CC BY
33
Л. М. Султанова (ст. преп.), В. В. Зорин (чл.-корр. АН РБ, д.х.н., проф., зав. каф.),
Н. И. Петухова (к. биол. н., доц.), А. А. Шараева (асп.), Э. Ф. Хусаинова (студ.)
Исследование биоконверсии отходов ивы и тополя в бутанол сольвентогенными клостридиями
Уфимский государственный нефтяной технический университет, кафедра биохимии и технологии микробиологических производств 450062, г Уфа, ул. Космонавтов, 1; тел. (347) 2431935, e-mail: [email protected]
L. M. Sultanova, V. V. Zorin, N. I. Petukhova, A. V. Sharaeva, E. F. Husainova
Research of willow and poplar waste bioconversion into butanol by solventogenic Clostridia
Ufa State Petrolium
1, Kosmonavtov Str., 450062 Ufa, Russia;
Показана способность трех культур сольвентогенных клостридий (Clostridium acetobtylicum ВКПМ-СК 425, Clostridium aceto-butylicum С1, Clostridium acetobutylicum C2) осуществлять биоконверсию древесных отходов (ивы и тополя) в бутанол. Обнаружено, что пептон и дрожжевой автолизат в концентрациях 0.5—1.0 г/л повышают выход целевого продукта. Наиболее высокий выход бутанола (5.4—5.8 г/л) был получен при культивировании микроорганизмов на отходах тополя в присутствии дрожжевого автолизата.
Ключевые слова: биотопливо; бутанол; клос-тридии; брожение; растительное сырье.
Получение биотоплива, в том числе био-бутанола, является перспективным направлением в переработке древесины. Ежегодно только в России образуется около 50 млн т отходов леса 1'2. Кроме того, с целью получения биотоплива в конце XX в. в странах Европы, США и России выведены высокопродуктивные сорта ивы (прирост биомассы при однолетнем обороте рубки составляет около 12 т/га в год в пересчете на абсолютно сухую массу 1,2)> обладающие высокой устойчивостью к вредителям и болезням, способные произрастать в условиях недостатка или избытка почвенной влаги, а также на заболоченных почвах, преобладающих на основной части северных территорий России 3’4. К наиболее продуктивным субстратам для получения биотоплива относится также древесина тополя. Были созданы новые сорта тополя с измененной структурой клеточной стенки, которые растут со скоростью, превышающей скорость роста обычных видов в семь-восемь раз 5.
Дата поступления 03.10.11
Technical Univercity
ph. (347) 2431935, e-mail: [email protected]
It has been shown, that three cultures of solventogenic Clostridia (Clostridium acetobutylicum BKnM-CK 425, C. acetobeutylicum C1, C. acetobutylicum C2) were able to convert wood waste (willow and poplar) into the butanol. It has been found that the addition of peptone and yeast extract in concentrations 0.5—1.0 g/l increases the yield of desired product. The maximum yield of butanol (5.4—5.8 g/l) was obtained in cultivation on poplar waste with yeast extract addition.
Key words: biofuel; butanol; clostridia; fermentation; plant material.
Известно, что некоторые штаммы клостридий, осуществляющие ацетоно-бутиловое брожение, могут продуцировать ферменты, расщепляющие полимерные компоненты древесины. Это позволяет проводить стадию гидролиза растительной массы и ферментацию в одном реакторе 6-8, что значительно сокращает затраты на производство биобутанола.
В настоящей работе исследована способность трех штаммов сольвентогенных клостридий (Clostridium acetobutylicum С1, C. acetobutylicum С2 из коллекции культур микроорганизмов кафедры биохимии и технологии микробиологических производств УГНТУ 9 и C. acetobutylicum ВКПМ-СК 425 из Всероссийской коллекции промышленных микроорганизмов ФГУП ГосНИИГенетика) осуществлять конверсию тонкоизмельченных опилок ивы и тополя в бутанол.
В результате исследования роста клостридий на среде с опилками в качестве единственного источника углерода было обнаружено
накопление бутанола в культуральной жидкости всеми тестируемыми культурами (рис. 1), что указывает на наличие у них ферментов, способных осуществлять гидролиз целлюлозы, входящей в состав древесины. Однако следует отметить, что уровень бутанола в среде был очень низким, особенно при использовании в качестве субстрата опилок ивы.
3,5,
Рис. 1. Выход бутанола при культивировании бактерий на среде с опилками ивы и тополя при 30 °С в течение 4 сут
Одной из причин низкой эффективности исследуемых процессов, очевидно, является известная потребность клостридий в ростовых факторах 10. Действительно, внесение в среду с опилками ивы органических добавок (пептона или дрожжевого автолизата) в низких концентрациях (0.5— 1.0 г/л) стимулировало рост бактерий и увеличивало выход бутанола (рис. 2а). При этом пептон в большей степени стимулировал процесс брожения, нежели дрожжевой автолизат. Наибольший выход бутанола (4.8 г/л) был достигнут при использовании пептона в концентрации 1 г/л для культивирования бактерий С. асвЬоЪиЬуНсиш ВКПМ-СК 425.
Аналогичные результаты были получены при исследовании влияния пептона и дрожжевого автолизата на биоконверсию исследуемыми микроорганизмами древесины тополя (рис. 2б). Выход бутанола в присутствии добавок достигал 5.4—5.8 г/л при использовании бактерий С. асвЬоЪиЬуНсиш ВКПМ-СК 425 и С. асвЬоЪиЬуНсиш С1.
Таким образом, показана способность исследованных культур клостридий осуществлять конверсию древесины ивы и тополя в бу-танол. Более высокий выход бутанола при использовании отходов тополя, вероятно, связан с меньшим содержанием в нем токсичных примесей, ингибирующих активность целлюлаз микроорганизмов 11, чем в древесине ивы. Для интенсификации процесса биоконверсии лиг-ноцеллюлозы ивы и тополя в бутанол с помо-
щью исследуемых микроорганизмов необходимо предварительно снизить содержание токсичных примесей в субстрате.
С. асеїоЬиІуІісит СК 425 С. асеїоЬиІуІісит С1 С. асеїоЬиІуІісит С2
С. асеїоЬиІуІісит СК 425 С. асеїоЬиІуІісит С1 С. асеїоЬиІуІісит С2
■ 0,5 г/л пептона ■ 1 г/л пептона ^ 0,5 г/л автолизата ■ 1 г/л автолизата
Рис. 2. Влияние пептона и дрожжевого автолизата на выход бутанола при культивировании бактерий на среде с опилками ивы (А) и тополя (Б) при 30 оС в течение 4 сут
Экспериментальная часть
Клостридии выращивали на среде, содержащей в качестве единственного источника углерода и энергии опилки ивы или тополя (5%), предварительно измельченные на точилах до минимальных размеров. В качестве стимуляторов роста добавляли в среды с опилками дрожжевой автолизат или пептон в концентрациях 0.5—1.0 г/л. Микроорганизмы культивировали в анаэробных условиях в стерильных флаконах в термостате при 37 °С в течение 4-х сут. В качестве контрольных вариантов использовали среды без опилок.
Выход бутанола, образующегося за счет утилизации древесной массы, оценивали по разнице концентраций спирта в опытном и соответствующем ему контрольном варианте. Концентрацию бутанола определяли методом газо-жидкостной хроматографии на хроматографе ЛХМ-8МД. Условия анализа: колонка длиной 2 м с носителем Инертон А’^ЭМСБ, пропитанным 10%-м СагЬошах 6000, температура колонки 50 оС, температура испарителя 150 оС, скорость газа-носителя (азот) —
3 мл/мин, ионизационно-пламенный детектор, скорость водорода — 3 мл/мин, скорость воздуха — 300 мл/мин.
Литература
1. Горобец, А.И. Особенности роста ивовых плантаций в зависимости от условий выращивания и свойств культивара / Развитие научного наследия акад. Н. И. Вавилова.— Саратов, 1997.— Ч.2.— С.131.
2. Горобец А. И. // Известия вузов. Лесной журнал.- 1994.- №4.- С.57.
3. Тищенко А. И., Крылов И. Е. Энергетическое использование древесных отходов в странах Западной Европы / Лесное хозяйство за рубежом.- М.: ЦБНТИлесхоз, 1984.- Вып.2.-С.14
4. Чумаков В. В. Рекомендации по ассортименту и технологии создания плантаций высокотаннид-
ных ив в европейской части РСФСР.— М.: Мин. лесн. хоз-ва РСФСР, 1989.— С. 55.
5. Биотопливо из тополя [Электронный ресурс]; Режим доступа: www.energypoplar.eu
6. Ezeji T. C., Qureshi N., Blaschek H. P. // J. Biotechnology.— 2005.— V. 115.— P. 179.
7. Marichamy S., Mattiasson B. // Enzym. Microbial. Technology.- 2005.- V.37.- P.497.
8. Desvaux M. // Enzym. Microbial. Technology.-2005.- V.37.- P. 373.
9. Султанова Л. М., Егорова А. А., Шахмаев Р. H.,
Петухова Н. И., Спирихин Л. В., Зорин В. В.
// Баш. хим. ж.- 2009.- Т.16, №1.- С.114.
10. Теппер Е. З., Шильникова Е. К., Переверзе-ва Г. И. Практикум по микробиологии.- М.: Дрофа, 2004.- С.100.
11. Султанова Л. М., Хусаинова Э. Ф., Петухова Н. И.,
Зорин В. В. // Баш. хим. ж.- 2010.- Т.17,
№5.- С.60.
