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Einfluss des pH-Werts auf die Reaktivextraktion von L-Phenylalanin
3.3 Produktaufarbeitung
Im neutralen Bereich liegt L-Phenylalanin überwiegend als Zwitterion vor (pI=5,5). Unterhalb
des pKs von 1,83 liegt L-Phenylalanin protoniert, oberhalb des pKb von 9,18 deprotoniert
vor. Maaß zufolge ist die Extraktion von L-Phenylalanin mit dem sauren Carrier
D2EHPA über einen großen Bereich unabhängig vom pH-Wert [Maaß 2001]. Vorstellbar
ist, dass L-Phenylalanin als Zwitterion direkt mit D2EHPA an der Phasengrenze reagiert
und einen Ionenpaarkomplex bildet. Bei der Rückextraktion wird dieser Komplex durch die
Protonen im Aktzeptor aufgelöst. Ebenfalls denkbar ist, dass L-Phenylalanin im neutralen
Bereich gut extrahiert werden kann, da sich eine geringe Menge D2EHPA in der wässrigen
Phase löst und dissoziiert, wodurch der pH-Wert gesenkt wird und L-Phenylalanin-
Kationen entstehen. Zudem wird der pH-Wert an der Phasengrenze durch die Dissoziation
des sich dort anlagernden Carriers herabgesetzt, so dass L-Phenylalanin-Kationen vorliegen.
Diese binden an den Carrier.
Stoffübergang bei der Reaktivextraktion
Der Stoffübergang und die Geschwindigkeit der chemischen Reaktion sind für die Reaktivextraktion
entscheidend. Bei einer langsamen Reaktion ist nur die Reaktionskinetik,
nicht aber der diffusive Stofftransfer relevant. Dagegen ist bei einer schnellen Reaktion
die spezifische Stofftransferrate bestimmend [Hafez 1983]. Eine vorliegende Transportlimitierung
kann durch hydrodynamische Veränderungen aufgehoben werden, während eine
Reaktionslimitierung dadurch nicht aufgehoben wird.
Es gibt verschiedene Theorien zum diffusiven Stofftransfer. Die Zweifilm-Theorie (Lewis
(1916) und Whitman (1923)) geht von ruhenden, stationären, laminaren Grenzflächenfilmen
auf beiden Seiten der Phasengrenzfläche zwischen den beiden Fluiden aus, über die
ein Transfer durch molekulare Diffusion erfolgt. Je größer die Turbulenz in den Kernzonen
der Fluide, desto dünner sind die laminaren Grenzflächenfilme [Javed 1992]. In Abb. 3.8
ist der Stoffübergang im laminaren Grenzflächenfilm dargestellt. Die Konzentration
kann sowohl in der wässrigen Phase höher sein, wie hier dargestellt, als auch in der
organischen Phase. Da Lösungsgleichgewicht an der Phasengrenze angenommen wird, sind
die Diffusionsgeschwindigkeiten durch beide Filme im stationären Zustand gleich. Der
Stoffübergang ist abhängig von der Konzentrationsdifferenz.
Es gilt:
−Js = βw · (cw − cw,lim) = βo · (co,lim − co) (3.36)
mit Js flächenbezogener Stofffluss [mol/(m 2 ·s)]
β Stoffübergangskoeffizient (β = D/δ) [m/s]
D Diffusionsquotient [m 2 /s]
δ Dicke der Grenzschicht [m]
c, clim Konzentration in der Flüssigkeit, [mol/m 3 ]
bzw. an der Phasengrenzfläche
Im Gegensatz zur Zweifilm-Theorie gehen die Penetrations- (Higbie (1935)) und die
Oberflächenerneuerungstheorie (Danckwerts (1951)) von einer Oberflächenerneuerung
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