ВВЕДЕНИЕ 5
1 Литературный обзор 7
1.1 Необходимость исследования и производства полимеров биологического
происхождения 7
1.2 Полигидроксиалканоаты - характеристика, свойства 8
1.3 Методы производства и исследования ПГА в мире 12
1.4 Экстракция полигидроксиалканоатов 15
1.4.1 Экстракция растворителями 15
1.4.2 Использование детергентов в экстракции ПГА 16
1.4.3 Механический способ экстракции 17
1.4.4 Применение сверхкритических флюидов. 19
1.4.5 Применение ферментов 19
1.4.6 Биологический метод экстракции ПГА 20
1.4.7 Применение щелочей, и гипохлорита натрия 21
1.4.8 Метод селективной флотации 2 1
1.5 Выбор метода экстракции 22
2 Материалы, методы и оборудование 25
2.1 Технологический процесс получения биомассы 26
2.1.1 Подготовка технологических сред 26
2.1.2 Ферментация инокулята 27
2.1.3 Ферментация биомассы 28
2.1.4 Концентрирование и сушка биомассы 29
2.1.5 Расчет удельной скорости биомассы 29
2.2 Выделение полимера 30
2.3 Методика отбора проб 32
2.3.1 Доведение фарфоровых чашек до постоянной массы 34
2.3.2 Отбор пробы 34
2.3.3 Расчет выхода экстрактивных веществ. 34
2.3.4 Измерение количества ПГА в экстракте ДХМ 35
2.3.5 Измерение вязкости экстракта ДХМ 36
2.4 Вакуумная дистилляция 37
2.5 Ректификация 38
2.6 Статистическая обработка полученных результатов 4 1
3. Результаты 42
3.1 Культивирование микроорганизмов 42
ВЫВОДЫ 45
РЕКОМЕНДАЦИИ 47
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 48
ПУБЛИКАЦИИ 54
Получение экологически чистых материалов с необходимыми свойствами остается одной из главных проблем современности. Разработка, создание и освоение новых материалов, не вредящих окружающей среде и включающихся в биосферные круговоротные циклы, соответствует концепции экологически безопасного устойчивого промышленного развития. [1].
Биополимеры - это материал, который сможет заменить синтетические пластики. Эти полимеры природного происхождения необходимы в современном мире. Ему можно задавать необходимые свойства и использовать во многих сферах науки и промышленности.
В последние годы изучению ПГА уделяется огромное внимание благодаря их потенциальному применению в различных областях - от сельского хозяйства до медицины, так как по сравнению с обычными пластиками, получаемыми из нефти, ПГА разрушаются в аэробных/анаэробных условиях и являются биосовместимыми материалами. Однако сравнение ПГА с другими эквивалентными коммерциализированными материалами (например, синтетические полимеры или нефтехимические пластики) показывает, что ПГА достаточно дорогие материалы. Хотя технология культивирования и процесс экстракции полимера с каждым годом совершенствуются, в промышленном масштабе производство ПГА пока не может соревноваться с синтетическими пластиками [2].
Значительную роль в общей стоимости производства полигидроксиалканоатов (ПГА) играет способ выделения полимера из клеточной биомассы. При выборе метода необходимо учитывать стоимость реагентов, количество образующихся отходов, эффективность извлечения полимера, степень его чистоты. В настоящее время используют следующие подходы для выделения полимера: экстракцию органическими растворителями; обработку биомассы растворами щелочей, кислот, детергентов, ферментами, а также их различные сочетания [3].
В настоящее время не существует технологии экстракции, которая соответствовала бы следующим требованиям:
- невысокая стоимость реагентов;
- малое количество отходов;
- экологичность производства;
- большая эффективность извлечения полимера;
- высокая степень чистоты полимера (99,8%).
Цель: Разработать аппаратурную и технологическую схему процесса экстракции ПГА на опытном производстве СФУ.
Для достижения цели поставлены следующие задачи:
1. Получить образцы биомассы бактерий Cupriavidus eutrophus B-10646.
2. Исследовать процесс экстракции ПГА из биомассы бактерий. Провести анализ затрат и возврата этанола и дихлорметана в процессе экстракции, а также предложить возможные варианты снижения расхода растворителей на производстве.
3. На основании проведенных исследований разработать наиболее целесообразную технологию и аппаратурное оснащение процесса экстракции ПГА.
1. Освоена технология культивирования бактерий Cupriavidus eutrophus B10646 на опытном производстве ПГА. По результатам проведенного процесса биосинтеза урожай биомассы составил более 67 г/л с содержанием полимера 77%, максимально достигнутая скорость роста составила 0,15 ч-1.
2. В результате исследования процесса экстракции ПГА из биомассы бактерий Cupriavidus eutrophus B10646 и анализа затрат и возврата растворителей:
-изучена динамика выхода экстрактивных веществ из биомассы при экстракции этанолом на первом и дихлорметаном на втором этапе. Установлено, что проведение 3-х кратной экстракции этанолом обеспечивает выход 97% экстрактивных веществ (4,95 % от АСБ). При экстракции ДХМ, на 5 часе процесса выход экстрактивных веществ составил 96,4% от общего выхода. Из них липиды, пептидогликан и т.п. вещества составляют 4,33% от АСБ. Общий максимальный выход экстрактивных веществ без учета выхода ПГА составил 9,59% от АСБ;
- изучена зависимость изменения вязкости экстракта от содержания в нем ПГА и времени экстракции ДХМ. Установлено, что с увеличением содержания ПГА в экстракте вязкость раствора увеличивается;
- установлено, что использование процесса ректификации существенно повышает рентабельность предприятия. Ректификация позволяет вернуть в процесс для вторичного использования 81% этанола и 41,6% ДХМ. Продолжается изучение способов экстракций, существующих в настоящее время, с целью найти наиболее экономичный, безопасный и эффективный метод выделения ПГА.
-показано, что эффективность процесса ректификации растворителей снижается вместе с увеличением компонентов в смеси. Так, ректификация смеси ДХМ-этанол-вода позволяет вернуть этанола на 7,3 % менее в сравнении с возгонкой смеси этанол-вода.
- проведена оценка экономической целесообразности использования вакуумной дистилляции в процесс выделения ПГА. Установлено, что применение в процессе экстракции роторного испарителя позволит сократить затраты этанола на 26,7% и снизить его потери на 23%, увеличить возврат ДХМ в процесс на 27,5%, а также сократить общие потери растворителей на 31,5%.
3. На основании проведенных исследований предложена аппаратурная и технологическая схема процесса экстракции ПГА для опытного производства. Также подготовлены рекомендации по повышению эффективности предприятия при переходе с опытного на промышленное производство ПГА.
