Спосіб ензиматичного одержання кисню

Реферат: Спосіб одержання кисню включає ензиматичну взаємодію препарату каталази з розчином перекису водню. Використовують препарат каталази будь-якого походження та будь-якої ензиматичної активності. UA 119988 U (54) СПОСІБ ЕНЗИМАТИЧНОГО ОДЕРЖАННЯ КИСНЮ UA 119988 U UA 119988 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до біотехнології і може бути використана в будь-яких сферах життєдіяльності людини, наприклад у промисловості, медицині, освіті, косметології, сільському господарстві, для наукових досліджень та ін. Кисень широко використовується в різних галузях промисловості, медицини, освіти та ін. Основний промисловий метод отримання кисню - розділення повітря методом глибокого охолодження. Як побічний продукт кисень отримують при електролізі води, а також методом вибіркової дифузії газів через молекулярні сита. Майже в усіх живих організмах є ензим каталаза (КЕ 1.11.1.6), який розкладає перекис водню, утворюваний у процесі біологічного окислення, на воду та молекулярний кисень: 2Н2О2=2Н2О+О2. Каталаза є одним із найефективніших ензимів: одна молекула каталази здатна перетворити кілька мільйонів молекул пероксиду водню на воду і кисень за секунду [1, 2]. Каталаза знаходить своє застосування в харчовій промисловості для видалення надлишку Н 2О2 при обробці молока в сироварінні, де пероксид водню використовується як консервант; а також спільно з глюкозооксидазою для видалення кисню і слідів глюкози [3]. В текстильній промисловості каталаза також широко використовується для очистки тканин від залишку Н 2О2 [4]. Газ кисень застосовується в металургії для інтенсифікації доменних і сталеплавильних процесів, при виплавці кольорових металів у шахтних печах, бесемеруванні штейнів та ін. (на ці процеси витрачається понад 60 % споживаного кисню); як окисник у багатьох хімічних виробництвах; у техніці - при зварюванні й різанні металів; при підземній газифікації вугілля тощо; в медицині - для підтримання життєздатності людини, проведення спеціальних кисневих лікувальних процедур, в косметології - для приготування кисневмісних засобів. При необхідності значних витрат кисню використовують його запаси у рідкому стані або при підвищеному тиску. При незначних витратах цього газу застосовуються кисневі подушки або спеціальні кисневі концентратори. Але в певних випадках виникає періодична потреба в незначних кількостях кисню при відсутності можливості користуватися запасами цього газу або апаратамиконцентраторами. Найбільш близьким аналогом корисної моделі, що заявляється, є раніше розроблений нами спосіб отримання кисню на основі взаємодії грибної каталази штаму гриба Penicillium vitale 1312/140 в розчинній або іммобілізованій формі з активністю 4000 МО або 6000 МО з перекисом водню концентрації 10-30 % при масовому співвідношенні перекису і каталази (150-500):1 [5]. Проте описаний спосіб використовував препарат каталази, отриманий з конкретного джерела походження з фіксованою ензиматичною активністю, і обмежений діапазон концентрації перекису водню та не передбачав режим безперервного отримання кисню. Задачею корисної моделі, що заявляється, є розробка ензиматичного способу одержання кисню, який включає взаємодію препарату каталази будь-якого походження та будь-якої ензиматичної активності, з розчином перекису водню будь-якої концентрації й об'єму в спеціальних хімічних реакторах відповідних форм, які забезпечують оптимальні умови та контрольований хід ензиматичної реакції з безперервним виходом кисню. Поставлену задачу вирішують шляхом проведення ензиматичної реакції, в якій використовують: препарат каталази з будь-якого джерела (мікробного, рослинного, тваринного) або синтетичного походження в розчинній стабілізованій формі чи в іммобілізованій формі на твердому носії в широкому діапазоні ензиматичної активності за будь-яких способів стабілізації та/або іммобілізації на твердих носіях (бентоніті, кізельгурі, діатоміті, активованому вугіллі, силікагелі, іонообмінних смолах, целюлозі, поліакриламіді тощо); розчин перекису водню будьякої концентрації, яка є безпечною для функціонування препарату каталази, та будь-якого об'єму, що забезпечує необхідну швидкість і кількість утворення кисню; додаткові інгредієнти, які покращують умови протікання ензиматичного розкладення перекису водню й одержання кисню, а також забезпечують умови функціонування компонентів реакції, в першу чергу, препарату каталази. Ензиматичну реакцію одержання кисню проводять у спеціальних хімічних реакторах відповідних форм, які забезпечують контрольований хід реакції, а саме: введення в реактор препарату каталази, розчину перекису водню та інших компонентів, виведення з реактора утвореного кисню та відпрацьованих компонентів, підтримання необхідної температури компонентів ензиматичної реакції. Спосіб, що заявляється, забезпечує безперервне одержання кисню. Нижче наведено приклади проведення процедури отримання кисню, які ні в якій мірі не обмежують корисну модель, що заявляється, а лише ілюструють її. Приклад 1. Одержання кисню з використанням препарату стабілізованої каталази, одержаної з печінки бика, в реакторі накопичувального типу. У способі ензиматичного отримання кисню як каталізатор використовують препарат каталаза-поліетиленгліколь (Sigma, № С4963) з вихідною активністю не менше 5000 МО у 1 UA 119988 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 розчинній формі. Оскільки ця реакція супроводжується виділенням тепла та швидким підвищенням температури в реакторі, для запобігання інактивації препарату каталази передбачено його використання у стабілізованій формі. Стабілізацію препарату каталази забезпечують шляхом застосування поліетиленгліколю та контроля температури, яка не повинна перевищувати +40° С. Реактор являє собою ємність (V=200 мл) з трьома отворами: для термометру, для резервуару з розчином препарату каталази та патрубку для відведення утворюваного кисню (фіг. 1). У реактор вносять розчин перекису водню з концентрацією 8 %, із ділильної воронки подають розчин стабілізованого препарату каталази, який містить 10 мг каталази; при ваговому співвідношенні перекису водню і препарату каталази (75-150):1 продуктивність за киснем складає 2,5 л/хв. Кисень відводять через патрубок і збирають у газометрі. Спосіб із використанням такого реактора дозволяє швидко отримувати порції кисню до 20 л. Спосіб є ефективним, безпечним і не потребує додаткових енергозатрат. Приклад 2. Одержання кисню з використанням іммобілізованого препарату каталази в реакторі проточного типу. Процес проводять, як у прикладі 1, але ємність для проведення реакції заповнюють іммобілізованим препаратом каталази. Ковалентну зшивку препарату каталази з носієм проводять за допомогою відомих методів іммобілізації [6]. Як носій для іммобілізації препарату каталази використовують будь-які сорбенти (іонообмінні целюлози, кремнеземні сорбенти, селективні іоніти тощо). Використовують препарат каталази (EC: 1.11.1.6; CAS: 9001-05-2), одержаний з печінки бика (Merck, № 219001) із вихідною ензиматичною активністю не менше 2000 МО в іммобілізованій формі. Оскільки ця реакція супроводжується виділенням тепла й швидким перевищенням температури в реакторі, тому застосовують стабілізовані препарати каталази. Стабілізацію каталази здійснюють шляхом введення в розчин препарату каталази в ацетатному (або фосфатному, або трис/НСl) буфері окисника - перйодної кислоти або її натрієвої чи калієвої солі при масовому співвідношенні препарат каталази: окисник = 1:(0,1-0,7). До препарату іммобілізованої каталази по краплям із резервуару подають розчин перекису водню з концентрацією 10 %. Кисень відводять через трубку (фіг. 2). Використання цієї моделі реактора забезпечує відведення відпрацьованої рідини. Спосіб відзначається можливістю багаторазового використання препарату каталази (не менше 50 циклів, 1 цикл = 100 мл розчину перекису водню з концентрацією 6 %). Виділений кисень, збирають у газометрі, швидкість його виділення залежить від швидкості подачі розчину перекису водню й складає 0,1-0,2 л/хв. Як і в прикладі 1, необхідним залишається контроль температури, яка не повинна перевищувати +40 °C. Після завершення процедури отримання кисню препарат каталази для подальшого зберігання й використання промивають 1 л дистильованої води без додавання консервантів, оскільки цю роль виконує сіль перйодної кислоти. Приклад 3. Одержання кисню з використанням препарату каталази, одержаної з Corynebacterium glutamicum, в реакторі проточного типу з зовнішнім охолодженням. Процес проводять, як у прикладі 2. Використовують препарат каталази, одержаний з Corynebacterium glutamicum (Sigma, № С0271), який має ензиматичну активність не менше 5000 МО, в іммобілізованій формі та розчин перекису водню з концентрацією 8 %. Як реактор використовують колонку з зовнішнім охолодженням для запобігання перевищення максимально допустимої температури ферментативної реакції, що збільшує кількість циклів використання препарату каталази (фіг. 3). Після завершення процедури отримання кисню препарат каталази для подальшого зберігання й використання промивають 1 л дистильованої води без додавання консервантів, оскільки цю роль виконує залишок перекису водню з концентрацією 0,0150,003 %, що має бактерицидні властивості широкого спектру дії. Приклад 4. Одержання кисню з використанням препарату іммобілізованої каталази, одержаного з Aspergillus niger, у реакторі періодичної дії (циклічна замкнена система). Процес проводять, як у прикладі 3. Використовують препарат каталази, одержаний з Aspergillus niger (Sigma, № С3515), активністю не менше 3000 МО. Як реактор використовують колонку U-подібної форми об'ємом 200 мл, яка заповнюється іммобілізованим препаратом каталази (~ 30 мл). Розчин перекису водню з концентрацією 6 % подають із резервуару, сполученого з одним із отворів колонки за допомогою трубки з краном, призначеним регулювати швидкість подачі розчину перекису водню. Відвідна трубка з іншого боку колонки призначена для зливу води, що утворюється в реакції. Кисень збирають у газометрі з обох отворів колонки через відводи, які поєднані між собою (фіг. 4). Така форма реактора дає можливість повного розкладення вихідної кількості перекису водню іммобілізованим препаратом каталази, яким заповнено колонку, а достатня кількість зовнішньої охолоджуючої рідини (300 мл) запобігає перевищенню температури всередині системи. Спосіб дозволяє, як і в прикладах 2 та 3, багаторазове використання препарату каталази до повного використання перекису водню як 2 UA 119988 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 субстрату. Циклічна замкнена система запобігає втратам кисню і підвищує ефективність реактора. Швидкість виділення кисню залежить від швидкості подачі розчину перекису водню. Як носій для іммобілізації використовують переважно селективні іоніти (наприклад, АНС, АН-31 (ГОСТ 20301-74) та ін.). Перевага використання даного носія для іммобілізації препарату каталази полягає в тому, що ця слабко основна макропориста аніонообмінна смола є фізично, хімічно, термо- і мікробіологічно стабільною, екологічно безпечною. Для іммобілізації використовують розчинні стабілізовані препарати каталази з натурального джерела (див. приклад 2) і зразки слабкоосновного пористого аніоніту. Виконання способу в такому режимі відзначається простотою, стабільністю і забезпечує отримання кисню з швидкістю 0,1-0,3 л/хв. Після завершення процедури отримання кисню препарат каталази промивають 1 л дистильованої води і заливають 0,1 % водним розчином тимолу або трилону Б у кількості 100 мл, після чого він придатний для подальшого зберігання й використання. Таким чином, розроблено спосіб ензиматичного одержання кисню, який має наступні переваги: дозволяє використовувати препарат каталази з будь-якого джерела (мікробного, рослинного, тваринного) або синтетичного походження у розчинній стабілізованій формі або в іммобілізованій формі на твердому носії; використовувати препарат каталази в широкому діапазоні ензиматичної активності за будьяких способах стабілізації та/або іммобілізації на твердих носіях; використовувати розчин перекису водню в широкому діапазоні концентрації; забезпечує необхідну швидкість та кількість утворення кисню; є безпечним для функціонування препарату каталази; пропонує використовувати хімічні. реактори відповідних форм та додаткові інгредієнти для забезпечення оптимальних умов ензиматичної реакції розкладення перекису водню препаратом каталази за показниками швидкості напрацювання газу та його кількості та зберігання компонентів реакції. Спосіб може бути рекомендований для використання в будь-яких сферах життєдіяльності людини: у промисловості, медицині, освіті, косметології, сільському господарстві, в наукових дослідженнях та ін. Перелік фігур креслення 1. Реактор накопичувального типу для одержання кисню з використанням препарату стабілізованої каталази: 1 - ємність з розчином препарату каталази; 2 - кран подачі розчину каталази; 3 - патрубок для відведення кисню; 4 - реакційна ємність з розчином препарату каталази; 5 - система для збору кисню; 6 - патрубок з термометром; 2. Реактор проточного типу для одержання кисню з використанням препарату іммобілізованої каталази: 1 - ємність з розчином Н2O2; 2 - кран подачі розчину Н2О2; 3 - патрубок для відведення кисню; 4 - прямоточна реакційна ємність з розчином іммобілізованого препарату каталази; 5 - система для збору кисню; 6 - патрубок для відведення рідини з реактора. 3. Реактор проточного з зовнішнім охолодженням типу для одержання кисню з використанням препарату каталази: 1 - ємність з розчином Н2О2; 2 - кран подачі розчину Н2О2; 3 - патрубок для відведення кисню; 4 - прямоточна реакційна ємність з водяним охолодженням, яка містить іммобілізований препарат каталази; 5 - система для збору кисню; 6 - патрубок для відведення рідини з реактора; 7 - патрубок для подачі води для охолодження реактора; 8 патрубок для відведення води для охолодження реактора. 4. Реактор періодичної дії для одержання кисню з використанням препарату іммобілізованої каталази: 1 - ємність з розчином Н2О2; 2 - кран подачі розчину Н2О2; 2а - регулятор подачі розчину Н2О2; 3 - патрубок для відведення кисню; 4 - U-подібна реакційна ємність з розчином препарату іммобілізованої каталази; 5 - система для збору кисню; 6 - патрубок для відведення рідини з реактора. Перелік використаних джерел інформації 1. Goodsell DS (2004-09-01). "Catalase". Molecule of the Month. RCSB Protein Data Bank. Retrieved 2007-02-11 2. Chelikani P, Fita I, Loewen P.C. Diversity of structures and properties among catalases // Cell. Моl. Life Sci., 61 (January 2004) (2) C. 192-208. 3. Neelima Christopher, Mayur Kumbalwar. Enzymes used in Food Industry. A Systematic Review// IJIRSET, Vol. 4, Issue 10, (October 2015), http://www ijirset.com/upload/2015/october/73_Enzymes.pdf 4. A. M. Amorim et.al. The application of catalase for the elimination of hydrogen peroxide residues after bleaching of cotton fabrics// Anais da Academia Brasileira de Ciencias (2002) 74(3): 433-436 3 UA 119988 U 5. Пат. РФ 2022016. - опубл. 30.10.1994; Бюл. № 20. 6. Иммобилизованные ферменты. Современное состояние и перспективы. В 2-х томах (под ред. И.В. Березина, В.К. Антонова, К. Мартинека). МГУ. 1976. 5 10 15 20 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Спосіб одержання кисню, що включає ензиматичну взаємодію препарату каталази з розчином перекису водню, який відрізняється тим, що використовують препарат каталази будь-якого походження та будь-якої ензиматичної активності. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що використовують препарат каталази, отриманий з будь-якого джерела у розчинній стабілізованій формі або в іммобілізованій формі на твердому носії (бентоніті, кізельгурі, діатоміті, активованому вугіллі, силікагелі, іонообмінних смолах, целюлозі, поліакриламіді тощо). 3. Спосіб за пп. 1, 2, який відрізняється тим, що використовують розчин перекису водню будьякої концентрації, яка є безпечною для функціонування препарату каталази, та будь-якого об'єму, що забезпечує необхідну швидкість і кількість утворення кисню. 4. Спосіб за будь-яким з пп. 1, 2, 3, який відрізняється тим, що використовують спеціальні хімічні реактори відповідної форми, які забезпечують оптимальні умови та контрольований хід ензиматичної реакції з безперервним виходом кисню. 5. Спосіб за будь-яким з пп. 1, 2, 3, 4, який відрізняється тим, що використовують будь-який інший додатковий інгредієнт, який покращує умови проведення ензиматичного розкладання перекису водню та зберігання препарату каталази в реакторі. 4 UA 119988 U 5 UA 119988 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6