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Synthèse Enzymatique de Surfactants Sucrés dans le CO2 Supercritique
A.Favrelle,a* A.Brognaux,b,c,d A.Debuigne,a G.Richard,b M.Deleu,c K.Nott,b J.-P.Wathelet,b C.Blecker,d M.Paquot,c C.Jérôme.a
*[email protected]
a
CERM, Université de Liège, Sart-Tilman, Bat B6a, B-4000 Liège
Universitaire des Sciences Agronomiques de Gembloux, B-5030 Gembloux
Au delà d’une température et une pression spécifiques (le point critique; 31,1°C et 73,8 bars), le CO2 devient un
fluide supercritique et possède des propriétés très particulières comprises entre celles d’un fluide à l’état gazeux et
d’un liquide. Il est alors caractérisé par une grande diffusivité (de l’ordre de celle des gaz) et une densité élevée (de
l’ordre de celle des liquides) qui le dotent d’une capacité de transport et d’extraction importante. Le CO2
supercritique (Sc-CO2) a de nombreux avantages (respectueux de l’environnement, non inflammable…) et
constitue une alternative intéressante aux solvants organiques.1 Bien qu’il y ait de nombreux exemples dans la
littérature d’estérification de sucres catalysée par les lipases en milieux organiques,2-4 peu de travaux décrivent la
synthèse enzymatique d’esters de sucres dans le Sc-CO2.5-9
Fig 1. Diagramme de phase
pression-température du CO2
Estérification du D-Mannose catalysée par la lipase B de Candida antarctica immobilisée (CALB)
O
tert-BuOH
tert(10mL)
CH3
Rdt = 55%
(α/β 90/10)
O
10
H OH
OH O
HO
OH O
HO
H
HO
H
H
HO
OH
+
CALB (20mg)
10
OH
O
H
60°
60°C, 48h
OH
D-Mannose
ScSc-CO2,
30mL, 220 bars
Acide myristique
(0,6M)
(0,1M)
Pression (bar)
250
200
150
100
50
0
Fig 3. Réacteur haute
pression avec fenêtre
en Saphir
232
145
130
6
8
10
12
14
Fig 2. Réacteur
haute pression
Effet du Sc-CO2 sur le D-Mannose
A
A
Plus la chaîne
aliphatique est
longue moins l’acide
est soluble
190
• D-Mannose non soluble
• Lipase immobilisée
• Stabilité de la lipase ?
• Solubilité des acides ?
réaction non favorisée
Solubilité des acides aliphatiques dans le Sc-CO2 à 60°C
A: taille des particules 50-107 µm
B: taille des particules 17-35 µm
BB
Fig 4. Images SEM des particules de
D-Mannose avant (A) et après (B)
un séjour dans le Sc-CO2 (220 bars)
16
Carbons
Carbones
La pressurisation/dépressurisation a
un effet important sur le D-Mannose
et conduit à la diminution de la
taille des particules
Stabilité de la lipase B de Candida antarctica immobilisée dans le Sc-CO2
La CALB est préalablement incubée dans le Sc-CO2 à 200 bars et 60°C à différents temps pour plusieurs cycles de
pressurisation/dépressurisation. La lipase, récupérée après dépressurisation du réacteur, est ensuite utilisée comme catalyseur dans les
réactions d’estérification du D-Mannose avec l’acide myristique dans le tert-BuOH à 60°C et pression atmosphérique. Pour comparaison,
la même réaction d’estérification est également catalysée par la lipase non incubée (non traitée = témoin). (vi = vitesse initiale)
1,0
0,5
0,0
Témoin
untreated
2h
Conversion
1,2
60
1
50
0,8
40
0,6
30
0,4
20
0,2
10
0
0
untreated
Témoin
16h
24h
vi
Conversion
(%)
1,5
vi
Conversion
24h
Conversion at
à 24h
(%)
60
50
40
30
20
10
0
vi (g/L/h)
vi (g/L/h)
2,0
Conversion
Conversionatà48h
48h
(%)
(%)
Effet du ScSc-CO2 sur l’activité de la lipase
Pas d’effet du Sc-CO2 sur
l’activité de la lipase
120h
Cycle(w
(sans
agitation)
Cycle
ithout
stirring)
Cycle(avec
(withagitation)
stirring)
Cycle
Activité préservée, faible effet sur le taux de
conversion mais diminution de la vitesse initiale.
Destruction du support de l’enzyme: effet de
l’agitation ou de la dépressurisation?
Effet important de
l’agitation conduisant à
la destruction du support
d’immobilisation
Activité préservée, faible effet sur le taux de
conversion et sur la vitesse initiale. Pas
d’effet de la dépressurisation
0,5
0,0
untreated
Témoin
2h
2x2h
3x2h
1,0
0,5
0,0
untreated
30min
Témoin
30min + 30min +
2x1h
4x1h
(%)
1,0
Conversion
60
50
40
30
20
10
0
1,5
C onv ersion at 48 h
Conversion
(% ) à 48h
1,5
2,0
vi
vi (g/L/h)
60
50
40
30
20
10
0
(%)
2,0
Conversion
Conversionatà 48h
48h
(%)
Effet des cycles de pressurisation/dépressurisation
vi (g/L/h)
Centre d’Etude et de Recherche sur les Macromolécules
b,c, d Faculté
vi
Activité préservée après
plusieurs cycles de
pressurisation/dépressurisation
Faible effet sur la vitesse initiale
et le taux de conversion
Conversion
Cycles(without
(sans agitation)
Cycles
stirring)
Cycles
Cycles(avec
(with agitation)
stirring)
Conclusions
Références
1
P.Degn et al.,
al., Biotechnology Letters,
Letters, 1999, 21,
21, 275275-280
J.Yu et al.,
al., Catalysis Communications,
Communications, 2008, 9, 13691369-1374
S.Sabeder et al.,
al., Journal of Food Engineering,
Engineering, 2006, 77,
77, 880880-886
4 M.Ferrer et al.,
al., Enzyme and Microbial Technology,
Technology, 2005, 36,
36, 391391-398
5 H.P.Tai et al., Journal of Supercritical Fluids,
Fluids, 2009, 48,
48, 3636-40
6 M.Habulin et al., Journal of Supercritical Fluids,
Fluids, 2008, 45,
45, 338338-345
7 S.Sabeder et al., CI&CEQ,
CI&CEQ, 2006, 12,
12, 147147-151
8 S.Sabeder et al.,
al., Industrial and Engineering Chemistry Research,
Research, 2005,
44,
44, 96319631-9635
9 C.Tsitsimpikou et al.,
al., Journal of Chemical Technology and
Biotechnology,, 1998, 71,
Biotechnology
71, 309309-314
2
Cette étude préliminaire nous a permis d’évaluer l’influence de divers paramètres
tels que la solubilité des acides dans le Sc-CO2 et l’effet du Sc-CO2 sur le DMannose et la CALB. La synthèse enzymatique d’esters de sucre dans le Sc-CO2
semble être une approche prometteuse, peu décrite dans la littérature, mais
d’autres facteurs doivent encore être évalués (influence de l’eau dans le milieu,
pression, température…) afin de favoriser la réaction d’estérification dans un tel
milieu.
3
Remerciements: Le projet « Superzyme » est financé par la Communauté Française de Belgique dans le cadre du programme « d’ Action de Recherches Concertées – ARC »