catalКатализ в промышленностиKataliz v promyshlennosti1816-03872413-6476LLC "KALVIS"catal-910Research ArticleБИОКАТАЛИЗBIOCATALYSISИнтенсификация биокаталитического окисления фенола активаторами межфазного переноса кислородаIntensification of phenol biocatalytic oxidation by activators of oxygen interfacial transportБоровковаИ. С.BorovkovaI. S.ctls@kalvis.ruВольхинВ. В.VolkhinV. V.ctls@kalvis.ruКазаковД. А.KazakovD. A.ctls@kalvis.ruПермский государственный технический университетРоссияPerm State Technical UniversityRussian Federation201111042023026672Copyright © LLC "KALVIS", 20232023LLC "KALVIS"LLC "KALVIS"https://www.catalysis-kalvis.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.catalysis-kalvis.ru/jour/article/view/910

Транспорт кислорода из газовой фазы в водную определяет скорость биокаталитического окисления фенола. Для интенсификации процесса применены активаторы межфазного переноса О2, позволившие значительно повысить скорость поступления газа в реакционное пространство без дополнительного потребления энергии в отличие от широко применяемых методов перемешивания и барботажа. Исследовано влияние ряда веществ на KLa при варьировании скорости перемешивания от 100 до 1200 об/мин. Впервые сопоставляются по эффективности твердо- и жидкофазные активаторы. Максимальный рост KLa при разных гидродинамических условиях достигнут для активированного угля (в 3,7 раза), аэросила (в 1,5 раза), н-додекана (в 3,1 раза). Результаты объяснены «челночным» механизмом межфазного переноса О2. Показано, что при увеличении KLa с 2,8 до 18,5 ч–1 биокаталитическое окисление фенола ускоряется в 2,4 раза. Использование активированного угля как активатора межфазного переноса О2 позволяет повысить скорость биокаталитического окисления фенола примерно на 20 %.

Transport of oxygen from the gas phase to the aqueous determines the rate of biocatalytic oxidation of phenol. In this paper, activators of the interphase transfer of O2 are used to intensify the process, thus significantly increase the rate of gas arrival in the reaction space without additional power consumption in contrast to the widely used methods of mixing and bubbling. The authors presented the results of studies of the effect a number of substances on the value of KLa at varying mixing speeds from 100 to 1200 rpm. We report the first solid-liquid phase and activators are compared for effectiveness. The maximum KLa increase at different hydrodynamic conditions achieved for the activated carbon (3,7 times), aerosil (1,5 times), n-dodecane (3,1 times). The results are explained by «shuttle» mechanism of O2 phase transfer. It is shown that an KLa increasing from 2,8 to 18,5 h–1 the biocatalytic oxidation of phenol is accelerated in 2,4 times. Use of activated carbon as an activator of O2 phase transfer allows you to increase the speed of biocatalytic oxidation of phenol up about 20 %.

биокаталитическое окислениемежфазный транспорт кислородаактиваторы межфазного переносаинтенсификация массопереноса кислородагидродинамические условия«челночный» механизмbiocatalytic oxidationoxygen transport from the gas phase into the wateractivators of interfacial transport of oxygenthe intensification of oxygen mass transferthe role of hydrodynamic conditions«shuttle» mechanismReferencesСульман Э.М., Долуда В.Ю., Матвеева В.Г. и др. Комбинированное каталитическое и биокаталитическое окисление фенола на новых полимерных катализаторах // Химия и химическая технология. 2007. Т. 50. № 2. С. 59.Сульман Э.М., Долуда В.Ю., Матвеева В.Г. и др. Комбинированное каталитическое и биокаталитическое окисление фенола на новых полимерных катализаторах // Химия и химическая технология. 2007. Т. 50. № 2. С. 59.Galaction A., Cascaval D., Oniscu C., Turnea M. Enhancement of oxygen mass transfer in stirred bioreactors using oxygen-vectors. 1. Simulated fermentation broths// Bioprocess Biosyst. Eng. 2004. Vol. 26. P. 231.Galaction A., Cascaval D., Oniscu C., Turnea M. Enhancement of oxygen mass transfer in stirred bioreactors using oxygen-vectors. 1. Simulated fermentation broths// Bioprocess Biosyst. Eng. 2004. Vol. 26. P. 231.Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Часть 2. массообменные процессы и аппараты. М.: Химия, 1995.Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Часть 2. массообменные процессы и аппараты. М.: Химия, 1995.Ruthiya K.C., Schaaf J. van der, Kuster B.F.M. Mechanisms of physical and reaction enhancement of mass transfer in a gas inducing stirred slurry reactor // Chem. Eng. J. 2003. Vol. 96. P. 55.Ruthiya K.C., Schaaf J. van der, Kuster B.F.M. Mechanisms of physical and reaction enhancement of mass transfer in a gas inducing stirred slurry reactor // Chem. Eng. J. 2003. Vol. 96. P. 55.Kluytmans J.H.J., Wachem B.G.M. van, Kuster B.F.M., Schouten J.C. Mass transfer in sparged and stirred reactors: influence of carbon particles and electrolyte // Chemical Engineering Science. 2003. Vol. 58. P. 4719.Kluytmans J.H.J., Wachem B.G.M. van, Kuster B.F.M., Schouten J.C. Mass transfer in sparged and stirred reactors: influence of carbon particles and electrolyte // Chemical Engineering Science. 2003. Vol. 58. P. 4719.Lineka V., Kordac M., Soni M. Mechanism of gas absorption enhancement in presence of fine solid particles in mechanically agitated gas–liquid dispersion. Effect of molecular diffusivity // Chemical Engineering Science. 2008. Vol. 63. P. 5120.Lineka V., Kordac M., Soni M. Mechanism of gas absorption enhancement in presence of fine solid particles in mechanically agitated gas–liquid dispersion. Effect of molecular diffusivity // Chemical Engineering Science. 2008. Vol. 63. P. 5120.Clarke K.G., Williams P.C., Smit M.S., Harrison S.T.L. Enhancement and repression of the volumetric oxygen transfer coefficient through hydrocarbon addition and its influence on oxygen transfer rate in stirred tank bioreactors // Biochem. Eng. J. 2006. Vol. 28. P. 237.Clarke K.G., Williams P.C., Smit M.S., Harrison S.T.L. Enhancement and repression of the volumetric oxygen transfer coefficient through hydrocarbon addition and its influence on oxygen transfer rate in stirred tank bioreactors // Biochem. Eng. J. 2006. Vol. 28. P. 237.Boltes K., Caro A., Leton P. et al. Gas–liquid mass transfer in oil–water emulsions with an airlift bio-reactor // Chem. Eng. and Proc. 2008. Vol. 47. P. 2408.Boltes K., Caro A., Leton P. et al. Gas–liquid mass transfer in oil–water emulsions with an airlift bio-reactor // Chem. Eng. and Proc. 2008. Vol. 47. P. 2408.Dagaonkara M.V., Heeres H.J, Beenackersa A.A.C.M., Pangarkar V.G. The application of fine TiO2 particles for enhanced gas absorption // Chemical Engineering Journal. 2003. Vol. 92. P. 151.Dagaonkara M.V., Heeres H.J, Beenackersa A.A.C.M., Pangarkar V.G. The application of fine TiO2 particles for enhanced gas absorption // Chemical Engineering Journal. 2003. Vol. 92. P. 151.Rosu M., Schumpe A. Influence of surfactants on gas absorption into aqueous suspensions of activated carbon // Chem. Eng. Science. 2007. Vol. 62. P. 5458.Rosu M., Schumpe A. Influence of surfactants on gas absorption into aqueous suspensions of activated carbon // Chem. Eng. Science. 2007. Vol. 62. P. 5458.Zhang W., Chen G., Li J., Liu J. Intensification of mass transfer in hollow fiber modules by adding solid particles // Ind. Eng. Chem. Res. 2009. Vol. 48. P. 8655.Zhang W., Chen G., Li J., Liu J. Intensification of mass transfer in hollow fiber modules by adding solid particles // Ind. Eng. Chem. Res. 2009. Vol. 48. P. 8655.Cascaval D., Galaction A.I., Folescua E., Turnea M. Comparative study on the effects of n-dodecane addition on oxygen transfer in stirred bioreactors for simulated, bacterial and yeasts broths // Biochem. Eng. J. 2006. Vol. 31. P. 56.Cascaval D., Galaction A.I., Folescua E., Turnea M. Comparative study on the effects of n-dodecane addition on oxygen transfer in stirred bioreactors for simulated, bacterial and yeasts broths // Biochem. Eng. J. 2006. Vol. 31. P. 56.Stamenković O.S., Lazić M.L., Todorović Z.B. et al. The effect of agitation intensity on alkali-catalyzed methanolysis of sunflower oil // Bioresource Technology. 2007. Vol. 98. P. 2688.Stamenković O.S., Lazić M.L., Todorović Z.B. et al. The effect of agitation intensity on alkali-catalyzed methanolysis of sunflower oil // Bioresource Technology. 2007. Vol. 98. P. 2688.Коренман И.М. Фотометрический анализ. Методы определения органических соединений. М. : Химия, 1975.Коренман И.М. Фотометрический анализ. Методы определения органических соединений. М. : Химия, 1975.Kaya A., Schumpe A. Surfactant adsorption rather than “shuttle effect”? // Chem. Eng. Science. 2005 Vol. 60. P. 6504.Kaya A., Schumpe A. Surfactant adsorption rather than “shuttle effect”? // Chem. Eng. Science. 2005 Vol. 60. P. 6504.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.