Способ культивирования водородокисляющих бактерий

 

Использование: микробиологическая промышленность. Изобретение предназначено для культивирования водородокисляющих бактерий, являющихся перспективным продуцентом белка одноклеточных. Сущность изобретения: способ позволяет расширить сырьевую базу для выращивания бактерий за счет использования лигнина, являющегося многотоннажным отходом гидролизного производства. Для этого синтез-газ, получаемый пароводяной газификацией лигнина, используют в качестве водорода и углекислоты для культивирования водородокисляющих бактерий Alcaliegenes entrophus ВКПМ В-5786. Ферментацию проводят в проточном режиме на жидкой солевой среде при непрерывном перемешивании и аэрации культуры водородом, кислородом и углекислотой при 30^oС и рН 7,0. Удельная скорость роста бактерий составляет 0,3 - 0,4 ч^-1, содержание белка в биомассе 65%. Использование в качесве источника водорода и углекислоты для культивирования бактерий синтез-газа, получаемого газификацией лигнина, позволяет реализовать эффективный процесс выращивания бактерий при высоких скоростях роста и выходах белка, утилизировать лигнин и снизить затраты на газовое сырье.

Изобретение относится к микробиологической промышленности и предназначено для культивирования водородокислящих бактерий, являющихся перспективным продуцентом белка одноклеточных и ряда целевых продуктов.

Известен способ культивирования водородокислящих бактерий Alcaligenes eutorphus Z-1, при котором водород и кислород получают электролизом воды, двуокись углерода из газовых отходов биохимических производств [1] Недостаток способа высокие затраты на получение электролитических газов.

Известен способ культивирования водородокислящих бактерий Alcaligenes eutrophus на отходящих газах химических производств с целью снижения затрат. Используют отходящие газы производства капролактама после предварительной очистки от циклогексана и циклогексанола или отходящие газы производства аммиака; в обоих вариантах удельная скорость роста бактерий не превышает 0,3 ч^-1 [2] Данный способ является прототипом изобретения.

Недостатками прототипа являются: 1) при использовании отходящих газов капролактамового производства сложная и дорогостоящая процедура очистки от токсических примесей (циклогексана и циклогексанола), совершенно не допустимых при производстве белка одноклеточных, заключающаяся в предварительном охлаждении, сепарации, сорбции на поглотителях; 2) при использовании отходящих газов аммиачного производства наличие в них балластных примесей, что делает необходимым во избежание заполнения газового объема ферментера неутилизируемыми бактериями примесями и затухания процесса биосинтеза периодические обновления газовой смеси, т.е. большие потери газового сырья в целом; 3) в обоих вариантах не достаточно высокие скорости роста бактерий.

Цель изобретения расширение сырьевой базы и снижение затрат, а также повышение удельной скорости роста бактерий.

Цель достигается благодаря использованию в качестве источника водорода и двуокиси углерода синтез-газа, получаемого газификацией лигнина. В качестве продуцента используют быстрорастущий штамм водородокислящих бактерий Alcaligenes eutrophus ВКПМ В-5786.

Суть изобретения заключается в следующем. Гидролизный лигнин газифицируют пароводяным способом в стационарном слое при 750-800^оС и давлении 20-25 атм. Используемый режим и параметры газификации позволяют получать синтез-газ, в котором содержание и соотношение компонентов соответствует физиологии и питательным потребностям продуцента. После охлаждения синтез-газ компремируют и используют для выращивания бактерий. В ферментер с заданной скоростью также поступает жидкая солевая среда с необходимым набором макро- и микроэлементов. Культивирование проводят при постоянном перемешивании, при 30^оС и рН, равном 7,0. Отбираемую из ферментера биомассу после центрифугирования высушивают и анализируют состав стандартными методами.

П р и м е р 1. Гидролизный лигнин биохимического производства с остаточной влажностью 42% (предварительно подсушенный) загружают в реактор и подвергают переработке. На первом этапе для удаления смолистых составляющих проводят пиролиз в диапазоне температур 300-500^оС, далее температуру повышают до 800^оС при давлении 20 атм, и проводят пароводяную газификацию лигнина для получения синтез-газа. Полученный синтез-газ имеет следующий состав (об. ): водород 70,0; окись углерода 8,0; двуокись углерода 20,0; метан 2,0. После добавления кислорода состав смеси следующий (об.): водород 58,0; окись углерода 5,8; двуокись углерода 15,0; метан 0,6; кислород 20,6.

Музейную культуру штамма-продуцента ресуспендируют в жидкой среде, содержащей, г/л: Na₂HPО₄ ˙ 9 H₂O 9,5 KH₂PO₄ 1,5 MgSO₄ 0,2 CO(NH₂)₂ 1,5 а также 5 мл раствора железа лимоннокислого (5 г/л) и 3 мл стандартного раствора микроэлементов, содержащего, г/л: H₃BO₃ 0,228 CoCl₂ ˙ 6 H₂O 0,030 CuSO₄ ˙ 5 H₂O 0,008 MnCl₂ ˙ 4 H₂O 0,008
ZnSO₄ ˙ 7 H₂O 0,176
NaMoO₄ ˙ 2 H₂O 0,008
NiCl₂ 0,008
Газовую смесь с помощью компрессора непрерывно прокачивают через культуру со скоростью 6 л/л ч. Культивирование проводят в 10-литровом ферментере, с объемом культуры 2,0 л. Ферментер снабжен системами перемешивания, рН- и термостатирования. Ферментацию проводят в проточном режиме. Свежая питательная среда с помощью насоса-дозатора непрерывно поступает в ферментер, и из него с такой же скоростью отбирается культура. Температура культивирования составляет 30^оС, рН среды 7,0. Удельная скорость роста бактерий составляет 0,4 ч^-1, полученная биомасса содержит (в к сухому веществу): общего азота 12,3; белка 65; нуклеиновых кислот 12,0; общих углеводов 5,1.

П р и м е р 2. Газификацию лигнина проводят по схеме аналогично примеру 1 при 750^оС и давлении 25 атм. Получаемый синтез-газ имеет следующий состав (об.): водород 72,0; окись углерода 15,0; двуокись углерода 12,0; метан 1,0. После добавления кислорода в синтез-газ состав смеси следующий (об.): водород 59,5; окись углерода 12,0; двуокись углерода 8,0; метан 0,3; кислород 20,2. Ферментация и параметры процесса аналогично примеру 1. Удельная скорость роста бактерий составляет 0,3 ч^-1, так как имеет место ингибирование бактерий окисью углерода. Химический состав биомассы следующий: общий азот 11,8; белок 62,0; нуклеиновые кислоты 11,6; общие углеводы 6,8.

П р и м е р 3. Газификацию лигнина осуществляют аналогично примеру 1 при 770^оС и давлении 23 атм. Состав получаемого синтез-газа следующий (об.): водород 71,8; окись углерода 10,6; двуокись углерода 16,0; метан 1,6. После добавления кислорода состав смеси следующий (об.): водород 59,0; окись углерода 8,4; двуокись углерода 12,3; метан 0,4; кислород 19,9. Культивирование проводят аналогично примеру 1. Удельная скорость роста бактерий составляет 0,4 ч^-1, содержание общего азота в биомассе 11,6; белка 63,0; нуклеиновых кислот 12,0; общих углеводов 7,0 (к весу сухого вещества).

Предложенный способ позволяет реализовать эффективный процесс культивирования водородокислящих бактерий Alcaligenes eutrophus ВКПМ В-5786 с использованием в качестве основного ростового субстрата синтез-газа, получаемого газификацией лигнина, при максимальных значениях удельной скорости роста бактерий (0,4 ч^-1) с высоким содержанием белка в биомассе. Способ расширяет сырьевую базу для культивирования водородокислящих бактерий и снижает затраты на получение биомассы. Лигнин, служащий исходным сырьем для получения водорода и двуокиси углерода, не имеет самостоятельного стоимостного выражения, так как является неиспользуемым отходом биохимических производств. Предлагаемый способ одновременно решает важную природоохранную задачу утилизации лигнина, являющегося многотоннажным отходом гидролизного производства, так как его накопление в окружающей среде представляет существенную экологическую проблему.

Формула изобретения

СПОСОБ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ ВОДОРОДОКИСЛЯЮЩИХ БАКТЕРИЙ, заключающийся в выращивании бактерий Alcaligenes entrophus в условиях аэрации жидкой солевой среды водородом, кислородом, двуокисью углерода при непрерывном перемешивании и протоке среды, отличающийся тем, что используют штамп Alcaligenes entrophus ВКПМ В-5786, а в качестве источника водорода и двуокиси углерода используют синтез-газ, получаемый газификацией лигнина, содержащий, об.%:
Водород - 70,0-71,8
Окись углерода - 8,0-10,6
Двуокись углерода - 16,0-20,0
Метан - 1,6-2,0