Переносчики кислорода в биотехнологических процессах

ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ

УДК 663.1

Р. Т. Валеева, С. Г. Мухачев, С. А. Понкратова

ПЕРЕНОСЧИКИ КИСЛОРОДА В БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ

Ключевые слова: транспорт кислорода, переносчики кислорода.

Работа посвящена исследованиям, выполненным доктором технических наук, профессором, заслуженным деятелем Российской Федерации и Республики Татарстан Емельяновым Виктором Михайловичем в области массопереноса кислорода в биотехнологических процессах. Работа содержит материалы публикаций Емельянова В. М. и его учеников.

Key words: oxygen transport, carrier of oxygen.

The work is devoted to the research carried out by Doctor of Technical Sciences, Professor, Honored Worker of the Russian Federation and the Republic of Tatarstan by Victor Mikhailovich Emelyanov in the field of mass transfer of oxygen in biotechnological processes. The work contains materials from the publications of V.M. Emelyanov and his students.

Исследования по интенсификации

массопередачи кислорода в биотехнологических процессах с помощью переносчиков кислорода -поверхностно-активных веществ занимают одно из центральных мест в биотехнологических разработках, выполненных под руководством В.М.Емельянова, и нашли практическое применение в усовершенствовании процессов производства рибоксина, аминокислот, кормовых и спиртовых дрожжей, ферментов.

В 1976 году при кафедре химической кибернетики Казанского химико-технологического института была создана самая крупная в СССР отраслевая лаборатория Главмикробиопрома «Инженерные проблемы биотехнологии». Лаборатория выполняла поисковые работы в области биотехнологии и разрабатывала методические основы и технические средства для выполнения исследований стехиометрии и кинетики микробиологических процессов, корректной оценке технологических характеристик новых штаммов промышленных микроорганизмов [1].

Около 40 лет назад В. М. Емельянов - выпускник данной кафедры, начал изучение возможности активного транспорта кислорода в системах ферментации. Им разработан принципиально новый подход к интенсификации и регулированию скорости переноса кислорода [2]. Идея диффузионного шунта в условиях ферментации заключается в создании во внешней цепи переноса кислорода (газ-жидкость-клетка) дополнительной кислородопроводности, шунтирующей

диффузионное сопротивление массопередачи из газа в жидкость. Из-за плохой растворимости кислорода сопротивление на границе фаз «газ-жидкость» ограничивает скорость транспорта кислорода в процессах ферментации. Шунтирующая «кислородопроводность» создается введением в культуральную жидкость соединений -переносчиков кислорода, выполняющих функцию, аналогичную гемоглобину крови в организме животных.

Это направление исследований и сейчас остается актуальным в связи с разработками технологий на основе использования плотных культур, что в случаях применения аэробных микроорганизмов требует существенного повышения скорости транспорта кислорода. Поэтому основной задачей в области совершенствования биотехнологических процессов с использованием аэробных микроорганизмов является создание эффективных переносчиков кислорода, которые могут найти широкое применение в биотехнологической промышленности, включая крупнотоннажные производства, которые требуют значительных энергетических затрат для осуществления массообмена между газом и жидкостью. Переносчики кислорода могут найти применение и при решении задач в области медицины, биологии, физической и органической химии [3].

Еще в 20 веке были получены хорошие результаты при создании оболочки из сополимера стирола и винилимидазола. Однако скорость поглощения кислорода такими системами, имитирующими клетки эритроцитов, в несколько десятков раз меньше, чем у природных переносчиков. Уменьшение толщины пленки не сказывается существенно на скорости связывания кислорода. При создании безоболочечных синтетических переносчиков на основе комплексов гема с винилимидазоловыми полимерами скорости газопоглощения выше, но устойчивость таких систем против агрегации и необратимого окисления невелика [4, 5].

Особый интерес для интенсификации окислительных процессов представляют вещества, лабильно сорбирующие кислород. В частности, низкомолекулярные синтетические комплексы металлов, которые могут обратимо соединяться с молекулярным кислородом [6], такие как комплексы кобальта (III), комплексы кобальта (II) с основаниями Шиффа, аминокислотами и пептидами в качестве лигандов [4, 7, 8]. Способностью переносить кислород обладают также иридиевый

комплекс Васка, комплексы с диметилглиоксимом и родственными ему лигандами, в том числе и фталоцианиновые комплексы переходных металлов. В технологических системах с применением этих комплексов кислород легко десорбируется током инертного газа и при нагревании. Число соединений, обратимо присоединяющих кислород невелико, а техническому применению их еще препятствует необратимое окисление хелатного комплекса, в результате которого после нескольких сотен циклов окисления и восстановления существенно уменьшается кислородная емкость.

Большого внимания заслуживают катализаторы, которые содержат в своей структуре порфириноподобные ядра, координирующие ионы переходных металлов [4, 9-11], это широко известные красящие пигменты фталоцианины и их комплексы. Перспективным считается применение фталоцианинов в качестве катализаторов окисления-восстановления в промышленном синтезе, ферментационном катализе, в электрохимических процессах лежащих в основе каталитического восстановления кислорода в топливных элементах. Многие металлы образуют устойчивые комплексы с фталоцианином. Так, Со2+ образует устойчивое соединение, а для перевода его в Со3+ требуются специальные окислительные условия [8].

В литературных источниках имеются сведения, свидетельствующие о более высоких окислительных способностях натриевой соли сульфированного фталоцианина кобальта по сравнению с фталоционином кобальта. Известны результаты по изучению каталитической активности натриевой соли дисульфокислоты фталоцианина кобальта в реакции окисления пентаметилендитикарбамита натрия [12].

Для биотехнологии представляет интерес видоизменение питательных сред таким образом, чтобы они растворяли большее количество кислорода. Следует отметить существенное повышение скорости массопередачи кислорода в ферментационной среде, содержащей углеводороды [13, 14].

Большой интерес представляют проведенные ранее работы по исследованию кровезаменителей на основе гексафторсоединений [15, 16], которые служат носителями кислорода. Еще в середине семидесятых годов 20 века было показано, что 12% эмульсия FC-47, используемая вместо крови, может сохранять жизнь собакам. Основные составляющие этой эмульсии F-3-n-бутиламин и плуроник F-68. Последний является блоксополимером окиси полиэтилена и окиси пропилена и используется как поверхностно активное вещество для стабилизации эмульсий. Фторорганические соединения неполярны, термостойки, химически инертны [4, 1723]. Многие газы, такие как кислород и углекислый газ, обладают достаточно высокой растворимостью во фторорганических средах. Хотя кислородоемкость эмульсий на основе гексафторсоединений [24] и способность отдавать кислород ниже, чем у гемоглобина. Использование перфторсоединений в качестве переносчиков

кислорода в клинической практике нашло ограниченное применение, однако эксперименты были полезны для развития фундаментальных работ в медицине. Дальнейший синтез химически инертных перфторсоединений, проводимый и до настоящего времени, значительно расширил возможности их использования, открыл новые области применения. В настоящее время, исследовательская деятельность по

перфторуглеродной тематике активно проводится многими лабораториями и институтами России и Содружества Независимых Государств [25, 26].

Ферменты, катализирующие реакции восстановления молекулярного кислорода в клетке и отвечающие за транспорт и хранение молекулярного кислорода, содержат в своем составе металлы переменной валентности: железо, медь, кобальт, марганец и другие [7, 8, 15] Подобные процессы характеризуются небольшими тепловыми эффектами. Координируемая молекула кислорода

при этом имеет характер [4,24,27]. Наибольшей активностью обладают лабильные кислородные комплексы, в которых связь металл-кислород имеет преимущественно ковалентный характер.

При адсорбции кислорода на окислах металлов переменной валентности образуются его активные формы, при этом большая часть кислорода находится в хемосорбированном состоянии [4, 28]. Достаточно хорошо изучен и диоксид марганца [2] -порошок черного или коричнево-черного цвета с плотностью 5,026 10-3 кг/м3 и температурой разложения 535°С [29] - окисел металла переменной валентности. В силу специфических особенностей строения диоксид марганца является эффективным переносчиком кислорода [30].

В литературных источниках широко обсуждается участие в реакциях каталического окисления разнообразных форм кислорода, адсорбированных на диоксиде церия и отличающихся реакционной способностью [31, 32]. В литературе имеются сведения и о возможной молекулярной адсорбции кислорода на поверхности окисла редкоземельного металла - диоксида церия [2, 33]. Так в работах [34] представлены результаты тестирования диоксида церия марки ЦО-г-1 - порошка светло-желтого цвета с плотностью 7,3 • 10-3 кг/м3 и температурой плавления 2500°С и выше, хелатного комплекса натриевой соли дисульфокислоты фталоцианина кобальта - темно-синего порошка с плотностью 1,8710-3 кг/м3 и температурой плавления 300°С, аэрированных и обескислороженных продувкой азотом или добавкой сульфита натрия.

Однако использование отмеченных классов веществ в качестве переносчиков затруднено ввиду сложности отделения переносчиков от ферментационной среды. Создание переносчиков кислорода на основе полимерных носителей позволяет достаточно просто отделять их от среды. Полимерные переносчики легко гранулируются и для увеличения поверхности контакта могут быть получены в виде пористых структур. Известно, что число таких соединений чрезвычайно велико. В работах [35] исследовались различные сополимеры,

например, полисорб I - сополимер этилена с винилацетатом.

Во многих работах в качестве переносчиков кислорода рассматривались эмульсии полностью фторированных углеводородов - перфтордекалин (ПФД) и перфтортрибутиламин [2, 26, 36, 37]. Такие соединения представляют собой несмешивающиеся с водой маслообразные жидкости без запаха, с низким поверхностным натяжением. Они обладают высокой плотностью и вязкостью, являются химически неактивными и очень устойчивыми [38].

Для процессов с использованием аэробных микроорганизмов перспективным переносчиком кислорода является неионогенное поверхносто-активное вещество «Проксанол»

(оксиэтилированный полипропиленгликоль),

получаемый последовательным присоединением к пропилен гликолю сначала окиси пропилена, а затем окиси этилена - блок-сополимер окиси этилена и окиси пропилена [39, 40]. Неионогенные ПАВ в отличие от других видов ПАВ не диссоциируют при растворении, их растворимость в воде определяется наличием гидрофильной части молекулы [41]. Неионогенные ПАВ наиболее перспективный и развивающийся класс веществ. Эти соединения отличаются низкой гигроскопичностью, высокой химической стойкостью и не токсичны. Наличие гидрофильной оксиэтиленовой цепи обуславливает появление у неионогенных ПАВ характерных свойств, не встречающихся у ПАВ других классов. При взаимодействии оксиэтиленовых групп ПАВ с водой образуются водородные связи. Присоединение молекул воды делает оксиэтилироавнные соединения растворимыми в воде [42]. Проксанолы - это ПАВ, у которых гидрофобный радикал находится в центре молекулы, а гидрофильные на концах. Наиболее эффективные ПАВ, состоящие из гидрофильных и гидрофобных блоков мономеров, имеющие высокое сродство к воде, отличаются значением ГЛБ (гидрофильно-липофильный баланс) = 15-18 [43].

Проксанолы нашли применение в медицине в качестве компонента газопереносящей среды-искусственной крови [44]. В качестве биологически активного вещества «Проксанол» исследовали на изолированном сердце [45], эритроцитах и митохондриях [46].

Проксанолы используются для активации процессов в живых биологических системах, они хорошо растворяются в воде, безвредны, обладают достаточной эмульгирующей способностью. Наиболее приемлемыми по данным биологического и физико-химического тестирования являются проксанолы:, содержащие не более 20% оксипропиленого блока [47]. Найдено, что лучшими по всем параметрам являются проксанолы 168 и 268, синтезирующиеся из доступных мономеров, с молекулярной массой 7200 и 5700 соответственно.

Полученные Емельяновым Виктором Михайловичом, его учениками и коллегами экспериментальные данные и авторские свидетельства подтверждают эффективность применения переносчиков кислорода для

интенсификации биосинтеза ферментов, антибиотиков, процессов получения лизина, кормовых дрожжей и белково-витаминных концентратов, в процессах микробиологического окисления Д-сорбита в L - сорбозу в присутствии уксуснокислых бактерий Acetobacter xylinum, в процессах выращивания пекарских, спиртовых дрожжей, в процессах биодеградации нефтяных загрязнений в воде и почве, в процессах биологической очистки сточных вод [48-55].

Литература

1. В.М. Емельянов, С.Г. Мухачев, А. С. Сироткин Вестник КГТУ, 4, 105-119 (2010).

2. В.М. Емельянов, Дисс. канд. техн. наук, КХТИ, Казань, 1978. 180 с.

3. Н.К. Филиппова, В.М. Емельянов, И.С. Владимирова, Р.Т. Валеева, Биотехнология, 1, 49-53 (2002).

4. В.М. Емельянов. Дисс. докт. техн. наук, КХТИ, Казань, 1988. 364 с.

5. А.П. Пурмаля, Структура и связь. Мир, Москва, 1969. 360 с.

6. A.E. Maltell, N. Calvin, Chemistry of Metal Chelate Compounds, Prentice Hall Jnc, New York, 1953. 336 p.

7. М. Хьюз, Неорганическая химия биотехнологических процессов. Мир, Москва, 1983. 414 с.

8. Б.Д. Березин, Координационные соединения порфиринов и фталоцианина. Наука, Москва, 1978. 280 с.

9. М.И. Базанов, С.Н. Побединский, Н.Р. Крапивина, Вопросы кинетики и катализа, 92-96 (1982).

10. J.A.R. Vanveen, C. Visser, Electrochimica Acta, 24, 9, 921-928 (1979).

11. Д. Шопов, Проблемы химической кинетики. Наука, Москва, 1979, С. 260-266.

12. Г.Ф. Титова, Т.А. Ананьева, М.И. Альянов, Вопросы кинетики и катализа, 21-25 (1982).

13. A.Mimura, I. Takeda, R. Wakasa, Biotechnol. andBioeng. Simp, 4, 467-484 (1973).

14. C.V. Coty, R. L. Gorring, I. J. Heilweil, R.I. Leavitt, S. Srinivasan, Biotechnol. and Bioeng., 13, 6, 825-842 (1971).

15. P. Adlercreutz, B. Mattiasson, Eur. J. Appl. Microbiol. and Biotechnol., 16, 4, 165-170 (1982).

16. G. Riese, M. Blanc, Angew. Chem., 90, 654-668 (1978).

17. И.Л. Кнунянц, Химический энциклопедический словарь. Советская энциклопедия, Москва, 1983. 792 с.

18. H. Oh Yahagi, T. Mitsumo, Tenth International Congress for Nutrition: Symposium on Perfluorochemical Artificial Blood (Kyoto, Japan, 1976). Abstracts. Kyoto, 1976. 21 p.

19. T.M.S. Chang, R.P. Geyer, Blood substitutes, 403-409 (1989).

20. K.C. Lowe, E. Horwood, Blood substitutes: Preparation, Physlology and Medical Applications, 149-172 (1988).

21. Н.М. Барон, Краткий справочник физико-химических веществ. Химия, Ленинград, 1974. 200 с.

22. И.Л. Кнунянц, А.В. Фокин, Мир фторуглеродов. Знание, Москва, 1968. 64 с.

23. И.Н. Кузнецова, Н.Ш. Гофман, Проблемы гемттологии и переливания крови, 26, 6, 51-54 (1981).

24. О.Н. Эмануэль, А.М. Сахаров, И.П. Скибида, Изв. Ан. СССР Серия Химия, 12, 2692-2699 (1975).

25. С.И. Воробьев, Общество православных врачей, 1-19 (2010).

26. Пат. РФ 2518313 (2014).

27. Ю.П. Солоницин, Кинетика и катализ, 7, 2, 327-329 (1966).

28. К.Н. Спиридонов, О.В. Крылов, Проблемы кинетики и катализа, 16, 7-49 (1975).

29. Б.П. Никольский, Справочник химика: Основные свойства органических и неорганических соединений, Ленинград, 1971. 1168 с.

30. В.М. Емельянов, З.М. Билялова, И.С., Р.Т Валеева, Acta Biotechnologica, 8, 4, 335-340 (1988).

31. В.А. Лядо, Кинетика и катализ, 7, 3, 475-479 (1966).

32. Л.А. Сазонов, В.Д. Соколовский, Г.К. Боресков, Кинетика и катализ, 7,3, 521-524 (1966).

33. N.Z. Misak, E.M. Mikhail, J. Appl. Chem. and Biotechnol., 28, 7, 499-507 (1978).

34. З.М. Билялова, Дисс.канд. тех. Наук, КХТИ, Казань, 1987. 171 с.

35. Ю.Н. Зуй, Дисс. канд. тех. наук, КХТИ, Казань, 1987. 156 с.

36. В.А. Симаков, В сб. Перфторированные углероды в биологии и медицине. ОНТИ НЦБИ АН СССР, Пущино, 1980. С.138-150.

37. Г.Д. Иоселиани, М.А. Лабадзе, В.М. Гурчиани, Н.О. Ломидзе, С.М. Чилая, В сб. Перфторированные углероды в биологии и медицине. ОНТИ НЦБИ АН СССР, Пущино, 1980. С.150-158.

38. Г.Д. Иваницкий, В.В. Архипов, Ф.Ф. Белоярцев, Доклады Академии Наук, 258, 1, 225-228 (1981).

39. T.V Sakhno, V.M. Emelyanov, V.M. Kurashov, Remediation Engineering of Contaminated Soils, Edition of Marcel Dekker, 13, 279-289 (2000).

40. Э.Ф. Илларионов, Е.И. Маевский, Ю.Э. Кирш, Г.И. Быстрицкий, В сб. науч. тр. Фторуглеродные газопереносящие среды. Пущино, 1984. С.70-78.

41. А.А. Абрамзон, Поверхностно-активные вещества: Свойства и применение. Химия, Ленинград, 1981. 304 с.

42. В.П. Закупра, Анализ ПАВ. Техника, Киев, 1972. 186 с.

43. И.С. Владимирова Дисс. канд. техн. наук, КГТУ, Казань, 1990. 146 с.

44. Н.И. Афонин, Ю.Р. Рыболовлев, Т.К. Утятина, Проблемы гематологии, 10, 12-14, (1982).

45. Б.И. Исламов, Е.И. Маевский, С.И. Воробьев, Е.М. Кобринский, М.Е. Саксон, Вестник АМН СССР, 2, 4045 (1987).

46. Ф.Ф. Белоярцев, Б.И. Исламов, Е.И. Маевский, Перфузионный и бесперфузионный методы защиты миокарда с помощью эмульсии перфторуглеродов. Информационный материал, Пущино, 1983. С.4-8.

47. Э.Ф. Илларионов, Е.И. Маевский, Ю.Э. Кирш, Фторуглеродные газопереносящие среды. Пущино, 1984. С. 73-78.

48. А. Стиканс, В.Н. Шарифуллин, В.М. Емельянов, И.С. Владимирова, Известия ВУЗов, 6, 40 (1991).

49. Р.Т. Валеева, С.Г. Мухачев, В.М. Емельянов, Производство спирта и ликероводочных изделий, 4, 2021 (2006).

50. Р.Т. Валеева, С.Г Мухачев, М.Ю. Шурбина, О. В. Красильникова, Э.И. Нуретдинова, Вестник Казанского технологического университета, 18, 2, 141-143 (2015).

51. И.С. Владимирова, В.М. Емельянов, Н.К. Филиппова, Л.Ю. Кошкина, Вестник Казанского технологического университета, 2, 90-95 (2009).

52. С.Г. Мухачев, В.М. Емельянов, Ю.П. Александровская, Биотехнология, 3, 71-78 (2005).

53. Р.Т. Валеева, С.Г Мухачев, А.И. Кашапова, Э.И. Нуретдинова, М.Ю. Шурбина Вестник Казанского технологического университета, 20, 156-158 (2014).

54. Пат. РФ 2408720 (2011).

55. К.А. Захарова, М.В. Шулаев, В.М. Емельянов, Вестник Казанского технологического университета, 4, 188-193 (2007).

© Р.Т. Валеева - канд. техн. наук, доцент кафедры химической кибернетики КНИТУ, valrt2008@rambler.ru; С. Г. Мухачев -канд. техн. наук, доцент кафедры химической кибернетики КНИТУ; С. А. Понкратова - канд. техн. наук, доцент кафедры химической кибернетики КНИТУ.

© R .T. Valeeva - candidate of chemical science, associate Professor Department of Chemical Cybernetics, KNRTU, valrt2008@rambler.ru; S. G. Mukhachev - candidate of chemical science, associate Professor Department of Chemical Cybernetics, KNRTU; S. A. Ponkratova - candidate of chemical science, associate Professor Department of Chemical Cybernetics, KNRTU.