Описание биокаталитического окисления метана с использованием моделей многосубстратной кинетики Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Химия

Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2008, № 3, с. 69-72

69

УДК 661.721.422:602.4

ОПИСАНИЕ БИОКАТАЛИТИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ МЕТАНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МОДЕЛЕЙ МНОГОСУБСТРАТНОЙ КИНЕТИКИ

© 2008 г. Д.А. Казаков, В.В. Вольхин, И.А. Зернина, Д.А. Кошелева

Пермский государственный технический университет

ка7акоуЪю1есЬ@таП. ги

Поступила в редакцию 06.05.2008

Представлены результаты исследования кинетики биокаталитического окисления метана, осуществляемого целыми клетками метанокисляющих микроорганизмов в жидкой среде. На основе полученных данных предложена математическая модель для описания изучаемого процесса, которая может быть использована для предсказания поведения рассматриваемой кинетической системы в заданных условиях.

Ключевые слова: окисление метана, многосубстратная кинетика, биокинетическая модель, метан-окисляющие бактерии, метод нелинейных оценок.

Введение

Биокаталитическое окисление метана - биохимический процесс, протекающий под действием метанмонооксигеназы (ММО) - фермента, продуцируемого клетками метанокисляющих бактерий [1]. Данный процесс может быть использован при решении ряда экологических проблем, связанных с предотвращением эмиссии метана с полигонов твёрдых бытовых отходов [2], скотоводческих ферм [3] и дегазационных установок угольных шахт [4].

С точки зрения эффективного использования данного процесса в экологической биотехнологии важным является знание его кинетических закономерностей. Однако публикации, посвящённые исследованию кинетики биокаталитиче-ского окисления метана, содержат сложно сопоставимые данные, не дающие однозначного представления о протекании процесса в целом [5].

Цель настоящей работы - математическое описание биокаталитического окисления метана с использованием моделей многосубстратной кинетики.

Экспериментальная часть

Объект исследования. Объектом исследования являлась смешанная культура микроорганизмов, использующая метан в качестве единственного источника углерода и энергии.

Среда культивирования. Для культивирования метанокисляющих микроорганизмов использовали жидкую синтетическую минеральную среду следующего состава (мг/л дистиллированной воды): КЫ03 - 1000; М§804-7Ы20 - 200;

СаСІ2 - 20; ^НРО^^О - 1500; КН2РО4 -700; ^ББТА - 5; РеБО4'7Н2О - 2; 2пБО4-7Н2О - 0.1; МпСІ2-4Н2О - 0.03; СоСЬ'б^О - 0.2; СиБО4-5Н2О - 0.1; МСЬ'б^О - 0.02;

№2МоО4-2Н2О - 0.03. Устанавливали рН среды в интервале 6.8-7.2 [1].

Определение зависимости удельной скорости окисления метана от концентраций метана и кислорода в культуральной жидкости. В герметичные сосуды объёмом 1550 мл вводили 45 мл свежеприготовленной жидкой среды и 5 мл засевной культуры (инокулята). Сосуды продували метановоздушной смесью с концентрацией метана 2-95 об.%, герметично закрывали и инкубировали при температуре 30?С с перемешиванием 180 об/мин на орбитальной термостатированной качалке КТ 104. Периодически проводили отбор проб культуральной жидкости для определения концентрации биомассы. Концентрацию биомассы определяли весовым методом [6].

В периодически отбираемых из реакционных сосудов пробах газовой смеси определяли концентрацию метана на газовом хроматографе ЛХМ-8МД: детектор - катарометр, насадочная колонка с молекулярными ситами КаХ длиной 1 м, газ носитель - гелий, температура колонки и детектора - 40?С, температура испарителя - 50?С.

Удельную скорость окисления метана рассчитывали для начального этапа процесса (810 ч) по следующему уравнению [1]:

д = Цх/Хр)• (^0 - £) (1)

(ґ - ^) • (х - Х0) ’

где Х0 и Х - начальное и конечное количество АСБ (абсолютно сухой биомассы) соответст-

венно, г; 50 и 5 - начальное и конечное количество метана, ммоль; ^ - начальное время, ч; t - конечное время, ч.

Концентрации метана и кислорода в культуральной жидкости для начального этапа процесса (8-10 ч) определяли исходя из предположения, что при малых количествах биомассы и высокой интенсивности перемешивания растворение газов происходит намного быстрее, чем их утилизация микроорганизмами. Таким образом, в культуральной жидкости поддерживаются концентрации метана и кислорода, близкие к равновесным для данных условий. Для расчёта равновесных концентраций метана и кислорода в среде культивирования использовали уравнение Сеченова, которое позволяет учесть снижение растворимости газов в водных растворах сильных электролитов вследствие эффекта высаливания [7]:

, а0 1П тт 2

ig— = -! H с^2 а 2 г-=і

(2)

1) модель Моно:

Ч(с) = Чп

К + с

(4)

где дтах - максимальная удельная скорость окисления лимитирующего субстрата, ммоль/(г АСБ-ч); с - концентрация лимитирующего субстрата, моль/л; Кс - константа насыщения, моль/л;

2) модель Тисье:

Ч(с) = Чтах (1 - *^ ),

где к - постоянный коэффициент, л/моль;

3) модель Мозера:

J-

д(с) = q

тах Кс + сх

(5)

(6)

где а0, а - коэффициенты абсорбции газа для чистого растворителя и раствора соответственно; Н - параметр, характеризующий ион, л/моль; сI - концентрация ионов в растворе, моль/л; zi - заряд иона.

При расчётах по уравнению (2) учитывали только ионы основных компонентов среды культивирования: КЫ03, М§804, СаС12, №2ЫР04, КЫ2Р04.

Описание зависимости удельной скорости окисления метана от концентраций метана и кислорода в культуральной жидкости с использованием многосубстратных кинетических моделей. Для описания данной зависимости использовали мультипликативные многосубстратные модели и модели многосубстратной кинетики, основанные на механизмах ферментативного катализа.

Общий вид мультипликативных многосубстратных моделей можно представить уравнением [8]:

Я = 0(С!) Х0(с2), (3)

где я - удельная скорость окисления метана, ммоль СН4/(г АСБ-ч); с1, с2 - соответственно концентрации метана и кислорода, моль/л; П(с1), 0(с2) - индивидуальные односубстратные модели для метана и кислорода соответственно.

В качестве мультипликативных многосубстратных моделей в соответствии с уравнением (3) рассматривали все возможные сочетания следующих индивидуальных односубстратных моделей [9]:

где X - постоянный коэффициент.

Анализировали следующие модели многосубстратной кинетики, основанные на механизмах ферментативного катализа [10]:

1) модель механизма тройного комплекса:

Чшах

Ч =

1 + К2 / С2 + К1К2 / С1С2

(7)

где К1, К2 - константы для метана и кислорода соответственно, моль/л;

2) модель «пинг-понг» механизма:

Чшах

ч =

1 + К1 / С1 + К2 / С2

(8)

Параметры всех моделей определяли по экспериментальным данным, отражающим зависимость удельной скорости окисления метана от концентраций метана и кислорода в культуральной жидкости, с использованием метода нелинейных оценок. Расчёты проводили с использованием программы математической обработки данных Statistica 6.0 (StatSoft, Inc., www.statsoft.com). Адекватность многосубстратных моделей оценивали по величине множественного коэффициента корреляции (R) [8].

Результаты и их обсуждение

Зависимость удельной скорости окисления метана от концентраций метана и кислорода в культуральной жидкости. Кинетические исследования показали, что скорость окисления метана в значительной степени зависит от концентраций метана и кислорода в культуральной жидкости. На рис. 1 представлена зависимость удельной скорости окисления метана от его концентрации в культуральной жидкости. Во всех случаях удельная скорость окисления определена для начального этапа процесса (810 ч), поскольку при небольших концентрациях

С

10 і

9

¡Г

и 8

7 -

о 6

§

%

^ 5

4

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

СН4, ммоль/л

Рис. 1. Зависимость удельной скорости окисления метана от его концентрации в культуральной жидкости

Я

0.975

0.970

0.965

0.960

0.955

0.950

0.945

0.940

І—1 1 1 1 1 1 1 і 1 і

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Рис. 2. Результаты оценки адекватности многосубстратных кинетических моделей: 1 - модель Моно - Тисье; 2 - модель Тисье - Тисье; 3 - модель Мозера - Тисье; 4 - модель Тисье - Моно; 5 - модель Тисье - Мозера; 6 - модель тройного комплекса; 7 - модель Моно - Моно; 8 - модель «пинг-понг» механизма; 9 - модель Мозера - Моно; 10 - модель Моно - Мозера; 11 - модель Мозера - Мозера

биомассы скорости утилизации субстратов малы по сравнению со скоростями их массопере-дачи в культуральную жидкость и можно принять, что концентрации метана и кислорода близки к равновесным для данных условий. Таким образом, в данном случае рассмотрены условия, когда массообмен не оказывает значительного влияния на скорость процессов роста микроорганизмов и утилизации субстратов.

На рис. 1 можно видеть, что зависимость удельной скорости окисления метана от его концентрации в культуральной жидкости имеет форму кривой с максимумом. Наличие максимума обусловлено тем, что при увеличении концентрации метана в газовоздушной смеси снижается концентрация кислорода. Уменьшение концентрации кислорода в газовой фазе при условии установления равновесия влечёт снижение его концентрации в жидкой фазе, что в свою очередь вызывает уменьшение скорости процесса окисления метана. Так, при повышении концентрации метана с 0.03 до 0.37 ммоль/л и соответствующем снижении концентрации кислорода с 0.22 до 0.17 ммоль/л в среде культивирования наблюдается увеличение удельной скорости окисления метана, что говорит о преобладании в этой области лимитирующего действия метана. При дальнейшем повышении концентрации метана с 0.37 до 1.1 ммоль/л и снижении концентрации кислорода с 0.17 до 0.02 ммоль/л удельная скорость окисления метана уменьшается вследствие перехода процесса в режим с лимитирующим действием кислорода. Таким образом, удельная скорость окисления метана зависит одновременно от концентрации двух субстратов. Это делает справедливым использование для описания зависимости удельной скорости окисления метана от концентраций метана и кислорода моделей многосубстратной кинетики.

Результаты проведённых расчётов показывают (рис. 2), что процесс биокаталитического окисления метана можно достаточно точно описывать с использованием различных моделей многосубстратной кинетики, поскольку множественный коэффициент корреляции (К) для всех рассмотренных моделей близок к единице. Для наиболее точного предсказания скорости исследуемого процесса следует использовать модель Мозера -Мозера, которая характеризуется большей адекватностью (К = 0.970) по сравнению с другими проанализированными моделями. В ходе обработки данных по методу нелинейных оценок получены следующие значения параметров данной модели: дтах = 12.9 ммоль СНДг АСБ-ч);

Ксн4 = 6.2 10-6 моль/л; К0^ = 5.35-10-4 моль/л;

^сн 4 = 1.178; ^с2 = 0.756.

На рис. 3 показано соотношение экспериментальных и рассчитанных по модели Мозера - Мозера значений удельной скорости окисления метана.

Рис. 3 демонстрирует, что расчётные значения удельной скорости окисления метана близки к экспериментальным. Таким образом, модель Мозера - Мозера довольно точно воспро-

Расчетное q, ммоль СН4/(г АСБ -ч)

Рис. 3. Сравнение экспериментальных и рассчитанных по модели Мозера - Мозера значений удельной скорости окисления метана

изводит наблюдаемые в эксперименте тенденции и может быть использована для предсказания поведения рассматриваемой биокаталити-ческой системы в заданных условиях.

Заключение

Проведённые кинетические исследования показали, что удельная скорость биокаталити-ческого окисления метана зависит от концентраций метана и кислорода в среде культивирования. Для описания данной зависимости предложено использовать многосубстратные кинетические модели. В работе проведён анализ различных многосубстратных кинетических моделей. Показано, что наиболее адекватно зависимость удельной скорости окисления метана от концентраций метана и кислорода описывается кинетическим уравнением модели Мозера - Мозера в мультипликативной форме. Модель Мозера - Мозера с параметрами, определёнными в результате проведёния расчётов, довольно точно аппроксимирует экспериментальные данные и, таким образом, может быть использована для описания кинетики биокатали-

тического окисления метана в ходе проведения научных исследований и при проектировании биофильтрационного оборудования, предназначенного для снижения выбросов метана в атмосферу.

Работа выполнена при финансовой поддержке внутривузовского гранта в рамках реализации инновационной образовательной программы «Создание инновационной системы формирования профессиональных компетенций кадров и центра инновационного развития региона на базе многопрофильного технологического университета» в соответствии с направлением научно-образовательного комплекса «Наукоемкие технологии переработки нефти и газа».

Список литературы

1. Гальченко В.Ф. Метанотрофные бактерии. М.: ГЕОС, 2001. 500 с.

2. Gebert J., Groengroeft A., Miehlich G. Kinetics of microbial landfill methane oxidation in biofilters // Waste Manag. 2003. V. 23. № 7. Р. 609-619.

3. Roland W.M., Arjan W.V. Biofiltration for mitigation of methane emission from animal husbandry // Environ. Sci. Technol. 2005. V. 39. № 7. Р. 5460-5468.

4. Иванов М.В. Микробиологический метод борьбы с метаном в угольных шахтах // Труды Института микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН. Вып. XII. М.: Наука, 2004. С. 7-29.

5. Глаголев М.В. Математическое моделирование метанокисления в почве // Труды Института микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН. Вып. XIII. М.: Наука, 2006. C. 315-339.

6. Малашенко Ю.Р., Романовская В.А., Троцен-ко Ю.А. Метанокисляющие микроорганизмы. М.: Наука, 1978. 198 с.

7. Blanch H.W., Clark D.S. Biochemical engineering. N.Y.: Marcel Dekker, Inc., 1997. 702 p.

8. Seker S, Beyenal H., Salih B., Tanyolac A. Multi-substrate growth kinetics of Psuedomonas putida for phenol removal // Appl. Microbiol. Biotechnol. 1997. V. 47. № 5. P. 610-614.

9. Минкевич И.Г. Материально-энергетический баланс и кинетика роста микроорганизмов. Москва-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2005. 352 с.

10. Варфоломеев С.Д., Гуревич К.Г. Биокинетика: Практический курс. М.: ФиАр-ПРЕСС, 1999. 720 с.

DESCRIPTION OF BIOCATALYTIC METHANE OXIDATION USING MULTI-SUBSTRATE KINETIC MODELS

D.A. Kazakov, V. V. Volhin, I.A. Zernina, D.A. Kosheleva

The investigation results of kinetics of biocatalytic methane oxidation realized by whole cells of methane-oxidizing microorganisms in liquid medium are presented. Based on the data obtained, a mathematical model to describe the oxidation process has been proposed. The model can be used to predict the biocatalytic system behavior under predetermined conditions.