Enzymatic Synthesis, Recovery, and Purification of Ethyl β-ᴅ-glucopyranoside

Abstract

A method to synthesize ethyl β-ᴅ-glucopyranoside (BEG) was searched. Feasibility of different ion exchange resins was examined to purify the product from the synthetic binary solution of BEG and glucose. The target was to produce at least 50 grams of 99 % pure BEG with a scaled up process. Another target was to transfer the batch process into steady-state recycle chromatography process (SSR). BEG was synthesized enzymatically with reverse hydrolysis utilizing β-glucosidase as a catalyst. 65 % of glucose reacted with ethanol into BEG during the synthesis. Different ion exchanger based resins were examined to separate BEG from glucose. Based on batch chromatography experiments the best adsorbent was chosen between styrene based strong acid cation exchange resins (SAC) and acryl based weak acid cation exchange resins (WAC). CA10GC WAC resin in Na+ form was chosen for the further separation studies. To produce greater amounts of the product the batch process was scaled up. The adsorption isotherms for the components were linear. The target purity was possible to reach already in batch without recycle with flowrate and injection size small enough. 99 % pure product was produced with scaled-up batch process. Batch process was transferred to SSR process utilizing the data from design pulse chromatograms and Matlab simulations. The optimal operating conditions for the system were determined. Batch and SSR separation results were compared and by using SSR 98 % pure products were gained with 40 % higher productivity and 40 % lower eluent consumption compared to batch process producing as pure products.

Työssä etsittiin menetelmä etyyli β-ᴅ-glukopyranosidin (BEG) syntetisoimiseksi ja tutkittiin eri ioninvaihtohartsien soveltuvuutta aineen puhdistamiseksi kromatografisesti synteettisestä, binäärisestä liuoksesta, jossa pääasiallisena epäpuhtautena on glukoosi. 99 % puhdasta etyyli β-ᴅ-glukopyranosidia haluttiin tuottaa vähintään 50 grammaa suurempaan mittakaavaan skaalatulla panosprosessilla. Tavoitteena oli myös siirtää tuotantoprosessi panostoimisesta prosessista kierrätyskromatografiseen SSR prosessiin. BEG:iä syntetisoitiin entsymaattisesti käänteishydrolyysillä käyttäen β-glukosidaasi -entsyymiä. Synteesissä 65 % glukoosista reagoi etanolin kanssa BEG:ksi. BEG:n erottamiseksi glukoosista tutkittiin erilaisia ioninvaihtohartsipohjaisia erotusmateriaaleja. Erotusmateriaalivalinta tehtiin styreenipohjaisten vahvojen kationinvaihtohartsien (SAC) ja akryylipohjaisten heikkojen kationinvaihtohartsien (WAC) väliltä perustuen panostoimisiin kolonnikokeisiin. Erotusmateriaaliksi valikoitui Na+ muotoinen WAC CA10GC hartsi. Komponenttien erottuminen hartsissa on lineaarinen ja tavoitepuhtauden saavuttaminen on mahdollista jo panosprosessissa ilman kierrätystä, kun virtausnopeus ja pulssikoko ovat tarpeeksi pienet. Panostoiminen erotusprosessi skaalattiin suurempaan mittakaavaan suuremman tuotemäärän tuottamiseksi ja 99 % tuotepuhtaus saavutettiin. Panostoimisen systeemin läpäisykäyrien dataa ja Matlab simulointeja apuna käyttäen erotusprosessi siirrettiin SSR systeemiin, jonka optimaaliset toimintaolosuhteet määritettiin. SSR systeemillä saavutettuja tuloksia verrattiin vastaaviin panostoimisen prosessin tuloksiin. Valituissa olosuhteissa SSR:llä saatiin valmistettua 98 % puhtaita tuotteita 40 % korkeammalla tuottavuudella ja 40 % pienemmällä eluentin kulutuksella kuin panostoimisella prosessilla vastaavissa tuotepuhtauksissa.