способ получения кислорода

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КИСЛОРОДА, предусматривающий взаимодействие каталазы с источником кислорода, отличающийся тем, что используют грибную каталазу штамм гриба Penicillium vitale 1312/140 в растворимой или иммобилизованной форме с активностью 4000 или 6000 Е/мг из расчета 1 : (500 - 150) при использовании 10 - 30% -ной перекиси водорода или 1 : (2000 - 1250) при использовании в качестве источника кислорода водного раствора перекисно-емкой соли рН 4,5 - 8,5.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к экологии, а именно к процессам подготовки газов для вдыхания, и может быть использовано при ферментативно-каталитическом получении кислорода в устройствах автономного жизнеобеспечения, применяемых в медицине.

Известны способы каталитического получения кислорода из перекисно-емких солей в присутствии катализаторов - окислов или солей металлов Мn, Fe, K, Cu, Pb и др. [1].

Последний способ как более прогрессивный аналог выбран по достигаемому положительному эффекту в качестве базового объекта. Получаемый согласно способу газообразный кислород охлаждают, очищают от твердых частиц, снижают щелочность. Выход кислорода при температуре 20^оС составляет 1,6 л/мин.

Прототипом изобретения, выбранным по максимальному количеству сходных признаков, является ферментативный способ получения кислорода из перекиси водорода в присутствии каталазы [2].

Однако указанные известные способы обладают рядом недостатков:

способы являются недостаточно производительными;

выход получаемого кислорода нельзя регулировать во времени в зависимости от потребности;

в прототипе [2] используют перекись низкой концентрации, т.к. каталаза инактивируется в таких условиях;

в базовом способе необходима дополнительная операция - снижение щелочности.

Поставленная задача - повышение производительности способа при одновременном регулировании выхода кислорода, а также упрощение способа.

В способе ферментативного получения кислорода в качестве катализатора используют грибную каталазу штамма Penicillium vitale 1312/140 в растворимой или иммобилизованной форме.

Предложено в качестве источника кислорода использовать 10-30%-ную перекись водорода при весовом соотношении перекиси к каталазе (500-150) : 1 или водный раствор перекисно-емкой соли или смеси солей рН 4,5-8,5 при соотношении перекиси к каталазе (2000-1250):1.

Сопоставительный анализ нового и известных способов показывает их сходство и отличие. Общими признаками являются использование в качестве источников кислорода перекиси водорода [2] или пере- кисно-емких солей [1] и в качестве катализатора каталазы [2].

Новизна способа заключается

в использовании грибной каталазы штамма Penicillium vitale 1312/140 в растворимой или иммобилизованной форме:

во введении указанной каталазы в определенном соотношении в (10-30%-ную) перекись водорода или в раствор перекисно-емкой соли рН 4,5-8,5.

Неочевидным является осуществление способа в присутствии каталазы из источников получения кислорода с высокой концентрацией перекиси водорода (10-30% ), так как известно, что этот фермент (из сырья животного происхождения) теряет свою каталитическую активность при концентрациях перекиси более 0,34% (0,1 М) [3].

Новый способ отличается высокой производительностью выхода кислорода до 2,5 л/мин (в базовом способе 1,6 л/мин). При этом в зависимости от потребности достигается дозирование выхода кислорода во времени:

практически одномоментное в течение 10 с выделение 90% кислорода при использовании растворимой формы каталазы;

или в течение 25 и более небольшими порциями при использовании иммобилизованного фермента.

Такие режимы процесса благодаря использованию одной из двух форм каталазы позволяют создать реакторы непрерывного и прерывного принципа действия. Кроме того, при разложении перекиси образуется вода (выход до 100%), степень чистоты которой обусловлена степенью чистоты исходной перекиси водорода. Следует отметить также, что в отличие от базового новый способ менее трудоемкий (исключается ряд операций), не связан с энергозатратами и позволяет получать параллельно с кислородом воду при разложении перекиси водорода.

П р и м е р 1. В реактор, представляющий собой емкость с тремя отверстиями - для термометра, делительной воронки и патрубка для выхода образующегося кислорода, помещают 5 мл 30%-ной перекиси водорода (1500 мг Н₂О₂). Систему герме- тизируют. Из делительной воронки подают раствор препарата грибной каталазы штамма Penicillium vitale 1312/140 Косарского биохимического завода, содержащий 10 мг фермента с активностью 4000 Е/мг. При весовом соотношении перекиси водорода и каталазы равном 150:1 за 10 с выделяется 417 мл кислорода. Производительность по кислороду составляет 2,5 л/мин. Удельный выход 278 мл кислорода на 1г перекиси водорода.

П р и м е р ы 2-5. Кислород и воду получают согласно методике, описанной в примере 1. Подбираемые условия и получаемые результаты для каждого конкретного примера представлены в табл.1.

Исследования по выбору оптимальных условий показали, что повышение концентрации перекиси водорода до 50-60% при весовом соотношении перекиси и фермента 150:1 приводит к неполному разложению перекиси - всего на 65-36%.

Уменьшение концентрации перекиси водорода менее 10% при соотношении перекиси и фермента 500:1 приводит к нерентабельности, избыточному использованию каталазы.

П р и м е р 6. Кислород получают в реакторе, работающем в цикличном режиме. В реактор, заполненный 3,5 г препарата иммобилизованной на силохроме каталазы Косарского биохимического завода с активностью 4000 Е/мг вводят 4 г пербората натрия и 4 г однозамещенного фосфорно- кислого калия. Затем подают в реактор 40 мл воды. Полученный кислород удаляют через специальное отверстие. После окончания реакции (1 цикл) вводят следующую порцию соли, количество каталазы остается неизменным.

Эффективная работа реактора обеспечивается в течение 55 циклов, хотя ресурс реактора не исчерпан, а количество иммобилизованной каталазы соответствует первоначальной загрузке.

П р и м е р 7-8. Кислород получают согласно методике, описанной в примере 6. Однако в реакторы, работающие в циклическом режиме, загружают по 3,5 г препарата каталазы, в одном случае иммобилизованной на аэросиле (пример 7), а в другом - на смоле АИ-109 (Кемеровское НПО "Карболит") (пример 8). Получаемые результаты для каждого конкретного примера представлены в табл. 2.

П р и м е р 9. В реактор, представляющий собой емкость с тремя отверстиями - для термометра, делительной воронки и патрубка для выхода образующегося кислорода, загружают 2,5 г пербората натрия и 1,5 г щавелевой кислоты. Систему герметизируют. Из делительной воронки подают ферментный раствор, содержащий 1,25 мг каталазы - Penicillium vitale 1312/140 с активностью 6000 Е/мг, растворенной в 20 мл воды; рН смеси 4,5. Весовое соотношение пербората натрия и каталазы составляет 2000:1. Максимальная температура реакции 44^оС. Выделяют 600 мл О₂. Удельный выход О₂ из расчета на 1 г пербората натрия составляет 612,40 мл.

Производительность 2 л О₂/мин.

П р и м е р 10. Кислород выделяют аналогично схеме, описанной в примере 9. Однако в реактор загружают 2,5 г пербората калия и 1,5 мг 60%-ной уксусной кислоты. Затем подают ферметный раствор, содержащий 1,5 мг каталазы P. vitale 1312/140, растворенной в 20 мл воды; рН смеси равно 7,0. Весовое соотношение пербората калия и каталазы 1500:1. Максимальная температура 42^оС.

Выделяют 590 мл О₂.

Удельный выход О₂ 236 мл/г.

Производительность 2,43 л О₂/мин.

П р и м е р 11. Кислород выделяют аналогично схеме, описанной в примере 9.

Однако в реактор загружают 2,5 г смеси перборатов натрия и калия, затем добавляют 2,5 г однозамещенного фосфорнокислого калия. Затем подают ферментный раствор, содержащий 2 мг каталазы Р.vitale 1312/140, растворенной в 20 мл воды; рН реакционной смеси равно 8,5. Весовое соотношение смеси перборатов натрия и калия и каталазы составляет 1250:1. Максимальная температура реакции 41^оС. Выделяют 580 мл О₂.

Удельный выход О₂ 232 мл/г.

Производительность 2,53 л О₂/мин.

П р и м е р 12. Кислород выделяют аналогично схеме, описанной в примере 9.

Однако в реактор загружают 2,5 г пербората натрия и 1,25 г лимонной кислоты, затем добавляют 1,25 кг каталазы Р. vitale 1312/140, растворенной в 20 мл воды; рН реакционной смеси равно 5,0. Весовое соотношение пербората натрия и каталазы составляет 2000:1.

Максимальная температура реакции 41,5^оС.

Выделяют 590 мл О₂.

Удельный выход О₂ 236 мл/г.

Производительность 2,4 л О₂/мин.

Полученные результаты подтверждают, что использование грибной каталазы Реnicillium vitale 1312/140 в растворимой и иммобилизованной форме обеспечивает достижение следующих эффектов:

повышение выхода кислорода в 1,5 раза по сравнению с базовым способом [1];

регулирование во времени выхода кислорода в зависимости от потребности - большой объем кислорода практически одномоментно (10 с) или малые порции в течение продолжительного времени (не менее 25 ч);

благодаря использованию иммобилизованной каталазы возможность осуществления цикличного получения кислорода (не менее 55 циклов);

простота реализации за счет полного разложения перекиси водорода в одну стадию (в течение 10 с 90%-ный выход кислорода и воды), а также благодаря снижению трудоемкости и использованию незначительно количества реактивов в реакции;

рентабельность благодаря низким энергозатратам (в отличие от базового) и применению реактивов с малой себестоимостью.