Высокоплотностное непрерывное культивирование молочнокислых бактерий в мембранном биореакторе

возможность использования активного ила в сельскохозяйственных целях, однако их состав в каждом конкретном случае должен подбираться отдельно.

Библиографический список

1. Евилевич А.З., Евилевич М.А. Утилизация осадков сточных вод. -Л.: Стройиздат, 1988. - 248 с.

2. Технические записки по проблемам воды: Пер. с анг. В 2-х т. Т.1 / Под. ред. Т.А.Карюхиной и др. - М.: Стройиздат, 1986. - 607 с.

3. Полетаева Т. Н. Утилизация осадков сточных вод малых очистных сооружений //Коммунальное хозяйство городов. - 2006. - №. 72. - С. 151-155.

4. Воронов Ю.В., Яковлев С.В. Водоотведение и очистка сточных вод / Учебник для вузов: - М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2006 - 704 с.

5. Глушанкова И. С. и др. Детоксикация осадков сточных вод биологических очистных сооружений //Чистый город. - 2009. - №2. 1. - С. 45.

6. Самофалов А. С., Тихонова Я. В., Артюшкова Е. Б., Секерина И. Ю., Завидовская К. В., Лазурина Л. П. Изучение противомикробной активности полимерных форм, содержащих комплексные соединения меди и железа // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 1.

УДК 579.66:663.18

А.С. Дерунец, В.Д. Смирнова, А.В. Белодед

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

ВЫСОКОПЛОТНОСТНОЕ НЕПРЕРЫВНОЕ КУЛЬТИВИРОВАНИЕ МОЛОЧНОКИСЛЫХ БАКТЕРИЙ В МЕМБРАННОМ БИОРЕАКТОРЕ

Исследовалась возможность интенсификации биосинтеза молочной кислоты при использовании мембранного биореактора. Определены оптимальные параметры непрерывного культивирования молочнокислых бактерий в мембранном биореакторе.

The possibility of intensification of lactic acid biosynthesis using a membrane bioreactor was investigated. The optimum parameters for continuous cultivation of lactic acid bacteria in a membrane bioreactor were determined.

Молочная кислота широко используется в различных областях промышленности: косметической, фармацевтической, пищевой, химической. В настоящее время особый интерес к молочной кислоте обусловлен возможностью использования ее в качестве сырья для синтеза полимолочной кислоты. Получаемый на ее основе пластик является биоразлагаемым, что особенно важно для медицинской области использования и с точки зрения улучшения экологической ситуации [1].

Получение молочной кислоты возможно как химическим так и биологическим способом. При синтезе молочной кислоты химическим способом недостатком является образование смеси рацематов, использование которой для получения полилактида приводит к относительно низкой температуре плавления и недостаточно высоким прочностным показателям образующихся пластмасс [2]. В свою очередь, биотехнологическим способом производства молочной кислоты можно получать D или L молочную кислоту высокой оптической чистоты, что позволяет регулировать свойства получаемого на ее основе пластика.

Традиционно для получения молочной кислоты проводят периодическое культивирование молочнокислых бактерий на комплексных питательных средах, содержащих глюкозу и другие углеводные компоненты. Длительность сбраживания составляет при этом 22 -25 часа, при этом достигается продуктивность 4-5 г/л*ч. Наряду с бактериальными штаммами используются и грибные продуценты, в частности представители р. Rhizo-pus, что позволяет несколько повысить рентабильность производства за счет снижения затрат на приготовление питательной среды [3]. Однако в данном случае снижается степень конверсии субстрата за счет образования побочных продуктов в виде смеси органических кислот.

Недостатками традиционного способа биосинтеза молочной кислоты методом периодического культивирования является низкая продуктивность процесса брожения, использование дорогостоящих компонентов питательной среды, а также образование значительного количества отхода в виде сульфата кальция, образующегося в ходе нейтрализации и выделения молочной кислоты.

Для обеспечения экономической эффективности процесса необходимо обеспечить высокую продуктивность процесса, высокую концентра-

цию конечного продукта в культуральной жидкости, высокую селективность процесса, конверсию субстрата, а также по возможности исключить из состава питательных сред дорогостоящие компоненты. Все это требует поиска возможных способов интенсификации процесса, заключающихся как в подборе штамма молочнокислых бактерий, так и в оптимизации процесса культивирования. Известно, что проведение культивирования в мембранном биореакторе может существенно повысить характеристики процесса. В связи с этим целью работы являлось исследование возможности культивирования МКБ в мембранном биореакторе, подбор оптимальных режимов и определение показателей процесса.

Материалы и методы

В качестве микроорганизма-продуцента молочной кислоты использовали бактериальный штамм Lactobacillus paracasei, полученный из ВКПМ. Культивирование проводили при температуре 30 0С в стеклянном реакторе общим объемом 1.4 л при перемешивании 150 - 250 об/мин с автоматической подтитровкой 25 % раствором аммиака до значений кислотности среды 6,0-6,4. В качестве питательной среды использовали среду следующего состава: глюкоза - 110 г/л, дрожжевой экстракт (Merck VM983953813) 15 г/л, К2НРО4 - 2 г/л, MgSO4 - 0,1 г/л, MnSO4 - 0,05 г/л. Подпитка в непрерывном режиме культивирования осуществлялась средой состава: глюкоза - 110 г/л, дрожжевой экстракт 5 г/л, К2НРО4 - 2 г/л, MgSO4 - 0,1 г/л, MnSO4 - 0,05 г/л

О накоплении биомассы судили по оптической плотности суспензии при длине волны 525 нм, кювета 1 см. Для определения концентрации биомассы, суспензию центрифугировали при 6000 об/мин в течение 10 мин, биомассу дважды промывали дистиллированной водой и высушивали при температуре 1050С до постоянного веса. По калибровочной кривой оптическую плотность пересчитывали на сухую биомассу.

Концентрацию молочной кислоты определяли потенциометрическим титрованием культуральной жидкости 1 % NaOH в изопропаноле. Концентрацию углеводов определяли эбулиостатическим методом [4].

Результаты и обсуждение

Как известно, использование мембранного биореактора позволяет решить проблемы неполного потребления субстрата, ингибирования про-

цесса продуктами реакции, обеспечивая непрерывный способ производства. Кроме того, применение мембранного модуля позволяет обеспечить высокую концентрацию клеток в реакторе и, таким образом, высокую производительность процесса.

Мембранный реактор представляет собой систему, состоящую из биореактора с непрерывным потоком питательной среды и отводом куль-туральной жидкости с пропусканием ее через мембранный фильтр и возвратом биомассы (рис. 1 ).

Питательная среда

Рис. 1. Схема установки мембранного биореактора для культивирования

молочнокислых бактерий

Основным параметром в этом процессе является скорость протока, поэтому первоначально исследовали влияние скорости протока на остаточное содержание глюкозы, накопление биомассы и количество молочной кислоты в фильтрате. По ходу эксперимента скорость протока задавали перистальтическим насосом, работающим в диапазоне скоростей: 33-328 мл/ч.

Результаты проведенных исследований показывают, что при низкой скорости протока (до 82,0 мл/ч) степень конверсии глюкозы близка к 100 % и соответствует варианту периодического культивирования, при этом выход по молочной кислоте в среднем составляет 91% (рис. 2).

При увеличении скорости протока продуктивность возрастает, однако это приводит к снижению содержания молочной кислоты в продукте и повышению остаточного содержания глюкозы (рис. 3). Так, степень потребления глюкозы снижается на 61,2% при увеличении скорости протока

до 0,328 л/ч по сравнению с опытом при скорости протока 82,0 мл/ч. По мере повышения скорости протока наблюдается непропорциональное замедляющееся повышение продуктивности с предположительным достижением предельного максимального значения около 10 г/л*ч.

16

14

0

0

^^-> <-3-> < 4 > ->

•

1 ♦

\  / * / г # ^^^ ♦

\/к / Д1 /  ^^^ Я

160

140

н

120^

д 1. Периодическое о культивирование 100 о 2. Скорость ^ протока 0,082 л/ч

50

100

300

биомасса, г асв/л глюкоза, г/л молочная кислота

350

3. Скорость

80 д протока 0,113 л/ч

^ 4. Скорость

И протока 0,165 л/ч

60 я 5. Скорость

о протока 0,328 л/ч и

40

20

0

400

150 200 250 Время, ч

Рис. 2. Влияние скорости протока питательной среды на показатели процесса культивирования молочнокислых бактерий

СГ

*

и

н о о к

И

к н

И

о

Л

с

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

продуктивность

концентрация молочной кислоты в протоке концентрация глюкозы в протоке

120 100 80 60 40 20 0

100 200 300

скорость протока, мл/ч

400

(—1 и о

Л

с

£

Л

н о

ю ^

о

Рис. 3. Влияние скорости протока при непрерывном культивировании Ь. ратаеаъё

на основные показатели процесса

8

2

0

Сопоставление текущей концентрации биомассы в биореакторе с продуктивностью (рис. 4) показывает, что при увеличении продуктивности, обусловленном увеличением скорости протока, повышение концентрации биомассы также постепенно замедляется, что можно объяснить частичным лизисом биомассы в установившемся равновесном состоянии.

16

14

^ 12 я о ? 10

д 8

о

5! 6 о к

ю 4 2 0

0 2 4 6 8 10 12 14

продуктивность, г/л*ч

Рис. 4. Сопоставление текущей концентрации биомассы с продуктивностью процесса при непрерывном культивировании Ь. рагасаъе1.

Следует отметить, что повышение количества ростовых факторов (дрожжевого экстракта в подаваемой среде с 5 г/л до 15 г/л не привело к увеличению концентрации биомассы в мембранном биореакторе (данные не представлены). Данное обстоятельство свидетельствует в пользу того, что при проведении молочнокислого брожения в МБР можно снизить содержание экстракта в среде по меньшей мере в 3 раза по сравнению с периодическим процессом (с 15 г/л до 5 г/л), что важно для улучшения экономических показателей процесса и уменьшения содержания примесей в фильтрате куль-туральной жидкости и в получаемом полупродукте (молочной кислоты).

Учитывая большую продуктивность по сравнению с периодическим культивированием, снижение концентрации дрожжевого экстракта и меньшие затраты на очистку молочной кислоты, можно сделать вывод о перспективности использования мембранного биореактора для культивирования молочнокислых бактерий.

Настоящая работа подготовлена по результатам исследований, проведенных в рамках гранта Президента РФ для поддержки молодых российских ученых МК-6159.2013.4.

/

/

Библиографический список

1. Datta, R. Technology and economic potential of poly(lactic acid) and lactic acid derivatives / Datta, R., Tsai, S., Bonsignore, P., Moon, S. H., and Frank, J. H.// FEMS Microbiol. Rev.- 1995. - № 16. Р. 221-231

2. Wee, Y. J. Batch and repeated batch production of L(^)-lactic acid by En-terococcus faecalis RKY1 using wood hydrolyzate and corn steep liquor/ Y. J. Wee, J. S. Yun, , D. Kim, , H. W. Ryu, //J. Ind. Microbiol. Biotechnol. - 2006. -№ 33, Р. 431-435

3. R. Datta, Lactic acid: recent advances in products, processes and technologies—a review / Datta R., Henry M. J. Chem. Technol. Biotechnol. - 2006. -№, 81. - Р. 1119-1129

4. Низовкин В. К. Эбулиостатический метод определения редуцирующих сахаров / В. К. Низовкин, И.З. Емельянова // Журнал прикладной химии. 1959. Т. 32. № 11.С. 2516-2521

УДК 661.6.183

Е. В. Зенькова, К. С. Салюк. Руководитель В.Н. Клушин

Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, Москва, Россия

ВЛИЯНИЯ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ДОБАВОК НА СВОЙСТВА АКТИВНЫХ УГЛЕЙ, ПОЛУЧАЕМЫХ ИЗ ФРАГМЕНТОВ УТИЛЬНОЙ МЕБЕЛИ

Исследовано влияние ряда добавок в базовую сырьевую композицию массового состава (пенополиуретан:серная кислота):мука ДСП = (1:1,6):0,73 на технические характеристики и пористую структуру активных углей, получаемых методом парогазовой активации. Выявлен положительный эффект использования KOH.

The influence of a number of supplements to the basic raw material composition of mass composition (Polyurethane:H2SO4):Chipboard = (1:1,6):0,73 on the technical specifications and porous structure of active carbons, received by the method of gas-vapor activation. Identified positive effect of the use of KOH.