Lipase-catalyzed esterification of n-butyl oleate was carried out in n-hexane as a model reaction. The optimal activity of Candida rugosa lipase was shown in a water activity ($a_w$) range of 0.52 to 0.65 at $30^{\circ}C$. The water produced from the esterification was removed by a tubular type pervaporation system. The rate of ester formed from the enzymatic esterification was allowed to be the same as the rate of water removal by maintaining an optimal $a_w$ of the reaction system using an on-off dewatering control device. The reaction rate and yield with a$a_w$ control were increased two folds higher than the respective values for the uncontrolled reaction.
The effects of substrate concentration, enzyme concentration, reaction temperature, and water content were investigated in intramolecular esterification. This study used cyclohexane as organic solvent, power lipase as enzyme, and benzyl alcohol and octanoic acid as substrate. The initial reaction rate was found to be proportional to enzyme concentration; followed Michaelis-Menten equation for octanoic acid; and was inhibited by benzyl alcohol . The observed initial reaction rate first increased, then decreased with increasing reaction temperature, giving rise to the maximum rate at 20$\circ$. The drop in the reaction rate at higher temperature was to partition equilibrium change of substrate between organic solvent and hydration layer of enzyme molecule in addition to the deactivation by enzyme denaturation. Water layer surrounding enzyme molecule seemed to activate in organic solvent and the realistic reaction was done in the water layer. In the enzymatic reaction in organic solvent, the initial reaction rate was influenced by partition quilibrium of substrate, so the optimum condition of substrate concentration, enzyme concentration, reaction temperature, and water content would give a good design tool.
Esterification reaction between succinic acid and 1,4-butanediol was kinetically investigated in the presence of nontoxic organometallic compound catalyst(ESCAT-100E) at $150-190^{\circ}C$. The reaction rates measured by the amount of distilled water from the reaction vessel. The Esterification reaction was carried out under the first order conditions respect to the concentration of reactants, respectively. The overall reaction order was 2nd. The linear relationship was shown between apparent reaction rate constant and reciprocal absolute temperature. By the Arrhenius plot the activation energy have been calculated as 376.13 kJ/mol under nontoxic organometallic compound catalyst and also apparent reaction rate constant, k' was found to obey first kinetics with respect to the concentration of catalyst.
Esterification reaction between succinic acid and 1,4-butanediol was kinetically investigated in the presence of monobutyl tinoxide catalysts at $150{\sim}190^{\circ}C$. The reaction rates measured by the amount of distilled water from the reaction vessel. The esterification reaction was carried out under the first order conditions with respect to the concentration of reactants, respectively. The overall reaction order was 2nd. The linear relationship was shown between apparent reaction rate constant and reciprocal absolute temperature. By the Arrhenius plot the activation energy have been calculated as 87.567 kJ/mol under monobutyl tinoxide catalyst and also apparent reaction rate constant, k' was found to obey first kinetics with respect to the concentration of catalyst.
Esterification of soybean oil with methanol was investigated. First of all, liquid-liquid equilibriums for systems of soybean oil and methanol were measured at temperatures ranging from 40 to 65$^{\circ}C$. Profiles of conversion of soybean oil with time were determined from the glycerine content in reaction mixtures for the different kinds of catalysts, such as NaOH, CaO, Ca(OH)$_2$, MgO, Mg(OH)$_2$, and Ba(OH)$_2$. The effects of dose of catalyst, cosolvent and reaction temperature on final conversion were examined. Esterification of waste vegetable oil with methanol was investigated and compared to the case of soybean oil. Solubility of methanol in soybean oil was substantially greater than that of soybean oil in methanol. When the esterification reaction of soybean oil was catalyzed by solid catalyst, final conversion was strongly dependent on the alkalinity of the solid catalyst, and increased with the alkalinity of the metal. Hydroxides from the alkali metals were more effective than oxides. When Ca(OH)$_2$ was used for the esterification catalyst, maximum value of final conversion was measured at dose of 4%. When CHCl$_3$ as a cosolvent, was added into the reaction mixture of soybean oil which catalyzed by Ba(OH)$_2$, maximum value of final conversion was appeared at dose of 3%. When waste vegetable oil was catalyzed by NaOH and solid catalysts, high final conversion, over 90%, and fast reaction rate were obtained.
Candida rugosa lipase를 이용하여 효소 농도, 반응온도, 알콜 농도 및 종류 등의 반응조건에 따른 racemic ibuprofen 에스테르화 반응의 초기반응속도, 전환율 그리고 입체 선택성 을 조사하였다. 제조된 S-(+)-ibuprofen alkyl ester는 황산을 촉매로 하는 가수분해반응에 의해 순수한 S-(+)-ibuprofen으로 전환되었다. 에스테르화 반응에서는 반응온도 6$0^{\circ}C$에서 최대 활성을 보였으며, 그 이상의 온도에서는 효소의 활성 저하로 전환율과 enantiomeric excess값이 동시에 현격하게 감소하는 경향을 보였다. 알코올 농도가 증가할수록 알콜의 효소반응 저해제작용으로 인하여 초기반응속도가 감소하는 경향을 보였으며, 최종 전환율은 Ibuprofen와 Alcohol의 몰 비가 1/1에서 최고 값을 나타냈다. 알콜 종류에 따른 알코올 체인 길이가(C$_2$~C$_{10}$) 증가할수록 전환율은 증가하였는데, 특히 알코올 체인길이가 가장 큰 데칸올이 가장 높은 전환율을 보였다. 반응온도가 6$0^{\circ}C$ 이상의 높은 경우를 제외하고 에스테르화 반응 조건에 따라 입체 선택성 즉 enantiomeric excess의 큰 변화는 없었다. 화학적 가수분해 반응은 비교적 짧은 반응시간(3시간)내에 평형반응에 도달하였으며 알코올 체인 길이에 관계없이 거의 95% 이상의 높은 전환율 및 입체 선택성을 나타냈다. Lipase에 의한 ibuprofen 에스테르화 반응의 최적 조건과 화학적인 가수분해 반응을 통해서 racemic ibuprofen으로부터 높은 수율의 S-(+)-ibuprofen을 확보할 수 있었다.
The multivariate statistical analysis methods, using both multiple linear regression(MLR) and partial least square(PLS), have been applied to predict the reactor properties and the product quality of a direct esterification reactor for polyethylene terephthalate(PET) synthesis. On the basis of the set of data including the flow rate of water vapor, the flow rate of EG vapor, the concentration of acid end groups of a product and other operating conditions such as temperature, pressure, reaction times and feed monomer mole ratio, two multi-variable analysis methods have been applied. Their regression and prediction abilities also have been compared. The prediction results are critically compared with the actual plant data and the other mathematical model based results in reliability. This paper shows that PLS method approach can be used for the reasonably accurate prediction of a product quality of a direct esterification reactor in PET synthesis process.
본 연구에서는 norbornene 디에스터 유도체를 합성하는 공정에서 반응 부산물로 생성되는 boric acid를 회수하여 norbornene diacid의 에스터화 반응에 재사용 가능성을 조사하였다. Boric acid를 4가지의 alcohol과 에스터화 시켜 4종류의 trialkyl borate (tributyl borate, tripentyl borate, triisopentyl borate, trihexyl borate)를 합성한 다음 이를 norbornene dicarboxylic acid와 반응시키는 2단계 공정으로 디에스터 유도체를 합성하였다. 이 때 norbornene dicarboxylic acid의 전환율은 89.50~99.31%였다. 디에스터화 반응의 부산물인 boric acid를 NaCl염과 함께 회수하여 trialkyl borate를 합성한 후 정제한 결과 회수율은 92.43~99.35%이었다. 이를 다음 반응에 사용한 결과 디에스터의 수율은 43.70~64.39%였고 순도 97.70~99.24%로 수율이 일부 감소되었으나 손실이 크지 않음을 확인하였다. 주요 반응 부산물인 boric acid를 공정내에서 재사용이 가능하므로 화합물 배출에 의한 환경오염을 사전에 예방할 수 있는 친환경공정으로 적용 가능함을 확인하였다.
디에틸렌글리콜(DEG, 분자량 106.1)과 폴리에틸렌글리콜600(PEG600, 분자량 603.3)을 아디프산(AA)과 반응시켜 폴리(옥시에텔렌-아디페이트)-디올 공중합체를 합성하는 에스테르 반응에서, stannous 2-ethylhexanoate 촉매의 농도가 반응속도에 주는 영향을 연구하였다. 반응에 사용되는 AA의 카르복실기 당량 대비 폴리올의 히드록실기의 당량비를 2로 맞추어서 합성된 폴리(에테르-에스테르)의 양말단이 OH기로 결합되도록 유도하였다. 반응은 $170^{\circ}C$에서 촉매농도 0.15 ~ 2.0 wt.%로 수행하였다. 합성된 폴리(옥시에텔렌-아디페이트)-디올의 수평균 중합도는 약 3 이었다. DEG와 AA로부터 폴리(옥시에텔렌-아디페이트)-디올이 합성되는 반응의 겉보기속도상수($k_{app}$) 값은 촉매의 농도가 커짐에 따라 $k_{app}=0.88[C_{cat}]$의 관계를 가지며 선형적으로 증가한 반면에, PEG600과 AA의 에스테르 반응의 $k_{app}$ 값은 촉매농도와 $k_{app}=0.123[C_{cat}]^{0.55}$의 관계로 증가하며 포화되는 경향을 나타내었다. DEG와 AA사이의 합성반응에서도 반응속도의 촉매농도에 대한 의존성이 비선형 관계로 바뀌는 것이 예상되며, 이때의 촉매농도는 [$Sn(C_8H_{15}O_2)_2$ mole/mole of AA mole] 값이 0.066([$C_{cat}$]=0.22M)에 가까운 영역에 있을 것으로 추정된다.
On-line conversion estimation of enzymatic esterification reactions in solvent-free media was investigated. In principle, conversion to ester can be determined from the amount of water produced by the reaction, because water is formed as a by-product in a stoichiometric manner. In this study, we estimated the water production rate only from some measurements of relative humidity and water balances without using any analytical methods. In order to test the performance of the on-line conversion estimation, the lipase-catalyzed esterification of n-capric acid and n-decal alcohol in solvent-free media was performed whilst controlling water activity at various values. The reaction conversions estimated on-line were similar to those determined by offline gas chromatographic analysis. However, when the water activity was controlled at higher values, discrepancies between the estimated conversion values and the measured values became significant. The deviation was found to be due to the inaccurate measurement of the water content in the reaction medium during the initial stages of the reaction. Using a digital filter, we were able to improve the accuracy of the on-line conversion estimation method considerably. Despite the simplicity of this method, the on-line estimated conversions were in good agreement with the off-line measured values.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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