Помощь студентам в учебе
Интенсификация процесса экстракции ПГА из биомассы бактерий
|
Введение 5
1 Обзор литературы 7
1.1 Полигидроксиалканоаты как альтернатива синтетическим полимерам. 7
1.2 Производство и стоимость ПГА на мировом рынке 8
1.3 Характеристика полигидроксиалканоатов 11
1.4 Методы экстракции полигидроксиалканоатов 17
1.4.1 Предварительная обработка бактериальной биомассы 18
1.4.2 Экстракция растворителями 19
1.4.2.1 Применение галогенсодержащих растворителей 20
1.4.2.2 Использование не галогенных растворителей 20
1.4.3 Химическое расщепление 23
1.4.4 Ферментативное расщепление 25
1.4.5 Механическое разрушение 25
1.4.6 Гомогенизация под высоким давлением 26
1.4.7 Сверхкритичные флюиды 27
1.4.8 Биологическое извлечение ПГА 27
2 Объект и методы исследования 29
2.1 Биосинтез бактерий Cupriavidus eutrophus B10646 29
2.1.1 Получение инокулята 29
2.1.2 Биосинтез бактерий в ферментере-инокуляторе 29
2.1.3 Сгущение и центрифугирование 30
2.1.4 Сублимационная сушка 30
2.2 Объект исследования 31
2.3 Методы исследования 31
2.3.1 Измельчение бактериальной биомассы 31
2.3.2 Фракционирование бактериальной биомассы 31
2.3.3 Определение влажности фракций бактериальной биомассы 32
2.3.4 Исследование минерального состава фракций бактериальной
биомассы 33
2.3.5 Исследование состава жирных кислот липидов бактерий
Cupriavidus eutrophus B10646 34
2.3.6 Определение количества экстрактивных веществ во фракциях в
бактериальной биомассе 35
2.3.7 Выделение ПГА из фракций бактериальной биомассы 35
2.3.8 Термический анализ образцов полимера, выделенных из фракций
бактериальной биомассы 36
2.3.9 Исследование молекулярно-массовых характеристики образцов
полимера, выделенных из фракций бактериальной биомассы 36
2.3.10 Статистическая обработка результатов 36
Заключения 53
Список использованных источников 54
1 Обзор литературы 7
1.1 Полигидроксиалканоаты как альтернатива синтетическим полимерам. 7
1.2 Производство и стоимость ПГА на мировом рынке 8
1.3 Характеристика полигидроксиалканоатов 11
1.4 Методы экстракции полигидроксиалканоатов 17
1.4.1 Предварительная обработка бактериальной биомассы 18
1.4.2 Экстракция растворителями 19
1.4.2.1 Применение галогенсодержащих растворителей 20
1.4.2.2 Использование не галогенных растворителей 20
1.4.3 Химическое расщепление 23
1.4.4 Ферментативное расщепление 25
1.4.5 Механическое разрушение 25
1.4.6 Гомогенизация под высоким давлением 26
1.4.7 Сверхкритичные флюиды 27
1.4.8 Биологическое извлечение ПГА 27
2 Объект и методы исследования 29
2.1 Биосинтез бактерий Cupriavidus eutrophus B10646 29
2.1.1 Получение инокулята 29
2.1.2 Биосинтез бактерий в ферментере-инокуляторе 29
2.1.3 Сгущение и центрифугирование 30
2.1.4 Сублимационная сушка 30
2.2 Объект исследования 31
2.3 Методы исследования 31
2.3.1 Измельчение бактериальной биомассы 31
2.3.2 Фракционирование бактериальной биомассы 31
2.3.3 Определение влажности фракций бактериальной биомассы 32
2.3.4 Исследование минерального состава фракций бактериальной
биомассы 33
2.3.5 Исследование состава жирных кислот липидов бактерий
Cupriavidus eutrophus B10646 34
2.3.6 Определение количества экстрактивных веществ во фракциях в
бактериальной биомассе 35
2.3.7 Выделение ПГА из фракций бактериальной биомассы 35
2.3.8 Термический анализ образцов полимера, выделенных из фракций
бактериальной биомассы 36
2.3.9 Исследование молекулярно-массовых характеристики образцов
полимера, выделенных из фракций бактериальной биомассы 36
2.3.10 Статистическая обработка результатов 36
Заключения 53
Список использованных источников 54
Экологическим проблемам развития человеческого общества в настоящее время уделяется большое внимание такими организациями, как ООН, ЮНЕСКО, Российским обществом защиты прав потребителя и др. Одной из важнейших экологических проблем является утилизация твердых синтетических полимерных отходов, которые считаются наиболее токсичными, а, следовательно, экологически опасными. Синтетические пластмассовые отходы чрезвычайно медленно разлагаются и ассимилируются в естественных условиях (до 80 лет), являясь серьезным фактором загрязнения окружающей среды. Особую опасность представляет пластмассовая тара разового использования, сельскохозяйственные пленки различного назначения и упаковочные материалы, которые обычно не попадают в общую систему сбора, составляя так называемый пластмассовый мусор [21].
В общей сложности объем мирового производства пластмассы резко увеличился с 1,5 млн. тонн в 1950 году до 245 млн. тонн в 2008 году, ежегодный прирост составлял 9%. Из-за их универсальных свойств очень сложно сократить потребление пластмассовых изделий, но можно заменить пластмассы на основе нефти альтернативными материалами, которые имеют свойства, подобные полимерам, но разрушаемые после их выброса [32].
В этом плане, активно изучаемыми в настоящее время, в связи с их биоразрушаемостью, являются полигидроксиалканоаты (ПГА) - полиэфиры, синтезируемые микроорганизмами при лимитировании роста элементами конструктивного метаболизма [3].
Однако, сравнение ПГА с другими эквивалентными коммерциализированными материалами (например, синтетические полимеры или нефтехимические пластики) показывает, что ПГА достаточно дорогие материалы [11].
Отчетные экономические анализы для различных систем промышленного производства показывали, что стоимость ПГА составляла от 2,65 до 5 долл США/кг, а получаемые из нефтехимического сырья пластмассы стоят около 1,57-1,67 долл/кг. Это несоответствие в расходах в значительной степени объясняется затратами на источник углерода для бактерий и последующую обработку. Так, по подсчетам, затраты на экстракцию и очистку ПГА составляют до 50 % от общих затрат на все технологические процессы [58]. На протяжении многих лет было разработано множество методов восстановления ПГА, но ни один из этих методов не привел к значительным экономическим улучшениям [70]. Кроме того, в настоящий момент нет обоснованной методики подготовки биомассы к стадии экстракции, которая позволила бы не только увеличить выход полимера, но и осуществить возможность эффективного использования всей бактериальной биомассы.
Цель работы: Интенсификация процесса экстракции биомассы бактерий Cupriavidus eutrophus B10646 путем измельчения и фракционирования.
Для достижения цели, поставлены следующие задачи:
1. Провести биосинтез бактерий Cupriavidus eutrophus B10646 и получить образцы биомассы для дальнейших исследований;
2. Исследовать процесс измельчения высушенной биомассы бактерий, получить фракции биомассы и установить их физико-химических свойства;
3. На основании полученных результатов исследований, предложить способ интенсификации процесса экстракции на производстве ПГА.
В общей сложности объем мирового производства пластмассы резко увеличился с 1,5 млн. тонн в 1950 году до 245 млн. тонн в 2008 году, ежегодный прирост составлял 9%. Из-за их универсальных свойств очень сложно сократить потребление пластмассовых изделий, но можно заменить пластмассы на основе нефти альтернативными материалами, которые имеют свойства, подобные полимерам, но разрушаемые после их выброса [32].
В этом плане, активно изучаемыми в настоящее время, в связи с их биоразрушаемостью, являются полигидроксиалканоаты (ПГА) - полиэфиры, синтезируемые микроорганизмами при лимитировании роста элементами конструктивного метаболизма [3].
Однако, сравнение ПГА с другими эквивалентными коммерциализированными материалами (например, синтетические полимеры или нефтехимические пластики) показывает, что ПГА достаточно дорогие материалы [11].
Отчетные экономические анализы для различных систем промышленного производства показывали, что стоимость ПГА составляла от 2,65 до 5 долл США/кг, а получаемые из нефтехимического сырья пластмассы стоят около 1,57-1,67 долл/кг. Это несоответствие в расходах в значительной степени объясняется затратами на источник углерода для бактерий и последующую обработку. Так, по подсчетам, затраты на экстракцию и очистку ПГА составляют до 50 % от общих затрат на все технологические процессы [58]. На протяжении многих лет было разработано множество методов восстановления ПГА, но ни один из этих методов не привел к значительным экономическим улучшениям [70]. Кроме того, в настоящий момент нет обоснованной методики подготовки биомассы к стадии экстракции, которая позволила бы не только увеличить выход полимера, но и осуществить возможность эффективного использования всей бактериальной биомассы.
Цель работы: Интенсификация процесса экстракции биомассы бактерий Cupriavidus eutrophus B10646 путем измельчения и фракционирования.
Для достижения цели, поставлены следующие задачи:
1. Провести биосинтез бактерий Cupriavidus eutrophus B10646 и получить образцы биомассы для дальнейших исследований;
2. Исследовать процесс измельчения высушенной биомассы бактерий, получить фракции биомассы и установить их физико-химических свойства;
3. На основании полученных результатов исследований, предложить способ интенсификации процесса экстракции на производстве ПГА.
1. Освоена технология культивирования бактерий Cupriavidus eutrophus B10646 на опытном производстве ПГА и получены образцы бактериальной биомассы для дальнейших исследований.
2. Исследован процесс измельчения лиофильно высушенной биомассы бактерий. Показано, что до измельчении биомасса в основном представлена крупными частицами от 2,0 до 0,2 мм, а после измельчения основной размер частиц составил менее 0,2 мм.
3. Получено 10 фракций биомассы, исследованы их физико-химические свойства. Выявлены существенные различия во влажности, выходе экстрактивных веществ, выходе полимера, в молекулярно-массовых характеристиках полимеров, степени кристаллизации и минеральном составе как между фракциями, так и в сравнении с исходной биомассой. Полученные результаты показывают, что в результате измельчения биомассы в установках дезинтеграторного типа возможно получить не только материал с развитой активной поверхностью, но и при дальнейшем рассеве - фракции частиц биомассы различного размера, обладающие различным химическим составом, индивидуальной динамикой процессов экстракции липидов и полимера, а также в совокупности определяющие усредненные характеристики исходной биомассы.
4. Проведена оценка использования фракционирования биомассы перед стадией экстракции. Установлено, что исключение из технологического процесса 5% биомассы с низким выходом полимера, позволит интенсифицировать процесс экстракции и обеспечит увеличение выхода ПГА на 9%.
2. Исследован процесс измельчения лиофильно высушенной биомассы бактерий. Показано, что до измельчении биомасса в основном представлена крупными частицами от 2,0 до 0,2 мм, а после измельчения основной размер частиц составил менее 0,2 мм.
3. Получено 10 фракций биомассы, исследованы их физико-химические свойства. Выявлены существенные различия во влажности, выходе экстрактивных веществ, выходе полимера, в молекулярно-массовых характеристиках полимеров, степени кристаллизации и минеральном составе как между фракциями, так и в сравнении с исходной биомассой. Полученные результаты показывают, что в результате измельчения биомассы в установках дезинтеграторного типа возможно получить не только материал с развитой активной поверхностью, но и при дальнейшем рассеве - фракции частиц биомассы различного размера, обладающие различным химическим составом, индивидуальной динамикой процессов экстракции липидов и полимера, а также в совокупности определяющие усредненные характеристики исходной биомассы.
4. Проведена оценка использования фракционирования биомассы перед стадией экстракции. Установлено, что исключение из технологического процесса 5% биомассы с низким выходом полимера, позволит интенсифицировать процесс экстракции и обеспечит увеличение выхода ПГА на 9%.