Biocatalysis using lipase immobilised in organogels in supercritical carbon dioxide [Elektronische Ressource] / von Christian Blattner

Christian Blattner

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Biocatalysis using lipase immobilisedin organogels in supercritical carbondioxideDissertationzur Erlangung des GradesDoktor der Naturwissenschaften(Dr. rer. nat.)derNaturwissenschaftlichen Fakult¨at IVChemie und Pharmazieder Universita¨t RegensburgvonChristian BlattnerRegensburg 2005Promotionsgesuch eingereicht am: 14.12.2005Tag des Kolloquiums: 27.01.2006Die Arbeit wurde angeleitet von: Prof. Dr. W. KunzPrufungsausschuß: Prof. Dr. H. Krienke, Vorsitzender¨Prof. Dr. W. KunzDr. A. XenakisProf. Dr. G. SchmeerMeinen ElternVorwortDie vorliegende Arbeit entstand in der Zeit von Januar 2001 bis November 2005 am Lehrstuhlfu¨r Chemie VI – Physikalische Chemie – der naturwissenschaftlichen Fakult¨at IV – Chemie undPharmazie – der Universitat Regensburg.¨Besonderer Dank gebu¨hrt meinem Doktorvater Herrn Professor Dr. Werner Kunz undHerrn Professor Dr. Georg Schmeer fur die Erteilung des interessanten Themas, die wis-¨senschaftliche Betreuung und ihr stetes Interesse am Fortgang der Arbeit. Ich bedanke mich bei¨beiden fur die großzugige finanzielle Unterstutzung und das Uberlassen von Labor- und Arbeits-¨ ¨ ¨mitteln.Herzlich danke ich auch Frau Maria Zoumpanioti und Herrn Dr.

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• Publié le: 01 janvier 2006
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• Langue: Deutsch
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Extrait

Biocatalysis using lipase immobilised
in organogels in supercritical carbon
dioxide
Dissertation
zur Erlangung des Grades
Doktor der Naturwissenschaften
(Dr. rer. nat.)
der
Naturwissenschaftlichen Fakult¨at IV
Chemie und Pharmazie
der Universita¨t Regensburg
von
Christian Blattner
Regensburg 2005Promotionsgesuch eingereicht am: 14.12.2005
Tag des Kolloquiums: 27.01.2006
Die Arbeit wurde angeleitet von: Prof. Dr. W. Kunz
Prufungsausschuß: Prof. Dr. H. Krienke, Vorsitzender¨
Prof. Dr. W. Kunz
Dr. A. Xenakis
Prof. Dr. G. SchmeerMeinen ElternEreun?n
'Idruma
Ejnik?
Vorwort
Die vorliegende Arbeit entstand in der Zeit von Januar 2001 bis November 2005 am Lehrstuhl
fu¨r Chemie VI – Physikalische Chemie – der naturwissenschaftlichen Fakult¨at IV – Chemie und
Pharmazie – der Universitat Regensburg.¨
Besonderer Dank gebu¨hrt meinem Doktorvater Herrn Professor Dr. Werner Kunz und
Herrn Professor Dr. Georg Schmeer fur die Erteilung des interessanten Themas, die wis-¨
senschaftliche Betreuung und ihr stetes Interesse am Fortgang der Arbeit. Ich bedanke mich bei
¨beiden fur die großzugige finanzielle Unterstutzung und das Uberlassen von Labor- und Arbeits-¨ ¨ ¨
mitteln.
Herzlich danke ich auch Frau Maria Zoumpanioti und Herrn Dr. Aristotelis Xenakis vom In-
stitute of Biological Research and Biotechnology der National Hellenic Research Foundation
( ) fur die interessante Zusammenarbeit im Rahmen unseres gemeinsa-¨
men deutsch-griechischen IKYDA-Projekts und fu¨r ihre Gastfreundschaft wah¨ rend meiner bei-
den Athenaufenthalte. Mein Dank gilt hier auch dem Deutschen Akademischen Austauschdienst
(DAAD) fu¨r die F¨orderung dieser Arbeit im Rahmen dieses Projekts.
¨Bei Herrn Dipl.-Ing. (FH) Franz Ziegler vom TUV Suddeutschland bedanke ich mich fur die¨ ¨
freundliche und interessante Zusammenarbeit bei der technischen Abnahme der neu gebauten
Hochdruckzelle.
Den Mitarbeitern der Feinmechanischen Werkstatt des Fachbereichs Chemie/Pharmazie gilt
mein besonderer Dank fur die zugige und gewissenhafte Erledigung zahlreicher Auftrage.¨ ¨ ¨
DesweiterengiltmeinDankHerrnDr.JurgenKronerfurdieDurchfuhrungderkalorimetrischen¨ ¨ ¨ ¨
Messungen an den Organogelen und fu¨r die interessanten Diskussionen bei der Interpretation
der Ergebnisse.
Ferner danke ich Herrn Dr. Simon Schr¨odle, der durch seine Kenntnisse zur Vernickelung von
Keramik die neuen Elektroden fur Leitfahigkeitsmessungen moglich gemacht hat.¨ ¨ ¨
Bei Herrn Dr. Josef Duschl und den Studenten (J. Ehrl, J. Lodermeyer, F. Kraus) des Fortge-
schrittenenpraktikumsderOrganischenChemieimWintersemester2000/2001bedankeichmich
fu¨r die Durchfu¨hrung von organischen Synthesen.
WeitererDankgebu¨hrtHerrnDipl-Chem.FabianGlaab,derimRahmeneinesSchwerpunktprak-
tikums an Losl¨ ichkeitsversuchen und enzymkatalysierten Reaktionen in u¨berkritischem Kohlen-
dioxid mitgewirkt hat.
Danken mochte ich auch allen Mitarbeitern des Lehrstuhls, die durch ihre Hilfsbereitschaft und¨
dieguteZusammenarbeitzueinemangenehmenArbeitsklimabeitrugen.Ichdenkehiervorallem
an meine beiden Laborkollegen Herrn Dr. Jurgen Bittner und Frau Dipl.-Chem. Sigrid Schuller,¨ ¨
als auch an meine weiteren Mensa- und Kaffeerundenkameraden.
Abschließend mochte ich mich noch bei meinen Eltern fur ihre großzugige Unterstutzung wah-¨ ¨ ¨ ¨ ¨
rend meines Studiums bedanken.Symbols
2 −1α polarisability [Cm V ]
−1β scan rate [Kmin ]
−1γ air-water surface tension at the critical micelle concentration [mNm ]cmc
−1ΔH (Θ) apparent heat of fusion of the penetrant liquid [Jg ]a
−1ΔH heat of fusion under normal conditions [Jg ]f
ΔH fusion enthalpy for a specific peak i [J]i
dielectric constant; relative permittivityr
dielectric constant in the visible frequency rangevis
η dynamic viscosity [Pas]
◦Θ temperature [ C]
◦Θ critical temperature [ C]c
ξ mass fraction of component ii
−3ρ density [kgm ]
τ turbidity according to Rayleigh
φ volume fraction of the dispersed phase
corrφ volume fraction of the dispersed phase corrected for the mutual water sol-
ubility in the supercritical continuous phase
φ volume fraction of the percolation thresholdp
−1 −1A peak area of species i [pAs , WK ]i
2 −1D diffusion coefficient [cm s ]
k rate constant of the i-th partial reactioni
K thermodynamic equilibrium constanteq
XK inhibition constant for species X [mM]
i
K Michaelis-Menten constant [mM]m
XK Michaelis-Menten constant for species X [mM]m
−2I light intensity [W m ]
n molar amount of component i [mol]i
p pressure [bar]
p critical pressure [bar]c
p triple point pressure [bar]t
p phase transition pressure [bar]trans
T temperature [K]
T critical temperature [K]c
T triple point temperature [K]t
−1v (initial) reaction rate [mM min ]
−1v (initial) reaction rate in the forward direction [mM min ]f
−1v (initial) reaction rate in the reverse direction [mM min ]r
−1v maximal reaction rate under saturation conditions [mM min ]maxviii Abbreviations and Symbols
f −1v maximal reaction rate in the forward direction [mM min ]max
r −1v maximal reaction rate in the reverse direction [mM min ]max
3V, V volume (of component i) [m ]i
W molar ratio of water and surfactant0
corrW molarratioofwaterandsurfactantcorrectedforthemutualwatersolubility0
in the supercritical continuous phase
[X] molar concentration of reaction participant X [mM]
Abbreviations
8FS(EO) sodium bis((1H,1H,2H,2H-heptadecafluorodecyl)-oxyethylene)-2-sulfosuc-4
cinate
AOT Aerosol OT; sodium bis(2-ethylhexyl)-sulfosuccinate
ASES aerosol solvent extraction system
C8C4 octyltributylammonium bromide
C8E5 pentaethylene glycol n-octyl ether
CaL Candida antarctica lipase
ClPFPE Fluorolink 7004
ClPFPE-NH ammonium salt of Fluorolink 70044
di-HCF4 sodium bis(2,2,3,3,4,4,5,5-octafluoro-1-pentyl)-2-sulfosuccinate
DSC differential scanning calorimetry
DELOS depressurisation of an expanded organic solution
EPR electron paramagnetic resonance
F7H7 Sodium salt of the sulfate monoester of 1,1,1,2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7,7-penta-
decafluoro-pentadecan-8-ol
FFV fractional free volume
FID flame-ionisation detector
FTIR Fourier-transform infrared
GAS gas anti-solvent
GC gas chromatography
GEFTA German Society for Thermal Analysis
HPA p-hydroxyphenylacetic acid
HPLC high performance (or high pressure) liquid chromatography
HPMC hydroxypropylmethyl cellulose
HPP p-hydroxyphenylpropionic acid
IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry
Ls-54 Dehypon Ls-54
MAC maximal allowable concentration
MBG microemulsion-based (organo-)gel
MES 2-(N-Morpholino)ethanesulfonic acid sodium saltAbbreviations and Symbols ix
MmL Mucor miehei lipase
NCF near-critical fluid
NMR nuclear magnetic resonance
o/w oil-in-water
PGSS particles from gas-saturated solutions (or suspensions)
PFPE perfluoropolyether
PFPE-NH ammonium salt of perfluoropolyether carboxylic acid4
PFPE-TMAA perfluoropolyether trimethylammonium acetate
PFPE-PO perfluoropolyether phosphate4
PTFE poly(tetraflouroethylene)
QTH quartz tungsten halogen lamp
RESS rapid expansion of supercritical solution
RNA ribonucleic acid
SANS small-angle neutron scattering
SAXS small-angle X-ray scattering
SAS supercritical anti-solvent
scCO supercritical carbon dioxide2
SCF supercritical fluid
SCWO supercritical water oxidation
SEDS solution enhanced dispersion by supercritical fluids
SFC supercritical fluid chromatography
SFDE supercritical fluid derivatisation and extraction
SFE supercritical fluid extraction
SFP supercritical fluid precipitation
scH O supercritical water2
TLC thin layer chromatography
Tris 2-amino-2-(hydroxymethyl)-1,3-propanediol
VOC volatile organic compound
w/c water-in-carbon dioxide
w/o water-in-oil