Получение белка одноклеточных на водороде и углекислоте

Вопросы Водород как перспективное сырье для получения биомассы микроорганизмов пищевого достоинства. Водородные бактерии. Влияние состава питательной среды и условий культивирования на рост водородных бактерий. Принципиальная технологическая схема получения белка одноклеточных на водороде. Карбоксидобактерии. Совместное культивирование водородных и карбоксидобактерий.

u Молекулярный водород — наиболее распространенный неорганический субстрат, используемый эубактериями для получения энергии в процессе окисления. Число бактерий, растущих хемолитотрофно на основе использования H 2 в качестве источника энергии, намного больше организмов, использующих для этой цели другие неорганические субстраты (восстановленные соединения серы, азота, железа).

Получение молекулярного водорода Газификация каменного угля (синтез газ) u Конверсионный газ u Биоводород (побочный продукт получения ацетона и бутанола путем брожения) u Электролиз воды в процессе наработки дейтерия u

Конверсионный газ u 60% водорода u 5 -30% углекислоты u 3 -16% СО Такая газовая смесь может быть использована для получения биомассы м/о

Водородные бактерии Впервые водородные бактерии были описаны А. Ф. Лебедевым и Г. Казерером (Н. Kaserer) в 1906 г. , а в 1909 г. С. Орла-Йенсен выделил их в самостоятельный род Hydrogenomonas.

Последующее изучение обнаружило сходство водородных бактерий с представителями разных родов гетеротрофных бактерий: Pseudomonas, Alcaligenes, Nocardia и др. Стало ясно, что водородные бактерии — не таксономическая группа, а организмы, объединяемые на основании нескольких физиологических признаков. Род Hydrogenomonas был ликвидирован, и виды, входившие в его состав, распределены по другим таксономическим группам.

К водородным бактериям относятся представители 20 родов, объединяющих грамположительные и грамотрицательные формы разной морфологии, подвижные и неподвижные, образующие споры и бесспоровые, размножающиеся делением и почкованием. Однако практически все сведения по промышленным процессам относятся к Alcaligenes eutrophus max V роста

К водородным бактериям относят эубактерии, способные получать энергию путем окисления молекулярного водорода с участием O 2, а все вещества клетки строить из углерода CO 2. Таким образом, водородные бактерии — это хемолитоавтотрофы, растущие при окислении H 2 в аэробных условиях: H 2 + 1/2 O 2 = H 2 O

Помимо окисления для получения энергии молекулярный водород используется в конструктивном метаболизме. H 2 5 молекул H 2, окисленного в процессе дыхания, приходится 1 молекула H 2, затрачиваемого на образование биомассы: 6 H 2 + 2 O 2 + CO 2 = CH 2 O + 5 H 2 O

u Способность к энергетическому использованию H 2 может сочетаться с конструктивным метаболизмом облигатно гетеротрофного типа (например, у представителей родов Azotobacter или Acetobacter) или происходить в строго анаэробных условиях (сульфатвосстанавливающие бактерии), что не позволяет относить обладающие этими особенностями организмы к водородным бактериям. Таким образом, водородные бактерии представляют только часть эубактерии, способных использовать H 2 для получения энергии. Пути использования молекулярного водорода эубактериями

Пути использования молекулярного водорода эубактериями Процесс Конечный акцептор водорода Конечный продукт Восстановительное ассимилирование углерода CO 2 вещества клетки Восстановительное ассимилирование углерода органические соединения вещества клетки Дыхание O 2 H 2 O Нитратное дыхание, денитрификация NO 3–, NO 2–, NO, N 2 O N 2, NO 2– Сульфатное дыхание SO 42–, SO 32–, S 2 O 32– H 2 S Фумаратное дыхание фумарат сукцинат Образование ацетата CO 2 CH 3 COOH

Питательные среды u Главная особенность – О 2, СО 2 и Н 2 находятся в газовой фазе, а потребляются микроорганизмами в растворенном состоянии

СО 2 u Преимущество водородных бактерий – при росте на углекислот практически не выделяют метаболитов u Экономический коэффициент = const = 53% u СО 2 хорошо растворм в воде _ его содержание примерно равно содержанию в газовой фазе

u. В воде образуется угольная кислота, которая диссоциирует И в среде имеется 3 фазы углекислоты Н 2 СО 3 НСО 3 - СО 3 2 Какая именно форма потребляется не ясно Считается что СО 2

При непрерывном культивировании оказалось, что удельная скорость зависит от концентрации СО 2 по разному, в зависимости от концентрации биомассы: Б/м – 1 г/л зона лимитирования СО 2 – до 1% u Б/м – 10 г/л зона лимитирования СО 2 – до 5% u При низких концентрациях б/м низкие концентрации СО 2 и наоборот

Μ, ч -1 0, 2 0, 1 0 1 2 3 4 5 С, со 2%

О 2 u 1 г/л – оптимум по О 2 15% u 5 г/л – 25% u 10 г/л – чуть выше 30% Нужно точно регулировать концентрацию кислорода при различных плотностях популяции

Н 2 u Растворимость водорода в воде 1, 6 мг/л (для кислорода – 1, 8 мг/л) u Для б/м 1 г/л – до 30% Н 2 u ДЛЯ б/м 5 г/л насыщения не наблюдается Избыток водорода не подавляет жизнедеятельности м/о

Водород взрывоопасен u НКПР = 6% об. u ВКПР 67% об. Соотношение компонентов в газовой фазе должно быть: СО 2Н 2 = 127 (Н 2 СО 3 до 5%О 2 15 -35% в зависимости от плотности популяции Н 2 более 70%)

Прочие компоненты пит. сред u Лучший источник азота – мочевина т. к. при ее утилизации не меняется р. Н u Минеральные компоненты (фосфор, сера, калий, магний) при лимитировании по любому компоненту образуется поли-бетаоксимаслянная к-та, поэтому минеральные соли всегда в избытке СРЕДА ПОНОСТЬЮ СИНТЕТИЧЕСКАЯ

Физ-хим условия u Температура около 30 С u р. Н нейтральная Из – за отсутствия побочных метаболитов 97% (кж после отделения бм) воды можно пускать в оборот

Особенности процесса u Взрывоопасность u Реакторы – иногда используют ферментер – электролизер u Перспективное сырье – конверсионный газ – дыхательный яд – нужны специальные продуценты, потребляющие СО

Карбоксидобактерии — аэробные эубактерий, способные расти, используя окись углерода (CO) в качестве единственного источника углерода и энергии. Таким свойством обладают некоторые представители родов Pseudomonas, Achromobacter, Comamonas. Способность окислять CO обнаружена у представителей прокариот, принадлежащих к эубактериям (пурпурные несерные бактерии, цианобактерии, клостридии) и архебактериям (метанобразующие бактерии). Однако в большинстве случаев этот процесс не поддерживает рост культур и механизм его неясен.

Карбоксидобактерии могут расти автотрофно, ассимилируя CO 2 в восстановительном пентозофосфатном цикле, а также использовать в качестве единственного источника углерода и энергии различные органические соединения. При выращивании на среде с CO 2 в качестве единственного источника углерода большинство Карбоксидобактерии энергию могут получать за счет окисления молекулярного водорода, при этом рост на среде с CO 2 + H 2 происходит активнее, чем на среде с CO. Это дало основание некоторым исследователям рассматривать Карбоксидобактерии как особую физиологическую подгруппу водородных бактерий. В то же время способность использовать в качестве субстрата дыхательный яд указывает на осуществление карбоксидобактериями нового типа хемолитотрофного метаболизма. Кроме того, обнаружение у них ферментов и факторов, отсутствующих у водородных бактерий, неспособность некоторых карбоксидобактерий окислять H 2 и ряд других признаков позволяют сделать вывод об определенной обособленности этой группы эубактерий.

Использование CO карбоксидобактериями происходит путем его окисления в соответствии с уравнением: CO + H 2 O ® CO 2 + 2 e – + 2 H+. Продукт реакции используется далее по каналам автотрофного метаболизма. (Таким образом, при выращивании карбоксидобактерий на среде с CO в качестве единственного источника углерода и энергии источником углерода служит не CO, а CO 2). Теоретически суммарное уравнение окисления CO и синтеза клеточной биомассы карбоксидобактерий может быть представлено в следующем виде: 7 СО + 2, 5 O 2 + H 2 O ® 6 CO 2 + (CH 2 O), где (CH 2 O) — символ биомассы.

Из уравнения видно, что окисление CO — неэффективный способ получения энергии. Карбоксидобактерий для синтеза клеточного вещества вынуждены окислять большое количество CO: на биосинтетические процессы в разных условиях роста идет от 2 до 16% углерода CO.

Основными источниками окиси углерода в природных условиях являются промышленное производство, транспорт, вулканическая деятельность и биологические процессы. Известно, что CO образуется в результате жизнедеятельности разных организмов (бактерии, грибы, водоросли, животные, растения). Одним из путей удаления этого токсического соединения служит использование его бактериями, и в первую очередь в наибольшей степени приспособленными для этого. Для некоторых карбоксидобактерий показана устойчивость к содержанию в атмосфере до 90% CO.

В промышленности используются u Ps. Carboxydovoras u Ps. Gazotropha u Seliberia sp. u Comamonas sp. Разработаны ассоциации 70% карбоксидобактерии 30% водородные (выдерживают конц. СО 5 -15%)

Водоросли как источник пищевого белка u Съедобные водоросли. u Методы культивирования водорослей и условия, оптимальные для их роста. u Белковые изоляты из водорослей. u Получение белково-углеводного комплекса пищевого достоинства из хлореллы.

37

Съедобные макроводоросли фукус и ламинария

Чистая культура съедобных микроводорослей

u Макроводоросли – растут в условиях морских плантаций, добыча – сбор штормовых выбросов и траление (далее не рассматриваем) u Микроводоросли – выращивание в открытых и закрытых системах

Условия u Освещенность (в 10 раз меньше чем яркий солнечный день – 100. 000 люкс) Скорость фотосинтеза 0 10. 000 люкс Освещенность люкс

Тепло – 25 -30 С; Минеральные компоненты: u Ca(NO 3)2 – 0, 04; K 2 HPO 4 – 0, 01; Mg. SO 4*7 H 2 O – 0, 025; N 2 CO 3 – 0, 02; Na 2 Si. O 3*9 H 2 O – 0, 025; u Fe. Cl 3* 6 H 2 O – 0, 0008. u u количество воды 20 – 30 т/тонна сухой биомассы (температура 22 – 35°С); время пребывания в фотобиореакторе 3, 5 ч. 42

Содержание СО 2 Интенсивно идет фиксация СО 2 в цикле Кальвина при концентрации 1, 5% - в атмосфере углекислоты 0, 03 -0, 04 % u О 2 Конкурентный ингибитор фиксации СО 2 в цикле Кальвина u Температура Т опт. Водоросли +25 С Бактерии могут расти при низких Т Хлорелла вообще не растет при +15 С u

Культивирование в открытых природных водоемах u Щелочные р. Н=11 озера Телскока в Мексике. Происходит интенсивное связывание углекислоты из атмосферы и наработка 10 -20 г биомассы с 1 м 2 поверхности озера в день. Биомасса насосами подается на фильтры и сушку и идет на производство муки пищевого назначения – 2 тонны в день.

Открытое выращивание водорослей Открытые фотобиореакторы

Выращивание водорослей для получения искусственной нефти США

Производительность закрытых систем примерно в два раза выше чем открытых, кроме того, открытые реакторы – сезонное производство

Принципиальная схема закрытой установки

Советская лабораторная установка

Лабораторная установка в действии

Arizona, USA

52

53

Культуральную жидкость насыщают СО 2 отводят О 2, хотя большинство водорослей азотфиксаторы иногда добавляют нитратный азот, иногда добавляют хлорид натрия для изотоничности Главная проблема – чистка труб от налета водорослей

Биологическая масса извлекается из питательной жидкой среды осаждением, сгущается и высушивается в виде порошка, который содержит: 60% белка; от 20% липидов. Липидная фракция может содержать токсичные компоненты, но сегодня она идет на получение биодизельного топлива. К достоинствам продукта нужно отнести малое (2 -3%) содержание нуклеиновых кислот и сбалансированный состав микроэлементов, к недостаткам – пигменты.

3. Микроводоросликак сырьевая база биодизеля ООО «Сталь Групп Северо-Запад» 56

Преимущества водорослей: 1. Высокая скорость роста. 2. Высокое содержание липидов. 3. Возможность круглогодичного культивирования. 4. Сохранение с/х земель. 5. Возможность полной автоматизации процесса культивирования. 57

Выход масла 58

Одним из моментов, которые следует тщательно отслеживать является состав жирных кислот: Содержание линоленовой кислоты (С 18: 3) в водорослевом масле колеблется в пределах 0, 1 – 14, 2%. Стандарт EN 14103 допускает ее содержание до 12% u Имеются следы жирных кислот с числом двойных связей более 4 (С 18: 5, С 20: 5, С 22: 6). Стандарт EN 14103 допускает их содержание до 1% u 59

Состав жирных кислот у различных микроводорослей: 60

Сырьевая база биодизеля в ЕС 61

Издержки производства 1 л биодизеля из существующих экспортных поставок липидов http: //www. sage. wisc. edu/energy/ 62

Выход масла с 1 гектара (л) u. Рапс – 1. 000 u. Пальма – 5. 950 u. Микроводоросли – 58. 000 30% масла u. Микроводоросли 136. 900 – 50% масла 63

Себестоимость водорослевого масла 64

Использование сбросного тепла ТЭЦ для круглогодичного проведения процесса

Сфера реализации проекта – критические для России технологии: u u u Технологии новых и возобновляемых источников энергии; Технологии переработки и утилизации техногенных образований и отходов; Технологии производства топлив и энергии из органического сырья; Технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии; Технологии экологически безопасного ресурсосберегающего производства и переработки сельскохозяйственного сырья и продуктов питания. 66