Біологічні науки. Мікробіологія

студент Пащенко К.А., доцент, к.б.н. Волошина О.С.

Національний університет харчових технологій, Україна

Біоутилізація гліцерину

В останні десятиліття у зв'язку з подорожчанням нафтопродуктів і погіршенням екологічної ситуації різко зростає інтерес до використання альтернативних джерел палива, одержуваних з рослинної сировини, таких як біодизельне паливо, яке широко використовується в США, Європа і країни Азії в якості екологічно чистого джерела відновлюваної енергії. Країни Європи планують довести до 2015 року частку використання біодизелю до 5,7% від загальної потреби в паливі, а це 12,8 млн. т. [2].

Відомо, що при виробництві біодизельного палива гліцерин є побічним продуктом. Зростання обсягу виробництва біодизельного палива відповідно збільшує і кількість побічного продукту. На кожні 10 кг біодизелю припадає приблизно 1 кг неочищеного гліцерину, що в рік, наприклад для Європи, складає більше 60 тис. т. В даний час ведуться інтенсивні пошуки способів переробки технічного гліцерину в 1,3-пропандіол, лимонну кислоту, еритритом та ін.

При виробництві біопалива одержують сирий гліцерин, як побічний продукт, 85% чистоти, що містить метанол, вільні жирні кислоти і солі (у невеликій кількості). Для харчової, косметичної, фармацевтичної промисловості та медицини необхідний гліцерин з ступенем очистки 99%, тому завданням біотехнології є підвищення ступеню очистки гліцерину.

Іншою проблемою є пошук дешевих способів переробки цієї хімічної сировини. Наприклад, біотехнологічна переробка гліцерину дозволяє отримати 1,3-пропандіол, який може бути використаний для отримання полімерів та інших органічних сполук.

На даний час ведуться розробки та пошук найбільш ефективних мікроорганізмів біотрансформації гліцерину з метою одержання
1,3-пропандіолу. Для біосинтезу можуть використовуватися як природні, так і генетично модифіковані мікроорганізми.

Найбільш поширеним є шлях отримання 1,3-пропандіолу з гліцерину, який відбувається за допомогою факультативно аеробних або облігатно анаеробних видів бактерій. Факультативно аеробна група включає мікроорганізми, що належать до родів Klebsiella, Citrobacter і Enterobacter. Також показано, що деякі молочнокислі бактерії, такі як Lactobacillus brevis, Lactobacillus buchneri здатні виробляти 1,3-пропандіол з гліцерину, при культивуванні на субстраті, що містить глюкозу або фруктозу в анаеробних умовах.

Штам Klebsiella pneumoniae за періодичного способу культивування інокулювали в поживне середовище, що містить 20 г/л сирого гліцерину. Після ферментації концентрація 1,3-пропандіол в ферментативному середовищі становить 63,2 г/л. Вихід 1,3-пропандіолу складає 0,60 моль/л, а продуктивність – 1,1 г/л за год. [2].

Виділений з ґрунту штам Clostridium butyricum, утилізує гліцерин при рН від 6,0 до 7,5 (оптимум 6,5). В процесі ферментації від’ємно-доливним методом 110 г гліцерину метаболізується в 56 г 1,3-пропандіолу протягом
29 год. Початкова концентрація гліцерину в середовищі становить 5%. При періодичному культивуванні C. butyricum в середовищі, що містить гліцерин та глюкозу продуктивність штаму значно збільшується, оскільки 92-93 % гліцерину трансформується в 1,3-пропандіол [1].

Генетично модифікований штам C. acetobutylicum при безперервному культивуванні здатний продукувати 60 г/л 1,3-пропандіолу з гліцерину, молярний вихід складає 0,64 моль/л з продуктивністю 3 г/л за год.

У бактерії Еnterobacter agglomerans максимальна продуктивність біотрансформації складає 0,61 моль 1,3-пропандіолу на 1 моль гліцерину при початковій концентрації субстрату від 71 до 100 г/л. При більш низькій концентрації (20 г/л) продуктивність знижується до 0,51 моль.

Біотрансформація гліцерину в 1,3-пропандіол культурою Сitrobacter freundii оптимізується в умовах безперервного процесу ферментації, при цьому найбільша продуктивність спостерігається в умовах ліміту по субстрату (гліцерину). Концентрація 1,3-пропандіолу становить 36 г/л [1].

При використанні штаму Escherichia coli в середовищі з гліцерином та глюкозою, час ферментації складає 40 годин. Концентрація 1,3-пропандіолу при цьому становить 104,4 г/л, продуктивність 2,61 г/л за год. [3].

Література:

1. Дирина Е.Н., Винаров А.Ю., Быков В.А. Проблемы и перспективы разработки биотехнологии утилизации отходов производства биодизеля из растительного сырья // Сельскохозяйственная биология, 2008. – №3. – С. 24–32.

2. А. с. 2404248, МКИ С 1 2 Р 7 / 18. Способ производства
1,3-пропандиола с использованием сырого глицерина. / Лиу Хоньджуан; Сан Ян; Лиин Рихуи. – Опубл. 07.12.2006.

3. Fenghuan Wang, Huijin Qu, Dawei Zhan. Production of 1,3-propanediol from Glycerol by Recombinant E. coli Using Incompatible Plasmids System // Mol. Biotechnol, 2007. – №37. – С. 112–119.