CC BY
325
ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ ЭКЗОПОЛИСАХАРИДОВ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ СПОСОБОМ
Ксенофонтов Борис Семенович
д-р техн. наук, профессор МГТУ им. Н.Э. Баумана,
РФ, г. Москва E-mail: borisflot@mail. ru
Козодаев Алексей Станиславович
канд. техн. наук, доцент МГТУ им. Н.Э. Баумана,
РФ, г. Москва
Таранов Роман Александрович
старший преподаватель МГТУ им. Н.Э. Баумана,
РФ, г. Москва
Сеник Елена Владимировна
аспирант, ассистент МГТУ им. Н.Э. Баумана,
РФ, г. Москва
Виноградов Максим Сергеевич
аспирант, инженер МГТУ им. Н.Э. Баумана,
РФ, г. Москва
Воропаева Алена Антоновна
инженер МГТУ им. Н.Э. Баумана,
РФ, г. Москва
Особенности получения экзополисахаридов биотехнологическим способом //
Universum: Химия и биология : электрон. научн. журн. Ксенофонтов Б.С. [и др.]. 2015. № 5 (13) . URL: http://7universum.com/ru/nature/archive/item/2126
PECULIARITIES OF EXOPOLYSACCHARIDES OBTAINING BY BIOTECHNOLOGICAL METHOD
Ksenofontov Boris
Doctor of Engineering Sciences, professor of Bauman Moscow State Technical University,
Russia, Moscow
Kozodaev Aleksey
Candidate of Engineering Sciences, associate professor of Bauman Moscow State Technical University,
Russia, Moscow
Taranov Roman
Senior lecturer of Bauman Moscow State Technical University,
Russia, Moscow
Senik Elena
Postgraduate student, assistant of Bauman Moscow State Technical University,
Russia, Moscow
Vinogradov Maksim
Postgraduate student, engineer of Bauman Moscow State Technical University,
Russia, Moscow
Voropaeva Alena
Engineer of Bauman Moscow State Technical University,
Russia, Moscow
АННОТАЦИЯ
Предложена принципиальная технологическая схема процесса получения концентратов биопрепаратов для буровых растворов. Рассмотрены вопросы процесса выращивания микроорганизмов — продуцентов экзополисахаридов на питательных средах, содержащих этанол. Показаны возможности получения биопрепаратов как в виде суспензии, так и в виде высушенных продуктов. Установлено, что биопрепараты на основе экзополисахаридов могут использоваться в качестве компоненты бурового раствора вместо карбоксиметилцеллюлозы или в сочетании с ней.
ABSTRACT
A basic flow chart of the process of obtaining concentrates biologics for drilling fluids was presented. The problems of the growth process of microorganisms-producers of exopolysaccharides on nutrient media containing ethanol were considered. The possibilities of producing biological products as a suspension, or as a dried product were shown. It found that biologics on the basis of exopolysaccharides can be used as components of the drilling fluid instead of carboxymethylcellulose or in conjunction with it.
Ключевые слова: биопрепараты, экзополисахариды, ферментер, буровые растворы, культивирование.
Keywords: biological products, exopolysaccharides, fermenter, drilling fluids, cultivation.
Введение
Для различных технических целей, в том числе для получения буровых растворов, целесообразно использовать экзополисахариды, полученные биотехнологическим способом [1—6]. В этом случае, проблемы
культивирования микроорганизмов для получения экзополисахаридов имеют некоторые особенности. Например, при их значительном содержании в культуральной жидкости существенно повышается вязкость перемешиваемой среды, что, в конечном счете, требует использования ферментеров с особой конструкцией перемешивающих устройств.
Цель и задачи исследования
Цель работы — отработка технологического режима получения экзополисахаридов для буровых растворов.
При этом задачами исследования являлись:
1. Поиск питательной среды для выращивания микроорганизмов — продуцентов экзополисахаридов.
2. Выбор типа ферментеров для выращивания микроорганизмов.
3. Отработка технологического режима получения экзополисахаридов для буровых растворов.
Методика проведения исследований
Принципиальная схема технологического процесса получения
концентратов биопрепаратов для буровых растворов представлена
на рисунке 1.
1 — лабораторный ферментер; 2 — опытный ферментер; 3 —
промышленный ферментер
Рисунок 1. Принципиальная технологическая схема выращивания микроорганизмов — продуцентов экзополисахаридов
Выращивание осуществлялось на питательной среде оригинального состава (табл. 1).
Таблица 1.
Состав питательной среды для выращивания микроорганизмов — продуцентов экзополисахаридов (г/л):
NH4NO3 — 0,60 FeSO4 — 0,01
MgSO4 — 0,40 Дрожжевой автолизат — 0,5 %
CaCl2 — 0,10 Пантотенат — 0,0003 %
Na2HPO4 — 7,3
KH2PO4 — 3,5
В процессе культивирования концентрация растворенного кислорода в среде поддерживается на уровне 20 % от насыщения.
Длительность процесса культивирования в ферментере объемом 30 л (рисунок 2) определяется временем, необходимым для образования полисахаридов в количестве, обеспечивающем относительную вязкость 0,1 %-ного раствора, равного 3,5—4,0 ед.
Выбор ферментера был осуществлен на основе подходов, принятых для перемешивания вязких жидких систем с возможностью достижения разрежения в зоне вращения мешалки. Такими характеристиками обладают ферментеры с пропеллерным типом мешалок. Принципиальная схема ферментера показана на рисунке 2.
1 — корпус ферментера; 2 — патрубок подачи засевной культуры;
3 — привод мешалки; 4 — патрубок подачи питательной среды;
5 — обсадная труба; 6 — вал мешалки; 7 — выход теплой воды;
8 — лопасти мешалки; 9 — патрубок вывода биосуспензии;
10 — подача холодной воды; 11 — теплообменник;
12 — патрубок подачи водных растворов Рисунок 2. Принципиальная схема ферментера
Время культивирования, как показали предварительные экспериментальные исследования, не должно превышать 48 часов.
Рост культуры и образование полисахаридов контролируется каждые 6—8 часов от начала процесса.
Определяются: концентрация биополимера, вязкость суспензии,
концентрация биомассы.
Полученная суспензия непосредственно используется для приготовления буровых растворов.
Для получения сухого продукта по окончании процессов культивирования суспензию сливают в емкость, добавляют 1,5 объема 95 % этанола, перемешивают до образования осадка, при этом раствор должен быть прозрачным.
Полученный осадок отделяют центрифугированием, надосадочную жидкость сливают. Осадок промывают спиртом при перемешивании и центрифугируют вторично. Обезвоженный осадок высушивают в течение 1,5 часов при температуре 700 С. Сухой волокнистый продукт размалывают до консистенции речного песка.
Результаты исследований
Были проведены работы по исследованию кинетики роста и образования полисахаридов на среде с этанолом. Динамика изменения скорости роста культуры (^) и скорости образования полисахаридов (q) представлена на рисунке 3.
Рисунок 3. Скорость роста (р) и образования полисахаридов (q)
на среде с этанолом
Анализ данных свидетельствует о наличии параллельных процессов образования биомассы и накопления полисахаридов, характеризующихся близкими скоростями, т. е. установлена принципиальная возможность ведения одностадийного непрерывного процесса получения экзополисахаридов.
Аппаратурное оформление технологического процесса получения биомассы бактерий-продуцента ЭПС принципиально не отличается от традиционной схемы получения биомассы кормовых дрожжей и включает известные стадии выращивания, отделения биомассы бактерий от отработанной культуральной жидкости, сушки биомассы и упаковки.
Однако существенным отличием является невозможность использования сепараторов для выделения бактериальной биомассы из отработанной культуральной жидкости из-за весьма высокого значения вязкости суспензии бактерий.
Как показали исследования, для выделения биомассы бактерий в этом случае целесообразно использование вакуум-выпарки с дальнейшим обезвоживанием на распылительной сушилке с упаковкой готового продукта в крафт-мешки (рисунок 4).
1 — ферментер; 2 — вакуум-выпарка; 3 — распылительная сушилка;
4 — циклон; 5 — распылительный диск Рисунок 4. Принципиальная аппаратурно-технологическая схема получения
биомассы бактерий — продуцента ЭПС
Получаемый готовый продукт имеет влажность не более 10 % и может храниться не менее 6-ти месяцев.
Образцы биомассы микроорганизмов были получены и испытаны в качестве замены карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) в качестве компонента бурового раствора. Наработка была осуществлена при следующих условиях: биомасса культуры Acinetobactersp. выращивали в течение 72 часов на качалке при 220 об/мин и t0 300С на минеральной среде с добавлением 1,5—2,0 об. % этанола.
При этом были получены положительные результаты, свидетельствующие о возможности замены карбоксиметилцеллюлозы или совместного ее использования с экзополисахаридами, полученными биотехнологическим способом, а также при использовании в качестве биофлокулянта [6].
Проведенные исследования по поиску наиболее эффективных продуцентов ЭПС показывают, что полученные образцы биомассы бактерий заметно эффективнее предложенных ранее образцов микробной биомассы (активного ила). Это указывает на целесообразность получения биомассы бактерий-продуцентов ЭПС в опытно-промышленном масштабе и более широкой проверки этих материалов в практике приготовления промывочных жидкостей. При этом экономическая целесообразность получении микробных препаратов
будет зависеть также от возможностей широкого использования в практике приготовления буровых растворов КМЦ, заменителем которой является биомасса бактерий-продуцентов ЭПС. В случае дефицита КМЦ необходимость производства микробных препаратов не вызывает сомнений.
Список литературы:
1. Гринберг Т.А., Дерябин В.В., Старухина Л.А. и др. — Экзополисахариды метилотрофных бактерий // Микробиология. —1987. — Т. 49, № 2. — С. 101—112.
2. Гринберг Т.А., Дерябин В.В., Пирог Т.П. и др. Микробный синтез экзополисахаридов на основе С1 — С2-соединений // Прикладная биохимия и микробиология. — 1990. — Т. 26, № 4. — С. 445—455.
3. Дерябин В.В., Старухина Л.А., Григорьев Е.Ф. Выделение экзополисахаридов микроорганизмов // Биотехнология. — 1984. — Т. 4, № 6. — С. 735—743.
4. Ксенофонтов Б.С. Очистка воды и почвы флотацией. — М.: Новые технологии, 2004. — 224 с.
5. Ксенофонтов Б.С. Флотационная обработка воды, отходов и почвы. — М.: Новые технологии, 2010. — 272 с.
6. Ксенофонтов Б.С., Гончаренко Е.Е., Петрова Е.В. Использование микроорганизмов в качестве флокулянтов для очистки сточных вод и осветления тонкодисперсных суспензий // Сантехника. — 2014. — № 3. — С. 50—53.
