Анаеробних биокаталитических ТРАНСФОРМАЦІЯ триптофан і ВІДХОДІВ ЙОГО мікробіологічного синтезу
ВІСНИК КРСУ / № 4, 2002 г.
УДК 547.7.757: 663.18 (575.2) (04)
Conversion of tryptophane and wastes of its microbial synthesis, such as cultural liquid, mother liquor of crystallization, worked activated coal, into biogas was considered. It is shown, that anaerobic methanogenic conversion of amino-acids microbiological synthesis waste is perspective from point of view of environmental protection and additional obtain-ing of energy carriers and valuable products.
L-триптофан - незамінна амінокислота з великим спектром дії [1-7]. Він бере участь в підтримці азотистого рівноваги в обмінних процесах, актах збудження і гальмування, а також трансформації одного виду енергії в інший. Утворюється з триптофану нікотинова кислота є важливим компонентом в енергетичному обміні.
L-триптофан регулює функцію ендокринного апарату, що попереджає анемію, що регулює кров'яний тиск, що відповідає за синтез гемоглобіну.
Особливе значення ця амінокислота має у фармакології, де вона і її похідні застосовуються в якості інгредієнтів багатьох лікарських засобів. При таких важких захворюваннях, як рак, туберкульоз, діабет триптофан сприяє нормальному функціонуванню різних систем організму. Недолік його у людини і тварин веде до розвитку пелагри, поразці зубів, помутніння рогівки очей, катаракти.
Встановлено, що у пацієнтів, що мають активну форму депресії, спостерігається знижений рівень триптофану в плазмі. Припускають, що ця амінокислота стимулює секрецію інсуліну, який в свою чергу активізує синтетазу жирних кислот в печінці.
L-триптофан міститься в препаратах, які відновлюють функції мозку. Відомо, що в зонах підвищеної радіації і впливу сонячного світла та при лікуванні променевої хвороби вживання їжі, збагаченої L-триптофан, підвищує рівень серотоніну і знімає такі негативні наслідки, як геморагічний синдром.
Триптофан використовується як антиокислювач харчових масел і жирів, в якості загального підвищення калорійності їжі, особливо що містить бобові та кукурудзу.
Наведена коротка інформація про значення і застосування триптофану свідчить про важливість розвитку досліджень по отриманню L-форми амінокислоти. Бібліографічний пошук показує, що в багатьох державах переважне поширення зазначеної модифікації триптофану належить мікробіологічному синтезу.
У Азіатському регіоні провідне місце займають фірми Showa Denko, Mitsui Toatsu Chemical, які, придбавши контрольний пакет акцій американської фірми Diamond Shamrock, випускають тріптофансодержащую продукцію різного призначення.
В Японії фірма Kyowa Hakko Ajinomoto виробляє L-триптофан для медичних і харчових цілей з використанням штамів мікроорганізмів, які працюють на низькомолекулярних субстратах.
У Киргизстані в рамках Державних науково-технічних і Цільових Комплексних програм СРСР співробітники ВНІІгенетіка і фахівці Бішкекського заводу антибіотиків створюють унікальне дослідно провадження у мікробіологічному синтезу L-триптофану. На основі лабораторного регламенту вони відпрацьовують технологію і випуск амінокислоти методом глибинного вирощування штаммапродуцента Bactilis subtilis на мелассного середовищах.
Технологія отримання амінокислоти є послідовний ряд операцій, до яких відносяться ферментація, обробка культуральної рідини коагулянтами, виділення амінокислот з нативного розчину за допомогою іонообмінних смол, концентрування розчинів і очищення технічного продукту освітлюючими активованими вугіллям [8].
Необхідно відзначити, що мікробіологічний синтез амінокислот пов'язаний з істотним витратою води і утворенням значних кількостей рідких і твердих відходів. Беручи до уваги, що у виробництві L-триптофану необхідно дотримуватися жорсткий санітарно-гігієнічний режим, створення малоотходной технології є однією з актуальних проблем.
За регламентом всі види відходів, включаючи рідкі стоки, збирають, зневоднюють. Сухий шлам знезаражують, затарюють у мішки для подальшого поховання.
При виділенні L-триптофану рідкі стоки утворюються за рахунок промивних вод виробничого обладнання, стадії іонообмінної хроматографії, маточників кристалізації, некондиційних розчинів посівного матеріалу і культуральної рідини. Знезараження значних обсягів стоків (більше 1 м3 на 1 кг цільової амінокислоти) створює додаткові фінансові витрати, що відбиваються на собівартості триптофану.
Диференційовані стоки, як показали дослідження хімічного складу, можуть служити сировиною для вторинної переробки. З огляду на, що скидаються стоки мають температуру вище 40oС, їх можна розглядати як готовий вихідний субстрат для проведення процесу метаногенеза органічної речовини.
Викидні опади біомаси продуцентів амінокислот, що утворюються на стадії теплової та хімічної обробки культуральної рідини, і відпрацьовані активоване вугілля зі стадії освітлення технічного продукту так само, як і каналізаційні стоки мають температуру 40-60oС, що служить позитивним фактором на користь анаеробного зброджування органічної речовини цього виду сировини метаногенів консорціумом мікроорганізмів.
Оскільки у всіх видах відходів присутній триптофан, представляло інтерес дослідити параметри биоконверсии в термофільному домінуючою амінокислоти. Розкладання триптофану в біореакторі протягом 552 ч (23 діб) показано на малюнку.
Споживання амінокислоти метаногенів консорціумом мікроорганізмів, тобто практично повне розкладання триптофану, як видно на малюнку, відбувається протягом 18 діб і виході біогазу понад 10 мМ.
На підставі досліджень встановлено, що цей процес відбувається спочатку з розкладанням лінійного ланцюга, а потім деградації ароматичного кільця амінокислоти [9-11].
Накопичення біогазу та конверсія амінокислоти
при анаеробної мікробіологічної конверсії триптофану.
Оскільки в рідких відходах вміст органічних речовин (ОВ) може змінюватися в залежності від кількості некондиційних розчинів культуральної рідини і маточників кристалізації триптофану в умовах виробництва, стоки, одержувані від регламентних стадій виділення амінокислот розглядають як технологічні каналізаційні. Про кількість ОВ в цих стоках, а їх всього 9 видів, судять за показниками біологічного (БПК) і хімічного (ГПК) споживання кисню. Високі значення цих двох показників спостерігаються у промивних вод ионита ІА-1 після сорбції та в стоці після промивання виробничого обладнання, відповідно для першого 300 і 400 і другого - 975 і 1400 мгО2 / л.
Як уже зазначалося, технологічні стоки збирають в один збірник, після усереднення і взаємної нейтралізації у них показники БПК і ХПК наближаються до нормативного вимогу і становлять 392-420 і 560-580 мгО2 / л. Біоконверсія таких стоків протягом 1500 год в термофільному показала, що через 750 ч процес утворення метану виходить на стабільний режим, а отриманий трансформований розчин не вимагає подальшого знезараження, так як є екологічним рідким біодобрива. У плані охорони навколишнього середовища метаногенеза такого стоку дозволяє виключити з технологічного циклу стадію стерилізації, висушування і поховання шламу. Реалізація нового виду продукції - добрива - суттєво позначається на підвищенні загальної рентабельності виробництва [12].
Біоконверсія трапних операцій культуральних рідин (ЯЖ), маточників кристалізації (МК) і їх сумішей показала, що при часу обороту реактора 552 ч ступінь конверсії органічних речовин становить 48,0; 21,6 і 34,8% (табл. 1).
Для зіставлення результатів трансформації рідких відходів показники по виходу біогазу і ступеня конверсії віднесені до єдиного компоненту - органічних речовин. Різна ступінь конверсії, як видно з табл. 2, очевидно, може трактуватися особливостями метаногенеза триптофану та інших органо домішок, що містяться в даних субстратах (табл. 2).
Проведені дослідження свідчать, що анаеробна обробка зазначених рідких відходів метаногенів консорціумом мікроорганізмів у виробничому циклі прийнятна і економічно виправдана, так як температура продуктів, що викидаються становить 40-60oС, і для них немає необхідності проводити додатковий нагрів для здійснення процесу метаногенеза.
Таблиця 1
Розрахункові показники конверсії відходів триптофану
Вид відходу Зміст речовин,% Вихід біогазу,
л / г ОВ Конверсія
ОВ,% сухих органічних ЯЖ триптофану 10,2 90,5 0,387 48,0 Маточник кристалізації (МК) 35,4 88,0 0,154 21,6 Суміш ЯЖ + МК 22,8 89,3 0,270 34,8
Таблиця 2
Конверсія відпрацьованих активних вугіль
виробництва триптофану (временя утримування - 23 діб)
Зміст,% Перетворення речовини в біогаз,% органічного
речовини (ОВ) вуглецю азоту вихідне на вугіллі конвертовано КГ 90,91 92,75 2,87 4,94 4,45 90,1
У триптофанового виробництві великі проблеми пов'язані з утилізацією опадів біомаси продуцентів триптофану (ОБПТ) і відпрацьованих осветляющих активованого вугілля.
Раніше нами була запропонована технологія розкладання ОБПТ методом електродіаліз з іонообмінними мембранами і розроблені робочі креслення для проточної пілотної установки. Економічний ефект даної пропозиції в порівнянні з існуючим методом поховання становить понад 387 тис. Сом [13,14].
Великомасштабна реалізація біогазової технології у виробництві триптофану вимагає з'ясування ступеня конверсії ОВ названих продуктів.
Біоконверсія відпрацьованого активованого вугілля в мікробіологічному синтезі триптофану, на наш погляд, обумовлена самою технологією використання осветляющих активованого вугілля. В умовах виробництва відпрацьований вугілля являє собою гарячу масу, яка за регламентом висушується і відправляється на утилізацію. При цьому необхідно враховувати, що при сушінні вугілля разом з вологою десорбується значна кількість забруднень і відбувається додаткову витрату енергоносіїв.
Дослідження по биоконверсии відпрацьованих активованого вугілля триптофанового виробництва дозволяють зробити висновок, що при культивуванні термофільного природного метаногенів консорціуму на відпрацьованих вугіллі спостерігалася типова картина, характерна для конверсії чистого триптофану (табл.2).
При цьому значення коефіцієнта газифікації (КГ), обчислене з відношення суми виділилися метану і діоксиду вуглецю до органічній речовині, як видно з табл. 2, становить 90%.
Високий відсоток сорбованих речовин вугіллям, а також його дрібнодисперсного дозволяють розглядати процес біоконверсії в анаеробних умовах цього виду відходу економічно і екологічно більш вигідним.
Перетворення органічної речовини водної суспензії осаду біомаси продуцента триптофану при часу утримування 23 діб в термофільному метаногенів консорціумом мікроорганізмів, як показали дослідження, склало 61%, і цей показник значно вищий спостережуваного для розчинів ЯЖ (48%) і представленого в табл. 1.
Таблиця 3
Склад субстрату для анаеробної конверсії з суміші відходів осаду біомаси
продуцента триптофану і культуральної рідини
№опита Співвідношення компонентів,% Зміст речовини,% Культуральная
рідина Осад біомаси
продуцента Твердого Органічного 1 90 10 19,2 86,0 2 80 20 28,2 81,7 3 75 25 32,7 79,5 4 50 50 55,1 68,6 5 25 75 77,6 57,5
Більш високий показник деградації ОВ осаду біомаси продуцента триптофану, можливо, пов'язаний з вмістом в ньому фосфатів і пептидів, які виконують роль активують ростових домішок. Тому для порівняння було проведено метаногенеза ОБПТ в різному співвідношенні з розчином культуральної рідини (табл. 3).
Як і слід було очікувати, вихід біогазу (0.43 л / г) і ступінь конверсії ОВ (57,8%) були вище для суміші ОБПТ + ЯЖ в співвідношенні 75:25.
Таким чином, одним із шляхів екологічно виправданою утилізації відходів і знезараження стоків триптофанового виробництва може служити їх досить легко здійсненний метаногенеза, який здатний стати однією з альтернативних можливостей вторинного використання непридатних продуктів для випуску екологічного добрива, повторного використання тепла і додаткового отримання енергоносія у вигляді біогазу.
література
1. Котова Т.А., Волкова М.В. Успіхи в області виробництва і застосування амінокислот. - М.: ОНТІТЕІмікробіопром, 1983.
2. Садовникова М.С., Бєліков В.М. Застосування амінокислот в промисловості і фармакології. - М .: ОНТІТЕІмікробіопром, 1977. - 13 с.
3. Anderson PA, Baker DN, Sherry PA, Cor-bin JE Histidin, phenylalanin, tirosine and tryptophan requirement for growth of young kitten // Journal of Animal Scienct. - 1980. - P. 479.
4. Clemens JA, Bennett DR, Fuller RW The effect of tryptophan free on prolactin and corti-costerone release by serotonergetic stimuli // Hormone and Metabolic Research. - 1980. - N 12. - P. 35 -387.
5. Подільчік М.Ю., Рудий Р.В., Абрагамович Е.С. Серотонін крові при захворюваннях печінки і жовчовивідних шляхів // Клінічна медицина. - 1968. - №4. - С. 50-53
6. Fears R., Elspeth A, Murrell A / Tryptophan and the control of triglyceride and carbohidrate me-tabolism in the rat // The British Journal of Nutrion, 1980. - 43. - N26. - P. 349-356.
7. Kelly WF, Chechley SA, Bender DA Cush-ing syndrome, tryptopfan and depression // The British Journal of psychiatry. - 1980. - 136. - P. 125-132.
8. дослідно регламент № 254 виробництва L-триптофану мікробіологічними синтезом. - М .; Бішкек, 1984. - 195 с.
9. Литовченко І.В., Макаренко К.В., Стручаліна Т.І. Проблеми і перспективи анаеробної мікробіологічної конверсії амінокислот в біогаз. - Фрунзе: Ілім, 1990. - 20 с.
10. МакКінерні М., Брайант М. Основні принципи анаеробної ферментації з утворенням метану // Біомаса як джерело енергії. - М .: Світ, 1985. - С. 246-265.
11. Чань Дінь Тоай, Хлудова М.С., Панцхава Е.С. Біогенез метану / Підсумки науки і техніки. Біотехнологія. - М .: ВІНІТІ, 1983. - С. 151-194.
12. Таштаналіев А.С., Стручаліна Т.І. Стоки мікробіологічного виробництва амінокислот - постулює вторинну сировину // Проблеми будівництва та архітектури на порозі XXI століття. - Ч.3. - Бішкек: Ілім, 2000. - С. 150-160.
13. Таштаналіев А.С., Стручаліна Т.І. Біодеградація відходів мікробіологічного синтезу амінокислот в анаеробних умовах // Проблеми і перспективи розвитку хімії і хімічних технологій в Киргизстані. - Бішкек: Ілім, 2001. - С. 260-265.
14. Литовченко В.В., Таштаналіев А.С., Стручаліна Т.І .., Прохоренко В.В. Біотрансформація органічних відходів виробництва амінокислот // / Изв. НАН КР. - 2001. - № 1-2. - С. 31-35.
Назад до змісту випуску