Biocatalysis using lipase immobilised in organogels in supercritical carbon dioxide

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-opus-6287
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.10431

Blattner, Christian

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Date of publication of this fulltext: 15 May 2006 07:44

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The catalytic ability of lipases encapsulated in organogels with supercritical carbon dioxide as external solvent was studied.

Lipase from Candida antarctica was encapsulated in lecithin water-in-oil microemulsion-based organogels (MBGs) formulated with hydroxypropylmethyl cellulose (HPMC). The esterification of lauric acid and 1-propanol catalysed by these MBGs was examined in supercritical carbon dioxide (35 °C, 110 bar) as solvent for the substrates.

The effect of various parameters such as pressure, mass fraction of biopolymer, alcohol and carboxylic acid chain length was studied in supercritical carbon dioxide. Results are discussed with reference to experiments performed with isooctane as external solvent. In addition, a kinetic study of MBG-encapsulated C. antarctica showed that the ester synthesis catalysed by the immobilised lipase occurs via a Ping Pong Bi Bi mechanism in which only inhibition by excess of alcohol was identified. Initial experiments concerning the reusability of these gels, moreover, showed that the slight decrease of activity in supercritical carbon dioxide is similar to that observed in isooctane.

In addition, the catalytic activity of HPMC MBGs containing C. antarctica lipase immobilised in so-called detergentless microemulsions comprised of n-hexane, 1-propanol, and buffer solution was investigated in supercritical carbon dioxide. It could be shown that this type of MBG is likewise active in supercritical carbon dioxide. Biocatalyst reuse experiments indicated that detergentless MBGs exhibit a better operational and storage stability than organogels formulated with classical microemulsions.

Phytantriol-based organogels as a new type of immobilisation matrix were tested for their potential application as solid-phase catalysts with both isooctane and supercritical carbon dioxide as external solvents. It was shown that Mucor miehei lipase immobilised in such organogels is capable of catalysing the esterification of 1-propanol and lauric acid in both solvents. In order to determine the operational stability of the immobilised lipase in phytantriol-based organogels, reuse experiments were conducted in isooctane. They showed that the catalytic activity is quite well preserved despite the fact that a loss of phytantriol occurs due to its extraction from the gel.

Moreover, C. antarctica lipase was tested for catalytic activity in water-in-carbon dioxide (w/c) microemulsion systems based on both ionic and nonionic surfactants in supercritical carbon dioxide. However, no evidence for enzymatic catalysis by lipase solubilised in the microemulsions was found.

Furthermore, qualitative solubility studies on surfactants and related molecules were performed in supercritical carbon dioxide in order to identify new surfactants for the formation of w/c microemulsions. While Dowanol DPM and Dowanol DPnB exhibited high solubility, the tested surfactants such as C8C4, Akypo LF1, Ralufon F 5-13, and Emulsogen CIO 050, were not found to be soluble in supercritical carbon dioxide or to stabilise w/c microemulsions.

Translation of the abstract (German)

Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden enzymkatalysierte Reaktionen mit Hilfe von in Organogelen immobilisierten Lipasen in überkritischem Kohlendioxid untersucht.

Lipase aus Candida antarctica wurde in Mikroemulsion-basierten Organogelen (MBGs) immobilisiert. Die MBGs wurden mit Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC) und Lecithin-basierten Mikroemulsionen hergestellt. Als Modellreaktion wurde die Veresterung von Laurinsäure und 1-Propanol in überkritischem Kohlendioxid (35 °C, 110 bar) verwendet. Neben Messungen zur Kinetik wurde der Einfluss verschiedener Parameter wie Druck, Gelzusammensetzung und Kettenlänge von Alkohol bzw. Säure auf die Enzymaktivität untersucht. Als Referenzlösungsmittel diente dabei Isooctan. Wiederverwendungsversuche in überkritischem Kohlendioxid bzw. Isooctan zeigten, dass der Aktivitätsverlust pro Batch-Reaktion in beiden Lösungsmitteln vergleichbar ist.

Darüber hinaus wurde die Aktivität von C. antarctica Lipase in so genannten tensidfreien Mikroemulsionen in HPMC-basierten Organogelen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass auch diese Gele in überkritischem Kohlendioxid katalytisch aktiv sind. Wiederverwendungsversuche deuten außerdem daraufhin, dass die Enzymaktivität in dieser Art von Gelen besser erhalten bleibt als in Organogelen auf der Basis klassischer Mikroemulsionen.

Ferner wurden Phytantriol-basierte Organogele auf ihre Eignung als Immobilisierungsmatrix für Enzyme untersucht. Es zeigte sich, dass in diesen Gelen immobilisierte Mucor miehei Lipase die Veresterung von Laurinsäure mit 1-Propanol sowohl in organischen Lösungsmitteln als auch in überkritischem Kohlendioxid katalysiert. Wiederverwendungsversuche in Isooctan als Lösungsmittel ergaben, dass die Enzymaktivität trotz des Verlustes von Phytantriol durch Extraktion auf relativ hohem Niveau erhalten bleibt.

Neben den Enzymreaktionen mit Organogelen als Immobilisierungsmatrix wurde auch untersucht, ob C. antarctica Lipase in Wasser-in-Kohlendioxid (w/c) Mikroemulsionen aktiv ist. Es konnte jedoch keine Katalyse durch in der Mikroemulsion gelöstes Enzym festgestellt werden.

Außerdem wurden qualitative Löslichkeitsversuche in überkritischem Kohlendioxid mit Tensiden und tensidähnlichen Substanzen durchgeführt. Ziel dieser Versuche war es, neue Tenside für die Bildung von w/c Mikroemulsionen zu finden. Während Dowanol DPM und Dowanol DPnB hohe Löslichkeiten zeigten, waren die untersuchten Tenside (z.B. C8C4, Akypo LF1, Ralufon F5-13 und Emulsogen CIO 050) unlöslich in Kohlendioxid bzw. nicht in der Lage, w/c Mikroemulsionen zu stabilisieren.

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