Различные подходы к накоплению биомассы микроводорослей Chlorellavulgaris и к процессам её биокаталитической трансформации, страница 8

Из литературы известно, что степень конверсии ВС в ЯК сприменениемклетокбактерийA.succinogenesизгидролизатовразличногоцеллюлозосодержащего сырья может достигать 0,6-0,8 (60-80 %) (Таблица 6).В настоящее время преимущественная часть исследований в области полученияорганических кислот, как мономеров для получения биоразлагаемых полимеров, направленана расширение сырьевой базы для клеток-продуцентов. В этом отношении биомассафототрофных микроорганизмов представляет собой весьма перспективный субстрат,поскольку её предобработка в отличие от целлюлозосодержащих отходов требует меньшихзатрат.На сегодняшний день известно всего несколько работ, посвященных именнотрансформации биомассы микроводорослей в органические кислоты – МК и ФК (Таблица 7),при этом известна только одна работа, в которой показана принципиальная возможность36Таблица 6 – Характеристики существующих процессов получения ЯК с использованием свободных и иммобилизованных клетокA.

succinogenesСубстратНоситель дляиммобилизацииГлюкозаНет37АгарИсходнаяконцентрациясубстрата, г/л10,120,432,254,785,3101,450503021,437,658,178,3ДиатомитКокосовыйуголь21,4Композитныйматериал20406080100120140160СЯК,г/лYЯК/ВСQЯК,г/л/ч67,960,38499,481,910010010010065,44,710,618,333,832,432,437,939,417,212,422,634,343,86,70,460,520,570,620,560,530,900,790,700,580,600,590,560,480,470,761,141,130,720,590,750,660,512,062,831,751,350,55Максимальнаяпродолжительностьиспользования, ч10141630455550603430401001651291,610,40,531,28897989684757151619,133,935,132,623,331,826,215,80,470,860,610,490,310,370,370,160,40,90,70,70,30,30,20,121,438,548,24772,2108,7142,5237,8Потреблениесубстрата, %100Ссылка[139][140][141][142][143][144]Таблица 6- продолжениеГидролизат сердцевиныкукурузного початкаГидролизат тростниковой мелассыГидролизат сердцевины кукурузыГидролизат рисовой соломыГидролизат пшеничной соломы38,7*50,6*64,4*380,500,580,810,890,630,740,810,810,340,490,970,670,370,400,700,9530*9017,80,660,563230*50*439815,835,41,230,720,620,982536[147]64,6*9462,11,020,9168[148]64*94,336,20,600,7548[149]52*10022,50,431,0124[150]45*Гидролизат кукурузной соломыГидролизат отходов стеблейкукурузыГидролизат отходов стеблей хлопкаГидролизат кукурузных волоконГидролизат побочных продуктовпомола пшеничной мукиГидролизат отходов производстварисовой водкиГидролизат багассы сахарноготростника* - Концентрация ВС16,423,646,432,117,619,033,745,54858*85,480,689,180,062,456,992,497,2Нет[145][141][146][142]СЯК - максимальная концентрация ЯК г/л, YЯК/ВС – степень конверсии потребленных ВС в ЯК, QЯК – продуктивность процесса по ЯК, г/л/чТаблица 7 – Характеристики существующих процессов конверсии биомассы микроводорослей в МК и ФКМикроводорослиHydrodictyonreticulatum39NannochloropsissalinaDunaliella salinaУсловия предобработкиПоследовательно 2 стадии:1) Промывка биомассыводопроводной водой,высушивание при комнатнойтемпературе2) Ферментативный гидролиз 80 гсух.

в-в биомассы/л (pH 6,0, 340C,48 ч под действием комплексаферментных препаратов изCelluclast Conc BG (20 мг/г сух.биомассы), целлобиазы Aspergillusniger (10 мг/г сух. биомассы),глюкоамилазы A. niger (10 мг/г сух.биомассы)Обработка 50 г сух. в-в биомассы /лраствором 5% H2SO4 при 1200С 60мин0Термолиз (100 С, 30 мин)Chlorella vulgarisDunaliella salinaChlorella vulgarisТермолиз (100 0С, 30 мин)Исходнаяконцентрациябиомассы, г/лМолочная кислотаМикроорганизмКонцентрацияуглеводов, г/лСп,г/лYп/углQп,г/л/чСсылкаLactobacilluscoryniformis50,336,60,731,02[101]43,737,10,851,03[102]27,316,30,600,91[89]69,77,30,100,1855,50,20,0040,00580LactobacillusparacaseiLactobacilluspentosusИБК* наоснове клетокR.

oryzaeФумаровая кислотаИБК* наоснове клетокR. oryzae150100[111]10069,718,30,260,4655,50,10,0020,003* ИБК – иммобилизованный биокатализаторСп – концентрация МК или ФК, г/л Yп/уг –степень конверсии углеводов в МК или ФК, Qп – продуктивность процесса по МК или ФК, г/л/чконверсии биомассы микроводорослей в ФК, работ, направленных на исследованиепроцессов получения ЯК из гидролизатов микроводорослей в литературе не обнаружено. Всвязи с этим представляет определенный интерес, с научной и практической точки зрения,исследование новых возможностей получения вышеуказанных органических кислот изгидролизатов биомассы микроводорослей, накопленной, в частности, на сточных водах.Отходы сырья, остающиеся в процессах биокаталитического получения органическихкислот, теоретически могут быть конвертированы в биогаз, таким образом, улучшивэкономическую составляющую такого процесса, создающего основу для глубокойпереработки углеродсодержащего сырья.1.4.2 Полигидроксиалканоаты – микробные полимеры для получения биоразлагаемыхкомпозиционных материаловПолигидроксиалканоаты(ПГА)являютсябиополимерамиациклическихгидроксикислот, которые синтезируются многими прокариотическими микроорганизмами вспецифических условиях несбалансированного роста, при избытке углеродного иэнергетического субстрата в среде и дефиците минеральных элементов (азота, серы, фосфораи др.).

Биопластики на основе ПГА являются биосовместимыми и биоразлагаемымиматериалами, и поэтому интерес к ним непрерывно увеличивается [151]. ПГА нашлиприменение в производстве упаковки одноразового пользования (продукты бытовой химии,личной гигиены и пищевая упаковка), медицине и фармакологии, сельском хозяйстве [152].Создание и изучение новых биосовместимых материалов, необходимых для современныхмедицинских технологий, является актуальной проблемой. Активно развивающееся внастоящее время новое направление применения таких материалов – это формированиебиоискусственных органов и тканей [153, 154]. Несмотря на значительные успехи,достигнутые в биотехнологии, пока не удалось создать материалы, полностью совместимыес живым организмом. Основными факторами, сдерживающими широкое применение островостребованных биодеградируемых полимерных материалов, являются узкий ассортиментданных материалов, а также пока не решенная проблема регулируемости процессов ихфункционирования и деструкции в живом организме.

Именно ПГА с середины 80-х годовактивно изучают в качестве материала для хирургии, тканевой инженерии и созданиябиоискусственных органов, поскольку эти биополимеры обладают удовлетворительной, смедицинской точки зрения, механической прочностью, высокой биосовместимостью имедленной биодеградацией [155].По сравнению с биоразлагаемыми полимерами на основе органических кислот синтезполимерных материалов на основе ПГА проводят биотехнологическим методом прямой40ферментации непосредственно в клетках микроорганизмов [151], их производство не требуетсериитехнологическихэтапов(синтезмономеров,полимеризация,введениепластификаторов и модифицирующих компонентов).

Кроме того, ПГА подвергаютсяпереработке из различных фазовых состояний (порошки, растворы, гели, расплавы)общепринятыми методами. ПГА не гидролизуются в жидких средах, так как деградация ПГАявляется биологической и происходит клеточным и гуморальным путями, более тогоскоростью деградации ПГА можно управлять [156].Прогнозные оценки зарубежных экспертов по потенциальной стоимости ПГА взависимости от типа используемого сырья, технологии синтеза и объемов производствасоставляют от 2,9 до 8,3 тыс.

дол США/т. Среди факторов, указывающих на то, почемупроизводители ПГА не завоевывают российский рынок, можно указать главный - высокаястоимость продукта. Ведущие химические компании и мировые производители изделий изпластиков (Procter and Gambel, Monsanto, Tepha и др.) активно инвестируют финансовыесредства в разработку технологий производства ПГА.

Сегодня такие производства осваиваютили планируют к освоению практически все развитые страны, однако решающим для началаширокомасштабного получения и применения ПГА является снижение стоимости этихбиопластиков.Поскольку значительная доля затрат на производство ПГА связана с расходами науглеродсодержащее сырье для выращивания микроорганизмов, основное внимание внастоящее время уделяется расширению и удешевлению сырьевой базы этого производства,которое может быть достигнуто, в частности, за счет применения в качестве исходного сырьяпромышленныхисельскохозяйственныхотходов,гидролизатовразличныхвидоврастительной биомассы, накапливающейся ежегодно в огромных количествах.К числу перспективных продуцентов ПГА относятся бактерии родов Azotobacter,Bacillus, Methylmonas, Pseudomonas, Alcaligenes [151].

Существенное внимание различнымиавторами уделяется именно бактериям Cupriavidus nector (бывшее систематическое названиеAlcaligenes eutrophus, Ralstonia eutropha) в связи с их способностью аккумулировать ПГА, втом числе различного состава (гомогенный полигидроксибутират, более технологичныесополимеры гидроксибутирата с гидроксивалератом, а также трехкомпонентные полимеры),с высокими выходами на различных субстратах (Таблица 8).Как видно из Таблицы 8, для получения ПГА могут использоваться самыеразнообразные субстраты, представляющие собой различные гидролизаты и отходыпромышленных и сельскохозяйственных производств.Факторы, обеспечивающие аккумуляцию ПГА, видо- и штаммоспецифичны, поэтомуактуальной задачей для развития новой технологии синтеза и аккумулирования этих41полимеров в составе клеток микроорганизмов является исследование и нахождение условий,максимизирующих выходы ПГА у конкретных штаммов по конкретным субстратам.Таблица 8 – Характеристики процессов накопления ПГА клетками C.

necator в питательныхсредах на основе различных гидролизатов и отходов производствИсточник сырьяГидролизатбагассыГидролизаттростниковоймелассыОливковоемаслоКукурузноемаслоПальмовоемаслоПальмовоемаслоСоевыеотходы+мелассаОтходыпереработкифруктов иовощейОтходыпроизводствакрахмала изкассавыОтходыбиодизеля+мелассаМаксимальнаяконцентрациябиомассыC. necator,г сух. в-в/лМаксимальнаяконцентрацияПГА, г/лВнутриклеточноесодержаниеПГА, %СредняяскоростьнакопленияПГА,мг/л/чСсылка11,54,640,296[157]222,851340[158]4,33,479473,62,981404,13,279445,54,48031[160]12,54,939,282[161]2,771,1340,825[162]2,802,3985,550[163]15,42,113,626[164][159]Актуальным является развитие и внедрение новых технологий, позволяющих снизитьсебестоимость конечного продукта.

В этой связи исследование возможности получения ПГАпри культивировании их в среде гидролизованной биомассы микроводорослей, выращенныхна очищаемых сточных водах, однозначно обладает новизной и имеет практическуюзначимость.***Таким образом, актуальным и значимым, с научной и практической точек зрения,является разработка различных подходов к накоплению биомассы микроводорослей42C. vulgaris в процессе очистки сточных вод и к процессам ее биокаталитическойтрансформации в органические кислоты (мономеры для получения биоразлагаемыхполимеров) и биополимеры в виде ПГА.Анализируя изложенные в литературном обзоре данные, можно утверждать, чтоисследовательскую работу целесообразно провести в трёх основных направлениях:1.разработатьэффективныйспособнакоплениябиомассысвободныхклетокмикроводорослей C.