Киселев Евгений Геннадьевич. Технико-технологические основы биосинтеза резервных полигидроксиалканоатов водородными бактериями

Краткое описание

Киселев, Евгений Геннадьевич. Технико-технологические основы биосинтеза резервных полигидроксиалканоатов водородными бактериями : диссертация ... кандидата технических наук : 03.01.06 / Киселев Евгений Геннадьевич; [Место защиты: Сиб. гос. технол. ун-т].- Красноярск, 2012.- 162 с.: ил. РГБ ОД, 61 13-5/556

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт
биофизики Сибирского отделения Российской академии наук Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский федеральный
университет»

04201352173
КИСЕЛЕВ Евгений Геннадьевич
ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ БИОСИНТЕЗА РЕЗЕРВНЫХ ПОЛИГИДРОКСИАЛКАНОАТОВ ВОДОРОДНЫМИ
БАКТЕРИЯМИ
03.01.06 - Биотехнология (в том числе бионанотехнологии)
диссертация на соискание ученой степени кандидата
технических наук
Красноярск 2012
СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1 Обзор литературы 8
1.1 Синтез разрушаемых биополимеров - актуальные на-правления исследований 8
1.2 Разрушаемые полигидроксиалканоаты: продуценты, субстраты, условия и эффективность биосинтеза 11
1.2.1 Продуценты и условия биосинтеза полигидроксиалка- ноатов 13
1.2.2 Субстраты для синтеза полигидроксиалканоатов 15
1.2.3 Технологические факторы, влияющие на эффектив¬ность процессов биосинтеза полигидроксиалканоа¬тов 20
1.2.4 Современные масштабы производства полигидро-ксиалканоатов и сферы применения 27
1.3 Потенциал водородокисляющих бактерий для полу¬чения полигидроксиалканоатов 35
ГЛАВА 2 Объекты и методы исследования 43
2.1 Объекты исследования и методы культивирования водородокисляющих бактерий 43
2.2 Методы контроля и определения параметров процес¬са выращивания бактерий в режиме синтеза поли-гидроксиалканоатов 49
2.3 Статистические методы обработки результатов 54
ГЛАВА 3 Кинетические и продукционные характеристики водо-родокисляющих бактерий в режиме синтеза резервных полигидроксилаканоатов 56
3.1 Характеристики роста и синтеза полигидроксиалка- 56

ноатов автотрофной культурой бактерий Сирг1аУ1с1т еШгоркш В-10646 в режиме аккумуляции
3.1.1 Характеристики автотрофной культуры бактерий С. еШгоркт В-10646 в режиме аккумуляции полигид- роксиалканоатов в хемостате 57
3.1.2 Исследования режимов автотрофного периодическо¬го выращивания Сирг1см1с1и8 еШгоркт В-10646 с це¬лью увеличения выходов полигидроксиалканоатов и сокращения длительности процесса 59
3.1.3 Синтез полигидроксиалканоатов С. еШгоркт В- 10646 в хемостатно-периодическом процессе культи¬вирования 66
3.2 Характеристики роста и синтеза полигидроксиалка¬ноатов бактериями С. еШгоркш В-10646 при гетеро¬трофных условиях питания 68
3.2.1 Влияние физиологической активности посевного ма-териала С. еШгоркш 5-10646 на длительность лаг- фазы, урожай биомассы и выходы полигидроксиал¬каноатов 71
3.2.2 Влияние концентрации клеток в посевном материале на рост и синтез полигидроксиалканоатов культурой С. еи^оркиз В-10646 73
3.3 Принципы организации процесса культивирования водородных бактерий для получения полигидрокси-алканоатов различного химического строения 80
Резюме 80
ГЛАВА 4 Сравнительное исследование методов экстракции полигидроксиалканоатов из биомассы бактерий 81
4.1 Экстракция полигидроксиалканоатов органическими 82

растворителями
4.2 Исследование безреагентного метода экстракции по- лигидроксиалканоатов 98
4.3 Разработка комбинированного методы экстракции полигидроксиалканоатов 106
Резюме 108
ГЛАВА 5 Технология синтеза полигидроксиалканоатов и её технико-экономическое обоснование 110
5.1 Исходные данные для проектирования опытного производства полигидроксиалканоатов 110
5.2 Технология производства полигидроксиалканоатов 113
5.2.1 Блок-схема цикла опытного производства 113
5.2.2 Технологическая схема опытного производства 119
5.3 Материальные затраты на синтез полигидроксиалка¬ноатов 124
5.4 Технико-экономическя оценка процессов синтеза по-лигидроксиалканоатов бактериями С. еи^орЬиБ В10646 126
Резюме 128
Заключение 130
Выводы 135
Список использованных источников 137
Приложение 1
Приложение 2
Приложение 3

Список литературы

ВЫВОДЫ:
1. Введен в культуру штамм С ирпатйиБ еШгоркш В10646. Изучены кинетические и продукционные характеристики культуры при автотрофных и гетеротрофных условиях питания в режиме синтеза резервных полигидроксиалканоатов, показано, что максимальные выходы полимеров на газовом субстрате (смеси Н2, С02 и 02) составляют (75±5) % при экономических коэффициентах по Н2, 02, С02= 1,1; 0,25; 0,36; на глюкозе - (90±5) % при экономическом коэффициенте 0,3.
2. На основе сравнительного исследования проточного и периодического способов выращивания С.еМгоркт в автотрофной культуре в ферментере с коэффициентом массопереноса по кислороду 460 ч"1, различающихся режимом подачи в культуру потока лимитирующего субстрата (азота), стимулярующего аккумуляцию полигидроксиалканоатов, предложен хемостатно-периодичсский процесс, обеспечивающий продуктивность процесса по биомассе и полимеру до 0,71 и 0,57 г/л-ч при длительности ферментационного цикла не более 70 ч.
3. Реализован и исследован периодический процесс синтеза полигидроксиалканоатов культурой С.еШгоркт на глюкозе при изменении внутриклеточного пула ПГА, физиологической активности и плотности инокулята, режима транспорта кислорода. Установлено, что при текущей концентрации глюкозы от 5 до 35 г/л и исходном содержании полимера в инокуляте не выше 10 %, при регулируемой подаче воздуха в культуру по ходу ее развития, концентрация биомассы и содержание полимера достигают (110±10) г/л и (90±5) % продуктивность процесса, 1,7 и 1,45 г/л-ч соответственно, что в 2 раза выше ранее достигнутых показателей культурой Я. еШоркш В5786 на фруктозе.
4. Разработаны режимы синтеза полигидроксиалканоатов различного химического состава, включающие дозированную подачу в культуру второго углеродного субстрата - солей алкановых кислот (валерата, гексаноата) и у-бутиролактона, в пределах установленных допустимых концентраций, без изменения схемы ведения двустадийного периодического режима культивирования при лимитировании роста бактерий по азоту. Синтезированы образцы, различающиеся степенью кристалличности, от 12 до от 76 % и термостабильностью.
5. На основании проведённых исследований процессов экстракции из биомассы клеток с использованием поверхностно-активных веществ, неполярных растворителей, их смесей с этанолом при варьировании параметров процесса. Разработан метод экстракции, обеспечивающий выход высокоочищенного полимера свыше 96 % без существенного изменения молекулярно-массовых характеристи к
6. Выполнено технико-экономическое обоснование производства при различных субстратных сценариях. Определены основные затраты на синтез полигидроксиалканоатов автотрофном и гетеротрофном режимах. Показано, что в зависимости от типа ростового субстрата (глюкоза, фруктоза или (Н2+С02+02)), затраты на получение полимера варьируются от 230 до 730 руб/кг, при прогнозной производительности 100 ООО т/г.
7. На основании экспериментальных данных и их анализа разработана технология эффективного синтеза ПГА на глюкозе с использованием водородных бактерий С. еиКоркиБ.
Технология реализована в проекте опытного производства «Лаборатория биотехнологии новых биоматериалов». Проект прошел государственную экспертизу (положи тельное заключение экспертизы № 24¬1-50196-12).