Filtrierbarkeit und rheologisches Verhalten von Lipase-enthaltenden und mit Silika-Partikel stabilisierten Wasser-in-Öl Pickering Emulsionen für die Anwendung von kontinuierlicher Zweiphasen-Biokatalyse im Membranreaktor

Abstract

The technical application of biocatalysts is commonly realized in aqueous media limiting their application to hydrophilic compounds; however, most relevant substrates and products are hydrophobic. To overcome this, the use of two-phase systems such as Pickering emulsions presents a promising alternative. In Pickering emulsions, biocatalysts are immobilized in water droplets stabilized by nanoparticles and those water droplets are surrounded by an organic solvent containing the substrates and the products. Pickering emulsions have been successfully employed for two-phase biocatalysis in batch processes. Nevertheless, for their industrial up-scaling, a continuous process with an efficient liquid/liquid phase separation and enzyme recovery is required. The aim of this thesis is to evaluate the feasibility of using a continuous membrane reactor for two-phase biocatalysis in water-in-oil Pickering emulsions: the ultrafiltration membrane rejects the water droplets containing the biocatalyst while the organic phase containing the product is filtered through the membrane. To reach this aim the interplay between the physico-chemical properties of Pickering emulsions and the filterability must be characterized in detail. Hence, the impact of the type of lipase, concentration and type of nanoparticles on the (i) drop size distribution, (ii) rheological character and (iii) filterability of bioactive water-in-oil Pickering emulsions was investigated. The addition of lipases to the Pickering emulsion decreased the droplet size, reduced the viscosity and improved the filterability of the Pickering emulsion. All these observed effects might be due to protein-protein interactions of the lipases via disulfide bonds. The higher the particle concentration is the smaller the mean droplet size is. However, an increase in the particle concentration decreased the filterability which might be due to unbound particles forming the filter cake and increased the viscosity. Thus, the used particle concentration should be minimized. Regarding the type of particles, the use of colloidal particles decreased the droplet size and improved the filterability of bioactive water-in-oil Pickering emulsions. Finally, a continuous biocatalysis in a membrane reactor at constant flux was performed at industrial relevant hydraulic residence time reaching an operation time of 30 h maintaining the enzymatic activity. This overall result of the thesis is the first step towards scalable continuous two-phase biocatalysis in Pickering emulsions.Die technische Anwendung von Biokatalysatoren wird im Allgemeinen in wässrigen Medien realisiert, wodurch der Bereich der Reaktanten auf hydrophile Verbindungen begrenzt wird. Die Verwendung von zweiphasigen Pickering Emulsionen stellt eine vielversprechende Alternative dar, um diese Limitierung zu überwinden. In Pickering Emulsionen sind die Biokatalysatoren in mit Nanopartikeln stabilisierten Wassertröpfchen immobilisiert, welche dann von einem organischen Lösungsmittel umgeben sind, in dem die hydrophoben Substrate und Produkte gelöst sind. Pickering Emulsionen wurden bereits erfolgreich für zweiphasige biokatalytische Reaktionen in Batch-Prozessen verwendet. Jedoch wurde bisher noch kein effizienter und kontinuierlicher Prozess zur Trennung der Flüssig-Flüssig-Phasen und zur Recyclisierung der Biokatalysatoren beschrieben. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die Nutzbarkeit eines kontinuierlichen Membranreaktors für die zweiphasige Biokatalyse in Wasser-in-Öl Pickering Emulsionen zu untersuchen. Die Membran hält die Wassertropfen mit den darin immobilisierten Biokatalysatoren zurück, während die organische Phase mit den darin gelösten Produkten durch die Membran filtriert wird. Um dieses Ziel zu erreichen, ist es notwendig, das Zusammenspiel zwischen den physikalisch-chemischen Eigenschaften einer Pickering Emulsion und der Filtrierbarkeit zu charakterisieren. Hierfür wurden die Einflüsse der Art der Lipase, der Konzentration sowie der Art der Nanopartikel auf die Tropfengrößenverteilung, den rheologischen Charakter und die Filtrierbarkeit von bioaktiven Wasser-in-Öl Pickering Emulsionen untersucht. Die Zugabe von Lipasen zu der Pickering Emulsion reduzierte die Tropfengröße, verringerte die Viskosität und steigerte die Filtrierbarkeit der Pickering Emulsionen. Es kann begründet vermutet werden, dass alle diese beobachteten Effekte auf Protein-Protein-Wechselwirkungen der Lipase über Disulfidbindungen zurückzuführen sind. Höhere Partikelkonzentrationen erhöhten die Stabilität von Emulsionen. Jedoch steigerte die höhere Partikelkonzentration die Viskosität und senkte den Fluss durch die Membran, vermutlich aufgrund ungebundener Partikel, die einen dichten Filterkuchen bildeten. Daher sollte die Partikelkonzentration so gering wie möglich gehalten werden. In Bezug auf die Art der verwendeten Partikel (sphärisch oder kolloidal) führte die Verwendung von kolloidalen Partikeln zu kleineren Tropfengrößen und höherer Filtrierbarkeit. Abschließend wurde eine kontinuierliche Biokatalyse in einem Membranreaktor bei konstantem Fluss, d. h. konstanter Verweilzeit, und bei industriell relevanter Verweilzeit durchgeführt. Die Substrat- und Produktkonzentrationen waren konstant und reproduzierbar und das Enzym war nach 30 Stunden noch aktiv. Dieses Gesamtergebnis der Arbeit ist der erste Schritt in Richtung einer skalierbaren kontinuierlichen zweiphasigen Biokatalyse in Pickering Emulsionen.BMBF, 031A163A, Basistechnologien Forschertandem: Modularisierte mehrphasige Biokatalyse durch enzymatisch aktive w/o Pickering Emulsionen im Membranreaktor (BioPICK