Помощь студентам в учебе
Масштабирование технологии получения сополимера 3-гидроксибутирата- со-3-гидроксивалерата в условиях опытного производства.
|
ВЕДЕНИЕ 4
1 Обзор литературы 7
1.1 Характеристика ПГА 7
1.2 Синтез ПГА 13
1.3 Валерьяновая кислота в биосинтезе ПГА 16
2 Материалы и методы 19
2.1 Объект исследования 19
2.2 Процесс культивирования ПГА 19
2.3 Анализ проб 22
2.3.1 Измерение концентрации клеток в процессе культивирования 22
2.3.2 Определение сухой биомассы клеток 22
2.3.3 Измерение азота 23
2.3.4 Определение содержания и состава полимера 23
2.3.5 Определения концентрации глюкозы 23
2.3.6 Определение концентрации валерьяновой кислоты 24
2.3.7 Расчет кинетических и продукционных параметров культуры 25
2.4 Методы обработки данных 26
ВЫВОДЫ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 42
1 Обзор литературы 7
1.1 Характеристика ПГА 7
1.2 Синтез ПГА 13
1.3 Валерьяновая кислота в биосинтезе ПГА 16
2 Материалы и методы 19
2.1 Объект исследования 19
2.2 Процесс культивирования ПГА 19
2.3 Анализ проб 22
2.3.1 Измерение концентрации клеток в процессе культивирования 22
2.3.2 Определение сухой биомассы клеток 22
2.3.3 Измерение азота 23
2.3.4 Определение содержания и состава полимера 23
2.3.5 Определения концентрации глюкозы 23
2.3.6 Определение концентрации валерьяновой кислоты 24
2.3.7 Расчет кинетических и продукционных параметров культуры 25
2.4 Методы обработки данных 26
ВЫВОДЫ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 42
Пластик — материал, которому ещё совсем недавно аплодировал весь мир, превратился сегодня в основную причину его загрязнения — одну из неразрешимых проблем современной цивилизации. Из-за высокой молекулярной массой, пластика устойчивы к биодеградации, поэтому на сегодняшний день остаются актуальными вопросы создания экологически безопасных материалов, удовлетворяющих современным потребностям. Они способны сохраняться в окружающей среде в почве в течение очень длительного времени [1]. Большой спрос на изделия из пластмасс за последние несколько десятилетий вызвал серьезные экологические проблемы. Существующие методы утилизации пластмасс неэффективны. Сжигание пластмасс приводит к выбросу в атмосферу опасных химических веществ, таких как соляная кислота и цианистый водород, так же этот процесс является дорогостоящим. Переработка также имеет некоторые недостатки, из-за изменения конфигурация, переработанные пластмассы имеют ограниченное использование [2]. Между тем, количество производимых и отработанных пластмасс растет. Свалки, как правило, очень быстро достигают своей максимальной мощности.
С конца 60-х годов активно ведутся работы по исследованию биополимеров (биопластиков). Современная биотехнология позволяет получать широкий спектр целевых продуктов различной природы, включая новые экологически чистые биоматериалы с высокими потребительскими свойствами. Существуют два основных вида биополимеров: полимеры, производимые при помощи биологических систем (таких как микроорганизмы) и химически синтезированные полимеры на основе биологического сырья (аминокислот, сахаров, жиров) [3].
В последние годы все более актуальными становятся работы по полимерам биологического происхождения. Замена неразрушаемых синтетических полимеров, на биоразрушаемые, имеет огромное экологическое значение.
Среди применяемых и активно разрабатываемых в настоящее время биоразрушающихся полимеров можно выделить: алифатические полиэфиры, полиамиды, сегментированные полиэфируретаны, полимеры молочной и гликолевой кислот (полилактиды и полигликолактиды), силикон, полиэтилентерефталат, поли-Д-гидроксибутират и другие полимеры гидроксипроизводных жирных кислот, так называемые полигидроксиалканоаты [4,5,6].
Полигидроксиалканоаты (ПГА) - термопластичные линейные полиэфиры микробиологического происхождения, способные разрушаться до нетоксичных продуктов [7]. В 1925 году, Лемуань обнаружил и впервые описал ПГА, который производила культура Bacillus [8]. Позже, были найдены многие другие бактерии способные производить различные ПГА. ПГА в настоящее время становятся реальными кандидатами на роль материалов XXI века, с ними связаны большие надежды, так как помимо термопластичности аналогично полипропилену и полиэтилену, эти биопластики обладают пьезоэлектрическим эффектом и характеризуются высокой биосовместимостью. Благодаря такому свойству как биосовместимость, ПГА способны служить материалом не только для различных упаковок, но и для материалов медицинского применения [9].
В настоящее время ведутся активные исследования ПГА. Сферы применения ПГА потенциально широки и могут включать сельское и коммунальное хозяйство, радиоэлектронику, фармакологию, медицину [10].
Наблюдаемый в последние годы интерес к биодеградируемым полимерам связан не только с ухудшением экологической обстановки: серьезные опасения специалистов вызывает неуклонное уменьшение мировых запасов нефти и газа, поэтому возобновляемое растительное сырье могло бы стать решением проблемы. Сегодня по многим физическим и техническим характеристикам биопластики не уступают традиционным пластмассам и при этом безопасны для окружающей среды [11].
Сополимер 3-гидроксивалериановой кислот (ЗГВ) является одним из наиболее перспективных представителей семейства термопластичных и биоразрушаемых полимеров (ПГА) и предназначен для применения в различных областях (медицина, фармакология, сельское и коммунальное хозяйство, пищевая промышленность) [12].
Цель работы - исследовать влияние валерьяной кислоты на синтез полигидроксиалканоатов (ПГА) Cupriavidus Eutrophus B-10646 при масштабировании технологии в условиях опытного производства.
Для этого необходимо было решить следующие задачи:
1. Изучить влияние солей валериановой кислоты на изменение К в процессе биосинтеза ПГА , штаммом Cupriavidus Eutrophus B-10646;
2. Изучить способы введения прекурсора в культуру на опытном производстве. Исследовать влияние солей валериановой кислоты на продукционные характеристики процесса биосинтеза и состав полученного полимера.
3. Масштабировать процесс синтеза сополимера П(3ГБ/3ГВ).
С конца 60-х годов активно ведутся работы по исследованию биополимеров (биопластиков). Современная биотехнология позволяет получать широкий спектр целевых продуктов различной природы, включая новые экологически чистые биоматериалы с высокими потребительскими свойствами. Существуют два основных вида биополимеров: полимеры, производимые при помощи биологических систем (таких как микроорганизмы) и химически синтезированные полимеры на основе биологического сырья (аминокислот, сахаров, жиров) [3].
В последние годы все более актуальными становятся работы по полимерам биологического происхождения. Замена неразрушаемых синтетических полимеров, на биоразрушаемые, имеет огромное экологическое значение.
Среди применяемых и активно разрабатываемых в настоящее время биоразрушающихся полимеров можно выделить: алифатические полиэфиры, полиамиды, сегментированные полиэфируретаны, полимеры молочной и гликолевой кислот (полилактиды и полигликолактиды), силикон, полиэтилентерефталат, поли-Д-гидроксибутират и другие полимеры гидроксипроизводных жирных кислот, так называемые полигидроксиалканоаты [4,5,6].
Полигидроксиалканоаты (ПГА) - термопластичные линейные полиэфиры микробиологического происхождения, способные разрушаться до нетоксичных продуктов [7]. В 1925 году, Лемуань обнаружил и впервые описал ПГА, который производила культура Bacillus [8]. Позже, были найдены многие другие бактерии способные производить различные ПГА. ПГА в настоящее время становятся реальными кандидатами на роль материалов XXI века, с ними связаны большие надежды, так как помимо термопластичности аналогично полипропилену и полиэтилену, эти биопластики обладают пьезоэлектрическим эффектом и характеризуются высокой биосовместимостью. Благодаря такому свойству как биосовместимость, ПГА способны служить материалом не только для различных упаковок, но и для материалов медицинского применения [9].
В настоящее время ведутся активные исследования ПГА. Сферы применения ПГА потенциально широки и могут включать сельское и коммунальное хозяйство, радиоэлектронику, фармакологию, медицину [10].
Наблюдаемый в последние годы интерес к биодеградируемым полимерам связан не только с ухудшением экологической обстановки: серьезные опасения специалистов вызывает неуклонное уменьшение мировых запасов нефти и газа, поэтому возобновляемое растительное сырье могло бы стать решением проблемы. Сегодня по многим физическим и техническим характеристикам биопластики не уступают традиционным пластмассам и при этом безопасны для окружающей среды [11].
Сополимер 3-гидроксивалериановой кислот (ЗГВ) является одним из наиболее перспективных представителей семейства термопластичных и биоразрушаемых полимеров (ПГА) и предназначен для применения в различных областях (медицина, фармакология, сельское и коммунальное хозяйство, пищевая промышленность) [12].
Цель работы - исследовать влияние валерьяной кислоты на синтез полигидроксиалканоатов (ПГА) Cupriavidus Eutrophus B-10646 при масштабировании технологии в условиях опытного производства.
Для этого необходимо было решить следующие задачи:
1. Изучить влияние солей валериановой кислоты на изменение К в процессе биосинтеза ПГА , штаммом Cupriavidus Eutrophus B-10646;
2. Изучить способы введения прекурсора в культуру на опытном производстве. Исследовать влияние солей валериановой кислоты на продукционные характеристики процесса биосинтеза и состав полученного полимера.
3. Масштабировать процесс синтеза сополимера П(3ГБ/3ГВ).
1. В ходе проделанных экспериментов установлено, что с увеличением концентрации валерьяновой кислоты идёт увеличение субстратной константы от 0,35 до 0,71 г/л, что свидетельствует о ингибировании валерьяновой кислотой роста культуры. При добавление валерьяновой кислоты в различных концентрациях наблюдается ингибирование смешанного типа. Константа ингибирования для валерьяновой кислоты составила 0,73 г/л.
2. Исследованы, дробный способ внесения валерьяновой кислоты и способ
добавления прекурсора совместно с основным глюкозным субстратом. Внесение солей валерьяновой кислоты в культуру в качестве прекурсора, привело к снижению выхода биомассы. Дробная добавка прекурсора дает выход биомассы в 2 раза ниже, чем при культивирование на чистой глюкозе, 56,6 г/л. Максимальная удельная скорость роста по каталитической биомассе в этом случае составляет 0,175 ч-1. Выход биомассы при культивирование на смешанном субстрате так же снижается до 68 - 82 г/л. Максимальная скорость роста в данном случае 0,19-0,2 ч-1. Варьируя режим углеродного питания и количество
вносимых добавок дополнительного углеродного субстрата, удалось синтезировать двухкомпонентный полимер с различным содержанием мономеров 3ГВ.
3. По результатам проведённых исследований, установлены оптимальные технологические параметры для дальнейшего масштабирования при промышленном производстве сополимера. Полученные результаты позволяют производить до 85 г/л биомассы с выходом сополимера 3- гидроксибутирата-со-3-гидроксивалерата до 80 %. с включением 3- гидроксивалерата около 20 %.
2. Исследованы, дробный способ внесения валерьяновой кислоты и способ
добавления прекурсора совместно с основным глюкозным субстратом. Внесение солей валерьяновой кислоты в культуру в качестве прекурсора, привело к снижению выхода биомассы. Дробная добавка прекурсора дает выход биомассы в 2 раза ниже, чем при культивирование на чистой глюкозе, 56,6 г/л. Максимальная удельная скорость роста по каталитической биомассе в этом случае составляет 0,175 ч-1. Выход биомассы при культивирование на смешанном субстрате так же снижается до 68 - 82 г/л. Максимальная скорость роста в данном случае 0,19-0,2 ч-1. Варьируя режим углеродного питания и количество
вносимых добавок дополнительного углеродного субстрата, удалось синтезировать двухкомпонентный полимер с различным содержанием мономеров 3ГВ.
3. По результатам проведённых исследований, установлены оптимальные технологические параметры для дальнейшего масштабирования при промышленном производстве сополимера. Полученные результаты позволяют производить до 85 г/л биомассы с выходом сополимера 3- гидроксибутирата-со-3-гидроксивалерата до 80 %. с включением 3- гидроксивалерата около 20 %.