Различные подходы к накоплению биомассы микроводорослей Chlorellavulgaris и к процессам её биокаталитической трансформации (1105654), страница 19
Текст из файла (страница 19)
vulgaris приводит кнаиболее значительному повышению эффективности последующего ферментативногогидролиза, при этом по сравнению с ферментативным гидролизом биомассы безпредобработки получаемый выход ВС выше в 3,3 раза, а выход глюкозы – в 5,6 раза.Таким образом, в результате проведенных исследований и сравнительного анализаразличных способов осуществления ферментативного гидролиза биомассы микроводорослейC. vulgaris (при исходной концентрации 20 г сух. в-в/л), накопленной на сточных водах,можно сделать вывод о том, что наилучшие показатели основных параметров процесса(V0=1,19±0,04г/л/ч,СВС=9,87±0,34г/л,СГЛ=7,98±0,22г/л,YВС=88,92±3,12%иYГЛ=71,89±2,01%, QВС=0,49±0,02 г/л/ч и QГЛ=0,40±0,01 г/л/ч) соответствуют следующимоптимальнымусловиямегопроведения:рекомендуетсяпредварительнопроводитьдеструкцию клеток (в течение 4-х минут) на шаровой мельнице и затем подвергатьферментативному гидролизу (в течение 20 ч) при 37°С и рН 5,5 с использованием комплексаферментов (Ц + А).При экспонировании биочувствительного элемента на основе иммобилизованныхклеток фотобактерий P.
phosphoreum в течение 30 мин в растворе, полученном послепроведениявоптимальныхдезинтегрированнойбиолюминисценциибиомассыотмеченоусловияхферментативногомикроводорослейнебыло,чтоC.гидролизаvulgaris,свидетельствоваломеханическитушенияобсигналаотсутствииванализируемом растворе токсически-активных компонентов.Поскольку получение высококонцентрированных растворов сахаров обосновано сточки зрения эффективного проведения последующих процессов биотехнологическойконверсии исследуемого сырья в конечные продукты, то было решено попробовать решитьэту задачу путем увеличения исходной концентрации обрабатываемой биомассы.В связи с этим далее было исследовано влияние начальной концентрациипредварительно дезинтегрированной биомассы микроводорослей C.
vulgaris в среде (СБМ0)наосновныехарактеристикиферментативногогидролиза.Исходнаяконцентрациямеханически дезинтегрированной биомассы микроводорослей C. vulgaris в среде гидролизабыла проварьирована в диапазоне от 20 до 120 г сух. в-в/л, полученные результатыпредставлены на Рисунке 26 и в Таблице 16.Из полученных данных следовало, что в целом при увеличении исходнойконцентрации субстрата конечная концентрация ВС и глюкозы в гидролизате увеличивалась(Рисунок 26, Таблица 16), при этом несколько варьировалась длительность процесса,98обеспечивающая достижение максимальных значений конечных концентраций ВС иглюкозы: так, в диапазоне СБМ0 = 20-40 г сух.в-в/л длительность процесса составляла 20 ч, а вдиапазоне СБМ0 = 50-120 г сух. в-в/л – 22-28 ч.БАРисунок 26 – Кинетика накопления ВС (А) и глюкозы (Б) в ходе ферментативного гидролизапредварительно дезинтегрированной на шаровой мельнице биомассы микроводорослейC.
vulgaris, взятой в различной исходной концентрации СБМ0 (г сух. в-в/л): (●) 20, (■) 40, (♦)50, (▲) 60, (○) 70, (□) 100, (Δ) 120При увеличении исходной концентрации биомассы от 100 до 120 г сух. в-в/лнаблюдаемогоувеличениямаксимальнойконцентрацииВСужепрактическинепроисходило.Таким образом, можно утверждать, что для ферментативного гидролиза вподобранных условиях целесообразно использовать биомассу микроводорослей C.
vulgaris вначальных концентрациях до 100 г сух. в-в/л, так как при этом возможно достижениенаибольших значений конечной концентрации ВС (Таблица 16), а полученный гидролизатможет быть рекомендован для использования на последующих стадиях биотехнологическихпроцессов биотрансформации сырья в самые разнообразные продукты с помощьюбиокатализаторов.99Таблица 16 - Основные показатели ферментативного гидролиза (Ц + А, 37°С, рН 5,5) предварительно дезинтегрированной на шаровоймельнице (4 мин) биомассы микроводорослей C. vulgaris при варьировании ее исходной концентрации в реакционной средеСБМ0,V0, г/л/чСВС, г/лСГЛ, г/лYВС,%YГЛ,%QВС, г/л/чQГЛ, г/л/ч20201,19±0,049,87±0,347,98±0,2288,92±3,1271,89±2,010,49±0,020,40±0,010,49±0,024020 2,46±0,0819,51±0,6615,78±0,4587,88±3,0171,08±2,190,98±0,030,79±0,020,49±0,0250222,86±0,1024,10±0,8519,40±0,5886,85±3,0969,91±2,131,10±0,040,88±0,030,48±0,026024 3,26±0,1228,55±1,0322,85±0,7585,74±3,1368,62±2,181,19±0,040,95±0,030,48±0,027024 3,68±0,1333,00±1,1825,98±0,8584,94±3,0166,87±2,201,38±0,051,08±0,040,47±0,0210028 4,48±0,1745,19±1,6933,87±1,1581,42±3,0261,03±2,141,61±0,061,21±0,040,45±0,0212028 4,58±0,1746,06±1,7034,34±1,1669,16±2,6251,56±1,711,64±0,061,23±0,040,38±0,01г сух.
в-в/л100 YВС/БМВремя, чгВС/гБМ3.2.3 Сравнительный анализ эффективности различных способов предобработкибиомассы микроводорослей C. vulgarisПроведеноисследованиеэффективностиразличныхспособовпредобработкибиомассы микроводорослей C. vulgaris, накопленной на сточных водах, с использованиемфизических, химических и ферментативных методов и при их сочетании. Из полученныхрезультатов очевидно, что как самостоятельный метод ни механическая дезинтеграциябиомассы микроводорослей, ни термолиз, ни использование ИЖ не позволяют получитьзначимые количества ВС в реакционной среде, однако, применение этих методовэффективно для повышения реакционной способности такого сырья как биомассамикроводорослей C.
vulgaris перед его гидролизом.В Таблице 17 представлены ключевые данные, позволяющие провести комплексныйсравнительный анализ основных результатов, с точки зрения получения гидролизатов смаксимальной концентрацией ВС и глюкозы (СВС и СГЛ) из углеводных компонентовбиомассы микроводорослей C. vulgaris, накопленной на сточных водах. Часть показателейпозволяет провести оценку эффективности процессов с кинетической точки зрения. Наосновании представленных данных можно также в целом оценить временные, иэнергетические затраты на предобработку биомассы, влияющие на себестоимостьпроведения стадии предобработки данного сырья при использовании того или иного подхода(Таблица 17).С точки зрения максимальной скорости гидролиза, минимизации временных затрат иполучения достаточно высоких выходов ВС, наилучшие результаты соответствуюткислотномугидролизу(приодновременномтермолизе)полисахаридовбиомассымикроводорослей C.
vulgaris, причем максимальные значения основных параметровдостигаются при проведении предварительной механической деструкции клеток сиспользованием шаровой мельницы. При предварительной механической дезинтеграции (втечение 4 минут) длительность проведения процесса гидролиза биомассы сокращается на44%, а конечные концентрации ВС - на 10% выше.
Однако, как уже было отмечено ранее,данный способ не лишен существенных недостатков, поскольку кислоты-катализаторыодновременно с реакцией образования ВС могут катализировать и реакцию их последующейтрансформациисобразованиемразличныхпродуктовввидефурфурола,оксиметилфурфурола и др. [74, 78]. Известно, что данные вещества оказывают токсичноевоздействие на микроорганизмы и снижают тем самым эффективность последующейтрансформации сахаров в целевые продукты.101Таблица 17–Основные показатели различных способов предобработки биомассы микроводорослей C. vulgaris, накопленной на сточной воде№1234102567Способ предобработкиКислотный гидролиз и термолиз(1,2н HCl, 0,42 ч, 121 оС, 1 ати)Кислотный гидролиз и термолиз(1,2н H2SO4, 0,75 ч, 121 оС, 1 ати)Механическая деструкция (4 мин) +Кислотный гидролиз и термолиз(1,2н H2SO4, 0,42 ч, 121 оС, 1 ати)Ферментативный гидролиз (20 ч, 37 оС, рН 5,5)Ц (8 мг/г сух.
в-в биомассы) +А (2 мг/г сух. в-в биомассы)Термолиз (0,5 ч, 108 оС, 0,5 ати) +Ферментативный гидролиз (20 ч, 37 оС, рН 5,5)Ц (8 мг/г сух. в-в биомассы) +А (2 мг/г сух. в-в биомассы)Обработка ИЖ [Bmim]Cl (1 ч, 120 оС) +Ферментативный гидролиз (20 ч, 37 оС, рН 5,5)Ц (8 мг/г сух. в-в биомассы) +А (2 мг/г сух. в-в биомассы)Механическая деструкция (4 мин) +Ферментативный гидролиз (20 ч, 37 оС, рН 5,5)Ц (8 мг/г сух. в-в биомассы) +А (2 мг/г сух. в-в биомассы)СВС,СГЛ,г/лг/лСБМ0 = 20 г сух. в-в/лV0, г/л/чYВС,%YГЛ,%QВС,г/л/чQГЛ,г/л/ч6,86±0,252,30±0,0761,80±2,20 20,72±0,59 16,33±0,605,48±0,177,71±0,273,38±0,0869,46±2,39 30,45±0,71 10,28±0,364,51±0,118,45±0,274,55±0,1276,13±2,41 40,99±1,09 20,12±0,64 10,83±0,290,19±0,012,98±0,091,43±0,0426,85±0,82 12,88±0,390,15±0,010,07±0,010,99±0,038,35±0,265,88±0,1675,23±2,33 52,97±1,420,37±0,010,29±0,010,75±0,025,72±0,183,83±0,1151,53±1,61 34,50±1,020,32±0,010,21±0,011,19±0,049,87±0,347,98±0,2288,92±3,12 71,89±2,010,49±0,020,40±0,014,48±0,17 45,19±1,69 33,87±1,15 81,42±3,02 61,03±2,141,61±0,061,21±0,04СБМ0 = 100 г сух.в-в/л8Механическая деструкция (4 мин) +Ферментативный гидролиз (20 ч, 37 оС, рН 5,5)Ц (8 мг/г сух.
в-в биомассы) +А (2 мг/г сух. в-в биомассы)Кроме того по окончании процесса гидролиза проводится удаление непрореагировавшейкислоты путем ее нейтрализации, в среде остаются сульфаты или хлориды, которые уже вконцентрациях 0,3-0,4 г/л могут оказывать негативное действие на метаболическуюактивность микроорганизмов [198]. Важным также является то, что кислотный гидролизосуществляется при высоких температурах, под давлением [84-86], при этом процессспособствует коррозии оборудования и диктует требования к соблюдению жестких условийк материалам, используемым для изготовления биотехнологических реакторов.Указанных выше недостатков лишен гораздо более эффективный, специфичный инаправленный метод ферментативного гидролиза биомассы.
Осуществление данногопроцесса требует больших по сравнению с кислотным гидролизом временных затрат, но сампроцесс проходит в более мягких условиях по температуре (37 оС вместо 108÷121 оС),давлению (атмосферное давление) и кислотности среды (рН 5,5 вместо 0), обеспечиваявысокие выходы ВС. Установлено, что применение данного метода, как и в случаекислотного гидролиза, наиболее эффективно в сочетании с методами, обеспечивающимипредварительное увеличение реакционной способности сырья (термолиз, обработка ИЖ,механическая дезинтеграция клеток).Согласно полученным результатам (Таблица 17), наименее эффективным, но впринципе реализуемым на практике подходом, оказался ферментативный гидролиз послепредобработки биомассы микроводорослей C.
vulgaris ИЖ. При этом в сравнении спроцессом ферментативного гидролиза непредобработанной биомассы отмечено увеличениеначальной скорости в 3,9 раз, увеличение конечной концентрации ВС и глюкозы на 92 и168%, соответственно (Рисунки 23 и 24). Интересным является сравнение характеристикпредложенного подхода, сочетающего предобработку биомассы ИЖ и последующеепроведениеееферментативного гидролиза,сизвестнымвлитературеспособомпредобработки биомассы микроводорослей ИЖ перед её кислотным гидролизом ([74],Таблица 4). Становится очевидным, что наиболее предпочтительным в случае использованияИЖ является проведение последующего кислотного гидролиза, обеспечивающее на 36%более высокий выход ВС. Однако, получаемые конечные гидролизаты, содержащиеостаточные токсичные концентрации ИЖ, далее наиболее целесообразно использовать впроцессах химического синтеза, а не в биологических процессах.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
