Тема лекции Получение кормового белка на жидких углеводородах

Тема лекции: Получение кормового белка на жидких углеводородах Рассматриваемые вопросы: -Характеристика жидких углеводородов как сырья для выращивания микроорганизмов. -Основные методы получения жидких парафинов из нефтяных фракций. -Микроорганизмы - продуценты белка на жидких углеводородах. -Закономерности роста дрожжей на средах с н-парафинами. -Технологическая схема получения кормовых дрожжей на н-парафинах. -Характеристика готового продукта. 1

Производство белка одноклеточных на жидких углеводородах Сырье: 1. Газообразные углеводороды С 1 -С 4; 2. Низкомолекулярные жидкие углеводороды С 5 С 10. (хуже всего потребляются м/о, гексан и гептан подавляют рост при концентрации в среде более 1%); 3. Углеводороды С 11 -С 19, жидкие при комнатной температуре выращивания м/о (+30 -35 С). Лучше всего утилизируются С 11 -С 14, хуже всего С 15 -С 19. Субстрат, содержащий их не менее 70%вается называется «ПАРЕКС» . 2

Получение парекса Получают выпариванием из дизельной фракции нефти. Выкипает при +200 -350 С. Лучше всего утилизируются н-парафины, их содержание не менее 95%, ароматических углеводородов не более 0, 5% и менее. Поскольку хотя микроорганизмы перерабатывают ароматические у/в в менее опасные вещества, этот процесс трудно контролировать. Все у/в могут накапливаться в липидных фракциях – чем больше в клетке липидов, тем больше и у/в в продукте. Содержание липидов не должно превышать 16%, тогда содержание у/в не превысит 0, 1%. 3

Способы выделения н-парафинов из дизельного топлива (получение арктического д/т с t замерзания < - 35 С) 1. Карбамидное депарафинирование Н-парафины образуют при комнатной температуре комплекс с мочевиной. Его отделяют и затем разлагают при 70 -100 С. 2. Низкотемпературная кристаллизация Проводится в легкокипящих органических растворителях, твердую фракцию н-парафинов отделяют и очищают ее тот растворителя отгонкой. 3. Адсорбция на цеолитах (мол. ситах) Избирательная сорбция молекул определенного размера и геометрии. Десорбция – нагревание или вымывание р-лем (гексан). 4

Продуценты белка на жидких углеводородах 1. Бактерии родов: Pseudomonas, Mycobacterium, Nocardia, Micrococcus, Corinebacterium Для получения б/о эти продуценты неприемлемы из – за высокого содержания нуклеиновых кислот. Кроме того микобактерии при росте на у/в образуют полисахаридную капсулу и слипаются во флокулы. Некоторые бактерии образуют токсины. Поэтому бактерии, растущие на у/в используются главным образом при биоремедиации почв и очистке сточных вод. 5

Мицелиальные грибы 2. Грибы родов: Aspergillus, Fusarium, Mucor При глубинном культивировании растут медленно, могут образовывать токсины. ТАКИМ ОБРАЗОМ, НАИЛУЧШИМ ОБРАЗОМ НА РОЛЬ ПРОДУЦЕНТОВ Б/О НА Н-АЛКАНАХ ПОДХОДЯТ ДРОЖЖИ 6

Дрожжи Несовершенные дрожжи: Семейство: Cryptococcaceae, род: Candida Буквы ВСБ в номере штамма – ВНИИсинтезбелок Другие рода: Rhodotorula, Trichospora Совершенные дрожжи (Saccaromyces, Hansenula) не способны расти на у/в 7

Особенности роста дрожжей на у/в (на всех гидрофобных субстратах) На гидрофобных субстратах рост идет не в 3 -х, а 4 -х фазной системе: 1. Клетки 2. Жидкость 3. Газ 4. Нерастворимый субстрат На рост м/о особое влияние оказывает размер капель субстрата, от этого зависит: - Площадь поверхности контакта - Снабжение кислородом - Скорость роста в целом 8

Кинетика процесса описывается зависимостью не от концентрации субстрата, а от площади поверхности контакта У/В разрушаются внутриклоточными ферментами У/В попадают в клетку через поры, диффузией через мембрану и путем пиноцитоза При механическом перемешивании образуются капли у/в диаметром 1 -100 мкм. М/О в основном находятся на каплях 3 -5 мкм (соизмеримых с размером клетки). Для интенсификации процесса необходимо уменьшать размеры капель. 9

Уменьшение размера капель Повышение скорости перемешивани я Скорость перемешивания влияет на размер капель в ограниченных пределахи зависит от конструкции ферментатора Снижение Поверхностного натяжения м/о выделяют собственные ПАВ (жирные к-ты, пептиды и т. д. ), их часто не хватает - вводят экзогенные ПАВ в достаточных количествах 10

Влияние аэрации Использование у/в строго аэробный процесс. На окисление ув нужно в 2, 5 раза больше кислорода, чем на окисление глюкозы. При этом кислород лучше растворяется в парафинах (60 -80 мг/л), нежели в воде (6 -8 г/л). При этом м/о потребляют кислород из водной фазы. Повышение площади поверхности контакта фаз способствует переходу кислорода в водную среду. 11

Влияние р. Н среды Для большинства продуцентов р. Н оптимальная 4 -5. Но в процессе окисления у/в образуются жирные кислоты, снижающие р. Н. Поэтому необходима регуляция р. Н (аммиачной водой), поскольку в сильно кислой среде дрожжи перестают утилизировать у/в. Влияние температуры Оптимум температуры для большинства продуцентов 30 -38 С. При росте на у/в выделяется много тепла, которое нужно отводить, иначе уже при 40 С будет происходить быстрое отмирание клеток. 12

Особенности технологии получения биомассы на углеводородах Биомасса, выращенная на у/в называется «ПАПРИН» Схема стандартная: Стадия подготовки сырья - минимальная. Парекс получают в готовом виде с нефтеперерабатывающих заводов. Субстрат разогревают паром и перекачивают по обогреваемому трубопроводу в сборник. 13

Приготовление питательной среды Среда синтетическая. Концентрация у/в в посевной среде от 0, 2 до 1, 8%; в ферментационнной среде – 3 -3, 5%. Макроэлементы: N – сульфат аммония P – фосфаты K – хлорид калия Микроэлементы: Mg Mn Fe Zn Cu – соответствующие соли Все минеральные составляющие вводятся в виде конц. растворов в воде или нативной (без м/о) культуральной жидкости 14

Посевной материал производится стандартно. Количество ступеней зависит от объема производства. Основная ферментация Может проводиться в аппаратах разной конструкции АДР – аппарат дрожжерастительный АДР – 900 (на 900 куб. м) коэффициент заполнения 0, 47 (47%). Ферментация ведется нестерильно. 15

Ввод среды Вывод КЖ у/в Амм. вода Самовсасываю щие турбинные мешалки Зона дозревания 6 м 17 м у/в Амм. у/в вода Амм. вода у/в Амм. вода 16

Выделение биомассы происходит стандартно, только сепарация не 3 -х , а 2 -х ступенчатая. Продукт – чистый дрожжи. Продукт Порошок или гранулы паприна имеют влажность не более 8 -10%; липидов не более 16%; у/в не более 0, 1%; ароматические углеводороды не допускаются. 17

Производство б/м на газообразных углеводородах 1. Природный газ (на 98% метан). 2. Попутные газы нефтедобычи и нефтепереработки (30% метан, остальное этан, пропан, бутан – на 1 т нефти – 30 -200 кг газов). 3. Газовый конденсат, образуется в магистральных трубопроводах (содержание метана - между природным и попутным газом). Для м/о лучше всего подходит метан 18

Преимущества газообразных у/в u Низкая стоимость u Легкость транспортировки u Легкость подготовки к ферментации u Легкость отделения от биомассы 19

Недостатки … Низкая (20 мг/л) растворимость – сравнительно медленный рост м/о. u Большая (в 5 -6 раз чем на глюкозе) потребность в кислороде. u Рабочие концентрации субстрата выше НКПР и ниже ВКПР. Требуется взрывозащищенное оборудование. u Газ – это политика и бюджет, белок и еда тоже, но Россия главная на газовом рынке, а не на продовольственном… u 20

Подготовка сырья u Удаление сероводорода и др соединений серы – абсорбция моноэтаноламином (15% р-р). Аппаратура – абсорбер. u Рекуперация абсорбента – острым паром +130 С. Сернистые соединения уходят с паром и отделяются от воды при охлаждении. Моноэтаноламин возвращается в абсорбер. 21

Продуценты белка одноклеточных на газообразных у/в u Факультативные метанотрофы БАКТЕРИИ: Pseudomonas, Bacillus, Mycobacterium, Micrococcus ДРОЖЖИ: Candida poidinii u Облигатные метанотрофы Семейство Methylococcaceae, Гр - , морфология различная 22

Ступенчатое окисление метана Метан » Метанол » Формальдегид » Муравьиная к-та » СО 2 Ключевой продукт – формальдегид – с него начинается синтез белка: 1. РМФ путь 2. Сериновый путь 3. Многие м/о восстанавливают СО 2 по восстановительному пентозофосфатному пути, поэтому присутствие СО 2 в газе увеличивает выход белка 23

Классический продуцент Methylococcus capsulatus ВСБ-874 выделен из сточных вод нефтяной скважины, растет п$ри +30 -50 С; оптимум +42 С; р. Н опт. 5, 5; скорость протока 0, 20, 3 час-1. Недостаток – культура облигатный метанотроф, рост которого ингибируют даже малые концентрации метанола. Необходимо использовать смешанные культуры, одна из которых хорошо 24

Питательные среды ПОЛУСИНТЕТИЧЕСКАЯ р. Н=7, опт. Темп. Роста. = 34 -38 С Ист. С – газ. Ист. Азота – нитраты или органический азот (мочевина, пептон), поскольку аммоний – конкурентный ингибитор метана. Ист. Р – фосфатные соли конц. Индивидуально. Микроэлементы: как правило, достаточно того , что есть в воде и источниках фосфора, однако для ассоциаций и при росте на гомологах требуется добавление микроэлементов. Всегда добавляется биотин, др. экстракт. 25

Особенности технологии u Ключевой компонент питания – газ. Потребность в кислороде в 3 раза выше чем в метане. Но это взрывоопасные конц. Для снижения опасности процесс ведут при соотношении метан: воздух=1: 4 , ХОТЯ СТЕХИОМЕТРИЯ = 1: 7. Иногда вводят углекислоту. 26

Необходимость перемещать пит. Вва из пузырьков газа к стенкам клетки. Для этого используют: u Повышение скоростей газовых потоков. u Интенсификацию перемешивания (но без мех. Приспособлений искры). u Повышение давления – улучшает растворимость газов в воде. u Использование аппаратов с высокими массообменными характеристиками. 27

Основная ферментация идет в аппарате с различными системами газообеспечения: u Прямоточная, без рециркуляции газа. Степень утилизации метана не более 25%. Система реальна только если сжигать отходящий газ как топливо. u С рециркуляцией газовой фазы. От степени рециркуляции зависит степень утилизации. Метан – 80%, кислород 90 -95%. 28

Струйный ферментер с шахтными переливами объем – 2000 куб. м, коэфт. заполн. – 50% 29

Воздух 2 -я сх. 1 -я сх. Газовая линия Метан Отбор КЖ насос Теплообменни к 30

Выделение стандартное сепарирование ПРОДУКТ: u Белок – 80%. u Липиды 2 -3%. u Нуклеиновые кислоты 10%. 31

Следующая лекция Получение белка одноклеточных на метаноле и этаноле 32