenverhältnisse, Enzymkonzentration, hydraulische Verweilzeit und Temperatur) auf die Effizienz des Prozesses detailliert für die enzymatische Reaktion allein und für die gekoppelte Reaktion untersucht. Unter optimierten Reaktionsbedingungen wurde gleichzeitig eine Selektivität von 95 %, eine Raum-Zeit-Ausbeute von 880 gPOL-1d-1 und eine katalytische Produktivität von 118 gPOg-1 CalB für die Synthese von alpha-Pinenoxid erreicht. Um den reduzierten aber noch vorhandenen Aktivitätsverlust des Enzyms auszugleichen, wurde die Leistungsfähigkeit des organisch-einphasigen CSTR um eine intermittierende Enzymdosierung erweitert. Dies ermöglichte erstmals einen über 100 h-validierten Langzeitbetrieb mit konstanter maximaler Raum-Zeit-Ausbeute und Selektivität. Dies lässt nach 30 d kontinuierlichen Betriebs eine katalytische Produktivität von 282 POg-1 CalB erwarten. Die erzielten Werte liegen deutlich über den typischen Schwellwerten, oberhalb derer Biokatalysen als wirtschaftlich interessant betrachtet werden. Basierend auf den experimentellen Daten wurde ein validiertes und zuverlässiges deterministisches Modell für die chemo-enzymatische Epoxidierung im CSTR entwickelt. Das DGL-Modell bildet dabei die verschiedenen Schritte der Reaktionskaskade ab. Die kinetischen Konstanten der verschiedenen Teilreaktionen waren eindeutig identifizierbar – eine Grundvoraussetzung für vertrauenswürdige Modellvorhersagen. Zur Entwicklung der Modellstruktur wurden die Anpassungsgüte und die Parameteridentifizierbarkeit überprüft. Ebenso wurden verschiedene Formalkinetiken sowie mechanistische Ansätze untersucht. Das entwickelte Prozessmodell beschreibt die experimentellen Daten sehr genau. Darüber hinaus wurde es erfolgreich in einem großen Bereich von Betriebsbedingungen geprüft und validiert.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/10462
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-9414
Exam Date: 9-Oct-2019
Issue Date: 2019
Date Available: 19-Dec-2019
DDC Class: 660 Chemische Verfahrenstechnik
668 Technik anderer organischer Produkte
Subject(s): chemo-enzymatic epoxidation
alpha-pinene oxide
practical identifiability
validation
dynamic modeling
chemo-enzymatische Epoxidierung
alpha-Pinenepoxid
praktische Identifizierbarkeit
Validierung
dynamische Modellierung
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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