Основы биотехнологии микроводорослей. Учебное пособие для студентов очного и заочного отделений и магистрантов направлений 19.03.01, 19.04.01 «Биотехн

Этап 3. Формируется комплекс органический растворитель–липиды и отделяется от клеточной мембраны.

Этап 4. Комплекс органический растворитель–липиды диффундирует через мембрану клетки.

Этап 5. Липиды диффундируют через статическую плёнку органического растворителя, окружающую клетку, в объём органического растворителя.

При этом выделение липидов в процессе экстракции органическим растворителем из биомассы микроводорослей описывается кинетическим уравнением первого порядка [22]

где me – количество липидов, извлечённых органическим растворителем за время t (г липидов/г сушёной биомассы микроводорослей); m0 – объём

липидов, изначально присутствующий в клетках (г липидов/г сухой биомассы микроводорослей); k – коэффициент массопередачи липидов из клеток микроводорослей в органический растворитель (1/с); t – время экстракции (с).

Cхожесть уравнений (19) и (15) указывает на одинаковый подход к описанию процессов разрушения клеток и извлечения липидов.

Согласно [38] экстракция липидов из клеток может быть описана с помощью основного уравнения массопередачи

где K – коэффициент массопередачи, показывающий количество вещества, переносимого через единицу поверхности в единицу времени при величине движущей силы (разности рабочей и равновесной концентраций), равной

единице, моль ; dM – количество вещества, переходящего из одной м2с dt

фазы в другую в единицу веремени, моль/с; F – поверхность контакта фаз, м2; с – движущая сила процесса массообмена – разность рабочей и равновесной концентраций, выраженная в соответствующих единицах, м3/м3.

В общем случае процесс экстракции может складываться из трёх составляющих:

– «внутренняя» диффузия, характеризующая перенос вещества внутри клетки, от ядра к поверхности (количественно оценивается величиной коэффициента внутренней диффузии Dвн);

71

–перенос вещества в пределах непосредственного диффузионного пограничного слоя вокруг клетки от её поверхности к границе пограничного слоя (количественно оценивается величиной коэффициента D);

–перенос вещества движущимся экстрагентом в результате конвективной диффузии от пограничного слоя в раствор (количественно оценивается величиной коэффициента массоотдачи β).

Поэтому коэффициент массопередачи K может быть рассчитан как

величина, обратная суммарному сопротивлению переноса вещества из ядра одной фазы (внутриклеточное пространство) в ядро другой фазы (раствор), т.е.

где 2r – диаметр клетки; п – коэффициент; Dвн – коэффициент внутренней диффузии; D – коэффициент молекулярной диффузии; δ – толщина диффузионного пограничного слоя; β – коэффициент масоотдачи.

Формула (21) применима, когда жидкая фаза перемещается с небольшой скоростью (например, осуществляется перемешивание в аппарате с мешалкой), соответственно, присутствуют все три составляющих.

Вслучае, если жидкая фаза неподвижна, вещество из ядра клетки

кповерхности и от поверхности далее в раствор будет перемещаться исключительно диффузией, в таком случае «пограничный слой» фактически займёт весь объём реактора. Формула (21) тогда запишется в следующем виде:

В случае, если жидкая фаза перемещается с большой скоростью (интенсивное перемешивание), пограничный слой вокруг клетки будет отсутствовать, внешняя массоотдача не будет оказывать влияние на процесс, т.е. фактически будет достигаться идеальное перемешивание. В таком случае скорость процесса определяется исключительно внутренней диффузией молекул внутри клетки:

в клетках в уравнение Эйнштейна для свободной диффузии предлагается вводить поправочный коэффициент В, учитывающий все осложнения процесса:

72

где R – универсальная газовая постоянная, Дж/моль·К; Т – абсолютная температура, К; N0 – число Авоградро; η – вязкость в Н/(с м2); r – радиус

клеток, м.

Величина коэффициента диффузии D может быть найдена по уравнению Аррениуса

где D0 – предэкспоненциальный множитель, численно равный коэффициенту диффузии при бесконечно большой температуре; Ea – энергия

активации.

Существует несколько способов осуществления экстрагирования [7]: экстрагирование с перемешиванием, экстрагирование в неподвижном слое, экстрагирование одно- и многоступенчатое, прямоточное и противоточное.

Экстрагирование с перемешиванием является наиболее простым способом экстрагирования. В аппарат с мешалкой загружается твёрдая фаза (биомасса после сгущения или отделения на фильтре) и жидкая фаза (экстрагент). Процесс далее протекает при перемешивании.

Концентрация извлекаемого вещества в экстрагенте изменяется во времени в соответствии с уравнением

где Vж – объём жидкой фазы и аппарате; Сж – концентрация растворённого вещества в экстракте в момент времени t; βV – коэффициент массо-

отдачи жидкость–твёрдое тело в пересчёте на объём жидкой фазы. Величина Cжр в формуле обозначает концентрацию растворённого

вещества в жидкости, равновесную с его содержанием в твёрдой фазе СТ . Предполагается, что связь между ними определяется законом Рауля

где yжт – коэффициент распределения, показывающий, во сколько раз концентрация растворённого вещества в жидкости при равновесии (отсутствия дальнейшего растворения) больше, чем его концентрация в твёрдой фазе. Обычно экстрагент подбирается таким образом, что растворимость в нём извлекаемого вещества значительно больше, чем в твёрдой фазе

(т.е. yжт >> 1).

73

С другой стороны, концентрация растворённого вещества в твёрдой фазе соответствует уравнению

где Vт – объём твёрдой фазы в аппарате.

Решая уравнения (27) и (28), можно определить, как меняется концентрация растворённого вещества в жидкой и твёрдой фазах.

На рисунке 30 показано, что концентрация вещества в твёрдой фазе резко падает от начального значения Ст0 до равновесного Стр. Концентрация же в жидкой фазе увеличивается не так значительно: от Сж0 = 0 до равновесного Сжр, но при этом концентрация в жидкости Сж после

некоторого момента времени, начинает превышать концентрацию в твёрдой фазе, т.е. Сж > Ст. Казалось бы, при этом растворённое вещество должно переходить из жидкости обратно в твёрдую фазу, но реально извлечение идёт, пока не установятся равновесные значения Стp и Сжр. Если

же сравнивать между собой значения Ст и Сж/yжт = Cт* , то график выглядит по-другому (рис. 31).

Рис. 30. Изменение в процессе экстрагирования концентраций растворённого вещества в твёрдой (1) и жидкой (2) фазах

74

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящем пособии представлены современные взгляды на биотехнологические аспекты культивирования микроводорослей как эффективных продуцентов широкого спектра веществ. Обобщены сведения о естественной классификации водорослей, основанной на установленных филогенетических связях. Приведены общие сведения о физиологии водорослей, включающие обзор особенностей строения микроводорослей как ранних предшественников животных и растительных организмов. Рассмотрено течение процессов ассимиляции и диссимиляции в клетках микроводорослей как фотолитотрофных организмов. Произведён обзор пищевых потребностей микроводорослей и питательных сред для культивирования их биомассы с различными свойствами.

Во второй части пособия представлены сведения об особенностях некоторых основных стадий типовой схемы переработки микроводорослей: разделение жидкости и биомассы, разрушение клеточных оболочек и выделение продуктов биосинтеза. Рассмотрены основные процессы, реализуемые на этих стадиях, и явления, возникающие при организации этих процессов. Уделено внимание аппаратурному оформлению стадий культивирования биомассы микроводорослей и других стадий.

В разделе, посвящённом математическому моделированию процессов, представлены наработки авторов по разработке экспериментальноаналитических математических моделей процессов культивирования микроводоросли хлорелла, а также процесса выделения внутриклеточных компонентов микроводорослей методом экстрагирования.

Авторы надеются, что материал, представленный в пособии, будет полезен обучающимся и позволит повысить мотивацию к профессиональной деятельности и интерес к проведению научно-исследовательской работы.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в базовой части задания.

76

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Охапкин, А. Г. Основы альгологии: учеб. пособие / А. Г. Охапкин. – Нижний Новгород: Изд-во Нижегородского гос. ун-та им. Н. И. Лоба-

чевского, 2010. – 340 с.

2.Седова, Т. В. Основы цитологии водорослей / Т. В.Седова. – Л. :

Изд-во «Наука», 1977. – 172 с.

3.Музафаров, А. М. Культивирование и применение микроводорослей / А. М. Музафаров, Т. Т. Таубаев. – Ташкент : Изд-во «Фан» Узбекской ССР, 1984. – 136 с.

4.Ауджанова, В. К. Морфологические и систематические характеристики хлореллы. Её производство и применение / В. К. Ауджанова //

Научный вестник. – № 1(1). – 2014. – С. 113 – 126.

5.Тейлор, Д. Биология : в 3-х т. / Д. Тейлор, Н. Грин, У. Стаут : пер. с англ. ; под ред. Р. Сопера. – 3-е изд. – М. : Мир, 2004.

6.Садчикова, Е. В. Строение клетки [Электронный ресурс] : учебное электронное текстовое издание / Е. В. Садчикова, И. В. Селезнёва. – Екатеринбург : Изд-во ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005. – 39 с.

7. Бирюков, В. В. Основы промышленной биотехнологии / В. В. Бирюков. – М. : КолосС. 2004. – 296 с.

8.Упитис, В. В. Макро- и микроэлементы в оптимизации минерального питания микроводорослей / В. В. Упитис. – Рига : Изд-во

«Зинатне», 1983. – 240 с.

9.Optimization of an Analytical Procedure for Extraction of Lipids from Microalgae / E. Ryckebosch et al. // Journal of the American Oil Chem-

ists′ Society. – 2012. – V. 89. – P. 189 – 198.

10. Дворецкий, Д. С. Комплексное использование биомассы микроводоросли Chlorella vulgaris / Д. С. Дворецкий, Е. В. Пешкова, М. С. Темнов // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. – 2014. – Т. 2, N 4–3(9–3). – С. 478 – 482.

11. Сорокина, Н. Н. Потенциал применения микроводорослей в качестве сырья для биоэнергетики / Н. Н. Сорокина, В. А. Яковлев, А. В. Пилигаев и др. // Катализ в промышленности. – 2012. – № 2. –

С. 63 – 72.

12.Held, Paul. Determination of Algal Cell Lipids Using Nile Red – Using Microplates to Monitor Neutral Lipids in Chlorella Vulgaris/Paul Held, Keri Raymond. – (http ://www.biotek.com/resources/articles/nile-red-dye- algal.html).

13.Gouveia, Luisa. Microalgae as a Feedstock for Biofuels : учебник / Luisa Gouveia. – Springer, 2011.

77

14.Швец, В. И. Фосфолипиды в биотехнологиях: статья / В. И. Швец. – М. : ВестникМИТХТ, 2009.

15.Скулачев, В. П. Законы биоэнергетики / В. П. Скулачев // Соросовский образовательный журнал. – 2000. – № 4. – С. 19 – 23.

16.Садчикова, Е. В. Химический состав клетки [Электронный

ресурс] : учебное электронное текстовое издание / Е. В. Садчикова, И. В. Селезнёва. – Екатеринбург : Изд-во ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005. – 42 с.

17. Биотехнология : учебник / И. В. Тихонов, Е. А. Рубан, Т. Н. Грязнева и др. ; под ред. акад. РАСХН Е. С. Воронина. – СПб. :

ГИОРД, 2008. – 704 с.

18.Study on Flocculation Efficiency for Harvesting Nannochloropsis oculata for Biodiesel Production / D. Surendhiran et. al. // International Journal of ChemTech Research. – 2013. – V.5, N 4. – P. 1761 – 1769.

19.Исследование возможности флоккуляции Chlorella sp. С использованием различных методов / П. М. Готовцев, В. В. Бутылин, М. А. Ломоносова и др. // Вестник биотехнологии. – 2013. –Т. 9, № 1. – С. 37 – 43.

20.Шанхаев, Э. Г. Дезинтеграция клеток в биотехнологии : учеб. пособие / Э. Г. Шанхаев, В. Ж. Цыренов, Е. И. Чебунина. – Улан-Удэ : Изд-во ВСГТУ, 2005. – 42 с.

21.Алёхин, Е. К. Как действуют антибиотики / Е. К. Алёхин // Соросовский образовательный журнал. – 2000. – Т.6, № 4. – С. 19 – 23.

22.Extraction of oil from microalgae for biodiesel production : A review / Ronald, Halim et al. // Biotechnology Advances. – 2012. – V. 30. – P. 710 –

731.doi :10.1016/j.biotechadv.2012.01.001.

23.Current State of Research and Development in the Area of Cultivation of Microalgal Biomass [Электронный ресурс]. URL : http ://www. algae- reactor.ru/en/the-current-state-of-research-and-development/ (дата обращения : 22.09.2015).

24.Пат. 2477040 РФ. Установка для культивирования хлореллы / Мирзоян А. В., Иванов Г. Ю. – 2013. – Бюл. № 7. – 8 с.

25.Пат. 2315805 РФ. Устройство для культивирования микроводорослей / Мелихов В. В., Кузнецов П. И., Богданов Н. И. – 2008. –

Бюл. № 3. – 6 с.

26.Пат. 2268923 РФ. Установка для выращивания микроводорослей / Богданов Н. И., Куницын Н. В. – 2006. – Бюл. № 3. – 7 с.

27.Пат. 2508396 РФ. Фотобиореактор / Даре Л. А. – 2014. –

Бюл. № 6. – 15 с.

28.Щеголькова, Н. М. Фотобиореактор для очистки сточной воды

от биогенных элементов и обеззараживания / Н. М. Щеголькова, О. В. Мойжес, П. С. Шашкина // Вода: химия и экология. – 2010. – № 1. – C. 9 – 16. – http ://watchemec.ru/article/11512/

78

29.Пат. 2451446 РФ. Фотобиореактор / Цыганков А. А., Елиза-

ров Е. Е. – 2012. – Бюл. 15. – 14 с.

30.Пат. 151576 РФ. Фотобиореактор / Дворецкий Д. С., Дворецкий С. И., Темнов М. С., Акулинин Е. И., Пешкова Е. В. – 2012. – Бюл. 15.

31.The Different Kinds of Chlorella’s Production [Электронный ресурс]. URL : https ://chlorelle.wordpress.com/2011/04/14/the-different- kinds-of-chlorellas-production/ (дата обращения : 22.09.2015).

32.Modeling Nature : Episodes in the History of Population Ecology / S. E. Kingsland. – University of Chicago Press, Chicago, USA, 1995.

33.Йоргенсен, С. Э. Управление озёрными системами / С. Э. Йоргенсен ; пер. с англ. – М. : Агропромиздат, 1985. – 160 с.

34.Аркадьева, З. А. Промышленная микробиология : учебное посо-

бие для ВУЗов по специальности «Микробиология», «Биология» / З. А. Аркадьева, А. М. Безбородов, Н. С. Егоров и др. ; под ред. Н. С. Егорова. – М. : Высшая школа, 1989. – 688 с.

35.Алексеев, Е. Решение задач вычислительной математики в паке-

тах Mathcad 12, MATLAB 7, Maple 9 / Е. Алексеев. – 2006. – 496 с.

36.Дьяконов, В. В. Математические пакеты расширения Матлаб. Специальный справочник / В. В. Дьяконов, В. А. Круглов. – СПб. : Изд-во

«Питер», 2001. – 480 с.

37.Mechanical Cell Disruption for Lipid Extraction from Microalgal Biomass. Bioresource Technology / R. Halim, W. T. Thusitha, L. Dedreia, A. Paul. – Elseiver, USA.

38.Муравьев, И. А. Технология лекарств / И. А. Муравьев. – М. :

Медицина, 1980. – 704 с.

39.Combined Extraction Processes of Lipid from Chlorella Vulgaris Microalgae : Microwave Prior to Supercritical Carbon Dioxide Extraction / D. T. Céline et al. // International Journal of Molecular Sciences. – 2011. – V. 12. – P. 9332 – 9341. doi :10.3390/ijms12129332.

40.Microalgal Lipid Extraction and Evaluation of Single-Step Biodiesel Production / C. Prommuak et al. // Engineering Journal. – 2012. – V. 16. – P. 157 – 166.

79

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………... 3 1. ВОДОРОСЛИ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ………………………………… 4 1.1. Основы классификации водорослей и филогенетические связи 4

1.2.Основы физиологии микроводорослей. Особенности строения клеток микроводорослей ………………………………………….. 8

1.3.Закономерности роста и развития микроводорослей …………… 18

1.3.1.Способы клеточного деления у водорослей ……………… 18

1.3.2.Закономерности роста и развития микроорганизмов ……. 20

1.4.Практическое значение микроводорослей в деятельности человека ……………………………………………………………. 23

2.ОСНОВЫ БИОХИМИИ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ …………………… 27

2.1.Фотосинтез ………………………………………………………… 27

2.2.Энергетический обмен в клетках ………………………………… 31

2.3.Пищевые потребности микроводорослей ……………………….. 36

2.4.Питательные среды для культивирования микроводорослей ….. 39

2.5.Стехиометрия процесса культивирования микроводорослей ….. 44

3.ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОДУКТОВ ИЗ МИКРО-

ВОДОРОСЛЕЙ ………………………………………………………… 47

3.1.Методы отделения биомассы микроводорослей от культуральной жидкости ………………………………………. 47

3.2.Методы разрушения клеточных оболочек микроводорослей ….. 50

3.3.Экстракционные методы выделения метаболитов из микроводорослей ………………………………………………. 53

3.4.Аппаратура для культивирования микроводорослей …………… 54

4.МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ ПРОДУКТОВ ИЗ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ …………. 63

4.1.Математическое моделирование процесса культивирования микроводорослей ………………………………………………….. 63

4.2.Математическое моделирование процесса разрушения клеток ... 69

4.3.Математические модели процесса экстракции ………………….. 70

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………. 76 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ………………………………………………… 77

80