Химия. Эконология. Биотехнология

использовали водные растворы NaOH и Na2S (для сульфатной варки) и водный раствор NaOH (для натронной варки). Флокулянт добавляли в варочный щелок в виде водного раствора.

На основании предварительных исследований для варок использовали катионоактивный флокулянт Праестол 854 ВС (таблица).

Результаты сульфатной и натронной варок целлюлозы

Из данных таблицы видно, что показатели механической прочности сульфатной целлюлозы улучшились при использовании флокулянта: разрывная длина увеличилась более чем на 10 %, сопротивление излому и раздиранию – примерно на 30 %.

Натронная целлюлоза, полученная в присутствии добавки, по показателям прочности значительно приблизилась к сульфатной целлюлозе, полученной обычной варкой. Разрывная длина данного образца увеличилась более чем на 15 %, сопротивление излому – более чем на 70 %, сопротивление раздиранию – почти на 20 % в сравнении с показателями целлюлозы, полученной натронной варкой без добавки.

Таким образом, использование при щелочных варках флокулянта Праестол 854 ВС является эффективным для повышения выхода и прочности целлюлозы.

61

elib.pstu.ru

УДК 634.0.863

М.Е. Митракова, М.В. Постникова

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

РАЗРАБОТКА СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ БИОЭТАНОЛА ИЗ МАКУЛАТУРНОГО СЫРЬЯ

Лигноцеллюлозную древесную биомассу можно рассматривать в качестве источника сырья для производства биоэтанола, так как она является широко распространенной и достаточно дешевой в сравнении с зерном или плодами растительных культур. Для производства биоэтанола кроме древесины, соломы и других целлюлозосодержащих растений представляет интерес вторичное волокнистое сырье, макулатура.

Макулатура – это бывшие в употреблении бумажные и картонные изделия или печатная продукция из бумаги и картона, а также отходы их производства и переработки. Макулатурное сырье может быть источником сахаров, необходимых в производстве биоэтанола.

Скорость накопления макулатуры значительно превышает объем ее использования, поэтому она представляет большой интерес как экономически доступное сырье для получения глюкозы, дальнейшего получения биоэтанола, биобутанола и других полезных продуктов.

При многократном использовании макулатурного сырья в процессах производства картона и бумаги происходят деструктивные изменения с вторичными макулатурными волокнами, что отрицательно влияет на бумагообразующие свойства вторичных волокон и приводит к необходимости выводить из производственного цикла ту часть волокон, которая не представляет интереса для производства бумаги. Такая волокнистая макула-

62

elib.pstu.ru

турная масса может быть благоприятной для последующего ферментативного гидролиза в производстве биоэтанола.

Вданной работе был изучен вопрос подготовки макулатурного сырья (картонная тара и газетная макулатура) к кислотному и ферментативному гидролизу. Установлено, что перед гидролизом макулатурное сырье должно пройти несколько операций: измельчение, разволокнение в водной среде с добавкой

реагентов (2 % NaOH + 0,5 % H2O), подмол и термообработку в щелочной среде при температуре 90–120 °С.

Врезультате такой подготовки макулатурного сырья из него были получены образцы волокнистых полуфабрикатов, характеристика которых приведена в таблице. Выход полуфабриката (т. о.) из картонной макулатуры составлял 82,3–93,5 %, а из газетной макулатуры – 85,2–87,5 %. Содержание основных компонентов в полученном полуфабрикате: лигнина 7,6–10,1 %, целлюлозы 52,3–58,1 %, пентозанов 9,8–12,1 %. Осахаривание подготовленных образцов проводилось кислотным и ферментативным гидролизом. При кислотном использовался 1,5%-й рас-

твор H2SO4 при температуре 95–98 ºС. При этом были получены гидролизаты с содержанием редуцирующих сахаров 2,3–2,5 %, что вполне приемлемо для микробиологической переработки.

Характеристика образцов волокнистых полуфабрикатов из картонной (газетной) макулатуры

63

elib.pstu.ru

При ферментативном гидролизе макулатурного сырья были использованы ферменты «Целлюлозим ультра» и «Целлолюкс F», целлюлозная активность которых составляла 519,7 ед/г и 2000 ед/г. Условия ферментативного гидролиза: рН 4,7 (0,1 М ацетатный буфер), концентрация субстрата 10 г/л. Ферментативную гидролизуемость полученного субстрата на основе макулатурного сырья определяли по накоплению редуцирующих сахаров в гидролизате в течение 4 сут. Были получены ферментолизаты с содержанием РВ 3,8–5,0 мг/см3(×10–2). Установлено, что для ферментативного гидролиза может быть использована макулатура из картона и газетная макулатура.

В работе были использованы физико-химические методы анализа (ИК-фурье-спектроскопический анализ, рентгенофазовый анализ, микроскопия, гранулометрический анализ) для характеристики исходного макулатурного сырья и полученного из него волокнистого полуфабриката.

Таким образом, проведенное исследование показало, что для использования макулатуры из картона и газетной макулатуры в качестве лигноцеллюлозного материала в производстве биоэтанола необходимо: макулатурное сырье подвергать предобработке, включающей в себя роспуск, подмол и термообработку; промытый после термообработки макулатурный материал направлять на ферментативный или кислотный гидролиз для осахаривания; гексозные сахара, полученные ферментативным или кислотным гидролизом, сбраживаются на спирт (биоэтанол), неутилизированные пентозные сахара могут перерабатываться на дрожжи.

По результатам проведенного исследования разработана схема получения биоэтанола из макулатурного сырья.

64

elib.pstu.ru

УДК 634.0.861

А.П. Павлова, М.В. Постникова

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРНОЙ УПОРЯДОЧЕННОСТИ ДРЕВЕСИНЫ БЕРЕЗЫ В ПРОЦЕССЕ ЕЕ ПОДГОТОВКИ К ФЕРМЕНТАТИВНОМУ ГИДРОЛИЗУ

Древесина – это возобновляемый и легкодоступный источник органического сырья растительного происхождения. Древесная биомасса имеет сложное строение и состоит из целлюлозы, лигнина, гемицеллюлоз, экстрактивных веществ и неорганических примесей. Гемицеллюлозы и лигнин имеют аморфную структуру, а целлюлоза – аморфно-кристаллическую. Макромолекулы гемицеллюлоз и лигнина располагаются между фибриллами целлюлозы и скрепляют их, образуя лигноцеллюлозный комплекс.

Древесина является сырьем не только для производства бумаги, но и для получения различных продуктов: эфиров целлюлозы, этанола, глюкозы, ксилозы, фурфурола и других органических соединений. Большой интерес представляет получение этанола для использования его в качестве экологически безопасного топлива. Частью процесса получения биоэтанола из растительного сырья является ферментативная конверсия лигноцеллюлозы в растворимые сахара. Использование ферментативного гидролиза растительного сырья является перспективным, потому что позволяет в мягких условиях получить гидролизаты без токсичных примесей и с высоким выходом редуцирующих веществ. Реакции ферментативного гидролиза, как правило, протекают в аморфных участках целлюлозного волокна и на поверхности кристаллических участков. Фактором, замедляющим процесс ферментативного гидролиза древесины,

65

elib.pstu.ru

является кристалличность целлюлозы и наличие гемицеллюлоз

илигнина, затрудняющих доступ ферментов к целлюлозным волокнам. Поэтому для нарушения структуры целлюлозы и удаления лигнина и гемицеллюлоз необходимо проводить предварительную подготовку древесного сырья.

Вданной работе изучено влияние предобработки на структуру древесного сырья и его реакционную способность при ферментативном гидролизе. В качестве обработки древесного сырья использовался разработанный нами метод, включающий в себя щелочную перекисную делигнификацию волокнистого материала, полученного легким размолом гидролизованных и пропитанных едким натром опилок. Данным методом были получены образцы волокнистого целлюлозного материала с выходом 53–58 % от абсолютно сухой древесины и содержанием в нем целлюлозы 79–85 %, лигнина 6,2–7,0 %. Для выявления изменений в структуре и составе березовой древесины после обработки нами был проведен ИК-спектроскопический анализ исходных и полученных образцов. В ИК-спектрах обработанных образцов

можно наблюдать одновременное снижение интенсивности полосы «кристалличности» (1421 см–1) и незначительное повышение интенсивности полосы «аморфности» (897 см–1). Это свидетельствует о том, что предобработка способствует разрыхлению структуры древесины.

С целью определения степени кристалличности древесины

иизучения влияния предобработки на упорядоченность структуры сырья был проведен рентгенофазовый анализ образцов березовых опилок до и после обработки. На полученных рентгенограммах четко выражен пик при угле дифракции 2θ ≈ 22°, который характеризует долю регулярно упакованных молекул целлюлозы, и пики при углах дифракции 12,5 и 25°. Эти особенности объясняются аморфно-кристаллической структурой целлюлозосодержащего материала, а также химическими и межмолекулярными взаимодействиями целлюлозы с другими биополимерами: лигнином, гемицеллюлозами, пектинами. Индекс кристалличности характеризует долю регулярно упакован-

66

elib.pstu.ru

ных молекул целлюлозы в древесине. До обработки индекс кристалличности березовой древесины составляет 54,2 %, после окислительной перекисной обработки в разных условиях – 35,7 и 44,4 %. По полученным данным видно, что предобработка древесины сопровождается уменьшением индекса кристалличности твердого остатка, т.е. происходит разрушение кристаллической структуры целлюлозы. По результатам химических анализов обработка древесины приводит к гидролизу гемицеллюлоз и частичному удалению лигнина, значит, индекс кристалличности должен увеличиваться вследствие увеличения содержания целлюлозы в полуфабрикате. Возможно, уменьшение индекса кристалличности связано с более глубокой обработкой, т.е. выбранный метод обработки вызывает не только измельчение материала, но и сопровождается разрушением структуры древесины и деструкцией макромолекул целлюлозы.

Образцы исходного и обработанного древесного сырья были использованы в качестве субстрата для ферментативного гидролиза. Для эксперимента использовался ферментный препарат «Целлюлозим ультра». В гидролизате определяли содержание редуцирующих сахаров в течение 72 ч. По окончании гидролиза концентрация сахаров в гидролизате исходной древесины была равна 0,1 мг/мл, а в гидролизатах обработанных образцов березовых опилок составила 0,73 и 0,67 мг/мл. В отличие от исходной древесины обработанные образцы целлюлозного материала обладают большей реакционной способностью. Более активно происходит осахаривание массы в первом образце, что может быть связано с более низким значением индекса кристалличности (35,7 %) и меньшим содержанием лигнина (6,2 %).

Таким образом, можно говорить о повышении реакционной способности целлюлозосодержащего субстрата при ферментативном гидролизе в результате частичного удаления лигнина и гемицеллюлоз, а также изменения кристалличности целлюлозы. Исходя из проведенных опытов, можно сделать вывод, что предобработка должна максимально освободить лигноцеллюлозное сырье от лигнина и максимально разрыхлить волокна.

67

elib.pstu.ru

УДК 576.8

М.Н. Обирина, А.В. Виноградова

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ОБРАЗОВАНИЯ ПОЛИСАХАРИДОВ МИКРООРГАНИЗМАМИ В ПРОЦЕССЕ ИХ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ

В настоящее время полисахариды микроорганизмов широко используются в практике. Благодаря своим уникальным свойствам – способности к студеобразованию, эмульгированию, загустению, влагоудержанию и стабилизации они находят применение во многих отраслях промышленности, таких как фармацевтическая, пищевая, химическая, текстильная, а также в медицине, в гидрометаллургии, при добыче нефти, в сельском хозяйстве, в препаративной химии.

Полисахариды микроорганизмов в соответствии с локализацией делятся на внутриклеточные (полисахариды цитоплазматических мембран и клеточных стенок) и внеклеточные (полисахариды капсул, чехлов и свободной слизи). В техникоэкономическом плане предпочтительнее экзополисахариды, ибо масштабы их производства могут быть значительно шире. Экзогликаны легче отделяются от биомассы и образуются в значительно больших количествах.

Поскольку микроорганизмы являются неиссякаемым источником полисахаридов, поиск новых продуцентов и условий их культивирования, обеспечивающих максимальный выход продукта, является актуальной задачей биотехнологии.

Из природных источников методом накопительных культур с многократными пересевами на плотные среды выделен штамм, обладающий повышенным слизеобразованием. Глубинное культивирование проводили на жидкой среде Чапека в периодиче-

68

elib.pstu.ru

ских условиях на качалке при 150 об/мин и температуре 32 оС. Динамику накопления полисахаридов отслеживали по изменению вязкости.

В момент внесения микроорганизмов в жидкую питательную среду вязкость суспензии составляла η = 1,1 мПа/c. Заметное образование полисахаридов наблюдается через сутки культивирования, а через двое суток суспензия приобретает тягучесть, а ее вязкость увеличивается в 10–12 раз и составляет 12,7–13,4 мПа/с. Предварительное определение концентрации РВ после кислотного гидролиза полисахаридов составило 20 г/л.

При замене сахарозы в среде на углеводороды образования полисахаридов не наблюдалось.

Исследования продолжаются: отрабатываются режимные условия и подбирается оптимальная среда для интенсивного слизеобразования выделенной культурой.

УДК 579.66

Л.Н. Акбашева, Г.В. Смирнова, О.Н. Октябрьский

Пермский национальный исследовательский политехнический университет,

Институт экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН, г. Пермь

ВЛИЯНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ НА РОСТ БАКТЕРИЙ ESCHERICHIA COLI В УСЛОВИЯХ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО СТРЕССА

Любой организм, многоклеточный или одноклеточный, являясь частью живой материи, обладает всеми ее свойствами, а значит, является открытой системой, т.е. обменивается с окружающей средой – веществами, энергией и информацией. В процессе метаболизма неизбежным побочным продуктом аэробного

69

elib.pstu.ru

дыхания является образование активных форм кислорода (АФК), поскольку супероксидный анион (O2– ) и пероксид (H2O2)

формируются каждый раз, когда молекулярный кислород окисляет переносчики электронов. Значительное увеличение продукции АФК приводит к окислительному стрессу. АФК оказывают токсическое и мутагенное действие на все виды клеток вследствие окислительного повреждения мембранных липидов, белков и ДНК, что приводит к сердечно-сосудистым, глазным и нервно-дегенеративным болезням, раковым заболеваниям. Одним из факторов, усиливающих окислительный стресс, является присутствие тяжелых металлов. В связи с этим важно изучить их влияние на токсичность АФК. В частности недостаточно полно изучена способность такого тяжелого металла, как кобальт, вызывать окислительные повреждения в биомолекулах. В то же время этот элемент широко используются в ядерной энергетике, авиации и космонавтике, силикатных производствах и металлургии и является отходом многих производств. Хотя кобальт – один из микроэлементов, жизненно важных для всех организмов, его избыток вреден для человека и может вызвать такие заболевания, как острая и хроническая интоксикация: литейная лихорадка, ринофаринголарингит, хронический бронхит, пневмосклероз и др.

В большинстве исследований токсическое действие тяжелых металлов изучается в отсутствие других компонентов. В то же время в естественных условиях (очистные сооружения, водоемы, продукты питания и т.д.) бактерии, как и другие организмы, подвергаются комбинированному воздействию токсических веществ. Исходя из этого целью настоящей работы явилось изучение влияния кобальта на скорость роста и экспрессию антиоксидантных генов в присутствии пероксида. В качестве биологического объекта были использованы бактерии Escherichia coli

NM 3021 (BW25113 (wt) + katG-lacZ), выращенные на мине-

ральной среде М-9 с добавлением 0,4 % глюкозы, 0,2 % казаминовых кислот и 10 мкг/мл тиамина. Будучи хорошо изученными в биохимическом и генетическом плане, бактерии Escherichia

70

elib.pstu.ru