Prozessentwicklung für die kontinuierliche dynamisch kinetische Racematspaltung

Roosen, Christoph; Leitner, Walter

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-33594

Prozessentwicklung für die kontinuierliche dynamisch kinetische Racematspaltung = Process development for a continuous dynamic kinetic resolution

Roosen, Christoph (Author)

2010

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Christoph Roosen

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2010

UmfangXVI, 161 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Leitner, Walter (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-04-26

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-33594
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/63205/files/3359.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Chiralität <Chemie> (Genormte SW) ; Enzymkatalyse (Genormte SW) ; Reaktionstechnik (Genormte SW) ; Immobilisiertes Enzym (Genormte SW) ; Prozesssimulation (Genormte SW) ; Kohlendioxid (Genormte SW) ; Chemie (frei) ; Dynamisch kinetische Racematspaltung (frei) ; überkritischer Kohlenstoffdioxid (frei) ; Dynamic kinetic resolution (frei) ; supercritical carbon dioxide (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Die dynamisch kinetische Racematspaltung stellt eine interessante und sinnvolle Ergänzung zur einfachen Racematspaltung dar. Insbesondere für die Verbindung von Enzymkatalysen zur Racematspaltung mit chemischen Katalysatoren zur Racemisierung sind aus der Literatur Beispiele mit sehr guten Ergebnissen bekannt. Häufige Kompatibilitätsprobleme zwischen beiden Reaktionen sowie Wechselwirkungseffekte zwischen den beiden Katalysatoren erfordern hingegen lange Entwicklungszeiten, was für viele industrielle Prozesse ein Ausschlusskriterium ist. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine reaktionstechnische Lösung entwickelt, die es erlaubt beide Katalysatoren unabhängig von Einschränkungen, die sich durch einen Kompromiss der Bedingungen ergeben, zu wählen. Dies wurde durch eine Trennung der Reaktionsräume für die Racemisierung und die kinetische Racematspaltung erreicht. Da die Tendenz moderner chemischer Reaktionen immer stärker zur kontinuierlichen Reaktionsführung geht, wurde der Prozess entsprechend entwickelt. Durch die Verwendung von überkritischem Kohlenstoffdioxid (scCO2) als mobile Phase in einem solchen Prozess, kann der Aufwand für eine abschließende Produktaufbereitung enorm reduziert oder die Aufbereitung auch direkt integriert werden. Durch Simulation verschiedener Konzepte wurden zunächst erreichbare Umsätze und Selektivitäten aufgezeigt und untereinander verglichen. Geeignete Katalysatoren zur Racemisierung wurden aus der Literatur identifiziert und hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit untersucht und ausgewählt. Um den Prozess einer kontinuierlichen dynamisch kinetischen Racematspaltung in Verbindung mit scCO2 für verschiedene Enzyme zugänglich zu machen, wurde die Entwicklung eines Zweiphasensystems mit Wasser als reaktiver Phase und CO2 als nicht reaktiver Phase vorangetrieben. Dazu wurde zunächst die Möglichkeit geschaffen, den pH-Wert der wässrigen Phase unter hohem Druck zu bestimmen und kontrolliert zu variieren. Anschließend wurde der Einfluss verschiedener Reaktionsbedingungen in diesem Zweiphasensystem auf die Enzymaktivität untersucht. Durch eine geeignete Immobilisierungsmethode für Enzyme wurde versucht, eine Möglichkeit zu schaffen, dieses Zweiphasensystem für kontinuierliche Reaktionen zugänglich zu machen. Für die Durchführung der kontinuierlichen dynamisch kinetischen Racematspaltung wurde unter Einhaltung verschiedener Voraussetzungen eine Versuchsanlage konzipiert und gebaut. Dazu wurde auch eine geeignete online Analytik etabliert. Die Durchführung kontinuierlicher dynamisch kinetischer Racematspaltungen in dieser Versuchsanlage zeigten eine erfolgreiche Konzipierung der Versuchsanlage und erste vielversprechende Ergebnisse.

A dynamic kinetic resolution is an interesting and reasonable extension for a simple kinetic resolution. Especially for the connection of an enzymatic catalysed kinetic resolution and a chemical catalysed racemisation very good results are known from literature. Common compatibility problems between both reactions and interaction between both catalysts require a long development which is a criterion of exclusion for many industrial processes. Within this thesis a reaction engineering solution has been developed that allows a free choice of catalysts, independent of limitations which could arise from a compromise of the reaction conditions. This has been achieved by an areal separation of reactions, i. e. racemisation and kinetic resolution. Since modern chemical reactions tend to be done in a continuous way the process has been developed accordingly. By using supercritical carbon dioxide (scCO2) as a mobile phase in such process the effort for the final down stream processing can be reduced enormously or the down stream processing can be directly integrated. By simulating different process concepts reachable conversion and selectivity could be shown and compared among each other. Suitable catalysts for the racemisation have been identified from literature, examined in regards to their applicability and have been selected for further experiments. To make the process of a continuous dynamic kinetic resolution in combination with scCO2 accessible for different enzymes the development of a biphasic system with water as the reactive phase and CO2 as the non reactive phase has been expedited. For that purpose the ability to measure the pH of the water phase under high pressure and to vary the pH in a controlled manner has been developed. Afterwards the influence of different reaction conditions on the enzyme activity was investigated in that biphasic system. To get the ability to do enzymatic reactions in a continuous way in such a biphasic system, different methods for enzyme immobilisation have been examined. For testing the developed concept of a continuous dynamic kinetic resolution a pilot plant has been designed and built that meet different requirements. Furthermore an applicable online analytic has been established. The experiments of continuous dynamic kinetic resolutions in this pilot plant have shown a successful design of the pant and first promising results.

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