Гідроліз олії у двофазному ферментативному мембранному реакторі
Досліджено вплив умов середовища на кінетику гідролізу соняшникової олії у двофазному мембранному ферментативному реакторі з використанням мембран з іммобілізованою ліпазою. Ліпазу ковалентно іммобілізували на модифікованих целюлозних мембранах з прищепленими тіольними групами. Вивчено кінетику гідр...
Gespeichert in:
| Datum: | 2012 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainian |
| Veröffentlicht: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2012
|
| Schriftenreihe: | Доповіді НАН України |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/49336 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Гідроліз олії у двофазному ферментативному мембранному реакторі / К.Є. Гузикевич, В.В. Коновалова, А.Ф. Бурбан, I. I. Полтавцев // Доп. НАН України. — 2012. — № 3. — С. 132-137. — Бібліогр.: 10 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-49336 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-493362025-02-23T17:43:18Z Гідроліз олії у двофазному ферментативному мембранному реакторі Гидролиз растительного масла в двухфазном ферментативном мембранном реакторе Hydrolysis of oil in biphasic enzymatic membrane reactor Гузикевич, К.Є. Коновалова, В.В. Бурбан, А.Ф. Полтавцев, І.І. Хімія Досліджено вплив умов середовища на кінетику гідролізу соняшникової олії у двофазному мембранному ферментативному реакторі з використанням мембран з іммобілізованою ліпазою. Ліпазу ковалентно іммобілізували на модифікованих целюлозних мембранах з прищепленими тіольними групами. Вивчено кінетику гідролізу олії залежно від pH водної фази реактора, температури та перемішування. Встановлено оптимальні умови роботи реактора: максимальна швидкість гідролізу олії досягається при pH 9,5 та температурі 30 °С та становить 0,24 ммоль/(л·год). Исследовано влияние условий среды на кинетику гидролиза подсолнечного масла в двухфазном ферментативном мембранном реакторе с использованием мембран с иммобилизированной липазой. Липазу ковалентно иммобилизировали на модифицированных целлюлозных мембранах с привитыми тиольными группами. Получены зависимости кинетики гидролиза масла от pH водной фазы реактора, температуры и перемешивания. Определены оптимальные условия работы реактора: максимальная скорость гидролиза масла достигается при pH 9,5 и температуре 30 °С и составляет 0,24 ммоль/(л·ч). The influence of operating conditions on the kinetics of sunflower oil hydrolysis in a biphasic enzymatic membrane reactor is investigated. Modified cellulose membranes with lipase covalently immobilized through thiol groups are used in the reactor. The dependence of the hydrolysis kinetics on pH of the aqueous phase, temperature, and stirring is studied. Optimum operation parameters for the enzymatic membrane reactor are determined: the maximum hydrolysis rate was achieved at pH = 9.5 and 30 °C and reached 0.24 mmol/Lh. 2012 Article Гідроліз олії у двофазному ферментативному мембранному реакторі / К.Є. Гузикевич, В.В. Коновалова, А.Ф. Бурбан, I. I. Полтавцев // Доп. НАН України. — 2012. — № 3. — С. 132-137. — Бібліогр.: 10 назв. — укр. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/49336 541.18.045 uk Доповіді НАН України application/pdf Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Ukrainian |
| topic |
Хімія Хімія |
| spellingShingle |
Хімія Хімія Гузикевич, К.Є. Коновалова, В.В. Бурбан, А.Ф. Полтавцев, І.І. Гідроліз олії у двофазному ферментативному мембранному реакторі Доповіді НАН України |
| description |
Досліджено вплив умов середовища на кінетику гідролізу соняшникової олії у двофазному мембранному ферментативному реакторі з використанням мембран з іммобілізованою ліпазою. Ліпазу ковалентно іммобілізували на модифікованих целюлозних мембранах з прищепленими тіольними групами. Вивчено кінетику гідролізу олії залежно від pH водної фази реактора, температури та перемішування. Встановлено оптимальні умови роботи реактора: максимальна швидкість гідролізу олії досягається при pH 9,5 та температурі 30 °С та становить 0,24 ммоль/(л·год). |
| format |
Article |
| author |
Гузикевич, К.Є. Коновалова, В.В. Бурбан, А.Ф. Полтавцев, І.І. |
| author_facet |
Гузикевич, К.Є. Коновалова, В.В. Бурбан, А.Ф. Полтавцев, І.І. |
| author_sort |
Гузикевич, К.Є. |
| title |
Гідроліз олії у двофазному ферментативному мембранному реакторі |
| title_short |
Гідроліз олії у двофазному ферментативному мембранному реакторі |
| title_full |
Гідроліз олії у двофазному ферментативному мембранному реакторі |
| title_fullStr |
Гідроліз олії у двофазному ферментативному мембранному реакторі |
| title_full_unstemmed |
Гідроліз олії у двофазному ферментативному мембранному реакторі |
| title_sort |
гідроліз олії у двофазному ферментативному мембранному реакторі |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| publishDate |
2012 |
| topic_facet |
Хімія |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/49336 |
| citation_txt |
Гідроліз олії у двофазному ферментативному мембранному реакторі / К.Є. Гузикевич, В.В. Коновалова, А.Ф. Бурбан, I. I. Полтавцев // Доп. НАН України. — 2012. — № 3. — С. 132-137. — Бібліогр.: 10 назв. — укр. |
| series |
Доповіді НАН України |
| work_keys_str_mv |
AT guzikevičkê gídrolízolííudvofaznomufermentativnomumembrannomureaktorí AT konovalovavv gídrolízolííudvofaznomufermentativnomumembrannomureaktorí AT burbanaf gídrolízolííudvofaznomufermentativnomumembrannomureaktorí AT poltavcevíí gídrolízolííudvofaznomufermentativnomumembrannomureaktorí AT guzikevičkê gidrolizrastitelʹnogomaslavdvuhfaznomfermentativnommembrannomreaktore AT konovalovavv gidrolizrastitelʹnogomaslavdvuhfaznomfermentativnommembrannomreaktore AT burbanaf gidrolizrastitelʹnogomaslavdvuhfaznomfermentativnommembrannomreaktore AT poltavcevíí gidrolizrastitelʹnogomaslavdvuhfaznomfermentativnommembrannomreaktore AT guzikevičkê hydrolysisofoilinbiphasicenzymaticmembranereactor AT konovalovavv hydrolysisofoilinbiphasicenzymaticmembranereactor AT burbanaf hydrolysisofoilinbiphasicenzymaticmembranereactor AT poltavcevíí hydrolysisofoilinbiphasicenzymaticmembranereactor |
| first_indexed |
2025-11-24T05:34:52Z |
| last_indexed |
2025-11-24T05:34:52Z |
| _version_ |
1849648735070453760 |
| fulltext |
оповiдi
НАЦIОНАЛЬНОЇ
АКАДЕМIЇ НАУК
УКРАЇНИ
3 • 2012
ХIМIЯ
УДК 541.18.045
© 2012
К.Є. Гузикевич, В. В. Коновалова, А.Ф. Бурбан, I. I. Полтавцев
Гiдролiз олiї у двофазному ферментативному
мембранному реакторi
(Представлено членом-кореспондентом НАН України М.Т. Картелем)
Дослiджено вплив умов середовища на кiнетику гiдролiзу соняшникової олiї у двофазному
мембранному ферментативному реакторi з використанням мембран з iммобiлiзованою
лiпазою. Лiпазу ковалентно iммобiлiзували на модифiкованих целюлозних мембранах
з прищепленими тiольними групами. Вивчено кiнетику гiдролiзу олiї залежно вiд pH
водної фази реактора, температури та перемiшування. Встановлено оптимальнi умо-
ви роботи реактора: максимальна швидкiсть гiдролiзу олiї досягається при pH 9,5 та
температурi 30 ◦С та становить 0,24 ммоль/(л · год).
Жирнi кислоти є важливою сировиною для фармацевтичної промисловостi, виготовлен-
ня косметичних засобiв, детергентiв тощо. Однак, зазвичай, каталiтичний процес гiдролiзу
(Colgate Emery) олiй i тваринних жирiв вiдбувається при тиску близько 4,82 МПа, темпера-
турi 250 ◦С i вище та забезпечує високу конверсiю олiї (97–98%), але потребує значних енер-
говитрат [1]. Ферментативний процес гiдролiзу як альтернативний проходить при кiмнатнiй
температурi та не потребує значних тискiв. Фермент (лiпаза) як каталiзатор проявляє ви-
соку селективнiсть, що забезпечує вiдсутнiсть побiчних продуктiв, а значить, i додаткових
стадiй очистки.
Серед конструкцiй ферментативних реакторiв найбiльше переваг мають двофазнi мемб-
раннi реактори. Оскiльки субстрати лiпаз обмежено розчиннi у водi, реакцiя гiдролiзу вiдбу-
вається на межi подiлу фаз. В таких реакторах лiпаза закрiплюється на мембранi, розташо-
ваної мiж двома фазами. Таким чином забезпечується можливiсть одночасного проведення
реакцiї i вiддiлення її продуктiв. Те, що фермент iммобiлiзовано на мембранi, запобiгає
забрудненню ним продуктiв, а також уможливлює його повторне використання [2].
Метою даної роботи є вивчення впливу умов середовища на кiнетику гiдролiзу соняшни-
кової олiї у двофазному мембранному ферментативному реакторi з використанням мембран
з iммобiлiзованою лiпазою. Нами було використано модифiкованi целюлознi мембрани з по-
передньо введеними тiольними групами, на яких ковалентно iммобiлiзували лiпазу через
тiольнi групи ферменту. Iммобiлiзацiю лiпази та визначення її активностi проводили за
методиками, опублiкованими нами ранiше [3].
132 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2012, №3
Кiнетику гiдролiзу жирних кислот на модифiкованих мембранах вивчали у двофазно-
му мембранному реакторi. Об’єм кожної камери 145 мл, площа робочої поверхнi мемб-
рани 25 см2. Для зниження впливу концентрацiйної поляризацiї на процеси роздiлення
реактор обладнано магнiтною мiшалкою. Швидкiсть перемiшування 500 об/хв.
Концентрацiю жирних кислот у олiї визначали методом кислотно-основного титрування.
Як титрант використовували 10 ммоль/л розчин гiдроксиду натрiю. Титрування проводи-
ли безпосередньо в реакторi в режимi пiдтримання постiйного значення pH водної фази.
Для проведення дослiдження кiнетики розщеплення жирiв на мембранi при рiзних тем-
пературах використали нагрiвач для обох камер, що складався з U-подiбних алюмiнiєвих
трубок, з’єднаних мiж собою та з термостатом WiseCircu WCB-11. Схема установки для
дослiдження кiнетики гiдролiзу жирiв у двофазному мембранному реакторi:
Гiдролiз триглiцеридiв — це багатостадiйна реакцiя, що включає в себе формування
диглiцеридiв i моноглiцеридiв як продуктiв промiжних стадiй i всi реакцiї є оборотними за
своєю природою. Вважається, що ступiнь гiдролiзу не залежить вiд типу жирної кислоти
та константи швидкостi усiх стадiй однаковi [1]. Сумарну реакцiю можна записати як
Як вiдомо, гетерогенний каталiз включає три основнi стадiї: 1) транспорт субстрату до
поверхнi; 2) власне реакцiя; 3) транспорт продуктiв вiд поверхнi. Таким чином, для оптимi-
зацiї роботи реактора, важливим є дослiдити, яка з даних стадiй є лiмiтуючою в мембран-
ному реакторi. Вивчення впливу перемiшування на швидкiсть екстракцiї жирних кислот
у водну фазу (рис. 1) дозволили встановити, що кiнетика процесу залежить вiд швидкостi
пiдведення субстрату i вiдведення продуктiв реакцiї. Так, при роботi реактора без перемi-
шування швидкiсть гiдролiзу становила лише 0,088 ммоль/(л · год), що в 2 рази менше,
нiж при перемiшуваннi (0,18 ммоль/(л · год)). Таким чином, можна зробити висновок, що
лiмiтуючою стадiєю процесу гетерофазного каталiтичного гiдролiзу олiї є транспортна ста-
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2012, №3 133
Рис. 1. Вплив турбулiзацiї на кiнетику гiдролiзу рослинних жирiв у мембранному бiореакторi: pH 9,5;
температура 25 ◦С
Рис. 2. Вплив pH на кiнетику гiдролiзу олiй в мембранному бiореакторi: 1 — pH 9,5; 2 — pH 9; 3 — pH 8,5;
4 — pH 8; 5 — pH 7,5
дiя, що пов’язано з дифузiйним обмеженням. Кiнетичнi кривi гiдролiзу також вказують на
нульовий порядок реакцiї у мембранному бiореакторi.
Припускають, що у двофазному мембранному реакторi на поверхнi мембрани iснує пос-
тiйне мiкросередовище реакцiї, в якому два реагенти контактують з iммобiлiзованим фер-
ментом та мiж собою [1]. У цьому випадку змiна pH може впливати на швидкiсть реакцiї
(активнiсть ферменту), екстракцiю утворених жирних кислот та на структуру мембрани
i на її транспортнi характеристики.
Як видно з рис. 2, швидкiсть гiдролiзу зростає зi збiльшенням pH середовища. При
pH 9,5 спостерiгається максимальна швидкiсть масопереносу 0,23 ммоль/(л · год). З лiтера-
тури вiдомо, що оптимальний pH середовища, при якому фермент проявляє найвищу ката-
лiтичну активнiсть, для вiльної лiпази з Candida rugosa знаходиться в дiапазонi pH 7–8 [4–6],
при цьому iммобiлiзацiя не значно впливає на оптимум pH ферменту. Так, автори роботи [4]
повiдомляють про зсув оптимуму pH з 7 до 7,5 при ковалентнiй iммобiлiзацiї лiпази на хi-
тинi, попередньо модифiкованому амiногрупами. А в роботi [5] зазначено, що адсорбцiйна
iммобiлiзацiя лiпази на полiсульфонових i полiетерсульфонових мембранах не призвела до
змiни оптимуму pH ферменту (pHопт 8). Автори роботи [7] також повiдомляють про вiдсут-
нiсть зсуву оптимуму pH лiпази (pHопт 7,5) при її ковалентнiй iммобiлiзацiї на попередньо
134 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2012, №3
Рис. 3. Залежнiсть об’ємного потоку води через модифiковану мембрану вiд рН середовища
Рис. 4. Вплив температури на кiнетику гiдролiзу рослинних жирiв у мембранному бiореакторi (pH водної
фази 9,5): 1 — 35 ◦C; 2 — 30 ◦C; 3 — 25 ◦C; 4 — 37 ◦C;
модифiкованому полiпропiленi. Таким чином, з великою iмовiрнiстю можна вважати, що
оптимум pH iммобiлiзованої лiпази не вiдповiдає оптимуму pH роботи реактора (pHопт 9,5),
i це дозволяє зробити висновок, що активнiсть ферменту не є лiмiтуючим фактором, який
визначає ефективнiсть роботи реактора.
При pH середовища 10 швидкiсть гiдролiзу дорiвнює нулю, що може бути пов’язано
як з функцiональною залежнiстю властивостей бiокаталiзатора вiд умов середовища, так
i самої мембрани.
Встановлено, що змiна pH середовища в дiапазонi вiд 4 до 10 не впливає на водопро-
никнiсть мембран (рис. 3), на основi чого можна допустити, що порувата структура мемб-
рани не зазнає змiн. Таким чином, найбiльший вплив на кiнетику масопереносу у реакторi
справляє швидкiсть екстракцiї жирних кислот з реакцiйного середовища до водної фази,
яка визначається концентрацiєю ОН−-iонiв у воднiй фазi реактора.
Зазвичай в лiтературi описуються ферментативнi процеси гiдролiзу жирiв при 35 ◦С [7].
Є пiдстави вважати, що бiореактор може ефективно працювати в бiльш широкому дiапа-
зонi температур. У зв’язку з цим, нами було дослiджено ефективнiсть роботи реактора
в температурних межах вiд 25 до 40 ◦С. Як видно з рис. 4, концентрацiя жирних кислот
у воднiй фазi зростає з майже однаковою швидкiстю у межах температур вiд 25 до 35 ◦С.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2012, №3 135
Таблиця 1. Порiвняння ефективностi мембранних реакторiв, описаних в лiтературi
Посилання Тип реактора pH Температура, ◦С
Швидкiсть,
ммоль/(л · год)
Дослiджуваний бiореактор Дiалiзний 9,5 25–35 0,240
[1] Дiалiзний 9,5 40 0,145
[8] Трубчастий 8 38–40 0,068
[9] Порожнистоволоконний 9,5 40 0,074
[10] Дiалiзний 9,5 30 0,270
Отже, можна зробити висновок, що в цьому дiапазонi швидкiсть гiдролiзу не залежить вiд
температури. При 40 ◦С швидкiсть гiдролiзу рiзко падає, однак, при зниженнi темпера-
тури до 35 ◦С вiдновлюється до початкового рiвня протягом невеликого промiжку часу.
Це може свiдчити, що пiдвищення температури не призводить до повної денатурацiї бiлку
на мембранi, а лише до деяких його конформацiйних змiн, що i є причиною зменшення
швидкостi гiдролiзу.
У лiтературних джерелах наводяться данi про гiдролiз рiзних олiй у двофазних мемб-
ранних реакторах дiалiзного та порожнистоволоконного типiв (табл. 1). Порiвняння лi-
тературних даних з даними експерименту показує, що отриманий нами ферментативний
двофазний мембранний реактор демонструє бiльш високу швидкiсть видiлення жирних
кислот (0,24 ммоль/(л · год)) при нижчiй температурi, нiж реактори. Крiм того, на вiдмiну
вiд описаних мембран з адсорбованою лiпазою, обраний нами метод iммобiлiзацiї ферменту
дозволяє проводити його регенерацiю пiсля втрати активностi, що значно подовжує термiн
експлуатацiї мембран.
Таким чином, в результатi проведених дослiджень встановлено вплив умов середови-
ща на кiнетику гiдролiзу соняшникової олiї у двофазному мембранному ферментативному
реакторi з використанням мембран з iммобiлiзованою лiпазою. Показано, що кiнетика гiдро-
лiзу в мембранному реакторi є реакцiєю нульового порядку, швидкiсть видiлення жирних
кислот залежить вiд турбулiзацiї потоку, а отже, дiє дифузiйне обмеження.
Вивчено вплив pH та температури водної фази на роботу реактора. Встановлено, що
швидкiсть надходження жирних кислот у водну фазу залежить головним чином вiд швид-
костi екстракцiї жирних кислот i мало залежить вiд активностi ферменту i змiн у структурi
мембрани. Вивчення впливу температури показало, що швидкiсть видiлення жирних кислот
є стабiльно високою в межах 25–35 ◦С. Максимальна швидкiсть гiдролiзу олiй досягається
при pH 9,5 та 30 ◦С та становить 0,24 ммоль/(л · год).
1. Pugazhenthi G., Kumar A. Enzyme membrane reactor for hydrolysis of olive oil using lipase immobilized
on modified PMMA composite membrane // J. Membrane Sci. – 2004. – 228. – P. 187–197.
2. Rios G.M., Belleville M. P., Paolucci D., Sanchez J. Progress in enzymatic membrane reactors – a review //
Ibid. – 2004. – 242. – P. 189–196.
3. Гузикевич К.Є., Коновалова В. В., Побiгай Г.А., Бурбан А.Ф. Розроблення нового методу iммобiлi-
зацiї лiпази на целюлозних мембранах // Доп. НАН України. – 2010. – № 8. – С. 142–147.
4. Gomes F.M., Pereira E. B., de Castro H. F. Immobilization of Lipase on Chitin and Its Use in Nonconven-
tional Biocatalysis // Biomacromolecules. – 2004. – 5. – P. 17–23.
5. Gupta S., Yogesh G., Javiya S. et al. Comparative study of performances of lipase immobilized asymmetric
polysulfone and polyether sulfone membranes in olive oil hydrolysis // Int. J. Biol. Macromol. – 2008. –
42. – P. 145–151.
6. Pujari N. S., Vaidya B.K., Bagalkote S. et al. Poly(urethane methacrylate – co-glycidyl methacrylate)-sup-
ported-polypropylene biphasic membrane for lipase immobilization // J. Membrane Sci. – 2006. – 285. –
P. 395–403.
136 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2012, №3
7. Murty R.V., Bhat J., Muniswaran P.K.A. Hydrolysis of Oils by Using Immobilized Lipase Enzyme:
A Review // Biotechnol. and Bioproc. Eng. – 2002. – 7. – P. 57–66.
8. Giorno L., Molinari R., Natoli M. et al. Hydrolysis and regioselective transesterification catalyzed by
immobilized lipases in membrane bioreactors // J. Membrane Sci. – 1997. – 125. – P. 177–187.
9. Deng H.-T., Xu Zh.-K., Dai Zh.-W. et al. Immobilization of Candida rugosa lipase on polypropylene
microfiltration membrane modified by glycopolymer: hydrolysis of olive oil in biphasic bioreactor // Enzyme
and Microbial Technol. – 2005. – 36. – P. 996–1002.
10. Shukla A., Kumar A. Experimental Studies and Mass-Transfer Analysis of the Hydrolysis of Olive Oil in
a Biphasic Zeolite-Membrane Reactor Using Chemically Immobilized Lipase // Ind. Eng. Chem. Res. –
2004. – 43. – P. 2017. – 2029.
Надiйшло до редакцiї 06.10.2011Нацiональний унiверситет
“Києво-Могилянська академiя”
Е.Е. Гузикевич, В.В. Коновалова, А. Ф. Бурбан, И. И. Полтавцев
Гидролиз растительного масла в двухфазном ферментативном
мембранном реакторе
Исследовано влияние условий среды на кинетику гидролиза подсолнечного масла в двухфаз-
ном ферментативном мембранном реакторе с использованием мембран с иммобилизиро-
ванной липазой. Липазу ковалентно иммобилизировали на модифицированных целлюлозных
мембранах с привитыми тиольными группами. Получены зависимости кинетики гидроли-
за масла от pH водной фазы реактора, температуры и перемешивания. Определены опти-
мальные условия работы реактора: максимальная скорость гидролиза масла достигается
при pH 9,5 и температуре 30 ◦С и составляет 0,24 ммоль/(л · ч).
K.Y. Guzykevych, V.V. Konovalova, A. F. Burban, I. I. Poltavtsev
Hydrolysis of oil in biphasic enzymatic membrane reactor
The influence of operating conditions on the kinetics of sunflower oil hydrolysis in a biphasic
enzymatic membrane reactor is investigated. Modified cellulose membranes with lipase covalently
immobilized through thiol groups are used in the reactor. The dependence of the hydrolysis kinetics
on pH of the aqueous phase, temperature, and stirring is studied. Optimum operation parameters
for the enzymatic membrane reactor are determined: the maximum hydrolysis rate was achieved at
pH = 9.5 and 30 ◦C and reached 0.24 mmol/Lh.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2012, №3 137
|