ВВЕДЕНИЕ
1 Обзор литературы 6
1.1 Полигидроксиалканоаты как замена традиционным синтетическим полимерам 6
1.2 Характеристика ПГА и способы их выделения из биомассы 8
1.2.1 Расщепление микробной оболочки с помощью щелочи и гипохлорита натрия 10
1.2.2 Использование сверхкритических флюидов в процессах экстракции биополимера 11
1.2.3 Метод селективной флотации 12
1.2.4 Использование ферментов для очистки и выделения ПГА 13
1.2.5 Использование детергентов для экстракции ПГА 14
1.2.6 Экстракция ПГА с помощью органических и неорганических
растворителей 17
1.3 Особенности процессов экстракции и выделения конечного продукта из
бактериальной биомассы 21
2 Объекты и методы исследования 24
2.1 Объект исследования и используемое оборудование 24
2.2 Технологические стадии обработки биомассы органическими
растворителями 28
2.3 Технологические стадии обработки биомассы детергентами 30
2.4 Метанолиз образцов 33
2.5 Математическое определение содержания полимера в биомассе 34
2.6 Определение физико-химических характеристик образцов полимеров 35
3 Результаты исследования 37
3.1 Влияние концентрации детергентов на содержание примесей в биомассе 37
3.2 Влияние экстрагента на содержание примесей в полимере 43
3.3 Выход полимера при экстракции этанолом
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 52
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 55
В настоящее время существует глобальная экологическая проблема загрязнения окружающей среды синтетическими пластмассами (полипропиленами и полиэтиленами), получаемыми в результате нефтеорганического синтеза. Непереработанные отходы складируются на мусорных свалках, тем самым занимая все больше плодородных земель, но накопление основной части происходит в океанах и составляет приблизительно 300 млн. т. в год [51, 30]. Одним из решений такой проблемы является создание биоразлагаемых материалов, подверженных деградации в окружающей среде без причинения ущерба природному сообществу [43]. Производство полигидроксиалканоатов в будущем сыграет огромную роль в развитии медицины (использование биополимера в качестве биорезорбируемого материала для создания транспортной системы доставки лекарств) [53], сельского хозяйства в качестве депонированной формы удобрений, пестицидов, гербицидов в виде гранулированных, прессованных и пленочных форм. Также, его использование в промышленных предприятиях позволит создавать биодеградируемый упаковочный материал, одноразовую посуду и прочие полимерные изделия, не создающие угрозу экологии и разрушающиеся в природных условиях.
В отличие от зарубежных исследований полимерных материалов, в России в целом отсутствует индустрия по производству биоразлагаемых полимеров. Подавляющая часть российского рынка за неимением высокотехнологичного производства медицинских изделий, фармакологических препаратов, материалов для хирургии и пр. занята импортом зарубежной продукции, что отрицательно влияет на конкурентоспособность страны [43].
При получении биоразлагаемых полимеров важным технологическим этапом является выделение целевого продукта из бактериальной биомассы и его очистка. Поэтому необходимы исследования, направленные на совершенствование существующих методов экстракции.
1. В результате эксперимента определена возможность использования детергентов в качестве солюбилизата. Установлено, что использование детергентов менее затратно, снижает количество используемых взрывоопасных реагентов, но использование данного метода не дает высокий процент очистки полимера (>97%), поэтому присутствует необходимость в доочистке ПГА органическими растворителями. При использовании детергента Brij-58 с концентрацией 1,5% в качестве первичного экстрагента с доочисткой органическими растворителями получается чистый полимер (99,97%), с минимальным содержанием примесей.
На первичной экстракции использование и додецилсульфата натрия, и полиоксиэтилен-20-цетилового эфира с концентрацией растворов в 2,5% достигнуты лучшие результаты по удалению примесей из биомассы (содержание примесей в шроте составило менее 20%). С использованием других концентраций детергентов процент примесей значительно выше.
Недостатки использования детергентов:
- Большой расход воды (45 л. при промывке на 1 кг. биомассы)
- Вероятность содержания остаточных ПАВ в солюбилизированной биомассе;
- Необходимость наличия стоков для утилизации солюбилизированной биомассы;
- Невозможно получить достаточно чистый ПГА на начальном этапе экстракции.
2. Очистка ПГА органическими растворителями, такими как этанол, ацетон и изопропанол, позволяет получить высокоочищенный биополимер. Наиболее высокую чистоту ПГА возможно получить при использовании этанола (>99%). Недостатками использования метода являются высокая стоимость, высоколетучесть токсичность и взрывоопасность растворителей. Также, вследствие чувствительности полимера к высоким температурам необходимо проводить экстракцию при температурах, близким к кипению экстрагента.
3. На основании полученных данных разработана наиболее эффективная технологическая схема экстракции биомассы бактерий, позволяющая получать полимер с чистотой более 99%. Она предполагает использование этанола на начальной и дихлорметана - на конечной стадии экстракции с возможностью получения липидов и белкового шрота.
