Химия и химическая технология/6. Органическая химия

Д.т.н. Нагорнов С.А., к.х.н. Романцова С.В., к.т.н. Корнев А.Ю.,

Мещерякова Ю.В., Ерохин И.В.

Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве, Россия

Условия культивирования и экстракции

триацилглицеринов микроводоросли Chlorella vulgaris

Микроводоросли занимают особое место среди представителей альгофлоры. В настоящее время путём переработки альгомассы получают диетические пищевые продукты, фармакологические препараты с широким спектром терапевтического действия, радиопротекторы. Альгологизация почв с использованием зелёных и сине-зелёных водорослей способствует пополнению запасов гуминовых кислот и повышению урожайности сельскохозяйственных культур. Как фототрофные организмы, микроводоросли обогащают водную среду кислородом, ускоряя процессы окисления вредных веществ сточных вод птицефабрик, ферм, предприятий пищевой промышленности. Кроме того, альгомасса удовлетворяет требованиям, предъявляемым к возобновляемому растительному сырью, используемому для производства биотоплив.

Микроводоросли используются для производства биотоплив третьего и четвёртого поколений. Концепция получения биотоплива четвёртого поколения ещё только разрабатывается. Предполагается генетическая модификация отдельных штаммов водорослей, в результате которой они будут конвертировать углекислый газ непосредственно в готовое топливо: углеводороды (что не решит вопрос о возникновении канцерогенных продуктов и сажи в отработанных газах) или спирты.

Технологии синтеза биотоплив третьего поколения в настоящее время активно разрабатываются. Здесь также существует несколько направлений использования альгомассы. Специально выращенные водоросли можно подвергнуть пиролизу с получением смеси углеводородов, близких к современным нефтяным топливам, но более экологичным направлением является синтез спиртов и биодизельного топлива.

Биодизельное топливо синтезируется по реакции переэтерификации триацилглицеринов, продуцируемых микроводорослями:

СН₂(ОСОR)–СН(ОСОR¢)–СН₂(ОСОR²) + 3 CH₃OH ® RCOOСH₃ + R¢COOСH₃ + R¢¢COOСH₃ + СН₂(ОH)–СН(ОH)–СН₂(ОH)

где R, R¢, R² – радикалы высших алифатических, преимущественно непредельных карбоновых кислот, присутствующих в молекулах триацилглицеринов.

В результате реакции наряду с глицерином, как побочным продуктом, образуется смесь метиловых эфиров высших карбоновых кислот, которую можно использовать в качестве топлива для дизельных двигателей. Сложные эфиры биодизельного топлива по сравнению с углеводородами нефти обладают лучшими смазывающими свойствами, такое топливо менее опасно при хранении, при его сгорании практически не образуются соединения серы и канцерогенные углеводороды [1-2]. Для протекания реакции требуются те же условия, что и для синтеза биодизельного топлива на основе растительного масла [3-5].

Объектом наших исследований служил штамм пресноводной микроводоросли Chlorella vulgaris ИФР № С-111. Данный штамм может стать перспективным источником триацилглицеринов, поскольку он не требователен к питательной среде и обладает высокой продуктивностью.

Биомасса хлореллы подвергалась экстракции в аппарате Сокслета. Экстрагентом является хлороформ, после отгонки которого получалась фракция триацилглицеринов, анализировавшаяся затем методом жидкостной хроматографии. Анализ результатов исследований показал, что основным компонентом в составе триацилглицеринов Chlorella vulgaris ИФР № С-111 является миристиновая кислота (51,9%). Количество олеиновой, линоленовой и линолевой кислот составило 19,8 %, 12,4 % и 8,9% соответственно.

Для культивирования исходного штамма Chlorella vulgaris ИФР № С-111, в котором содержалось около 3 млн. кл./мл, нами использовалась установка объёмом 20 литров, представляющая собой цилиндрический открытый фотобиореактор. В качестве питательной среды использовалась стандартная среда Тамия. Обеспечивалось постоянное снабжение суспензии микроводоросли воздухом и дополнительное перемешивание для интенсификации процесса фотосинтеза. Изучалось влияние на продуктивность микроводоросли следующих факторов: температура, освещённость, концентрация СО₂ и химический состав питательной среды.

Суспензию исследуемого штамма хлореллы выращивали при 15, 25, 35 и 40 ºС в течение трёх суток. Общее количество клеток в суспензии определяли с помощью метода прямого подсчёта в камере Горяева [6]. Показано, что при температуре культивирования 15 ºС число клеток хлореллы составило 5 млн. кл./мл, при повышении температуры до 25 ºС число клеток достигло 25 млн. кл./мл. Наилучшим является температурный диапазон 31…35 °С, поскольку именно при данной температуре отмечается максимальное количество клеток (55 млн. кл./мл). Дальнейшее повышение температуры приводит к снижению численности клеток микроводоросли.

Ещё одним важным фактором среды культивирования является освещение. В ходе эксперимента было показано, что в августе при солнечном освещении наблюдается максимальный прирост биомассы, но, начиная с сентября, необходимо использовать искусственное освещение для предотвращения потерь биомассы в связи с сокращением продолжительности светового дня. При использовании искусственного освещения наибольший прирост биомассы наблюдался при интенсивности 20…30 тыс. лк. Для освещения фотобиореактора можно использовать, например, люминесцентные лампы ЛХБ-20.

При увеличении плотности клеток появляется необходимость в увеличении мощности подачи углекислого газа. Установлено, что прироста биомассы выбранного штамма хлореллы в среднем на 30 % можно добиться увеличением концентрации СО₂ в реакторе в 2 раза.

При повышении содержания азотных компонентов в среде также в 2 раза наблюдается прирост биомассы в среднем на 45 %. При сокращении концентрации данных соединений рост хлореллы замедляется.

Однако использование альгомассы для производства биодизельного топлива требует не просто увеличения продуктивности микроводорослей. Необходимо культивирование альгомассы с заданными свойствами, в данном случае с высоким содержанием триацилглицеринов. Но одновременное достижение высоких выходов общей биомассы и триацилглицеринов при выращивании микроводорослей труднодостижимо. Интенсивный рост альгомассы требует оптимальных условий, но интенсификация биосинтеза и накопления триацилглицеринов достигается путём создания физиологического стресса (например, обеднение питательной среды по азоту и/или фосфору; облучение ультрафиолетом; осмотический стресс и др.). Дальнейшую оптимизацию условий культивирования хлореллы необходимо направить на увеличение продукции клетками микроводоросли липидных компонентов.

Литература:

1. Марков В.А., Девянин С.Н., Нагорнов С.А. Работа транспортного дизеля на смесях дизельного топлива и метилового эфира подсолнечного масла. // Транспорт на альтернативном топливе. 2013. № 3 (33). С. 56-62.

2. Улюкина Е.А., Нагорнов С.А., Романцова С.В. Cвойства биотоплив растительного происхождения // Наука в центральной России. 2014. № 2 (8). С. 62-69.

3. Нагорнов С.А., Романцова С.В., Дворецкий С.И., Таров В.П., Рязанцева И.А., Малахов К.С. Исследование кинетики процесса метанолиза при переработке растительного сырья в биотопливо. // Вестник Тамбовского государственного технического университета. Т. 15. 2009. № 3. С. 572-580.

4. Дворецкий С.И., Зазуля А.Н., Нагорнов С.А., Романцова С.В., Рязанцева И.А. Производство биодизельного топлива из органического сырья // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского. Специальный выпуск (39), 2012. С. 1-10.

5. Зазуля А.Н., Романцова С.В., Левин М.Ю. Синтез компонента дизельного топлива, улучшающего его экологические характеристики // Наука в центральной России, 2014. № 4(10). С. 27-33.

6. Методы физиолого-биологического исследования водорослей в гидро-биологической практике /Л.А. Сиренко и др. Киев: Наукова думка, 1975. 247с.