Различные подходы к накоплению биомассы микроводорослей Chlorellavulgaris и к процессам её биокаталитической трансформации (1105654), страница 15
Текст из файла (страница 15)
vulgaris было решено использовать растворы ПВС с концентрацией 7 %.При проведении сравнительного анализа значений средней за 8 суток скоростинакопления биомассы при одинаковой ее начальной концентрации - 0,4 г сух. в-в/л и прииспользовании сточной воды №2 (Рисунки 6 и 9), было отмечено, что при использовании вкачестве инокулята клеток в иммобилизованном виде (7% ПВС) значение параметра QCснижается не более, чем на 5,0±0,2% по сравнению с аналогичным процессом на основесвободных клеток.
Это свидетельствует о высокой жизнеспособности иммобилизованныхклеток, характеристикой которой в данном случае является именно показатель скоростинакопления биомассы – QC.С целью возможного повышения значений основных параметров исследуемогопроцесса было решено увеличить концентрацию иммобилизованных клеток, вносимых всреду для накопления биомассы клеток С.
vulgaris, до 0,8÷1,6 г сух. в-в/л. В качествепитательных сред были использованы сточные воды №1-№4 (Таблица 13, Рисунки 10, 11).73Таблица 13 – Изменение концентрации внутриклеточного АТФ (×10-7 моль/г сух. в-в) в препарате иммобилизованных в 7% криогель ПВСклеток C. vulgaris при использовании их в качестве инокулята в различных средах, а также АТФ в культуральной жидкости (×10-10 моль/мл)в зависимости от исходной концентрации иммобилизованного инокулята. Составы сточных вод указаны в п.2.2.1.Концентрация иммобилизованных клеток C. vulgaris, г сух. в-в/л0,81,21,612,4 ± 0,510,5±0,612,2 ± 0,412,5 ± 0,515,2±0,812,4 ± 0,616,3±0,912,6 ± 0,531,6±1,312,3 ± 0,612,8 ± 0,542,7±1,812,9 ± 0,744,3±2,212,0 ± 0,415,0±0,512,5 ± 0,712,3 ± 0,720,6±0,912,1 ± 0,622,1±1,112,3 ± 0,722,1±0,812,0 ± 0,612,1 ± 0,630,0±1,311,9 ± 0,631,9±1,4Сточная вода №1АТФ в иммобилизованном инокуляте при внесении в средуАТФ в иммобилизованном инокуляте через 3 сут культивированияАТФ в культуральной жидкости через 3 сут культивирования74Сточная вода №2АТФ в иммобилизованном инокуляте при внесении в средуАТФ в иммобилизованном инокуляте через 3 сут культивированияАТФ в культуральной жидкости через 3 сут культивированияСточная вода №3АТФ в иммобилизованном инокуляте при внесении в средуАТФ в иммобилизованном инокуляте через 3 сут культивированияАТФ в культуральной жидкости через 3 сут культивированияСточная вода №4АТФ в иммобилизованном инокуляте при внесении в средуАТФ в иммобилизованном инокуляте через 3 сут культивированияАТФ в культуральной жидкости через 3 сут культивированияАБВГРисунок 10 – Кинетика накопления биомассы свободных клеток C.
vulgaris в сточных водах№1 (А), №2 (Б), №3 (В) и №4 (Г) при варьировании исходной концентрациииммобилизованных клеток: 0,8 (▲), 1,2 (■) и 1,6 (●) г сух. в-в/лИз полученных данных следует, что во всех средах при увеличении исходнойконцентрации иммобилизованных клеток до 1,2 г сух. в-в/л наблюдалось повышение средней(за 3 суток) скорости накопления биомассы.
При этом введение в среду иммобилизованныхклеток в концентрации выше 1,2 г сух. в-в/л не представлялось целесообразным, посколькуэто практически не способствовало увеличению скорости накопления биомассы клетокС. vulgaris.Таким образом, оптимальной исходной концентрацией иммобилизованных клетокможно считать значение – 1,2 г сух. в-в/л.75Рисунок 11 – Средняя скорость накопления биомассы свободных клеток C. vulgaris,мгсух.в-в/л/сут,иммобилизованныхвсточныхклеток:0,8водахпри(черныеварьированиистолбцы),исходной1,2(белыевпроцессеконцентрациистолбцы)и1,6(заштрихованные столбцы) г сух.
в-в/лРезультатыанализаизменениявеличинХПКростабиомассымикроводорослей в сточных водах (Рисунок 12) свидетельствовали о том, что за 3 сутоккультивирования в зависимости от среды происходило снижение ХПК растворов в 2-8 раз сосредней скоростью снижения 139-479 мг/л/сут. Наилучшие результаты были получены насточной воде №2.Рисунок 12 – Изменение ХПК растворов в процессе накопления биомассы свободных клетокC. vulgaris в сточных водах при концентрации внесенных во все среды иммобилизованныхклеток C. vulgaris 1,2 г сух. в-в/л (заштрихованные столбцы - начальное значение ХПК(мг/л), белые столбцы - конечное значение ХПК (мг/л) и средняя скорость снижения ХПК(мг/л/сут) в этих же средах (черные столбцы). Период культивирования – 3 суток76Далее была исследована возможность многократного использования разработанногоиммобилизованного инокулята для накопления биомассы клеток С.
vulgaris в сточных водахразличного состава путем замены питательной среды на свежую (Рисунки 13, 14).Рисунок 13 – Кинетика накопления биомассы свободных клеток C. vulgaris в сточных водах№1 (♦), №2 (▲), №3 (●) и №4 (■) при концентрации внесенных во все средыиммобилизованных клеток C. vulgaris 1,2 г сух. в-в/л (пунктиром отмечено время заменысреды в реакторе) в периодическом процессеРисунок 14 – Средняя скорость накопления биомассы свободных клеток C. vulgaris, мг сух.вв/л/сут, в сточных водах №1- №4 при концентрации внесенных во все средыиммобилизованных клеток C. vulgaris 1,2 г сух. в-в/л (черные столбцы – 1-ый, белые столбцы– 2-ой, серые столбцы – 3-ий, заштрихованные столбцы – 4-ый цикл культивирования)77Из представленных данных видно, что разработанный иммобилизованный препаратна основе включенных в криогель ПВС клеток C.
vulgaris может успешно применяться вкачестве «многоразового» инокулята для накопления биомассы C. vulgaris в различныхсредах, в частности в сточных водах. При этом показатели скорости роста клеток почти неизменяются при их использовании на протяжении 4-х рабочих циклов.Биомасса свободных клеток C. vulgaris, полученная в результате культивированияиммобилизованных в криогель ПВС клеток C. vulgaris в различных сточных водах, быласконцентрирована центрифугированием и использована для сравнительного анализа еёбиохимического состава с составом клеток, которые выращивались в тех же средах прииспользовании инокулята в виде свободных клеток используемого штамма (Таблица 14).Таблица 14 – Состав основных биоорганических компонентов биомассы клеток C.
vulgaris,накапливающейся в результате культивирования иммобилизованных в криогель ПВС клетокC. vulgaris в сточных водах различного состава (см. п.2.2.1)Сточная водаЛипиды, %Белки, %Углеводы, %№120,8±1,410,3±0,749,1±2,8№219,8±0,88,4±0,454,8±2,1№324,5±1,08,5±0,852,7±3,0№420,1±0,913,5±0,950,3±2,7Сравнение данных Таблиц 10 и 14 показало, что содержание липидов, углеводов ибелков было практически идентичным друг другу, подтвердив, таким образом, возможностьиспользования иммобилизованного инокулята вместо инокулята в виде свободных клетокдля накопления биомассы микроводорослей C. vulgaris без изменения ее биохимическогосостава, постоянство которого крайне важно для трансформации получаемой биомассы вразличные конечные продукты в промышленных условиях при реализации отработанныхтехнологических режимов.Таким образом, был разработан оригинальный способ иммобилизации клетокмикроводорослей C.
vulgaris включением их в криогель ПВС, который может эффективноиспользоваться для получения иммобилизованного инокулята, пригодного для эффективногомногократного накопления биомассы свободных клеток C. vulgaris в различных средах, вчастности, сточных водах.Анализ полученных результатов позволил сформулировать следующие выводы:- оптимизированы условия применения разработанного способа для иммобилизацииклеток микроводорослей C. vulgaris в криогель ПВС: исходная концентрация раствора ПВС78– 7%, концентрация биомассы – 4% по сухим веществам, среда для приготовления исходногораствора ПВС – среда Тамийя, температура формирования и хранения гранул -70°С.-предложениоптимизированновыйподходкнаращиваниюбиомассымикроводорослей C. vulgaris в процессе очистки сточных вод, при этом гранулы симмобилизованными клетками могут быть эффективно многократно использованы вкачествеинокулята,проанализированыкинетическиепараметрыреализованногобиотехнологического процесса.За 1 цикл при оптимальной концентрации иммобилизованных клеток – 1,2 г сух.
в-в/л,может быть получено в зависимости от среды культивирования до 0,6÷1,7 г сух. в-в/лбиомассы микроводорослей, а ХПК - снижено в 2-8 раз, средняя скорость накоплениябиомассы (QC) – 203÷557 мг сух. в-в /л/сут. За 4 рабочих цикла показатели QC снижаются неболее, чем на 12-13 %. Полученная при этом биомасса характеризуется постоянством долиуглеводов в её составе, обеспечивающим возможность ее последующей трансформации вкоммерчески значимые продукты.3.2Выборспособагидролизаполисахаридов,входящихвсоставбиомассымикроводорослей С. vulgarisПриразработкекомплексныхподходовиоптимизациибиотехнологическихпроцессов, содержащих стадии накопления биомассы микроводорослей и ее последующуюбиотрансформацию, очевидно, следует ориентироваться на целевой продукт и, наоборот,целесообразность получения того или иного целевого продукта часто определяетсяхарактеристиками и биохимическим составом биомассы, предлагаемой в качестве исходногосырья.При проведении исследований, связанных с наращиванием микроводорослейC.
vulgaris в процессе очистки наиболее значимых, с практической точки зрения, вариантовсточных вод, было установлено, что полученная биомасса характеризуется относительнымпостоянством биохимического состава (Таблицы 10, 14), при этом 50-55% биомассыпредставлено углеводами. Таким образом, основным ориентиром при выборе целевыхпродуктов и методов предварительной обработки биомассы в данном случае является поископтимальных путей и исследование возможностей дальнейшей биотрансформации именноуглеводной части биомассы микроводорослей. В настоящее время с целью расширенияспектра конечных продуктов проводится ряд исследований, направленных на оптимизациюбиотрансформации именно углеводных компонентов биомассы микроводорослей, однакозакономерности протекания всех этих процессов до сих пор недостаточно изучены иинтересны с научной точки зрения.79Известно, что после извлечения липидов – основного компонента производствабиодизельного топлива, оставшуюся часть биомассы микроводорослей, содержащуюуглеводы и белки, возможно подвергнуть дальнейшей биотрансформации.
При этом припроведениипроцессовбиотрансформацииуглеводовпредпочтительнымявляетсяпредварительная обработка сырья с целью получения максимального количества ВС,которые на последующих стадиях могут выступать в качестве исходных компонентов дляполученияширокогоспектрахимическихсоединений[11-16].Такимобразом,предварительная обработка исходного сырья является одной из ключевых стадий полученияцелевыхпродуктов,посколькуеёэффективностьюопределяетсяконцентрацияобразующихся в результате моносахаридов, пригодных для последующей конверсииразличными микроорганизмами.Цельюданногоэтапаработыявлялосьпроведение,сравнительныйанализэффективности разных способов и оптимизация предобработки биомассы микроводорослейС. vulgaris, накопленной в сточных водах, с точки зрения получения максимальнойконцентрации ВС и глюкозы из углеводных компонентов биомассы.Для проведения экспериментов в качестве питательной среды для накоплениябиомассы С.
vulgaris использовалась сточная вода № 2, на которой по результатам ранеепроведенных исследований была установлена возможность наращивания максимальногоколичества биомассы (см. п. 3.1.1).Из литературных данных известно, что биомасса микроводорослей С. vulgarisсодержит в своем составе главным образом целлюлозу, крахмал, а также гемицеллюлозы,хитино- и пектиноподобные вещества [92]. Таким образом, при изучении возможностейпроведения эффективной предобработки такого сырья, с точки зрения получениямаксимального количества ВС, решено было ориентироваться на химические реакциигидролиза его углеводных компонентов, а при выборе оптимального режима проведенияобработки - принимать во внимание особенности известных биотехнологических процессовпереработки целлюлозосодержащих отходов сельского хозяйства и деревообрабатывающейпромышленности, а также процессов переработки хитин-, пектин- и крахмалсодержащейбиомассы.Как известно из литературы, большинство способов предобработки возобновляемойбиомассы зависит от прочности клеток, сводится к её дезинтеграции за счет внешнихвоздействий и осуществляется с использованием различных физических, химических иферментативных методов, а также при их комбинировании [73-75].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
