Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1934
Main Title: Study on the feasability of using microemulsions and PVA based gels in enzyme technology
Translated Title: Untersuchung der Nutzbarkeit von Mikroemulsionen und PVA-basierten Gelen in der Enzymtechnologie
Author(s): Berger, Hartmut
Advisor(s): Schomäcker, Reinhard
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Enzyme sind von Interesse auch in der technischen Katalyse wegen ihrer gegenüber herkömmlichen Katalysatoren oft deutlich überlegenen Spezifität und Selektivität unter meist sehr milden Reaktionsbedingungen. Die Umsetzung ökonomisch interessanter hydrophober Substrate ist bisher aber durch Lösemittelunverträglichkeit behindert. Die Immobilisierung auf Trägern oder in anderen dispersen Systemen verspricht hier Abhilfe. Im Rahmen dieser Arbeit werden w/o-Mikroemulsionen auf Tauglichkeit für den Einsatz von coenzymabhängigen Redox-Enzymen (ADHs) und PVA-basierte Gele für die Immobilisierung von Lipasen untersucht. Mikroemulsionen haben den Vorteil einer ohne ständigen Energieeintrag stabilen sehr großen und wohldefinierten Phasengrenzfläche und erlauben theoretisch den selektiven Austausch der kontinuierlichen Phase durch z.B. Membranfiltration. Trägerimmobilisierung geht oft mit einer verminderten Aktivität bei gleichzeitig erhöhter Stabilität einher. Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit den praktischen Aspekten beider Formen der Immobilisierung auch in Bezug auf ihre technische Anwendbarkeit. Dies umfaßt die Verträglichkeit der Enzyme (und ggf. Coenzyme) mit den anderen Systemkomponenten (insbes. Tensiden), ihre Aktivität und Stabilität und die Möglichkeit einer kontinuierlichen in situ verfolgbaren Reaktions-Führung. Dazu gehört speziell die Messung des pH-Wertes und das Verhalten von Farbindikatoren in w/o-Mikroemulsionen. Entgegen den ursprünglichen Zielen nimmt die Untersuchung der Herstellung der Immobilisierungssysteme einen breiteren Raum ein und befaßt sich mit dem Mischverhalten der Mikroemulsionen einerseits und verschiedenen Möglichkeiten der Synthese von PVA-basierten Gelen andererseits. Die Ultrafiltration der Mikroemulsionen wird modelliert und mit den praktischen Ergebnissen verglichen. Lösungen von Polyvinylalkohol lassen sich durch wiederholtes Einfrieren und Auftauen gelieren und/oder durch Quervernetzung stabilisieren. Dieses Verfahren wird mit einer Quervernetzung bei Raumtemperatur verglichen. Die erhaltenen Gele werden auf ihre Tauglichkeit als Träger für Lipasen in Form von Reaktivmembranen hin untersucht. Es wird versucht, die auftretenden Unterschiede durch elektronen-miskroskopische Aufnahmen zu erklären. Die Untersuchung kommt zu dem Schluß, daß unter den derzeit gegebenen Bedingungen die Mikroemulsionsroute zumindest für cofactorabhängige Enzymreaktionen an zu vielen Problemen im Detail krankt, um wirtschaftlich tragfähig zu sein. Demgegenüber ist die Trägerimmobilisierung für Enzyme, die keines Cofaktors bedürfen, sehr viel aussichtsreicher.
Enzymes are interesting as catalysts due to their high selectivity and the ability to work under mild conditions. But many possible applications are hampered by their sensitivity, especially to nonaqueous solvents. It is therefore important to solve the problem of bringing enzymes into contact with water insoluble substrates while protecting them from detrimental solvent effects. Two important approaches are the immobilization on a carrier and the application of two-phase systems with a very large interface. In this work the suitability of water-in-oil microemulsions based on technical surfactants for this purpose is studied. Attempts were made to realize a (semi)continuous process for the enantioselective enzymatic reduction of prechiral ketones. This includes the pre- treatment of surfactants, the regeneration of the necessary cofactors (NAD(P)H) by another enzyme, the measurement of the reaction progress based on pH value shifts and the separation of the product containing oil phase from the aqueous reverse micellar phase by means of ultrafiltration. The different elements of the process are simulated based on existing and new models, and the simulation results are compared to experiments. Possible reasons for differences between simulation and experiment are evaluated by a qualitative study of the mixing characteristics of microemulsions and the deactivation of the enzymes in this environment. Fast enzyme deactivation due to contact with oil is observed during the period of microemulsion fomation. The study comes to the conclusion that under the current circumstances the microemulsion route faces too many obstacles in detail to justify a further pursuit at the present time. A second part of this work deals with the suitability of crosslinked gels of poly(vinyl alcohol) for the immobilization of lipases. The effects of two different preparation methods on the microstructure are studied using scanning electron microscopy. Different application forms (foils, blocks, supported membranes, coatings) are compared qualitatively as to the effectiveness of the lipase immobilization. The obtained reactive membranes are also studied quantitatively using a filtration cell as reactor model. This study finds PVA based gels suitable for immobilization of lipase in membrane reactors.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-19543
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2231
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1934
Exam Date: 7-Jul-2008
Issue Date: 8-Aug-2008
Date Available: 8-Aug-2008
DDC Class: 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Subject(s): Alkoholdehydrogenasen
Enzyme
Mikroemulsionen
PVA-Gele
Alcoholdehydrogenases
Enzymes
Microemulsions
PVA based gels
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