Способ биокаталитической конверсии дибензотиофена
Владельцы патента RU 2527050:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) (RU)
Изобретение относится к способу биокаталитической конверсии дибензотиофена, который включает окисление исходного соединения пероксидом водорода в присутствии в качестве биокатализатора гемоглобина в смеси буферного раствора с ацетонитрилом, новизна которого заключается в том, что в качестве буферного раствора берут ацетатный буферный раствор, молярность которого составляет 40-60 мМ, а pH - 5.0-5.5, и процесс проводят при комнатной температуре при молярном соотношении исходных компонентов: дибензотиофен:гемоглобин:пероксид водорода как (1-2.5):1:(900-1100) и соотношении компонентов раствора в об.%: ацетатный буферный раствор:ацетонитрил как (2.5-3.5):1. Технический результат: разработан новый способ конверсии дибензотиофена с уменьшеным расходом катализатора, отсутствием процесса денатурации белка и, как следствие, наличием прозрачного раствора при достижении высокой степени селективности выхода ДБТО и 100% конверсии ДБТ. Изобретение может быть использовано в нефтеперерабатывающей промышленности при изготовлении моторного топлива. 1 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил, 1 табл., 1пр.
Изобретение относится к области биоорганической химии и может быть использовано в нефтеперерабатывающей промышленности при изготовлении моторного топлива.
В связи с возросшим использованием моторного топлива внимание исследователей всего мира привлекает проблема повышения его качества. Присутствующие в топливе сернистые соединения при сгорании образуют оксиды серы (SOx), которые приводят к загрязнению воздуха, образованию кислотных дождей, повреждению устройств контроля выхлопов парниковых газов [Song, С. New design approaches to ultra-clean diesel fuels / C. Song, X. Ma // Appl. Catal. B: Environmental. - 2003. - V. 41. - P.207-238]. В последние 20 лет исследователи всего мира активно изучают возможность использования для окислительного обессеривания углеводородного сырья биокатализаторов на основе ферментов.
Применение биокатализаторов обеспечивает ряд преимуществ:
а) мягкие условия проведения процесса,
б) минимальное воздействие на окружающую среду,
в) низкие энергетические затраты,
г) простота контроля процесса,
д) функционирование в широком диапазоне pH, температуры и ионной силы.
Однако высокая цена и низкая стабильность биокатализаторов сдерживает их масштабное применение.
Основным маркером, по которому оценивают качество моторного топлива (по содержанию сернистых соединений), и следят за эффективностью его переработки (конверсии), является дибензотиофен (ДБТ). В идеале, в моторном топливе ДБТ должен отсутствовать, то есть эффективность процесса конверсии должна составлять 100%.
Окислительное обессеривание ДБТ протекает в две стадии: на первой стадии образуется сульфоксид дибензотиофена (ДБТО), а на второй - соответствующий сульфон (ДБТО2).
Для обеспечения простоты аналитического контроля за качеством переработки моторного топлива необходимо, чтобы высокая степень конверсии ДБТ сочеталась с селективным выходом практически только по одному продукту - ДБТО. Кроме того, известно, что при экстракции сульфоксидов из топлива доля углеводородных примесей в экстрактах меньше, чем при извлечении сульфонов, поэтому наибольший для нефтепереработки практический интерес представляет окисление сернистых соединений до сульфоксидов, которое позволит сократить потери топлива в процессе обессеривания [Шарипов А.Х., Нигматуллин В.Р., Нигматуллин И.Р., Закиров Р.В. Химия и технол. топлив и масел, 2006, №6, с.45-51].
Известен способ биокаталитической конверсии ДБТ, включающий окисление исходного соединения пероксидом водорода в присутствии в качестве биокатализатора пероксидазы в смеси 200 мМ фосфатного буферного раствора с pH 8,0 и ацетонитрила при молярном соотношении исходных компонентов реакционной смеси: ДБТ:пероксид водорода как 0,267:0,005, при этом соотношение компонентов растворителя составляет в об.%: фосфатный буферный раствор:ацетонитрил как 3:1, при активности пероксидазы 0,06 IU/мл: процесс проводят при температуре 45°C в течение 60 мин (da Silva Madeira, L., Santana Ferreira-Leitao, V.S., da Silva Bon,. Dibenzothiophene oxidation by horseradish peroxidasein organic media: Effect of the DBT:H2O2 molar ratio and H2O2 addition mode, E.P. Chemosphere. 2008. 71. 189-194).
Однако макимальная конверсия дибензотиофена в этих условиях составила только лишь 59%, а выход ДБТО только 12%.
Известен способ биокаталитической конверсии ДБТ, включающий окисление исходного соединения пероксидом водорода в присутствии в качестве биокатализатора бычьего гемоглобина в смеси 20 мМ ацетатно-фосфатного буферного раствора при pH 5,2 и пропанола при молярном соотношении исходных компонентов: ДБТ:гемоглобин бычий:пероксид водорода как 23:2,5:1000, при этом соотношение компонентов растворителя составляет в об.%: ацетатно-фосфатный буферный раствор:пропанол как 3:1, процесс проводят при температуре 30°C и длительность его составляет 1 час. (Klyachko, N. L., Klibanov, А.М. Oxidation of Dibenzothiophene Catalyzed by Hemoglobin and Other Hemoproteins in Various Aqueous-Organic Media. 1992, Appl. Biochem. Biotechnol. 37, 53-68).
Однако хотя максимальная конверсия ДБТ достигает 99%, а выход ДБТО 89%, в выбранных условиях помимо биоконверсии происходит денатурация гемоглобина, вследствие которой он выпадает в осадок. Таким образом, катализатор теряет каталитическую активность и выводится из сферы реакции, что приводит к ее остановке и помутнению раствора реакционной смеси, что в свою очередь в дальнейшем усложняет пробоподготовку моторного топлива для аналитического контроля за эффективностью процесса биообессеривания.
Известен, принятый за прототип, способ биокаталитической конверсии ДБТ, включающий окисление исходного соединения пероксидом водорода в присутствии в качестве биокатализатора бычьего гемоглобина в смеси 60 мМ фосфатного буферного раствора при pH 6,1 и ацетонитрила при молярном соотношении исходных компонентов: ДБТ:гемоглобин бычий:пероксид водорода как 3:1.2:3000, при этом соотношение компонентов растворителя составляет в об.%: фосфатный буферный раствор:ацетонитрил как 5:1, процесс проводят при комнатной температуре, при этом длительность его составляет 4-5 часов, максимальная конверсия ДБТ достигает 74%, а выход ДБТО 100%. (Ortiz-Leon, М., Velasco, L., Vazquez-Duhalt, R. Biocatalytic oxidation of polycyclic aromatic hydrocarbons by hemoglobin and hydrogen peroxide. Biochem. Biophys. Res. Commun. 1995. V. 215. P.968 - 973.)
Однако длительность процесса снижает его технологичность, также как денатурация гемоглобина, вследствие которой он выпадает в осадок, что приводит к потере катализатором каталитической активности и остановке реакции. Кроме того, при этом раствор реакционной смеси мутнеет, что в дальнейшем усложняет пробоподготовку моторного топлива для аналитического контроля за эффективностью процесса биообессеривания.
Предлагаемое изобретение решает задачу создания наиболее технологичного процесса проведения максимальной конверсии дибензотиофена при достижении максимального выхода ДБТО.
Поставленная задача достигается способом биокаталитической конверсии дибензотиофена, включающим окисление исходного соединения пероксидом водорода в присутствии в качестве биокатализатора гемоглобина в смеси буферного раствора с ацетонитрилом, новизна которого заключается в том, что в качестве буферного раствора, берут ацетатный буферный раствор, молярность которого составляет 40-60 мМ, а pH - 5.0-5.5, и процесс проводят при комнатной температуре при молярном соотношении исходных компонентов: дибензотиофен:гемоглобин:пероксид водорода как (1 - 2.5):1:(900-1100) и соотношении компонентов раствора в об.%: ацетатный буферный раствор:ацетонитрил как (2.5-3.5):1.
Наиболее стабильные результаты получают при проведении процесса при температуре 25-30°C при молярном соотношении исходных компонентов: дибензотиофен:гемоглобин:пероксид водорода как 2.3:1:1000, при этом соотношение компонентов раствора составляет в об.%: ацетатный буферный раствор:ацетонитрил как 3:1.
Проведение процесса при соблюдении найденных авторами настоящего изобретения параметров концентраций позволяет провести процесс в отсутствие денатурации белка и, как следствие, наличии прозрачного раствора, что приводит к сокращению времени проведения реакции в 9 раз. Кроме того, уменьшается расход катализатора в 2,5 раза, что значительно удешевляет процесс, при этом достигается высокая степень селективности выхода ДБТО до 96%, при 100% конверсии ДБТ.
Таким образом, технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении скорости конверсии ДБТ, уменьшении расхода катализатора, отсутствии процесса денатурации белка и, как следствие, наличии прозрачного раствора при достижении высокой степени селективности выхода ДБТО и 100% конверсии ДБТ. Кроме того, предлагаемое изобретение минимизирует пробоподготовку моторного топлива для аналитического контроля за эффективностью процесса биообессеривания.
Краткое описание Фигур
На Фиг.1 приведена хроматограмма продуктов биоконверсии ДБТ в оптимальных условиях проведения процесса (молярное соотношение исходных компонентов: ДБТ:гемоглобин:пероксид водорода как 2.3:1:1000, соотношение компонентов растворителя в об.%: ацетатный фосфатный буферный раствор:ацетонитрил как 3:1).
В таблице 1 приведены показатели эффективности проведения заявляемого процесса при различных соотношениях исходных веществ и условиях проведения биоконверсии ДБТ, где
* Оптимальные условия биоконверсии ДБТ
** Прототип, 60 мМ фосфатный буферный раствор
Приведенные ниже примеры подтверждают, но не ограничивают заявляемый способ.
ПРИМЕР 1. Биокаталитическое окисление дибензотиофена пероксидом водорода в оптимальных условиях.
Для контроля конверсии ДБТИ используют стандартный метод градиентного элюирования: элюент А - вода, элюент Б - ацетонитрил (7:3). Скорость потока 0,5 мл/мин. Регистрацию данных и обработку хроматограмм проводят с использованием программного обеспечения ChemStation версии A 10.02. Используют хроматограф с диодно-матричным детектором, поскольку продукты реакции поглощают в УФ-области (λ=230 нм).
К 230 мкл 10 мМ ацетатного буферного раствора pH 5,2, молярность которого составляет 50 мМ, прибавляют 79 мкл ацетонитрила (итоговое (итоговое содержание в реакционной смеси 25 об.%), т.е. соотношение в об.%: ацетатный буферный раствор:ацетонитрил составляет 3:1.) прибавляют по каплям 46 мкл 2,55 мМ раствора дибензотиофена (концентрация в реакционной смеси составляет 230 мкМ дибензотиофена); 45 мкл 0,112 мМ раствора гемоглобина (катализатор). По каплям при перемешивании прибавляют 100 мкл 50 мМ раствора пероксида водорода (окислитель). При этом общее соотношение компонентов в смеси составляет в молях: ДБТ: гемоглобин:пероксид водорода как 2.3:1:1000, при этом соотношение компонентов растворителя в об.%: ацетатный буферный раствор:ацетонитрил как 3:1.
При прохождении реакции раствор остается совершенно прозрачным, осадка нет. В момент завершения прибавления окислителя и смешения растворов включают секундомер и через каждую минуту с помощью автосемплера вводят по 5 мкл раствора в хроматографическую колонку.
Полученная по стандартной методике методом градиентного элюирования хроматограмма при соотношении максимумов исходного и конечных продуктов конверсии ДБТ подтверждает (см. Фиг.1), что процесс завершился через 5 мин, при этом конверсия ДБТ составляет - 99±1%. Содержание ДБТО - 94±2%; ДБТО2-6±2%.
Для определения зависимости показателей эффективности проведения заявляемого процесса при различных соотношениях исходных веществ и условиях проведения биоконверсии ДБТ были проведены дополнительные исследования, результаты которых отражены в таблице 1.
Как видно из данных, представленных в таблице 1, проведение процесса в заявляемых параметрах (примеры 2-4) впервые позволяет сделать процесс максимальной конверсии ДБТ наиболее технологичным, а именно одновременное отсутствие денатурации белка и, как следствие, наличие прозрачного раствора, сокращение времени проведения реакции в 9 раз по сравнению с прототипом. Кроме того, уменьшается расход катализатора в 2,5 раза, что значительно удешевляет процесс, при этом достигается высокая степень селективности выхода ДБТО до 96%. Выход за пределы приведенных оптимальных интервалов приводит к недостаточной селективности по выходу продукта окисления ДБТ - ДБТО (пример 1), к значительному увеличению времени конверсии (пример 5-6), денатурации белка и, как следствие, потере прозрачности раствора (пример 6).
| Таблица 1. | ||||||||||||
| СПОСОБ БИОКАТАЛИТИЧЕСКОЙ КОНВЕРСИИ ДИБЕНЗОТИОФЕНА. | ||||||||||||
| № | Молярные соотношения компонентов реакционной смеси | Среда для биоконверсии, об.% соотношения растворов | Условия биоконверсии | Степень конверсии (для ДБТ) и выходы продуктов, вес.% | Прозрачность раствора | Длительность процесса | ||||||
| ДБТ | Гемо-глобин | H2O2 | Ацетонитрил | Ацетатный буферный раствор (50 мМ) | pH | T, °C | ДБТ | ДБТО | ДБТО2 | t, мин | ||
| 1 | 0.75 | 0,8 | 800 | 1 | 4 | 5.0 | 25 | 99±1 | 76±2 | 25±2 | + | 5 |
| 2 | 1 | 1 | 900 | 1 | 2,5 | 5.5 | 25 | 98±2 | 93±2 | 5±2 | + | 5 |
| 3 | 2.3* | 1 | 1000 | 1 | 3 | 5.2 | 25 | 99±1 | 94±2 | 6±2 | + | 5 |
| 4 | 2.5 | 1 | 1100 | 1 | 3,5 | 5.0 | 25 | 98±2 | 94±2 | 7±2 | + | 5 |
| 5 | 3.0 | 1.5 | 1200 | 1 | 3 | 6.0 | 30 | 68±1 | 30±2 | 2±2 | + | 60 |
| 6 | 2.3 | 2.5 | 2000 | 2 | 6.0 | 45 | 42±5 | 36±4 | 1±2 | - | 180 | |
| Прототип | ||||||||||||
| 3.0** | 1.2 | 3000 | 1 | фосфатный буферный раствор(60 мМ) 5 | 6.1 | 25 | 74 | 100 | 0 | - | 240-300 |
1. Способ биокаталитической конверсии дибензотиофена, включающий окисление исходного соединения пероксидом водорода в присутствии в качестве биокатализатора гемоглобина в смеси буферного раствора с ацетонитрилом, отличающийся тем, что в качестве буферного раствора берут ацетатный буферный раствор, молярность которого составляет 40-60 мМ, а pH - 5.0-5.5, и процесс проводят при комнатной температуре при молярном соотношении исходных компонентов: дибензотиофен : гемоглобин : пероксид водорода как (1-2.5):1:(900-1100) и соотношении компонентов раствора в об.%: ацетатный буферный раствор : ацетонитрил как (2.5-3.5):1.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс проводят при температуре 25-30°C при молярном соотношении исходных компонентов: дибензотиофен:гемоглобин:пероксид водорода как 2.3:1:1000, при этом соотношение компонентов раствора составляет в об.%: ацетатный буферный раствор:ацетонитрил как 3:1.
