Различные подходы к накоплению биомассы микроводорослей Chlorellavulgaris и к процессам её биокаталитической трансформации (1105654), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Показана возможность увеличения выхода метана с 41,4±1,3%до 61,3±1,9% при обогащении биомассы мицелилаьных грибов биомассой микроводорослейC. vulgaris. Установлено присутствие длинноцепочечных нитрилсодержащих соединений вобразцах пиролизной нефти, которые можно рассматривать в качестве перспективныхкомпонентов высокоэнтальпийного топлива.- впервые установлено, что для биотехнологического получения ПГА с применениемв качестве продуцентов клеток бактерий C. necator (с накоплением полимера в клетках до59,57±1,75%) могут быть использованы гидролизаты биомассы микроводорослей C.
vulgaris.Практическая значимость результатов, полученных в работе, заключается в том,что:- разработанный способ получения иммобилизованного высококонцентрированногоинокулята может быть использован не только для ускоренного накопления биомассы клетокфототрофных микроорганизмов непосредственно после его размораживания, но и примененпри хранении данных микроорганизмов в мировых коллекциях, заменив традиционноиспользуемые методы;12- установлено, что применение иммобилизованного инокулята на основе клетокмикроводорослей C.
vulgaris возможно для обработки сточных вод различного химическогосостава с целью значительного снижения уровня ХПК; такая предобработка стоков перед ихподачей на основные очистные сооружения может позволить избежать необходимости ихразбавления с увеличением объёма для достижения уровня ХПК, приемлемого дляиспользования аэробного активного ила;-разработаноригинальныйвысокоэффективныйбиокатализаторввидеиммобилизованных в криогель ПВС клеток бактерий А.
succinogenes для получения ЯК; приэтом значительно расширен спектр возможных источников сырья (биомассы фототрофныхмикроорганизмов, макроводорослей, целлюлозосодержащих отходов) для полученияянтарной кислоты при использовании разработанного биокатализатора;- обобщение полученных результатов может быть использовано при созданиибиотехнологического комплекса, сочетающего в себе эффективные биокаталитическиепроцессы, направленные на накопление биомассы микроводорослей, сопряженное сочисткой сточных вод различного состава, и проведение трансформации ее гидролизатов вразличные целевые продукты в виде природных полимеров (ПГА) или мономеров (молочная,фумаровая, янтарная кислоты) для синтеза биоразлагаемых полимеров.13ГЛАВА I.
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ1.1 Биомасса фототрофных микроорганизмов как перспективный сырьевой источникдля биотехнологических процессовХимический состав накапливающейся биомассы фототрофных микроорганизмовпозволяет далее использовать ее для получения целого спектра ценных коммерческизначимыхпродуктов:белков,углеводов,липидов,витаминов,антиоксидантов,аминокислот, макро- и микроэлементов в биодоступной органической форме, биогаза,водорода, биоэтанола, биобутанола, биодизеля, полиненасыщенных жирных кислот [11-16].Установлено, что, изменяя условия культивирования, можно получать биомассуфототрофных микроорганизмов с различным содержанием углеводов, белков и липидов [17,18]. При этом необходимо обеспечить сочетание достаточно большого количествафакторов, влияющих на уровень накопления биомассы клеток и ее биоорганическийкомпонентныйсостав,ккоторымотносят:выбранныйштаммфототрофногомикроорганизма, исходную концентрацию клеток в среде, состав среды культивирования,интенсивностьосвещенности,температурупроцесса.Так,снижениетемпературыкультивирования с 30 до 25°С и введение в питательную среду 0,75 г·л-1 NaNO3 практическине влияет на скорость роста клеток Chlorella vulgaris, но приводит к увеличениюсодержания липидных компонентов в клетках с 5,9 до 14%, в результате чего увеличиваетсявыход липидов с 8 до 20 мг/л/сут [14].
Очевидно, что изменения содержания липидов всоставе биомассы фототрофных микроорганизмов приводят и к варьированию доли другихбиоорганических компонентов биомассы – углеводов и белков. А это означает, что, впринципе, можно добиваться направленного получения клеток с желаемым биохимическимсоставом при целенаправленном выращивании клеток фототрофных микроорганизмов вспециальных средах в фотобиореакторах.В Таблице 1 приведены различные возможные режимы культивирования фототрофныхмикроорганизмов. Стандартные схемы их выращивания включают в себя главным образомфотобиореактор, в котором непосредственно проходит культивирование клеток.
Этот реактордолжен обеспечивать максимально возможное накопление биомассы за наиболее короткиепериоды времени, что определяется условиями культивирования микроорганизмов.Сегодня для реализации биосинтетических возможностей природных и генетическимодифицированныхштаммовмикроводорослей-автотрофовиспользуютсядватипафотобиореакторов: закрытые и открытые. Закрытые фотобиореакторы обеспечиваютконтролируемые условия культивирования фототрофов и высокий выход биомассы, но они14Таблица 1 – Характеристики возможных способов культивирования фототрофных микроорганизмов в различных условиях [19, 20]УровеньСпособИсточникИсточникнакоплениякультивированияэнергииуглеродабиомассыТип реактораЦенаОсобенности масштабированияклетокНеорганическийФототрофныйСвет(как правило,газовые выбросыОткрытый водоемНизкийОрганические15веществаСвет,МиксотрофныйорганическиевеществаОрганическийОрганический инеорганическийНизкаяфотобиореактортеплостанций)ГетеротрофныйилиВысокийСреднийОбычныйферментерЗакрытыйфотобиореакторНизкая плотность клеток,сильное испарение водыВысокая возможностьСредняямикробной контаминации,высокая стоимость субстратовВозможность микробнойВысокаяконтаминации,высокая стоимость субстратовимеют высокую стоимость.
Открытые водоёмы значительно дешевле, но легко подвергаютсяконтаминации (загрязнению), и только некоторые микроводоросли (родов Chlorella,Spirulina,Dunaliella,Scenedesmus)оказалисьспособнымикширокомасштабномукультивированию в различных условиях. При фототрофном режиме культивированияповышение интереса к производству микроводорослей достигается использованиемнизкопотенциальныхсбросовтеплаигазовыхвыбросовтеплостанций,отходовживотноводческих комплексов и т.д. [21].Как правило, для увеличения скорости роста фототрофных микроорганизмовприменяют гетеро- или миксотрофные условия культивирования с использованием сред, вкоторых в качестве органического источника углерода чаще всего используют глюкозу [22,23], ацетат [22, 24] или глицерин [22, 25].
Так было показано, что скорость накоплениябиомассы микроводорослей C. vulgaris в миксотрофных условиях в 9-25 раз выше, чем вфотоавтотрофных [22].Выбор быстро растущих, продуктивных штаммов имеет принципиальное значениедля успешного использования биомассы фототрофных микроорганизмов и особенно длянизкой стоимости продуктов, получаемых из этой биомассы.
Быстрый рост обеспечиваетвысокую продуктивность биомассы, а это приводит к высокой её плотности и уменьшаетстоимость процесса концентрирования клеток микроорганизмов. Высокие темпы ростатакже уменьшают риск микробной контаминации сред с микроводорослями.Одними из наиболее продуктивных считаютсямикроводорослии рода Chlorellaобитающие преимущественно в естественных пресных водоемах, однако способные кразвитию и в морской воде [26].
Этот род микроводорослей известен давно и хорошо изучен[27],что,безусловно,являетсяявнымпреимуществомдляихприменениявпромышленности.Наряду с высокой продуктивностью биомассы, эти клетки обладают рядомособенностей, позволяющих считать их наиболее подходящими для использования вбиотехнологических процессах в качестве субстрата. Преимуществом микроводорослей,относящихся к роду Chlorella, является их исключительная приспособляемость к изменениямокружающейсреды[28].Обладаяочень«пластичным»метаболизмом,клеткимикроводорослей рода Chlorella могут использовать не только неорганические, но иорганические источники углерода [22]. В этой связи огромен интерес к использованиюсточных вод различного химического состава для накопления биомассы микроводорослей.В классических биореакторах для культивирования микроводорослей обычноиспользуют синтетические питательные среды.
Однако при использовании таких средсебестоимость получаемой биомассы оказывается достаточно высокой, поскольку требует16использования набора различных веществ, входящих в состав сред, их взвешивания,транспортировки к месту наращивания микроводорослей и растворения. Одним из способовповышения экономической эффективности выращивания клеток является использованиесточных вод, загрязненных различными соединениями, способными выполнять ролькомпонентов питательных сред для клеток микроводорослей (Рисунок 1).
Это позволяетудешевить питательную среду и решить проблему очистки сточных вод и накопленияцелевой биомассы [29].Сточные водыОрганическиевеществаНеорганическиесоединенияВодаМиксотрофные условия Фотоавтотрофные условиякультивированиякультивированияМикроводорослиРисунок 1 – Идеология использования сточных вод для культивирования клетокмикроводорослейПрианализезатратнаресурсы,необходимыедляполучениябиомассымикроводорослей, было установлено, что вода и неорганические вещества являютсянаиболее важными дорогостоящими компонентами среды [30].
Было показано, чтоиспользование сточных вод для накопления биомассы микроводорослей с целью получениялипидов, позволило, например, сократить расход воды на 90%, а также удовлетворитьпотребность клеток во всех неорганических веществах за исключением фосфора [30].Помимо неорганических питательных веществ, часть органических веществ в сточных водах,могут также быть использованы для миксотрофного роста микроводорослей.Несмотря на то, что сточные воды способны обеспечить основные ресурсы для ростамикроводорослей, они пока не нашли применения в тех компаниях, которые сегодня ужеактивно занимаются производством биомассы микроводорослей. Основную разницу междусточными водами и искусственными питательными средами обуславливает сложныйхимический состав первых. Концентрация таких элементов, как фосфор и азот, варьируется вних в большом диапазоне.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
