Различные подходы к накоплению биомассы микроводорослей Chlorellavulgaris и к процессам её биокаталитической трансформации (1105654), страница 18
Текст из файла (страница 18)
в-в биомассы) + А (2 мг/г сух. в-вбиомассы)] использовалась в дальнейших экспериментах для проведения ферментативногогидролиза полисахаридов биомассы клеток C. vulgaris.Далее были определены оптимальные условия (температура, pH) проведенияферментативного гидролиза полисахаридов биомассы C. vulgaris c использованиемподобранной комбинации (Ц+А) (Рисунок 21).9198762,45мг Конц/гсу ентх.рв- ацивбяио А,массыВС, г/лКонцентрация102,22,049,59,08,51,88,0Концентра 7,5 7,0мг/гция Цсух.
в,-в биомассы1,66,56,0Рисунок 20 - Значения концентраций ВС, накапливающихся в среде, при проведенииферментативного гидролиза полисахаридов термически предобработанной при 1080С (0,5ати) в течение 30 мин биомассы микроводорослей C. vulgaris при одновременномиспользовании ферментных препаратов Ц и А (температура 37 оС, pH 5,5, 20 ч) в разныхконцентрациях8,5Концен трация ВС, г/л8,07,57,06,56,05,55,25,4pH5,65,86,05048464442ераТемп3840,тураоСРисунок 21- Значения концентраций ВС, накапливающихся в среде, при варьированиитемпературы и pH среды при проведении 20-часового ферментативного гидролизаполисахаридов термически предобработанной при 1080С (0,5 ати) в течение 30мин биомассымикроводорослей C. vulgaris с использованием оптимизированной комбинации (Ц+А)92Как видно из полученных результатов, наилучшими условиями проведения процесса,с точки зрения накопления максимального количества ВС в гидролизатах, были: температура37 0С и pH 5,5.С целью изучения возможности повышения концентрации ВС, накапливающихся впроцессе ферментативного гидролиза, к оптимизированной комбинации (Ц+А), по которойбыли получены наилучшие результаты в плане концентрации ВС, добавлялся вконцентрации 2 мг/г сух.
в-в биомассы один из следующих ферментных препаратов с: (К) –ксиланазной (продуцент T. viride), (М) - маннаназной (продуцент Aspergillus niger), (П) –пектиназной (продуцент Aspergillus niger) или (Х) - хитиназной (продуцент T. viride)активностью. На Рисунке 22 приведена кинетика накопления ВС в ходе ферментативногогидролиза термически обработанной биомассы микроводорослей C. vulgaris под действиемразличных смесей препаратов карбогидраз.Рисунок 22 – Кинетика накопления ВС в ходе ферментативного гидролиза термическипредобработанной при 1080С (0,5 ати) в течение 30 мин биомассы микроводорослейC.
vulgaris под действием (●) Ц+А, (■) Ц+А+М, (▲) Ц+А+К, (♦) Ц+А+П, (×) Ц+А+ХИз полученных результатов (Рисунок 22) следовало, что добавление к комплексу(Ц+А) других препаратов карбогидраз, применение которых было апробировано с учетоминформации о структуре клеточной стенки C. vulgaris [92], не приводило к значительномуулучшению характеристик процесса ферментативного гидролиза, связи с чем их внесениебыло сочтено экономически нецелесообразным.93Таким образом, ферментный комплекс, состоящий из Ц (8 мг/г сух. в-в биомассы) и А(2 мг/г сух.
в-в биомассы) при проведении ферментативного гидролиза при температуре 370Си рН 5,5 оказался лучшим с точки зрения достижения максимальных значений концентрацийВС и использовался в последующих экспериментах для проведения ферментативногогидролиза биомассы клеток C. vulgaris.С целью исследования возможности дальнейшего повышения эффективностиферментативного гидролиза были проварьированы условия термолиза - температура ипродолжительность процесса предобработки клеток перед ферментативным гидролизом(Рисунок 23).АБРисунок 23 – Кинетика накопления ВС (А) и глюкозы (Б) в ходе ферментативного гидролизабиомассы микроводорослей C.
vulgaris, термически предобработанной при 1080С (0,5 ати) втечение (■) 15 мин, (○) 30 мин, (Δ) 60 мин, при 121 0С (1 ати) в течение (●) 15 мин, (□) 30мин, (◊) 60 мин и (×) без предварительной термической предобработкиКак оказалось, для эффективной предобработки биомассы микроводорослейC. vulgaris достаточным является проведение термолиза при 1080С в течение 30 мин.Дальнейшее повышение температуры и длительности процесса практически не приводило кизменениям конечных характеристик процесса. В качестве контроля в этой серииэкспериментов также были проведены опыты, в которых ферментативному гидролизу94подвергалась биомасса микроводорослей С. vulgaris без предварительного термолиза(Рисунок 23).Ферментативный гидролиз нетермолизованной биомассы микроводорослей С.
vulgarisхарактеризовалсядостаточнонизкимизначенияминачальнойскоростипроцесса(V0=0,19±0,01 г/л/ч) и конечных выходов ВС (YВС=26,85±0,82% от общего содержанияуглеводов) и глюкозы (YГЛ=12,88±0,39% от общего содержания углеводов). А припроведении предварительного термолиза биомассы при 1080С в течение 30 мин начальнаяскорость ферментативного гидролиза была в 5,2 раза выше и составляла V0=0,99±0,03 г/л/ч.При этом уже к 20 ч проведения процесса, конечный выход ВС был выше в 2,8 раза(YВС=75,23±2,33%), выход глюкозы выше - в 4,1 раза (YГЛ=52,97±1,42 %), при этомпродуктивности процесса по ВС и глюкозе составляли: QВС= 0,37±0,01 г/л/ч и QГЛ=0,29±0,01г/л/ч, а показатели максимальных концентраций принимали следующие значения:СВС=8,35±0,26 г/л, СГЛ=5,88±0,16 г/л.Таким образом, предобработка биомассы клеток микроводорослей С.
vulgarisтермолизом способствовала значительному повышению эффективности последующегоферментативного гидролиза, что, безусловно, связано с тем, что в указанных условияхпроисходит частичное разрушение клеточной структуры, в результате чего увеличиваетсядоступность и площадь поверхности контакта гидролизуемых полисахаридов с ферментами.Одним из новых и до настоящего времени исследуемым является подход,предполагающийиспользованиеионныхжидкостей(ИЖ)дляпредобработкицеллюлозосодержащей биомассы перед ее ферментативным гидролизом [79, 80]. ИЖявляются достаточно эффективными растворителями для природных полимеров [81, 82]. Наих основе могут быть получены растворы целлюлозы и крахмала в достаточно высокихконцентрациях.
Известно, что растворение полисахаридов в ИЖ приводит к изменению ихнадмолекулярной структуры и повышению эффективности их последующего гидролиза.Известно положительное влияние предварительной обработки биомассы микроводорослейИЖ на конечные результаты последующего кислотного гидролиза [74].Интересным, снаучной точки зрения, является исследование влияния предварительной обработки биомассымикроводорослей ИЖ на конечные результаты последующего ферментативного гидролиза. Всвязи с этим было решено исследовать влияние предобработки биомассы микроводорослейC. vulgaris в присутствии ИЖ на эффективность последующего ферментативного гидролизаее полисахаридов и сравнить полученные результаты с известными из литературы и ранееполученными в ходе выполнения данной работы.При постановке экспериментов с ИЖ важно было учесть, чтобы выбранная ИЖ,помимо увеличения реакционной способности биомассы обеспечивала бы минимальный95ингибирующий эффект в своих остаточных концентрациях в обрабатываемой биомассе наферменты и обладала бы минимальной токсичностью для клеток-продуцентов.
С учетомэтого в данной работе предобработка биомассы микроводорослей C. vulgaris осуществляласьс использованием 1-бутил-3-метилимидазолия хлорида ([Bmim]Cl) [196]. Массовая долябиомассы микроводорослей в смеси с ИЖ по сухим веществам составляла 4%. Этосоотношение было выбрано на основании анализа литературных данных, известных длярастительного целлюлозосодержащего сырья [197]. В качестве варьируемых параметров припроведении экспериментов были выбраны: длительность (30, 60 мин) и температураэкспонирования биомассы микроводорослей С. vulgaris в смеси с ИЖ (100 оС, 120 оС). Далеесырье “отмывалось” от ИЖ следующим образом: рабочая смесь ресуспендировалась вдистиллированнойводе,подвергалась центрифугированию,послечего сосадкомпроводилась повторная операция до тех пор, пока концентрация ИЖ в промывных водахсоставила не более 0,2 г/л, только после этого осадок подвергался ферментативномугидролизу (СБМ0 = 20 г сух.
в-в/л, содержание углеводов в растворах CУГЛ = 11,1±0,5 г/л)(Рисунок 24).БАРисунок 24 – Кинетика накопления ВС (А) и глюкозы (Б) в ходе ферментативного гидролизабиомассы микроводорослей C. vulgaris, предобработанной ИЖ [Bmim]Cl при 100 0С втечение (■) 30 мин, (●) 60 мин и при 120 0С в течение (♦) 30 мин, (▲) 60 мин96Установлено, что по сравнению с ферментативным гидролизом непредобработаннойничембиомассы(Рисунок23)привсехвариантахпредобработкибиомассымикроводорослей C.
vulgaris ИЖ [Bmim]Cl наблюдалось увеличение начальной скоростиферментативного гидролиза (в 3,2÷3,9 раза в зависимости от условий предобработки). Приэтом наибольшие выходы ВС и глюкозы были получены в результате ферментативногогидролиза биомассы микроводорослей C. vulgaris, предобработанной ИЖ [Bmim]Cl при1200С в течение 60 мин, и составили соответственно YВС=51,53±1,61 % и YГЛ=34,50±1,02 %от общего содержания углеводов, что превысило результаты, полученные в ходеферментативного гидролиза ничем непредобработанной биомассы в 1,9 и 2,7 раза (Рисунок23). При этом начальная скорость ферментативного гидролиза биомассы по ВС принималазначение V0=0,75±0,02 г/л/ч, продуктивность процесса по ВС и глюкозе составила QВС=0,32±0,01 г/л/ч и QГЛ=0,21±0,01 г/л/ч, а показатели максимальных концентраций –СВС=5,72±0,18 г/л, СГЛ=3,83±0,11 г/л.Третьим способом при исследовании и поиске оптимальных условий предобработкибиомассы C.
vulgaris перед проведением ее ферментативного гидролиза был выбран способее механической дезинтеграции на шаровой мельнице Mini-BeadBeater-24, который былиспользован ранее при изучении процесса кислотного гидролиза (см. п. 3.2.1).Дезинтегрированная на шаровой мельнице в течение 4 мин биомасса подвергаласьферментативному гидролизу (СБМ0= 20 г сух. в-в/л, концентрация углеводов в раствореCУГЛ =11,1±0,5 г/л) (Рисунок 25).Рисунок 25 – Кинетика накопления ВС (■) и глюкозы (●) в ходе ферментативного гидролизабиомассы микроводорослей C. vulgaris, предварительно дезинтегрированной на шаровоймельнице в течение 4 мин97Сравнительный анализ полученных результатов (Рисунки 23-25) свидетельствует отом, что предварительная механическая дезинтеграция клеток C.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
