Kinetics of selective oxidation of lactose to lactobionic acid over Pd-active carbon catalyst

Laktoosi eli maitosokeri on tärkein ainesosa useimpien nisäkkäiden tuottamassa maidossa. Sitä erotetaan herasta, juustosta ja maidosta. Laktoosia käytetään elintarvike- ja lääketeollisuuden raaka-aineena monissaeri tuotteissa. Lääketeollisuudessa laktoosia käytetään esimerkiksi tablettien täyteaineena. Hapettamalla laktoosia voidaan valmistaa laktobionihappoa, 2-keto-laktobionihappoa ja laktuloosia. Laktobionihappoa käytetään biohajoavien pintojen ja kosmetiikkatuotteiden valmistuksessa, sekä sisäelinten säilöntäliuoksissa, joissa laktobionihappo estää happiradikaalien aiheuttamien kudosvaurioiden syntymistä. Tässä työssä laktoosia hapetettiin laktobionihapoksi sekoittimella varustetussa laboratoriomittakaavaisessa panosreaktorissa käyttäenkatalyyttinä palladiumia aktiivihiilellä. Muutamissa kokeissa katalyytin promoottorina käytettiin vismuttia, joka hidastaa katalyytin deaktivoitumista. Työn tarkoituksena oli saada lisää tietoa laktoosin hapettamisen kinetiikasta. Laktoosin hapettumisessa laktobionihapoksi havaittiin selektiivisyyteen vaikuttavan muunmuassa reaktiolämpötila, paine, pH ja käytetyn katalyytin määrä. Katalyyttiä kierrättämällä eri kokeiden välillä saatiin paremmat konversiot, selektiivisyydet ja saannot. Parhaat koetulokset saatiin hapetettaessa synteettisellä ilmalla 60 oC lämpötilassa ja 1 bar paineessa. Tehdyissä kokeissa pH:n säätö tehtiin manuaalisesti, joten pH ei pysynyt koko ajan haluttuna. Laktoosin konversio oli parhaimmillaan 95 %. Laktobionihapon suhteellinen selektiivisyys oli 100% ja suhteellinen saanto 100 %. Kinetiikan matemaattinen mallinnus tehtiin Modest-ohjelmalla käyttäen kokeista saatuja mittaustuloksia.Ohjelman avulla estimoitiin parametreja ja saatiin matemaattinen malli reaktorille. Tässä työssä tehtiin kineettinen mallinnus myös ravistelureaktorissa tehdyille laktoosin hapetuskokeille, missä pH pysyi koko ajan haluttuna 'in-situ' titrauksen avulla. Työn yhteydessä selvitettiin myös mahdollisuutta käyttää monoliittikatalyyttejä laktoosin hapetusreaktiossa.

Sisäisten donorien vaikutus Polypropeeni Ziegler-Natta katalyytissä

Tässä työssä tutkittiin erilaisten sisäisten donorien vaikutusta polypropeenin ominaisuuksiin käytettäessä Ziegler-Natta-katalyyttiä, joka valmistettiin Borealiksen aiemmin kehittämällä kaksifaasimenetelmällä. Tällä uudella menetelmällä katalyytti voidaan valmistaa ilman lisättyä sisäistä donoria ja kantajaa. Katalyyttihiukkaset saadaan kaksifaasisysteemin ansiosta muodoltaan pyöreiksi. Työn kokeellisessa osassa valmistettiin erilaisia Mg-komplekseja, jossa sisäinen donori muodostuu in-situ alkoholin ja karboksyylihappokloridin reagoidessa keskenään. Katalyyttisynteesissä Mg-kompleksi reagoi TiCl4:n kanssa. Saatujen katalyyttien ominaisuuksia testattiin polymeroimalla niillä propeenia 70 °C:ssa tunnin ajan. Polymeerien ominaisuuksia tutkittiin useiden eri karakterisointimenetelmien avulla. Lisäksi tutkittiin mahdollisuutta valmistaa katalyytti, joka ei sisältäisi ftalaattia. Työssä havaittiin, että katalyytin valmistusmenetelmä on käyttökelpoinen myös muilla sisäisillä donoreilla kuin referenssinä käytetyllä DOP:lla. Kaksiliuosfaasi-systeemi saatiin aikaan myös kahdella muulla työssä tutkitulla sisäisellä donorilla. Lisäksi faasitasapainokokeissa kahden liuosfaasin systeemi saatiin aikaan sisäisellä donorilla, joka ei sisältänyt ftalaattia. Kyseisellä katalyytillä havaittiin olevan muista katalyyteistä poikkeavia ominaisuuksia. Esimerkiksi se antoi matalamman isotaktisuuden kuin referenssikatalyytti ja se saattaisikin soveltua matalan isotaktisuuden pehmeille tuotteille. Työssä kokeiltiin yhdellä uudella katalyytillä myös eteenin polymerointia, sillä katalyytin donoripitoisuus oli hyvin matala. Katalyytin aktiivisuus eteenipolymeroinnissa oli varsin hyvä.

Design and implementation of a multipurpose reactor for scale-up studies

In the theoretical part, the different polymerisation catalysts are introduced and the phenomena related to mixing in the stirred tank reactor are presented. Also the advantages and challenges related to scale-up are discussed. The aim of the applied part was to design and implement an intermediate-sized reactor useful for scale-up studies. The reactor setting was tested making one batch of Ziegler–Natta polypropylene catalyst. The catalyst preparation with a designed equipment setting succeeded and the catalyst was analysed. The analyses of the catalyst were done, because the properties of the catalyst were compared to the normal properties of Ziegler–Natta polypropylene catalyst. The total titanium content of the catalyst was slightly higher than in normal Ziegler–Natta polypropylene catalyst, but the magnesium and aluminium content of the catalyst were in the normal level. By adjusting the siphonation tube and adding one washing step the titanium content of the catalyst could be decreased. The particle size of the catalyst was small, but the activity was in a normal range. The size of the catalyst particles could be increased by decreasing the stirring speed. During the test run, it was noticed that some improvements for the designed equipment setting could be done. For example more valves for the chemical feed line need to be added to ensure inert conditions during the catalyst preparation. Also nitrogen for the reactor needs to separate from other nitrogen line. With this change the pressure in the reactor can be kept as desired during the catalyst preparation. The proposals for improvements are presented in the applied part. After these improvements are done, the equipment setting is ready for start-up. The computational fluid dynamics model for the designed reactor was provided by cooperation with Lappeenranta University of Technology. The experiments showed that for adequate mixing with one impeller, stirring speed of 600 rpm is needed. The computational fluid dynamics model with two impellers showed that there was no difference in the mixing efficiency if the upper impeller were pumping downwards or upwards.

Membrane emulsification in preparation of single site catalyst

In the theory part the membrane emulsification was studied. Emulsions are used in many industrial areas. Traditionally emulsions are prepared by using high shear in rotor-stator systems or in high pressure homogenizer systems. In membrane emulsification two immiscible liquids are mixed by pressuring one liquid through the membrane into the other liquid. With this technique energy could be saved, more homogeneous droplets could be formed and the amount of surfactant could be decreased. Ziegler-Natta and single-site catalysts are used in olefin polymerization processes. Nowadays, these catalysts are prepared according to traditional mixing emulsification. More homogeneous catalyst particles that have narrower particle size distribution might be prepared with membrane emulsification. The aim of the experimental part was to examine the possibility to prepare single site polypropylene catalyst using membrane emulsification technique. Different membrane materials and solidification techniques of the emulsion were examined. Also the toluene-PFC phase diagram was successfully measured during this thesis work. This phase diagram was used for process optimization. The polytetrafluoroethylene membranes had the largest contact angles with toluene and also the biggest difference between the contact angles measured with PFC and toluene. Despite of the contact angle measurement results no significant difference was noticed between particles prepared using PTFE membrane or metal sinter. The particle size distributions of catalyst prepared in these tests were quite wide. This would probably be fixed by using a membrane with a more homogeneous pore size distribution. It is also possible that the solidification rate has an effect on the particle sizes and particle morphology. When polymeric membranes are compared PTFE is probably still the best material for the process as it had the best chemical durability.

Lipase and omega-transaminase catalysis in preparation of alcohol and amine enantiomers

Enantiopure intermediates are of high value in drug synthesis. Biocatalysis alone or combined with chemical synthesis provides powerful tools to access enantiopure compounds. In biocatalysis, chemo-, regio- and enantioselectivity of enzymes are combined with their inherent environmentally benign nature. Enzymes can be applied in versatile chemical reactions with non-natural substrates under synthesis conditions. Immobilization of an enzyme is a crucial part of an efficient biocatalytic synthesis method. Successful immobilization enhances the catalytic performance of an enzyme and enables its reuse in successive reactions. This thesis demonstrates the feasibility of biocatalysis in the preparation of enantiopure secondary alcohols and primary amines. Viability and synthetic usability of the studied biocatalytic methods have been addressed throughout this thesis. Candida antarctica lipase B (CAL-B) catalyzed enantioselective O-acylation of racemic secondary alcohols was successfully incorporated with in situ racemization in the dynamic kinetic resolution, affording the (R)-esters in high yields and enantiopurities. Side reactions causing decrease in yield and enantiopurity were suppressed. CAL-B was also utilized in the solvent-free kinetic resolution of racemic primary amines. This method produced the enantiomers as (R)-amides and (S)-amines under ambient conditions. An in-house sol-gel entrapment increased the reusability of CAL-B. Arthrobacter sp. omega-transaminase was entrapped in sol-gel matrices to obtain a reusable catalyst for the preparation enantiopure primary amines in an aqueous medium. The obtained heterogeneous omega-transaminase catalyst enabled the enantiomeric enrichment of the racemic amines to their (S)-enantiomers. The synthetic usability of the sol-gel catalyst was demonstrated in five successive preparative kinetic resolutions.

Perfluorattuja yhdisteitä sisältävien jätevesien puhdistus- ja analyysimenetelmät

Perfluoratut alkyyliyhdisteet eli PFAS-yhdisteet ovat synteettisiä orgaanisia yhdisteitä, joissa on fluorattu hiiliketju. Hiilen ja fluorin väliset vahvat sidokset ovat muodostuneet ongelmaksi jätevedenpuhdistamoilla, sillä yhdisteet eivät hajoa puhdistamoilla käytössä olevilla vedenpuhdistusmenetelmillä. Yhdisteitä kertyy luontoon jätevesien mukana. Kandidaatintyössä on vertailtu yhdisteitä sisältävien vesien käsittelymenetelmiä parhaiten soveltuvan menetelmän löytämiseksi. Menetelmien kustannuksia tai soveltuvuutta vedenpuhdistamomittakaavan prosessiksi ei ole arvioitu. Lisäksi työssä on koottu yhdisteitä sisältävien jätevesien analysointiin sopivia analyysimenetelmiä. Soveltuvat puhdistus- ja analyysimenetelmät on esitelty uusien tieteellisten artikkelien pohjalta. Mahdollisia erotusmenetelmiä ovat membraanierotus ja sorptio. Membraaneista soveltuvimpia ovat nanosuodatus- ja käänteisosmoosimembraanit, joilla erottuvat jopa 0,0001 μm:n kokoiset partikkelit. PFAS-yhdisteet voidaan erottaa sorptiolla muun muassa aktiivihiileen. Yhdisteiden rakenne hajoaa nykyaikaisilla hapetusmenetelmillä ja polttamalla lietteen mukana. Hapettaminen permanganaatin avulla ei tuottanut hyvää tulosta, mutta fotokemiallisella hapetuksella ja alhaisen lämpötilan plasmatekniikalla (NTP) yhdisteiden rakenne hajosi lähes kokonaan. Fotokemiallinen hapetus onnistui erityisesti perfluorokarboksyylihapoilla, joiden rakenne hajosi jopa kolmessa tunnissa. Yleisimmin käytetty analyysimenetelmä on nestekromatografin ja massaspektrometrin yhdistelmä (LC-MS/MS) ja matriisivaikutus minimoidaan tyypillisesti kiinteäfaasiuutolla (SPE). Työssä esitellyistä käsittelymenetelmistä parhaiten soveltuva on NTP-menetelmä, koska sillä saatiin tutkimusten mukaan hajotettua yhdisteiden rakenne muita menetelmiä lyhyemmässä ajassa ja se soveltuu parhaiten kaikille PFAS-yhdisteille. NTP-menetelmässä ei tarvita katalyyttiä tai lisäkemikaaleja. Voimakkaana hapettimena toimivat epästabiilit hydroksyyliradikaalit, jotka syntyvät koronapurkauksen kautta. Koronapurkauksessa muodostuu myös otsonia ja lisäksi vapaa happi voi tehostaa hapettumista. Menetelmässä muodostuvien hajoamistuotteiden hallinta vaatii lisätutkimusta. Mahdollinen hallintakeino voisi olla esimerkiksi hapettumisessa vapautuvien fluoridi-ionien saostaminen. Muodostuvien hajoamistuotteiden toksisuutta voitaisiin tarkkailla biosensorilla.

Lääkeaineiden poisto yhdyskuntajätevesistä katalyyttisillä membraaneilla

Lääkeaineiden poistaminen jätevedestä on tärkeää lääkeainejäämien ympäristöön pääsyn ehkäisemiseksi. Tämän työn tavoitteena on selvittää, soveltuvatko katalyyttiset membraanit lääkeaineiden poistoon jätevedestä ja saadaanko membraanisuodatusta tehostettua katalyyttisellä prosessilla. Työ käsittelee katalyyttisistä prosesseista fotokatalyysiä, joka perustuu valoa absorboivan katalyytin käyttöön. Kirjallisuustyössä tarkastellaan kahden erilaisen fotokatalyyttisen prosessin toimivuutta membraanisuodatuksen kanssa lääkeaineiden poistossa jätevedestä. Lisäksi tutkitaan fotokatalyysissä käytettävän katalyytin ja ultraviolettisäteilyn vaikutusta membraaniin. Tutkimukset ovat osoittaneet, että katalyyttisillä membraaneilla voidaan poistaa lääkeaineita jätevedestä tehokkaasti. Parhaan lääkeaineiden poistotehokkuuden saamiseksi katalyytin määrä on optimoitava hajotusprosessin kannalta. Myös katalyytin sijainti membraanissa vaikuttaa tehokkuuteen. Katalyytti voi sijaita membraanista myös erillään. Tällöin saadaan käsiteltyä myös jatkuvatoimisessa membraanisuodatuksessa syntyvä lääkeaineita sisältävä konsentraattivirta. Kun katalyyttisellä membraanilla hajotetaan lääkeaineita, täytyy prosessin turvallisuuden kannalta olla hyvin selvillä mahdollisista syntyvistä myrkyllisistä välituotteista. Tutkimuksissa on myös todettu, että katalyyttisen membraanin käyttö vähentää membraanin likaantumista.

Liquid-phase alcohol promoted methanol synthesis from CO2 and H2

Methanol is an important and versatile compound with various uses as a fuel and a feedstock chemical. Methanol is also a potential chemical energy carrier. Due to the fluctuating nature of renewable energy sources such as wind or solar, storage of energy is required to balance the varying supply and demand. Excess electrical energy generated at peak periods can be stored by using the energy in the production of chemical compounds. The conventional industrial production of methanol is based on the gas-phase synthesis from synthesis gas generated from fossil sources, primarily natural gas. Methanol can also be produced by hydrogenation of CO2. The production of methanol from CO2 captured from emission sources or even directly from the atmosphere would allow sustainable production based on a nearly limitless carbon source, while helping to reduce the increasing CO2 concentration in the atmosphere. Hydrogen for synthesis can be produced by electrolysis of water utilizing renewable electricity. A new liquid-phase methanol synthesis process has been proposed. In this process, a conventional methanol synthesis catalyst is mixed in suspension with a liquid alcohol solvent. The alcohol acts as a catalytic solvent by enabling a new reaction route, potentially allowing the synthesis of methanol at lower temperatures and pressures compared to conventional processes. For this thesis, the alcohol promoted liquid phase methanol synthesis process was tested at laboratory scale. Batch and semibatch reaction experiments were performed in an autoclave reactor, using a conventional Cu/ZnO catalyst and ethanol and 2-butanol as the alcoholic solvents. Experiments were performed at the pressure range of 30-60 bar and at temperatures of 160-200 °C. The productivity of methanol was found to increase with increasing pressure and temperature. In the studied process conditions a maximum volumetric productivity of 1.9 g of methanol per liter of solvent per hour was obtained, while the maximum catalyst specific productivity was found to be 40.2 g of methanol per kg of catalyst per hour. The productivity values are low compared to both industrial synthesis and to gas-phase synthesis from CO2. However, the reaction temperatures and pressures employed were lower compared to gas-phase processes. While the productivity is not high enough for large-scale industrial operation, the milder reaction conditions and simple operation could prove useful for small-scale operations. Finally, a preliminary design for an alcohol promoted, liquid-phase methanol synthesis process was created using the data obtained from the experiments. The demonstration scale process was scaled to an electrolyzer unit producing 1 Nm3 of hydrogen per hour. This Master’s thesis is closely connected to LUT REFLEX-platform.