Магнитоотделяемый катализатор окисления органических соединений и способ его получения Российский патент 2023 года по МПК B01J23/745 B01J21/06 B01J21/04 B01J21/08 B01J37/04 

Изобретение относится к химической промышленности, а именно, к области производства гетерогенных катализаторов процессов жидкофазного окисления органических соединений (в том числе - глюкозы) и может быть применено на предприятиях химической и фармацевтической промышленности для получения синтетических биологически активных соединений (витаминов Е, В₂, К₃ и глюконата кальция).

Известен гетерогенный катализатор окисления неорганических и/или органических соединений на полимерном носителе (RU2255805, B01J 23/70, B01J 23/94, B01D 53/86, 10.07.2005), содержащий активный компонент на полимерном носителе - полиэтилене или полипропилене, или полистироле, или другом полимере, который в качестве активного компонента содержит оксиды и/или гидроксиды и/или шпинели металлов переменной валентности, и, дополнительно, модифицирующую добавку, в качестве которой используют органические основания и/или гетерополикислоты, и/или углеродсодержащий материал при следующем содержании компонентов катализатора, массовая доля в %: активный компонент 15-50; модифицирующая добавка 0,5-20; носитель остальное.

Однако, его недостаточно высокая операционная стабильность из-за непрочного связывания активного компонента с поверхностью носителя, а также высокое содержание активного компонента обуславливает высокую стоимость катализатора и его низкую эффективность.

Известен также гетерогенный катализатор жидкофазного окисления органических соединений (RU 2741010, B01J 23/745, В82В 3/00, B01J 21/08, B01J 31/02, C12N 11/14, 04.06.2020), содержащий носитель, модифицированный 3-аминопропилтриэтоксисиланом, глутаровый диальдегид в качестве сшивающего агента и пероксидазу корня хрена в качестве активного компонента, в котором носителем являются магнитные наночастицы Fe₃O₄, модифицированные SiO₂, при следующем соотношении компонентов в % масс: Fe₃O₄ - 34,2-34,6; SiO₂ - 41,0-41,4; 3-аминопропилтриэтоксисилан - 18,3-18,8; глутаровый диальдегид - 3,8-4,0; пероксидаза хрена - 1,9-2,0.

Однако, такой катализатор обладает сложной многокомпонентной структурой, вследствие чего активность его очень нестабильна и подвержена влиянию различных факторов реакционной среды. Кроме того, активный компонент распределен только на поверхности носителя, не проникая в его поры, что существенно снижает эффективность катализатора.

Наиболее близким к предлагаемому катализатору является магнитоотделяемый гетерогенный катализатор жидкофазного окисления глюкозы (Сульман А.М. Гетерогенные биокатализаторы на основе глюкозооксидазы, иммобилизованной на магнитоотделяемые мезопористые оксиды. Диссертация к. х. н. Тверь. 2020. 144 с.), содержащий носитель, модифицированный 3-аминопропилтриэтоксисиланом, глутаровый диальдегид в качестве сшивающего агента и глюкозооксидазу из Aspergillus niger в качестве активного компонента, в котором носителем являются магнитные наночастицы Fe₃O₄, модифицированные неорганическими оксидами (SiO₂, Al₂O₃ или ZrO₂), при следующем соотношении компонентов в % масс: Fe₃O₄ - 2,8÷3,0; неорганический оксид (SiO₂, Al₂O₃ или ZrO₂) -19,5÷19,7; 3-аминопропилтриэтоксисилан - 59,5÷59,7; глутаровый диальдегид - 16,3÷16,5; глюкозооксидаза - 1,4÷1,6.

Однако, недостаточно прочная сшивка активного компонента с поверхностью твердого носителя вследствие высокого содержания в катализаторе модифицирующего и сшивающего реагентов (глутарового диальдегида и 3-аминопропилтриэтоксисилана) по отношению к массе носителя приводит к существенному снижению активности и стабильности катализатора в реакциях окисления органических соединений.

Известен способ получения иммобилизованных ферментов (SU 644760, 1979.01.30) путем ковалентного связывания ферментов (в том числе глюкозооксидазы) с неорганическим носителем, активированным органосиланом, с целью упрощения процесса иммобилизации и повышения активности иммобилизованных ферментов, в качестве органосилана используют глицедоксипропилтриэтоксисилан.

Также известен способ получения иммобилизованных оксидоредуктаз (SU 1130598, C12N1/14, 1984.12.23) путем добавления буферного раствора ферментов (в том числе - глюкозооксидазы) к пористому неорганическому носителю - окиси алюминия, с целью увеличения стабильности целевого продукта и ускорения способа, буферный раствор ферментов предварительно смешивают с золем кремниевой кислоты, имеющим рН 7-8 и застывающим в порах носителя за 1-2 мин, а затем пропитывают полученной смесью сухую окись алюминия или сухой силикагель.

Оба эти способа имеют общий недостаток - недостаточная стабилизация активного компонента на поверхности носителя из-за отсутствия химического взаимодействия между носителем и ферментом существенно ухудшает каталитическую активность и стабильность катализатора.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ получения магнитоотделяемого гетерогенного катализатора жидкофазного окисления глюкозы (Сульман А.М. Гетерогенные биокатализаторы на основе глюкозооксидазы, иммобилизованной на магнитоотделяемые мезопористые оксиды. Диссертация к. х. н. Тверь. 2020. 144 с.), включающий взаимодействие ферментсодержащего раствора с носителем, при этом в качестве носителя используют магнитные наночастицы Fe₃O₄, модифицированные неорганическими оксидами (SiO₂, Al₂O₃ или ZrO₂), для получения которых неорганический оксид (SiO₂, Al₂O₃ или ZrO₂) помещался в этанольный раствор нитрата железа, смесь оставляли на 12 часов при постоянном перемешивании на воздухе для испарения этанола, затем образец сушили под вакуумом при комнатной температуре не менее 2 ч до полного высыхания, добавляли этиленгликоль, нагревали в кварцевой трубе в трубчатой печи под аргоном до 250°С со скоростью нагрева 2°С / мин, а затем отжигали в течение 6 ч. Затем образец охлаждали до комнатной температуры. Магнитоотделяемые носители суспендировали в водном растворе аминопропилтриэтоксисилана (АПТЭС) при перемешивании при 90°С в течение 5 часов, затем модифицированный носитель промывали водой (три раза) и метанолом (пять раз) и сушили под вакуумом в течение 12 часов. Далее проводилась иммобилизация глюкозооксидазы последовательным выдерживанием носителя в растворе глутарового альдегида в фосфатном буферном растворе в течение 1 часа и растворе глюкозооксидазы в течение 1 часа. Затем биокатализатор отделяли от раствора с помощью неодимового магнита.

Однако, данный способ также обеспечивает недостаточную стабилизацию активного компонента на поверхности носителя из-за отсутствия химического взаимодействия между носителем и ферментом, что существенно ухудшает каталитическую активность и стабильность катализатора. Еще одним недостатком способа является большая продолжительность стадий модификации носителя, что существенно удорожает процесс синтеза.

Технической проблемой, решаемой при создании изобретения, является получение высокоактивного, стабильного, селективного магнитоотделяемого катализатора для многократного использования в реакции жидкофазного окисления органических соединений (в том числе глюкозы) и способ получения такого катализатора.

Техническим результатом изобретения является повышение активности, селективности, операционной стабильности гетерогенного катализатора в реакции жидкофазного окисления органических соединений и его способности к отделению от реакционной среды за счет использования твердого носителя с большой площадью поверхности, большим количеством аминогрупп на поверхности и магнитными свойствами, и неорганических оксидов, также проявляющих активность в окислении органических соединений.

Решение поставленной проблемы и заявленный технический результат достигаются за счет того, что магнитоотделяемый катализатор окисления органических соединений содержит в качестве носителя магнитные наночастицы Fe₂O₄, модифицированные 3-аминопропилтриэтоксисиланом (АПТЭС) и неорганическим оксидом (SiO₂, Al₂O₃ или ZrO₂), глутаровый диальдегид в качестве сшивающего агента и глюкозооксидазу из Aspergillus niger в качестве активного компонента, при этом носитель дополнительно включает хитозан, при следующем соотношении компонентов в % масс:

-Fe₃O₄ - 9,58÷9,88;

- неорганический оксид (SiO₂, Al₂O₃ или ZrO₂) - 63,72÷64,32;

- хитозан - 3,0÷3,4;

- 3-аминопропилтриэтоксисилан - 6,2÷6,6;

- глутаровый диальдегид - 15,71÷16,31;

- глюкозооксидаза - 0,61÷0,67.

Способ получения магнитоотделяемого катализатора окисления органических соединений включает взаимодействие ферментсодержащего раствора с носителем, модифицированным для получения альдегидных групп на его поверхности, при этом для повышения удельной активности и стабильности фермента проводится модификация поверхности носителя хитозаном, причем для получения катализатора 10,0±0,1 г неорганического оксида (SiO₂, Al₂O₃ или ZrO₂) помещают в раствор нитрата железа (8,0±0,1 г Fe(NO₃)₃⋅9H₂O в 50 мл этанола), смесь оставляют на 6,0±0,5 часов при постоянном перемешивании на воздухе для испарения этанола, сушат под вакуумом при комнатной температуре не менее 2,0±0,1 ч, в полученный продукт при перемешивании добавляют 15 мл этиленгликоля, отжигают в кварцевой трубе в трубчатой печи под аргоном до 250±5°С в течение 3,0±0,2 ч, охлаждают до комнатной температуры, суспендируют в растворе хитозана (0,50±0,02 г хитозана в 100 мл 2 М уксусной кислоты), отделяют с помощью магнита, промывают дистиллированной водой, суспендируют в 100 мл раствора АПТЭС (1,00±0,05 мл АПТЭС в 100 мл подкисленной ледяной уксусной кислотой до рН=4 дистиллированной воды), добавляют 5 мл глицерина, выдерживают при температуре 90±2°С в течение 3,0±0,2 часов, промывают дистиллированной водой и метанолом, сушат под вакуумом в течение 6,0±0,5 часов, суспендируют в 100 мл 2,5%-ного водного раствора глутарового диальдегида в течение 1,0±0,1 часа, отделяют с помощью магнита, промывают дистиллированной водой, суспендируют в растворе глюкозооксидазы (100±1 мг глюкозооксидазы в 100 мл фосфатного буферного раствора с рН=7,0) в течение 1,0±0,1 часа и отделяют с помощью магнита с получением готового катализатора.

Предлагаемый катализатор обладает следующими преимуществами:

- размером частиц носителя 0,5÷0,6 мкм;

- более высокой активностью в реакции окисления органических субстратов, по сравнению с прототипом;

- более высокой операционной стабильностью при многократном использовании;

- удобством полного отделения от реакционной среды практически без потерь с помощью постоянного магнита;

- рабочий диапазон рН 3÷9; температур 10÷50°С.

Включение в катализатор каждого из компонентов является обязательным и ни один из них нельзя исключить из состава катализатора, а также изменить их количественное соотношение, так как это приведет к существенному снижению активности и стабильности катализатора в реакции окисления органических соединений.

Магнитные наночастицы Fe₂O₄ необходимы для создания твердой основы для катализатора и придания ему магнитных свойств, что способствует легкому отделению катализатора от реакционной среды с помощью постоянного магнита.

Неорганические оксиды (SiO₂, Al₂O₃ или ZrO₂) необходимы для создания твердой основы для катализатора, обеспечения присутствия на поверхности носителя гидроксидных групп ОН^-, способных к взаимодействию с другими функциональными группами, увеличения площади поверхности носителя, что существенно увеличивает количество присоединенных к поверхности носителя молекул фермента, и, соответственно, существенно повышает активность и стабильность катализатора.

Хитозан необходим для увеличения количества аминогрупп на поверхности катализатора, способных к взаимодействию с другими функциональными группами, и увеличения площади поверхности носителя, что увеличивает количество присоединенных к поверхности носителя молекул фермента, и, соответственно, повышает активность и стабильность катализатора.

Аминопропилтриэтоксисилан необходим для образования прочной связи между компонентами катализатора за счет образования связи между гидроксильными группами на поверхности носителя и кремнием, входящим в состав аминопропилтриэтоксисилана, и для появления на поверхности носителя аминогрупп с высокой реакционной способностью.

Сшивающий агент - глутаровый диальдегид - необходим для образования азометиновой связи (оснований Шиффа) между аминогруппами на поверхности носителя и аминогруппами глюкозооксидазы, что способствует прочному закреплению фермента на поверхности носителя.

Активный компонент - фермент глюкозооксидаза - катализирует реакцию окисления органических соединений в присутствии растворенного в жидкой фазе кислорода.

Уменьшение содержания Fe₃O₄ меньше представленных значений существенно снижает магнитные свойства катализатора и его отделяемость от реакционной смеси. Увеличение содержания Fe₃O₄ больше указанного значения приводит к уменьшению количества реакционноспособных групп на поверхности носителя, что существенно снижает активность и стабильность катализатора.

Уменьшение содержания SiO₂, 3-аминопропилтриэтоксисилана и глутарового диальдегида меньше представленных значений существенно снижает активность катализатора, так как значительно снижается количество глюкозооксидазы, ковалентно связанной с поверхностью носителя и фермент легко смывается с нее в процессе промывки. Увеличение содержания SiO₂ больше указанного значения приводит к чрезмерному увеличению поверхности катализатора, что приводит к диффузионным ограничениям и существенно снижает активность катализатора из-за затруднения удаления субстрата из реакционной среды и отравления фермента.

Увеличение содержания хитозана, 3-аминопропилтриэтоксисилана и глутарового альдегида выше указанных значений нецелесообразно, так как это не приводит к существенному увеличению активности и стабильности катализатора. Содержание активного компонента ниже представленного значения значительно снижает активность катализатора в реакции окисления органических субстратов, а увеличение его содержания нецелесообразно, так как, по результатам экспериментов, не приводит к существенному увеличению активности катализатора в реакции окисления органических субстратов.

Добавление этиленгликоля и этанола к Fe(NO₃)₃⋅9H₂O необходимо для восстановления ионов железа и образования магнетита Fe₃O₄ (FeO⋅Fe₂O₃), который обладает магнитными свойствами. Восстановление проводится при комнатной температуре в течение 6±0,5 часов для наиболее полного восстановления ионов железа. Уменьшение времени ниже указанных значений приводит к недовосстановлению ионов железа и существенному снижению магнитных свойств продукта, что существенно увеличивает потери катализатора в ходе реакции, а дальнейшее увеличение времени выше указанных значений не приводит к улучшению магнитных свойств и нецелесообразно из-за увеличения энергозатрат.

Смешивание Fe₃O₄ с неорганическими оксидами (SiO₂, Al₂O₃ или ZrO₂) с дальнейшим высушиванием и отжигом при температуре 250±5°С в течение 3±0,2 часов необходимо для формирования равномерной структуры вокруг магнитных наночастиц, что необходимо для увеличения площади поверхности катализатора и сохранения его магнитных свойств. При уменьшении температуры и времени отжига нижеуказанных значений уменьшается прочность и равномерность структуры носителя, что отрицательно сказывается на активности и стабильности катализатора. Дальнейшее увеличение температуры и времени отжига нецелесообразно, так как оно приводит к необратимым изменениям и разрушению структуры носителя, что существенно снижает активность и стабильность катализатора, а также требует дополнительных энергозатрат.

Выдерживание смеси в 3-аминопропилдтриэтоксисилане при температуре 90±2°С в течение 3±0,2 часов необходимо для увеличения содержания реакционноспособных аминогрупп на поверхности носителя. При уменьшении температуры и времени выдерживания нижеуказанных значений взаимодействие 3-аминопропилтриэтоксисилана с носителем проходит не полностью, что существенно снижает количество свободных функциональных аминогрупп на поверхности носителя, и, соответственно, снижает активность и стабильность получаемого катализатора. Дальнейшее увеличение температуры и времени выдерживания выше указанных значений нецелесообразно, так как оно не приводит существенному улучшению активности и стабильности катализатора, при этом требует дополнительных энергозатрат.

Выдерживание модифицированного носителя в растворе глутарового диальдегида в течение 1,0±0,1 часа необходимо для увеличения содержания свободных альдегидных групп на поверхности носителя. При уменьшении времени выдерживания ниже указанного значения взаимодействие глутарового диальдегида с аминогруппами носителя проходит не полностью, что существенно снижает количество свободных функциональных альдегидных групп на поверхности носителя, и, соответственно, снижает активность и стабильность получаемого катализатора. Дальнейшее увеличение времени выдерживания выше указанного значения нецелесообразно, так как оно не приводит существенному улучшению активности и стабильности катализатора.

Выдерживание модифицированного носителя в растворе глюкозооксидазы в течение 1,0±0,1 часа необходимо для обеспечения взаимодействия аминогрупп глюкозооксидазы с альдегидными группами на поверхности модифицированного носителя. При уменьшении времени выдерживания нижеуказанного значения взаимодействие аминогрупп глюкозооксидазы с альдегидными группами модифицированного носителя проходит не полностью, что существенно снижает количество прочно закрепленного на поверхности модифицированного носителя фермента, и, соответственно, снижает активность и стабильность получаемого катализатора. Дальнейшее увеличение времени выдерживания выше указанного значения нецелесообразно, так как оно не приводит существенному улучшению активности и стабильности катализатора.

Промежуточные промывки носителя между стадиями необходимы для удаления из его пор и с его поверхности неспецифически связанных реагентов.

Основными свойствами гетерогенных катализаторов процессов жидкофазного окисления органических соединений являются активность катализатора (ед/г), коэффициент иммобилизации (%) и сохранение начальной активности после 10 циклов использования в реакции окисления органического соединения.

Активность катализатора (А, мкМ (Glr) / (мг (GOx) х мин)) рассчитывают по формуле (1):

где Glr количество реагирующего органического соединения (ммоль), GOx - глюкозооксидаза, [GOx] количество (мг) нативного или иммобилизованного GOx, IC - коэффициент иммобилизации, V - объем реакционного раствора, т время реакции (60 минут).

Относительную активность катализатора определяют по формуле (2):

где А₀ и A_i - активности нативной и иммобилизованной глюкозооксидазы, соответственно.

Сохранение катализатором начальной активности после 10 циклов использования определяют по формуле (3):

где A₁ и А₁₀ - активность иммобилизованной глюкозооксидазы в 1-м и 10-м цикле использования, соответственно.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами и таблицами. Способ получения магнитоотделяемого катализатора описывается примерами 1-38, таблицами 1, 2 и 3. В таблице 3 представлен состав гетерогенных катализаторов процессов жидкофазного окисления органических соединений, получаемых в результате примеров 1-38.

Свойства получаемых магнитоотделяемых катализаторов окисления органических соединений согласно примерам 1-38 представлены в таблице 4.

Пример 1

10,0 г ZrO₂ помещают в раствор нитрата железа (8 г Fe(NO₃)₃⋅9H₂O в 50 мл этанола), смесь оставляют на 6 часов при постоянном перемешивании на воздухе для испарения этанола, сушат под вакуумом при комнатной температуре в течение 2 ч. В полученный продукт добавляют 15 мл этиленгликоля, отжигают в кварцевой трубе в трубчатой печи под аргоном до 250°С в течение 3 ч, охлаждают до комнатной температуры. Полученную смесь суспендируют в растворе хитозана (0,5 г хитозана в 100 мл 2 М уксусной кислоты), отделяют с помощью магнита, промывают дистиллированной водой, суспендируют в 100 мл раствора АПТЭС (1 мл АПТЭС в 100 мл подкисленной ледяной уксусной кислотой до рН=4 дистиллированной воды), добавляют 5 мл глицерина, выдерживают при температуре 90°С в течение 3 часов, промывают дистиллированной водой и метанолом, высушивают под вакуумом в течение 6 часов, суспендируют в 100 мл 2,5%-ного водного раствора глутарового диальдегида, отделяют с помощью магнита, промывают дистиллированной водой, суспендируют в растворе глюкозооксидазы (100 мг глюкозооксидазы в 100 мл фосфатного буферного раствора с рН=7,0) в течение 1 часа и отделяют с помощью магнита готовый катализатор.

Полученный катализатор имеет следующее соотношение компонентов, % масс:

-Fe₃O₄ - 9,73;

- SiO₂ - 64,02;

- хитозан - 3,20;

- 3-аминопропилтриэтоксисилан - 6,40;

- глутаровый диальдегид - 16,01;

- глюкозооксидаза - 0,64.

Активность катализатора определяют в реакции окисления органического соединения (например, D-глюкозы). Для исследования активности катализатора в термостатируемую стеклянную ячейку с возвратно-поступательным качанием вносят 0,1 г катализатора, 10 мг органического соединения (D-глюкозы) и 15 мл 0,1 М фосфатного буферного раствора (рН 6,0), перемешивают со скоростью 300 мин^-1 в течение 1 часа, после чего вводят кислород (скорость подачи от 440 до 450 мл / мин). Реакцию проводят при атмосферном давлении. После завершения реакции катализатор выделяют, а реакционную смесь исследуют с использованием ВЭЖХ.

Соотношения компонентов в катализаторе представлены в таблице 3. Свойства полученного катализатора представлены в таблице 4.

Пример 2

Аналогичен примеру 1, однако вместо ZrO₂ использовали SiO₂.

Основные параметры способа получения представлены в таблицах 1 и 2. Соотношение компонентов в катализаторе представлены в таблице 3. Свойства полученного катализатора представлены в таблице 4.

Пример 3

Аналогичен примеру 1, однако вместо ZrO₂ использовали Al₂O₃.

Основные параметры способа получения представлены в таблицах 1 и 2. Соотношения компонентов в катализаторе представлены в таблице 3. Свойства полученного катализатора представлены в таблице 4.

Из результатов, сведенных в таблице 3 и таблице 4 по примерам 1-3 видно, что оптимальной активностью и стабильностью обладает катализатор, полученный при использовании ZrO₂.

Пример 4

Аналогичен примеру 1, однако использовали 4 г Fe(NO₃)₃⋅9H2O.

Основные параметры способа получения представлены в таблицах 1 и 2. Соотношения компонентов в катализаторе представлены в таблице 3. Свойства полученного катализатора представлены в таблице 4.

Пример 5

Аналогичен примеру 1, однако использовали 6 г Fe(NO₃)₃⋅9H₂O.

Основные параметры способа получения представлены в таблицах 1 и 2. Соотношения компонентов в катализаторе представлены в таблице 3. Свойства полученного катализатора представлены в таблице 4.

Пример 6

Аналогичен примеру 1, однако использовали 10 г Fe(NO₃)₃⋅9H₂O.

Основные параметры способа получения представлены в таблицах 1 и 2. Соотношения компонентов в катализаторе представлены в таблице 3.

Свойства полученного катализатора представлены в таблице 4.

Пример 7

Аналогичен примеру 1, однако использовали 12 г Fe(NO₃)₃⋅9H₂O.

Основные параметры способа получения представлены в таблицах 1 и 2. Соотношения компонентов в катализаторе представлены в таблице 3. Свойства полученного катализатора представлены в таблице 4.

Из результатов, сведенных в таблице 3 и таблице 4 по примерам 1, 4-7 видно, что оптимальной активностью и стабильностью обладает катализатор, полученный при использовании 8 г Fe(NO₃)₃⋅9H₂O.

Пример 8

Аналогичен примеру 1, однако использовали 6 г ZrO₂. Основные параметры способа получения представлены в таблицах 1 и 2. Соотношения компонентов в катализаторе представлены в таблице 3. Свойства полученного катализатора представлены в таблице 4.

Пример 9

Аналогичен примеру 1, однако использовали 8 г ZrO₂. Основные параметры способа получения представлены в таблицах 1 и 2. Соотношения компонентов в катализаторе представлены в таблице 3. Свойства полученного катализатора представлены в таблице 4.

Пример 10

Аналогичен примеру 1, однако использовали 12 г ZrO₂. Основные параметры способа получения представлены в таблицах 1 и 2. Соотношения компонентов в катализаторе представлены в таблице 3. Свойства полученного катализатора представлены в таблице 4.

Пример 11

Аналогичен примеру 1, однако использовали 14 г ZrO₂. Основные параметры способа получения представлены в таблицах 1 и 2. Соотношения компонентов в катализаторе представлены в таблице 3. Свойства полученного катализатора представлены в таблице 4.

Из результатов, сведенных в таблице 3 и таблице 4 по примерам 1,8-11 видно, что оптимальной активностью и стабильностью обладает катализатор, полученный при использовании 10 г ZrO₂.

Пример 12

Аналогичен примеру 1, однако использовали 0,1 г хитозана. Основные параметры способа получения представлены в таблицах 1 и 2. Соотношения компонентов в катализаторе представлены в таблице 3. Свойства полученного катализатора представлены в таблице 4.

Пример 13

Аналогичен примеру 1, однако использовали 0,3 г хитозана. Основные параметры способа получения представлены в таблицах 1 и 2. Соотношения компонентов в катализаторе представлены в таблице 3. Свойства полученного катализатора представлены в таблице 4.

Пример 14

Аналогичен примеру 1, однако использовали 0,7 г хитозана. Основные параметры способа получения представлены в таблицах 1 и 2. Соотношения компонентов в катализаторе представлены в таблице 3. Свойства полученного катализатора представлены в таблице 4.

Пример 15

Аналогичен примеру 1, однако использовали 0,9 г хитозана. Основные параметры способа получения представлены в таблицах 1 и 2. Соотношения компонентов в катализаторе представлены в таблице 3. Свойства полученного катализатора представлены в таблице 4.

Из результатов, сведенных в таблице 3 и таблице 4 по примерам 1, 12-15 видно, что оптимальной активностью и стабильностью обладает катализатор, полученный при использовании 0,5 г хитозана.

Пример 16

Аналогичен примеру 1, однако использовали 0,2 мл АПТЭС. Основные параметры способа получения представлены в таблицах 1 и 2. Соотношения компонентов в катализаторе представлены в таблице 3. Свойства полученного катализатора представлены в таблице 4.

Пример 17

Аналогичен примеру 1, однако использовали 0,6 мл АПТЭС. Основные параметры способа получения представлены в таблицах 1 и 2. Соотношения компонентов в катализаторе представлены в таблице 3. Свойства полученного катализатора представлены в таблице 4.

Пример 18

Аналогичен примеру 1, однако использовали 1,4 мл АПТЭС. Основные параметры способа получения представлены в таблицах 1 и 2. Соотношения компонентов в катализаторе представлены в таблице 3. Свойства полученного катализатора представлены в таблице 4.

Пример 19

Аналогичен примеру 1, однако использовали 1,8 мл АПТЭС. Основные параметры способа получения представлены в таблицах 1 и 2. Соотношения компонентов в катализаторе представлены в таблице 3. Свойства полученного катализатора представлены в таблице 4.

Из результатов, сведенных в таблице 3 и таблице 4 по примерам 1,16-16 видно, что оптимальной активностью и стабильностью обладает катализатор, полученный при использовании 1 мл АПТЭС.

Пример 20

Аналогичен примеру 1, однако использовали 1,5%-ный раствор глутарового диальдегида. Основные параметры способа получения представлены в таблицах 1 и 2. Соотношения компонентов в катализаторе представлены в таблице 3. Свойства полученного катализатора представлены в таблице 4.

Пример 21

Аналогичен примеру 1, однако использовали 2%-ный раствор глутарового диальдегида. Основные параметры способа получения представлены в таблицах 1 и 2. Соотношения компонентов в катализаторе представлены в таблице 3. Свойства полученного катализатора представлены в таблице 4.

Пример 22

Аналогичен примеру 1, однако использовали 3%-ный раствор глутарового диальдегида. Основные параметры способа получения представлены в таблицах 1 и 2. Соотношения компонентов в катализаторе представлены в таблице 3. Свойства полученного катализатора представлены в таблице 4.

Пример 23

Аналогичен примеру 1, однако использовали 3,5%-ный раствор глутарового диальдегида. Основные параметры способа получения представлены в таблицах 1 и 2. Соотношения компонентов в катализаторе представлены в таблице 3. Свойства полученного катализатора представлены в таблице 4.

Из результатов, сведенных в таблице 3 и таблице 4 по примерам 1, 20-23 видно, что оптимальной активностью и стабильностью обладает катализатор, полученный при использовании 2,5% раствора глутарового диальдегида.

Пример 24

Аналогичен примеру 1, однако использовали 50 мг глюкозооксидазы. Основные параметры способа получения представлены в таблицах 1 и 2. Соотношения компонентов в катализаторе представлены в таблице 3. Свойства полученного катализатора представлены в таблице 4.

Пример 25

Аналогичен примеру 1, однако использовали 75 мг глюкозооксидазы. Основные параметры способа получения представлены в таблицах 1 и 2. Соотношения компонентов в катализаторе представлены в таблице 3. Свойства полученного катализатора представлены в таблице 4.

Пример 26

Аналогичен примеру 1, однако использовали 125 мг глюкозооксидазы. Основные параметры способа получения представлены в таблицах 1 и 2. Соотношения компонентов в катализаторе представлены в таблице 3. Свойства полученного катализатора представлены в таблице 4.

Пример 27

Аналогичен примеру 1, однако использовали 150 мг глюкозооксидазы. Основные параметры способа получения представлены в таблицах 1 и 2. Соотношения компонентов в катализаторе представлены в таблице 3. Свойства полученного катализатора представлены в таблице 4.

Из результатов, сведенных в таблице 3 и таблице 4 по примерам 1, 24-27 видно, что оптимальной активностью и стабильностью обладает катализатор, полученный при использовании 100 мг глюкозооксидазы, так как дальнейшее увеличение содержания глюкозооксидазы не приводит к увеличению активности биокатализатора.

Пример 28

Аналогичен примеру 1, однако отжиг смеси Fe₃O₄ и ZrO₂ проводился при температуре 230°С. Основные параметры способа получения представлены в таблицах 1 и 2. Соотношение компонентов в катализаторе представлены в таблице 3. Свойства полученного катализатора представлены в таблице 4.

Пример 29

Аналогичен примеру 1, однако отжиг смеси Fe₃O₄ и ZrO₂ проводился при температуре 240°С. Основные параметры способа получения представлены в таблицах 1 и 2. Соотношения компонентов в катализаторе представлены в таблице 3. Свойства полученного катализатора представлены в таблице 4.

Пример 30

Аналогичен примеру 1, однако отжиг смеси Fe₃O₄ и ZrO₂ проводился при температуре 260°С. Основные параметры способа получения представлены в таблицах 1 и 2. Соотношения компонентов в катализаторе представлены в таблице 3. Свойства полученного катализатора представлены в таблице 4.

Пример 31

Аналогичен примеру 1, однако отжиг смеси Fe₃O₄ и ZrO₂ проводился при температуре 270°С. Основные параметры способа получения представлены в таблицах 1 и 2. Соотношения компонентов в катализаторе представлены в таблице 3. Свойства полученного катализатора представлены в таблице 4.

Из результатов, сведенных в таблице 3 и таблице 4 по примерам 1, 28-31 видно, что оптимальной активностью и стабильностью обладает катализатор, полученный при отжиге смеси Fe₃O₄ и ZrO₂ при температуре 250°С.

Пример 32

Аналогичен примеру 1, однако отжиг смеси Fe₃O₄ и ZrO₂ проводился в течение 2 часов. Основные параметры способа получения представлены в таблицах 1 и 2. Соотношения компонентов в катализаторе представлены в таблице 3. Свойства полученного катализатора представлены в таблице 4.

Пример 33

Аналогичен примеру 1, однако отжиг смеси Fe₃O₄ и ZrO₂ проводился в течение 4 часов. Основные параметры способа получения представлены в таблицах 1 и 2. Соотношения компонентов в катализаторе представлены в таблице 3. Свойства полученного катализатора представлены в таблице 4.

Из результатов, сведенных в таблице 3 и таблице 4 по примерам 1, 32-33 видно, что оптимальной активностью и стабильностью обладает катализатор, полученный при отжиге смеси Fe₃O₄ и ZrO₂ в течение 6 часов.

Пример 34

Аналогичен примеру 1, однако обработка АПТЭС и глицерином проводилась при температуре 70°С. Основные параметры способа получения представлены в таблицах 1 и 2. Соотношения компонентов в катализаторе представлены в таблице 3. Свойства полученного катализатора представлены в таблице 4.

Пример 35

Аналогичен примеру 1, однако обработка АПТЭС и глицерином проводилась при температуре 80°С. Основные параметры способа получения представлены в таблицах 1 и 2. Соотношения компонентов в катализаторе представлены в таблице 3. Свойства полученного катализатора представлены в таблице 4.

Пример 36

Аналогичен примеру 1, однако обработка АПТЭС и глицерином проводилась при температуре 95°С. Основные параметры способа получения представлены в таблицах 1 и 2. Соотношения компонентов в катализаторе представлены в таблице 3. Свойства полученного катализатора представлены в таблице 4.

Из результатов, сведенных в таблице 3 и таблице 4 по примерам 1, 34-36 видно, что оптимальной активностью и стабильностью обладает катализатор, полученный при обработке АПТЭС и глицерином при температуре 90°С.

Пример 37

Аналогичен примеру 1, однако обработка АПТЭС и глицерином проводилась в течение 2 часов. Основные параметры способа получения представлены в таблицах 1 и 2. Соотношения компонентов в катализаторе представлены в таблице 3. Свойства полученного катализатора представлены в таблице 4.

Пример 38

Аналогичен примеру 1, однако обработка АПТЭС и глицерином проводилась в течение 4 часов. Основные параметры способа получения представлены в таблицах 1 и 2. Соотношения компонентов в катализаторе представлены в таблице 3. Свойства полученного катализатора представлены в таблице 4.

Из результатов, сведенных в таблице 3 и таблице 4 по примерам 1, 37-38 видно, что оптимальной активностью и стабильностью обладает катализатор, полученный при обработке АПТЭС и глицерином в течение 5 часов.

Таким образом, оптимальное соотношение компонентов магнитоотделяемого катализатора окисления органических соединений составляет, % масс:

- Fe₃O₄ - 9,58÷9,88;

- неорганический оксид (SiO₂, Al₂O₃ или ZrO₂) - 63,72÷64,32;

- хитозан - 3,0÷3,4;

- 3-аминопропилтриэтоксисилан - 6,2÷6,6;

- глутаровый диальдегид - 15,71÷16,31;

- глюкозооксидаза - 0,61÷0,67.

Предложенный способ позволяет получить магнитоотделяемый катализатор окисления органических соединений с повышенной активностью, селективностью, операционной стабильностью, который обладает способностью к отделению от реакционной среды за счет использования твердого носителя с большой площадью поверхности, высоко реакционноспособными аминогруппами на поверхности и магнитными свойствами.

Изобретение относится к химической промышленности. Предложены магнитоотделяемый катализатор окисления органических соединений, содержащий в качестве носителя магнитные наночастицы Fe₃O₄, модифицированные 3-аминопропилтриэтоксисиланом и неорганическим оксидом, выбранным из SiO₂, Al₂O₃ или ZrO₂, глутаровый диальдегид в качестве сшивающего агента и глюкозооксидазу из Aspergillus niger в качестве активного компонента, отличающийся тем, что носитель дополнительно включает хитозан, при следующем соотношении компонентов в % масс: Fe₃O₄ - 9,58÷9,88; неорганический оксид, выбранный из SiO₂, Al₂O₃ или ZrO₂ - 63,72÷64,32; хитозан - 3,0-3,4; 3-аминопропилтриэтоксисилан - 6,2÷6,6; глутаровый диальдегид - 15,71÷16,31;глюкозооксидаза - 0,61÷0,67; и способ синтеза магнитоотделяемого катализатора окисления органических соединений включает взаимодействие ферментсодержащего раствора с носителем, модифицированным для получения альдегидных групп на его поверхности. Технический результат - повышение активности, селективности, операционной стабильности гетерогенного катализатора в реакции жидкофазного окисления органических соединений и его способности к отделению от реакционной среды за счет использования твердого носителя с большой площадью поверхности, большим количеством аминогрупп на поверхности и магнитными свойствами, и неорганических оксидов, также проявляющих активность в окислении органических соединений. 2 н.п. ф-лы, 38 пр., 4 табл.

1. Магнитоотделяемый катализатор окисления органических соединений, содержащий в качестве носителя магнитные наночастицы Fe₃O₄, модифицированные 3-аминопропилтриэтоксисиланом и неорганическим оксидом, выбранным из SiO₂, Al₂O₃ или ZrO₂, глутаровый диальдегид в качестве сшивающего агента и глюкозооксидазу из Aspergillus niger в качестве активного компонента, отличающийся тем, что носитель дополнительно включает хитозан, при следующем соотношении компонентов в % масс:

- Fe₃O₄ - 9,58÷9,88;

- неорганический оксид, выбранный из SiO₂, Al₂O₃ или ZrO₂ - 63,72÷64,32;

- хитозан - 3,0-3,4;

- 3-аминопропилтриэтоксисилан - 6,2÷6,6;

- глутаровый диальдегид - 15,71÷16,31;

- глюкозооксидаза - 0,61÷0,67.

2. Способ получения магнитоотделяемого катализатора окисления органических соединений по п. 1, включающий взаимодействие ферментсодержащего раствора с носителем, модифицированным для получения альдегидных групп на его поверхности, отличающийся тем, что для получения катализатора 10,0±0,1 г неорганического оксида, выбранного из SiO₂, Al₂O₃ или ZrO₂, помещают в раствор нитрата железа, состава 8,0±0,1 г Fe(NO₃)₃⋅9H₂O в 50 мл этанола, смесь оставляют на 6,0±0,5 часов при постоянном перемешивании на воздухе для испарения этанола, сушат под вакуумом при комнатной температуре не менее 2,0±0,1 ч, в полученный продукт при перемешивании добавляют 15 мл этиленгликоля, отжигают в кварцевой трубе в трубчатой печи под аргоном до 250±5°С в течение 3,0±0,2 ч, охлаждают до комнатной температуры, суспендируют в растворе хитозана, состава 0,50±0,02 г хитозана в 100 мл 2 М уксусной кислоты, отделяют с помощью магнита, промывают дистиллированной водой, суспендируют в 100 мл раствора 3-аминопропилтриэтоксисилана, состава 1,00±0,05 мл 3-аминопропилтриэтоксисилана в 100 мл подкисленной ледяной уксусной кислотой до рН=4 дистиллированной воды, добавляют 5 мл глицерина, выдерживают при температуре 90±2°С в течение 3,0±0,2 часов, промывают дистиллированной водой и метанолом, сушат под вакуумом в течение 6,0±0,5 часов, суспендируют в 100 мл 2,5%-ного водного раствора глутарового диальдегида в течение 1,0±0,1 часа, отделяют с помощью магнита, промывают дистиллированной водой, суспендируют в растворе глюкозооксидазы, состава 100±1 мг глюкозооксидазы в 100 мл фосфатного буферного раствора с рН=7,0, в течение 1,0±0,1 часа и отделяют с помощью магнита.