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

Abstract

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.

Lactose or milk sugar is the most important component in milk that most mammals produce. Lactose is separated from whey, milk and cheese. Lactose is used as raw material in food and pharmaceutical industry for many different products. In pharmaceutical industry lactose is used as a filler in tablets. When lactose is oxidized lactobionic acid, 2-keto-lactobionic acid and lactulose are formed. Lactobionic acid is used for biodegradable surfactants, cosmetics and for liquids used for the storage of inner organs. Lactobionic acid hasthe ability to suppress tissue damage caused by oxygen radicals during the storage of inner organs.

In this work lactose was oxidized to lactobionic acid in a laboratory scale stirred batch reactor. Pd-activated carbon was used as the catalyst. Bismuth was used as catalyst promotor in a few cases in order to slow down the deactivation of the catalyst. The purpose of this work was to get more knowledge of lactose oxidation kinetics. Selectivity of lactose oxidation to lactobionic acid was found to depend on reaction temperature, pressure, pH and the catalyst amount.

By recycling the catalyst between the experiments better selectivities, conversions and yields were achieved. The best results were obtained when the oxidation was carried out with synthetic air at 60 oC and the pressure of 1 bar. Since the pH control was manually controlled, it was not always kept at desired value during all the experiments. The conversion of lactose reached 95 %. The relative selectivity and yield of lactobionic acid reached 100 %.

Kinetic modelling was carried outwith Modest software based on the experimental data. The parameter estimation and the reactor model gave a result that could well describe the reaction kinetics. In this work kinetic modelling was also made for lactose oxidation experiments performed in a shaking reactor where pH was controlled by 'in situ' titration.The use of monoliths in the production technology was also studied.