RU2539101C2 - Biocatalyst, method of its preparation and method of reetherification of vegetable oils using this biocatalyst - Google Patents

Biocatalyst, method of its preparation and method of reetherification of vegetable oils using this biocatalyst Download PDF

Info

Publication number
RU2539101C2
RU2539101C2 RU2013121453/10A RU2013121453A RU2539101C2 RU 2539101 C2 RU2539101 C2 RU 2539101C2 RU 2013121453/10 A RU2013121453/10 A RU 2013121453/10A RU 2013121453 A RU2013121453 A RU 2013121453A RU 2539101 C2 RU2539101 C2 RU 2539101C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
biocatalyst
coli
lip
vegetable oils
cells
Prior art date
Application number
RU2013121453/10A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2013121453A (en
Inventor
Галина Артемьевна Коваленко
Анатолий Борисович Беклемишев
Лариса Валентиновна Перминова
Алексей Львович Мамаев
Татьяна Владимировна Чуенко
Владимир Львович Кузнецов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук
Priority to RU2013121453/10A priority Critical patent/RU2539101C2/en
Publication of RU2013121453A publication Critical patent/RU2013121453A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2539101C2 publication Critical patent/RU2539101C2/en

Links

Landscapes

  • Immobilizing And Processing Of Enzymes And Microorganisms (AREA)
  • Enzymes And Modification Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: biotechnologies.
SUBSTANCE: biocatalyst for reetherification of vegetable oils is offered which contains as enzymatic active substation the partially destructed cells or cell lysates of the recombinant producer strain rE. coli/lip, carrier consisting of silicon dioxide and of nanostructured carbon, and maltodextrin or high molecular weight polysaccharide as the water-retaining agent. A biocatalyst is prepared by mixing of cells or cell lysates of the recombinant producer strain rE. coli/lip with the carrier and water-retaining agent of carbon nature with the subsequent drying and fractionating. The method of reetherification of vegetable oils is performed both in a periodic mode in a mixing reactor, and in a continuous mode in a flowing reactor with the fixed layer of a biocatalyst at the temperature 60-80°C.
EFFECT: high enzymatic activity of biocatalysts during reetherification of vegetable oils.
5 cl, 2 tbl, 25 ex

Description

Изобретение направлено на разработку биокатализаторов с активностью термостабильной липазы, предназначенных для процессов переэтерификации с участием растительных масел, а также способов их приготовления. Изобретение может быть использовано для получения ценных продуктов масложировой промышленности, таких как специализированные жиры - важнейшие ингредиенты маргариновой продукции и спредов, а также эквивалентов и заменителей ценных масел какао и молочных жиров - необходимых компонентов кондитерских изделий и мороженного. Изобретение может быть использовано также для получения компонентов биодизеля, получаемого в процессе переэтерификации растительных масел с низкомолекулярными спиртами/эфирами.The invention is directed to the development of biocatalysts with thermostable lipase activity, intended for transesterification processes involving vegetable oils, as well as methods for their preparation. The invention can be used to obtain valuable products of the oil and fat industry, such as specialized fats - the most important ingredients of margarine products and spreads, as well as equivalents and substitutes for valuable cocoa butter and milk fat - the necessary components of confectionery and ice cream. The invention can also be used to obtain components of biodiesel obtained in the process of transesterification of vegetable oils with low molecular weight alcohols / esters.

В настоящее время для приготовления биокатализаторов с активностью липазы используют носители силикатной природы - диоксид кремния (SiO2), природные минералы (кизельгур), отличающиеся химической и микробиологической инертностью, а также высокой механической прочностью.Currently, for the preparation of biocatalysts with lipase activity, silicate carriers are used - silicon dioxide (SiO 2 ), natural minerals (kieselguhr), which are distinguished by chemical and microbiological inertness, as well as high mechanical strength.

Известен способ приготовления биокатализатора [Salis A.; Meloni D., Ligas S., Casula M.F., Monduzzi M., Solinas V., Dumitriu E. // Langmuir. 2005. V. 21. No. 12. P. 5511-5516] путем физической адсорбции липазы из микроорганизма Mucor javanicus с последующей кросс-сшивкой глутаровым диальдегидом на мезопористом диоксиде кремния. Биокатализатор проявляет практически одинаковую активность в реакции гидролиза триглицеридов, в том числе триолеина (аналога оливкового масла), равную 80 Единиц Активности (ЕА)/г. Недостатком способа является использование токсичных сшивающих реагентов (диальдегида), а также высокая стоимость мезопористого силикатного носителя с узким распределением пор по размерам, синтезированного путем гидролиза тетраэтил орто-силиката в присутствии поверхностно-активных сополимеров (Pluronic®). Поскольку биокатализатор получен в виде тонкодисперсного порошка, то его невозможно использовать в проточном реакторе с неподвижным слоем из-за быстрого уплотнения слоя и высокого гидродинамического сопротивления.A known method of preparing a biocatalyst [Salis A .; Meloni D., Ligas S., Casula M.F., Monduzzi M., Solinas V., Dumitriu E. // Langmuir. 2005. V. 21. No. 12. P. 5511-5516] by physical adsorption of lipase from the microorganism Mucor javanicus, followed by crosslinking with glutaraldehyde on mesoporous silica. The biocatalyst exhibits almost the same activity in the hydrolysis of triglycerides, including triolein (an analogue of olive oil), equal to 80 Activity Units (EA) / g. The disadvantage of this method is the use of toxic crosslinking agents (dialdehyde), as well as the high cost of a mesoporous silicate carrier with a narrow pore size distribution synthesized by hydrolysis of tetraethyl ortho-silicate in the presence of surface-active copolymers (Pluronic®). Since the biocatalyst is obtained in the form of a fine powder, it cannot be used in a flow reactor with a fixed bed because of the rapid compaction of the layer and high hydrodynamic resistance.

Известен способ приготовления биокатализатора путем включения дрожжевых автолизатов в наноуглерод-силикатные матрицы [RU 24515466, С12Р 19/00, 27.05.2012]. Биокатализатор предназначен для процесса инверсии сахарозы и получения инвертного сиропа, содержащего глюкозу и фруктозу, и отличается высокой стационарной активностью. Недостатком данного биокатализатора является отсутствие ферментативной активности в реакциях гидролиза и переэтерификации с участием растительных масел.A known method of preparing a biocatalyst by incorporating yeast autolysates into nanocarbon-silicate matrices [RU 24515466, СРР 19/00, 05.27.2012]. The biocatalyst is intended for the process of sucrose inversion and the production of an invert syrup containing glucose and fructose, and is characterized by high stationary activity. The disadvantage of this biocatalyst is the lack of enzymatic activity in the hydrolysis and transesterification reactions involving vegetable oils.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ приготовления биокатализатора путем включения липазы из Pseudomonas cepacia в силикатный матрицу, полученную путем гидролиза различных производных силанов в присутствии липазы [Noureddini H., Gao X., Joshi S., Wagner P.R. // J. Amer. Oil Chem. Soc. 2002. 79(1), 33-40]. Данный способ осуществляется следующим образом. Сначала к водному раствору липазы добавляют производные силана (тетраметоксисилан или бутилметокси-силан) и катализатор (фторид натрия). При гидролизе силанов образуется гидрогель диоксида кремния, содержащий липазу, который затем сушат, и ксерогель диоксида кремния растирают в порошок. Порошок промывают дистиллированной водой при интенсивном перемешивании для того, чтобы удалить токсичные примеси - непрореагировавший силан, метанол, силиканол, растворимые олигомеры. После отмывки влажную пасту снова сушат, затем снова растирают в порошок и используют в качестве биокатализатора в периодическом процессе гидролиза триглицеридов, например соевого масла. Активность биокатализатора составляет 20-80 ЕА/г при 40°C. Недостатком данного способа является использование для приготовления биокатализаторов токсичных и дорогостоящих реагентов (производных силанов), получение биокатализатора в виде тонкодисперсного порошка, который быстро набухает в реакционных условиях, что не позволяет использовать такой биокатализатор в проточном реакторе с неподвижным слоем. Недостатком также можно считать использование фермента, предварительно выделенного и очищенного, что повышает стоимость биокатализатора.Closest to the proposed invention is a method of preparing a biocatalyst by incorporating a lipase from Pseudomonas cepacia into a silicate matrix obtained by hydrolysis of various silane derivatives in the presence of a lipase [Noureddini H., Gao X., Joshi S., Wagner P.R. // J. Amer. Oil Chem. Soc. 2002. 79 (1), 33-40]. This method is as follows. First, silane derivatives (tetramethoxysilane or butylmethoxy silane) and a catalyst (sodium fluoride) are added to the aqueous lipase solution. During the hydrolysis of silanes, a silica hydrogel is formed containing a lipase, which is then dried, and the silica xerogel is triturated. The powder is washed with distilled water with vigorous stirring in order to remove toxic impurities - unreacted silane, methanol, silanol, soluble oligomers. After washing, the wet paste is dried again, then triturated again and used as a biocatalyst in the batch process of hydrolysis of triglycerides, such as soybean oil. The activity of the biocatalyst is 20-80 EA / g at 40 ° C. The disadvantage of this method is the use of toxic and expensive reagents (silane derivatives) for the preparation of biocatalysts, the preparation of a biocatalyst in the form of a fine powder that swells rapidly under reaction conditions, which does not allow the use of such a biocatalyst in a fixed bed flow reactor. The disadvantage can also be considered the use of an enzyme previously isolated and purified, which increases the cost of the biocatalyst.

Изобретение решает задачу приготовления биокатализаторов с высокой активностью термостабильной липазы в виде механически прочных гранул для процессов, осуществляемых как в периодическом, так и в непрерывном режимах, в том числе, для процесса переэтерификации растительных масел.The invention solves the problem of preparing biocatalysts with high activity of thermostable lipase in the form of mechanically strong granules for processes carried out both in batch and continuous modes, including for the process of transesterification of vegetable oils.

Задача решается составом биокатализатора для переэтерификации растительных масел на основе липазы и носителя - силикатной матрицы, в котором в качестве ферментативно-активной субстанции он содержит частично разрушенные клетки или клеточные лизаты рекомбинантного штамма rE. coli/lip, продуцирующего термостабильную липазу, в качестве носителя - наноуглерод-силикатные матрицы, содержащие наноструктурированный углерод, в качестве влагоудерживающего агента вещества углеводной природы, и имеет следующий состав, в мас. % сухих веществ:The problem is solved by the composition of the biocatalyst for transesterification of vegetable oils based on lipase and a carrier - silicate matrix, in which it contains partially destroyed cells or cell lysates of the recombinant strain rE as an enzymatically active substance. coli / lip, producing thermostable lipase, as a carrier - nanocarbon-silicate matrices containing nanostructured carbon, as a water-retaining agent of a substance of carbohydrate nature, and has the following composition, in wt. % solids:

клетки или клеточные лизаты rE. coli/lip - 20-40,rE cell or cell lysates. coli / lip - 20-40,

наноструктурированный углерод (углеродные нанотрубки УНТ) - 5-10,nanostructured carbon (carbon nanotubes of CNTs) - 5-10,

влагоудерживающий агент углеводной природы, а именно,water-retaining agent of carbohydrate nature, namely,

мальтодекстрин - 10-20 или высокомолекулярный полисахарид - 1-2.maltodextrin - 10-20 or high molecular weight polysaccharide - 1-2.

диоксид кремния - до 100.silicon dioxide - up to 100.

В состав биокатализатора входит ксерогель диоксида кремния в качестве матрицы для включения (иммобилизации) ферментативно-активного компонента, а также структурообразователя и связующего, позволяющего получать биокатализатор в виде механически прочных гранул. В качестве ферментативно-активного компонента биокатализатора используют частично разрушенные клетки или клеточные лизаты рекомбинантного штамма-продуцента термостабильной липазы из Thermomyces lanuginosus, без предварительного выделения фермента из штамма-продуцента и дополнительной его очистки. Рекомбинантные штаммы-продуценты термостабильной липазы (обознач. rE. coli/lip) конструируют методами генетической инженерии путем клонирования химически синтезированного гена липазы в составе экспрессирующего вектора в клетках специализированного штамма кишечной палочки Е. coli. Частично разрушенные клетки rE. coli/lip получают в процессе замораживания-размораживания. Клеточные лизаты rE. coli/lip получают путем обработки клеточной биомассы ферментами лизоцимом, ДНКазой, РНКазой А и ультразвуком.The composition of the biocatalyst includes a xerogel of silicon dioxide as a matrix for the inclusion (immobilization) of the enzymatically active component, as well as a structurant and a binder, which allows the biocatalyst to be obtained in the form of mechanically strong granules. Partially destroyed cells or cell lysates of a recombinant producer of thermostable lipase producer from Thermomyces lanuginosus are used as the enzymatic active component of the biocatalyst, without preliminary isolation of the enzyme from the producer strain and its further purification. Recombinant thermostable lipase producing strains (designated rE. Coli / lip) are constructed by genetic engineering by cloning a chemically synthesized lipase gene as part of an expression vector in cells of a specialized E. coli E. coli strain. Partially destroyed rE cells. coli / lip is obtained during the freeze-thaw process. Cell lysates rE. coli / lip is obtained by treating cell biomass with lysozyme, DNase, RNase A, and ultrasound enzymes.

Биокатализатор также содержит в составе наноструктурированный углерод, влагоудерживающий агент углеводной природы - олигосахарид (мальтодекстрин), полисахарид - карбоксиметил-целлюлозу (КМЦ), или гуммиарабик, или крахмал. Мальтодекстрин - это олигосахарид с числом мономерных (глюкозных) звеньев 25-30. Целлюлоза и ее производные, а также крахмал - это полисахариды, молекула которых содержит от 600 до 9000 глюкозных остатков. Гуммиарабик (ГУМ) - это также полисахарид со сложной арабиногалактановой структурой, он растворяется в воде, образуя растворы со сравнительно низкой вязкостью. КМЦ, ГУМ и крахмал являются высокомолекулярными полисахаридами растительного происхождения.The biocatalyst also contains nanostructured carbon, a water-retaining agent of carbohydrate nature - oligosaccharide (maltodextrin), polysaccharide - carboxymethyl cellulose (CMC), or gum arabic, or starch. Maltodextrin is an oligosaccharide with a number of monomer (glucose) units of 25-30. Cellulose and its derivatives, as well as starch, are polysaccharides whose molecule contains from 600 to 9000 glucose residues. Gum arabic (GUM) is also a polysaccharide with a complex arabinogalactan structure, it dissolves in water, forming solutions with a relatively low viscosity. CMC, GUM and starch are high molecular weight polysaccharides of plant origin.

Наноструктурированный углерод представляет собой тонкодисперный порошок, полученный в результате высокотемпературного пиролиза этилена на Co, Fe-катализаторах и содержащий углеродные нанотрубки (УНТ) диаметром 9-11 нм и 21-22 нм с удельной поверхностью 280-320 и 100 140 м2/г, соответственно. Тонкодисперный порошок содержит УНТ в виде агрегатов размером 100-150 мкм.Nanostructured carbon is a fine powder obtained by high temperature pyrolysis of ethylene on Co, Fe catalysts and containing carbon nanotubes (CNTs) with a diameter of 9-11 nm and 21-22 nm with a specific surface area of 280-320 and 100 140 m 2 / g, respectively. Fine powder contains CNTs in the form of aggregates with a size of 100-150 microns.

Задача решается также способом приготовления биокатализатора, который включает стадии смешения клеток или лизатов рекомбинантного штамма-продуцента rE. coli/lip с наноструктурированным углеродом, влагоудерживающим агентом и гидрогелем диоксида кремния до однородного состояния. Затем полученную массу сушат в течение 5-20 ч при температуре не выше 40°C и фракционируют.The problem is also solved by the method of preparation of the biocatalyst, which includes the stage of mixing the cells or lysates of the recombinant producer strain rE. coli / lip with nanostructured carbon, a water-retaining agent and a silica hydrogel until uniform. Then the resulting mass is dried for 5-20 hours at a temperature not exceeding 40 ° C and fractionated.

В результате получают гранулы биокатализатора размером 0.1-2 мм, которые имеют состав, в мас.% сухих веществ: клетки/лизаты rE. Coli/lip - 20-40, УНТ - 5-10, мальтодекстрин - 10-20, полисахарид (КМЦ, или ГУМ, или крахмал) - 1-2, SiO2 - до 100.As a result, biocatalyst granules with a size of 0.1–2 mm are obtained, which have a composition in wt.% Solids: cells / lysates rE. Coli / lip - 20-40, CNT - 5-10, maltodextrin - 10-20, polysaccharide (CMC, or GUM, or starch) - 1-2, SiO 2 - up to 100.

Для приготовления биокатализаторов используют гидрогель диоксида кремния, полученный путем золь-гель технологии через образование коагеля в результате взаимодействия силиката натрия или силиката калия (в виде жидкого стекла) с аммонийными солями серной, или азотной, или угольной кислоты, как описано в [RU 2372403, C12N 11/14, 10.11.2009]. Гидрогель диоксида кремния содержит 10-12 мас.% сухих веществ в пересчете на SiO2. При высушивании гидрогеля получают ксерогель диоксида кремния с величиной удельной поверхности, равной 200-250 м2/г. Гидрогель и ксерогель диоксида кремния абсолютно инертны, отличаются высокой химической и микробиологической устойчивостью, хранятся годами в плотно закрытой таре при комнатной температуре без потери первоначальных свойств.For the preparation of biocatalysts, a silica hydrogel is used, obtained by sol-gel technology through the formation of coagel as a result of the interaction of sodium silicate or potassium silicate (in the form of liquid glass) with ammonium salts of sulfuric or nitric or carbonic acid, as described in [RU 2372403, C12N 11/14, 11/10/2009]. The silicon dioxide hydrogel contains 10-12 wt.% Dry matter in terms of SiO 2 . When the hydrogel is dried, a silica xerogel is obtained with a specific surface area of 200-250 m 2 / g. The silica hydrogel and xerogel are absolutely inert, have high chemical and microbiological stability, are stored for years in a tightly closed container at room temperature without losing their original properties.

Задача решается способом приготовления биокатализатора с активностью термостабильной липазы путем включения клеток или лизатов рекомбинантного штамма-продуцента rE. coli/lip в силикатные и наноуглерод-силикатные композитные матрицы. Ксерогель диоксида кремния используют в качестве структурообразователя и основного связующего компонента. Мальтодекстрин или КМЦ, или ГУМ, или крахмал используют в качестве влагоудерживающего агента. Наноструктурированный углерод используют как компонент с выраженной гидрофобностью, эффективно адсорбирующий как ферментативно-активную субстанцию (клетки или лизаты rE. coli/lip), так гидрофобные молекулы субстратов триглицеридов растительных масел, что увеличивает их концентрацию внутри биокатализатора, где иммобилизована ферментативно-активная субстанция. Все компоненты (SiO2-гидрогель, клетки или клеточные лизаты, УНТ, влагоудерживающий агент) тщательно смешивают до получения однородной пастообразной массы, затем полученную смесь сушат при температуре не выше 40°C (в большинстве случаев, при комнатной температуре и влажности воздуха 20-30%), измельчают и фракционируют для получения твердых, механически прочных гранул биокатализатора размером 0.1-2 мм.The problem is solved by the method of preparation of a biocatalyst with thermostable lipase activity by including cells or lysates of the recombinant producer strain rE. coli / lip in silicate and nanocarbon silicate composite matrices. Xerogel of silicon dioxide is used as a builder and the main binder component. Maltodextrin or CMC, or GUM, or starch are used as a water-retaining agent. Nanostructured carbon is used as a component with pronounced hydrophobicity, effectively adsorbing both an enzymatically active substance (cells or lysates of rE. Coli / lip) and hydrophobic molecules of substrates of triglycerides of vegetable oils, which increases their concentration inside the biocatalyst, where the enzymatically active substance is immobilized. All components (SiO 2 -hydrogel, cells or cell lysates, CNTs, a water-retaining agent) are thoroughly mixed to obtain a homogeneous pasty mass, then the resulting mixture is dried at a temperature not exceeding 40 ° C (in most cases, at room temperature and air humidity 20- 30%), crushed and fractionated to obtain solid, mechanically strong biocatalyst granules with a size of 0.1-2 mm.

Задача решается также способом проведения переэтерификации растительных масел при помощи биокатализатора, приготовленного в виде механически прочных гранул. Процесс переэтерификации осуществляют при 60-80°C как в периодическом, так и непрерывном режимах. Сухой биокатализатор загружают в реакторы различной конструкции - реакторы смешения и реакторы вытеснения. При проведении непрерывного процесса переэтерификации биокатализатор загружают в колоночный стальной реактор и через неподвижный слой прокачивают реакционную смесь с варьируемой скоростью потока. Время контакта (τ), равное отношению объема биокатализатора к объемной скорости потока, варьируют от 30 до 90 мин.The problem is also solved by the method of transesterification of vegetable oils using a biocatalyst prepared in the form of mechanically strong granules. The transesterification process is carried out at 60-80 ° C in both batch and continuous modes. Dry biocatalyst is loaded into reactors of various designs - mixing reactors and displacement reactors. During a continuous transesterification process, the biocatalyst is loaded into a column steel reactor and the reaction mixture is pumped through the fixed bed with a variable flow rate. Contact time (τ), equal to the ratio of the biocatalyst volume to the volumetric flow rate, varies from 30 to 90 minutes.

Для определения активности приготовленных биокатализаторов используют реакцию гидролиза 0.2 М эмульгированного трибутирина до масляной кислоты при 20°C. Активность биокатализаторов выражают в единицах активности на 1 г. Одна единица активности (ЕА) соответствует скорости реакции, равной мкмоль/мин. Концентрацию масляной кислоты определяют титриметрически с помощью 0.025 н. раствора едкого натра. Для определения активности биокатализаторов в реакции переэтерификации в качестве исходной реакционной смеси используют смесь 2-3 вес. частей растительного масла (подсолнечного, или соевого, или оливкового) и 1 вес. часть полностью гидрированного масла (саломаса). Активность биокатализаторов в реакции переэтерификации оценивают, анализируя кривые охлаждения конечных продуктов, а также кривые, характеризующие содержание твердых триглицеридов (ТТГ) в реакционной смеси при различных температурах (от 15°C до 35°C). В процессе переэтерификации количество ТТГ уменьшается, и продукт переэтерификации характеризуется более низкой температурой плавления по сравнению с исходной смесью растительного масла и саломаса. Конверсию рассчитывают по формуле:

Figure 00000001
, %, где Сисх и Скон - содержание твердых триглицеридов при 35°C в исходной смеси и продуктах реакции, соответственно.To determine the activity of the prepared biocatalysts, a hydrolysis reaction of 0.2 M emulsified tributyrin to butyric acid at 20 ° C is used. The activity of biocatalysts is expressed in units of activity per 1 g. One unit of activity (EA) corresponds to a reaction rate of micromol / min. The concentration of butyric acid is determined titrimetrically using 0.025 N. caustic soda solution. To determine the activity of biocatalysts in the transesterification reaction, a mixture of 2-3 weight is used as the initial reaction mixture. parts of vegetable oil (sunflower, or soy, or olive) and 1 weight. part of a fully hydrogenated oil (salomas). The activity of biocatalysts in the transesterification reaction is evaluated by analyzing the cooling curves of the final products, as well as the curves characterizing the content of solid triglycerides (TSH) in the reaction mixture at various temperatures (from 15 ° C to 35 ° C). During the transesterification process, the amount of TSH decreases, and the transesterification product is characterized by a lower melting point compared to the initial mixture of vegetable oil and salomas. The conversion is calculated by the formula:
Figure 00000001
,%, where С out and С con are the content of solid triglycerides at 35 ° C in the initial mixture and reaction products, respectively.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами и таблицами.The invention is illustrated by the following examples and tables.

Пример 1.Example 1

Рекомбинантный штамм-продуцент термостабильной липазы сконструирован методами генетической инженерии путем клонирования химически синтезированного гена зрелой липазы из Thermomyces lanuginosus в составе экспрессирующего вектора pJExpress401 в клетках Е. coli BL21(DE3) (обозначен rE. coli/lip). Кодирующая область гена оптимизирована для экспрессии в Е. coli с помощью компьютерной программы Gene Designer2 фирмы DNA2.0 (США) и с учетом частот встречаемости пар кодонов и положения второго аминокислотного остатка с N-конца полипептидной цепи. Штамм rE. coli/lip обеспечивает экспрессию гена, индуцируемую изопропил-β-D-1-тиогалактопиранозидом (ИПТГ), под контролем промотора бактериофага Т5.The recombinant thermostable lipase producing strain was constructed by genetic engineering by cloning a chemically synthesized mature lipase gene from Thermomyces lanuginosus as part of the expression vector pJExpress401 in E. coli BL21 (DE3) cells (designated rE. Coli / lip). The coding region of the gene is optimized for expression in E. coli using the Gene Designer2 computer program from DNA2.0 (USA) and taking into account the frequencies of codon pairs and the position of the second amino acid residue from the N-terminus of the polypeptide chain. Strain rE. coli / lip provides gene expression induced by isopropyl-β-D-1-thiogalactopyranoside (IPTG) under the control of the T5 bacteriophage promoter.

Биокатализатор готовят следующим образом. Тщательно смешивают клетки рекомбинантного штамма-продуцента rE. coli/lip (1.5 г), частично разрушенные в процессе замораживания-размораживания, с гидрогелем диоксида кремния (5.0 г) до однородного состояния. Затем полученную массу высушивают в течение 8 ч при 25°C, механически размельчают и фракционируют до размера гранул 0.1-2 мм. Биокатализатор имеет следующий состав, в мас.% сухих веществ: клетки rE. coli/lip - 44, SiO2 - 56.The biocatalyst is prepared as follows. The cells of the recombinant rE producer strain are thoroughly mixed. coli / lip (1.5 g), partially destroyed during freezing-thawing, with silica hydrogel (5.0 g) until smooth. Then, the resulting mass is dried for 8 h at 25 ° C, mechanically crushed, and fractionated to a granule size of 0.1–2 mm. The biocatalyst has the following composition, in wt.% Solids: rE cells. coli / lip - 44, SiO 2 - 56.

Начальная активность биокатализатора в реакции гидролиза трибутирина составляет 380 ЕА/г (что в 5 раз больше, чем в прототипе). Биокатализатор осуществляет переэтерификацию в смеси растительного масла (оливкового или соевого) и саломаса в периодическом режиме в течение 5 ч при 60°C. Конверсия составляет 55%.The initial activity of the biocatalyst in the hydrolysis of tributyrin is 380 EA / g (which is 5 times more than in the prototype). The biocatalyst transesterifies in a mixture of vegetable oil (olive or soybean) and salomas in a batch mode for 5 hours at 60 ° C. The conversion is 55%.

Пример 2.Example 2

Аналогичен пр. 1, только используют клеточные лизаты рекомбинантного штамма-продуцента rE. coli/lip. Биокатализатор имеет следующий состав, в мас. % сухих веществ: лизаты rE. coli/lip - 38, SiO2 - 62.Similar to pr. 1, only cell lysates of the recombinant producer strain rE are used. coli / lip. The biocatalyst has the following composition, in wt. % solids: rE lysates. coli / lip - 38, SiO 2 - 62.

Начальная активность биокатализатора в реакции гидролиза трибутирина составляет 870 ЕА/г (что в 11 раз больше, чем в прототипе). Приготовленный биокатализатор в реакции переэтерификации не проявляет активности.The initial activity of the biocatalyst in the hydrolysis of tributyrin is 870 EA / g (which is 11 times more than in the prototype). The prepared biocatalyst does not show activity in the transesterification reaction.

Пример 3.Example 3

Аналогичен пр. 2, только в состав биокатализатора добавляют влагоудерживающий агент углеводной природы - мальтодектрин. Биокатализатор имеет следующий состав, в мас. % сухих веществ: лизаты rE. coli/lip - 40, мальтодектрин - 5, SiO2 - 55.Similar to pr. 2, only in the composition of the biocatalyst add a water-retaining agent of carbohydrate nature - maltodectrine. The biocatalyst has the following composition, in wt. % solids: rE lysates. coli / lip - 40, maltodectrine - 5, SiO 2 - 55.

Начальная активность биокатализатора в реакции гидролиза трибутирина составляет 880 ЕА/г (что в 11 раз больше, чем в прототипе). Приготовленный биокатализатор осуществляет переэтерификацию в смеси растительного масла (оливкового, или соевого, или подсолнечного) и саломаса в периодическом режиме в течение 5 ч при 70°C. Конверсия составляет 30%.The initial activity of the biocatalyst in the hydrolysis of tributyrin is 880 EA / g (which is 11 times more than in the prototype). The prepared biocatalyst transesterifies in a mixture of vegetable oil (olive, or soy, or sunflower) and salomas in a batch mode for 5 hours at 70 ° C. The conversion is 30%.

Пример 4.Example 4

Аналогичен пр. 3, только биокатализатор имеет следующий состав, в мас.% сухих веществ: лизаты rE. coli/lip - 39, мальтодектрин - 11, SiO2 - 50.Similar to pr. 3, only the biocatalyst has the following composition, in wt.% Solids: rE lysates. coli / lip - 39, maltodectrine - 11, SiO 2 - 50.

Начальная активность биокатализатора в реакции гидролиза трибутирина составляет 880 ЕА/г (что в 11 раз больше, чем в прототипе). Приготовленный биокатализатор осуществляет переэтерификацию в смеси растительного масла (оливкового, или соевого, или подсолнечного) и саломаса в периодическом режиме в течение 5 ч при 70°C. Конверсия составляет 48%.The initial activity of the biocatalyst in the hydrolysis of tributyrin is 880 EA / g (which is 11 times more than in the prototype). The prepared biocatalyst transesterifies in a mixture of vegetable oil (olive, or soy, or sunflower) and salomas in a batch mode for 5 hours at 70 ° C. The conversion is 48%.

Пример 5.Example 5

Аналогичен пр. 3, только биокатализатор имеет следующий состав, в мас.% сухих веществ: клеточные лизаты rE. coli/lip - 38, мальтодектрин - 23, SiO2 - 39.Similar to pr. 3, only the biocatalyst has the following composition, in wt.% Solids: cell lysates rE. coli / lip - 38, maltodectrine - 23, SiO 2 - 39.

Начальная активность биокатализатора в реакции гидролиза трибутирина составляет 860 ЕА/г (что в 11 раз больше, чем в прототипе). Приготовленный биокатализатор осуществляет переэтерификацию в смеси растительного масла (оливкового, или соевого, или подсолнечного) и саломаса в периодическом режиме в течение 5 ч при 70°C. Конверсия составляет 43%.The initial activity of the biocatalyst in the hydrolysis of tributyrin is 860 EA / g (which is 11 times more than in the prototype). The prepared biocatalyst transesterifies in a mixture of vegetable oil (olive, or soy, or sunflower) and salomas in a batch mode for 5 hours at 70 ° C. The conversion is 43%.

Пример 6.Example 6

Аналогичен пр. 3, только биокатализатор имеет следующий состав, в мас.% сухих веществ: лизаты rE.coli/lip - 36, мальтодектрин - 34, SiO2 - 30.Similar to pr. 3, only the biocatalyst has the following composition, in wt.% Solids: rE.coli / lip lysates - 36, maltodectrine - 34, SiO 2 - 30.

Начальная активность биокатализатора в реакции гидролиза трибутирина составляет 820 ЕА/г. Приготовленный биокатализатор осуществляет переэтерификацию в смеси растительного масла (оливкового, или соевого, или подсолнечного) и саломаса в периодическом режиме в течение 5 ч при 70°C. Конверсия составляет 25%.The initial activity of the biocatalyst in the hydrolysis of tributyrin is 820 EA / g The prepared biocatalyst transesterifies in a mixture of vegetable oil (olive, or soy, or sunflower) and salomas in a batch mode for 5 hours at 70 ° C. The conversion is 25%.

Пример 7.Example 7

Аналогичен пр. 3, только биокатализатор имеет следующий состав, в мас.% сухих веществ: лизаты rE. coli/lip - 39, мальтодектрин - 45, SiO2 - 16.Similar to pr. 3, only the biocatalyst has the following composition, in wt.% Solids: rE lysates. coli / lip - 39, maltodectrine - 45, SiO 2 - 16.

Начальная активность биокатализатора в реакции гидролиза трибутирина составляет 840 ЕА/г. Приготовленный биокатализатор практически не проявляет активность в реакции переэтерификации при 70°C. Конверсия составляет менее 5%.The initial activity of the biocatalyst in the hydrolysis of tributyrin is 840 EA / g The prepared biocatalyst practically does not show activity in the transesterification reaction at 70 ° C. The conversion is less than 5%.

Пример 8.Example 8

Аналогичен пр. 4, только биокатализатор имеет следующий состав, в мас.% сухих веществ: лизаты rE. coli/lip - 12, мальтодектрин - 11, SiO2 - 77.Similar to pr. 4, only the biocatalyst has the following composition, in wt.% Solids: rE lysates. coli / lip - 12, maltodectrine - 11, SiO 2 - 77.

Начальная активность биокатализатора в реакции гидролиза трибутирина составляет 250 ЕА/г. Приготовленный биокатализатор осуществляет переэтерификацию в смеси растительного масла (оливкового, или соевого, или подсолнечного) и саломаса в периодическом режиме в течение 5 ч при 70°C. Конверсия составляет 15%.The initial activity of the biocatalyst in the hydrolysis of tributyrin is 250 EA / g The prepared biocatalyst transesterifies in a mixture of vegetable oil (olive, or soy, or sunflower) and salomas in a batch mode for 5 hours at 70 ° C. The conversion is 15%.

Пример 9.Example 9

Аналогичен пр. 4, только биокатализатор имеет следующий состав, в мас.% сухих веществ: лизаты rE. coli/lip - 20, мальтодектрин - 11, SiO2 - 69.Similar to pr. 4, only the biocatalyst has the following composition, in wt.% Solids: rE lysates. coli / lip - 20, maltodectrine - 11, SiO 2 - 69.

Начальная активность биокатализатора в реакции гидролиза трибутирина составляет 610 ЕА/г. Приготовленный биокатализатор осуществляет переэтерификацию в смеси растительного масла (оливкового, или соевого, или подсолнечного) и саломаса в периодическом режиме в течение 5 ч при 70°C. Конверсия составляет 35%.The initial activity of the biocatalyst in the hydrolysis of tributyrin is 610 EA / g The prepared biocatalyst transesterifies in a mixture of vegetable oil (olive, or soy, or sunflower) and salomas in a batch mode for 5 hours at 70 ° C. The conversion is 35%.

Пример 10.Example 10

Аналогичен пр. 4, только биокатализатор имеет следующий состав, в мас.% сухих веществ: клеточные лизаты rE. coli/lip - 52, мальтодектрин - 10, SiO2 - 39.Similar to pr. 4, only the biocatalyst has the following composition, in wt.% Solids: cell lysates rE. coli / lip - 52, maltodectrine - 10, SiO 2 - 39.

Начальная активность биокатализатора в реакции гидролиза трибутирина составляет 900 ЕА/г. Механическая прочность гранул существенно уменьшается при увеличении содержания лизатов выше 40 мас. %, гранулы биокатализатора набухают и разрушаются в реакционной среде. Приготовленный биокатализатор осуществляет переэтерификацию в смеси растительного масла (оливкового, или соевого, или подсолнечного) и саломаса в периодическом режиме в течение 5 ч при 70°C. Конверсия составляет 25%.The initial activity of the biocatalyst in the hydrolysis of tributyrin is 900 EA / g The mechanical strength of the granules decreases significantly with an increase in the content of lysates above 40 wt. %, the biocatalyst granules swell and are destroyed in the reaction medium. The prepared biocatalyst transesterifies in a mixture of vegetable oil (olive, or soy, or sunflower) and salomas in a batch mode for 5 hours at 70 ° C. The conversion is 25%.

Пример 11.Example 11

Аналогичен пр. 3, только вместо мальтодекстрина в состав биокатализатора добавляют карбоксиметилцеллюлозу (КМЦ). Биокатализатор имеет следующий состав, в мас.% сухих веществ: лизаты rE. coli/lip - 30, КМЦ - 0.5, SiO2 - 69.5.Similar to pr. 3, only carboxymethyl cellulose (CMC) is added to the biocatalyst instead of maltodextrin. The biocatalyst has the following composition, in wt.% Solids: rE lysates. coli / lip - 30, CMC - 0.5, SiO 2 - 69.5.

Начальная активность биокатализатора в реакции гидролиза трибутирина составляет 700 ЕА/г. Гранулы биокатализатора сохраняют высокую механическую прочность и не набухают в течение 5 реакционных циклов продолжительностью 24-48 ч каждый, т.е. в течение более 120 часов.The initial activity of the biocatalyst in the hydrolysis of tributyrin is 700 EA / g Biocatalyst granules retain high mechanical strength and do not swell for 5 reaction cycles lasting 24-48 hours each, i.e. for more than 120 hours.

Приготовленный биокатализатор осуществляет переэтерификацию в смеси растительного масла (подсолнечного) и саломаса в периодическом режиме в течение 5 часов при 70°C. Конверсия составляет 30%.The prepared biocatalyst transesterifies in a mixture of vegetable oil (sunflower) and salomas in a batch mode for 5 hours at 70 ° C. The conversion is 30%.

Пример 12.Example 12

Аналогичен пр. 11, только биокатализатор имеет следующий состав, в мас.% сухих веществ: лизаты rE. coli/lip - 39, КМЦ - 1, SiO2 - 60.Similar to pr. 11, only the biocatalyst has the following composition, in wt.% Solids: rE lysates. coli / lip - 39, CMC - 1, SiO 2 - 60.

Начальная активность биокатализатора в реакции гидролиза трибутирина составляет 870 ЕА/г (что в 11 раз больше, чем в прототипе). Приготовленный биокатализатор осуществляет переэтерификацию в смеси растительного (подсолнечного) масла и саломаса в периодическом режиме в течение 5 ч при 70°C. Конверсия составляет 35%.The initial activity of the biocatalyst in the hydrolysis of tributyrin is 870 EA / g (which is 11 times more than in the prototype). The prepared biocatalyst transesterifies in a mixture of vegetable (sunflower) oil and salomas in a batch mode for 5 hours at 70 ° C. The conversion is 35%.

Пример 13.Example 13

Аналогичен пр. 11, только биокатализатор имеет следующий состав, в мас.% сухих веществ: лизаты rE. coli/lip - 40, КМЦ - 2, SiO2 - 58.Similar to pr. 11, only the biocatalyst has the following composition, in wt.% Solids: rE lysates. coli / lip - 40, CMC - 2, SiO 2 - 58.

Начальная активность биокатализатора в реакции гидролиза трибутирина составляет 870 ЕА/г (что в 11 раз больше, чем в прототипе). Приготовленный биокатализатор осуществляет переэтерификацию в смеси растительного (подсолнечного) масла и саломаса в периодическом режиме в течение 5 ч при 70°C. Конверсия составляет 34%.The initial activity of the biocatalyst in the hydrolysis of tributyrin is 870 EA / g (which is 11 times more than in the prototype). The prepared biocatalyst transesterifies in a mixture of vegetable (sunflower) oil and salomas in a batch mode for 5 hours at 70 ° C. The conversion is 34%.

Пример 14.Example 14

Аналогичен пр. 11, только биокатализатор имеет следующий состав, в масс. % в мас.% сухих веществ: лизаты rE. coli/lip - 30, КМЦ - 5, SiO2 - 65.Similar to pr. 11, only the biocatalyst has the following composition, in mass. % in wt.% solids: rE lysates. coli / lip - 30, CMC - 5, SiO 2 - 65.

Начальная активность биокатализатора в реакции гидролиза трибутирина составляет 650 ЕА/г. Механическая прочность гранул в реакционной среде уменьшается, гранулы разрушаются в течение 5 реакционных циклов продолжительностью 24 ч каждый.The initial activity of the biocatalyst in the hydrolysis of tributyrin is 650 EA / g The mechanical strength of the granules in the reaction medium is reduced, the granules are destroyed during 5 reaction cycles lasting 24 hours each.

Приготовленный биокатализатор осуществляет реакцию переэтерификацию в периодическом режиме в течение 5 ч при 70°C. Конверсия составляет 30%.The prepared biocatalyst carries out the transesterification reaction in a batch mode for 5 hours at 70 ° C. The conversion is 30%.

Пример 15.Example 15

Аналогичен пр. 11, только биокатализатор имеет следующий состав, в масс. % в мас.% сухих веществ: лизаты rE. coli/lip - 30, КМЦ - 10, SiO2 - 60.Similar to pr. 11, only the biocatalyst has the following composition, in mass. % in wt.% solids: rE lysates. coli / lip - 30, CMC - 10, SiO 2 - 60.

Начальная активность биокатализатора в реакции гидролиза трибутирина составляет 650 ЕА/г. Механическая прочность гранул в реакционной среде уменьшается, гранулы разрушаются в течение 2 реакционных циклов продолжительностью 24 ч каждый.The initial activity of the biocatalyst in the hydrolysis of tributyrin is 650 EA / g The mechanical strength of the granules in the reaction medium decreases, the granules are destroyed within 2 reaction cycles of 24 hours each.

Приготовленный биокатализатор осуществляет реакцию переэтерификацию в периодическом режиме в течение 5 часов при 70°C. Конверсия составляет 30%.The prepared biocatalyst carries out the transesterification reaction in a batch mode for 5 hours at 70 ° C. The conversion is 30%.

Пример 16.Example 16

Аналогичен пр. 3, только вместо мальтодекстрина в состав биокатализатора добавляют гуммиарабик (ГУМ). Биокатализатор имеет следующий состав, в мас.% сухих веществ: лизаты rE. coli/lip - 39, ГУМ - 1, SiO2 - 60.Similar to pr. 3, only gum arabic (GUM) is added to the biocatalyst instead of maltodextrin. The biocatalyst has the following composition, in wt.% Solids: rE lysates. coli / lip - 39, GUM - 1, SiO 2 - 60.

Начальная активность биокатализатора в реакции гидролиза трибутирина составляет 870 ЕА/г (что в 11 раз больше, чем в прототипе). Приготовленный биокатализатор осуществляет переэтерификацию в смеси растительного (подсолнечного) масла и саломаса в периодическом режиме в течение 5 ч при 70°C. Конверсия составляет 24%.The initial activity of the biocatalyst in the hydrolysis of tributyrin is 870 EA / g (which is 11 times more than in the prototype). The prepared biocatalyst transesterifies in a mixture of vegetable (sunflower) oil and salomas in a batch mode for 5 hours at 70 ° C. The conversion is 24%.

Пример 17.Example 17

Аналогичен пр. 16, только биокатализатор имеет следующий состав, в мас.% сухих веществ: лизаты rE. coli/lip - 40, ГУМ - 2, SiO2 - 58.Similar to pr. 16, only the biocatalyst has the following composition, in wt.% Solids: rE lysates. coli / lip - 40, GUM - 2, SiO 2 - 58.

Начальная активность биокатализатора в реакции гидролиза трибутирина составляет 870 ЕА/г (что в 11 раз больше, чем в прототипе). Приготовленный биокатализатор осуществляет переэтерификацию в смеси растительного (подсолнечного) масла и саломаса в периодическом режиме в течение 5 ч при 70°C. Конверсия составляет 28%.The initial activity of the biocatalyst in the hydrolysis of tributyrin is 870 EA / g (which is 11 times more than in the prototype). The prepared biocatalyst transesterifies in a mixture of vegetable (sunflower) oil and salomas in a batch mode for 5 hours at 70 ° C. The conversion is 28%.

Пример 18.Example 18

Аналогичен пр. 3, только вместо мальтодекстрина в состав биокатализатора добавляют природный полисахарид - крахмал. Биокатализатор имеет следующий состав, в мас.% сухих веществ: лизаты rE. coli/lip - 30, крахмал - 1, SiO2 - 69.Similar to pr. 3, only instead of maltodextrin, a natural polysaccharide - starch is added to the biocatalyst. The biocatalyst has the following composition, in wt.% Solids: rE lysates. coli / lip - 30, starch - 1, SiO 2 - 69.

Начальная активность биокатализатора в реакции гидролиза трибутирина составляет 670 ЕА/г. Гранулы биокатализатора сохраняют высокую механическую прочность и не набухают в течение 5 реакционных циклов продолжительностью 24-48 ч каждый, т.е. в течение более 120 ч.The initial activity of the biocatalyst in the hydrolysis of tributyrin is 670 EA / g Biocatalyst granules retain high mechanical strength and do not swell for 5 reaction cycles lasting 24-48 hours each, i.e. for more than 120 hours

Приготовленный биокатализатор осуществляет реакцию переэтерификацию в периодическом режиме в течение 5 ч при 70°C. Конверсия составляет 40%.The prepared biocatalyst carries out the transesterification reaction in a batch mode for 5 hours at 70 ° C. The conversion is 40%.

Пример 19.Example 19

Аналогичен пр. 18, только биокатализатор имеет следующий состав, в мас.% сухих веществ: лизаты rE. coli/lip - 30, крахмал - 2, SiO2 - 68.Similar to pr. 18, only the biocatalyst has the following composition, in wt.% Solids: rE lysates. coli / lip - 30, starch - 2, SiO 2 - 68.

Начальная активность биокатализатора в реакции гидролиза трибутирина составляет 670 ЕА/г. Гранулы биокатализатора сохраняют высокую механическую прочность и не набухают в течение 5 реакционных циклов продолжительностью 24-48 ч каждый, т.е. в течение более 120 ч.The initial activity of the biocatalyst in the hydrolysis of tributyrin is 670 EA / g Biocatalyst granules retain high mechanical strength and do not swell for 5 reaction cycles lasting 24-48 hours each, i.e. for more than 120 hours

Приготовленный биокатализатор осуществляет реакцию переэтерификации в периодическом режиме в течение 5 ч при 70°C. Конверсия составляет 40%.The prepared biocatalyst carries out the transesterification reaction in a batch mode for 5 hours at 70 ° C. The conversion is 40%.

Из примеров 1-2 видно, что биокатализаторы, приготовленные на основе частично разрушенных клеток rE. coli/lip, обладают в ~2 раза более низкой гидролитической активностью, чем биокатализаторы, приготовленные на основе клеточных лизатов. С другой стороны, данные биокатализаторы проявляют высокую активность в переэтерификации и в их состав не нужно вводить влагоудерживающие агенты, в отличие от биокатализаторов, приготовленных на основе клеточных лизатов rE. coli/lip, описанных в примерах 2-19.Examples 1-2 show that biocatalysts prepared on the basis of partially destroyed rE cells. coli / lip, have ~ 2 times lower hydrolytic activity than biocatalysts prepared on the basis of cell lysates. On the other hand, these biocatalysts are highly active in transesterification and they do not need to be injected with water-retaining agents, unlike biocatalysts prepared on the basis of rE cell lysates. coli / lip described in examples 2-19.

Из примеров 2-7 и таблицы 1 видно, что в биокатализаторах по пр. 2-7 содержание мальтодекстрина, равное 10-20 мас. %, является оптимальным и обеспечивает максимальную конверсию в реакции переэтерификации.From examples 2-7 and table 1 it is seen that in the biocatalysts according to pr. 2-7, the content of maltodextrin is equal to 10-20 wt. %, is optimal and provides maximum conversion in the transesterification reaction.

Figure 00000002
Figure 00000002

Из пр. 4, 8-10 видно, что оптимальное содержание клеточных лизатов rE. coli/lip в биокатализаторах составляет 20-40%. Данные биокатализаторы обладают высокой ферментативной активностью и стабильны в условиях реакции благодаря высокой механической прочности гранул.From pr. 4, 8-10 shows that the optimal content of cell lysates rE. coli / lip in biocatalysts is 20-40%. These biocatalysts have high enzymatic activity and are stable under reaction conditions due to the high mechanical strength of the granules.

Из примеров 11-15 видно, что при увеличении содержания компонента полисахаридной природы, например карбоксиметилцеллюлозы, механическая прочность гранул биокатализаторов к воздействию водной реакционной среды (для реакции гидролиза триглицеридов) уменьшается из-за заметного набухания полисахарида, приводящего к разрушению силикатной матрицы. Оптимальное содержание полисарида в биокатализаторах не превышает 2 мас.%.It can be seen from Examples 11-15 that with an increase in the content of a component of a polysaccharide nature, for example, carboxymethyl cellulose, the mechanical strength of the biocatalyst granules to the action of an aqueous reaction medium (for the hydrolysis of triglycerides) decreases due to a marked swelling of the polysaccharide, leading to the destruction of the silicate matrix. The optimal polysaride content in biocatalysts does not exceed 2 wt.%.

Пример 20.Example 20

Аналогичен пр. 5, только дополнительно в состав биокатализатора вводят наноструктурированный углерод в виде тонкодисперного порошка из углеродных нанотрубок (УНТ) диаметром 9-11 нм с удельной поверхностью 280-320 м2/г, образующих агрегаты размером 100-150 мкм. Биокатализатор имеет следующий состав, в мас.% сухих веществ: лизаты rE. coli/lip - 30, мальтодектрин - 20, УНТ - 5, SiO2 - 40.Similar to pr. 5, only in addition to the composition of the biocatalyst is introduced nanostructured carbon in the form of a fine powder of carbon nanotubes (CNTs) with a diameter of 9-11 nm with a specific surface area of 280-320 m 2 / g, forming aggregates 100-150 μm in size. The biocatalyst has the following composition, in wt.% Solids: rE lysates. coli / lip - 30, maltodectrine - 20, CNT - 5, SiO 2 - 40.

Начальная активность биокатализатора в реакции гидролиза трибутирина составляет 870 ЕА/г (что в 11 раз больше, чем в прототипе). Приготовленный биокатализатор осуществляет переэтерификацию в смеси растительного (подсолнечного) масла и саломаса в периодическом режиме в течение 5 ч при 70°C. Конверсия составляет 26%.The initial activity of the biocatalyst in the hydrolysis of tributyrin is 870 EA / g (which is 11 times more than in the prototype). The prepared biocatalyst transesterifies in a mixture of vegetable (sunflower) oil and salomas in a batch mode for 5 hours at 70 ° C. The conversion is 26%.

Пример 21.Example 21

Аналогичен пр. 20, только биокатализатор имеет следующий состав, в мас. % сухих веществ: лизаты rE. coli/lip - 30, мальтодектрин - 20, УНТ - 10, SiO2 - 40.Similar to pr. 20, only the biocatalyst has the following composition, in wt. % solids: rE lysates. coli / lip - 30, maltodectrine - 20, CNT - 10, SiO 2 - 40.

Начальная активность биокатализатора в реакции гидролиза трибутирина составляет 870 ЕА/г (что в 11 раз больше, чем в прототипе). Приготовленный биокатализатор осуществляет переэтерификацию в смеси растительного (подсолнечного) масла и саломаса в периодическом режиме в течение 5 ч при 70°C. Конверсия составляет 27%.The initial activity of the biocatalyst in the hydrolysis of tributyrin is 870 EA / g (which is 11 times more than in the prototype). The prepared biocatalyst transesterifies in a mixture of vegetable (sunflower) oil and salomas in a batch mode for 5 hours at 70 ° C. The conversion is 27%.

Пример 22.Example 22

Аналогичен пр. 20, только биокатализатор имеет следующий состав, в мас. % сухих веществ: лизаты rE. coli/lip - 30, мальтодектрин - 20, УНТ - 20, SiO2 - 40.Similar to pr. 20, only the biocatalyst has the following composition, in wt. % solids: rE lysates. coli / lip - 30, maltodectrine - 20, CNT - 20, SiO 2 - 40.

Начальная активность биокатализатора в реакции гидролиза трибутирина составляет 870 ЕА/г (что в 11 раз больше, чем в прототипе). Приготовленный биокатализатор осуществляет переэтерификацию в смеси растительного (подсолнечного) масла и саломаса в периодическом режиме в течение 5 ч при 70°C, однако механическая прочность гранул биокатализатора является низкой.The initial activity of the biocatalyst in the hydrolysis of tributyrin is 870 EA / g (which is 11 times more than in the prototype). The prepared biocatalyst transesterifies in a mixture of vegetable (sunflower) oil and salomas in a batch mode for 5 hours at 70 ° C, however, the mechanical strength of the biocatalyst granules is low.

Пример 23.Example 23

Аналогичен пр. 5, только в состав биокатализатора вводят наноструктурированный углерод в виде тонкодисперного порошка из углеродных нанотрубок диаметром 21-22 нм с удельной поверхностью 100-140 м2/г, образующих агрегаты размером 100-150 мкм. Биокатализатор имеет следующий состав, в мас. % сухих веществ: лизаты rE. coli/lip - 30, мальтодектрин - 20, УНТ - 10, SiO2 - 2-40.Similar to Project 5, only nanostructured carbon is introduced into the biocatalyst in the form of a fine powder of carbon nanotubes with a diameter of 21-22 nm with a specific surface of 100-140 m 2 / g, forming aggregates 100-150 microns in size. The biocatalyst has the following composition, in wt. % solids: rE lysates. coli / lip - 30, maltodectrine - 20, CNTs - 10, SiO 2 - 2-40.

Начальная активность биокатализатора в реакции гидролиза трибутирина составляет 1040 ЕА/г (в 13 раз больше, чем в прототипе), что в 1,2 раза больше, чем биокатализаторов по пр. 5 и 21. Приготовленный биокатализатор осуществляет переэтерификацию в смеси растительного (подсолнечного) масла и саломаса в периодическом режиме в течение 5 ч при 70°C. Конверсия составляет 35%.The initial activity of the biocatalyst in the hydrolysis of tributyrin is 1040 EA / g (13 times more than in the prototype), which is 1.2 times more than the biocatalysts according to Projects 5 and 21. The prepared biocatalyst transesterifies in a mixture of vegetable (sunflower) oil and salomas in a batch mode for 5 hours at 70 ° C. The conversion is 35%.

Из пр. 20-22 видно, что оптимальное содержание наноструктурированного углерода в биокатализаторе составляет 5-10%. Из пр. 23 видно, что при введении в состав биокатализатора наноструктурированного углерода - углеродных нанотрубок диаметром 21-22 нм с удельной поверхностью 100-140 м2/г в виде агрегатов размером 100-150 мкм, наблюдают увеличение активности приготовленного биокатализатора как в реакции гидролиза, так и в реакции переэтерификации.It can be seen from Projects 20–22 that the optimal content of nanostructured carbon in the biocatalyst is 5–10%. It can be seen from Project 23 that when nanostructured carbon is introduced into the biocatalyst, carbon nanotubes with a diameter of 21-22 nm with a specific surface of 100-140 m 2 / g in the form of aggregates of 100-150 μm in size, an increase in the activity of the prepared biocatalyst as in the hydrolysis , and in the transesterification reaction.

Пример 24. Способ переэтерификации в непрерывном режиме.Example 24. The method of transesterification in continuous mode.

Биокатализатор (3-5 г) с оптимальным составом, приготовленный по пр. 4, или пр. 9, или пр. 23, загружают в стальной проточный реактор. Через неподвижный слой биокатализатора прокачивают реакционную смесь, состоящую из растительного (подсолнечного или соевого) масла и саломаса с варьируемой скоростью потока. Время контакта варьируют от 30 мин до 90 мин. Температура процесса 70-80°C.A biocatalyst (3-5 g) with an optimal composition, prepared according to pr. 4, or pr. 9, or pr. 23, is loaded into a steel flow reactor. A reaction mixture consisting of vegetable (sunflower or soybean) oil and salomas with a variable flow rate is pumped through a fixed bed of the biocatalyst. Contact times range from 30 minutes to 90 minutes. Process temperature 70-80 ° C.

Результаты испытаний представлены в таблице 2.The test results are presented in table 2.

Из приведенной ниже таблицы видно, что оптимальное время контакта составляет не мене 60 мин. Время полуинактивации биокатализатора, в течение которого сохраняется ½ первоначальной активности, составляет 120 ч при 70°C.The table below shows that the optimal contact time is at least 60 minutes. The biocatalyst half-inactivation time, during which ½ of the initial activity is maintained, is 120 hours at 70 ° C.

Figure 00000003
Figure 00000003

Пример 25. Способ переэтерификации в периодическом режиме.Example 25. The method of transesterification in periodic mode.

Биокатализатор (0,5 г) с оптимальным составом, приготовленный, например по пр. 9, заливают реакционной смесью (10 мл) следующего состава: 10 об. % подсолнечное масло, 20 об. % этилацетат (или метилацетата),70 об. % гексан. Переэтерификацию, в результате которой образуются этиловые (или метиловые) эфиры жирных кислот (биодизель), проводят при 40°C и перемешивании 150 об/мин в течение 24-48 ч. Конверсия составляет 36%.A biocatalyst (0.5 g) with an optimal composition, prepared, for example, according to pr. 9, is poured into a reaction mixture (10 ml) of the following composition: 10 vol. % sunflower oil, 20 vol. % ethyl acetate (or methyl acetate), 70 vol. % hexane. The transesterification resulting in the formation of ethyl (or methyl) fatty acid esters (biodiesel) is carried out at 40 ° C and stirring at 150 rpm for 24-48 hours. The conversion is 36%.

Из приведенных выше примеров видно, что биокатализаторы, приготовленные на основе клеточных лизатов рекомбинантого штамма-продуцента термостабильной липазы rE. coli/lip, состав которых подобран оптимальным образом, в среднем на порядок активнее прототипа. Способ приготовления биокатализаторов отличается простотой, сравнительно низкой стоимостью и доступностью структурообразователя (SiO2-гидрогеля), а также влагоудерживающих агентов, не требует использования токсичных реагентов и сшивающих агентов. Биокатализаторы приготовлены в виде механически прочных гранул, что позволяет осуществить процессы переэтерификации растительных масел как в периодическом в реакторах смешения, так и непрерывном режимах в проточных реакторах с неподвижным слоем.From the above examples it can be seen that biocatalysts prepared on the basis of cell lysates of a recombinant producer strain of thermostable lipase rE. coli / lip, the composition of which is optimally selected, is on average an order of magnitude more active than the prototype. The method of preparation of biocatalysts is simple, relatively low cost and availability of a builder (SiO 2 -hydrogel), as well as moisture-retaining agents, does not require the use of toxic reagents and crosslinking agents. Biocatalysts are prepared in the form of mechanically strong granules, which allows the transesterification of vegetable oils to be carried out both in batch mode in mixing reactors and in continuous modes in flow reactors with a fixed bed.

Claims (5)

1. Биокатализатор для переэтерификации растительных масел на основе ферментативно-активной субстанции и носителя, содержащего силикатную матрицу, отличающийся тем, что в качестве ферментативно-активной субстанции он содержит частично разрушенные клетки или клеточные лизаты рекомбинантного штамма rE. coli/lip, продуцирующего термостабильную липазу, в качестве носителя - наноуглерод-силикатную матрицу, содержащую наноструктурированный углерод, влагоудерживающий агент углеводной природы, и имеет следующий состав, в мас.% сухих веществ:
клетки или клеточные лизаты rE. coli/lip - 20-40,
наноструктурированный углерод, а именно, углеродные нанотрубки УНТ - 5-10,
влагоудерживающий агент углеводной природы, а именно, мальтодекстрин - 10-20 или высокомолекулярный полисахарид - 1-2,
диоксид кремния - до 100.
1. Biocatalyst for transesterification of vegetable oils based on an enzymatically active substance and a carrier containing a silicate matrix, characterized in that it contains partially destroyed cells or cell lysates of a recombinant strain E. coli / lip producing a thermostable lipase as an enzymatically active substance , as a carrier - a nanocarbon-silicate matrix containing nanostructured carbon, a water-retaining agent of carbohydrate nature, and has the following composition, in wt.% solids:
cells or cell lysates of r E. coli / lip - 20-40,
nanostructured carbon, namely, carbon nanotubes CNT - 5-10,
a water-retaining agent of carbohydrate nature, namely, maltodextrin - 10-20 or high molecular weight polysaccharide - 1-2,
silicon dioxide - up to 100.
2. Способ приготовления биокатализатора для переэтерификации растительных масел, который включает стадии смешения, высушивания и фракционирования, отличающийся тем, что биокатализатор готовят путем смешения клеток или клеточных лизатов рекомбинантного штамма-продуцента липазы rE. coli/lip с носителем - гидрогелем диоксида кремния, наноструктурированным углеродом, и влагоудерживающим агентом углеводной природы с последующей сушкой и фракционированием до размера гранул 0.1-2 мм, полученный биокатализатор имеет следующий состав, в мас.% сухих веществ: клетки или клеточные лизаты rE. coli/lip - 20-40, углеродные нанотрубки УНТ - 5-10, влагоудерживающий агент углеводной природы, а именно, мальтодекстрин - 10-20 или высокомолекулярный полисахарид - 1-2, диоксид кремния - до 100.2. A method of preparing a biocatalyst for transesterification of vegetable oils, which includes the stages of mixing, drying and fractionation, characterized in that the biocatalyst is prepared by mixing cells or cell lysates of a recombinant E. coli / lip lipase producer strain r with nanostructured silica hydrogel carrier carbon, and a water-retaining agent of carbohydrate nature, followed by drying and fractionation to a grain size of 0.1-2 mm, the resulting biocatalyst has the following composition, in wt.% dry substances: the cells or cell lysates r E. coli / lip - 20-40, carbon nanotubes CNT - 5-10, humectant carbohydrate nature, namely maltodextrin - 10-20, or high molecular weight polysaccharide - 1-2, silica - up one hundred. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что углеродные нанотрубки УНТ имеют диаметр 20-22 нм и удельную поверхностью 100-140 м2/г в агрегированном состоянии.3. The method according to claim 2, characterized in that the carbon nanotubes of CNTs have a diameter of 20-22 nm and a specific surface area of 100-140 m 2 / g in an aggregated state. 4. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве влагоудерживающего агента углеводной природы используют мальтодекстрин или высокомолекулярный полисахарид, причем их содержание в биокатализаторе составляет 10-20 мас.% и 1-2 мас.%, соответственно.4. The method according to claim 2, characterized in that maltodextrin or a high molecular weight polysaccharide is used as a water-retaining agent of carbohydrate nature, and their content in the biocatalyst is 10-20 wt.% And 1-2 wt.%, Respectively. 5. Способ переэтерификации растительных масел, который осуществляют как в периодическом режиме в реакторе смешения, так и в непрерывном режиме в проточном реакторе с неподвижным слоем биокатализатора, отличающийся тем, что используют биокатализатор по п.1 и процесс проводят при температуре 60-80°C. 5. A method for transesterification of vegetable oils, which is carried out both in a batch mode in a mixing reactor and in a continuous mode in a flow reactor with a fixed bed of a biocatalyst, characterized in that the biocatalyst according to claim 1 is used and the process is carried out at a temperature of 60-80 ° C .
RU2013121453/10A 2013-05-07 2013-05-07 Biocatalyst, method of its preparation and method of reetherification of vegetable oils using this biocatalyst RU2539101C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013121453/10A RU2539101C2 (en) 2013-05-07 2013-05-07 Biocatalyst, method of its preparation and method of reetherification of vegetable oils using this biocatalyst

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013121453/10A RU2539101C2 (en) 2013-05-07 2013-05-07 Biocatalyst, method of its preparation and method of reetherification of vegetable oils using this biocatalyst

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2013121453A RU2013121453A (en) 2014-11-20
RU2539101C2 true RU2539101C2 (en) 2015-01-10

Family

ID=53288442

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013121453/10A RU2539101C2 (en) 2013-05-07 2013-05-07 Biocatalyst, method of its preparation and method of reetherification of vegetable oils using this biocatalyst

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2539101C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2646104C1 (en) * 2016-12-20 2018-03-01 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Method for producing a granulated biocatalizer based on immobilized yeast cells for ester exchange
RU2668405C2 (en) * 2016-12-07 2018-09-28 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук (ИК СО РАН) Bio-catalyst, its preparation method and the fatty acids esters compounds production method using this bio-catalyst

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1990005778A1 (en) * 1988-11-16 1990-05-31 Novo Nordisk A/S Particulate immobilized lipase preparation, method for production thereof and use thereof
RU2451546C1 (en) * 2011-04-04 2012-05-27 Учреждение Российской академии наук Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения РАН Biocatalyst, method of preparing said biocatalyst and method of obtaining invert syrup using said catalyst

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1990005778A1 (en) * 1988-11-16 1990-05-31 Novo Nordisk A/S Particulate immobilized lipase preparation, method for production thereof and use thereof
RU2451546C1 (en) * 2011-04-04 2012-05-27 Учреждение Российской академии наук Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения РАН Biocatalyst, method of preparing said biocatalyst and method of obtaining invert syrup using said catalyst

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ANDREA SALIS et al. "Physical and Chemical Adsorption of Mucor javanicus Lipase on SBA-15 Mesoporous Silica. Synthesis, Structural Characterization, and Activity Performance", Langmuir. 2005. V.21. No. 12. P. 551-5516 *
NOUREDDINI H. et al. "Immobilization of Pseudomonas cepacia Lipase by Sol-Gel Entrapment and Its Application in the Hydrolysis of Soybean Oil", J. Amer. Oil Chem. Soc. 2002, 79(1), pp. 33-40. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2668405C2 (en) * 2016-12-07 2018-09-28 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук (ИК СО РАН) Bio-catalyst, its preparation method and the fatty acids esters compounds production method using this bio-catalyst
RU2646104C1 (en) * 2016-12-20 2018-03-01 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" Method for producing a granulated biocatalizer based on immobilized yeast cells for ester exchange

Also Published As

Publication number Publication date
RU2013121453A (en) 2014-11-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Cheng et al. Characteristics and applications of alginate lyases: A review
David et al. Chemically surface modified gel (CSMG): An excellent enzyme-immobilization matrix for industrial processes
Blandino et al. Immobilization of glucose oxidase within calcium alginate gel capsules
Bayramoglu et al. Immobilized lipase on micro-porous biosilica for enzymatic transesterification of algal oil
Ravanal et al. The role of alginate lyases in the enzymatic saccharification of brown macroalgae, Macrocystis pyrifera and Saccharina latissima
Pota et al. Co-immobilization of cellulase and β-glucosidase into mesoporous silica nanoparticles for the hydrolysis of cellulose extracted from Eriobotrya japonica Leaves
Zhao et al. Co-immobilization of glucose oxidase and catalase in silica inverse opals for glucose removal from commercial isomaltooligosaccharide
RU2539101C2 (en) Biocatalyst, method of its preparation and method of reetherification of vegetable oils using this biocatalyst
Ryu et al. Improved stability and reusability of endoglucanase from Clostridium thermocellum by a biosilica-based auto-encapsulation method
JP2678341B2 (en) Immobilized lipase
CN112725327A (en) Preparation method and application of cell immobilization carrier
EP2310520A2 (en) Method
CA1240630A (en) Process of enzymatic conversion of polysaccharides
ITPD20100392A1 (en) METHOD FOR COVALENT IMMOBILIZATION OF ENZYMES ON FUNCTIONALIZED SOLID POLYMER SUPPORTS
Olguin-Maciel et al. Effect of ultrasound pretreatment combined with enzymatic hydrolysis of non-conventional starch on sugar yields to bioethanol conversion
CN115316417B (en) Method for improving processing quality of gluten-free bread and gluten-free bread
JP4859477B2 (en) Refined sugar method using yeast
EP4317429A1 (en) Method for producing tagatose by immobilized multi-enzyme system
Molo et al. Application of silica rice husk ash for cellulase immobilized by sol-gel entrapment
Smaali et al. Biocatalytic conversion of wheat bran hydrolysate using an immobilized GH43 β-xylosidase
JP2004248673A (en) Starch originating products
Kovalenko et al. Recombinant strain producing thermostable lipase from Thermomyces lanuginosus immobilized into nanocarbon-in-silica matrices and properties of the prepared biocatalysts
CA1105858A (en) Glucoamylase immobilized on cationic colloidal silica
JP3356238B2 (en) Mirin production method
Nguyen et al. Production of bacterial cellulose films by Gluconoacetobacter xylinus for lipase immobilization

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180508