Различные подходы к накоплению биомассы микроводорослей Chlorellavulgaris и к процессам её биокаталитической трансформации (1105654), страница 2
Текст из файла (страница 2)
[1, 2]. Коммерческим производствомбиомассы микроводорослей занимаются такие компании, как Royal, Dutch Shell (наГавайских островах), Algae BioFuels (США, Алабама), Aquaflow Bionomic Corporation (НоваяЗеландия), Mitsubishi (Япония) и др. Крупнейшим в Европе производителем биомассымикроводорослей является биотехнологическая компания Ingrepro B.V.
(Нидерланды),которая известна большим опытом в реализации технологических схем выращивания клетокмикроводорослей с целью получения обогащенной липидами биомассы. В частности, однимиз основных объектов ее разработок, задействованных в технологических схемахфототрофного культивирования, являются клетки рода Chlorella [3]. Сегодня турецкаякомпания Agro Hayat LLC (Турция) предлагает целый ряд коммерческих решений попроизводству биомассы микроводорослей [4], поскольку она располагает готовымикомплексными решениями по выращиванию клеток микроводорослей родов Chlorella,Spirulina, и Dunaliella в различных масштабах.Интерес к фототрофным микроорганизмам определяется более высокой скоростьюнакопления биомассы (в 20–30 раз) в сравнении с традиционными сельскохозяйственнымикультурами. Подсчитано, что для производства 1 кг биомассы требуется в 10–30 разменьшиеплощади,причем,дляэтогоможноиспользоватьнепригодныедлясельскохозяйственного культивирования или требующие рекультивации земли [5].Согласно концепции устойчивого развития человечества актуальными задачамисовременного общества является рациональное использование природных ресурсов,8снижение экологической нагрузки и построение рациональной экологически устойчивой иэкономически обоснованной социальной системы.
Наибольшую практическую значимостьпредставляют собой процессы, обеспечивающие за счет утилизации существующих отходов итрансформации возобновляемых ресурсов получение коммерчески ценных продуктовбезотходным способом.Микроводоросли представляют собой достаточно эффективный преобразовательсолнечной энергии с хорошо организованными стадиями восстановления СО2 до целогокомплекса энергоёмких биомолекул, включающих углеводы, белки, липиды, которые могутбыть подвергнуты дальнейшей биотехнологической трансформации в различные целевыепродукты.Известно, что некоторые микроводоросли входят в состав активного ила [6] и могутиспользовать не только СО2 в качестве основного источника углерода, но и органическиесоединения. Однако процессы очистки сточных вод с использованием активного илахарактеризуются наличием ограничений по значениям исходных величин химическогопотребления кислорода (ХПК) сточных вод. В связи с этим для эффективной и глубокойочистки часто требуется значительное разбавление исходного образца сточных вод иподдержание в системе высоких концентраций биомассы для достижения высокой скоростиснижения ХПК.
Очевидно, что в процессе очистки сточных вод происходит накоплениебиомассы активного ила, которая, как правило, характеризуется непостоянством состава изза исходной гетерогенности микробного состава, изменяющегося в процессе обработкисточных вод, что является существенным ограничением для возможностей ее дальнейшейтрансформации в разнообразные целевые продукты. Использование избыточной биомассыактивного ила ограничивается его использованием в качестве биоудобрения в сельскомхозяйстве и в качестве сырья для получения метана [7, 8]. Таким образом, интересен нетолько сам факт очистки сточных вод, но и актуально получение альтернативных вариантовбиомассы, применяемой для этой очистки с возможным последующим ее использованием вкачестве сырья в различных биотехнологических процессах.
Использование сточных вод,богатыхбиоорганическимисоединениями,вкачествепитательныхсреддлякультивирования микроводорослей является весьма перспективным, поскольку позволяетобъединить технологии биологической очистки водных ресурсов и накопления биомассымикроводорослей, являющейся ценным сырьем для получения различных промышленныхпродуктов. Такой процесс может стать экономически обоснованным дополнением процессуна основе активного ила, традиционно используемому для очистки сточных вод.
Важно, чтопри культивировании микроводорослей в сточных водах не требуется экономических и9энергетических затрат, связанных с аэрацией среды. Важным, с научной и практическойточек зрения, является разработка и исследование новых биотехнологических процессов сиспользованием клеток микроводорослей в процессах очистки сточных вод и последующаятрансформация полученной таким образом возобновляемой биомассы в коммерческизначимые продукты.Помимо очистки сточных вод в настоящее время перед мировым сообществом остростоит глобальная экологическая проблема, связанная с утилизацией отходов различногопроисхождения. Так, основную часть бытовых отходов среднестатистического жителямегаполиса в настоящее время составляют упаковочные материалы двух видов, одна часть изних (бумага, картон и т.п.) производится из возобновляемых целлюлозосодержащихресурсов (древесина), вторая часть (пленки, пакеты, пластиковые бутылки, контейнеры ит.п.) - из невозобновляемых ресурсов (нефть и газ) [9].
Раздельный сбор всех этих отходов иих вторичная переработка, как показывает практика, пока нереализуемы в основном из-за“человеческого фактора” и низкого уровня “экологической культуры”. В связи с этим наданном этапе развития общества с целью снижения экологической нагрузки наиболееприемлемой является быстрая утилизация этих отходов. С первым видом упаковочныхматериалов проблема утилизации стоит не так остро, так как процесс их разложения насвалках в зависимости от условий окружающей среды длится в среднем 1-6 месяцев(газетная бумага, картон и коробки из него). Наиболее остро и актуально стоит проблемаутилизации второго вида упаковочных материалов, разложение которых в естественныхусловиях длится до 200 лет [9]! В связи с этим в последние 20 лет ведется активный поисквозможностей получения, так называемых, биоразлагаемых полимерных материалов,которые должны заменить традиционно используемые полимерные материалы, в том числеупаковочные.
Наибольший научный и практический интерес в этой области представляетполучение таких полимерных материалов, мономерами или исходными соединениями дляпроизводства которых являются получаемые биотехнологическим способом органическиекислоты: молочная, фумаровая, янтарная (сам процесс полимеризации осуществляетсяхимическим путем), а также полупродукты для органического синтеза, получаемые водностадийном биотехнологическом процессе, например, полигидроксиалканоаты (ПГА)[10]. Актуальным является расширение сырьевой базы для их биотехнологическогопроизводства, главным образом, за счет использования возобновляемых ресурсов.Иммобилизация клеток и их использование в качестве биокатализаторов в различныхсовременныхбиотехнологическихпроцессахэкологическойнаправленностинамногочисленных примерах подтвердили своё преимущество и перспективность их внедрения10за счёт упрощения технологического оформления процессов с их участием, возможности ихдлительного хранения и многократного применения, а также продолжительного периодаполуинактивации.
Криогель поливинилового спирта (ПВС) оказался одним из наиболееперспективныхносителейдля иммобилизацииклетокразличныхмикроорганизмов,применяемых в различных биотехнологических процессах. Сегодня несомненный научныйинтерес представляет исследование возможности получения новых высокоэффективныхиммобилизованных биокатализаторов (ИБК) с использованием этого носителя, изучение ихсвойств и прогнозирование и расширение направлений их использования.Результаты анализа актуальных задач и перспективных направлений исследованийлегли в основу формирования целей и задач работы.Целью данной работы являлось исследование различных подходов к накоплениюбиомассы микроводорослей C. vulgaris и к процессам её биокаталитической трансформациив органические кислоты (мономеры для получения биоразлагаемых полимеров) ибиполимеры в виде ПГА.Для достижения этой цели были сформулированы следующие основные задачи:- разработать эффективный способ накопления биомассы свободных клетокмикроводорослей C.
vulgaris, совместив его c заменой традиционно используемых сред насточные воды разного состава;- усовершенствовать подходы к предобработке биомассы микроводорослей C. vulgarisдля получения сред с максимально высокими концентрациями восстанавливающих сахаров(ВС), получаемых из углеводных компонентов биомассы в результате их гидролиза;- определить наиболее эффективные подходы к получению органических кислотпутём оптимизации условий применения иммобилизованных клеток мицелиальных грибоврода Rhizopus в процессах биотрансформации ВС, содержащихся в гидролизатах биомассымикроводорослей C.
vulgaris, в молочную и фумаровую кислоты;- разработать биокатализатор в виде иммобилизованных в криогель ПВС клетокбактерий Actinobacillus succinogenes и оптимизировать условия его использования дляполучения ЯК в процессах конверсии ВС, содержащихся в гидролизатах биомассымикроводорослей C. vulgaris;- установить возможность получения ПГА с использованием клеток Cupriavidusnecator при их культивировании в гидролизатах биомассы микроводорослей C. vulgaris.Научная новизна работы состоит в следующем:-разработанмикроорганизмоворигинальныйпутемихспособиммобилизации11криоконсервациивкриогельклетокПВС,фототрофныхобеспечивающийпродолжительное хранение клеток (не менее 1,5 лет) при сохранении у них пролиферативнойфункции на 90-95 %. Действенность способа проверена в отношении 12 культурфототрофных микроорганизмов;-показано,чтоприменениевысококонцентрированногоиммобилизованногоинокулята позволяет увеличить скорость процессов очистки сточных вод и накоплениябиомассы микроводорослей C.
vulgaris для ее трансформации в различные целевыепродукты;- впервые показано, что для получения максимальной концентрации ВС вгидролизатах биомассы микроводорослей C. vulgaris, накопленной на сточных водах,необходимо использовать комбинированную обработку клеток: механическую деструкцию иферментативный гидролиз с использованием ферментных препаратов класса целлюлаз иамилаз;- установлены оптимальные условия применения иммобилизованных клетокмицелиальных грибов рода Rhizopus для биотрансформации ВС, содержащихся вферментолизатах биомассы микроводорослей C. vulgaris, в молочную и фумаровую кислоты;- предложен подход к утилизации биомассы мицелиальных грибов рода Rhizopus,использованных в процессах многократного получения органических кислот, с применениемметодов метаногенеза и быстрого пиролиза (500 оС, 5 мин) с получением соответственнометана и пиролизной нефти.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
