Дипломы-2 / ВЗД-172 / Документы / Производство / ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

ВТСНТ – 2013

Список литературы

1.Ежедневная электронная газета // utro.ru: [сайт]. URL: http://www.utro.ru/articles/2013/02/21/1102724.shtml

2.Р. М. Разетдинов, Ю. Р. Курамшин, А. М. Тахауов // Журнал «Турбины и дизели». сентябрь 2009. С. 16-17;

3.Берлин М.А., Гореченков В.Г., Волков Н.П. Переработка нефтяных и природных газов. - М.: «Химия», 1981. - С.168;

4.Бекиров Т.М., Ланчаков Г.А. Технология обработки газа и конденсата. - М.:

ООО «Недра-Бизнесцентр», 1999. - С.305, 324;

5.Чуракаев A.M. Переработка нефтяных газов. Учебник для рабочих. М.: Недра, 1983. - С.98;

6.Способ подготовки топливного газа: пат. 2376341 Рос. Федерация. № 2008119147/15: заявл. 14.05.2008: опубл. 20.12.2009.;

7.Способ подготовки топливного газа: пат. 2444559 Рос. Федерация. № 2010104233/05: заявл. 08.02.2010: опубл. 20.08.2011.;

8.Жунусова Э.Б. Использование нефтяного газа: проблемы и решения // Нефтегазовые технологии. – М., 2001. – № 4. – С. 20-22.

БИОСОРБЦИЯ ИОНОВ УРАНА ИЗ ПРИРОДНЫХ ВОД

В.В. Боков, студент гр. 4ГМ21 Научный руководитель: М.В. Чубик, к.м.н., доц.,

Томский политехнический университет, 634050, г.Томск, пр.Ленина,30, тел.563-861

E-mail: vbokov@tpu.ru

Ухудшение экологической ситуации к концу двадцатого века, вызванной технико-производственными причинами, побудило нас искать способы улучшения экологии. Одним из факторов, ухудшения окружающей среды, является загрязнение воды промышленными стоками, которые содержат ионы радиоактивных металлов. Решение этой проблемы заключается в поиске эффективных методов удаления ионов радионуклидов из загрязненных водоемов. В настоящее время существует множество методов очистки сточных вод:

Механический (флотация, мембранная технология)

Биологический (использование микроорганизмов [1-3])

Физико-химический (выпаривание, испарение и кристаллизация, сорбция, флотация, ионообменная и электрохимическая очистка)

Проанализировав различные методы очистки открытых водоемов, мы пришли к выводу, что микробиологическая очистка наиболее эффективна для удаления и восстановления урана из водных систем.

Очистка водных сред искусственно подобранными микроорганизмами имеет следующие преимущества:

микробные клетки имеют высокую адсорбционную способность;

они могут адсорбировать уран селективно;

производство микробных биомасс дешевое;

скорость накопления достаточна высокая;

29

Секция 4. Химические и биотехнологии.

В результате исследования [6] было выяснено, что количество адсорбированного урана различается для разных видов микроорганизмов (рис.1).

Рис.1. Связь междуспособностью микроорганизмов к поглощению урана из раствора урана и их способностью к селективномупоглощению урана из раствора, содержащего 9 видов ионов металлов

Из рисунка 1. видно, что бактерии, актиномицеты и дрожжи имеют выраженную зависимость между способностью поглощать уран из раствора, содержащего только уран, и их способностью к селективному поглощению урана. В случае с плесенями ситуация иная. Penicillum lilacinum, например, может накапливать большое количество урана из раствора, содержащего только уран, но селективная адсорбция из раствора смеси ионов металлов сравнительно низкая.

В последние годы много внимания уделяется применению хитиновых сорбентов. Хитин – единственный полисахарид, в молекуле которого имеется азот, входящий в ацетиламидную группу. Благодаря этому, хитин и ряд его производных обладают мощными сорбционными свойствами. Основным механизмом сорбции у хитина является образование хелатов, поэтому он связывает практически все тяжелые металлы, в том числе и актиниды, и индифферентен к легким металлам, например, к таким биогенным элементам, как калий, натрий, кальций и другие[5]. Большое содержание хитина, в стенках плесневых грибов рода Aspergillus niger, обусловило наш выбор именно этих грибов

Разница в результатах среди разных видов микроскопических грибов может быть объяснена тем, что процентное содержание хитина и хитозана в плесенях варьируется в зависимости от видов грибов, возраста и других условий.

Нашей лабораторией запланирован блок экспериментов по оценки эффективности сорбции радионуклидов плесневыми грибами, а так же определение показателя относительной сорбции радионуклидов. Так как наше исследование будет применяться в открытых водоемах, с повышенным содержанием радионуклидов, нами будет смоделирован процесс сорбции радионуклидов плесневыми грибами, включающий неблагоприятные факторы окружающей среды, такие как:

Температура воды

Температура окружающей среды

Кислотность водоемов

30

ВТСНТ – 2013

Микробиологический состав открытых водоемов

Список литературы

1.J.L. Zhou. Zn biosorption byRhizopus arrhizus and other fungi // Appl Microbiol Biotechnol. 1999. - Вып. 51. - C. 686-693.

2.A. Nakajima, T. Sakaguchi. Selective accumulation of heavy metals by microorganisms // Appl MicrobiolBiotechnol. 1986. - Вып. 24. - C. 59-64.

3.Md. Naseem Akhtar, K. Sivarama Sastry, P. Maruthi Mohan. Mechanism of metal ion biosorption by fungal biomass // BioMetals. 1996. - Вып. 9. - C. 21-28.

4.Мясоедова Г.В., Никашина В.А. Сорбционные материалы для извлечения радионуклидов из водных сред // Российский химический журнал, 2006. - №5. - С. 55-63

5.M. Tsezos, B. Volesky // Biotechnology and Bioengineering, 1982, v. 24, р. 385401

6.J.L. Zhou // Appl Microbiol Biotechnol, 1999, v. 51, р. 686-693

ДЕНАТУРАЦИЯ ЦЕЛЛЮЛОЗОЛИТИЧЕСКИХ ФЕРМЕНТОВ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ С ЛИГНОЦЕЛЛЮЛОЗНЫМ СУБСТРАТОМ

В.А. Бухтояров, инженер, А.Л. Бычков, к.х.н., О.И. Ломовский, д.х.н., проф. Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН,

Россия, 630128, Новосибирск, ул. Кутателадзе, 18,

тел. (383) 332-40-02 факс (383) 332-28-47

E-mail: buh@solid.nsc.ru, bychkov_a@solid.nsc.ru

Биогенные полимеры и их комплексы – природное сырье широко распространены и обладают огромным промышленным потенциалом. В частности, наблюдается рост интереса к получению моторных топлив из лигноцеллюлозного сырья с помощью механохимических и биотехнологических методов [1, 2]. Поэтому изучение процессов, происходящих при механической, а также температурной обработке индивидуальных ферментов и их смесей с лигноцеллюлозным сырьём является приоритетной задачей не только с точки зрения фундаментальной науки, но и с точки зрения химической технологии.

Целью данной работы было определение влияния лигноцеллюлозного субстрата на денатурацию целлюлозолитических ферментов при совместной обработке в механохимических активаторах.

В ранее проведённых экспериментах с сухими ферментными препаратами и их растворами [3, 4] было показано, что ферментные препараты в растворённой форме менее устойчивы к термической обработке, чем без растворения; константа скорости денатурации отличается на 2 порядка. При этом показана зависимость скорости денатурации от влажности ферментов. При содержании воды более 30 % ферментный препарат денатурирует с той же скоростью, что и предельно разбавленный раствор.

31

Секция 4. Химические и биотехнологии.

10

R2 = 0,9172

2

Частота, Гц

0

Рис. 1. Зависимость константы скорости денатурации ферментов от интенсивности механической обработки ферментов

В связи с этим, было высказано предположение, что для механохимических процессов целесообразно использовать сухие ферментные препараты, а проводить растворение лишь после проведения механической активации с лигноцеллюлозой.

Для изучения влияния субстрата на скорость механической денатурации ферментов были проведены следующие эксперименты. В шаровую мельницу типа «аттритор» [5] помещали 200 г ферментного препарата ЦеллоЛюкс-А (ПО «Сиббиофарм», г. Бердск) или смеси ферментов с лигноцеллюлозным субстратом. В качестве лигноцеллюлозного субстрата использовалась предварительно активированная солома кукурузы.

На рис. 1. показано, что в случае механической обработки с субстратом, ферментный препарат гораздо медленнее теряет целлюлозолитическую активность. Однако следует строго контролировать энергонапряжённость активатора для предупреждения денатурации.

Таким образом, показано, что целлюлозолитический ферментный препарат ЦеллоЛюкс-А более устойчив к термической и механической денатурации в сухой форме и в присутствии субстрата. Полученные данные позволяют более предсказуемо управлять процессами механохимического осахаривания целлюлозы в низкомолекулярные углеводы.

Список литературы

1.Голязимова О.В., Политов А.А. Интенсификация процесса измельчения опилок // Химия в интересах устойчивого развития. – 2008. – Т. 16. - № 5. – С.598-592.

2.The method of producing bioethanol from lignocellulose: Patent WO/2009/005390 A1 / Lomovsky O.I., Korolev K.G., Politov A.A., BershakO.V., Lomovskaya T.F. – 08.01.2009.

32

ВТСНТ – 2013

3.Бычков А.Л., Бухтояров В.А., Ломовский О.И. Денатурация целлюлозолитических ферментов в присутствии воды // Химия в интересах устойчивого развития. – 2011. – № 19. – С.479-483.

4.Bychkov A.L., Buchtoyarov V.A., Lomovsky O.I. Thermal and mechanical denaturation of cellulase in solution and in solid phase // Journal of International Scientific Publications: Materials, Methods & Technologies. – 2011. – V. 5(1). – P.4-10.

5.Витязь П.А., Горобцов В.Г., Жорник В.И. Патент РБ на полезную модель № 6143 «Аттритор для получения нанопорошков».

МЕХАНИЧЕСКАЯ АКТИВАЦИЯ СОЛОМЫ КУКУРУЗЫ ДЛЯ ПОСЛЕДУЮЩЕГО ФЕРМЕНТАТИВНОГО ГИДРОЛИЗА

А.Л. Бычков, к.х.н., В.А. Бухтояров, инженер,О.И. Ломовский, д.х.н., проф. Институт химии твёрдого тела и механохимии СО РАН,

630128, г. Новосибирск, ул. Кутателадзе, 18 тел. 8(923)-246-8932

E-mail: bychkov_a@solid.nsc.ru

Получение компонентов биотоплива из возобновляемого лигноцеллюлозного сырья является важной и актуальной задачей для химической и биотехнологической промышленности. Для большинства из регионов мира подобрано подходящее сырьё, включая лигноцеллюлозу произрастающих в регионе растений, невостребованные отходы сельского хозяйства, городской мусор [1-3]. Проиллюстрирована энергетическая и экологическая эффективность внедрения различных видов биотоплива, например биоэтанола, биобутанола, биогаза. Изучаются различные методы переработки лигноцеллюлозы в компоненты биотоплива и продукты химической промышленности [4, 5].

С точки зрения экологической чистоты и простоты производимых операций довольно привлекательными выглядят механоферментативные методы переработки лигноцеллюлозы, так как они не образуют отходов производства и не загрязняют окружающую среду. Кроме того, стадия механической активации линоцеллюлозы протекает без растворения, экстракции, и позволяет получать активированные полупродукты в твёрдом виде, что позволяет значительно упростить технологию переработки и хранения.

Известно, что за реакционную способность лигноцеллюлозных материалов отвечает множество факторов: химический состав (в большей мере содержание лигнина, ингибирующего ферменты), удельная площадь поверхности, степень кристалличности и степень полимеризации целлюлозы. В случае использования какого-то одного лигноцеллюлозного материала с постоянным химическим составом, его реакционная способность определяется, прежде всего, типом и интенсивностью механического воздействия, реализуемого в измельчителе или активаторе. Механическое воздействие приводит к тому, что площадь поверхности, степень кристалличности и другие факторы меняются в той или иной степени, приводя к увеличению или уменьшению реакционной способности измельчаемого материала.

Целью данной работы было экспериментальное изучение процессов, происходящих при обработке соломы кукурузы в полупромышленной центробежно-

33

Секция 4. Химические и биотехнологии.

роликовой мельнице. В результате обобщения полученной информацией необходимо было сформулировать ряд требований к созданию новых (и модификации уже известных) центробежно-роликовых мельниц.

В работе показаны процессы, протекающие при многократной механической обработке соломы кукурузы в центробежной роликовой мельнице ТМ-30 (ЗАО «Новиц», Новосибирск). Приведены данные, иллюстрирующие влияние удельной площади поверхности, морфологии, степени кристалличности целлюлозы на реакционную способность обработанного материала. На первом этапе механической обработки наблюдается образование плотных агрегатов, состоящих из измельчённых частиц. При увеличении времени обработки агрегаты разрушаются и высвобождают частицы для дальнейшего измельчения.

Установлено, что клетки с диаметром выше 30 мкм не устойчивы по отношению к механическому воздействию и разрушаются на более мелки фрагменты. Помимо морфологии частиц, увеличение реакционной способности лигноцеллюлозного материала в 2,8 раза (максимально достигнутое увеличение первоначальной скорости гидролиза) связано с 4,8 кратным увеличением площади поверхности, а удвоение общего выхода углеводов – с уменьшением степени кристалличности целлюлозы с 64 до 31 % (рис. 1).

Сделан ряд предложений касающихся модификации существующих и создания новых центробежных роликовых мельниц, предназначенных для переработки растительного сырья. В зоне измельчения необходимо чередовать ударное воздействие со сдвиговым воздействием, что позволит предотвратить образование излишне больших агрегатов. Для соблюдения баланса «затраченная энергия – увеличение реакционной способности» необходимо подбирать величину зоны измельчения под каждый тип лигноцеллюлозного сырья.

Список литературы

1. Kim S., Park J.M., Kim C.H. Ethanol Production Using Whole Plant Biomass of Jerusalem Artichoke by Kluyveromyces marxianus CBS1555 // Appl. Biochem. Biotechnol. – 2013. – № 169. – P.1531-1545.

34

ВТСНТ – 2013

2.Menezes E.G.T., Carmo J.R., Menezes A.G.T. et al. Use of Different Extracts of Coffee Pulp for the Production of Bioethanol // Appl. Biochem. Biotechnol. – 2013. – № 169. – P.673-687.

3.Sasmal S., Goud V.V., Mohanty K. Characterization of Biomasses Available in the Region of North-East India for the Production of Biofuels // Biomass and Bioenergy. – 2012. – № 45. – P.212-220.

4.Bychkov A.L., Ryabchikova E.I., Korolev K.G., Lomovsky O.I. Ultrastructural changes of cell walls under intense mechanical treatment of selective plant raw material // Biomass and Bioenergy. – 2012. – №. 47. – P.260-267.

5.Shapolova E.G., Bychkov A.L., Lomovsky O.I. Mechanochemical processing of agricultural wastes into complex feed additives for animals // Journal of International Scientific Publications: Ecology & Safety. – 2012. – V. 6(3). – P.65-77.

РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА МИКРООРГАНИЗМОВ С ВЫСОКОЙ ЦЕЛЛЮЛОЗОЛИТИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТЬЮ

Е. С. Голубева, А.В. Брянская, Т.Н. Горячковская, С.Е. Пельтек Новосибирский государственный университет,

630090, г. Новосибирск, Пирогова 2 Институт цитологии и генетики СО РАН 630090, Новосибирск, Россия, пр.ак.Лаврентьева,10

Запас полезных ископаемых с каждым годом уменьшается, а потребности человечества в энергии возрастают. Природосберегающие технологии приходят на смену уже имеющимся промышленным, основанным на использовании невозобновляемых источников сырья и энергии. В качестве одного из перспективных возобновляемых источников сырья и энергии рассматривается лигноцеллюлозная биомасса растений.

Целлюлоза – растительный полисахарид, являющийся одним из самых распространенных органических веществ на Земле. Имеющиеся биотехнологические способы деполимеризации целлюлозы ограничены ферментативным катализом. В настоящее время известен широкий спектр микроорганизмов, проявляющих целлюлозолитическую активность и имеющих различные комплексы целлюлозоразлагающих ферментов. Однако, культуры микроорганизмов далеко не во всех случаях обладают способностью одновременно и эффективно разлагать различные источники целлюлозы и продуцировать экономически значимые продукты. Поэтому целью данной работы является создание комплексов микроорганизмов, эффективно разрушающих целлюлозу с возможностью дальнейшего использования конечных продуктов ее разложения.

В современных биотехнологиях переработки растительного сырья в целевые продукты одним из ключевых промежуточных продуктов является глюкоза [1]. По этой причине большое количество современных разработок посвящено получению сахаросодержащих субстратов из растительной биомассы [2]. Однако, брожение гидролизатов, полученных из предварительно обработанной лигноцеллюлозной биомассы, часто сопряжено с затратными процессами предобработки, очистки сырья и детоксикации отходов.

35

Секция 4. Химические и биотехнологии.

При использовании микроорганизмов процесс переработки целлюлозы становится экологически безопасным. Традиционно, для получения спирта, используют дрожжи Saccharomyces cerevisiae. Однако, при использовании дрожжей выход конечного продукта (этанола) уменьшается из-за конкуренции процессов брожения и дыхания. Часть глюкозы при этом расходуется на дыхание и безвозвратно переходит в СО2 и Н2О. При использовании в качестве продуцента этанола бактериальной культуры выход продукта возрастает практически в 2 раза по сравнению с процессом, в котором используются дрожжи.

Вработе были поставлены следующие задачи:

Провести скрининг природных микробных сообществ на средах с различными источниками целлюлозы.

Определить целлюлазную активность накопительных культур микроорганизмов.

Привести выделение чистых культур на средах с различными источниками целлюлозы.

Идентифицировать чистые и накопительные культуры молекулярнобиологическими методами по последовательности гена 16S рРНК.

Природные образцы были отобраны из 11 соленых озер Новосибирской области. Отобранный природный материал пробы помещали в среду, где единственным источником углерода были целлюлозосодержащие субстраты (фильтровальная бумага, измельченная биомасса Мискантуса китайского, натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы (Na-КМЦ), микрокристаллическая целлюлоза(МКЦ)). Был проведен скрининг более 40 природных ассоциаций микроорганизмов. Оценку целлюлазной активности проводили методом, основанным на количественном определении восстанавливающих сахаров, образующихся в результате гидролиза целлюлозы фильтровальной бумаги под действием ферментов целллюлозолитического комплекса бактерий. За единицу целлюлолитической активности (1ед. ЦлА) принято количество ферментов, которое катализирует гидролиз целлюлозы фильтровальной бумаги с образованием 1 мкмоля восстанавливающих сахаров (в пересчете на глюкозу) за 1 час при температуре 37 0С. Содержание восстанавливающих сахаров, образующихся в результате ферментативной реакции, определяли колориметрическим методом с использованием реактива ДНС (динитросалициловой кислоты). Также в данной работе была использована методика оценки целлюлазной активности по диаметру зон просветления на чашках с питательной средой, окрашенной красителем Конго красным. Бактериальные консорциумы были высеяны на агаризованные среды с NaКМЦ в качестве источника углерода. После того как культуры выросли, чашки прокрашивали красителем Конго красным. По диаметру зон просветления окраски вокруг выросших колоний судили о наличии и активности продуцируемых культурами ферментов целлюлазного комплекса [3]. Из активных консорциумов бактерий на следующем этапе выделяли чистые культуры методом многократного пересева на питательные среды с различными целлюлозосодержащими источниками. Таксономическая принадлежность культур определена молекулярнобиологическими методами по последовательности гена 16S рРНК.

При проведении скрининга природных проб было отобрано 15 культур, активно разлагающих целлюлозосодержащие субстраты (рис.1).

36

ВТСНТ – 2013

Рис.1. Скрининг коллекции природных образцов. Накопительные культуры, активно разрушающие фильтровальную бумагу(показано стрелками)

Культуры отличались друг от друга скоростью разложения субстратов. Удобным субстратом для сравнения целлюлозолитической активности проб является фильтровальная бумага. Всего было выбрано восемь проб, интенсивно разлагающих целлюлозу фильтровальной бумаги. В таблице 1 перечислены образцы, проявившие наибольшую активность.

Таблица 1

Разрушение фильтровальной бумаги целлюлозолитическими комплексами микроорганизмов

Примечание: +++ – происходит быстрое разложениефильтровальной бумаги

Культуры, которые проявили способность разрушать целлюлозу фильтровальной бумаги, были перенесены на агаризованную среду с Na-КМЦ в качестве источника углерода. После того, как отметился рост культур, их обработали Конго красным. При этом отчетливо проявились зоны просветления вокруг колоний, обладающих эндоглюконазной активностью. Для выделенных культур были характерны ареолы диаметром 2- 7 мм (рис.2).

Оценка целлюлозолитической активности, проведенная с ДНС, показала, что накопительные культуры обладают активностью от 2 до 40 ЦлА.

На следующем этапе работы из накопительных культур были выделены чистые культуры микроорганизмов, способные использовать в качестве единственного источника углерода целлюлозосодержащие субстраты. Получено 8 культур, использующих в качестве субстрата молотый мискантус (рис.3).

37

Секция 4. Химические и биотехнологии.

Рис. 2. Определение целлюлазной активности природной пробы оз. Соленое. Колонии, вокруг которых наблюдается зона просветления красителя, показаны стрелками

Рис.3. Чистые культуры, выращенные на агаризованной минеральной среде с молотым мискантусом в качестве единственного источника углерода. Озеро Соленое (48)

Установлено, что выделенные культуры морфологически представляют собой палочки прямые палочки до 10 мкм, с закругленными или обрубленными концами, часто в парах или цепочках, для большинства клеток установлено спорообразование.

Исследования, проведенные молекулярно-биологическими методами, позволили определить таксономическую принадлежность выделенных штаммов. В результате проведенной работы было установлено, что выделенные культуры относились к родам Bacillus, Paenibacillus и Lysinibacillus.

В рамках дальнейшей работы по разработке комплекса микроорганизмов с высокой целлюлозолитической активностью планируется провести оценку активности чистых культур, выделенных на среде с целлюлозосодержащими субстратами. После сравнения активности чистых культур будет создан комплекс микроорганизмов, способный разрушать целлюлозу эффективнее, чем природные образцы.

Работа поддержана грантами РФФИ № 11-04-12093-офи-м и Интеграционным проектом СО РАН № 94.

Список литературы

1.Fermentable sugars by chemical hydrolysis of biomass. Joseph B. Binder and Ronald T. Raines (2010). Proceedings of the National Academy of Sciences, U.S.A. 107, 4516 - 4521.

2.Sultana, A., A. Kumar, et al. (2010). "Development of agri-pellet production cost and optimum size." Bioresource Technology 101(14): 5609-5621.

38