CC BY
128
УДК 663.18
АЦЕТОНО-БУТИЛОВОЕ БРОЖЕНИЕ В УСЛОВИЯХ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ВАКУУМИРОВАНИЯ
•I Л 4
© К.В. Молокова1, Е.А. Привалова2, С.Н. Евстафьев3
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Проведено сбраживание глюкозных субстратов микроорганизмами C. acetobutylicum при атмосферном давлении и в условиях периодического вакуумирования. Показано, что вакуумирование культуральной жидкости приводит к повышению выхода растворителей более, чем вдвое, вследствие уменьшения токсического влияния продуктов метаболизма на жизнедеятельность микроорганизмов. Ил. 4. Библиогр. 4 назв.
Ключевые слова: ацетоно-бутиловое брожение; C. Acetobutylicum; вакуум; ацетон; бутанол.
A-B-E FERMENTATION UNDER PERIODIC VACUUMING K.V. Molokova, E.A. Privalova, S.N. Evstafyev
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, Russia, 664074.
Acetone-butanol-ethanol fermentation of model glucose substrate by C. acetobutylicum at atmospheric pressure and periodic vacuuming is investigated. Periodical vacuuming of cultural liquor removes toxic metabolites from the fermentation medium and thus improves the fermentation efficiency and solvents yield more than twice. Key words: acetone-butanol-ethanol fermentation (A-B-E fermentation); C. Acetobutylicum; vacuum; acetone; butanol.
Бутанол, ацетон и этанол широко применяются в лакокрасочной промышленности, в производстве сложных растворителей, синтетических материалов, фармацевтике и т.д. Химические методы получения этих растворителей не позволяют достичь требуемого качества продукта, значительно сужая сферу их применения. Кроме того, в последнее время на фоне экологических проблем, связанных с увеличивающимся с каждым годом потреблением нефти, возрастает интерес к биотопливу, в том числе к биобутанолу, получаемому путем ацетоно-бутилового брожения. Микроорганизмы Clostridium acetobutylicum при сбраживании углеводных субстратов синтезируют бутанол, ацетон и этанол в примерном соотношении 60:30:10. Причем известно, что на выход растворителей и их соотношение наряду с множеством факторов влияют как состав исходного сырья, так и условия проведения ферментации [1].
Большинство штаммов Clostridium acetobutylicum культивируют на относительно разбавленных средах с концентрацией углеводов до 4-8%. В результате ферментации выход растворителей получается сравнительно невысоким. Применение более высоких концентраций исходных субстратов ограничивается из-за токсического влияния продуктов ацетоно-бутилового брожения и, прежде всего, именно бутанола на жизнедеятельность бактерий. Фактически при концентрации бутанола выше 8-10 г/л наблюдается значительное угнетение микроорганизмов и замедление броже-
ния [4].
Увеличения продуктивности бактерий можно добиться путем удаления продуктов брожения из культуральной жидкости, для чего можно использовать такие способы, как продувка культуральной жидкости газами, жидкостная экстракция, молекулярная адсорбция, мембранная фильтрация и др. [3].
Одним из наиболее простых по техническому исполнению может считаться метод периодического вакуумирования бродящей среды, который позволяет решить одновременно две задачи: создание и поддержание необходимых микроорганизмам анаэробных условий брожения и частичное удаление токсичных продуктов метаболизма. При этом бутанол будет отгоняться в виде азеотропной смеси с водой. Целью данной работы было проведение ацетоно-бутилового брожения модельных субстратов на основе глюкозы бактериями C. acetobutylicum в условиях периодического вакуумирования культуральной жидкости.
Экспериментальная часть
В качестве продуцента бутанола использовался штамм C. acetobutylicum ВКМ 1787. Споровый материал в стерильных условиях переносили на питательную среду (клейстеризованная пшеничная мука в водопроводной воде с содержанием сухих веществ 60 г/дм ) и культивировали в течение суток при 37°С без доступа воздуха. Полученная культура хранилась при -3...-5°С. Для получения инокулята пробирку с культурой пастеризовали при 75°С в течение 15 мин, а затем засевали
1Молокова Ксения Васильевна, аспирант, тел.: 89021701940; e-mail: ksen888@mail.ru Molokova Kseniya, Postgraduate, tel.: 89021701940; e-mail: ksen888@mail.ru.
2Привалова Елена Андреевна, кандидат химических наук, доцент кафедры химии и пищевой технологии, тел.: 89148961255. Privalova Elena, Candidate of Chemistry, Associate Professor of the Department of Chemistry and Food Technology, tel.: 89148961255
3Евстафьев Сергей Николаевич, доктор химических наук, профессор, зав. кафедрой химии и пищевой технологии Evstafyev Sergey, Doctor of Chemistry, Professor of the Department of Chemistry and Food Technology.
на питательную среду, в состав которой входил картофель (250 г/л), глюкоза (5 г/л), аммоний сернокислый (1,5 г/л) и углекислый кальций (2 г/л). Культивирование проводили в течение 4 ч при 37°С, после чего инокулят в количестве 5% вносили в стерильную питательную среду, которая имела следующий состав (в расчете на 1 л): глюкоза - 40 г; хлористый аммоний -2 г; дигидрофосфат калия - 0,5 г; магний сернокислый - 0,3 г; марганец сернокислый - 0,02 г; железо сернокислое - 0,02 г; натрий хлористый - 0,02 г; дрожжевой экстракт - 20 г. рН среды 6,0. Колбы после введения инокулята вакуумировали для создания анаэробных условий, ферментацию проводили при 37°С в течение 4 суток. Культуральную жидкость вакуумировали один раз в сутки после отбора пробы в течение 15 мин при 40°С и давлении 0,08 атм.
В культуральной жидкости каждые 24 часа определяли концентрацию сахаров и растворителей. Определение сахаров проводилось колориметрическим методом [2] с помощью спектрофотометра Agilent 8453. Концентрацию растворителей анализировали методом ГХ-МС на газовом хроматографе 7820 А с селективным масс-спектрометрическим детектором НР 5975 фирмы «Agilent Technologies». Энергия ионизации - 70 эВ. Температура сепаратора - 280°С, ионного источника - 230°С. Кварцевая колонка 30000x0,25 мм со стационарной фазой (95% диметил-5% дифенилполисилоксан). Температура колонки 50оС. Идентификацию компонентов осуществляли с использованием библиотеки масс-спектров «NIST11». Количественное содержание компонентов вычисляли по площадям пиков с использованием корректирующих коэффициентов чувствительности.
Обсуждение результатов
Динамика изменения концентрации основных продуктов ферментации - бутанола и ацетона - представлена на рис. 1. Приведенные данные учитывают
количество растворителей, удаленных из культуральной жидкости в процессе вакуумирования.
Как видно из представленных зависимостей, наибольшая концентрация растворителей достигается на третьи сутки брожения и в дальнейшем повышается незначительно. Содержание бутанола и ацетона на четвертые сутки брожения в контрольном опыте составило 1,7 и 0,4 г/л соответственно. При использовании же периодического вакуумирования максимальная концентрация бутанола и ацетона в культуральной жидкости была достигнута на уровне 4,7 и 1,3 г/л соответственно, что свидетельствует о создании более благоприятных условий для жизнедеятельности анаэробных микроорганизмов вследствие вакуумирования. Использование вакуумирования при ферментации в большей степени влияет на динамику образования ацетона: его выход возрастает в 3,2 раза по сравнению с контролем, в то время как количество бутанола в культуральной жидкости увеличивается в 2,8 раз. В то же время абсолютный прирост количества бутанола (3 г/л) существенно выше прироста ацетона (0,9 г/л).
Наряду с ацетоном и бутанолом отмечено наличие в культуральной жидкости этанола в количестве 0,8-0,4 г/см . Зависимость образования этанола микроорганизмами С. асе1оЬи1у!1сит от применения вакуумирования при ферментации проследить не удалось.
Соотношение образовавшихся растворителей бу-танол:ацетон:этанол составило 10:3:1, что, по сравнению с контролем (4:1:1) также является более удачным с точки зрения производства целевых продуктов -бутанола и ацетона. Суточный прирост образования растворителей достигает наибольших величин на 2-3 сутки ферментации и значительно (в 2-3 раза) превышает показатели, достигнутые в контрольном опыте (рис. 2).
время, ч
А бута нал ■ ацетон
Рис. 1. Динамика накопления растворителей при брожении: а - с вакуумированием; б - контроль
Рис. 2. Суточный прирост растворителей при брожении: а - с вакуумированием; б - контроль
Динамика использования микроорганизмами глюкозы и степень ее сбраживания (приведены соответственно на рис. 3 и 4) также свидетельствуют о том, что в течение трех суток активная фаза ферментации субстрата заканчивается. При этом уже на вторые сутки брожения заметно положительное влияние ва-куумирования на продуктивность процесса, выражающуюся в количестве образовавшихся растворителей на 1 г ассимилированной микроорганизмами глюкозы. Так, при использовании вакуума продуктивность по сумме растворителей на вторые сутки составляет 1,2 г/г, что практически в 6 раз выше по сравнению с контролем (0,22 г/г). При дальнейшем увеличении продолжительности брожения этот эффект снижается при сохранении тенденции прироста продуктивности брожения в условиях вакуумирования культуральной жидкости. Общая степень сбраживания глюкозы при использовании периодического вакуумирования на тре-
тьи сутки увеличивается на 33% по сравнению с контролем.
Стоит отметить, что в течение первых суток степень сбраживания глюкозы достигает 50% от максимальной как в условиях вакуумирования, так и в контрольном опыте (рис. 4). Значения прироста выхода растворителей в это время, напротив, малы (см. рис. 2). Это явление можно объяснить тем, что во время 12 суток ферментации, в экспоненциальной фазе роста клеток, протекает первая стадия ацетоно-бутилового брожения - ацидогенез, во время которой микроорганизмы, интенсивно ассимилируя сахара, синтезируют в основном уксусную и масляную кислоты. В дальнейшем, в стационарной фазе роста, происходит метаболическое смещение культуры с образованием ацетона, бутанола и этанола как основных продуктов (сольвентогенез) [4].
■с вакуумированием ■ контроль Рис. 3. Динамика изменения концентрации глюкозы в культуральной жидкости
I с вакуумированием ■ контроль Рис. 4. Степень сбраживания глюкозы
Общая продуктивность процесса ферментации с применением вакуумирования за 4 суток составила 0,24 г растворителей на 1 г ассимилированной глюкозы, в то время как в контрольном опыте она достигла значения лишь 0,17 г/г.
На основе представленных данных можно заключить, что в целом, даже при сравнительно невысокой
продуктивности, применение вакуума с целью удаления летучих продуктов метаболизма бактерий С. асе1оЬи1у!1сит положительно влияет на процесс соль-вентогенеза и на жизнедеятельность микроорганизмов, поэтому может быть использовано для увеличения выхода растворителей.
Библиографический список
1. Корнеева О.С., Жеребцов Н.А. Роль амилолитических ферментов Clostridium acetobutylicum в биосинтезе растворителей // Биотехнология. 1986. № 3. С. 133-136.
2. Молокова К.В., Привалова Е.А. Сбраживание модельного сусла повышенной концентрации в условиях периодического вакуумирования // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2011. № 1. С. 169-172.
3. Сушкова В.И., Яроцкий С.В. Эффективность методов выделения продуктов ацетоно-бутиловой ферментации // Химия растительного сырья. 2011. № 3. С. 5-14.
4. Laili Gholizadeh Baroghi. Enhanced Butanol Production by Free and Immobilized Clostridium sp. Cells using Butyric Acid as Co-Substrate: dis. PhD in biology 08.12.2009 / University College of Boras. School of Engineering, 2009. 115 c.
УДК 669,713
К ВОПРОСУ ОБ УПРАВЛЕНИИ ПРОЦЕССОМ ЦИАНИРОВАНИЯ ЗОЛОТА
© В.В. Пелих1, В.М. Салов2
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова,83.
Данная статья является аналитическим литературным обзором. Рассматриваются основные технологические параметры, оказывающие влияние на процесс растворения золота цианированием. Сделана попытка систематизации этих параметров, анализа их влияния друг на друга, на интенсивность перехода золота в раствор; для каждого параметра представлена графическая схема, отображающая описанные зависимости. В заключение приведена общая информационная схема, выполненная на основании собранных зависимостей и включающая в себя все те параметры, которые должны учитываться при разработке системы управления процессом цианирования, вместе с тем указываются проблемы, которые могут возникать при реализации таких систем, а также варианты их решения. Ил. 8. Библиогр. 4 назв.
Ключевые слова: золото; цианирование; цианид; интенсивность процесса; классификация факторов; минералы.
1Пелих Владислав Вадимович, аспирант, тел.: 89832412947, e-mail: Pelich2289@mail.ru Pelikh Vladislav, Postgraduate, tel.: 89832412947, e-mail: Pelich2289@mail.ru
2Салов Валерий Михайлович, кандидат технических наук, профессор кафедры автоматизации производственных процессов, тел.: (3952) 405117, e-mail: salov@istu.edu
Salov Valery, Candidate of technical sciences, Professor of the Department of Automation of Industrial Processes, tel.: (3952) 405117, e-mail: salov@istu.edu
