Введение 4
1 Обзор литературы 5
1.1 Полигидроксиалканоаты: структура и свойства 5
1.2 Получение биополимера 7
1.3 Выделение продуктов биотехнологического синтеза 10
1.4 Молекулярно - массовые характеристики полимера 16
1.5 Оптимизация первого этапа процесса экстракции: кинетика и
моделирование 17
2 Методы исследования 19
2.1 Исследуемые микроорганизмы 19
2.2 Условия роста бактерий Cupriavidus eutrophus В10646 19
2.3 Определение сухой биомассы клеток 22
2.4 Выбор факторов для плана оптимизации 22
2.5 Методика проведения математической обработки процессов
экстракции ПГА 23
2.6 Методы выделения продуктов биотехнологического синтеза. 28
2.7 Метод спиртовой экстракции 28
2.8 Исследование содержания и состава ПГА 30
2.9 Определение молекулярной массы ПГА 30
Выводы 56
Список литературы 58
Полигидроксиалканоаты (ПГА) представляют собой перспективные сложные полиэфиры, полученные бактериями путем аэробной ферментации с использованием разных источников углерода. Эти биополимеры полностью биодеградируются в аэробных и анаэробных условиях, а также обладают эластомерными и термопластичными свойствами. Однако, несмотря на усилия, поставленные к разработке рентабельных ферментативных систем, стоимость производства ПГА по-прежнему остается существенно высокой, препятствуя использованию этих биополимеров в качестве товара [1].
Из ПГА возможно получение гибких пленок различной толщины, в том числе полупроницаемых мембран, нитей, нетканых материалов, различных полых форм (бутыли, контейнеры, коробки и пр.), а также гелей и клеев. Совокупность свойств, характерных для ПГА, делает их перспективными для применения в различных сферах - медицине, фармакологии, пищевой и косметической промышленности, сельском и коммунальном хозяйстве, радио-электронике и других сферах. Масштабы применения ПГА в настоящее время сдерживаются достаточно высокой стоимостью. Расходы на извлечение ПГА из общей стоимости производственного процесса может составлять более чем 50 % стоимости конечного продукта [2, 3]. Существуют различные методы извлечения ПГА. Эти методы включают использование растворите¬лей, химическое вываривание, ферментативное вываривание, механическая экстракция с гомогенизацией с высоким давлением и ультразвуком, используют комбинацию этих методов. При крупномасштабном производстве, сбор и очистка биополимера от остатков биомассы представляют собой решающую стадию, определяющую практическую применимость технологии. Однако возрастающие требования к охране окружающей среды, с одной стороны, и имеющиеся перспективы снижения стоимости биополимеров за счет повышения эффективности производства, с другой, делают ПГА одним из перспективных материалов.
В связи с высокой значимостью процесса экстракции в общей технологической схеме получения ПГА проводились исследования, целью которых является повышение эффективности экстракции за счет определения влияния факторов на процесс извлечения продуктов биотехнологического синтеза.
Проведен биосинтез бактерий Cupriavidus eutrophus B10646, в ходе которого получен образец биомассы с концентрацией клеток в культуре около 64 г/л. Содержание ПГА, накопленного в ходе биосинтеза составило около 70 % от а.с.м.
Исследовано влияние параметров обработки биомассы С. eutrophusВ- 10646 этанолом на выход и физико-химические свойства ПГА.
Предложены математические модели, описывающие влияние параметров процесса этапа спиртовой экстракции на выход ПГА, экстрактивных веществ, молекулярную массу и чистоту биополимера. Получены модели, показывающие возможное управление этим процессом.
С помощью программ статистической установлены зависимости, дающие представление о количественном влиянии каждого фактора на выход экстрактивных веществ, величину молекулярной массы и чистоту полимера в процессе экстракции:
- установлено, что на выход экстрактивных веществ наибольшее влияние оказывает температура экспозиции;
- для получения максимальных значений величины молекулярной массы необходимо длительное время экстракции и минимальное соотношение растворителя к биомассе, два других параметра являются незначимыми;
- модель, описывающая зависимость для чистоты ПГА показывает, что получение биополимера с высокой чистотой необходима комбинация двух факторов, оказывающих наибольшее влияние: времени экстракции и концентрации этанола.
Получены оптимальные значения технологических параметров проведения процесса экстракции биополимера в клетке: температура процесса экстракции Х1 = 60 С; продолжительность процесса экстракции Х2 = 30 мин; концентрация растворителя Х3 = 96 %; соотношение растворитель:биомасса Х4 = 4:1.
