1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Кинетика и катализ
  4. T. 64, № 5, 2023

Кинетика и катализ, 2023, T. 64, № 5, стр. 499-527

Биокатализаторы и процессы ферментативной конверсии субстратов в ценные продукты химическoго органического синтеза. Обзор отечественных разработок

Г. А. Коваленко *

ФГБУН ФИЦ Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН
630090 Новосибирск, просп. Акад. Лаврентьева, 5, Россия

* E-mail: galina@catalysis.ru

Поступила в редакцию 19.01.2023
После доработки 20.03.2023
Принята к публикации 29.03.2023

Аннотация

Биокатализ, как в гомогенном, так и гетерогенном вариантах, – самостоятельное междисциплинарное направление научно-практических исследований одностадийных процессов конверсии исходных реагентов (субстратов) в ценные, востребованные на рынке продукты с участием, в большинстве случаев, одного фермента-катализатора. Биокаталитические одноферментные процессы, обладающие всеми специфическими особенностями ферментативного катализа, являются альтернативными, вполне конкурентоспособными по сравнению с традиционными химическими производствами. В настоящем обзоре представлена информация о результатах российских научно-исследовательских групп/лабораторий, активно и продуктивно работающих в области биокатализа в течение последних десятков лет и имеющих практические разработки, защищенные патентами РФ, которые при благоприятном стечении обстоятельств могут быть предложены коммерческим предприятиям/компаниям для апробации и использования в лабораторном и/или полупромышленном масштабе с перспективой промышленного масштабирования. В обзоре особое внимание уделено целенаправленным систематическим исследованиям липолитических ферментов (липаз), обладающих уникальной способностью катализировать реакции в среде органических растворителей, прежде всего, реакции этерификации и переэтерификации, в результате которых получают ценные продукты органического синтеза – сложные эфиры (СЭ). Липазы являются активными компонентами гетерогенных биокатализаторов (БК), приготовленных путем закрепления (иммобилизации) этих ферментов на поверхности твердых носителей-адсорбентов. В обзоре кратко описаны результаты работ отечественных научных коллективов, приведена полная библиография их публикаций, в которых представлена информация о способах иммобилизации целевых ферментов, каталитических свойствах разработанных биокатализаторов (ферментативной активности, субстратной специфичности, операционной стабильности), а также описаны условия проведения биокаталитических процессов с участием гетерогенных БК, таких как синтез акриламида и разнообразных сложных эфиров. С учетом средней активности (А), близкой к активности, измеряемой при времени полуинактивации (t1/2), и операционной стабильности БК, характеризующейся величиной t1/2, проведена довольно грубая оценка продуктивности биокатализаторов путем расчета количества произведенного ценного продукта (в тоннах) на 1 кг БК.

Ключевые слова: биокатализ, гетерогенные биокатализаторы, одноферментная конверсия субстрата, амидазы, гидролиз, акриламид, липазы, этерификация, сложные эфиры

Список литературы

  1. Березин И.В., Мартинек К. Введение в прикладную энзимологию. М.: Изд-во Московского университета, 1982. 383 с.

  2. Березин И.В. Исследования в области ферментативного катализа и инженерной энзимологии. М.: Наука, 1990. 382 с.

  3. Биокатализ. Под ред. Березина И.В., Кузнецова В.И. М.: Наука, 1984. 344 с.

  4. Bommarius A.S.; Reidel, B.R. Biocatalysis. WILEY-VCH, Germany, 2004. 611p.

  5. Hou C.H. Handbook of Industrial Biocatalysis. Tailor & Francis Group, 2005. 900 p.

  6. Grunwald P. Biocatalysis. Imperial College Press, 2009. 1035 p.

  7. Buchholz K., Kasche V., Bornscheuer U.T. Biocatalysts and Enzyme Technology. WILEY-VCH, 2005. 431 p.

  8. DiCosimo R., McAuliffe J., Poulose A.J., Bohlmann G. // Chem. Soc. Rev. 2013. V. 42. P. 6437. https://doi.org/10.1039/c3cs35506c

  9. Tao J., Kazlauskas R. Biocatalysis for Green Chemistry and Chemical Process Development. WILEY, 2011. 479 p.

  10. Illanes A., Wilson L., Vera C. Problem Solving in Enzyme Biocatalysis. WILEY, 2014. 318 p.

  11. Коваленко Г.А., Перминова Л.В., Беклемишев А.Б. Иммобилизованные нерастущие микроорганизмы и их лизаты для одноферментных биокаталитических процессов / Иммобилизованные клетки: биокатализаторы и процессы. Под ред. Ефременко Е.Н. М.: РИОР, 2018. С. 57. https://doi.org/10.29039/02004-3

  12. Mateo C., Palomo J.M., Fernandez-Lorente G., Guisan J.M., Fernandez-Lafuente R. // Enz. Microb. Technol. 2007. V. 40. P. 1451.

  13. Bolivar J.M., Woodley J.M., Fernandez-Lafuente R. // Chem. Soc. Rev. 2022. V. 51. P. 6251.

  14. Астаурова О.Б., Леонова Т.Е., Полякова К.Н., Синеокая И.В., Гордеев В.К., Яненко А.С. // Прикладная биохимия и микробиология. 2000. Т. 36. № 1. С. 21.

  15. Коваленко Г.А., Чуенко Т.В., Рудина Н.А., Скрыпник О.В., Максимова Ю.Г., Максимов А.Ю. // Кинетика и катализ. 2009. Т. 50. С. 937. (Kovalenko G.A., Chuenko T.V., Rudina N.A., Skrypnik O.V., Maksimova Yu.G., Maksimov A.Yu. // Kinet. Catal. 2009. V. 50. P. 899.)

  16. Максимова Ю.Г., Демаков В.А., Максимов А.Ю., Овечкина Г.В., Коваленко Г.А. // Прикладная биохимия и микробиология. 2010. Т. 46. № 4. С. 416.

  17. Максимова Ю.Г., Рогожникова Т.А., Овечкина Г.В., Максимов А.Ю., Демаков В.А. // Прикладная биохимия и микробиология. 2012. Т. 48. № 5. С. 484.

  18. Демаков В.А., Максимов А.Ю., Максимова Ю.Г., Рогожникова Т.А. Патент РФ 2500814, 2013.

  19. Максимова Ю.Г., Мавлютова Т.А., Максимов А.Ю., Овечкина Г.В., Демаков В.А. // Вестн. Пермского университета. Сер. биология. 2013. Вып. 2. С. 49.

  20. Горбунова А.Н., Максимова Ю.Г., Овечкина Г.В., Максимов А.Ю. // Прикладная биохимия и микробиология. 2015. Т. 51. № 5. С. 482.

  21. Максимов А.Ю., Демаков В.А., Максимова Ю.Г., Олонцев В.Ф. Патент РФ 2352635, 2009.

  22. Максимова Ю.Г., Никулин С.М., Максимов А.Ю., Демаков В.А. Патент РФ 2634414, 2017.

  23. Salaheldeen M., Mariod A.A., Aroua M.K., Rahman S.M.A., Soudagar M.E.M., Fattah I.M.R. // Catalysts. 2021. V. 11. P. 1121. https://doi.org/10.3390/catal11091121

  24. Jin Z., Han S.-Y., Zhang L., Zheng S.-P., Wang Y., Lin Y. // Biores. Technol. 2013. V. 130. P. 102. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2012.12.020

  25. Stoytcheva M., Montero G., Toscano L., Gochev V., Valdez B. // In: Biodiesel – Feedstocks and Processing Technologies. Rijeka: InTech Europe, 2011. P. 397.

  26. Bajaj A., Lohan P., Jha P.N., Mehrotra R. // J. Mol. Catal. B: Enzym. 2010. V. 62. P. 9. https://doi.org/10.1016/j.molcatb.2009.09.018

  27. Cortez D.V., Reis C., Perez V.H., De Castro H.F. / In: Sustainable Biotechnology-Enzymatic Resources of Renewable Energy. Springer, 2018. P. 247. https://doi.org/10.1007/978-3-319-95480-6

  28. Коваленко Г.А., Перминова Л.В., Беклемишев А.Б., Яковлева Е.Ю., Пыхтина М.Б. // Катализ в промышленности. 2014. № 6. С. 71. (Kovalenko G.A., Perminova L.V., Beklemishev A.B., Yakovleva E.Yu., Pykhtina M.B. // Catal. Indust. 2015. V. 7. № 1. P. 73.)

  29. Luna C., Gascón-Pérez V., López-Tenllado F.J., Bautista F.M., Verdugo-Escamilla C., Aguado-Deblas L., Calero J., Romero A.A., Luna D., Estévez R. // Catalysts. 2021. V. 11. P. 1350. https://doi.org/10.3390/catal11111350

  30. Gómez-Calvo A., Gallardo E., Ladero M. // Catalysts. 2022. V. 12. P. 1673. https://doi.org/10.3390/catal12121673

  31. Копицын Д.С., Альмяшева Н.Р., Жигалова Л.В., Новиков А.А. // Теоретические и прикладные проблемы агропромышленного комплекса. 2014. Т. 21. № 4. С. 3.

  32. Almyasheva N.R., Shuktueva M.I., Petrova D.A., Kopitsyn D.S., Kotelev M.S., Vinokurov V.A., Novikov A.A. // Mycoscience. 2018. V. 59. № 2 P. 147. https://doi.org/10.1016/j.myc.2017.09.003

  33. Самойлова Ю.В., Пилигаев А.В., Сорокина К.Н., Розанов А.С., Пельтек С.Е., Новиков А.А., Альмяшева Н.Р., Пармон В.Н. // Катализ в промышленности. 2015. № 6. С. 90. https://doi.org/10.19412/180160-0387-2015-6-90-96

  34. Новиков А.А., Котелев М.С., Семенов А.П., Гущин П.А., Иванов Е.В., Сорокина К.Н., Розанов А.С., Винокуров А.С. Патент РФ 2528778, 2014.

  35. Kovalenko G.A., Perminova L.V., Sapunova L.I. A peculiar method for immobilization of non-growing microbial cells by entrapment into silica xerogel / In: Biotechnology in Medicine, Foodstuffs, Biocatalysis, Environment and Biogeotechnology. Ser. Biotechnology in Agriculture, Industry and Medicine. Eds. Varfolomeev S.D., Zaikov G.E., Krylova L.P. New York: NOVA Science Publishers, Inc., 2010. P. 41.

  36. Беклемишев А.Б., Пыхтина М.Б., Перминова Л.В., Коваленко Г.А. // Биотехнология. 2021. Т. 37. № 5. С. 5. (Beklemishev A.B., Pyhtina M.B., Perminova L.V., Kovalenko G.A. // Appl. Biochem. Microbiol. 2022. V. 58. P. 887.)

  37. Коваленко Г.А., Беклемишев А.Б., Перминова Л.В., Мамаев А.Л., Чуенко Т.В., Кузнецов В.Л. Патент РФ 2539101, 2015.

  38. Сидоренко А.И., Скляренко А.В., Яроцкий С.В. // Цитология. 2018. Т. 60. № 7. С. 567. https://doi.org/10.31116/tsitol.2018.07.16

  39. Борголов А.В., Василов Р.Г., Горин К.В., Готовцев П.М., Дьяков А.В., Сергеева Я.Э. Патент РФ 2646104, 2018.

  40. Войткевич С.А. 865 душистых веществ для парфюмерии и бытовой химии. М.: Пищевая промышленность, 1994. 594 с.

  41. Солдатенков А.Т., Колядина Н.М., Ле Туань Ань. Основы органической химии душистых веществ для прикладной эстетики и ароматерапии. М.: ИКЦ “Академкнига”, 2006. 240 с.

  42. Смирнов Е.В. Пищевые ароматизаторы (справочник). Санкт-Петербург: Профессия, 2008. 736 с.

  43. Ferrer M., Soliveri J., Plou F.J., Lopez-Cortes N., Reyes-Duarte D., Morten C.M., Copa-Patino J.L., Ballesteros A. // Enzyme Microb. Technol. 2005. V. 36. P. 391.

  44. Chang S.W., Shaw J.F. // New Biotechnol. 2009. V. 26. № 3–4. P. 109.

  45. Giorgi V., Botto E., Fontana C., Mea L.D., Vaz S. Jr., Menéndez P., Rodríguez P. // Catalysts. 2022. V. 12. P. 610. https://doi.org/10.3390/catal12060610

  46. de Almeida R.M., Souza F.T.C., Junior M.A.C., Albuquerque N.J.A., Meneghetti S.M.P., Meneghetti M.R. // Catal. Commun. 2014. V. 46. P. 179.

  47. Stergiou P.Y., Foukis A., Filippou M., Koukouritaki M., Parapouli M., Theodorou L.G., Hatziloukas E., Afendra A., Pandey A., Papamichael E.M. // Biotechnol. Adv. 2013. V. 31. P. 1846.

  48. Gumel A.M., Annuar M.S.M., Heidelberg T., Chisti Y. // Proc. Biochem. 2011. V. 46. P. 2079.

  49. Sun J., Lee L.W.W., Liu S.Q. // Aust. J. Chem. 2014. V. 67. P. 1373.

  50. Villeneuve P. // Biotechnol. Adv. 2007. V. 25. P. 515.

  51. Pereira A.S., de Souza A.H., Fraga J.L., Villeneuve P., Torres A.G., Amaral P.F.F. // Catalysts. 2022. V. 12. P. 88. https://doi.org/10.3390/ catal12010088

  52. Zaks A., Klibanov A.M. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1985. V. 82. P. 3192.

  53. Wong C.-H. // Science. 1989. V. 244. P. 1145.

  54. Halling P.J. // Enzyme Microbiol. Technol. 1994. V. 16. P. 178.

  55. Janssen A.E.M., Sjursnes B.J., Vakurov A.V., Halling P.J. // Enz. Microb. Technol. 1999. V. 24. P. 463.

  56. Marty A., Chulalaksananukul W., Willemot R.M., Condoret J.S. // Biotehnol. Bioeng. 1992. V. 39. P. 273.

  57. Гамаюрова В.С., Зиновьева М.Е. Ферменты. Лабораторный практикум. 2011. Санкт-Петербург: Изд. “Проспект науки”. 256 с.

  58. Зиновьева М.Е., Гамаюрова В.С., Калачёва Н.В. // Биотехнология. 1998. № 4. С. 81.

  59. Гамаюрова В.С., Зиновьева М.Е., Елизарова Е.В. // Вестник КГТУ. 2004. № 1. С. 239.

  60. Елизарова Е.В., Зиновьева М.Е., Гамаюрова В.С. // Вестник КГТУ. 2006. № 6. С. 69.

  61. Гамаюрова В.С., Зиновьева М.Е., Елизарова Е.В., Васина К.Л. // Вестник КГТУ. 2007. № 2. С. 103.

  62. Зиновьева М.Е., Гамаюрова В.С., Шнайдер К.Л., Назаренко Е.В. // Вестник технологического университета. 2015. Т. 18. № 1. С. 100.

  63. Шнайдер К.Л., Сабирзянова Г.Р., Низамутдинова М.Х., Зиновьева М.Е., Каюмова А.Ф. // Вестник технологического университета. 2017. Т. 20. № 12. С. 129.

  64. Шнайдер К.Л., Каюмова А.Ф., Гамаюрова В.С., Зиновьева М.Е. // Вестник технологического университета. 2017. Т. 20. № 11. С. 156.

  65. Гамаюрова В.С., Бильданова Н.И., Джамай М. // Вестник технологического университета. 2017. Т. 20. № 10. С. 136.

  66. Гамаюрова В.С., Давлетшина Г.А. // Известия ВУЗов. Прикладная химия и биотехнология. 2020. Т. 10. № 3 (34). С. 515.

  67. Гамаюрова В.С., Воробьев Е.С., Шнайдер К.Л., Ржечицкая Л.Э. // Вестник ПГТУ. Химическая технология и биотехнология. 2021. № 1. С. 24.

  68. Гамаюрова В.С., Зиновьева М.Е., Елизарова Е.В. // Катализ в промышленности. 2008. № 3. С. 54.

  69. Гамаюрова В.С., Зиновьева М.Е., Калачева Н.В., Шнайдер К.Л. // Катализ в промышленности. 2015. № 2. С. 73.https://doi.org/10.18412/1816-0387-2015-2-73-78

  70. Гамаюрова В.С., Шнайдер К.Л., Джамай М.Д.Д. // Катализ в промышленности. 2016. № 3. С. 64.

  71. Гамаюрова В.С., Зиновьева М.Е., Шнайдер К.Л., Давлетшина Г.А. // Катализ в промышленности. 2020. Т. 20. № 3. С. 216.

  72. Gamayurova V.S., Shnaider K.L., Zaripova S.K., Jamai M.J. // J. Thermodyn. Catal. 2016. V. 7. № 1. P. 161. https://doi.org/10.4172/2157-7544.1000161

  73. Гамаюрова В.С., Воробьев Е.С., Давлетшина Г.А., Ржечицкая Л.Э. // Кинетика и катализ. 2021. Т. 62. № 3. С. 316.

  74. Зaявкa 2022103443/04 (007329), c пp. oт 11.02.2022.

  75. Коваленко Г.А., Перминова Л.В., Беклемишев А.Б., Ткаченко В.И. // Биотехнология. 2013. № 6. С. 35. doi: 10.1134/S0003683814070047 (Kovalenko G.A., Perminova L.V., Beklemishev A.B., Tkachenko V.I. // Appl. Biochem. Microbiol. 2014. V. 50. № 7. P. 709.)

  76. Коваленко Г.А., Перминова Л.В., Чуенко Т.В., Рудина Н.А. // Прикладная биохимия и микробиология. 2016. Т. 52. № 6. С. 570. (Kovalenko G.A., Perminova L.V., Chuenko T.V., Rudina N.A. // Appl. Biochem. Microbiol. 2016. V. 52. P. 582.)https://doi.org/10.1134/S0003683816060089

  77. Коваленко Г.А., Перминова Л.В., Беклемишев А.Б., Мамаев А.Л., Чуенко Т.В. Патент РФ 2668405, 2018.

  78. Коваленко Г.А., Перминова Л.В., Беклемишев А.Б., Мамаев А.Л., Патрушев Ю.В. // Катализ в промышленности. 2017. Т. 17. № 5. С. 399. DOI: 10.18412/1816-0387-2017-5-399-406 (Kovalenko G.A., Perminova L.V., Beklemishev A.B., Mamaev A.L., Patrushev Yu.V. // Catal. Indust. 2018. V. 10. № 1. P. 68.)

  79. Перминова Л.В., Коваленко Г.А, Чуканов Н.В., Патрушев Ю.В. // Изв. РАН. Сер. хим. 2017. № 11. С. 2194. https://doi.org/10.1007/s11172-017-2002-6 (Perminova L.V., Kovalenko G.A., Chukanov N.V., Patrushev Yu.V. // Russ. Chem. Bul., Int. Ed. 2017. V. 66. № 11. Р. 2194.)

  80. Коваленко Г.А., Перминова Л.В., Беклемишев А.Б., Пыхтина М.Б. // Вестник ПГТУ. Химическая технология и биотехнология. 2018. № 2. С. 7. https://doi.org/10.15593/2224-9400/2018.2.01

  81. Kovalenko G.A., Perminova L.V., Beklemishev A.B. // React. Kinet. Mech. Catal. 2019. V. 128. № 1. P. 479. https://doi.org/10.1007/s11144-019-01648-z

  82. Kovalenko G.A., Perminova L.V., Pykhina M.B., Beklemishev A.B. // Biocatal. Agricult. Biotechnol. 2021. V. 36. 102124. https://doi.org/10.1016/j.bcab.2021.102124

  83. Коваленко Г.А., Перминова Л.В., Беклемишев А.Б., Пыхтина М.Б., Кузнецов В.Л., Мосеенков С.И. Патент РФ № 2725474, 2020.

  84. Kovalenko G.A., Perminova L.V., Krasnikov D.V., Kuznetsov V.L. // J. Porous Mater. 2018. V. 25. P. 1017. https://doi.org/10.1007/s10934-017-0512-0

  85. Коваленко Г.А., Перминова Л.В. // Катализ в промышленности. 2020. Т. 20. № 4. С. 313. (Kovalenko G.A., Perminova L.V. // Catal. Indust. 2021. V. 13. № 1. Р. 90.)https://doi.org/10.1134/S2070050421010074

  86. Kovalenko G.A., Perminova L.V., Beklemishev A.B. // Catal. Today. 2021. V. 379. P. 36. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2020.11.018

  87. Коваленко Г.А., Перминова Л.В., Шашков М.В., Беклемишев А.Б. // Кинетика и катализ. 2022. Т. 63. № 2. С. 212. (Kovalenko G.A., Perminova L.V., Shashkov M.V., Beklemishev A.B. // Kinet. Catal. 2022. V. 63. P. 188. https://doi.org/10.1134/S002315842202004510.1134/S0023158422020045)https://doi.org/10.31857/S0453881122020046

  88. Коваленко Г.А., Перминова Л.В., Беклемишев А.Б., Пыхтина М.Б., Холявка М.Г., Бучельникова В.А., Артюхов В.Г. // Прикладная биохимия и микробиология. 2022. Т. 58. № 5. С. 446. (Kovalenko G.A., Perminova L.V., Beklemishev A.B., Pykhtina M.B., Holyavka M.G., Buchelnikova V.A., Artyukhov V.G. Appl. Biochem. Microbiol. 2022. V. 58. № 5. P. 540. https://doi.org/10.1134/S000368382205009X10.1134/S000368382205009X)https://doi.org/10.31857/S0555109922050099

  89. Abildskov J., van Leeuwen M.B., Boeriu C.G., van den Broek L.A.M. // J. Mol. Catal. B: Enzym. 2013. V. 85–86. P. 200. https://doi.org/10.1016/j.molcatb.2012.09.012

  90. Wu S., Wu Y., Sun B., Zhang P., Tang K. // React. Kinet. Mech. Catal. 2022. https://doi.org/10.1007/s11144-022-02339-y

  91. Laane C., Boeren S., Vos R., Veeger C. // Biotechnol. Bioeng. 1987. V. 30. P. 81.

  92. Cabrera Z., Fernandez-Lorente G., Palomo J.M., Fernandez-Lafuente R., Guisan J.M. // J. Mol. Catal. B: Enzym. 2009. V. 57. P. 171.

  93. Turati D.F.M., Morais W.G. Jr., Terrasan C.R.F., Moreno-Perez S., Pessela B.C., Fernandez-Lorente G., Guisan J.M., Carmona E.C. // Molecules. 2017. V. 22. P. 339.

  94. Silveira E.A., Moreno-Perez S., Basso A., Serban S., Mamede R.P., Tardioli P.W., Farinas C.S., Rocha-Martin J., Fernandez-Lorente G., Guisan J.M. // BMC Biotechnol. 2017. V. 17. P. 88.

  95. Bohr S.S., Lund P.M., Kallenbach F.S., Pinholt Y., Thomsen J., Iversen L. // Sci. Rep. 2019. V. 9: P. 16169. https://doi.org/10.1038/s41598-019-52539-1

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска содержание выпуска

Кинетика и катализ

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал