Различные подходы к накоплению биомассы микроводорослей Chlorellavulgaris и к процессам её биокаталитической трансформации (1105654), страница 17
Текст из файла (страница 17)
vulgaris сиспользованием 0,4÷2,0 н растворов H2SO4 в течение 25÷70 мин при следующихтемпературах проведения процесса: А, Б – 108 0С (0,5 ати); В, Г – 121 0С (1 ати)87Помимо кислотного гидролиза для предобработки биомассы теоретически возможноиспользование и щелочного способа, который однако, согласно литературным данным,обеспечивает гораздо более низкие показатели эффективности процесса предобработки(Таблица 4) в сравнении с кислотным гидролизом, поэтому данный подход в работе неприменялся.Таким образом, после проведения исследований и сравнительного анализанеферментативных способов предобработки биомассы микроводорослей C.
vulgaris (приисходной концентрации 20 г сух. в-в/л) можно утверждать, что лучшие результаты поосновнымпараметрам(СВС=8,45±0,27г/л,СГЛ=4,55±0,12г/л,YВС=76,13±2,41%,QВС=20,12±0,64 г/л/ч, YГЛ=40,99±1,09%, QГЛ=10,83±0,29 г/л/ч) могут быть получены припредварительной дезинтеграции биомассы на шаровой мельнице в течение 4 мин споследующим ее кислотным гидролизом 1,2н раствором H2SO4 в течение 25 минут притемпературе 1210С.Поскольку в ходе последующей биотехнологической трансформации предварительногидролизованной биомассы микроводорослей предполагается использование клетокпродуцентов различных конечных продуктов, то при оптимизации процессов предобработкибиомассы помимо основных показателей процесса гидролиза на первый план выходятпоказатели уровня токсичности полученных образцов гидролизатов.В связи с этим далее был проведен анализ концентраций веществ - возможныхпродуктов трансформации сахаров, обладающих токсичностью для клеток микроорганизмов(муравьиной кислоты, оксиметилфурола и фурфурола), в образцах, полученных послепроведения кислотного гидролиза биомассы микроводорослей С.
vulgaris (исходнаяконцентрация - 20 г сух. в-в/л). Результаты анализа представлены на Рисунке 19.Рисунок 19 - Концентрации некоторых продуктов трансформации моносахаров, обладающихтоксической активностью и накапливающихся в ходе проведения кислотного гидролизабиомассы микроводорослей C. vulgaris88Данные, представленные на Рисунке 19, свидетельствуют о том, что послепроведения кислотного гидролиза механически дезинтегрированной биомассы C.
vulgaris вполученном растворе присутствуют соединения, которые могут потенциально оказыватьнегативноевлияниенахарактеристикибиокатализаторов,использованиекоторыхпредполагается на стадиях трансформации ВС и глюкозы в различные продукты. Анализполученных данных с известными из литературы результатами анализа компонентовкислотных гидролизатов микро- и макроводорослей [74, 78, 194] позволил утверждать, чтопроцентное содержание данных токсичных соединений в кислотных гидролизатах в целомсопоставимо.Ранее в лаборатории Экобиокатализа Химического факультета МГУ имениМ.В.Ломоносова был разработан биочувствительный элемент на основе иммобилизованныхв криогель ПВС клеток фотобактерий P. phosphoreum.
Были изучены характерные откликитушения биолюминесценции этих иммобилизованных клеток на присутствие различныхэкотоксикантов (ионы тяжелых металлов, производные фенола, фосфорорганическиепестициды) в проточных и стационарных условиях [181]. При экспонировании такогобиочувствительного элемента в течение 30 мин в растворе, полученном после проведения воптимальных условиях кислотного гидролиза биомассы микроводорослей C.
vulgaris,отмечено тушение сигнала биолюминисценции на 15%.Таким образом, интересным, с научной и практической точек зрения, является поиск иисследование возможностей предобработки биомассы микроводорослей C. vulgaris,накопленной на сточных водах, с получением образцов с высокими концентрациями ВС,характеризующихся при этом меньшей токсичностью.3.2.2 Ферментативная обработка биомассы микроводорослей C.
vulgarisИзвестно, что высокой специфичностью, минимальным количеством побочныхпродуктов и мягкими условиями проведения характеризуются процессы ферментативнойпредобработки различных типов биомассы. В настоящее время для этих целей используютсяразличные карбогидразы (КФ 3.2.1), катализирующие гидролитическое расщеплениеО-гликозидной связи. Это связано с тем, что в отличие от химических и физических методов,их использование позволяет получать относительно высокие выходы сахаров присравнительно мягких условиях проведения реакции (при атмосферном давлении итемпературе не выше 700С), при этом получаемые гидролизаты практически не содержатнежелательных побочных продуктов гидролиза [195].
Недостатками данного способапредобработки являются более высокие, по сравнению с кислотным гидролизом,экономические затраты из-за достаточно высокой стоимости чистых ферментных препаратов89и большие временные затраты на проведение самого процесса гидролиза. Эффективнымспособом преодоления этих недостатков считается применение комплексных ферментныхпрепаратов, позволяющих значительно повысить эффективность гидролиза.В этой связи в настоящее время исследователями проводится активный поискспособов предобработки биомассы микроводорослей, накопленной в разных средах, сиспользованием ферментов и их комплексов с целью получения высоких выходов ВС иминимизации экономических и временных затрат [75, 97]. Подбор ферментов для гидролизаполисахаридов в составе той или иной биомассы осуществляется с учетом химическойприроды присутствующих углеводов.
Как отмечалось ранее (см. п. 1.3), углеводымикроводорослей С. vulgaris представлены главным образом крахмалом, целлюлозой инекоторыми другими полисахаридами, входящими в состав клеточной стенки [74, 86, 96]. Внастоящее время в результате выполнения научных работ становятся известными все новыекарбогидразы, многие из них характеризуются высокой каталитической активностью идостаточно низкой себестоимостью в расчете на единицу активности. Однако многиевопросы,связанныесферментативнымиметодамипредобработкибиомассымикроводорослей, остаются открытыми. Из литературы известно, что для эффективногопрактического использования ферментативного гидролиза целлюлозосодержащей биомассыобычно требуется применение различных способов повышения реакционной способностиисходного сырья [195], однако не установлено какие именно способы и условия ихприменения наиболее эффективны для биомассы микроводорослей.
Кроме того до сих порнет точных данных относительно оптимального набора и соотношения ферментов, которыенужно использовать для получения максимальных выходов ВС при обработке биомассымикроводорослей. Так как известно, что биохимический состав биомассы может сильноварьироваться в зависимости от условий культивирования клеток, то считается, что дляосуществления эффективной предобработки биомассы с использованием ферментов каждыйраз необходимо подбирать определенные их комбинации и условия повышения реакционнойспособности биомассы с учетом имеющихся данных о ее составе.В связи с вышесказанным далее было решено исследовать возможности проведенияферментативной предобработки биомассы микроводорослей C. vulgaris, накопленной насточной воде №2 (см.
п. 2.2.1), с целью осуществления наиболее полной деструкцииклеточных полисахаридов и получения образцов гидролизатов с высокими концентрациямиВС, характеризующихся при этом минимальной токсичностью.Так как повышение реакционной способности биомассы перед проведением ееферментативного гидролиза в ряде случаев может способствовать увеличению конечноговыхода ВС, то была исследована зависимость эффективности ферментативного гидролиза90полисахаридовклетокмикроводорослейC.vulgarisотразличныхспособовеепредобработки.Было исследовано влияние условий проведения предварительного термолизабиомассы C.
vulgaris, подвергающейся ферментативному гидролизу, на выходы ВС.При проведении экспериментов биомасса C. vulgaris ресуспендировалась в Naацетатном буфере (рН 5,5), после чего проводился ее термолиз (нагрев и выдерживание).Первоначально были выбраны следующие условия термолиза: 30 мин при 1080С (0,5 ати).Исходная концентрация субстрата, как и в предыдущих экспериментах, была 20 г сух.
в-в/л(содержание углеводов в приготовленных суспензиях составляло 11,1±0,5 г/л). В этихусловиях уже происходила частичная деструкция полисахаридов клеток с накоплением всреде 0,99±0,02 г/л ВС (8,92±0,21 % от общего содержания углеводов). Наличия глюкозы всреде обнаружено не было.Полученные среды, содержащие биомассу микроводорослей C. vulgaris послепроведенияеепредобработкитермолизом,использовалисьдалеедляпроведенияферментативного гидролиза.На основании данных о том, что в состав углеводов биомассы микроводорослейC.
vulgaris, накопленной на сточной воде №2, входит целлюлозы – 23,5±0,9% (от сух.биомассы) и крахмала – 21,9±0,8% (от сух. биомассы), для проведения экспериментов былиотобраны два коммерческих ферментных препарата: (Ц) – целлюлазный комплекс(продуцент - Trichoderma viride) и (А) – ферментный комплекс, содержащий α-амилазу(продуцент - Aspergillus oryzae).Были составлены различные комбинации этих двух ферментов (Ц+А), и определеныих оптимальные концентрации, необходимые для проведения ферментативного гидролизабиомассы C.
vulgaris. Исходные условия проведения ферментативного гидролиза былиследующие: pH 5,5, температура 37 0С (Рисунок 20).Анализ полученных данных показал, что при использовании смеси ферментов Ц и А,взятых в концентрации 8 мг/г сух. в-в биомассы и 2 мг/г сух. в-в биомассы соответственно,концентрация ВС, накапливающаяся за 20 ч, составляла 8,35±0,26 г/л. Дальнейшееувеличение концентраций Ц и А не приводило к существенному увеличению концентрацийВС. В связи с этим смесь ферментов [Ц (8 мг/г сух.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
