Синтез бутилолеату в біокаталітичних мембранних реакторах з іммобілізованою ліпазою
Досліджено властивості біокаталітичних мембран з іммобілізованою ліпазою в реакції синтезу бутилолеату при етерифікації олеїнової кислоти з бутанолом в ізооктані. Біокаталітичні мембрани одержано за допомогою ковалентної або нековалентної (адсорбція, інклюзія в поруватій структурі) іммобілізації ліп...
Saved in:
| Published in: | Украинский химический журнал |
|---|---|
| Date: | 2007 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В.І. Вернадського НАН України
2007
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/185695 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Синтез бутилолеату в біокаталітичних мембранних реакторах з іммобілізованою ліпазою / В.М. Кочкодан, Н. Хілал, В.В. Гончарук, Р. Нігматуллін // Украинский химический журнал. — 2007. — Т. 73, № 5. — С. 3-9. — Бібліогр.: 13 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-185695 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Кочкодан, В.М. Хілал, Н. Гончарук, В.В. Нігматуллін, Р. 2022-10-05T11:58:51Z 2022-10-05T11:58:51Z 2007 Синтез бутилолеату в біокаталітичних мембранних реакторах з іммобілізованою ліпазою / В.М. Кочкодан, Н. Хілал, В.В. Гончарук, Р. Нігматуллін // Украинский химический журнал. — 2007. — Т. 73, № 5. — С. 3-9. — Бібліогр.: 13 назв. — укр. 0041–6045 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/185695 544.725.2:544.473:577.15 Досліджено властивості біокаталітичних мембран з іммобілізованою ліпазою в реакції синтезу бутилолеату при етерифікації олеїнової кислоти з бутанолом в ізооктані. Біокаталітичні мембрани одержано за допомогою ковалентної або нековалентної (адсорбція, інклюзія в поруватій структурі) іммобілізації ліпази на композитних ультрафільтраційних мембранах C030F та PM30. Встановлено, що інклюзія ліпази в поруватому підтримуючому шарі мембран дозволила одержати біокаталітичні мембрани, які забезпечували конверсію олеїнової кислоти на рівні 70—72 % при проведенні каталітичного процесу протягом 8 год. Показано, що для ефективного використання ферменту має значення як метод іммобілізації, так і розподільчий профіль іммобілізованої на мембрані ліпази. Исследованы свойства биокаталитических мембран с иммобилизованной липазой в реакции синтеза бутилолеата при эстерификации олеиновой кислоты с н-бутанолом в изооктане. Биокаталитические мембраны были получены ковалентной или нековалентной (адсорбция, инклюзия в пористой структуре) иммобилизацией липазы на композитных ультрафильтрационных мембранах C030F и PM30. Установлено, что инклюзия липазы в пористом поддерживаемом слое мембран позволяет получить биокаталитические мембраны, которые обеспечивают конверсию олеиновой кислоты на уровне 70—72 % при проведении каталитического процесса на протяжении 8 ч. Показано, что для эффективного использования фермента важное значение имеет как метод иммобилизации, так и профиль распределения иммобилизованной на мембране липазы. The catalytic properties of lipase-immobilized membranes have been studied in reaction of butyloleate synthesis through esterification of oleic acid with n-butanol in isooctane. Biocatalytic membranes were prepared by both covalent and non-covalent (adsorption, inclusion of enzyme in membrane structure) lipase immobilization on composite ultrafiltration membranes C030F and PM30. It was found that the lipase inclusion in the wide porous supporting layer of membrane was the most efficient method in preparing highly effective biocatalytic membranes. The degree of oleic acid conversion using these membranes was about 70—72 % with a reaction time of 8 hours. It was shown that the distribution profile of the lipase in the membrane was important for the effective enzyme utilization. uk Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В.І. Вернадського НАН України Украинский химический журнал Неорганическая и физическая химия Синтез бутилолеату в біокаталітичних мембранних реакторах з іммобілізованою ліпазою Синтез бутилолеата в биокаталитических мембранных реакторах с иммобилизованной липазой Butuloleate synthesis in biocatalytic membrane reactors with immobilized lipase Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Синтез бутилолеату в біокаталітичних мембранних реакторах з іммобілізованою ліпазою |
| spellingShingle |
Синтез бутилолеату в біокаталітичних мембранних реакторах з іммобілізованою ліпазою Кочкодан, В.М. Хілал, Н. Гончарук, В.В. Нігматуллін, Р. Неорганическая и физическая химия |
| title_short |
Синтез бутилолеату в біокаталітичних мембранних реакторах з іммобілізованою ліпазою |
| title_full |
Синтез бутилолеату в біокаталітичних мембранних реакторах з іммобілізованою ліпазою |
| title_fullStr |
Синтез бутилолеату в біокаталітичних мембранних реакторах з іммобілізованою ліпазою |
| title_full_unstemmed |
Синтез бутилолеату в біокаталітичних мембранних реакторах з іммобілізованою ліпазою |
| title_sort |
синтез бутилолеату в біокаталітичних мембранних реакторах з іммобілізованою ліпазою |
| author |
Кочкодан, В.М. Хілал, Н. Гончарук, В.В. Нігматуллін, Р. |
| author_facet |
Кочкодан, В.М. Хілал, Н. Гончарук, В.В. Нігматуллін, Р. |
| topic |
Неорганическая и физическая химия |
| topic_facet |
Неорганическая и физическая химия |
| publishDate |
2007 |
| language |
Ukrainian |
| container_title |
Украинский химический журнал |
| publisher |
Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В.І. Вернадського НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Синтез бутилолеата в биокаталитических мембранных реакторах с иммобилизованной липазой Butuloleate synthesis in biocatalytic membrane reactors with immobilized lipase |
| description |
Досліджено властивості біокаталітичних мембран з іммобілізованою ліпазою в реакції синтезу бутилолеату при етерифікації олеїнової кислоти з бутанолом в ізооктані. Біокаталітичні мембрани одержано за допомогою ковалентної або нековалентної (адсорбція, інклюзія в поруватій структурі) іммобілізації ліпази на композитних ультрафільтраційних мембранах C030F та PM30. Встановлено, що інклюзія ліпази в поруватому підтримуючому шарі мембран дозволила одержати біокаталітичні мембрани, які забезпечували конверсію олеїнової кислоти на рівні 70—72 % при проведенні каталітичного процесу протягом 8 год. Показано, що для ефективного використання ферменту має значення як метод іммобілізації, так і розподільчий профіль іммобілізованої на мембрані ліпази.
Исследованы свойства биокаталитических мембран с иммобилизованной липазой в реакции синтеза бутилолеата при эстерификации олеиновой кислоты с н-бутанолом в изооктане. Биокаталитические мембраны были получены ковалентной или нековалентной (адсорбция, инклюзия в пористой структуре) иммобилизацией липазы на композитных ультрафильтрационных мембранах C030F и PM30. Установлено, что инклюзия липазы в пористом поддерживаемом слое мембран позволяет получить биокаталитические мембраны, которые обеспечивают конверсию олеиновой кислоты на уровне 70—72 % при проведении каталитического процесса на протяжении 8 ч. Показано, что для эффективного использования фермента важное значение имеет как метод иммобилизации, так и профиль распределения иммобилизованной на мембране липазы.
The catalytic properties of lipase-immobilized membranes have been studied in reaction of butyloleate synthesis through esterification of oleic acid with n-butanol in isooctane. Biocatalytic membranes were prepared by both covalent and non-covalent (adsorption, inclusion of enzyme in membrane structure) lipase immobilization on composite ultrafiltration membranes C030F and PM30. It was found that the lipase inclusion in the wide porous supporting layer of membrane was the most efficient method in preparing highly effective biocatalytic membranes. The degree of oleic acid conversion using these membranes was about 70—72 % with a reaction time of 8 hours. It was shown that the distribution profile of the lipase in the membrane was important for the effective enzyme utilization.
|
| issn |
0041–6045 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/185695 |
| citation_txt |
Синтез бутилолеату в біокаталітичних мембранних реакторах з іммобілізованою ліпазою / В.М. Кочкодан, Н. Хілал, В.В. Гончарук, Р. Нігматуллін // Украинский химический журнал. — 2007. — Т. 73, № 5. — С. 3-9. — Бібліогр.: 13 назв. — укр. |
| work_keys_str_mv |
AT kočkodanvm sintezbutiloleatuvbíokatalítičnihmembrannihreaktorahzímmobílízovanoûlípazoû AT hílaln sintezbutiloleatuvbíokatalítičnihmembrannihreaktorahzímmobílízovanoûlípazoû AT gončarukvv sintezbutiloleatuvbíokatalítičnihmembrannihreaktorahzímmobílízovanoûlípazoû AT nígmatullínr sintezbutiloleatuvbíokatalítičnihmembrannihreaktorahzímmobílízovanoûlípazoû AT kočkodanvm sintezbutiloleatavbiokatalitičeskihmembrannyhreaktorahsimmobilizovannoilipazoi AT hílaln sintezbutiloleatavbiokatalitičeskihmembrannyhreaktorahsimmobilizovannoilipazoi AT gončarukvv sintezbutiloleatavbiokatalitičeskihmembrannyhreaktorahsimmobilizovannoilipazoi AT nígmatullínr sintezbutiloleatavbiokatalitičeskihmembrannyhreaktorahsimmobilizovannoilipazoi AT kočkodanvm butuloleatesynthesisinbiocatalyticmembranereactorswithimmobilizedlipase AT hílaln butuloleatesynthesisinbiocatalyticmembranereactorswithimmobilizedlipase AT gončarukvv butuloleatesynthesisinbiocatalyticmembranereactorswithimmobilizedlipase AT nígmatullínr butuloleatesynthesisinbiocatalyticmembranereactorswithimmobilizedlipase |
| first_indexed |
2025-11-25T23:55:39Z |
| last_indexed |
2025-11-25T23:55:39Z |
| _version_ |
1850590832289120256 |
| fulltext |
НЕОРГАНИЧЕСКАЯ И ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
УДК 544.725.2:544.473:577.15
В.М. Кочкодан, Н. Хілал, В.В. Гончарук, Р. Нігматуллін
СИНТЕЗ БУТИЛОЛЕАТУ В БІОКАТАЛІТИЧНИХ МЕМБРАННИХ РЕАКТОРАХ
З ІММОБІЛІЗОВАНОЮ ЛІПАЗОЮ
Досліджено властивості біокаталітичних мембран з іммобілізованою ліпазою в реакції синтезу бутилолеа-
ту при етерифікації олеїнової кислоти з бутанолом в ізооктані. Біокаталітичні мембрани одержано за допо-
могою ковалентної або нековалентної (адсорбція, інклюзія в поруватій структурі) іммобілізації ліпази на
композитних ультрафільтраційних мембранах C030F та PM30. Встановлено, що інклюзія ліпази в порува-
тому підтримуючому шарі мембран дозволила одержати біокаталітичні мембрани, які забезпечували конвер-
сію олеїнової кислоти на рівні 70—72 % при проведенні каталітичного процесу протягом 8 год. Показано,
що для ефективного використання ферменту має значення як метод іммобілізації, так і розподільчий профіль
іммобілізованої на мембрані ліпази.
На сьогодні ліпази, або ацилгідролази вищих
тригліцеридів (КФ 3.1.1.3), широко використову-
ються у фундаментальних і прикладних дослід-
женнях [1]. Основна функція цих ферментів поля-
гає у гідролізі ефірних зв’язків тригліцеридів з
утворенням насичених кислот, дигліцеридів, мо-
ногліцеридів і гліцерину. При наявності в системі
незначної кількості води ліпази також здатні ка-
талізувати протилежну реакцію, а саме утворення
ефірних зв’язків між спиртом та відповідною кис-
лотою. Хоча синтез ефірів можна здійснити хімі-
чним способом з використанням кислотного або
основного каталізу, застосування ліпаз як каталі-
затора має свої переваги, що полягають у м’яких
умовах проведення реакції, високій специфічності
синтезу і меншому виході побічних продуктів [1].
Традиційно вивчення багатьох реакцій, що
каталізуються ліпазою, проводилось в емульсій-
них системах [2]. Проте через складність контро-
лю за ходом реакції та стабільністю ліпази, а та-
кож проблемністю повторного використання фер-
менту значні зусилля сьогодні спрямовані на одер-
жання ліпази в іммобілізованій формі на поверхні
різних носіїв [2—5], зокрема полімерних мембран,
що дає змогу контролювати транспорт вихідних
реагентів та продуктів реакції через пористу ка-
талітичну основу [6—8].
При одержанні іммобілізованих на мембра-
нах ліпаз слід враховувати особливості конкрет-
ного каталітичного процесу. В даній роботі дос-
ліджувалась ефективність роботи мембранних
реакторів на основі біокаталітичних мембран в
процесі синтезу бутилолеату з олеїнової кислоти
та н-бутанолу. Біокаталітичні мембрани були одер-
жані за допомогою різних методів іммобілізації
ліпази, а саме адсорбції ліпази на мембрані, ін-
клюзії ліпази в мембрані при фільтруванні фер-
менту через її активний або підтримуючий шар,
ковалентної іммобілізації ліпази на активованій
мембрані.
Candida Rugosa ліпаза, тип VII (каталітична
активність 700—1500 од./мг, молекулярна маса 57
—60 кДа), олеїнова кислота, н-бутанол, глутаро-
вий діальдегід, ізооктан, гексаметилендіамін
(ГМД), фосфатний буфер (pH 7.0) були одержані
від фірми Sigma–Aldrich (Dorset, UK). Іммобілі-
зацію ліпази проводили на ультрафільтраційних
мембранах із регенерованої целюлози C030F
фірми Microdyn–Nadir GmbH (Wiesbaden, Germa-
ny) та поліефірсульфоновій мембрана PM30 фір-
ми Millipore Express (Watford, UK). Обидві мем-
брани за своєю структурою належать до компо-
зитних мембран, які складаються з тонкого акти-
вного целюлозного або поліефірсульфонового ша-
ру (для мембран С030F та PM30 відповідно), що
нанесений на підтримуючу полімерну основу, по-
ри якої за розмірами значно більші за пори ак-
тивного шару. Межа молекулярно-масової зат-
римки для обох мембран за даними виробників
становила 30 кДа.
Іммобілізація ліпази шляхом адсорбції. Зра-
зок мембрани діаметром 50 мм фіксувався на спе-
ціальній поліметилметакрилатній рамці таким чи-
ном, щоб тільки активний шар мембрани міг кон-
тактувати з розчином ліпази, тоді як пориста ос-
нова мембрани була захищена від контакту із
© В.М . Кочкодан, Н . Хілал, В.В. Гончарук, Р. Нігматуллін , 2007
ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2007. Т . 73, № 5 3
ферментом. Мембранні зразки вносили в чашки
Петрі, що містили 20 мл розчину ліпази з кон-
центрацією 1—10 мг/мл у фосфатному буфері (pH
7.0), і витримували протягом 1—12 год при 20
оC при безперервному струшуванні. Після цьо-
го мембрани виймали із розчину ліпази і споліс-
кували двічі фосфатним буфером (pH 7). Вели-
чину адсорбованої на мембрані ліпази визна-
чали за допомогою QuantiProТМ аналітичного на-
бору (Sigma–Aldrich, Dorset, UK) за різницею між
концентрацією ферменту в розчині до і після ад-
сорбції, враховуючи також вміст ліпази у проми-
вних розчинах.
Іммобілізація ліпази на мембрані за допомо-
гою фільтрування. 0.5—0.75 г ліпази вносили в
50 мл фосфатного буферу (pH 7.0) і одержаний
розчин перемішували на магнітній мішалці про-
тягом 2 год. Після центрифугування (швидкість 3000
об/хв, час — 10 хв) 2—10 мл одержаного розчи-
ну ліпази фільтрували через активний, або під-
тримуючий шар мембрани в мембранній комірці
(Amicon, model 8200, Fisher Scientific, Loughbo-
rough, UK) при тиску 2 кПа (без перемішування).
Після фільтрування ферменту мембрани двічі
промивали 50 мМ фосфатним буфером (pH 7).
Ковалентна іммобілізація ліпази на мембрані.
Для ковалентної іммобілізації ліпази на целюлоз-
ній мембрані C030F її поверхню попередньо акти-
вували. Для цього зразок мембрани обробляли
0.5 М розчином періодату натрію протягом 90 хв
у темряві. Активовану мембрану обережно про-
мивали дистильованою водою і поміщали в роз-
чин ліпази з концентрацією 10 г/л на 24 год.
Для введення гексаметилендіамінового спей-
сера активований зразок мембрани вносили в 10
мл 1 %-го водного розчину ГМД на 18 год. По-
тім мембрану промивали дистильованою водою,
активували 5 %-м розчином глютарового альде-
гіду протягом 1 год і обробляли ліпазою, як
зазначено вище.
Каталітичний синтез бутилолеату в мембран-
ному біореакторі. Мембранний біореактор був
розроблений на базі мембранного елементу, який
описаний в роботі [4]. Елемент складався з двох
ідентичних циліндричних мембранних каналів
висотою 2 мм, які розділені біокаталітичною мем-
браною з площею 19.6 см2. Мембранні канали
були під’єднані до початкового та приймального
резервуарів. Сторона мембрани з іммобілізованою
ліпазою була обернена до початкового розчину,
який складався із суміші олеїнової кислоти і бу-
танолу (по 10 мМ) в ізооктані. Чистий ізооктан ви-
користовувався як приймальна фаза. Процес ете-
рифікації починався з прокачування початково-
го і приймального розчинів через мембранний
елемент при швидкості 5 мл/хв, що здійснювали
за допомогою перистальтичного насоса (Model
313S, Watson-Marlow Bredel Pumps Ltd, UK).
Завдяки різниці концентрацій між початковим і
приймальним розчинами реагенти дифундують
через біокаталітичну мембрану, в якій в результа-
ті каталітичної дії іммобілізованої ліпази і від-
бувається реакція етерифікації.
Ступінь конверсії олеїнової кислоти визнача-
ли за наступним рівнянням:
СК = (1 –
Cs
C i
)⋅100 % ,
де Ci — концентрація олеїнової кислоти у почат-
ковому розчині, а Cs — сума концентрацій оле-
їнової кислоти у початковому розчині та прий-
мальній фазі через заданий час.
Оскільки при дифузії через мембрану можли-
вий перенос олеїнової кислоти в приймальну фазу
без трансформації, то, щоб оцінити ступінь кон-
версії олеїнової кислоти, для аналізу періодично
відбирались зразки об’ємом 1 мл як з початково-
го розчину, так і з приймальної фази. Концентра-
цію олеїнової кислоти в пробах визначали титру-
ванням 10 мМ розчином гідроксиду калію в н-бута-
нолі, використовуючи фенолфталеїн як індикатор.
Знімки поверхонь вихідних мембран та мем-
бран з іммобілізованою ліпазою одержали на атом-
но-силовому мікроскопі Explorer (TMX 2000) від
Veeco Instruments (USA) за методикою, описаною
в роботі [9].
Синтез бутилолеату на біокаталітичних мем-
бранах з нековалентно іммобілізованою ліпазою.
Найпростіший спосіб одержання мембран з іммо-
білізованою ліпазою полягає в проведенні адсор-
бції ферменту на їх поверхні [10]. Ліпаза адсор-
бується на поверхні мембран завдяки комбінації
ван-дер-ваальсових, гідрофобних та електроста-
тичних сил. Як правило, адсорбовані ліпази не
придатні до використання у водних системах че-
рез можливу десорбцію, але в органічних розчин-
никах фермент практично не розчиняється і зали-
шається адсорбованим на поверхні.
При вивченні процесу адсорбції ферменту на
поверхні мембран було встановлено, що для до-
сягнення адсорбційної рівноваги при заданих кон-
центраціях розчину ліпази необхідно 8 год. Як вид-
но із рис. 1, ізотерми адсорбції ліпази на поверх-
ні мембран мають типовий Ленгмюрівський ха-
рактер. При цьому величина адсорбції ліпази на
поліефірсульфоновій мембрані PM30 вища порів-
4 ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2007. Т. 73, № 5
няно з аналогічною для целюлозної мембрани
C030F. За хімічним складом поліефірсульфонова
мембрана має на своїй поверхні як полярні, так
і неполярні ділянки і загалом є більш гідрофоб-
ною, ніж целюлозна мембрана. Раніше [11] було
встановлено, що чим гідрофобніша мембрана,
тим краще відбувається зв’язування протеїну з
неполярними ділянками на її поверхні. Кількість
ліпази, адсорбованої на поверхні мембрани PM30,
приблизно відповідає ємності адсорбованого мо-
ношару, яка для ліпази із C.rugosa має значен-
ня 3.3 мг/м2 [12].
Реакційний профіль синтезу бутилолеату в
мембранному біореакторі з адсорбційно-іммобі-
лізованою ліпазою показаний на рис. 2. Через
8 год реакції іммобілізовані ліпазою мембрани
РМ30 та C030F забезпечують ступінь конверсії
олеїнової кислоти на 28 та 21 % відповідно. Кра-
ща трансформація реагентів на біокаталітичній
мембрані РМ30, очевидно, пов’язана з більшою
кількістю адсорбованого ферменту, хоча загалом
слід зазначити, що ступінь конверсії олеїнової ки-
слоти на обох біокаталітичних мембранах був
невисоким. Це, очевидно, пов’язано з низьким за-
вантаженням мембран адсорбованою ліпазою.
Разом з тим, як видно з табл. 1, швидкість реакції
вища для ліпази, іммобілізованої на поверхні це-
люлозної мембрани C030F. Отже, у цьому випад-
ку не спостерігалось активації ліпази гідрофоб-
нішим носієм (поліефірсульфонова мембрана
Рис. 1. Ізотерми адсорбції ліпази на мембранах PM30 (1) та C030F (2). pH 7; температура 25 оC; час адсорбції 8 год.
Рис. 2. Залежність ступеня конверсії олеїнової кислоти від часу етерифікації на мембранах PM30 (1) та C030F
(2) з адсорбованою ліпазою. Величина адсорбції ліпази на мембранах PM30 та C030F — 4.15 та 1.7 мг/м2.
Т а б л и ц я 1
Залежність масової швидкості реакції (мкмоль/год⋅мг ліпази)/швидкості реакції на одиницю площі мембрани
(мкмоль/год⋅см2 мембрани) від часу реакції етерифікації для біокаталітичних мембран, одержаних за допомогою
різних методів іммобілізації ліпази
Біокаталітична мембрана (метод
іммобілізації / завантаження
ліпази, мг/м2)
Час реакції етерифікації, год
1 2 3 5 8
PM30 (адсорбція/4.2) 0.219 / 0.046 0.178 / 0.038 0.151 / 0.032 0.112 / 0.023 0.084 / 0.018
C030F (адсорбція/1.7) 0.352 / 0.030 0.329 / 0.028 0.298 / 0.026 0.228 / 0.019 0.162 / 0.014
PM30 (фільтрування через
пористу основу/680)
2.5⋅10–3 / 0.087 1.91⋅10–3 / 0.066 1.62⋅10–3 / 0.056 1.41⋅10–3 / 0.049 1.31⋅10–3 / 0.045
C030F (фільтрування через
пористу основу/680)
1.91⋅10–3 / 0.066 1.54⋅10–3 / 0.054 1.52⋅10–3 / 0.052 1.34⋅10–3 / 0.046 1.31⋅10–3 / 0.044
C030F (ковалентна іммобі-
лізація без спейсера /9.0)
0.110 / 0.026 0.044 / 0.020 0.041 / 0.019 0.035 / 0.016 0.025 / 0.011
C030F (ковалентна іммо-
білізація зі спейсером/6.0)
0.101 / 0.031 0.083 / 0.026 0.074 / 0/023 0.058 / 0.018 0.043 / 0.013
ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2007. Т . 73, № 5 5
РМ30) порівняно з більш гідрофільним (целюлоз-
на мембрана С030F), про можливість чого зазна-
чалось при вивченні каталітичних властивостей
ліпази, іммобілізованої на поверхні полімерних
матеріалів різної хімічної природи [5].
Для збільшення завантаження мембрани лі-
пазою використовували інклюзію ферменту в по-
руватій структурі мембрани за допомогою фільт-
рування. Цей метод грунтується на тому, що оби-
дві мембрани (PM30 та C030F) є асиметричними
композитними ультрафільтраційними мембрана-
ми. Композитна структура мембрани дозволяє
локалізувати ліпазу між непроникним для ліпа-
зи активним шаром, через який молекули фермен-
ту не можуть пройти, оскільки межа молекуляр-
но-масового затримування мембран (10 кДа) ни-
жча, ніж молекулярна маса ліпази (50—60 кДа),
і проникним для ферменту широкопористим під-
тримуючим шаром мембрани. Мембрана заван-
тажується ліпазою при фільтруванні водного роз-
чину ферменту у напрямку від підтримуючого до
активного шару (зворотне фільтрування).
Як видно із рис. 3, за допомогою інклюзії лі-
пази в поруватій структурі були одержані висо-
коефективні біокаталітичні мембрани для синтезу
бутилолеату. Значно вищі значення конверсії оле-
їнової кислоти на цих мембранах порівняно з мем-
бранами з адсорбованою ліпазою (рис. 2), очевид-
но, пояснюються більшим завантаженням мемб-
ран ліпазою. Разом з тим, як видно із табл. 1, вищі
значення питомої активності ліпази (залежність
ступеня конверсії від завантаження ферменту) бу-
ли одержані для мембран з адсорбованою ліпа-
зою. Ці дані свідчать про суттєві обмеження в ма-
сопереносі реагентів, коли ліпаза інклюдована в
порувату структуру мембрани. Таким чином, ін-
клюзія ліпази в поруватій структурі дозволяє одер-
жати біокаталітичні мембрани, що забезпечують
вищу ступінь конверсії в реакторі завдяки кращій
хімічній трансформації реагентів на одиниці пло-
щі мембрани, проте ефективність ліпази як ката-
лізатора в цьому випадку нижча у порівнянні з лі-
пазою, іммобілізованою при адсорбції.
Щоб дослідити вплив величини завантажен-
ня ліпази на ступінь конверсії олеїнової кислоти,
були одержані мембрани з різним завантаженням
ферменту в їх поруватій структурі (рис. 4). Для
порівняння також були приготовані мембранні
зразки з ліпазою, яка іммобілізована тільки на по-
верхні активного шару мембрани. Це досягалось
фільтруванням ліпази через мембрану у напрямку
від активного шару до підтримуючого (звичай-
ний тип фільтрування). Було встановлено, що ко-
ефіцієнт затримування ліпази на мембрані (від-
ношення концентрації ліпази у фільтраті до її кон-
центрації у початковому розчині) є однаковим і
не залежить від орієнтації мембрани (звичайний
чи зворотний тип фільтрування). Це дозволило
одержати мембрани з еквівалентним завантажен-
ням ліпази у поруватій структурі, а також на по-
верхні активного шару (після фільтрування через
мембрану однакових об’ємів розчину ліпази при
звичайному або зворотному типі фільтрування).
Із рис. 4 (крива 1) видно, що зростання кіль-
кості ліпази на поверхні мембрани в діапазоні від
0.024 до 0.68 г ферменту на см2 приводить лише до
незначного підвищення ступеня конверсії олеїно-
вої кислоти. Це означає, що коли фермент знахо-
Рис. 3. Залежність ступеня конверсії олеїнової кислоти
від часу етерифікації на біокаталітичних мембранах
PM30 (1) та C030F (2) з ліпазою, іммобілізованою в
підтримуючому пористому шарі. Завантаження ліпази
0.68 г ліпази/м2.
Рис. 4. Залежність ступеня конверсії олеїнової кислоти
від величини завантаження ліпазою біокаталітичної мем-
брани. Іммобілізацію ліпази проводили фільтруванням
розчину ферменту через підтримуючий (1) або активний
(2) шар PM30 мембрани. Час етерифікації 8 год.
6 ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2007. Т. 73, № 5
диться на поверхні мембрани у вигляді шару пе-
вної товщини, то тільки та частина ферменту, яка
розміщена на зовнішній стороні цього шару і кон-
тактує з розчином, задіяна у реакції етерифікації.
Таке припущення підтверджується даними, наве-
деними в табл. 1, які свідчать про зменшення пи-
томої активності ферменту зі збільшенням кілько-
сті іммобілізованої на мембрані ліпази. Зменшен-
ня активності ферменту, очевидно, пояснюється
як погіршенням доступу реагентів до каталітично
активних центрів ліпази в товщі осадженого на
мембрані ферменту, так і зменшенням розміру пор
активного шару мембрани внаслідок осадження
ферменту, що впливає на швидкість масопереносу
реагентів через мембрану.
Дані, наведені на рис. 4, свідчать про вищі
значення ступеня конверсії олеїнової кислоти для
мембрани з ліпазою, іммобілізованою в поруватій
структурі, порівняно з ліпазою, що нанесена на її
поверхню. Вища швидкість етерифікації на мем-
брані з інклюзованим ферментом, очевидно, пояс-
нюється топологічно кращим розподілом ліпази
всередині поруватої структури мембрани, коли фер-
мент іммобілізований на стінках пор фактично
по всій товщині мембрани. Таке розміщення фер-
менту є оптимальнішим у порівнянні з ліпазою,
яка знаходиться у формі гелю на поверхні актив-
ного шару мембрани.
Структурно-морфологічні характеристики по-
верхні мембран з іммобілізованою ліпазою, які
одержані за допомогою методу атомно-силової
мікроскопії, наведені в табл. 2. Як і очікувалось,
значення середнього діаметру пор для вихідних
мембран з однаковими величинами межі молеку-
лярно-масової затримки є досить близькими. Про-
те поверхня мембрани PM30 є гладшою порівня-
но з мембраною C030F, про що свідчать відпо-
відні значення величин шорсткості. В свою чергу
іммобілізація ліпази приводить до зменшення
розміру пор і шорсткості поверхні біокаталич-
них мембран.
Синтез бутилолеату на біокаталітичних мем-
бранах з ковалентно іммобілізованою ліпазою.
Реакційні профілі синтезу бутилолеату за допомо-
гою мембран з ковалентно іммобілізованною лі-
пазою показані на рис. 5. Порівняння даних, на-
ведених на рис. 2 і 5, свідчать, що ковалентно ім-
мобілізована ліпаза характеризується меншою ка-
талітичною активністю в реакції етерифікації, ніж
адсорбований фермент. Це, очевидно, є наслідком
жорсткого приєднання ліпази до мембрани через
ковалентні зв’язки, що суттєво деформує четвер-
тинну структуру ферменту і веде до втрати ка-
талітичної активності. Разом з тим, ступінь конвер-
сії олеїнової кислоти на біокаталітичних мембра-
нах при введенні проміжного (між поверхнею мем-
брани і ліпазою) гексаметилендіамінового спей-
Т а б л и ц я 2
Структурно-морфологічні характеристики мембран з іммобілізованою ліпазою
Тип мембрани
Поверхнева
шорсткість,
нм
Загальна
площа по-
верхні,
Середній
діаметр пор,
PM30 (активний шар) 0.42 428420 13.85 ± 0.10
PM30 з іммобілізованою ліпазою (фільтрування через активний шар) 0.13 335080 8.25 ± 0.16
C030F (активний шар) 0.76 468800 12.55 ± 0.15
C030F з іммобілізованою ліпазою (фільтрування через активний шар) 0.36 436190 5.43 ± 0.18
C030F з ковалентно іммобілізованою ліпазою (без спейсера) 0.29 487500 4.52 ± 0.13
C030F з ковалентно іммобілізованою ліпазою (зі спейсером) 0.30 652200 5.61 ± 0.17
Ao
Рис. 5. Ступінь конверсії олеїнової кислоти від часу
синтезу на біокаталітичних С030F мембранах з кова-
лентно іммобілізованою ліпазою зі спейсером (1) та
без нього (2).
Ao 2
ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2007. Т . 73, № 5 7
сера вищий порівняно з мембраною з ковалентно
іммобілізованою ліпазою без спейсера (рис. 5).
Слід зазначити, що кількість іммобілізованої лі-
пази на мембрані без спейсера була більшою, ніж
для мембрани зі спейсером (9 ± 1.0 і 6 ± 0.5 мг/м2
відповідно). Таким чином, мембрани з ліпазою,
іммобілізованою через проміжний спейсер, харак-
теризувались вищим ступенем конверсії олеїнової
кислоти в порівнянні з мембранами без нього,
навіть при меншому завантаженні ферменту. Це,
очевидно, пояснюється позитивним впливом вве-
деної проміжної ланки, яка виступає в об’єм розчи-
ну і в такий спосіб мінімізує взаємодію між фер-
ментом і поверхнею мембрани, що може вплива-
ти на структуру активного центру ферменту і його
каталітичну активність [13].
Знімки поверхонь C030F мембран з ковалент-
но іммобілізованою ліпазою наведені на рис. 6.
Із табл. 2 видно, що середній діаметр пор для них
близький до аналогічного для мембранних зраз-
ків з ліпазою, нанесеною на поверхню мембрани
при фільтруванні. Одержані дані є дещо несподі-
ваними, оскільки величина ковалентно іммобі-
лізованої ліпази набагато менша, ніж кількість
ліпази, яка осаджується на поверхні мембрани при
фільтруванні 9.0 ± 1.0 мг ліпази/м2 та 0.68 ± 0.05 г
ліпази/м2 відповідно. Можна припустити, що, не-
залежно від методу іммобілізації ліпази, як PM30,
так і C030F мембрани покриваються шаром ім-
мобілізованого ферменту. При цьому величина за-
вантаження ліпази визначає в основному товщи-
ну нанесеного шару ферменту і меншою мірою впли-
ває на структурно-морфологічні характеристики
поверхні мембрани.
Цікаво зазначити, що шорсткість поверхні мем-
бран з ковалентно іммобілізованою ліпазою мен-
ша порівняно з аналогічною при іммобілізації
шляхом фільтрування (табл. 2). Імовірно, жорст-
ке багатоточкове зв’язування ферменту при кова-
лентній іммобілізації приводить до розпластання
його молекули на поверхні мембрани, в резуль-
таті чого згладжується її шорсткість. Така дефор-
мація структури ліпази негативно впливає на її ка-
талітичну активність. Як відзначалось, введення
спейсера сприяє підвищенню ефективності біока-
талітичної мембрани в процесі синтезу, очевидно,
завдяки кращому збереженню структури фермен-
ту при іммобілізації. До певної міри це підтверд-
жується слабшим згладжуванням шорсткості по-
верхні мембрани при іммобілізації зі спейсером
(табл. 2). В свою чергу, іммобілізація ліпази на мем-
брані при фільтруванні практично не впливає на
глобулярну структуру ферменту і величина шорст-
кості поверхні у цьому випадку є найвищою.
Таким чином, встановлено, що за допомогою
інклюзії ліпази в широкопоруватому підтримую-
чому шарі мембрани можна одержати високоак-
тивні біокаталітичні мембрани, здатні до 70—
72 %-ї конверсії олеїнової кислоти при синтезі
бутилолеату протягом 8 год. Для порівняння, біо-
каталітичні мембрани з адсорбованою чи кова-
лентно іммобілізованою ліпазою при тих самих
умовах забезпечують ступінь конверсії ліпази 22
—28 і 18—21 % відповідно. Значно вища конвер-
сія субстрату на мембрані з ліпазою, іммобілі-
зованою шляхом інклюзії в порувату структуру,
порівняно з мембранами з адсорбованою ліпа-
зою є результатом вищого завантаження мембра-
ни ліпазою. Разом з тим каталітична активність
адсорбованої ліпази вища, ніж інклюзованої, що
свідчить про суттєві обмеження масопереносу
при високих завантаженнях ферменту.
Показано, що інклюзія ліпази у широкопо-
ристому підтримуючому мембранному шарі доз-
воляє одержати мембрани з вищою каталітичною
активністю в порівнянні з мембранами, в яких фер-
мент іммобілізовано на поверхні активного ша-
ру мембрани. Таким чином, розподільчий профіль
ліпази в мембрані відіграє важливу роль для ефек-
тивного використання іммобілізованого ферменту.
Встановлено, що ковален-
тно іммобілізована на мем-
брані ліпаза є каталітично
менш активною, ніж адсор-
бований фермент. Це, очевид-
но, пояснюється конформа-
ційними змінами четвертин-
ної структури ліпази при ко-
валентному зв’язуванні, що
приводить до часткової втра-
ти її активності. Введення про-
міжного гексаметилендіамі-
нового спейсера між поверх-
Рис. 6. Знімки поверхні C030F мембрани з ковалентно іммобілізо-
ваною ліпазою: a — без спейсера; б — зі спейсером.
а б
8 ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2007. Т. 73, № 5
нею мембрани і ковалентно іммобілізованим фер-
ментом дозволяє підвищити каталітичну акти-
вність ліпази в реакції синтезу бутилолеату.
РЕЗЮМЕ. Исследованы свойства биокаталитичес-
ких мембран с иммобилизованной липазой в реакции
синтеза бутилолеата при эстерификации олеиновой ки-
слоты с н-бутанолом в изооктане. Биокаталитические
мембраны были получены ковалентной или нековален-
тной (адсорбция, инклюзия в пористой структуре) им-
мобилизацией липазы на композитных ультрафильтра-
ционных мембранах C030F и PM30. Установлено, что ин-
клюзия липазы в пористом поддерживаемом слое мем-
бран позволяет получить биокаталитические мембра-
ны, которые обеспечивают конверсию олеиновой кисло-
ты на уровне 70—72 % при проведении каталитического
процесса на протяжении 8 ч. Показано, что для эффек-
тивного использования фермента важное значение име-
ет как метод иммобилизации, так и профиль распреде-
ления иммобилизованной на мембране липазы.
SUMMARY. The catalytic properties of lipase-im-
mobilized membranes have been studied in reaction of bu-
tyloleate synthesis through esterification of oleic acid with
n-butanol in isooctane. Biocatalytic membranes were prepa-
red by both covalent and non-covalent (adsorption, inclu-
sion of enzyme in membrane structure) lipase immobi-
lization on composite ultrafiltration membranes C030F
and PM30. It was found that the lipase inclusion in the
wide porous supporting layer of membrane was the most
efficient method in preparing highly effective biocatalytic
membranes. The degree of oleic acid conversion using
these membranes was about 70—72 % with a reaction
time of 8 hours. It was shown that the distribution profile
of the lipase in the membrane was important for the
effective enzyme utilization.
1. Villeneuve P., Muderhwa J.M ., Graille J., Haas M .J.
// J. Molec. Catal. B: Enzymatic. -2000. -9. -P. 113—148.
2. Balcao V .M ., Paiva A.L., M alcata F.X. // Enzyme
Microb. Technol. -1996. -18. -P. 392—416.
3. Sakaki K., Giorno L., Drioli E. // J. Membrane Sci.
-2001. -184. -P. 27—38.
4. Hilal N., Nigmatullin R., Alpatova A. // Ibid. -2004.
-238. -P. 131—141.
5. Fernandez-Lafuente R ., Armisen P., Sabuquillo P. et
al. // Chem. Phys. Lipids. -1998. -93. -P. 185—197.
6. Sirkar K.K., Shanbhad P.V., Kovvali A.S. // Ind. Eng.
Chem. Res. -1999. -38. -P. 3715—3721.
7. M olinari R., Santoro M .E., Drioli E. // Ibid. -1994.
-33. -P. 2591.
8. Giorno L., M olinari R., Natoli M ., Drioli E. // J.
Membrane Sci. -1997. -125. -P. 177—187.
9. Bowen W .R., Hilal N., L ovitt R.W ., W illiams P.M .
// Colloid Interface Sci. -1996. -180. -P. 350—359.
10. Tsai S .-W ., Shaw S.-S. // J. Membrane Sci. -1998.
-146. -P. 1—8.
11. M atthiasson E. // Ibid. -1983. -16. -P. 23—32.
12. Pronk W ., van’t Riet K. // Biotechn. Appl. Biochem.
-1991. -14. -P. 146—153.
13. Stark M .B., Holmberg K. // Biotechn. Bioeng. -1989.
-34. -P. 942—954.
Інститут колоїдної хімії та хімії води Надійшла 27.01.2006
ім. А.В. Думанського НАН України, Київ
Центр водоочисних технологій Hoттингемського університету, Великобританія
УДК 546.431’814
С.А. Солопан, О.И. Вьюнов, А.Г. Белоус
ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОРАЗМЕРНОГО ПОРОШКА BaSnO3
ЗОЛЬ–ГЕЛЬ МЕТОДОМ
Синтезирован наноразмерный гомогенный порошок станната бария BaSnO3 золь–гель методом. Особен-
ность синтеза — получение однофазного порошка станната бария при относительно невысокой температуре
(1000 оС) с использованием в качестве исходных реагентов SnCl4⋅5H2O и BaCO3. Методом инфракрасной
спектроскопии, рентгенофазового и дифференциально-термического анализов установлено, что формирова-
ние BaSnO3 начинается при температуре 700 oС, а однофазным продукт становится после термообработки
при 1000 oС. Полученный станнат бария характеризуется псевдокубической структурой типа перовскита с па-
раметром элементарной ячейки а=4.1160(3) A
o
.
Станнат бария используется в различных от-
раслях техники при изготовлении керамических
материалов, в частности конденсаторов с высоки-
ми удельными характеристиками [1, 2], при раз-
работке нелинейных материалов [3], сенсоров вла-
жности воздуха и т.п. [4, 5].
© С.А. Солопан, О.И . Вьюнов, А.Г. Белоус , 2007
ISSN 0041-6045. УКР. ХИМ . ЖУРН . 2007. Т . 73, № 5 9
|