Сергеева Я.Э.¹, Галанина Л.А.¹, Ивашечкин А.А.¹,

Лунин В.В.², Феофилова Е.П.¹

1 – Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН,

г. Москва, ул. 60-летия Октября, д. 7, корп. 2.

2 – Московский Государственный Университет, Химический факультет,

г. Москва, Ленинские горы, д.1, стр.3.

Производство биодизеля на основе инновационной биотехнологии и получение активного посевного материала

В настоящее время не вызывает сомнений тот факт, что объемы ископаемых топлив – нефти и газа – существенно ограничены, и их добыча с каждым годом становится все дороже. Предполагают, что потребности в углеводородном сырье стабилизируются и пойдут на убыль уже в ближайшие годы за счет возобновляемых биотоплив. Среди последних наибольший интерес по прогнозам должны представить биодизель и биоспирты – этанол и бутанол. Следует особо отметить, что развитие работ в области новых биоресурсов обеспечивает, кроме независимости от ископаемых топлив, экологическую чистоту и отсутствие необходимости в использовании системы с экстремально высокими плотностями энергии [1].

В Институте микробиологии РАН совместно с Химфаком МГУ создана биотехнология получения биодизеля на основе возобновляемого топлива – липидов мицелиальных грибов. Продуцентом является уникальный микромицет – мукоровый гриб Cunninghamella japonica, способный образовывать до 50% триацилглицеринов. Процесс в лабораторных условиях проводится на круговой качалке, вращающейся со скоростью 220 оборотов в минуту при температуре 27-28⁰С, в колбах объемом 250 мл с 50 мл среды. Выращивания биомассы гриба продолжается в течение 4-5 суток. Посевным материалом служат споры гриба, полученные методом твердофазного культивирования. Среда выращивания содержит в качестве источника азота нитрат аммония, в качестве источника углерода – глюкозу, которую в дальнейшем можно заменить на отходы от картофельных и других сельхозпроизводств. Выход биомассы – 112 г/л среды (вес сырого мицелия) и 16 г/л среды (вес сухого мицелия). Содержание липидов в биомассе - 46-50% , в 1 литре среды содержится 7 г. липидов. Анализ жирных кислот показал, что преобладающей кислотой является моноеновая олеиновая кислота, степень ненасыщенности липидов – 1,0, йодное число – 86,6, теплотворная способность липидов 37,45 МДж/кг (теоретически рассчитанная), практически определенная составила 37,20 МДж/кг. В составе липидов преобладают триацилглицериды, составляющие более 90%. Проведено сравнительное изучение состава липидов мукорового гриба C. japonica VKM F-1204 (-) и масла рапса Brassica napus. Преобладающей фракцией нейтральных липидов, как у рапса, так и у гриба являются ТАГ, Основные характеристики биодизельного топлива на основе липидов грибов и масла рапса по сравнению с дизельным топливом представлены в табл.1.

Табл.1. Основные характеристики биодизельного топлива.

Источник	Йодное число	Цетановое число	Теплота сгорания (МДж/кг)	Источник
Дизельное топливо	¾	47	45.3	[2]
Биодизель (EN 14214)	не более 120	не менее 51	не менее 35	[2]
Brassica napus	94-120	44-65	37.38	[3,4,5]
	114.9	51.74	37.31	[6]
Cunninghamella japonica VKM F-1204 (-)	90.81	55.68	37.27	[6]

Следует отметить, что важнейший показатель – низшая теплота сгорания биодизеля на основе липидов гриба, была определена экспериментально (в РГГУ нефти и газа им. И.М.Губкина) и составила 37.13 МДж/кг. Таким образом, основываясь на приведенных результатах (табл.1) и литературных данных, можно сказать, что биодизель, полученный на основе липидов мукорового гриба C. japonica, по ряду важнейших показателей соответствует требованиям европейских стандартов для биодизеля и аналогичен наиболее широко используемому в странах ЕС биодизелю на основе рапсового масла.

В настоящее время биотехнологии грибных производств имеют в качестве основной составляющей подготовку активного спорового посевного материала и разработку способов его сохранения для проведения целевых ферментаций. В современных опытно-промышленных регламентах (ОПР) обычно указывается процент всхожести посевного материала, но практически до сих пор не приводятся данные о типе покоя спор, активаторах прорастания и возрастной активности спорового посевного материала. Между тем, эти данные позволяют значительно увеличить выход конечного продукта. В последние годы в инновационной биотехнологии за рубежом все чаще используют активаторы прорастания спор или ингибиторы этого процесса, что позволяет более тонко управлять ферментационным процессом и влиять, таким образом, на его стоимость.

Поэтому следующим этапом исследований по созданию биодизеля была отработка методов получения активного посевного материала. С этой целью был определен тип покоя спор продуцента, влияние экзогенных соединений – стимуляторов прорастания, установлен возраст спорового посевного материала, обеспечивающий наибольший выход липидов, и влияние трегалозы на липогенную активность продуцента.

В результате исследований установлено, что для активного прорастания и прохождения первой фазы прорастания спорам C. japonica необходима только вода, причем практически все споры прорастают в течение 2-3 часов, т.е. споры этого гриба имеют типичный экзогенный покой. В качестве посевного материала следует использовать 7-суточные споры продуцента, причем обнаружена положительная корреляция между уровнем липидов в спорах и выросшем из них мицелии, т.е. наиболее активным посевным материалом являются споры, имеющие наиболее высокий уровень липидов. Добавление трегалозы в количестве 1% в ферментационную среду стимулирует процесс липогенеза и увеличивает выход конечного продукта в среднем на 8-10%. Таким образом, активируя посевной материал, т.е., используя предварительное культивирование посевных спор в воде перед внесением в ферментационную среду, 7-ми суточные посевные споры и введение экзогенной трегалозы в среду выращивания можно увеличить выход конечного продукта в среднем на 10-12%.

Список литературы:

1. C.Д. Варфоломеев, Биотоплива – энергоносители из возобновляемого сырья // Катализ в промышленности, 2010, № 5, с. 8-11.

2. Apendix B: Biodiesel Standarts // The Biodiesel Handbook / Eds. Knothe G., Gerpen J.V., Krahl J. Illinois: AOCS Press, 2005, p. 278-285.

3. Семенов В.Г., Зинченко А.А. Вычисление теплоты сгорания биотоплив по данным калориметрии и хроматографии // Химия и технология топлив и масел, 2006, № 6, с. 42-44.

4. Bamgboye A.I., Hansen A.C. Prediction of cetane number of biodiesel fuel from the fatty acid methyl ester (FAME) composition // Int. Agrophysics, 2008, V. 22, p. 21-29.

5. The Lipid Handbook, 1^st ed. / Eds. Gunstone F. D., Harwood J. L., Padley F. B. London: Chapman and Hall, 1986, 886 p.

6. Сергеева Я.Э., Галанина Л.А., Андриянова Д.А., Феофилова Е.П. Липиды мицелиальных грибов как основа для получения биодизельного топлива // Прикладная биохимия и микробиология, 2008, Т. 77, № 5, с. 576-581.