Новости
Библиотека
Таблица эл-тов
Биографии
Карта сайтов
Ссылки
О сайте


Пользовательского поиска




предыдущая главасодержаниеследующая глава

4. Гетерогенные катализаторы образования водорода на основе иммобилизованных гидрогеназ

Существенной особенностью реальных условий, в которых работают ферменты в нативном состоянии в клетках, является гетерогенный характер систем. Если анализировать действие ферментов в биологических системах, то в большинстве случаев можно обнаружить, что ферменты иммобилизованы в биологической мембране. В этих условиях на кинетику процесса определенное влияние может оказывать процесс диффузии и массопереноса субстратов и продуктов реакции. Если скорости ферментативных реакций высоки, а процесс диффузии затруднен, скорость реакции в целом будет зависеть от скорости диффузии реагентов.

Исследование процессов массопереноса составляет существенную часть изучения гетерогенных химических реакций. Массоперенос играет важную роль в гетерогенно-каталитических реакциях, в электрохимических процессах. Поэтому проблемам диффузии и массопереноса в химических системах в течение многих лет уделяется большое внимание [344-351].

Большинство задач макрокинетики удовлетворительно могут быть решены лишь при использовании вычислительной техники. В ферментативном катализе проблемы диффузионного массопереноса начали привлекать внимание исследователей в связи с изучением кинетики действия ферментов, иммобилизованных на твердых матрицах [352-359] (табл. 21).

Таблица 21. Асимптотические решения гетерогенной задачи для случая плоской мембраны
Таблица 21. Асимптотические решения гетерогенной задачи для случая плоской мембраны

Где υмакс, КМ - максимальная скорость и константа Михаэлиса соответственно; А - поверхность; D - коэффициент диффузии; [S]i - концентрация субстрата в мембране при x = 0; l - толщина мембраны; Ф - модуль Тиле; ν = KM/[S]i].

В настоящей книге теоретически и экспериментально рассмотрено кинетическое поведение бактериальных иммобилизованных гидрогеназ, являющихся терминальными ферментами образования молекулярного водорода в биокаталитических системах получения водорода. Задача настоящего раздела состоит в анализе процессов в условиях, когда на кинетику реакции оказывает влияние массоперенос внутри частицы катализатора. Процессы внешнедиффузионного массопереноса особенно важны в электрохимических системах. В нашей книге изучение кинетического проявления внешней диффузии связано с разработкой катализаторов электрохимических реакций на основе иммобилизованных ферментов и рассмотрено в гл. IV.

Для описания работы системы с иммобилизованным ферментом в гетерогенных условиях требуется совместное решение уравнений материального баланса для системы в целом и уравнений, описывающих одновременное протекание массопереноса в результате диффузии и химической реакции [354-359].

Для математического моделирования гетерогенно-каталитической системы обычно принимаются следующие допущения:

1. Диффузия субстрата внутри матрицы может быть представлена первым законом Фика с эффективным коэффициентом диффузии Dэф (в дальнейшем он обозначается просто D), не зависящим от концентрации и усредненным по всей частице.

2. Отсутствуют специфические взаимодействия между субстратом и пористым носителем.

3. Скорость ферментативной реакции описывается уравнением Михаэлиса-Ментен, в котором υмакс и КМ - кинетические константы иммобилизованного фермента, которые предполагаются постоянными по всей частице.

Рассмотрено будет решение стационарной задачи, когда увеличение концентрации субстрата в элементе объема катализатора за счет диффузии компенсируется расходом его в результате ферментативной реакции.

Изложенный макрокинетический подход к анализу действия гетерогенных катализаторов на основе иммобилизованных ферментов был применен нами при создании катализаторов образования водорода. Основная сложность в анализе системы в нашем случае связана с двухстадийным характером процессов образования водорода.

В нашей работе гидрогеназы из различных источников были иммобилизованы на (в) матрицы различной полимерной природы: на стекло, высокодисперсный углерод, органические полупроводниковые матрицы, в полиакриламидный гель.

Из общих соображений ясно, что измеряемые на опыте активности - это эффективные величины, зависящие от целого ряда параметров, таких как количество иммобилизованного фермента, размер и пористость частиц катализатора, концентрация субстрата при определении активности и некоторые другие. Нужно было провести теоретический анализ влияния различных факторов на эффективную каталитическую активность с целью создания экспериментально обоснованной кинетической модели, позволяющей рассчитывать параметры действия катализатора. Для этого нами была поставлена работа по исследованию кинетики действия иммобилизованной гидрогеназы. В качестве модельной системы была выбрана гидрогеназа Т. roseopersicina, иммобилизованная в гель полиакриламида, что связано с высокой стабильностью фермента, позволяющей проводить эксперименты с одним препаратом в течение месяца, а также достаточной воспроизводимостью и возможностью вариации параметров носителя.

Для упрощения теоретического анализа и решения диффузионного уравнения в одномерном варианте экспериментально была исследована реакция выделения водорода из плоских мембран различной толщины, прикрепленных ко дну реактора специальной конструкции.

Гидрогеназа фототрофных бактерий Th. roseopersicina была иммобилизована в полиакриламидный гель концентрации 24% (2% по бисакриламиду) по методике, аналогичной [360]. Полимеризацию геля с ферментом проводили непосредственно в рабочем реакторе. При иммобилизации сохраняло каталитическую активность приблизительно 40% фермента. В специальном эксперименте было показано, что фермент практически не диффундирует из гелевой фазы (в промывных водах при длительном контакте с гелем отсутствует ферментативная активность).

Мембраны полиакриламидного геля с иммобилизованной гидрогеназой различной толщины и площадью поверхности 10 см2 приводили в контакт с перемешиваемым буферным раствором, pH = 7,8, содержащим заданные концентрации метилвиологена. После насыщения мембраны метилвиологеном в анаэробных условиях в реактор добавляли известное количество дитионита натрия и хроматографически исследовали содержание водорода в газовой фазе над раствором.

В специальных экспериментах было показано, что гидрогеназа Th. roseopersicina, иммобилизованная в полиакриламидный гель, достаточно стабильна. Активность фермента сохраняется на начальном уровне по крайней мере в течение месяца (рис. 19).

Рис. 19. Стабилизация гидрогеназы Т. roseopersicina при иммобилизации в полиакриламидный гель: 1 - нативный; 2 - иммобилизованный фермент
Рис. 19. Стабилизация гидрогеназы Т. roseopersicina при иммобилизации в полиакриламидный гель: 1 - нативный; 2 - иммобилизованный фермент

Реакция выделения водорода из восстановленной формы метилвиологена - "классический" тест на гидрогеназную активность. Схему протекающих при этом реакций можно представить в виде

(2.59)

где S1 - дитионит натрия; S2' и S2 - окисленная и восстановленная формы метилвиологена; а - число электронов, переносимых с донора S1 на метилвиологен. Первая стадия реакции - восстановление метилвиологена дитионитом натрия в растворе, протекает быстро, практически мгновенно. Экспериментально доказано, что превращение метилвиологена в "голубую" восстановленную форму состоит в присоединении одного электрона. Вторая стадия реакции представляет собой ферментативный процесс образования водорода, кинетика реакции описывается уравнением Михаэлиса-Ментен. Таким образом, введение в раствор, содержащий метилвиологен и иммобилизованный фермент, дитионита натрия вызывает катализируемый гидрогеназой процесс образования молекулярного водорода.

В эксперименте мембраны с иммобилизованной гидрогеназой "насыщали" метилвиологеном до равновесного состояния. Реакцию инициировали добавлением дитионита натрия. После начального нестационарного периода продолжительностью 2-3 ч реакция переходила в стационарный режим, характеризуемый постоянной скоростью выделения водорода. Кинетические закономерности реакции нами исследовались в условиях стационарного состояния. С повышением парциального давления водорода в газовой фазе в течение опыта скорость реакции не изменялась, это указывает на отсутствие обратной реакции окисления водорода. Типичные кинетические кривые приведены на рис. 20.

Рис. 20. Типичные кинетические кривые образования водорода в системе иммобилизованная гидрогеназа Т. roseopersicina - метилвиологен - дитионит натрия для мембран толщиной 0,8 см площадью 10 см2. Концентрации субстратов: 1 - [S1]0 = 1.10-2 М, [S2]0 = 1.10-3 М; 2 - [S1]0 = 4,2.10-3 М, [S2]0 = 1.10-5 М; 3 - [S1]0 = 1,4.10-3 М, [S2]0 = 1.10-3 М; 4 - [S1]0 = 4,2.10-5 М, [S2]0 = 5.10-7 М [361, 362]
Рис. 20. Типичные кинетические кривые образования водорода в системе иммобилизованная гидрогеназа Т. roseopersicina - метилвиологен - дитионит натрия для мембран толщиной 0,8 см площадью 10 см2. Концентрации субстратов: 1 - [S1]0 = 1⋅10-2 М, [S2]0 = 1⋅10-3 М; 2 - [S1]0 = 4,2⋅10-3 М, [S2]0 = 1⋅10-5 М; 3 - [S1]0 = 1,4⋅10-3 М, [S2]0 = 1⋅10-3 М; 4 - [S1]0 = 4,2⋅10-5 М, [S2]0 = 5⋅10-7 М [361, 362]

Было проведено экспериментальное изучение потоков водорода в зависимости от концентраций растворимых компонентов системы (дитионит натрия, метилвиологен); варьировалась также концентрация фермента в мембранах. Измерения проводились с десятью мембранами различной толщины: от 0,1 до 1,0 см. Типичные экспериментальные результаты (серии измерений с пластинками толщиной 0,8 см) представлены на рис. 21. Видно, что скорость реакции зависит от концентрации как метилвиологена, так и дитионита натрия. Это существенно отличает кинетику реакции в гетерогенной системе от кинетики реакции в растворе. Эксперименты с растворимым ферментом показали, что избыток дитионита натрия никоим образом не влияет на скорость процесса, а лишь переводит метилвиологен из окисленной формы в восстановленную, обеспечивая тем самым постоянную концентрацию восстановленного метилвиологена. В гетерогенной же реакции начинает играть роль не только диффузия метилвиологена - субстрата ферментативной реакции, но и дитионита натрия. Возникает необходимость учета диффузии двух субстратов. Эта задача рассмотрена М. С. Сафоновым с соавторами в работах [361, 362].

Рис. 21. Типичные экспериментально наблюдаемые зависимости потока водорода от концентрации дитионита натрия при различных фиксированных концентрациях метилвиологена (значения на кривых) [361, 362]
Рис. 21. Типичные экспериментально наблюдаемые зависимости потока водорода от концентрации дитионита натрия при различных фиксированных концентрациях метилвиологена (значения на кривых) [361, 362]

предыдущая главасодержаниеследующая глава



ИНТЕРЕСНО:

Биохимической реакцией будут управлять с помощью света

Новый композитный материал позволит получать чистый водород из метана

Новое соединение вольфрама и бора станет материалом рекордной твердости

Японские химики синтезировали «нано-Сатурн»

Учёные создали «невозможные» нитриды простым способом

Искусственный интеллект научили составлять молекулы

Ученые научились наблюдать за сверхбыстрыми химическими процессами

Почему на Западе периодическую таблицу никак не связывают с именем Менделеева

Люминесцентные наночастицы открыли новый этап в истории дактилоскопии

Нобелевская премия по химии присуждена за развитие криоэлектронной микроскопии

Новый метод анализа белков работает в 50 раз быстрее

Создана первая «химическая память» объемом в 1 бит

193 года назад впервые получено органическое соединение из неорганических

Ученые разработали программу, которая высчитывает свойства молекул сложных химических соединений

Самосборкой получены структуры из 144 молекулярных компонентов

Учёные создали нанореактор для производства водорода

Ученые из Швеции создали «деревянное стекло»

Разработан новый метод создания молекул

Японские ученые создали жидкий квазиметалл, застывающий на свету

Нобелевскую премию по химии присудили за синтез молекулярных машин

Новая компьютерная программа предсказывает химические связи

Получены цветные изображения на электронном микроскопе

В упавшем в России метеорите обнаружен уникальный квазикристалл

10 невероятно опасных химических веществ

Создатель «суперклея» Гарри Кувер – химик и изобретатель, автор 460 патентов, самый известный из которых так и не помог ему разбогатеть




© Злыгостев Алексей Сергеевич, подборка материалов, оцифровка, статьи, оформление, разработка ПО 2001-2018
При копировании материалов проекта обязательно ставить активную ссылку на страницу источник:
http://chemlib.ru/ 'ChemLib.ru: Библиотека по химии'