Различные подходы к накоплению биомассы микроводорослей Chlorellavulgaris и к процессам её биокаталитической трансформации (1105654), страница 16
Текст из файла (страница 16)
При оптимизациипроцессов предобработки основными показателями их эффективности, с кинетической точкизрения, являются максимальная начальная скорость гидролиза углеводов до ВС (V0), высокая80средняя продуктивность процесса по ВС и глюкозе (QВС и QГЛ) и возможность получениявысоких концентраций ВС и глюкозы (СВС и СГЛ) с максимальными их выходами от общегоколичества углеводов (YВС и YГЛ).3.2.1 Неферментативные способы предобработки биомассы микроводорослей C. vulgarisОдним из известных, экономически обоснованных и широкоиспользуемых способовпредобработки целлюлозосдержащей биомассы является кислотный гидролиз. В связи с этимданный способ был выбран в качестве отправной точки при проведении исследованийпроцессов предобработки биомассы микроводорослей С.vulgaris, накопленной на сточныхводах, с точки зрения получения максимальной концентрации ВС и глюкозы из углеводныхкомпонентов биомассы.Согласно литературным данным, применение кислотного гидролиза при правильномподборе условий позволяет получить достаточно высокие выходы ВС (Таблица 4).
Скоростьи полнота протекания процесса зависят, главным образом, от химической природы кислоты,ее концентрации, температуры и длительности проведения реакции [74, 78]. Однакоизвестно, что при действии кислот-катализаторов в условиях высоких температуродновременно с гидролизом полисахаридов происходит и превращение образующихсямоносахаридов в различные продукты, к числу которых относятся такие токсичныесоединения, как оксиметилфурфурол, фурфурол, муравьиная кислота и др. [74, 78]. В этойсвязи, основной принцип в подборе условий кислотного гидролиза полисахаридовзаключается в подборе оптимальных условий, обуславливающих максимально возможнуюполноту протекания реакции образования и накопления моносахаридов при их минимальнойдальнейшей конверсии в токсичные соединения.Исходя из литературных данных, кислотный гидролиз проводился под действиемрастворов разбавленных минеральных кислот – H2SO4 или HCl, наиболее широкоприменяемых для гидролиза возобновляемого сырья [192, 193].
В исследованииварьировались: концентрация кислоты (0,4÷2,0 н), температура и давление (1080С – 0,5 ати,1210С – 1 ати) и продолжительность процесса обработки биомассы (25÷70 мин). Исходнаяконцентрация биомассы во всех растворах была одинаковой и составляла 20 г сух. в-в/л. Сучетом того, что суммарное содержание углеводов в биомассе составляло 55,5 ± 2,5 % от еесухого веса, то, следовательно, концентрация углеводов в растворах была 11,1±0,5 г/л.Эффективность кислотного гидролиза оценивалась по концентрации накапливающихся входе процесса ВС и глюкозы, рассчитывались также выходы данных веществ (YВС и YГЛ) в %от исходного количества углеводов (Рисунки 15, 16).81Кон цен тра ция ВС , г/лАБ2,86,02,6Кон цен трац ия глю козы , г/л6,55,55,04,54,03,53,06050В р е мягидрол0,640иза, ми300,42,01,8,1,6тыло1,4ски1,2ия1,0ца0,8трнКо2,42,22,01,81,61,41,260нце50Времягнидроли0,640за, ми300,4н2,01,8,н1,6ты1,4лос1,2киия1,0ца0,8трнКоцеГ8,03,67,53,47,06,56,05,04,56050Время0,640гидролиза,мин300,42,0н1,8ы,1,6отл1,4ски1,2ия1,0ца0,8трнКоКон цен трац ия глю козы , г/лКон цен трац ия ВС, г/лВ5,5ннце3,23,02,82,62,42,22,06050Времягидро0,640лиза,мин300,42,01,8ны,1,6отл1,4ски1,2ия1,0ца0,8трнКоценРисунок 15 – Зависимость концентраций ВС (А, В) и глюкозы (Б, Г), накапливающихся всреде, от времени и концентрации кислоты при проведении кислотного гидролизаполисахаридов биомассы микроводорослей C.
vulgaris с использованием 0,4÷2,0 н растворовH2SO4 в течение 25÷70 мин при следующих температурах проведения процесса: А, Б – 1080С(0,5 ати), В, Г – 1210С (1 ати)82БА2,0Кон цент раци я ВС, г/л5,85,65,45,25,04,84,64,44,24,03,86050Времягидрол0,640иза, ми0,4302,01,8,н1,6тыол1,4ски1,2ия1,0ца0,8трнКоКонцентрация глю козы , г/л6,01,91,81,71,61,51,41,360нце50Время гидрн0,640олиза, мин300,42,0н1,8ы,1,6отл1,4ски1,2ия1,0ца0,8трнКоценВГ2,4Конц ентр аци я ВС, г/л6,86,66,46,26,05,85,65,45,25,06050Времяги0,640дролиза, мин300,42,01,8,н1,6ты1,4лос1,2кия1,0циа0,8трКонКонц ентр ация глю козы , г/л7,02,32,22,12,01,91,81,760нце50Времягидрол0,640иза, мин300,42,01,8,н1,6тыо1,4слки1,2ия1,0ца0,8трКонценРисунок 16 – Зависимость концентраций ВС (А, В) и глюкозы (Б, Г), накапливающихся всреде, от времени и концентрации кислоты при проведении кислотного гидролизаполисахаридов биомассы микроводорослей C.
vulgaris с использованием 0,4÷2,0 н растворовHCl в течение 25÷70 мин при следующих температурах проведения процесса: А, Б – 1080С(0,5 ати), В, Г – 1210С (1 ати)83Анализ полученных данных (Рисунки 15, 16) позволил сделать следующие основныевыводы:- при увеличении концентрации кислот от 0,4 до 1,2 н наблюдалось повышениеконцентраций ВС и глюкозы, накапливающихся в среде, в зависимости от температуры идлительности проведения процессов в 1,3 ÷ 1,5 раза – при использовании растворов H2SO4 ив 1,1 ÷ 1,3 раза – при использовании растворов HCl.
Дальнейшее повышение концентрациикислот не приводило к увеличению выходов ВС и глюкозы;- повышение температуры от 108 до 1210С способствовало увеличению концентрацийВС и глюкозы в зависимости от концентрации кислоты и длительности проведенияпроцессов в 1,2 ÷ 1,5 раза в случае применения растворов H2SO4 и в 1,1 ÷ 1,5 раза – прииспользовании растворов HCl;- при использовании растворов H2SO4 увеличение длительности процессов от 25 до 45мин приводило к повышению концентраций ВС и глюкозы в 1,1 ÷ 1,3 раз в зависимости отконцентрации кислоты и температуры гидролиза, однако дальнейшее увеличениепродолжительности процессов до 70 мин не способствовало повышению концентраций ВС иглюкозы, накапливающихся в среде. В случае использования растворов HCl максимальнаяконцентрация сахаров накапливалась в течение первых 25 мин, и дальнейшее увеличениедлительности процессов приводило к уменьшению выходов ВС и глюкозы.Оптимальные условия кислотного гидролиза полисахаридов в составе биомассымикроводорослей C.
vulgaris под действием растворов H2SO4 и HCl, основанные на данныхРисунков 15 и 16, представлены в Таблице 15.Таблица 15 – Основные характеристики кислотного гидролиза биомассы микроводорослейC. vulgaris в оптимальных условияхКонцентрация Температура, Время,кислоты1,2 н H2SO41,2 н HCl°С121ВСГлюкозаминСВС, г/лYВС, %СГЛ,г/лYГЛ, %457,71±0,2769,46±2,393,38±0,0830,45±0,71256,86±0,2561,80±2,202,30±0,0720,72±0,59Сравнительный анализ результатов, полученных при кислотном гидролизе биомассымикроводорослей C. vulgaris под действием растворов неорганических кислот, показал, чтохотя в случае применения HCl максимальные концентрации ВС и глюкозы при прочихравных условиях накапливались почти в 2 раза быстрее, по своей величине они оказались в1,1 и 1,5 раза меньше, чем при использовании H2SO4. В связи с этим в последующих84экспериментах для кислотного гидролиза биомассы C. vulgaris использовалась именноH2SO4.Поскольку известно, что биомасса микроводорослей C.
vulgaris в отличие отлигноцеллюлозосодержащего сырья состоит из мелких клеток, имеющих размер в 4÷6 мкм,то необходимость в проведении какой-либо предварительной обязательной дезинтеграцииклеток перед кислотным гидролизом, с экономической точки зрения, исходно непредставлялась целесообразной.
Однако с целью возможного увеличения эффективностипроцесса кислотного гидролиза было решено исследовать влияние на выходы ВС и глюкозыпредварительной механической деструкции клеток C. vulgaris, так как из литературыизвестно, что в ряде случаев такую обработку с использованием ступок с абразивом,шаровых мельниц проводят с целью повышения эффективности дезинтеграции биомассы[73, 77, 97]. Деструкцию клеток можно осуществлять и специальными методамиинструментальной дезинтеграции (ультразвуковая или баллистическая дезинтеграция),однако, эти методы характеризуются большими энергетическими и экономическимизатратами за счет высоких показателей энергозатрат и амортизации оборудования.
Анализимеющейся информации относительно строения клеток микроводорослей и оценкаэкономических затрат на проведение дезинтеграции клеток различными методами позволилисделать вывод о том, что наиболее целесообразной перед проведением кислотного гидролизаможет быть дезинтеграция биомассы микроводорослей с использованием шаровой мельницыMini-BeadBeater-24, которая и была проведена (размер стеклянных бус 0,5 мм, скоростьвращения ротора 3000 об/мин, в ячейки объемом 0,5 мл загрузка биомассы составляла по 80мг по сух. в-вам).С целью установления оптимальной длительности процедуры механическойдезинтеграции биомассы было проварьировано время работы шаровой мельницы.
Степеньдезинтеграции биомассы оценивалась микробиологическим методом с использованиемсчетной камеры Горяева и рассчитывалась как процентное отношение разницы значенийколичества целых клеток в образце определенного объема до и после дезинтеграции втечение определенного промежутка времени к исходному количеству клеток (Рисунок 17).Согласно полученным данным (Рисунок 17) была выбрана оптимальная длительностьдезинтеграции клеток – 4 мин, и за это время в результате механического воздействия наклеткиклеточнаястенка98,5%биомассыподвергласьуспешнойдеструкции.Дезинтегрированная таким образом биомасса C. vulgaris далее подвергалась кислотномугидролизу (Рисунок 18).85Рисунок 17 - Показатель степени дезинтеграции клеток микроводорослей C.
vulgaris приварьировании длительности их обработки на шаровой мельницеИз полученных результатов (Рисунок 18) следовало, что, максимальные концентрацииВС и глюкозы, так же как и при гидролизе необработанной на шаровой мельнице биомассы,были получены при 1210С при использовании 1,2н H2SO4 (~6%-ный раствор). При этомпредварительная механическая деструкция клеток способствовала заметному увеличениюпродуктивности процесса кислотного гидролиза. Максимальные выходы ВС и глюкозы,равные 76,13±2,41% и 40,99±1,09% от общего содержания углеводов соответственно,достигались в течение 25 мин (длительность процесса гидролиза сократилась почти в 2 раза),при этом они оказались соответственно в 1,1 и 1,3 раза выше, чем при кислотном гидролизебиомассы C.
vulgaris, необработанной на шаровой мельнице.Сравнительный анализ полученных результатов кислотного гидролиза биомассымикроводорослей C. vulgaris с предварительной деструкцией клеток биомассы на шаровоймельнице с известными из литературы данными (Таблица 4) в целом свидетельствует обэффективности предложенного подхода, полученные результаты сопоставимы с лучшими изизвестных в литературе, которые соответствуют показателям процесса кислотного гидролизабиомассы C.
vulgaris, накопленной в специально подобранных условиях и, следовательно,отличающейся более высоким содержанием углеводов. Именно поэтому в ходе гидролиза визвестных из литературы случаях обеспечиваются более высокие конечные концентрацииВС, однако при проведении гидролиза используются более высокие температуры (до 180 0С),что эквивалентно повышению энергозатрат.86АБ3,86,56,05,55,04,56050В ре мягидро0,640лиза,ми н300,42,01,8ны,1,6от1,4лс1,2киия1,0ца0,8трнКоКон цен трац ия глю козы , г/лКонц ент рац ия ВС, г/л7,03,63,43,23,02,82,62,460нце50Времягидро0,640лиза,мин300,42,01,8ны,1,6отл1,4ски1,2ия1,0ца0,8трнКоценВГ4,6Кон цен трац ия ВС, г/л8,48,28,07,87,67,47,27,06,86,66050Время0,640гидролиза,м30ин0,42,01,8,н1,6тыло1,4ски1,2я1,0циа0,8трКонКон цен трац ия глю козы , г/л8,64,44,24,03,83,63,460нце50В рем ягидро0,640лиза,мин300,42,01,8,н1,6тыло1,4ски1,2я1,0циа0,8трКонценРисунок 18 – Зависимость концентраций ВС (А, В) и глюкозы (Б, Г), накапливающихся всреде, от времени и концентрации H2SO4 при проведении кислотного гидролизаполисахаридов механически дезинтегрированной биомассы микроводорослей C.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
