Различные подходы к накоплению биомассы микроводорослей Chlorellavulgaris и к процессам её биокаталитической трансформации, страница 6

Щелочной гидролиз биомассы считается наиболее дешевымспособом, но неэффективным [78].В последние годы значительно возрос интерес к ионным жидкостям (ИЖ), например впроцессах обработки лигноцеллюлозосодержащей биомассы [79, 80]. Показано, что наоснове ИЖ можно получить растворы целлюлозы, фиброина, кератина и других природныхполимеров в достаточно высоких концентрациях [81], при этом возможность регенерацииИЖ и повторное их использование для обработки биомассы делает возможным созданиезамкнутыхтехнологическихпроцессовпереработкиприродныхполимеровсихиспользованием.

Кроме того, ИЖ выгодно отличаются от других растворителей такимисвойствами, как широкий температурный диапазон жидкого состояния, высокая термическаястабильность, малое давление паров [82]. Целлюлоза, предобработанная с использованиемИЖ, характеризуется значительно меньшим индексом кристалличности по сравнению снепредобработанной, так как в результате взаимодействия с ИЖ происходит разрушениеводородных связей в областях кристалличности.

При последующей замене ИЖ на воду илидругой полярный растворитель, например, метанол или этанол, целлюлоза переходит изкристаллической формы в аморфную и легко подвергается дальнейшему гидролизу(кислотному или ферментативному), что обеспечивает высокий выход ВС [83]. Однаковысокая стоимость ИЖ, их токсичность и отсутствие разработанных технологий ихиспользования в промышленности в настоящее время сдерживает применение ИЖ.На данный момент известен ряд работ, посвященных физико-химическим способамобработки биомассы различных видов микроводорослей для подготовки её к дальнейшейконверсии в биотехнологические продукты под действием разнообразных микроорганизмов– продуцентов (Таблица 4).27Таблица 4 – Результаты физико-химических способов предобработки биомассы микроводорослейМикроводорослиChlorellavulgarisСодержаниеуглеводов вбиомассе,%5750,4Chlorella sp.73,628ChlamydomonasreinhardtiiChlorococcumhumicolaScenedesmusobliquus *ScenedesmusobliquusУсловия обработки биомассыОбработка 1 г сух.

в-в биомассы /л раствором 1,5% HCl при 121оС 20 минЦелевойYВСпродукт,(в т.ч.СсылкаполучаемыйYГЛ), %из биомассы100(89,5) Биоводород1Обработка 5 г сух. в-в биомассы /л раствором 1% NaOH при 121оС 20 минОбработка 50 г сух. в-в биомассы /л (в виде лиофилизированного порошка)93,7раствором 1% H2SO4 при 121оС 20 минОбработка 200 г сух. в-в биомассы/л смесью растворов 2% HCl + 2,5% MgCl2 при83,470180 С 10 мин(64,21)оОбработка 200 г сух. в-в биомассы/л раствором 4% HCl при 180 С 10 мин72оОбработка 200 г сух. в-в биомассы/л раствором 2% H2SO4 при 180 С 10 мин12 (6)Последовательно в 2 стадии:1) Обработка ИЖ [Emim]Cl (1-этил-3-метилимидазолий хлорид) при 105oС 180 мин 88,022) Обработка раствором 7% HCl при 1050С 180 мин[84][85][86]Биоэтанол[74]60Обработка 50 г сух.в-в биомассы/л раствором 3% H2SO4 при 110 оС 30 мин58[87]32,5Обработка 15 г сух.

в-в биомассы/л раствором 1% H2SO4 при 140 оС 30 мин**[88]24,7Обработка 67 г сух. в-в биомассы /л раствором 0,8% NaOH при 100оС 150 мин**Биоводород[72]31,8Последовательно в 2 стадии:1) Высушивание биомассы при 80оС до постоянной массы2) Обработка 50 г сух. в-в биомассы /л раствором 9,8% H2SO4 при 120°С 30 минОбработка 100 г сух. в-в биомассы /л раствором 0,8% NaOH при 120°С 30 мин89,9(59)-[78]7,964,3МолочнаяNannochloropsis[89]18,2Обработка 50 г сух. в-в биомассы /л раствором 5% H2SO4 при 120оС 60 мин(49,5)кислотаsalina*- биомасса после извлечения липидов; ** - не контролировался, YВС, YГЛ – выходы ВС, глюкозы, % от общего количества углеводовИз Таблицы 4 следует, что щелочной гидролиз можно считать абсолютнонеэффективным методом предобработки биомассы микроводорослей, если конечной цельюявляется получение высоких выходов ВС.Метод кислотного гидролиза является эффективным с точки зрения быстрого получениявысоких выходов ВС. Для повышения эффективности метода предполагается использованиеболее высоких концентраций кислоты (до 9,8 %) или проведение процесса при повышенныхтемпературах(доо180С).Хорошиерезультатыполученыприиспользованиипоследовательного сочетания 2-х методов предобработки биомассы микроводорослей:обработки ИЖ и последующего кислотного гидролиза.

Повысить эффективность кислотногогидролиза позволяет также предварительная лиофилизация или высушивание биомассы.Применение данных методов является экономически оправданным (за исключениемиспользования ИЖ), однако в случае предобработки биомассы в среде появляютсяразличные вещества (продукты трансформации сахаров: фурфурол, оксиметилфурфурол,муравьиная кислота и т.д.), токсичные для клеток микроорганизмов-продуцентов [74, 78].Ферментативный гидролиз с целью получения ВС в этом случае является болеепредпочтительным, поскольку характеризуется высокой специфичностью и, в отличие отфизико-химических методов, его использование позволяет получать относительно высокиевыходы сахаров при сравнительно мягких условиях проведения реакции (при атмосферномдавлении и температуре не выше 70 oС), при этом получаемые гидролизаты практически несодержатнежелательныхпобочныхпродуктовгидролиза.Вкачественедостаткаферментативного гидролиза можно отметить относительно низкую рентабельность процессаиз-за немалой стоимости ферментных препаратов.

Однако, несмотря на это, прилагаютсябольшиеусилияпосовершенствованиютехнологииферментативногогидролизаполисахаридов различных видов биомассы и внедрению его в промышленных масштабах. Вчастности,из-занарастающейпопулярностибиомассымикроводорослей,каквозобновляемого источника энергии, в настоящее время очень актуальны разработкиэффективного ферментативного гидролиза ее полисахаридов.Выборферментативныхпрепаратовопределяетсябиохимическимсоставомклеточных полимеров. Следует однако отметить, что подобные данные для разных клетокмикроводорослей обрывочны и носят весьма противоречивый характер, что очевидно,связано с тем, что даже биохимический состав клеток одного и того же штаммамикроводорослей может сильно варьироваться в зависимости от условий культивирования[85]. Биомасса микроводорослей рода Chlorella является в этом отношении наиболееизученной [90-92].

Известно, что клеточные стенки этих микроводорослей состоят извнешнего ригидного слоя, погруженного в пластичный матрикс,29причем разные видыChlorella отличаются по составам этих двух слоев [93]. К примеру, у вида Chlorella vulgaris,ригидный слой образован хитиноподобным гликаном, который может составлять 3÷15 % отмассы клеточной стенки [94], а внутренний слой образован главным образом целлюлозой, атакже гемицеллюлозами и пектиноподобными веществами [92]. Помимо полисахаридов,входящих в состав клеточной стенки, клетки микроводорослей рода Chlorella могутнакапливать в пластидах запасной углевод - крахмал [95]. Общее содержание углеводовможет достигать 70 % от веса сухой биомассы [86], при этом следует отметить, что, несмотряна разнообразие углеводных компонентов клеток, основную их часть составляют все жеглюкозосодержащие полимеры, а именно целлюлоза и крахмал, содержание которыхварьируется в зависимости от условий культивирования клеток и может достигатьсоответственно 35 % [74, 86] и 55 % [96] от веса сухой биомассы.На сегодняшний день известен ряд работ, посвященных фементативному гидролизубиомассымикроводорослей.Вкачествеферментныхпрепаратовбольшинствоисследователей используют целлюлазы, α-амилазы и глюкоамилазы, некоторые применяюттакже ксиланазы, пектиназы, лизоцим (Таблица 5).

Для повышения реакционнойспособности сырья применяются различные физические способы его предподготовки кдальнейшемуферментативномугидролизу.Следуетотметить,что,посколькумикроводоросли, в отличие от лигноцеллюлозосодержащего сырья, не содержат в своемсоставе лигнин, то в данном случае отпадает необходимость использования расщепляющихлигнинферментов,чтооблегчаетпроцессферментативногогидролизабиомассымикроводорослей по сравнению с гидролизом целлюлозосодержащего сырья.Таким образом, учитывая меняющийся в зависимости от условий культивированиябиохимический состав биомассы клеток микроводорослей, очевидно, что в каждомконкретном случае необходимо проведение оптимизации способов ее предобработки сцелью получения растворов с максимальной концентрацией ВС и минимальнымсодержанием токсичных продуктов, снижающих метаболическую активность клетокмикроорганизмов, которые далее должны быть использованы при конверсии ВС в различныецелевые продукты.1.4 Трансформация биомассы фототрофных микроорганизмов в полупродукты длясинтеза биоразлагаемых полимеровТрадиционно биомасса фототрофных микроорганизмов служит сырьем для полученияантиоксидантов и кормового белка [103, 104].