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Enzymreaktor Forscher aus England entwickeln neue Technologie für Enzymreaktoren

| Redakteur: Tobias Hüser

Forscher der Universität Bath in England haben eine neue Technologie für Enzymreaktoren entwickelt, die auf dem Prinzip des Rotationsscheibenreaktors aufgebaut ist. Die Reaktionsgeschwindigkeit soll dabei im Vergleich zu konventionellen Reaktorsystemen wesentlich höher sein.

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Forscher der Universität Bath haben eine Technologie für Enzymreaktoren entwickelt, die die Reaktionsgeschwindigkeiten erhöhen soll.
Forscher der Universität Bath haben eine Technologie für Enzymreaktoren entwickelt, die die Reaktionsgeschwindigkeiten erhöhen soll.
(Bild: Takeda)

Bath/England – Dr. Emma Emanuelsson und Dr. Darrel Patterson haben in der Abteilung Verfahrenstechnik der Universität Bath den „Spinning Cloth Disc Reactor“ (SCDR) entwickelt – einen Reaktor mit rotierenden Tuchscheiben. Der Aufbau des Reaktors ist simpel: auf Basis des konventionellen Spinning Disc Reactors (SDR), ermöglicht der SCDR mithilfe von Zentrifugalkräften die Verteilung eines dünnen Films auf einer rotierenden Scheibe. Die Scheibe verfügt über ein Tuch, auf dessen Oberfläche sich immobilisierte Enzyme befinden.

Der SCDR erzeugt so die Strömung eines dünnen Films sowohl an der Oberfläche als auch durch das enzymimmobilisierte Tuch hindurch. In der Folge entsteht eine große Grenzfläche für die Reaktion. „Unsere Arbeit hat gezeigt, dass mit diesem System erhöhte Reaktionsgeschwindigkeiten im Vergleich zu konventionellen Reaktionssystemen erreicht werden. Anfangs bestand unsere Arbeit darin, ein einfaches Ölsystem (Tributyrinhydrolyse) umzuwandeln, um festzustellen, ob der Reaktor in der Praxis z.B. für die Behandlung von öligem Abwasser geeignet ist“, sagt Patterson.

Die Forscher fanden heraus, dass die Umwandlungs- und Reaktionsgeschwindigkeiten im SCDR wesentlich höher waren als die in einem konventionellen diskontinuierlich betriebenen Chargenreaktor (Batch-Reaktor) unter vergleichbaren Bedingungen. Zudem war der SCDR einfach zu steuern – über die Drehzahl von Scheibe/Tuch sowie die Reaktorvorlaufgeschwindigkeit können Reaktionsgeschwindigkeit und Umwandlung genau gesteuert werden.

Immobilisierte Lipase zeigt hohe Stabilität

„Der Nachteil bei vielen Enzymreaktoren ist ein Verlust an Enzymaktivität über zahlreiche Reaktionszyklen aufgrund von Deaktivierung – was auch bei einem rotierenden Reaktor anzunehmen wäre, in dem Enzyme durch Abscheren deaktiviert würden“, erläutert Emanuelsson. Das interessanteste Ergebnis aus Sicht der Forscher sei aber die immobilisierte Lipase, die bei wiederholten Reaktionen im SCDR eine außerordentlich hohe Stabilität zeigte: „Beim Tributyrinsystem blieben 80 % der ursprünglichen Lipaseaktivität noch nach 15 Durchgängen in Folge erhalten“, so Emanuelsson.

Das Team konnte mit der erfolgreichen Hydrolyse verschiedener Pflanzenöle beim Fünffachen der Reaktionsgeschwindigkeit anderer Reaktoren auch die Robustheit des SCDR für industrierelevante Durchsatzwerte unter Beweis stellen. Eine Verweilzeitverteilungs- und Durchflussanalyse zeigte, dass sich der SCDR von anderen rotierenden Reaktoren – wie konventionellen Spinning-Disc-Reaktoren und rotierenden Festbettreaktoren – deutlich unterschied.

SCDR stellt derzeitige Reaktortechnologie in den Schatten

„Unsere Ergebnisse haben gezeigt, dass der SCDR eine eigene Klasse von Rotationsscheibenreaktoren darstellt, mit denen Prozesse intensiviert werden können. Wir haben diese neue Reaktorklasse als "Spinning Mesh Disc Reactors" (SMDRs) bezeichnet, so dass jede Art von Gewebe (z.B. nicht nur Tuch) mit ungebundener Oberfläche auf einer rotierenden Scheibe in diese neue Reaktorklassifizierung aufgenommen werden könnte“, erklärt Patterson.

Die Ergebnisse wiesen aus Sicht der Forscher darauf hin, dass der SCDR eine Technologie darstellt, der den aktuellen Stand der Technik bei Enzymreaktoren in den Schatten stellt. „Dieses Konzept kann einfach auf andere enzymkatalysierte Reaktionen ausgeweitet werden, für die erhöhter Massentransport und Enzymstabilität erforderlich sind“, so Patterson. Die Forscher beschäftigen sich derzeit mit der Biodieselsynthese und pharmazeutischen Reaktionen, um die Anwendungsgebiete auszuweiten.

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