Հայաստանի ատենախոսությունների բաց մատչելիության պահոց = Open Access Repository of the Armenian Electronic Theses and Dissertations (Armenian ETD-OA) = Репозиторий диссертаций Армении открытого доступа

Գլիօքսալի կենսակատալիտիկ ստացումը էթիլենգլիկոլից

Դարբինյան, Կարեն Ավագի (2014) Գլիօքսալի կենսակատալիտիկ ստացումը էթիլենգլիկոլից. PhD thesis, ՀՀ ԳԱԱ «Հայկենսատեխնոլոգիա» ԳԱԿ ՊՈԱԿ.

[img]
Preview
PDF (Abstract)
Available under License Creative Commons Attribution.

Download (868Kb) | Preview

    Abstract

    Тема диссертационной работы относится к важным направлениям и современным методам получения глиоксаля из этиленгликоля. Глиоксаль применяется как исходное вещество для получения различных полифункциональных соединений, ионообменных смол, сшивающих агентов и смолистых соединений, широко применяемых в текстильной и других отраслях промышленности. Глиоксаль обладает выраженным бактерицидным действием и употребляется как противомикробный препарат совместно с формальдегидом и глутаральдегидом, особенно в пищевой промышленности (Choi et al., 1998, 1999; Marquié, 2001; Choi et al., 2002; Xu et al., 2002; Liu et al., 2012). Годовой объём производства глиоксаля в мире составляет более 1,5 млн. тонн и среди альдегидов уступает только производству формальдегида (OECD, 2012). Современные промышленные методы получения глиоксаля включают окисление ацетальдегида азотной кислотой, каталитическую дегидрогенацию этиленгликоля при 300 оС с применением Pt, Cu, Mo и других металлов в качестве катализаторов. Окисление уксусного альдегида азотной кислотой – это периодический процесс, который требует громоздкого аппаратурного оформления и протекает с выделением большого количества токсичного N2O (Chumbhale, Awasarkar, 2001). Химические методы получения глиоксаля связаны с большими энергозатратами, использованием дорогостоящего оборудования и катализаторов. При этом отмечается сравнительно низкий выход целевого продукта, обусловленный образованием посторонних продуктов. Дальнейшая очистка глиоксаля делает процесс трудоемким и дорогостоящим (Isobe, 1995). При биокаталитических методах получения глиоксаля и глиоксиловой кислоты используются те же исходные продукты, что и в химических методах, однако при этом технологические процессы осуществляются при более умеренных (мягких) условиях, не связанных с большими энергозатратами, обеспечивая относительно высокий выход конечных продуктов, без каких-либо примесей (Drauz et al, 2012). Несмотря на то, что имеется много сообщений об использовании бактерий, которые в состоянии метаболизировать этиленгликоль, однако метаболический путь исследован только у небольшого числа микробов. (Mückschel et al., 2012). Установлено, что глицеролоксидаза, выделенная из штамма Aspergillus japonicus (AT008), осуществляет окисление этиленгликоля в глиоксаль, и гликолевой кислоты в глиоксиловую. Дальнейшее изучение этих процессов подтвердило приемлемость данного фермента для получения глиоксаля и глиоксиловой кислоты. Глицеролоксидаза не требует экзогенного кофактора, а катализируемая ею оксидазная реакция необратима, что избавляет от многих проблем, связанных с гидрогеназными ферментами, нуждающимся в кофакторах (Isobe, 1995). Вместе с тем в литературе нет публикаций по вопросам систематической приуроченности глицеролоксидазной активности у разных групп и видов микроорганизмов, видовой специфичности этой активности, эффективных методов скрининга и разработки способов широкого внедрения в производство. Есть разработки биокаталитических методов получения глиоксаля из этиленгликоля с применением глицеролоксидазы и каталазы, а также их иммобилизованных форм, однако данные разработки неконкурентоспособны по сравнению с существующими химическими методами. Ատենախոսական աշխատանքը նվիրված է մանրէաբանության և կենսատեխնոլոգիայի արագ զարգացող բնագավառներին՝ մանրէաբանական կատալիզի և կենսատրանսֆորմացիայի կիրառմամբ արժեքավոր նյութերի ստացմանը: Այս հետազոտությունում ներկայացված են անընդհատ հոսքային պայմաներում, մանրէաբանական կատալիզի եղանակով էթիլենգլիկոլից գլիօքսալի կեսակատալիտիկ ստացման արդյունավետ մեթոդների մշակումը և այդ պրոցեսի օպտիմալացման որոշ ուղիներ: Կոմերցիոն գլիօքսալը ստացվում է կամ էթիլենգլիկոլի գազաֆազային օքսիդացմամբ` կիրառելով արծաթի, պղնձի և այլ մետաղների համաձուլվածքները` որպես կատալիզատորներ, կամ ացետալդեհիդի հեղուկ ֆազային օքսիցամամբ ազոտական թթվով: Գլիօքսալի համշխարհային տարեկան արտադրական ծավալները կազմում են մոտ 1,5 մլն տոննա՝ պայմանավորված խոշոր արտադրական օբյեկտների գործարկմամբ, հիմնականում Ասիայում: Ներկայումս գլիօքսալը հիմնականում ստացվում է գազային ֆազայում էթիլենգլիկոլի պարցիալ օքսիդացմամբ: Որպես այլընտրանք գլիօքսալի ստացման առկա քիմիական մեթոդներին, մենք մշակել ենք կենսակատալիտիկ պրոցես գլիցերոլօքսիդազի և կատալազի կիրառմամբ, որն ընթանում է համեմատաբար անվտանգ պայմաններում: Բացի այդ, կենսակատալիտիկ պրոցեսը ապահովում է գլիօքսալի առավել բարձր ելք կողմանկի խառնուրդների նվազագույն պարունակությամբ, քան գլիօքսալի ստացման առկա մեթոդները: 107 բակտերալ կուլտուրաների և 200 ցածրակարգ սնկերի գլիցերոլօքսիդազային ակտիվության ուսումնասիրման արդյունքում նշված ակտիվության առկայությունը հաստատվել է Aspergillus, Cladosporium, Penicillium և Humicola ցեղերի ցածրակարգ սնկերի մոտ: Գլիցերոլօքսիդազի բարձր ակտիվություն (0,021 միավ/մգ սպիտակուց) գրացվվել է A.versicolor MDC 12117 շտամի մոտ, որն իր ակտիվությամբ, մոտ երկու անգամ գերազանցում է գրականությունում նկարագրված որպես առավել հեռանկարային A. japonicus շատմի ակտիվությանը: Հաշվի առնելով միկրոմիցետների գրանուլների նախընտրելի ձևերի ստացումը գլիցերոլօքսիդազի ակտիվ արտադրիչների իմոբիլիզացված ձևերի նկատմամբ և անընհատ հոսքային պայմաններում կիրառման նպատակով, մանրամասն ուսումնասիրվել են միկրոմիցետների աճը և գրանուլների ստացումը հեղուկ սննդամիջավայրերում: Ուսումնասիրված է բարձր գլիցերոլօքսիդազային և կատալազային ակտիվությամբ օժտված ցածրակարգ սների գրանուլների կիրառմամբ էթիլենգլիկոլից գլիօքսալի ստացման պրոցեսը: Կատալազի ակտիվությանը կարևորվում է նրանով, որ այն հանդես է գալիս որպես միջնորդ՝ քայքայելով օքսիդացման պրոցեսում առաջացած ջրածնի պերօքսիդը՝ այդ ճանապարհով կանխելով պերօքսիդ կախյալ մրջնաթթվի առաջացումը և գլիցերոլօքսիդազի ինակտիվացումը: Ցույց են տրվել էթիլենգլիկոլից գլիօքսալի ստացման պրոցեսում բարձր գլիցերոլօքսիդազային և կատալազային ակտիվությամբ ցածրակարգ սնկերի գրանուլների կիրառման առավելությունները նույն ֆերմենտների ազատ և իմոբիլիզացված ձևերի նկատմամբ: Միցելիալ գրանուլների կիրառումը որպես կատալիզատորներ զերծ է պահում խնդիրներից՝ կապված ֆերմենտների անջատման, մաքրման և իմոբիլիզացման հետ, ինչպես նաև հնարավորություն ընձեռում կենսակատալիտիկ ռեակցիան իրականացնել սուբստրատի առավել բարձր կոնցենտրացիների կիրառմամբ: The thesis is devoted to the rapidly developing fields of microbiology and biotechnology, such as microbial catalysis, biotransformation and biocatalytic production of valuable substances. This research describes some characterizations of the oxidative reactions of ethylene glycol to glyoxal and ways for optimization of the process for creation of cost effective method for production of glyoxal by microbial catalysis in continuous flow conditions. Commercial glyoxal is prepared either by gas phase oxidation of ethylene glycol in the presence of silver, copper or other metals as catalysts or by the liquid phase oxidation acetaldehyde with nitric acid. Global productive capacity is 1.5 million tons with producton rates less, due to over-capacity mostly in Asia. Most production is done via the gas-phase partial oxidation route. As an alternative for current chemical processes, we developed the biocatalytic process, which uses glyceroloxidase and catalase as catalysts, under the comparatively safe reaction conditions. Additionally, this biocatalytic process produces a higher yield of glyoxal and fewer undesirable waste streams than the existing methods for manufacture.Based on the screening of 107 strains of bacteria and 200 strains of fungi, the glycerol oxidase activity has been revealed within the genera of fungi: Aspergillus, Cladosporium, Penicillium and Humicola. The high glycerol oxidase activity (0.021unit/mg of protein) at the strain A. versicolor MDC 12117 has been revealed, which is almost twice higher than the A. japonicus strain, described in the literature as one of the most prospective strain for this activity. In view of the preferred choice of immobilized forms for active producers of glycerol oxidase, strains of micromycetes studied in detail during growth in liquid media for formation of mycelial granules suitable form for use in flow biocatalytic systems. The production of glyoxal from ethylene glycol with the use of mycelial granules of fungi with high glycerol oxidase and catalase activity was studied. Catalase activity is essentially important as co-catalyst to decompose by-product hydrogen peroxide, thus limiting peroxide-dependent methanoate production and glycerol oxidase deactivation. The advantages of mycelial granules of fungi compared with systems with native glycerol oxidase and catalase and their immobilized forms for biocatalytic production glyoxal from ethylene glycol were demonstrated. An application mycelial granule as catalysts relieve from the problems associated with separation, purification and immobilization of enzymes as well as provides the ability to implement biocatalytic process at higher substrate concentrations. The optimum pH and temperature for the oxidation of ethylene glycol were around 9.0 and 54 oC, respectively. The maximum velocities for ethylene glycol and glycolaldehyde, estimated on the basis of the data by (Drauz et al, 2012), 1,42 units of glycerol oxidase activity for one g of protein, were 89.1 and 62.2 and our results for MDC 12117 strains were 94.2 and 66.1 μmol\min\mg of protein, respectively. These values are 20 and 65 times higher than those of alcohol oxidase from Candida sp. and higher than glycerol oxidase from Aspergillus japonicus. These results indicate that the conversion of ethylene glycol to glyoxal by glycerol oxidase from A. versicolor MDC 12117 might proceed more rapidly than by glycerol oxidase from A. japonicus. The continuous flow system with the mycelial granules of A. versicolor MDC 12117, and P. aurantiogriseum MDC 12132 for production of glyoxal from ethylene glycol was constricted and optimization of the process was done, substrate concentration 1.5 M, temperature 54oC, pH -9.0 and 160 ml\min substrate flow rate were used. The yield and purity of glyoxal obtained were 99.5, 99.7 % respectively.

    Item Type: Thesis (PhD)
    Additional Information: Գլիօքսալի կենսակատալիտիկ ստացումը էթիլենգլիկոլից: Biocatalytic production of glyoxal from ethylene glycol.
    Uncontrolled Keywords: Դարբինյան Կարեն Ավագի, Darbinyan Karen A.
    Subjects: Biology
    Divisions: UNSPECIFIED
    Depositing User: NLA Circ. Dpt.
    Date Deposited: 29 Sep 2016 11:29
    Last Modified: 04 Oct 2016 10:28
    URI: http://etd.asj-oa.am/id/eprint/3518

    Actions (login required)

    View Item