TY - THES A1 - Rudolf, Jan T1 - Entwicklung eines Horizontal-Laminar-Fluss-Reaktors zur Untersuchung der lipasekatalysierten Hydrolyse von Triglyceriden T1 - Development of a horizontal laminar flow reactor to investigate the lipase-catalysed hydrolysis of triglycerides N2 - Um die technische Nutzung und die Vergleichbarkeit der grenzflächenaktivierten Lipase aus dem Mikroorganismus Thermomyces lanuginosus zu verbessern, sollten die kinetischen Parameter unter Berücksichtigung der Größe der reaktiven Grenzfläche und der Stofftransportvorgänge in Grenzflächennähe ermittelt werden. Da bisher keine Versuchsanordnung die Möglichkeit zur parallelen Reaktionsuntersuchung und zur Strömungsuntersuchung von Flüssig-Flüssigphasenreaktionen bot, wurde der Horizontal-Laminar-Fluss-Reaktor (HLFR) entwickelt und wesentliche Aspekte der Entwicklung eingehend beschrieben. Die Innovation des Reaktors bestand darin, dass eine kontinuierliche parallele Strömung zweier nicht mischbarer fluider Phasen ermöglicht wurde. An einer gemeinsamen Phasengrenzfläche mit einer konstanten Grenzflächengröße konnte die enzymatische Umsetzung stattfinden. Um den HLFR für eine kinetische Untersuchung anzuwenden, wurde das Mischungsverhalten mithilfe von Verweilzeitverteilungskurven aufgenommen und die Versuchsanordnung als Reaktorschaltung modelliert. Hierbei zeigte sich, dass unter Anwendung einer vergleichbaren Reaktionskinetik der Gesamtreaktor als kontinuierlich gerührter Satzreaktor modelliert werden kann. Zur Untersuchung der Stofftransporteinflüsse auf die Reaktion sollte neben der Konzentrationsuntersuchung die Strömungsvorgänge innerhalb der Phasen messtechnisch zugänglich gemacht werden. Aufgrund der begrenzten geometrischen Abmessungen wurde auf die Particle-Imaging-Velocimetry zurückgegriffen. Notwendige Anpassungen an der Versuchsanordnung zur Integration der Messmethode und eine Validierung der Strömungsmessung wurden detailliert beschrieben. Anschließend an die Entwicklung der Versuchsanordnung wurde am Beispiel der Lipase aus dem Mikroorganismus Thermomyces lanoginosus die Bestimmung der kinetischen Parameter für die Hydrolyse von nativen Rapsöl mithilfe eines Michaelis-Menten-Ansatzes mit kompetitiver Produkthemmung durchgeführt. Die Ermittlung des Reaktionsfortschritts erfolgte durch Messung der Konzentration der freien Fettsäuren in der Ölphase durch nicht wässrige Titration. Zur Berechnung der kinetischen Parameter wurde sowohl die Differentialmethode als auch die Integralmethode angewendet. Parallel wurden die gewonnenen Daten mit den beobachteten Strömungsprofilen der PIV-Messung kombiniert und ein möglicher Einfluss der Schubspannung in Grenzflächennähe als maßgeblicher Faktor für die effektive Reaktionsgeschwindigkeit diskutiert. Des Weiteren konnte eine bereits durch die Literatur beschriebene Abhängigkeit zwischen dem Strömungszustand im Reaktionssystem und der Reaktionsgeschwindigkeit bestätigt werden. Als Ergebnis der Untersuchung wurde für die untersuchte Lipase unter Anwendung von nativen Rapsöl als Substrat eine maximale Reaktionsgeschwindigkeit von 2,1 mmol/m^2min und eine Inhibierungskonstante für das Produkt von 6,88 mol/m^3 ermittelt. N2 - In order to improve the technical utilisation and comparability of the interface-activated lipase from the microorganism Thermomyces lanuginosus, the kinetic parameters were to be determined taking into account the size of the reactive interface and the mass transport processes in the vicinity of the interface. Since no experimental set-up had previously been available for the parallel investigation of reactions and the flow investigation of liquid-liquid phase reactions, the horizontal laminar flow reactor (HLFR) was developed and key aspects of its development were described in detail. The innovation of the reactor was that a continuous parallel flow of two immiscible fluid phases was made possible. The enzymatic conversion could take place at a common phase interface with a constant interface size. In order to use the HLFR for a kinetic investigation, the mixing behaviour was recorded using residence time distribution curves and the experimental set-up was modelled as a reactor circuit. This showed that, using comparable reaction kinetics, the entire reactor can be modelled as a continuously stirred batch reactor. In order to investigate the mass transport influences on the reaction, the flow processes within the phases were to be made accessible in addition to the concentration analysis. Due to the limited geometric dimensions, particle imaging velocimetry was used. Necessary adjustments to the experimental set-up to integrate the measurement method and validate the flow measurement were described in detail. Following the development of the experimental setup, the kinetic parameters for the hydrolysis of native rapeseed oil were determined using the example of lipase from the microorganism Thermomyces lanoginosus using a Michaelis-Menten approach with competitive product inhibition. The reaction progress was determined by measuring the concentration of free fatty acids in the oil phase by non-aqueous titration. Both the differential method and the integral method were used to calculate the kinetic parameters. In parallel, the data obtained were combined with the observed flow profiles of the PIV measurement and a possible influence of the shear stress near the interface as a decisive factor for the effective reaction rate was discussed. Furthermore, a dependence between the flow state in the reaction system and the reaction rate already described in the literature was confirmed. As a result of the investigation, a maximum reaction rate of 2.1 mmol/m^2min and an inhibition constant Ki for the product of 6.88 mol/m^3 were determined for the investigated lipase using native rapeseed oil as a substrate. KW - Thermomyces lanoginosus KW - PIV KW - Zweiphasenströmung KW - Two-phase-flow KW - Lipase KW - Lipase KW - Zweiphasenströmung KW - Rohrreaktor KW - Hydrolyse KW - Reaktionskinetik Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-67894 ER -