Исследование гетерогенного биокаталитического процесса гидролиза декстринов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.15 ВАК РФ

на правах рукописи

ПЕРМИНОВА Лариса Валентиновна

ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕТЕРОГЕННОГО БИОКАТАЛИТИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ГИДРОЛИЗА

ДЕКСТРИНОВ

02.00.15 - катализ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Новосибирск - 2006

Габота выполнена в Институте катализа им, Г,К, Борескова Сибирского

отделения Российской Академии наук.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

кандидат химических наук, доцент Коваленко Г.А.

доктор химических наук, профессор Клячко Н.Л.

кандидат химических наук, старший научный сотрудник Жижина Е.Г.

Ведущая организация: Государственное научное

учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт крахмалопродуктов, Коренево Московской обл.

Защита диссертации состоится « 18 » октября 2006 г. в 16°° часов на заседании диссертационного совета К 003.012.01 в Институте катализа им. Г.К. Борескова СО РАН по адресу: 630090, Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН.

Автореферат разослан

« 18» сентября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор химических наук

т

Воронин А.И.

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Получение сахаристых веществ из крахмала на сегодняшний день является важной задачей в рамках решения проблемы комплексной переработки возобновляемого растительного сырья в широкий ассортимент востребованных продуктов: паток, глюкозных и глюкозо-фруктозных сиропов. В настоящее время большую часть этих веществ отечественная пищевая промышленность импортирует или производит на заводах, находящихся под контролем зарубежных компаний.

В основе получения сахаристых веществ лежит каталитический гидролиз крахмала. В зависимости от используемого катализатора в промышленности применяют либо кислотный, либо ферментативный, либо комбинированный кислотно-ферментативный метод деструкции крахмала. Каждый из перечисленных методов обладает своими преимуществами и недостатками. Очевидно, что для пищевой промышленности ферментативный гидролиз имеет приоритетное значение по сравнению с кислотным, поскольку позволяет получать более широкий ассортимент сахаристых продуктов заданного углеводного состава с минимальным содержанием посторонних, в том числе токсичных, примесей.

Биокаталитические процессы могут осуществляться как в гомогенном режиме, когда исходный реагент (субстрат) и фермент находятся в жидкой фазе, так и в гетерогенном режиме с участием иммобилизованного на твердом носителе фермента. Считается общепризнанным, что гетерогенный режим проведения каталитических процессов является более экономически выгодным, особенно, в том случае если затраты на приготовление гетерогенного катализатора компенсируются значительным улучшением технико-экономических показателей всего производства. Для процесса получения сахаристых веществ из крахмала, в котором стадия осахаривания крахмала (гидролиза декстринов) осуществляется в гетерогенном режиме, такими показателями являются:

> повышение рабочих температур гидролиза за счет увеличения термостабильности глюкоамилазы при иммобилизации;

> возможность проведения процесса гидролиза в непрерывном режиме;

> сокращение расхода фермента за счет его многократного использования;

> точный контроль над окончанием процесса гидролиза и исключение операции термоинактивации глюкоамилазы за счет быстрого удаления катализатора из реакционной среды;

> отсутствие белковых примесей, вносимых с ферментным препаратом на стадии осахаривания, что особенно важно для производства глюкозо-фруктозных сиропов.

Несмотря на перечисленные показатели, в настоящее время гетерогенный процесс ферментативного гидролиза декстринов реализован за рубежом только на уровне пилотных установок. Одним из факторов, ограничивающих

внедрение данного процесса в производство, является отсутствие катализаторов с необходимой для промышленной технологии термостабильностью при 60-б5°С. Другой сдерживающий фактор — это относительно низкая производительность реакторов с неподвижным слоем катализатора в процессах, контролируемых диффузией субстрата к иммобилизованному ферменту.

Цели и задачи работы. Цель работы заключалась в приготовлении активного и высокостабильного гетерогенного катализатора на основе иммобилизованной глюкоамилазы и исследовании процесса гидролиза декстринов с участием данного катализатора. Для достижения этой цели решались следующие задачи:

1. Сравнительное исследование биокаталитических свойств глюкоамилазы, иммобилизованной на неорганических носителях, отличающихся геометрической формой (сотовые монолиты, пено-материалы, гранулы), текстурными характеристиками, химическими свойствами поверхности и морфологией синтезированного поверхностного углеродного слоя;

2. Изучение кинетических закономерностей процесса гидролиза декстринов с участием приготовленного высокостабильного катализатора на основе иммобилизованной глюкоамилазы;

3. Испытание вихревых реакторов оригинальной конструкции, специально разработанных для проведения гетерогенных диффузионно-контролируемых биокаталитических процессов.

Научная новизна. Впервые исследованы закономерности адсорбционной иммобилизации глюкоамилазы на разнообразных неорганических носителях. Установлено, что мезопористые углеродсодержащие носители, на поверхности которых синтезированы слои либо каталитического волокнистого углерода, либо пироуглерода, обладают высокой адсорбционной емкостью по отношению к глюкоамилазе; позволяют сохранить биокаталитическую активность иммобилизованного фермента на высоком уровне; существенно повышают стабильность фермента. Впервые в работе испытаны вихревые реакторы (роторно-инерционный и вихревой погружной), разработанные специально для проведения диффузионно-контролируемых биокаталитических процессов с участием гетерогенных катализаторов

Практическая ценность работы. Предложенный метод приготовления высокостабильных катализаторов путем адсорбционной иммобилизации глюкоамилазы на углеродсодержащих неорганических носителях по сравнению с методом ковалентной иммобилизацииявляется является более простым, дешевым и технологичным, отличается отсутствием дорогостоящих и токсичных реагентов. Полученные гетерогенные катализаторы превосходят по основным параметрам (термостабильность) известные литературные данные и отвечают требованиям, предъявляемым к промышленным катализаторам. Производительность испытанных вихревых реакторов в процессе гидролиза декстринов увеличивается в —1,5 раза по сравнению с реактором с не-

подвижным слоем катализатора, традиционно применяемым для проведения биокаталитических процессов. Полученные высокостабильные биокатализаторы на основе иммобилизованной глюкоамилазы, и вихревые реакторы являются перспективными для производства крахмальных паток и глюкозных сиропов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 статей в рецензируемых журналах и 2 патента РФ.

Апробация работы. Результаты работы обсуждались на конкурсе научно-исследовательских работ Института катализа СО РАН (2004), а также были представлены в виде тезисов на 10 российских и международных научных форумах: 1-3-ий Международные симпозиумы «Биотехнология. Состояние и перспективы развития» (Москва, Октябрь 2002, Ноябрь 2003, Март 2005); International Congress on Biocatalysis ВЮСАТ (Hamburg, July 2002); 6-th European Congress on Catalysis EUROCAT-VI (Insbruck, September 2003); 13-th International Congress on Catalysis ICC-13 (Paris, July 2004); 16-th International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA-16 (Praga, August 2004); конференции РФФИ «Фундаментальная наука в интересах развития химической и химико-фармацевтической промышленности» (Пермь, Ноябрь 2004) и «Фундаментальная наука в интересах развития критических технологий» (Владимир, Сентябрь 2005); 3-d Russia-China Seminar on Catalysis (Novosibirsk, April 2004).

Основные положения, выносимые на защиту. Мезопористые углерод-содержащие носители, на поверхности которых синтезирован слой каталитического волокнистого углерода или пироуглерода, являются оптимальными адсорбентами для приготовления активных и высокостабильных катализаторов на основе иммобилизованной глюкоамилазы.

Катализатор, приготовленный адсорбционной иммобилизацией глюкоамилазы на мезопористом Сибуните, по активности и термостабильности превосходит известные литературные данные и удовлетворяет требованиям, предъявляемым к промышленным катализаторам.

Производительность вихревых реакторов оригинальных конструкций для диффузионно-контролируемых гетерогенных биокаталитических процессов, выше производительности традиционного реактора с неподвижным слоем катализатора.

Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка цитируемой литературы. Работа изложена на 111 страницах и включает 10 таблиц, 45 рисунков, 4 схемы, библиографию из 131 наименования.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность выбранного направления исследования и практическая значимость работы.

В первой главе представлен обзор промышленных способов получения сахаристых веществ из крахмала и даны сравнительные характеристики различных технологических схем каталитического гидролиза.

Вторая глава посвящена описанию объектов и методов исследования. В работе были использованы носители оксидной природы с синтезированными углеродными слоями различной морфологии. В качестве исходных матриц использовали макроструктурированные носители алюмосиликатной природы, выполненные в виде сотовых монолитов и ячеистого пеноматериала, и гранулированные носители: керамзит, пеностекло, оксиды алюминия. Также были использованы гранулированные углеродные носители, разработанные в Институте катализа (ИК) СО РАН: каталитический волокнистый углерод (КВУ), мезопористый Сибунит. Широкопористый носитель из семейства «Сапропель» был получен в Институте проблем переработки углеводородов СО РАН карбонизацией илистых отложений пресных озер.

По методикам, разработанным в ИК СО РАН, на поверхности носителей были синтезированы углеродные слоя различной морфологии:

а) слой каталитического волокнистого углерода, образованный переплетенными углеродными нановолокнами диаметром 30-150 нм — КВУ-слой (рис.1, а);

б) графитоподобный слой - Г-слой (рис.1, б);

в) слой пироуглерода, образованный отложениями кокса размером 30100 нм — П-слой (рис.1, в).

а б в

Рис. 1. Электронно-микроскопическое изображение поверхности алюмосиликат-ного носителя, покрытой КВУ-слоем (а), Г-слоем (б), П-слоем (в).

Синтез слоя каталитического волокнистого углерода на поверхности носителей алюмосиликатной природы осуществляли путем пиролиза водород-пропан-бутановой смеси на нанесенном никелевом катализаторе. Графитоподобный поверхностный слой углерода получали путем термического разложения импрегнированной сахарозы. Количество синтезированного на поверхности углерода определяли гравиметрическим методом либо по прибыли веса до и после процесса пиролиза, либо по убыли веса при полном выжигании углерода с поверхности носителей при 800°С в атмосфере кислорода, и выражали в процентах к массе полученного носителя. Удельную поверхность приготовленных адсорбентов определяли по тепловой десорбции аргона на

приборе SORBI-M (ЗАО «Мета», Россия). Распределение пор по размеру для изученных носителей определяли методом ртутной порометрии на приборе AUTO-PORE 9200 (MICROMER1TICS, США). Электронно-микроскопические исследования морфологии углеродного слоя на поверхности носителей были проведены с помощью сканирующих микроскопов JSM 6460 LV (JEOL, Япония), LEO 1430 (LEO, Германия). Метка на фотографиях соответствовала расстоянию в мкм.

Для получения субстрата глюкоамилазы — декстринов со степенью полимеризации 20-40 глюкозных остатков в молекуле, использовали кукурузный, пшеничный и картофельный крахмалы. Разжижение и декстринизацию крахмала проводили с использованием Амилосубтилина ГЗХ (ПО «Сиббио-фарм»). Для этого исходный крахмал смешивали с сухим препаратом Амилосубтилина в дезинтеграторе DESI-16 (AS DESINTEGRAATOR, Эстония), частота вращения лопастей которого составляла 3000-4000 об/мин. Полученную однородную смесь суспендировали в воде, нагревали до 80° при интенсивном перемешивании и выдерживали при этой температуре в течение времени, необходимого для достижения требуемой степени деструкции крахмала. За кинетикой гидролиза следили по изменению окраски раствора декстринов при взаимодействии с йодом в кислой среде. Для инактивации а-амилазы раствор декстринов кипятили 5 мин, охлаждали и фильтровали. Концентрацию декстринов в растворе определяли помощью лабораторного рефрактометра RL3 (PZO "Warszawa", Польша) и выражали в массовых процентах. Для гидролиза декстринов использовали Глюкоаваморин Г18Х (ПО «Сиббиофарм») с удельной активностью 300 ЕА/мг. Адсорбцию глюкоамилазы проводили из растворов Глюкоаваморина в динамических (скорость циркуляции раствора фермента через слой носителя не выше 10 мл/мин) и статических (периодическое перемешивание) условиях в течение 20-24 часов при 18-22сС. Количество связанного с носителем белка рассчитывали по разности концентраций белка в растворе до и после адсорбции и выражали в мг белка на 1 г носителя. Ферментативную активность глюкоамилазы в растворе и в иммобилизованном состоянии определяли в следующих условиях: 20-80°С; 0,05 M ацетатный буфер, рН 4,6; 1-53% растворы декстринов. Скорость реакции ферментативного гидролиза декстринов оценивали по количеству выделившейся глюкозы, которую определяли глюкозооксидазным методом. Удельную ферментативную активность глюкоамилазы выражали в мкмолях образовавшейся глюкозы в 1 мин (ЕА) на 1 мг белка, общую активность — в ЕА на 1 г биокатализатора. Стабильность при хранении (18-22°С) и термостабильность (60-75°С) биокатализаторов оценивали по остаточной активности и выражали в процентах по отношению к первоначальной величине. Термоинактивацию глюкоамилазы при повышенной температуре изучали в буферном растворе рН 4,6 как в отсутствии, так и в присутствии субстрата — декстринов с различной концентрацией. Для исследования кинетических закономерностей процесса гидролиза декстринов использованы сле-

дующие типы реакторов: 1) дифференциальный безградиентный; 2) с неподвижным слоем катализатора; 3) роторно-инерционный и 4) вихревой погружной реактор. Два последних реактора были специально разработаны для гетерогенных биокаталитических процессов.

Третья и четвертая главы посвящены изложению и обсуждению результатов.

Адсорбционная иммобилизация глюкоамилазы на неорганических носителях

В данной работе были проведены исследования адсорбционных свойств разнообразных неорганических носителей по отношению к глюкоамипазе. Было показано, что синтез КВУ-слоя приводит к изменению текстурных характеристик носителя, а именно, к значительному росту его удельной поверхности, при этом в пористой структуре КВУ-слоя преобладают мезопоры диаметром 10-50 нм. При образовании Г-слоя удельная поверхность увеличивалась незначительно, а доля мезопор была невелика. Адсорбционная емкость носителей по отношению к глюкоамипазе увеличивалась пропорционально величине удельной поверхности и изменялась в ряду изученных угле-родсодержащих носителей следующим образом: исходный носитель оксидной природы < носитель с Г-слоем < носитель с КВУ-слоем. Для носителей углеродной природы наблюдалась аналогичная зависимость, и адсорбционная емкость носителей повышалась в ряду: графит < широкопористый «Сапропель» < мезопористый КВУ < мезопористый Сибунит. Таким образом, носители с КВУ- и П-слоями обладали максимальной адсорбционной емкостью по отношению к глюкоамилазе.

Было установлено, что кривые изотермы адсорбции глюкоамилазы на КВУ- или пироуглерод-содержащих носителях имеют характерный 8-образный вид, который указывает на образование сначала монослойного покрытия из адсорбированных молекул фермента, затем на полислойную адсорбцию. Анализируя изменение наблюдаемой активности полученных гетерогенных катализаторов, было отмечено, что до образования монослойного покрытия наблюдаемые общая и удельная активности иммобилизованного фермента возрастали, в то время как при полислойной адсорбции (более 2 мг/г) наблюдаемая общая активность оставалась практически постоянной, а удельная активность снижалась. Это объяснялось тем, что при полислойной адсорбции каталитическую активность проявляли только молекулы верхнего адсорбционного слоя, контактирующего с раствором субстрата. Поскольку взаимодействие молекул фермента друг с другом было значительно слабее, чем взаимодействие между ферментом и носителем, то на практике наблюдалось явление так называемой «адаптации катализатора» к условиям реакции. Оно заключалось в том, что в первые часы работы катализатора часть фермента, слабо связанного в верхнем адсорбционном слое, удалялась под действием субстрата, после чего катализатор работал стабильно в течение продолжительного времени. Из результатов этих исследований был сделан прак-

тически важный вывод о том, что для приготовления гетерогенного катализатора гидролиза декстринов целесообразно адсорбировать глюкоамилазу в количестве, не превышающем величину монослойного покрытия.

Изучение кинетики адсорбции показало, что для всех изученных носителей независимо от их геометрической формы адсорбционное равновесие устанавливается в течение суток. Также было найдено оптимальное соотношение массы носителя к объему раствора, равное 1:10. Адсорбция глю ко амилазы в условиях образования монослойного покрытия была прочной и необратимой; фермента, десорбированного в раствор, не обнаруживалось.

Влияние иммобилизации на биокаталитические свойства глюкоамилазы

В данной работе впервые были проведены систематические исследования по влиянию химической природы поверхности и морфологии синтезированного углеродного слоя на биокаталитические свойства (активность и стабильность) иммобилизованной глюкоамилазы. Было обнаружено, что для катализаторов, приготовленных на исходных оксидных носителях (без углерода), наблюдалось резкое падение первоначальной активности, так, за 0,5-1 месяц хранения активность биокатализатора снижалась на 80-90%, затем процесс дезактивации существенно замедлялся (кривые I на рис. 2, а и б). Наблюдаемую кинетику дезактивации можно объяснить недостаточно прочной адсорбцией фермента на поверхности этих носителей. Действительно, реакция гидролиза декстринов продолжалась с заметной скоростью (до 2030% от общей наблюдаемой скорости) даже в том случае, если гетерогенный биокатализатор удалялся из реакционной среды, что указывало на десорбцию глюкоамилазы с поверхности этих носителей.

Продолжительность хранения, мес.

Рис. 2. Стабильность глюкоамилазы, адсорбированной на носителях

а) алюмосиликатный носитель без углерода (кривая 1) и с различным содержанием КВУ (кривая 2 - 2,0+4,4%; кривая 3 - 6,4+8,4%);

б) кордисритный носитель без углерода (кривая 1), с содержанием КВУ 1,2% (кривая 2);

в) алюмосиликатный носитель без углерода (кривая 1); со слоем графитоподобного углерода 10,1% (кривая 2) и графит для сравнения ( кривая 3).

В ходе исследования активности глюкоамилазы, иммобилизованной на макроструктурированных носителях с КВУ-слоем, образованным сравнительно короткими углеродными волокнами длиной 50-100 нм, было показано что независимо от геометрической формы носителя (сотовый монолит, пено-керамика), удельная активность фермента составляла ~5 ЕА/мг белка, то есть при иммобилизации сохранялось ~2% от исходной активности фермента в растворе. Что касается стабильности, то было найдено, что на носителях с КВУ-слоем доля фермента, сохранявшего высокую стабильность, была значительно выше (кривые 2 на рис. 2, а и б), чем для исходных оксидных носителей (кривые 1 на том же рис. 2). При этом было обнаружено, что стабильность адсорбированной глюкоамилазы практически не зависела от содержания углерода на поверхности алюмосиликатного носителя, превышающего 2% (кривая 2 на рис. 2, а), а в значительной мере определялась морфологией поверхностного углеродного слоя. Было показано, что мезопористый КВУ-слой значительно стабилизировал фермент (кривые 2 на рис. 2, а и б), в то время как глюкоамилаза, адсорбированная на гладком Г-слое, обладала существенно меньшей стабильностью (кривые 2 и 3 на рис. 2, в). Аналогичные зависимости наблюдались и для гранулированных углеродсодержащих носителей. Сравнение адсорбционных и биокаталитических свойств иммобилизованной глюкоамилазы в зависимости от наличия углеродного слоя на поверхности носителя или от морфологии синтезированного углеродного слоя позволило сделать вывод о том, что на поверхности гладкого и относительно гидрофобного Г-слоя происходила деформация молекулы глюкоамилазы, сопровождавшаяся частичной или полной потерей каталитической активности. Так, биокатализаторы, приготовленные путем адсорбции глюкоамилазы на пеностекле и керамзите с Г-слоем, обладали на порядок более низкой активностью по сравнению с биокатализаторами, приготовленными на этих же носителях с КВУ-слоем. В результате исследования активности и стабильности глюкоамилазы, иммобилизованной на крупных гранулах углеродных носителей, было показано, что биокатализаторы, приготовленные адсорбцией на широкопористом графите и «Сапропеле», отличались более высокой удельной активностью по сравнению с мезопористыми КВУ и Сибунитом (табл.1), очевидно, из-за уменьшения внутридиффузионных ограничений транспорту субстрата в крупных порах носителя. Для мезопористых носителей внутридиффузионное торможение оказалось настолько существенным, что, несмотря на высокую величину адсорбции глюкоамилазы, наблюдаемая удельная активность биокатализаторов была в 3 раза меньше по сравнению с широкопористыми носителями (табл.1). Уменьшение диаметра гранул мезопористых носителей (с 3-4 мм до 0,2-1,0 мм) приводило значительному увеличению наблюдаемых как общей, так и удельной активности вследствие снижения внутридиффузионных ограничений (табл. 1).

Носитель Диаметр гранул, мм Адсорбция, мг/г Наблюдаемая активность Удельная активность, ЕА/мг белка \у„ мес (18-20°С)

ЕА/г ЕА/см3

Графит 3 <0,1 10,2 6,8 ¿100 1

«Сапропель» 3 3,4 35,6 9,2 10,5 1,5

КВУ 3 6,8 27,8 17,3 4,1 10

0,2-1,0 4,3 300 179 70,0 10

Сибунит 3 7,9 26,0 10,6 3,3 12

0,2-1,0 10,0 500 173 50,0 12

Из результатов, приведенные на рис. 2 и таблице 1, видно, что катализаторы, приготовленные путем адсорбции глюкоамилазы на мезопористых носителях с КВУ и П-слоями, отличались, прежде всего, высокой стабильностью. Следовательно, такие носители были оптимальными для иммобилизации глюкоамилазы с точки зрения приготовления активных и высокостабильных гетерогенных катализаторов процесса гидролиза декстринов.

В данной работе был приготовлен биокатализатор «Глюкоамилаза на Си-буните» путем адсорбции глюкоамилазы в составе ферментного препарата Глюкоавморин на мезопористом Сибуните, и были подробно изучены его биокаталитические свойства. Установлено, что после адсорбционной иммобилизации оптимальные условия функционирования фермента не изменились. Температурный оптимум для иммобилизованного фермента находился в том же диапазоне, что и для фермента в растворе, 65-75°С (рис. 3, а).

Рис. 3. Зависимость глкжоамилазной активность от температуры (а) и значения рН (б) для фермента в растворе (кривая 1) и фермента, иммобилизованного на Сибуните (кривая 2).

Из рис.3, б видно, что интервал оптимальных значений рН для иммобилизованного фермента по сравнению с ферментом в растворе несколько сузился до рН=4,5-5,0. Константа сродства к субстрату К5 при иммобилизации незначительно увеличилась и составила 0,6 и 1,0% (по оценкам 1,7'10"4 М, и

2,7-Ю"4 М с учетом средней молекулярной массы декстринов 35 ООО Да) для глюкоамилазы в растворе и в иммобилизованном состоянии, соответственно. Все полученные данные указывали на то, что при иммобилизации на Сибу-ните молекула глюкоамилазы сохраняла структуру молекулы фермента в растворе и имела правильную ориентацию активного центра, доступную для субстрата. Значительные различия наблюдались в изменении термостабильности фермента при его адсорбции на Сибуните. При исследовании процесса термоинактивации глюкоамилазы было установлено, что константа инактивации при 65 °С для иммобилизованной глюкоамилазы (кин). была на три порядка меньше, чем для фермента в растворе (табл. 2). Из литературы известно, что константа инактивации глюкоамилазы в результате ковалентной иммобилизации снижалась в 3 раза, а в результате адсорбции на полимерных носителях — в 2 раза. Наблюдаемое при адсорбции фермента на Сибуните увеличение термостабкльности (в 103 раз) можно объяснить на основании механизма стабилизации ферментов в тесных порах носителя, предложенного в 1980-ых гг. Березиным И.В. и сотр. Действительно, в пористой структуре Сибунита преобладали мезопоры размером 30-40 нм, соответствовавшие по размеру гидратированной молекуле фермента. В данных порах происходило многоточечное фиксирование белковой молекулы за счет нековалентных взаимодействий с углеродной поверхностью носителя, в результате, вероятность полной денатурации фермента при повышении температуры снижалась, а способность фермента к локальному изменению структуры, необходимому для каталитического действия, сохранялась.

Таблица 2. Константы скорости термоинактиваций (кин) Для глюкоамилазы в растворе и в иммобилизованном состоянии в зависимости от температуры термообработки

Температура кин, мин"1 для глюкоамилазы в растворе кш, мин 1 для глюкоамилазы, иммобилизованной на Сибуните

термообработки, С"

60 9,8-10"3 —

65 3,3-10"2 1,010"3

70 не стабильна 8,2-Ю"3

75 не стабильна 1,9-10"*

80 не стабильна 4,0-10"2

Из литературы известно, что субстрат оказывает стабилизирующее действие на глюкоамилазу. В данной работе был исследован процесс термоинактивации глюкоамилазы, иммобилизованной на Сибуните, при 80°С в отсутствии декстринов и в зависимости от их концентрации в растворе. Было найдено, что при увеличении концентрации декстринов от 1 до 37% константа термоинактивации иммобилизованного фермент-субстратного комплекса линейно уменьшается. При высокой концентрации декстринов (37%) константа инактивации (кин) составила 3 x10'3 мин-1, что на порядок меньше, чем кин для иммобилизованного фермента — 4,0x10-2 мин-1 (рис.4, табл.2). Таким

10

образом, суммарный эффект термостабилизации иммобилизованной на Си-буните глюкоамилазы по сравнению с растворимым ферментом составил ~104 раз. Из литературы известно, что максимально достигнутый эффект стабилизации ковалентно иммобилизованной глюкоамилазы не превышал 50.

Была исследована операционная стабильности катализатора «Глюкоами-лаза на Сибуните» в условиях, моделирующих промышленное получение крахмальных паток, а именно, 60°С; рН 4,6; раствор декстринов не ниже 32 %; 8-ми часовая рабочая смена. Время полуинактивации (11/2) катализатора составило 350 час, что в ~3 раза выше для катализатора, описанного в литературе в ходе испытания в пилотной установки (120 час).

Кинетические закономерности гетерогенного процесса гидролиза декстринов

Было показано, что процесс гидролиза декстринов в значительной степени контролируется диффузией высокомолекулярного субстрата (М.в. 35 ООО Да) к иммобилизованному на пористом носителе ферменту. В дифференциальном безградиентном реакторе (ДИФР) внешнедиффузионные ограничения уменьшались при увеличении скорости потока субстрата через тонкий слой катализатора, и полностью ликвидировались при скорости потока выше 1,5 л/час. Однако в реакторе с неподвижным слоем катализатора (РЕНЕС), традиционно используемым для проведения биокаталитических процессов, при данной высокой скорости потока наблюдаемая активность катализатора была ниже активности, определяемой в ДИФРе. Вероятно, в неподвижном слое катализатора возникали застойные зоны и струйные течения, что приводило к уменьшению производительности данного реактора. С целью существенной интенсификации массопереноса и полной ликвидации «мертвых» зон в реакторе, были испытаны специально разработанные для диффузионно-контролируемого процесса гидролиза декстринов вихревые реакторы — ро-торно-инерционный реактор и вихревой погружной.

Роторно-инерционный реактор (РИБ) был предназначен для использования макроструктурированного гетерогенного биокатализатора, приготовленного адсорбционной иммобилизацией глюкоамилазы на КВУ-содержащей пенокерамике («Глюкоамилаза на пенокерамике»). Такой катализатор имел

I

Рис. 4. Изменение активности глюкоамилазы, иммобилизованной на Сибуните, при термообработке при 80°С в буферном растворе рН 4,6 (кривая 1) и в присутствии 37% декстринов (кривая 2).

<

50 100 150 МО 280

Продолжительность термообработки, мин

очень низкое гидродинамическое сопротивление потоку жидкости, что особенно важно при работе с вязкими растворами высокомолекулярных субстратов. Основным рабочим узлом данного реактора являлся вращающийся вокруг горизонтальной оси контейнер с закрепленным катализатором. Интенсификация массообмена в этом реакторе осуществлялась за счет движения жидкости в поле переменных массовых сил (центробежной силы и силы тяжести). Испытание и оптимизация работы РИБ в процессе гидролиза декстринов были проведены как в периодическом режиме, так и непрерывном режиме. Полученные экспериментальные данные об активности биокатализатора и производительности процесса сравнивались с аналогичными параметрами, определяемыми в ДИФР и РЕНЕС.

В результате исследования было найдено, что наблюдаемая активность катализатора, измеренная в РИБ в периодическом и непрерывном режимах, не зависит от частоты вращения контейнера выше 10 об/мин и составляет 3,2 ЕА/г пенокерамики и равняется активности катализатора, определяемой в ДИФР. Таким образом, внешнедиффузионные ограничения в РИБ ликвидируются при низкой частоте вращения контейнера с катализатором.

Сравнение параметров процесса, проводимого в реакторах различной конструкции, показало, что в периодическом режиме наблюдаемая активность катализатора и производительность процесса гидролиза декстринов в РЕНЕС были в 1,5-3 раза ниже, чем в РИБ, очевидно, за счет образования струйных течений в реакторе. В непрерывном режиме сравнение эффективности работы РЕНЕС и РИБ было проведено при одинаковом времени контакта (т), равном отношению объема катализатора (в см3) к объемной скорости потока (в мл/мин). Как видно из рис.5, степень конверсии декстринов для небольших времен контакта (т< 1 час) в РЕНЕС была в ~2 раза ниже по сравнению с РИБ. При т=2 в РИБ наблюдалась полная конверсия субстрата, тогда как в РЕНЕС данная величина не превысила 80% (рис.5).

Рис.5. Конверсия 1-3% раствора декстринов в РЕНЕС (кривая 1) и РИБ непрерывного действия при частоте вращения контейнера 80 об/мин (кривая 2).

50 100

Время контакта, мин

Таким образом, на основании полученных данных и их сравнения с РЕНЕС было сделано заключение о том, что конструкция РИБ с катализатором

«Глюкоамилаза на пенокерамике» позволяет преодолеть внешнедиффузион-ное торможение реакции гидролиза декстринов и ликвидировать застойные зоны и струйные течения в реакторе. В результате этого производительность процесса повышается в 3 раза и 1,5-2 раза, если реактор работает в периодическом и непрерывном режимах, соответственно.

Вихревой погружной реактор (ВИПР) был предназначен для использования гранулированных катализаторов. Основным рабочим узлом данного реактора являлся вращающийся дискообразный профилированный корпус с боковыми щелевидными отверстиями, заполненный гранулами катализатора. Корпус реактора помещали в термостатируемую емкость с раствором субстрата (декстринов). Интенсификация массообмена в этом реакторе обеспечивалась за счет принудительного вихревого течение жидкости под действием центробежной силы и сил Кориолиса через относительно неподвижный слой биокатализатора.

В результате испытания этого реактора в процессе гидролиза декстринов было обнаружено, что для всех биокатализаторов, независимо от формы гранул (шарики, черенки, частицы неправильной формы), наблюдаемая активность катализатора не зависела от частоты вращения корпуса выше 300 об/мин, то есть, при данной частоте вращения внешнедиффузионные ограничения практически отсутствовали (рис.6). Из рис.6, также видно, что, чем выше наблюдаемая активность, тем большая частота вращения корпуса требовалась для преодоления диффузионного торможения. Из этого же рис.6 видно, что реакция гидролиза декстринов протекала глубоко во внутридиф-фузионной области, поскольку уменьшение размера гранул (с 2-3 мм до 0,2-1 мм ) катализатора позволило на порядок повысить наблюдаемую активность катализатора «Глюкоамилаза на Сибуните».

Эффективность работы вихревого погружного реактора в процессе гидролиза декстринов была оценена при сравнении наблюдаемых скоростей реакции в ВИПР и в РЕНЕС в периодическом режиме, когда внешне- и внутри-диффузионные ограничения для реакции гидролиза декстринов практически отсутствовали. Было обнаружено, что наблюдаемая активность катализатора

5

Рис. 6. Влияние частоты вращения корпуса вихревого погружного реактора на наблюдаемую активность катализатора «Глюкоамилаза на Сибуните» с размерами гранул 2+3 мм (кривая 1); 0,2+1,0 мм (кривая 2).

200 400 600 в00 1000 1200

Частота вращения корпуса реактора, об/мин

«Глюкоамилаза на Сибуните» и производительность процесса, проводимого в РЕНЕС, была на 20-50% ниже, чем в ВИПР (рис. 7, а и б), что, очевидно, обусловлено высоким гидродинамическим сопротивлением слоя в РЕНЕС в изученных условиях.

200 400 ООО ООО Ш0 1200

Частят врацишя корпуса раакгора» оШкин

Скорость циркуляции, мл/мин

Рис. 7. Активность катализатора «Глюкоамилаза на Сибуните» в процессе гидролиза декстринов, осуществляемого в ВИПР (а) и в РЕНЕС (б).

В результате проведенных исследований процесса гидролиза декстринов с помощью гетерогенных биокатализаторов в вихревых реакторах была предложена схема получения сахаристых веществ из крахмала, апробированная в лабораторных условиях. Первая стадия заключалась в том, что сухую смесь крахмала и Амилосубтилина подвергали предварительной механохимической обработке в проточном дезинтеграторе, затем полученную смесь суспендировали в воде. Было показано, что в этом случае процесс декстринизации крахмала протекала с более высокой скоростью, по-видимому, из-за увеличения дефектов в кристаллической структуре гранул крахмала в результате механохимической обработки. Вторая стадия - декстринизация крахмала, включала клейстеризацию и ферментативное разжижение крахмальной суспензии и проводилась при нагревании и интенсивном перемешивании. Третья стадия — осахаривание крахмала (гидролиз декстринов) осуществлялась с участием гетерогенного катализатора «Глюкоамилаза на Сибуните» в вихревом погружном реакторе. Углеводный состав конечного продукта (патоки) регулировался соотношением объема раствора субстрата к объему катализатора, а также продолжительностью процесса гидролиза; окончание процесса легко контролировалось путем остановки вращения корпуса реактора, заполненного катализатором, и его удалением из реакционной среды.

Выводы

1. Впервые изучены закономерности адсорбционной иммобилизации глю-коамилазы на неорганических носителях, различающихся геометрической формой (гранулы, сотовые монолиты, пенокерамика), текстурными характеристиками, а также химической природой и морфологией поверхности. Показано, что синтез углеродного слоя на поверхности носителей оксидной природы увеличивает адсорбционную емкость и прочность адсорбции фермента. Величина адсорбции и активность приготовленных катализаторов возрастают в ряду: носители без углерода < носители с графитоподобным углеродным

слоем (Г-слоем) < носители, со слоем каталитического волокнистого углерода (КВУ-слоем) < носители со слоем пироуглерода. —.• :(П-слоем).

2. Впервые проведены сравнительные исследования влияния морфологии углеродного слоя, синтезированного на поверхности неорганических носителей, на биокаталитические свойства иммобилизованной глюкоамилазы. Установлено, что стабильность фермента, адсорбированного на носителях с КВУ- и П-слоями, на порядок выше, чем на носителе с Г-слоем.

3. Получен высокостабильный гетерогенный катализатор для процесса гидролиза декстринов путем адсорбционной иммобилизации глюкоамилазы на мезопористом Сибуните. Установлено, что при иммобилизации на этом носителе температурный и рН-опгимумы глюкоамилазы не изменяются. С другой стороны, при иммобилизации на мезопористом Сибуните термостабильность глюкоамилазы увеличивается в 103 — 10* раз.

4. Установлено, что процесс гидролиза декстринов с участием иммобилизованной глюкоамилазы контролируется внешней и внутренней диффузией. Для преодоления диффузионных ограничений и устранения застойных зон впервые были использованы вихревые реакторы — роторно-инерционный и вихревой погружной, специально разработанные для гетерогенных биокаталитических процессов. Показано, что данные вихревые реакторы превосходят по основным параметрам (активность биокатализатора, производительность процесса) традиционные колоночные реакторы с неподвижным слоем: в 1,2-3,0 раза.

5. Предложена и апробирована в лабораторных условиях схема ферментативного процесса получения сахаристых веществ из сухого крахмала. Ев особенности заключаются в механохимической предобработке крахмала и ос-амилазы и проведении процесса гидролиза декстринов в гетерогенном режиме в вихревом погружном реакторе с участием разработанного катализатора. Такой режим позволяет точно регулировать углеводный состав конечных продуктов.

Основные результаты диссертации отражены в следующих публикациях

1. Коваленко Г.А., Комова О.В., Симаков A.B., Перминова JI.B., Хомов В.В., Боровцова О.Ю., Рудина H.A. Углеродсодержащие макроструктуриро-ванные керамические носители для адсорбционной иммобилизации ферментов и микроорганизмов. II. Биокаталитические свойства адсорбированной глюкоамилазы // Биотехнология. - 2002. - № 5. - С. 81 -93.

2. Коваленко Г.А., Перминова Л.В., Комова О.В., Симаков A.B., Хомов В.В., Боровцова О.Ю., Рудина H.A. Углеродсодержащие макроструктуриро-ванные керамические носители для адсорбционной иммобилизации ферментов и микроорганизмов. III. Биокаталитические свойства адсорбированной инвертазы // Биотехнология. — 2003. — № 4. — С. 52-62.

3. Коваленко Г.А., Комова О.В., Симакова И.Л., Перминова Л.В., Симаков A.B., Хомов В.В., Сухинин C.B. Гетерогенные биокатализаторы и реак-

торы для инновационных процессов ферментативной переработки крахмала и сахара // Катализ в промышленности. — 2004. — № 2. — С. 41-47.

4. Коваленко Г.А., Сухинин C.B., Симаков A.B., Перминова JI.B., Комо-ва О.В., Хомов В.В., Боровцова О.Ю. Роторно-инерционный биореактор для гетерогенных биокаталитических процессов. I. Ферментативный гидролиз крахмала // Биотехнология. - 2004. - № 1. - С. 83-90.

5. Коваленко Г.А., Перминова Л.В., Хомов В.В., Комова О.В., Чуен-ко Н.В., Симаков A.B., Рудина H.A. Углеродсодержащие макрострукгуриро-ванные керамические носители для адсорбционной иммобилизации ферментов и микроорганизмов. IV. Биокаталитические, свойства адсорбированных дрожжевых мембран // Биотехнология - 2004. - № б. — С. 34-43.

6. Коваленко Г.А., Сухинин C.B., Симаков A.B., Хомов В.В., Перминова Л. В., Комова О.В. Роторно-инерционный биореактор для гетерогенных биокаталитических процессов. II. Ферментативный процесс инверсии сахарозы // Биотехнология. - 2005. - № 1. - С. 68-72.

7. Коваленко Г.А., Перминова Л.В., Плаксин Г.В., Комова О.В., Чуенко Т.В., Рудина H.A. Иммобилизованные дрожжевые мембраны как биокатализаторы процесса инверсии сахарозы // Прикл. Биохим. микробиол. — 2005 — Т.41. — № 4. — С. 454-459.

8. Коваленко Г.А., Сухинин C.B., Перминова Л.В., Плаксин Г.В., Комова О.В.,Чуенко Т.В. Вихревой погружной реактор для гетерогенного биокаталитического процесса гидролиза декстринов // Биотехнология. - 2005. -№6.-С. 56-63.

9. Коваленко Г.А., Перминова Л.В., Чуенко Т.В., Ившина И.Б., Куюкина M.Ç., Рычкова М.И. Углеродсодержащие макроструктурированные керамические носители для адсорбционной иммобилизации ферментов и микроорганизмов. V. Иммобилизация нерастущих клеток дрожжей и растущих клеток алканотрофных родококков // Биотехнология. - 2006. - № 1. — С. 76-83.

Ю.Коваленко Г.А., Перминова Л.В., Плаксин Г.В., Чуенко Т.В., Комова О.В., Рудина H.A. Иммобилизованная глюкоамилаза — биокатализатор процесса гидролиза декстринов // Прикл. Биохим. микробиол. — 2006. — Т. 42. — №2.-С. 163-168.

11. Способ ферментативного гидролиза субстрата: Патент № 2245925 РФ / Коваленко Г.А., Сухинин C.B., Перминова Л.В., Симаков A.B., Комова О.В., Хомов В.В., Боровцова О.Ю., Чуенко Т.В. - № 2003115340/13; 3аявл.23.05.03; 0публ.10.02.2005. — Бюл. № 4.

12. Способ получения декстрина из крахмалсодержащего сырья: Патент ■№ 2259400 РФ / Коваленко Г.А., Хомов В.В., Перминова Л.В., Кругляков В.Ю., Харина И.В., Соболева Г.А - 2004100624/13; Заявл.05.01.04; Опубл.27.08.2005. - Бюл. № 24.

ПВРМИНОВА Лариса Валентиновна ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕТЕРОГЕННОГО БИОКАТАЛИТИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ГИДРОЛИЗА ДЕКСТРИНОВ. Аатореф. дисс. на соискание учёной степени кандидата хим. наук. Подписано в печать 17.07.2006. Заказ N"85. Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз. Типография Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН

Список используемых сокращений.

Введение.

Глава 1. Промышленные методы деструкции крахмала.

1.1. Способы получения высокомолекулярных продуктов деструкции крахмала.

1.2. Каталитический гидролиз.

1.2.1. Кислотный гидролиз крахмала.

1.2.2. Ферментативный гидролиз крахмала.

1.2.3. Сравнительная характеристика различных технологических схем.

1.2.4. Характеристика глюкоамилазы и предполагаемый механизм катализа.

Ь 1.2.5. Гетерогенные катализаторы на основе иммобилизованной глюкоамилазы.

1.2.6. Макрокинетика гетерогенных биокаталитических процессов.

Глава 2, Экспериментальная часть.

2.1. Носители.

2.1.1. Оксидные носители.

2.1.2. Углеродные носители.

2.2 Модификация поверхности оксидных носителей. j 2.2.1. Синтез КВУ-слоя на поверхности оксидных носителей.

2.2.2. Синтез Г-слоя на поверхности оксидных носителей.

2.3. Методики приготовления и исследования биокатализаторов.

2.3.1. Получение декстринов из крахмала.

2.3.2. Адсорбция глюкоамилазы.

2.3.3. Определение ферментативной активности глюкоамилазы.

2.3.4. Определение стабильности глюкоамилазы.

2.4. Типы используемых реакторов.

2.4.1. Дифференциальный безградиентный реактор.

2.4.2. Реактор с неподвижным слоем /РЕНЕС/.

2.4.3. Роторно-инерционный биореактор /РИБ/.

2.4.4. Вихревой погружной реактор /ВИПР/.

Глава 3. Иммобилизация глюкоамилазы на неорганических носителях.

3.1. Адсорбционные свойства неорганических носителей.

3.2. Биокаталитические свойства иммобилизованной глюкоамилазы.

3.2.1. Зависимость активности и стабильности иммобилизованой глюкоамилазы от морфологии поверхности адсорбента.

3.2.2. Биокаталитические свойства глюкоамилазы, иммобилизованной на Сибуните.

Глава 4. Кинетика и макрокинетика гетерогенного процесса гидролиза декстринов в биореакторах различного типа.

4.1. Определение областей протекания реакции гетерогенного гидролиза в дифференциальном безградиентном реакторе.

4.2. Вихревые реакторы.

4.2.1. Лабораторные испытания роторно-инерционного биореактора.

4.2.2. Лабораторные испытания вихревого погружного реактора.

4.3. Схема получения сахаристых веществ в лабораторном масштабе.

Выводы.

Получение сахаристых веществ из крахмала на сегодняшний день является важной задачей в рамках решения проблемы комплексной переработки возобновляемого растительного сырья в широкий ассортимент востребованных продуктов: паток, глюкозных и глюкозо-фруктозных сиропов. В настоящее время большую часть этих веществ отечественная пищевая промышленность либо импортирует, либо производит на заводах, находящихся под контролем зарубежных компаний.

В основе получения сахаристых веществ лежит каталитический гидролиз крахмала. В зависимости от используемого катализатора в промышленности применяют либо кислотный, либо ферментативный, либо комбинированный кислотно-ферментативный метод деструкции крахмала. Каждый из перечисленных методов обладает своими преимуществами и недостатками. Очевидно, что в пищевой промышленности ферментативный гидролиз по сравнению с кислотным имеет приоритетное значение, поскольку позволяет получать более широкий ассортимент сахаристых продуктов заданного углеводного состава с минимальным содержанием посторонних, в том числе токсичных примесей.

Биокаталитические процессы с использованием ферментов могут осуществляться как в гомогенном режиме, когда исходный реагент (субстрат) и фермент находятся в жидкой фазе, так и в гетерогенном режиме с участием иммобилизованного на твердом носителе фермента. Считается общепризнанным, что гетерогенный режим проведения каталитических процессов является более экономически выгодным, особенно в том случае если затраты на приготовление гетерогенного катализатора компенсируются значительным улучшением технико-экономических показателей всего производства. Для процесса получения сахаристых веществ из крахмала, в котором стадия осахаривания крахмала (гидролиза декстринов) осуществляется в гетерогенном режиме, такими показателями являются:

• повышение рабочих температур гидролиза за счет увеличения термостабильности глюкоамилазы при иммобилизации;

• возможность проведения процесса гидролиза в непрерывном режиме;

• сокращение расхода фермента за счет его многократного использования;

• точный контроль над окончанием процесса гидролиза и исключение операции термоинактивации фермента после осахаривания за счет быстрого удаления фермента из реакционной среды;

• отсутствие примесей, вносимых с ферментным препаратом на стадии осахаривания, что особенно важно для производства глюкозо-фруктозных сиропов.

Несмотря на перечисленные показатели, в настоящее время гетерогенный процесс ферментативного гидролиза декстринов реализован за рубежом только на уровне пилотных установок. Одним из объективных факторов, ограничивающих внедрение процесса в производство, является отсутствие катализаторов с необходимой для промышленной технологии термостабильностью при 60-65°С. Другой сдерживающий фактор - это относительно низкая производительность реактора с неподвижным слоем катализатора в процессах, контролируемых диффузией субстрата к иммобилизованному ферменту.

Основная цель работы заключалась в приготовлении активного и высокостабильного гетерогенного катализатора на основе иммобилизованной глюкоамилазы и исследовании процесса гидролиза декстринов с участием данного катализатора. Для достижения этой цели решались следующие задачи:

• сравнительное исследование биокаталитических свойств глюкоамилазы, иммобилизованной на неорганических носителях, отличающихся геометрической формой (сотовые монолиты, пено-материалы, гранулы), текстурными характеристиками, химическими свойствами поверхности и морфологией синтезированного углеродного слоя;

• изучение кинетических закономерностей процесса гидролиза декстринов с участием приготовленного высокостабильного катализатора на основе иммобилизованной глюкоамилазы;

• испытание вихревых реакторов оригинальной конструкции, специально разработанных для проведения гетерогенных диффузионно-контролируемых биокаталитических процессов.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов. Работа изложена на 111 страницах и включает 10 таблиц, 45 рисунков, 4 схемы, библиографию из 131 наименования. В первой главе представлен обзор промышленных методов деструкции крахмала в сахаристые вещества и даны сравнительные характеристики различных технологических схем каталитического гидролиза. Во второй главе описаны методики приготовления гетерогенных катализаторов, их физико-химических и биокаталитических исследований, методика получения субстрата и типы используемых реакторов. В третьей главе изложены результаты изучения закономерностей адсорбционной иммобилизации глюкоамилазы в зависимости от геометрической формы, текстурных характеристик и химической природы носителя; исследовано влияние морфологии поверхности носителя на каталитические свойства фермента. В четвертой главе приведены и обсуждены результаты исследования кинетических закономерностей процесса гетерогенного гидролиза декстринов с использованием традиционных и специально разработанных вихревых реакторов.

Выводы

1. Впервые изучены закономерности адсорбционной иммобилизации глюкоамилазы на неорганических носителях, различающихся геометрической формой (гранулы, сотовые монолиты, пенокерамика), текстурными характеристиками, а также химической природой и морфологией поверхности. Показано, что синтез углеродного слоя на поверхности носителей оксидной природы увеличивает адсорбционную емкость и прочность адсорбции фермента. Величина адсорбции и активность приготовленных катализаторов возрастают в ряду: носители без углерода < носители с графитоподобным углеродным слоем (Г-слоем) < носители, со слоем каталитического волокнистого углерода (КВУ-слоем) < носители со слоем пироуглерода : :' - (П-слоем).

2. Впервые проведены сравнительные исследования влияния морфологии углеродного слоя, синтезированного на поверхности неорганических носителей, на биокаталитические свойства иммобилизованной глюкоамилазы. Установлено, что стабильность фермента, адсорбированного на носителях с КВУ- и П-слоями, на порядок выше, чем на носителе с Г-слоем.

3. Получен высокостабильный гетерогенный катализатор для процесса гидролиза декстринов путем адсорбционной иммобилизации глюкоамилазы на мезопористом Сибу-ните. Установлено, что при иммобилизации на этом носителе температурный и рН-оптимумы глюкоамилазы не изменяются. С другой стороны, при иммобилизации на мезот с пористом Сибуните термостабильность глюкоамилазы увеличивается в 10 - 10 раз.

4. Установлено, что процесс гидролиза декстринов с участием иммобилизованной глюкоамилазы контролируется внешней и внутренней диффузией. Для преодоления диффузионных ограничений и устранения застойных зон впервые были использованы вихревые реакторы - роторно-инерционный и вихревой погружной, специально разработанные для гетерогенных биокаталитических процессов. Показано, что данные вихревые реакторы превосходят по основным параметрам (активность биокатализатора, производительность процесса) традиционные колоночные реакторы с неподвижным слоем: в 1,2-3,0 раза.

5. Предложена и апробирована в лабораторных условиях схема ферментативного процесса получения сахаристых веществ из сухого крахмала. Её особенности заключаются в механохимической предобработке крахмала и ос-амилазы и проведении процесса гидролиза декстринов в гетерогенном режиме в вихревом погружном реакторе с участием разработанного катализатора. Такой процесс позволяет точно регулировать углеводный состав конечных продуктов.

1. Ширбаум Ф., Рихтер М., Аугустат 3. Производство, свойства и применение геле-образующих продуктов гидролиза крахмалаУ/Сахарная промьппленность. 1978. -№ 2. - С. 66-68.

2. Павловская О.Е., Трегубов Н.Н. Об использовании крахмалопродуктов в производстве пищевых концентратов//Сахарная промышленность. 1983. - № 6. -С. 40-42.

3. Бруякина JI.A., Ананских JI.A., Абакумова Н.П. Гидролизаты крахмала для получения низкокалорийных продуктов//Сахарная промышленность. 1987. - № 3. -С. 51-52.

4. Салманова JI.C., Терешина Э.В., Полякова Л.Ф. Сиропы взамен сахара и солода в производстве пива//Пищевая промьппленность. 1989. - № 5. - С. 55-57.

5. Ладур Т.А., Пучкова Т.С. Глюкозо-фруктозный сироп новый сахарозамени-тель//Сахарная промышленность. - 1983. - № 8. - С. 53-55.

6. Химия и технология крахмала/ под ред. Ральфа В. Керра. 2-ое изд., испр. - М.: Пищепромиздат, 1956. - 579 с.

7. Ленинджер А. Биохимия: Пер. с англ.- М.: Мир, 1974. С. 270-273.

8. Шульман М.С. Механическая клейстеризация крахмала//Тр. ВНИИСПа М.: Пищепромиздат, 1961. - В. 10. - 150 с.

9. Производство продуктов гидролиза крахмалаУ/Технология крахмала и крахмалопродуктов под ред. Н.Н. Трегубова. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981.-С. 303-472.

10. Крахмал и крахмалопродукты/ под ред. Н.Г. Гулюка. М.: Агропромиздат, 1985. -279 с.

11. Костенко В.Г., Карпов В.Г. Производство набухающих крахмалов методом экс-трузии//Сахарная промышленность. 1983. -№ 9. - С. 42-44.

12. Васильева Т.В. Экструзионные продукты//Пищевая промышленность. 2003. - № 12.-С. 7-10.

13. Смирнов В.А. К 170-летию открытия кислотного гидролиза крахмала//Сахарная промышленность. 1982. - № 3. - С. 47-48.

14. Из истории катализа: люди, события, щколы/ под ред. В. Д. Кальнера. М.: Кал-вис, 2005. - 568 с.15.