CC BY
13УДК 547.52/.68:577.15
Н.В. Лакина, В.Ю. Долуда, И.П. Шкилева, О.С. Бурматова, К.Е. Cальникова
ИССЛЕДОВАНИЕ БИОКАТАЛИЗАТОРА ПЕРЕЭТЕРИФИКАЦИИ В СРЕДЕ СВЕРХКРИТИЧЕСКОГО ДИОКСИДА УГЛЕРОДА
(Тверской государственный технический университет) e-mail: lakina@yandex.ru
В статье приводятся результаты исследования биокатализаторов на основе липазы, иммобилизованной на модифицированную поверхность магнитных наночастиц. Анализ полученных экспериментальных данных по ИК-спектроскопии образцов биокатализаторов показал, что при обработке поверхности магнитных наночастиц модифицирующим и сшивающим агентом, происходит образование прочных ковалентных связей между соответствующими функциональными группами. Проведение реакции пе-реэтерификации в сверхкритических условиях в присутствии таких биокатализаторов отличалось наибольшей эффективностью по сравнению с реакцией переэтерификации, проводимой при атмосферном давлении.
Ключевые слова: биокатализатор, липаза, ИК-Фурье спектроскопия, реакция переэтерифика-ции, сверхкритические условия
оксид олова (Nano-SnO2-CRL) в качестве носителя липазы и проводили сравнение с биокатализатором на основе полипропилена (PP-CRL). Авторы [5] изучали структуру и эффективность иммобилизованной липазы на хитозан-функционализи-рованных полиметилметакрилатных (ПММА-Хи-тозан) частицах. Хитозан также использовался в качестве нанофибрильной мембраны авторами работы [6]. В силу своей универсальности, частицы хитозана могут также использоваться с магнитными наночастицами, как показали авторы работы [7]. В работе [8] изучали иммобилизацию липазы, выделенной из М. javanicus, на наноча-стицы кремнезема. В качестве модифицирующего агента применяли глицерилдилметакрилат (GMA). В дальнейшем мезопористый кремнезем исследовали как перспективную подложку для иммобилизации липазы авторы [9, 10, 11]. Авторы работы
[12] использовали циркониевые наночастицы для иммобилизации липазы из C. rugosa и Pseudomonas путем адсорбции в водном растворе. Электро-формованные нановолокна, как было доказано
[13], являются отличными носителями для иммобилизации фермента, поскольку они обеспечивают большую площадь поверхности, которую не трудно функционализировать с помощью модификаторов. Однако, полученные биокатализаторы на основе липазы, используемые для проведения реакции переэтерификации, имеют достаточно низкую активность и недостаточную стабильность. Для повышения эффективности и технологичности процесса получения компонентов био-топлив необходимо использовать более активные и стабильные катализаторы.
ВВЕДЕНИЕ
Применение липазокатализируемой реакции переэтерификации в сверхкритическом диоксиде углерода (СО2) является одним из эффективных и экологически чистых способов получения компонентов биотоплив. На рис. 1 представлена общая схема реакции переэтерификации.
O O
H2C—O И R, R,—0 ^ CH3 H2C—OH
I о o I
HC O ^ R2 + 3CH30H „-- R,— (J—CH3 + HC—OH
I 0 Метанол ° |
H2C—O—U—R3 R,— 0 II CH3 H2C—OH
Триглицерид Смесь жирных кислот Глицерин
Рис. 1. Реакция переэтерификации триглицеридов жирных
кислот и метанола Fig. 1. Reaction of a transetherification of triglycerides of fatty acids and methanol
В настоящее время наиболее перспективным направлением в изучении ферменткатализи-руемых реакций является использование иммобилизованных ферментов. В настоящее время этой теме посвящено большое количество работ [1-16].
В работе [2] применили магнитные наночастицы у-Ре203, проводили ацетилирование, затем непосредственно иммобилизацию на такие частицы липазы. Авторы работы [3] исследовали активность иммобилизованной липазы также на магнитных наночастицах y-Fe203, модифицированных тетраэтилортосиликатом (ТЭОС) и ами-нопропилтриэтоксисиланом (АПТС). Авторами [4] был использован наноструктурированный ди-
В данной работе были синтезированы биокатализаторы на основе липазы, иммобилизованной на модифицированной поверхности магнитных наночастиц цитратом натрия и аминопро-пилтриэтоксисиланом, затем исследовалась их химическая структура с помощью ИК-Фурье спектроскопии. Затем была проведена сравнительная характеристика активности и стабильности полученных биокатализаторов при атмосферных условиях и в среде сверхкритического СО2 в реакции переэтерификации растительного масла и метанола. Активность биокатализаторов определялась в конце каждого эксперимента, проводимого как при атмосферном давлении, так и в среде сверхкритического диоксида углерода. Стабильность оценивалась после 10 рециклов реакции.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
В качестве носителя фермента в данной работе использовали магнитные нанчастицы, которые готовили согласно методу, основанному на реакции В. Элмора [14]. Размер полученных нано-частиц определяли с помощью метода динамического светового рассеяния, используя анализатор размера частиц 90 Plus фирмы Brookhaven (США). Размер частиц составил 10-15 нм. На основе полученных МНЧ готовили две серии образцов биокатализаторов, поверхность которых отличалась модифицирующим агентом (цитрат натрия, 3-амино-пропилтриэтоксисилан). Образцы биокатализаторов готовились путем последовательной обработки МНЧ следующими растворами реагентов с концентрацией 0,1 мг/мл: цитратом натрия (Na3C6H5O7), глутаровым диальдегидом (Glu), фосфатно-буфер-ным раствором липазы (L3126). Каждая стадия обработки носителя сопровождалась промывкой образца дистиллированной водой и высушиванием под вакуумом. Длительность каждой стадии составляла 3 ч. Вторая серия катализаторов готовилась с использованием другого модифицирующего агента поверхности МНЧ 3-аминопропил-триэтоксисилана ^PTS) в той же последовательности операций. Полученные в ходе синтеза образцы биокатализатора - МНЧ, МНЧ/Na^^O^ МНЧ/NaзC6H5O7/Glu, МНЧ/NaзC6H5O7/Glu/Lip, МНЧ/APTS, МНЧ/APTS/Glu, МНЧ/APTS/Glu/Lip-анализировали методом ИК-Фурье спектроскопии. Активность исследуемых образцов (А) биокатализаторов оценивалась по модифицированному методу Андерсона-Маккарти и определялась в единицах на миллиграмм (ед./мг) [15]. Исследования инфракрасного (ИК) поглощения проведены с помощью Фурье-спектрофотометра IRPrestige-21 (Schi-madzu) в интервале волновых чисел 5000-400 см-1, снабженным приставкой диффузного отражения, которая позволяет анализировать образцы неодно-
родной структуры. В качестве фонового образца использовали порошок KBr. Интенсивность сигнала выражалась в единицах Кубелка Мунк (КМ). Для проведения реакции в среде сверхкритического диоксида углерода использовался реактор высокого давления Parr Instruments 4307 (США), с общим объемом колбы 250 см3 и максимальным рабочим давлением 60 МПа. Для перекачивания углекислоты использовался плунжерный насос Supercritical 24 (США). Стандартный эксперимент в среде сверхкритического диоксида углерода проводили следующим образом. Колба с навеской биокатализатора, реакционной смесью масла и метанола (1:3) продувалась 3 раза диоксидом углерода под давлением 2 МПа, после чего подавалась углекислота до достижения равновесия. При достижении равновесия насосом подавалось 180 см3 углекислоты, реактор догревался до заданной температуры, и начинался отсчёт времени реакции. Парциальное давление диоксида углерода варьировалось от 10 до 20 МПа.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Изучение химической структуры биокатализаторов с
помощью ИК-Фурье спектрометрии
Как следует из представленных на рис. 2 данных, ИК спектр образца МНЧ содержит полосы поглощения в областях 3400-3200 см-1, 36003500 см-1 и 1200-1040 см-1, относящиеся к валентным колебаниям свободных ОН-групп на поверхности Fe3O. Пик в области 870-680 см-1 обусловлен валентными колебаниями связи Fe-O наноча-стиц Fe3O4.
Валентные колебания карбоксильной группы —С=О, наблюдаемые при 1650-1600 см-1; полоса поглощения карбоксилат-иона при 1450-1380 см-1 свидетельствуют о наличии координационных связей карбоксильных групп Na3C6H5O7 и Fe3+.
ИК спектр образца MH4/Na3C6H5O7/Glu содержит колебания связи Fe-O-C(OH)- в области 1100—1045 см-1, групп —СН2— в области 1500— 1400 см-1 и альдегидной группы глутарового ди-альдегида в областях 1740—1720 см-1 и 3000— 2800 см-1, что доказывает ковалентное связывание глутарового диальдегида со свободными ОН—груп-пами на поверхности МНЧ.
ИК спектр образца биокатализатора, содержащего иммобилизированную липазу, содержит полосы поглощения в областях 3500-3300 см-1, 1150-1050 см-1, относящиеся, соответственно, к валентными и деформационными колебаниями — NH- группы фермента. Полосы поглощения в области 1670-1650 см-1 и 3300-3080 см-1 свидетельствуют о наличии пептидной связи -NH-CO-, характеризующей химическую структуру фермента,
находящегося на поверхности модифицированных магнитных наночастиц. Полосы поглощения в области 1650-1550 см-1 указывают на наличие азоме-тиновой связи CH=N между ферментом и сшивающим агентом - глутаровым диальдегидом.
На рис. 3 представлены ИК спектры образца биокатализатора, синтезированного с помощью модифицирующего агента APTS. Присутствие химических связей между функциональными группами модифицирующего агента АPTS и -ОН группами FeзO4 доказывает наличие пика при 1092 см-1, обусловленного вибрацией растяжения С-К связи; колебание вблизи 1045 см-1 отвечает валентным колебаниям Si-O-связи; колебания при 850-780 см-1, 1600-1540 см-1, 3200-3000 см-1 обусловлены наличием -КН2 группы. Также определено наличие азометиновых связей -СН=^ между (З-аминопропил)триэтоксисиланом и глутаровым диальдегидом, глутаровым диальдегидом и липазой (1650-1550 см-1).
Для оценки активности и стабильности были проведены реакции переэтерификации растительных масел с метанолом как при атмосферном давлении, так и в среде сверхкритического диоксида при оптимальных параметрах: Т= 50 оС, р=15,0 МПа, время реакции 3 ч, в нейтральной среде с использованием в качестве катализатора "нативного" фермента липазы (А=200 ед/мг), а также синтезированных образцов биокатализаторов МНЧ/№зСбН507^1и^р, МНЧ/APTS/Glu/Lip.
Полученные данные показывают, что наибольшей активностью (А=150 ед/мг) обладает биокатализатор Fe304/APTS/Glu/Lip. Вероятно, это обусловлено наибольшим количеством доступных для субстрата активных центров, находящихся на модифицированной APTS поверхности МНЧ.
16
14
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
V, см 1
Рис. 2. ИК спектры образцов биокатализаторов на основе МНЧ, модифицированных цитратом натрия: 1 - Fe3O4, 2 - Fe3O4/Na3C6H5O7, 3 - Fe3O4/Na3C6H5O7/Glu, 4 - Fe3O4/Na3C6H5O7/Glu/Lip Fig. 2. FT-IR spectra of biocatalysts samples on basis of magnetic nanoparticles modified by sodium citrate 1 - Fe3O4, 2 - Fe3O4/Na3C6H5O7, 3 - Fe3O4/Na3C6H5O7/Glu, 4 - Fe3O4/Na3C6H5O74Glu/Lip
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 V, CM"1
Рис. 3. ИК спектры образцов биокатализаторов на основе МНЧ, модифицированных 3-аминопропилтриэтоксисиланом: 1 - Fe3O4; 2 - Fe3O4/ APTS; 3 - Fe3O4/APTS /Glu;
4 - Fe3O4/APTS /Glu/Lip Fig. 3. FT-IR spectra of biocatalysts samples based on basis of
magnetic nanoparticles modified by (3-aminopropyl)tri-ethoxysilane: 1 - Fe3O4; 2 - Fe3O4/APTS; 3 - Fe3O4/APTS /Glu;
4 - Fe3O4/APTS /Glu/Lip
Сравнительная оценка эффективности и стабильности биокатализаторов
Сравнительный анализ при проведении реакции переэтерификации в атмосферных условиях и в среде сверхкритического CO2, указывает, что при атмосферном давлении активность нативной липазы после 10 рабочих циклов уменьшилась почти в 2 раза (А=98 ед/мг), активности катализаторов Fe3Ö4/APTS/Glu/Lip и Fe3O4/Na3C6H5Ü/Lip уменьшились в 1,4 и 1,55 раз соответственно. В среде сверхкритического диоксида углерода активность биокатализаторов Lip, Fe3O4/Na3C6H5O/Lip и Fe3O4/APTS/Glu/Lip составила 133, 120 и 150 ед/мг.
Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что в среде сверхкритического диоксида углерода биокатализаторы дольше сохраняют каталитическую активность, следовательно имеют большую стабильность, чем при атмосферном давлении.
ВЫВОДЫ
Анализ полученных ИК спектров указывает на положительное влияние модифицирующих агентов цитрата натрия и 3-аминопропилтри-этоксисилана на появление химических связей между ОН группами, находящимися на поверхности магнитных наночастиц Fe3O4 и сшивающим агентом Glu. Полученные данные ИК спектров последующих образцов биокатализаторов указывают на наличие азометиновых связей CH=N между ферментом и сшивающим агентом Glu.
Сравнительный анализ активностей иммобилизованной липазы на МНЧ с применением модифицирующих агентов Na3C6H5O7 и APTS показал, что наибольшей активностью обладает обра-
зец биокатализатора МНЧ/APTS/Glu/Lip при проведении реакции переэтерификации в условиях сверхкритического CO2.
Такая реализация способа проведения реакции переэтерификации позволит повысить технологичность, эффективность и стабильность процесса селективного получения компонентов биотоплива.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ, №13-08-00831.
ЛИТЕРАТУРА
1. Матвеева О.В., Лакина Н.В., Долуда В.Ю., Сульман
Э.М. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2014. Т. 57. Вып. 7. С. 11-15.
Matveeva O.V., Lakina N.V., Doluda V.Yu., Sulman E.M. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2014. V. 57. N 7. P. 11-15 (in Russian).
2. Dyal A., Loos K., Noto M., Chang S.W., Spagnoli C. // J. Amer. Chem. Soc. 2003. V. 125. P. 1684-1685.
3. Cui Y., Li Y., Yang Y., Liu X., Lei L., Zhou L., Pan F. // Biotechnology. 2010. V. 150. P. 171-174.
4. Guncheva M., Tashev E., Zhiryakova D., Tosheva T., Tzokova N. // Process Biochemistry. 2011. V. 46. P. 923930.
5. Xiao M.X., Xu G., Zhou Q-L., Wu J-P., Yang L-R. //
Food Chem. 2014. V. 143. P. 319-324.
6. Jenjob S., Sunintaboon P., Inprakhon P., Anantachoke N., Reutrakul V. // Carbohydrate Polymers. 2012. V. 89. P. 842-848.
7. Huang X. J. Ge D., Xu Z.K. // Eur. Polym. J. 2007. V. 43. P. 3710-3718.
8. Kuo C. H, Liu Y.C., Chang C.M. J., Chen J.H., Chang C., Shieh C.J. // Carbohydrate Polymers. 2012. V. 87. P. 2538-2545.
9. Kim M.I., Ham H.O., Oh S.D., Park H.G., Chang H.N., Choi S.H. // Catalisis B: Enzyme. 2006. V. 39. P. 62-68.
10. Ciesla U., Schüth F. // Microporus and Mesoporus Materials. 1999. V. 27. P. 131-149.
11. Reis P., Witula T., Holmberg K. // Microporus and Meso-porus Materials. 2008. V. 110. P. 355-362.
12. Gustafsson E., Johansson M., Barrabinoa A., Oden M., Holmberg K. // Colloids Surfaces B. 2012. V. 100. P. 22-30.
13. Chen Y.Z. // Langmuir. 2008. V. 24. P. 8877-8884.
14. Ma M., Zhang Y., Yu W., Shen H., Zhang H.G., Gu N.// Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects. 2003. V. 212. P. 219-226.
15. Anderson M.M. // Analytical Biochemistri. 1972. V. 45. P. 271-276.
УДК. 661.174
М.А. Курбанова, И.И. Исмаилов
АНТИПИРЕНЫ НА ОСНОВЕ БОРСОДЕРЖАЩИХ КРЕМНИЙОРГАНИЧЕСКИХ
СОЕДИНЕНИЙ
(Ташкентский государственный технический университет) е-шай: mohira_1974@mail.ru
В данной статье рассматривается синтез олигомерных борсодержащих крем-нийорганических соединений, которые предлагается применять в качестве антипирена для огнезащитных покрытий на основе бор-, азот-фосфор- и кремнийсодержащих соединений, в результате чего наблюдается повышение термодеструкции и огнестойкость покрытий. Проведено сравнение энергии связи атомов бора и кремния с энергией связи атомов углерода. Получена зависимость выхода борсодержащего кремнийоргани-ческого олигомера от температуры и соотношения реагентов. Показано, что введение кремнийсодержащего олигомерного антипирена в покрытия улучшает их физические свойства и повышает огнестойкость.
Ключевые слова: антипирены, покрытия, олигомеры, борсодержащие кремнийорганические соединения, азот, фосфор, кремний, метасиликат натрия, термодеструкция, энергия связи, модификация, полисилоксаны
Поиск новых термостойких и огнестойких материалов приобретает особую важность в связи с необходимостью решения технических, экологических и экономических проблем. Для их решения возможны, по крайней мере, два подхода: создание принципиально новых, либо модифика-
ция известных материалов, например, введением в крупнотоннажные полимеры добавок, изменяющих их свойства. Экономическая целесообразность второго способа очевидна, поскольку его реализация не требует больших капитальных вложений.
