RU2323975C1 - Biocatalist on base of immobilize cells of photosynethic bacteria for producing hydrogen - Google Patents
Biocatalist on base of immobilize cells of photosynethic bacteria for producing hydrogen Download PDFInfo
- Publication number
- RU2323975C1 RU2323975C1 RU2006130758/13A RU2006130758A RU2323975C1 RU 2323975 C1 RU2323975 C1 RU 2323975C1 RU 2006130758/13 A RU2006130758/13 A RU 2006130758/13A RU 2006130758 A RU2006130758 A RU 2006130758A RU 2323975 C1 RU2323975 C1 RU 2323975C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- biocatalyst
- hydrogen
- cells
- immobilized
- bacteria
- Prior art date
Links
Landscapes
- Immobilizing And Processing Of Enzymes And Microorganisms (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к биотехнологии и представляет собой биокатализатор на основе иммобилизованных клеток фототрофных бактерий, включенных в матрицу гелевого носителя, с помощью которых осуществляют микробиологическое получение водорода. Водород рассматривается как одно из наиболее перспективных, «чистых» синтетических топлив энергетики 21 века [Teplyakov V.V., Gassanova L.G., Sostina E.G., Slepova E.V., Modigell M., Netrusov A.I., Lab-scale bioreactor integrated with active membrane system for hydrogen production: experience and prospects. // Int. J. Hydrogen Energy, V.27, p.1149-1155 (2002)]. Его достоинствами являются:The invention relates to biotechnology and is a biocatalyst based on immobilized cells of phototrophic bacteria included in a matrix of a gel carrier, by which microbiological production of hydrogen is carried out. Hydrogen is considered as one of the most promising, “clean” synthetic fuels of the energy industry of the 21st century [Teplyakov VV, Gassanova LG, Sostina EG, Slepova EV, Modigell M., Netrusov AI, Lab-scale bioreactor integrated with active membrane system for hydrogen production: experience and prospects. // Int. J. Hydrogen Energy, V.27, p.1149-1155 (2002)]. Its advantages are:
1) высокая энергоемкость, которая при расчете на единицу массы, позволяет водороду превосходить все известные топлива - природный газ в 2,6 раза, нефть в 3,3 раза, целлюлозу в 8,3 раза [Балашов К.П., Фотокаталитическое преобразование солнечной энергии. // Соросовский образовательный журнал. Т.8, с.58-64 (1998)];1) high energy intensity, which when calculated per unit mass, allows hydrogen to exceed all known fuels - natural gas 2.6 times, oil 3.3 times, cellulose 8.3 times [Balashov KP, Photocatalytic conversion of solar energy. // Soros educational journal. T.8, p. 58-64 (1998)];
2) фактическая неисчерпаемость источника для получения водорода - воды (молекула воды содержит по массе примерно 10% водорода);2) the actual inexhaustibility of the source for producing hydrogen - water (the water molecule contains about 10% hydrogen by mass);
3) высокая эффективность и легкость превращения энергии водорода в любой энергетический вид.3) high efficiency and ease of converting hydrogen energy into any energy form.
Водород используют в топливных элементах для получения электроэнергии. Он также является сырьем для производства аммиака, метанола, для синтеза метана. Водород активно расходуется при переработке нефти.Hydrogen is used in fuel cells to generate electricity. It is also a raw material for the production of ammonia, methanol, and for the synthesis of methane. Hydrogen is actively consumed in oil refining.
Микробиологический способ получения водорода в последние годы привлекает к себе значительное внимание, так как имеет ряд преимуществ перед химическим способом, а именно: микроорганизмы способны использовать различные субстраты, в том числе промышленные отходы, для их конверсии в водород как в аэробных, так и в анаэробных условиях.The microbiological method for producing hydrogen in recent years has attracted considerable attention, since it has several advantages over the chemical method, namely: microorganisms are able to use various substrates, including industrial waste, for their conversion to hydrogen in both aerobic and anaerobic conditions.
Одним из эффективных приемов повышения технологичности процессов является иммобилизация клеток, с использованием в качестве носителей различных материалов.One of the effective methods of increasing the technological effectiveness of processes is the immobilization of cells, using various materials as carriers.
Использование иммобилизованных клеток позволяет употреблять многократно одни и те же клетки микроорганизмов и, таким образом, избегать необходимости решения проблемы постоянной утилизации накапливающейся биомассы. Кроме того, применение клеток в иммобилизованном виде позволяет повысить их устойчивость к воздействию неблагоприятных факторов (высокие концентрации накапливающегося продукта, изменение рН среды и др.), обеспечить более длительное и эффективное проведение процесса с их участием [
Основными характеристиками любого иммобилизованного биокатализатора для получения водорода является его продуктивность и длительность использования. Эти основные характеристики биокатализатора используются для их сравнительного анализа.The main characteristics of any immobilized biocatalyst for producing hydrogen is its productivity and duration of use. These basic characteristics of the biocatalyst are used for their comparative analysis.
На сегодняшний день известен ряд биокатализаторов, разработанных на основе иммобилизованных клеток различных микроорганизмов.To date, a number of biocatalysts are known, developed on the basis of immobilized cells of various microorganisms.
Известен биокатализатор на основе активного ила, имеющего сложный микробиологический состав, который иммобилизуют в смесь альгинатного геля и активированного угля [Wu. S.-Y., Lin С.-Х., Chang J.-S., Lee K.-S., Lin P.-J., Microbial hydrogen production with immobilized sewage sludge. // Biotechnol. Prog. V.18, p.921-926 (2002)]. Согласно способу получения этого биокатализатора, активный ил в количестве 2% (мас.) вносят в смесь 0,3% водного раствора альгината и сюда же добавляют активированный уголь (2% мас). Полученную суспензию по каплям вводят в 0,2 М раствор CaCl2 для формирования гелевых гранул размером 2,5-3,0 мм. Гранулы выдерживают в данном растворе минимум 2 часа до начала использования.Known biocatalyst based on activated sludge having a complex microbiological composition, which is immobilized in a mixture of alginate gel and activated carbon [Wu. S.-Y., Lin S.-H., Chang J.-S., Lee K.-S., Lin P.-J., Microbial hydrogen production with immobilized sewage sludge. // Biotechnol. Prog. V.18, p.921-926 (2002)]. According to the method for producing this biocatalyst, activated sludge in an amount of 2% (wt.) Is added to a mixture of a 0.3% aqueous solution of alginate and activated carbon (2% wt.) Is added to this. The resulting suspension was dropwise added to a 0.2 M CaCl 2 solution to form gel granules 2.5-3.0 mm in size. The granules are kept in this solution for at least 2 hours before use.
Полученный биокатализатор способен функционировать не более 10 циклов или 400 ч, так как максимальная длительность одного цикла составляет 40 ч. Исходя из данных авторов этой разработки, максимальная продуктивность биокатализатора составляет 200 мл водорода на 1 л матрицы в час.The resulting biocatalyst is able to function no more than 10 cycles or 400 hours, since the maximum duration of one cycle is 40 hours. Based on the data of the authors of this development, the maximum productivity of the biocatalyst is 200 ml of hydrogen per 1 liter of matrix per hour.
Таким образом, сам получаемый биокатализатор характеризуется невысокой продуктивностью и коротким временем работы, несмотря на простоту реализации способа получения данного биокатализатора. При этом необходима сложная система контроля за состоянием биокатализатора, поскольку в основе его лежит активный ил, представляющий собой сложный гетерогенный, с точки зрения биологического состава, объект. К тому же существенным недостатком биокатализатора является то, что он способен эффективно функционировать только на достаточно дорогом субстрате - сахарозе.Thus, the resulting biocatalyst itself is characterized by low productivity and short operating time, despite the simplicity of the implementation of the method for producing this biocatalyst. At the same time, a complex system for monitoring the state of the biocatalyst is necessary, since it is based on activated sludge, which is a complex heterogeneous object from the point of view of biological composition. In addition, a significant drawback of the biocatalyst is that it is able to function effectively only on a rather expensive substrate - sucrose.
Известный биокатализатор на основе клеток бактерий Clostridium butyricum, иммобилизованных в гель агара [Yokio H., Maeda Y., Hirose J., Hayashi S., Takasaki Y., Н2 production by immobilized cells of Clostridium bytyricum on porous glass beads. // Biotechnol. Techniques., Vol 11, p.431-433 (1997)], получают смешиванием 25 мл суспезии клеток и 60 мл 3% раствора агара при 40°С. После остывания полученной смеси формируют гелевые гранулы размером 3 мм, содержащие иммобилизованные клетки.Known biocatalyst based on bacterial cells of Clostridium butyricum immobilized in agar gel [Yokio H., Maeda Y., Hirose J., Hayashi S., Takasaki Y., H 2 production by immobilized cells of Clostridium bytyricum on porous glass beads. // Biotechnol. Techniques., Vol 11, p. 431-433 (1997)], obtained by mixing 25 ml of a suspension of cells and 60 ml of a 3% agar solution at 40 ° C. After cooling, the resulting mixture form gel granules 3 mm in size, containing immobilized cells.
Длительность работы такого биокатализатора составляет 5 ч. Согласно данным разработчиков этого биокатализатора максимальная его продуктивность составляет 124,5 мл водорода на 1 л матрицы в час.The duration of such a biocatalyst is 5 hours. According to the developers of this biocatalyst, its maximum productivity is 124.5 ml of hydrogen per 1 liter of matrix per hour.
Несмотря на простоту технического решения, лежащего в основе получения биокатализатора на основе клеток Clostridium butyricum, иммобилизованных в гель агара, данный биокатализатор имеет основной недостаток, не позволяющий рассматривать возможность его практического применения, - это очень короткое время функционирования. При этом в качестве субстрата используется достаточно высокая концентрация (5-7 г/л) относительно дорогого субстрата - глюкозы. К тому же, согласно данным самих авторов биокатализатора, при проведении процесса получения водорода с его участием отмечается вымывание клеток бактерий из используемого носителя, что приводит к существенному снижению эффективности процесса получения водорода.Despite the simplicity of the technical solution that underlies the preparation of a biocatalyst based on Clostridium butyricum cells immobilized in agar gel, this biocatalyst has a major drawback that does not allow us to consider the possibility of its practical use - it has a very short operating time. Moreover, a rather high concentration (5-7 g / l) of a relatively expensive substrate, glucose, is used as a substrate. In addition, according to the authors of the biocatalyst themselves, during the process of producing hydrogen with its participation, leaching of bacterial cells from the used carrier is noted, which leads to a significant decrease in the efficiency of the process of producing hydrogen.
Наиболее перспективными продуцентами водорода считаются фототрофные микроорганизмы, поскольку выделение ими водорода связано с поглощением энергии солнца и, следовательно, может повысить эффективность использования солнечной энергии.Phototrophic microorganisms are considered the most promising hydrogen producers, since their release of hydrogen is associated with the absorption of solar energy and, therefore, can increase the efficiency of solar energy use.
Известен биокатализатор, представляющий собой фототрофные бактерии Rhodobacter sphaeroides GL-1, химически иммобилизованные на поверхности матрицы носителя - пористого стекла [Tsygankov A.A., Hirata Y., Miyake M., Asada Y., Miyake J. Photobioreactor with photosynthetic bacteria immobilized on porous glass for hydrogen photoproduction. J. Ferm. Bioengin., V.77, p.575-578 (1994)]. Матрицей служат 4 пластины пористого стекла размером 50×50×0,5 мм3 с порами диаметром 9,8 мкм. Химическую активацию поверхности стекла осуществляют, обрабатывая ее 3-(2-аминометиламинопропил)-триметоксисиланом (LS-2480), который придает ей положительный заряд. Предварительно поверхность стекла обрабатывают 5% раствором К2Cr2O7 в 50% H2SO4 в течение 1 ч при 80°С. Затем стеклянную матрицу замачивают в 15% растворе LS-2480 в дихлорметане при комнатной температуре на 2 ч. Трансформированную таким образом поверхность пористого стекла промывают 4 раза по 5 мин дихлорметаном и высушивают при комнатной температуре над осушителем Р2О5 в атмосфере аргона. Иммобилизацию клеток Rhodobacter sphaeroides GL-1 проводят путем организации протока суспендированных в дистиллированной воде клеток бактерий вдоль поверхности пластин из пористого стекла в течение 90 минут со скоростью 105 мл/ч. Общий объем матрицы составляет 5 мл.Known biocatalyst, which is the phototrophic bacteria Rhodobacter sphaeroides GL-1, chemically immobilized on the surface of the matrix of the carrier - porous glass [Tsygankov AA, Hirata Y., Miyake M., Asada Y., Miyake J. Photobioreactor with photosynthetic bacteria immobilized on porous glass for hydrogen photoproduction. J. Ferm. Bioengin., V.77, p.575-578 (1994)]. The matrix is 4 plates of porous glass measuring 50 × 50 × 0.5 mm 3 with pores with a diameter of 9.8 μm. The glass surface is chemically activated by treating it with 3- (2-aminomethylaminopropyl) -trimethoxysilane (LS-2480), which gives it a positive charge. The glass surface is pre-treated with a 5% solution of K 2 Cr 2 O 7 in 50% H 2 SO 4 for 1 h at 80 ° C. Then the glass matrix is soaked in a 15% solution of LS-2480 in dichloromethane at room temperature for 2 hours. The porous glass surface thus transformed is washed 4 times for 5 minutes with dichloromethane and dried at room temperature over a dehumidifier P 2 O 5 in an argon atmosphere. The immobilization of Rhodobacter sphaeroides GL-1 cells is carried out by organizing the flow of bacterial cells suspended in distilled water along the surface of porous glass plates for 90 minutes at a rate of 105 ml / h. The total volume of the matrix is 5 ml.
Стабильная работа такого биокатализатора длится в течение 860 ч, а максимальная продуктивность биокатализатора составляет 3800 мл водорода на 1 л матрицы в час.The stable operation of such a biocatalyst lasts for 860 hours, and the maximum productivity of the biocatalyst is 3800 ml of hydrogen per 1 liter of matrix per hour.
Несмотря на высокую продуктивность биокатализатора, получение водорода с его помощью обладает основным недостатком, связанным с тем, что иммобилизованные клетки продуцента водорода слабо удерживаются на носителе, несмотря на химическую активацию с целью обеспечения взаимодействия силановых производных, введенных на поверхность стекла, с функциональными группами различных химических соединений, локализованных на поверхности клетки. В результате при эксплуатации биокатализатора происходит отрыв части иммобилизованных клеток, что отрицательно сказывается на показателях процесса получения водорода в целом, а продуктивность биокатализатора при этом снижается.Despite the high productivity of the biocatalyst, the production of hydrogen with it has the main disadvantage associated with the fact that the immobilized cells of the hydrogen producer are poorly retained on the carrier, despite chemical activation in order to ensure the interaction of silane derivatives introduced onto the glass surface with functional groups of various chemical compounds localized on the surface of the cell. As a result, during the operation of the biocatalyst, a part of the immobilized cells is detached, which negatively affects the performance of the hydrogen production process as a whole, while the productivity of the biocatalyst decreases.
Известен биокатализатор, представляющий собой клетки фототрофных бактерий Rhodopseudomonas palustris, иммобилизованные методом включения в гель агара [Vincenzini M., Materassi R., Tredici M., Florenzano G., Hydrogen production by immobilized cells - I. Light dependent dissimilation of organic substances by Rhodopseudomonas palustris // Int. J. Hydrogen Energy, V.7, p.231-236 (1982)]. Согласно способу получения биокатализатора, клетки Rhodopseudomonas palustris 42OL в экспоненциальной фазе роста концентрируют, ресуспендируют в питательной среде и инкубируют в течение 36 часов в атмосфере аргона при 30°С. Далее клетки еще раз центрифугируют и ресуспендируют в фосфатном буфере (0,05 M; pH 7). 0,5 мл полученной суспензии смешивают с 9,5 мл 3% раствора агара. Смесь заливают в емкости объемом 250 мл с резиновыми пробками. После того как смесь застывает, в те же емкости доливают по 10 мл 10 мМ раствора органического субстрата. Систему продувают аргоном в течение 10 мин в анаэробных условиях. В результате получают биокатализатор на основе иммобилизованных клеток фототрофных бактерий, представляющий собой гелевый блок толщиной 3,5 мм.Known biocatalyst, which is a cell of phototrophic bacteria Rhodopseudomonas palustris, immobilized by incorporation into agar gel [Vincenzini M., Materassi R., Tredici M., Florenzano G., Hydrogen production by immobilized cells - I. Light dependent dissimilation of organic substances by Rhodopseudomonasas palustris // Int. J. Hydrogen Energy, V.7, p. 231-236 (1982)]. According to a method for producing a biocatalyst, Rhodopseudomonas palustris 42OL cells are concentrated in an exponential growth phase, resuspended in a nutrient medium and incubated for 36 hours in an argon atmosphere at 30 ° C. Then the cells are again centrifuged and resuspended in phosphate buffer (0.05 M; pH 7). 0.5 ml of the resulting suspension is mixed with 9.5 ml of a 3% agar solution. The mixture is poured into 250 ml containers with rubber stoppers. After the mixture hardens, 10 ml of a 10 mM organic substrate solution are added to the same containers. The system is purged with argon for 10 minutes under anaerobic conditions. The result is a biocatalyst based on immobilized cells of phototrophic bacteria, which is a gel block 3.5 mm thick.
Полученный биокатализатор способен функционировать в течение 100 ч. Исходя из данных разработчиков биокатализатора расчетная максимальная продуктивность биокатализатора составляет 103,9 мл водорода на л матрицы в час.The resulting biocatalyst is capable of functioning for 100 hours. Based on the data of the developers of the biocatalyst, the calculated maximum productivity of the biocatalyst is 103.9 ml of hydrogen per liter of matrix per hour.
Агар, используемый для получения гелевого носителя для иммобилизованных клеток в составе этого биокатализатора, подвержен биодеструкции, что составляет один из его существенных недостатков.The agar used to obtain a gel carrier for immobilized cells in this biocatalyst is subject to biodegradation, which is one of its significant disadvantages.
В связи с этим использование носителей на основе синтетических пористых матриц более предпочтительно при создании активных биокатализаторов, предназначенных для длительного использования.In this regard, the use of carriers based on synthetic porous matrices is more preferable when creating active biocatalysts intended for long-term use.
Так, известен биокатализатор, разработанный на основе клеток бактериального штамма Rhodobacter capsulatus, при получении которого используется синтетический полимер, а именно поливиниловый спирт [Кочеткова Н.А., Ефременко Е.Н., Нетрусов А.И. Иммобилизованные клетки фототрофных бактерий для биотехнологического получения водорода.// Всерос. симпозиум с межд. участием «Биотехнология микробов», Москва, Россия, 20-23 октября, 2004, с.48].So, a biocatalyst is known, developed on the basis of the cells of the bacterial strain Rhodobacter capsulatus, upon receipt of which a synthetic polymer is used, namely polyvinyl alcohol [Kochetkova N.A., Efremenko E.N., Netrusov A.I. Immobilized cells of phototrophic bacteria for biotechnological production of hydrogen.// Vseros. symposium with int. the participation of “Biotechnology of microbes”, Moscow, Russia, October 20-23, 2004, p. 48].
Иммобилизация клеток осуществляется посредством включения бактериальных клеток в матрицу криогеля поливинилового спирта. Применение криогеля синтетического полимера, формируемого при замораживании-оттаивании раствора соответствующего полимерного гелеобразователя, обусловлено высокой пористостью гелевой матрицы, обеспечивающей незатрудненную диффузию субстратов и продуктов соответственно к и от иммобилизованных клеток, а также хорошими эксплуатационными характеристиками криогеля на основе поливинилового спирта [Лозинский В.И., Криогели на основе природных и синтетических полимеров: получение, свойства и области применения. // Успехи химии, т.71(6), с.559-585 (2002)].Cell immobilization is accomplished by incorporating bacterial cells into the polyvinyl alcohol cryogel matrix. The use of a cryogel of a synthetic polymer formed by freezing and thawing a solution of the corresponding polymer gelling agent is due to the high porosity of the gel matrix, which provides easy diffusion of substrates and products to and from immobilized cells, as well as good performance characteristics of a cryogel based on polyvinyl alcohol [Lozinsky V.I. , Cryogels based on natural and synthetic polymers: production, properties and applications. // Advances in Chemistry, vol. 71 (6), p. 559-585 (2002)].
Полученный биокатализатор способен функционировать в течение 3 месяцев (2160 ч или 90 сут). Максимальная продуктивность биокатализатора составляет 3870 мл водорода на л матрицы в час.The resulting biocatalyst is able to function for 3 months (2160 hours or 90 days). The maximum productivity of the biocatalyst is 3870 ml of hydrogen per liter of matrix per hour.
Данное техническое решение как наиболее близкое к заявляемому по типу используемых клеток (фототрофные бактерии) и носителя (криогель поливинилового спирта), а также по методу иммобилизации клеток (включение в гель), используемых для получения биокатализатора, принято за прототип.This technical solution, as the closest to the type of cells used (phototrophic bacteria) and the carrier (polyvinyl alcohol cryogel), as well as the method of cell immobilization (inclusion in the gel) used to obtain the biocatalyst, is taken as a prototype.
Задачей предлагаемого изобретения является получение высокоактивного биокатализатора для синтеза водорода на основе клеток фототрофных бактерий, иммобилизованных в криогель поливинилового спирта, с улучшенной эффективностью действия и способного обеспечить высокий уровень накопления водорода на протяжении длительного времени.The objective of the invention is to obtain a highly active biocatalyst for the synthesis of hydrogen based on cells of phototrophic bacteria immobilized in the cryogel of polyvinyl alcohol, with improved efficiency and is able to provide a high level of hydrogen storage for a long time.
Поставленная задача решается путем создания биокатализатора, где в качестве матрицы для иммобилизованных клеток фототрофных бактерий используют криогель на основе синтетического полимера поливинилового спирта, при следующем соотношении компонентов (мас.%): клетки бактерий - 0,125-0,725 (по сух. массе); поливиниловый спирт (ПВС) - 7,6-10,5; водная фаза - до 100 (к общей массе иммобилизованного биокатализатора).The problem is solved by creating a biocatalyst, where a cryogel based on a synthetic polymer of polyvinyl alcohol is used as a matrix for immobilized cells of phototrophic bacteria, with the following ratio of components (wt.%): Bacterial cells - 0.125-0.725 (by dry weight); polyvinyl alcohol (PVA) - 7.6-10.5; aqueous phase - up to 100 (to the total mass of the immobilized biocatalyst).
Получение водорода с помощью предлагаемого биокатализатора на основе иммобилизованных клеток проводят путем его внесения в питательную среду с различными источниками углерода и азота.The production of hydrogen using the proposed biocatalyst based on immobilized cells is carried out by introducing it into a nutrient medium with various sources of carbon and nitrogen.
Предлагаемый биокатализатор характеризуется длительным периодом функционирования (550 сут.) и способен продуцировать 5530 мл водорода на л матрицы в час.The proposed biocatalyst is characterized by a long period of functioning (550 days) and is capable of producing 5530 ml of hydrogen per liter of matrix per hour.
Состав заявляемого биокатализатора и соотношение компонентов были выбраны на основе проведенных экспериментов с использованием клеток различных фототрофных бактерий и являются отличительной характеристикой заявляемого биокатализатора, так как обеспечивают максимально высокие его характеристики по стабильности функционирования и продуктивности по водороду.The composition of the inventive biocatalyst and the ratio of the components were selected on the basis of experiments using cells of various phototrophic bacteria and are a distinctive characteristic of the inventive biocatalyst, as it provides its highest performance in terms of stability and hydrogen productivity.
Существенным отличием заявляемого изобретения является новый, ранее неизвестный состав биокатализатора и сочетание его компонентов, а именно различных фототрофных бактерий и криогеля поливинилового спирта, формируемого в присутствии клеток при получении биокатализатора, предназначенного для получения водорода с высоким выходом, которое ранее известно не было.A significant difference of the claimed invention is a new, previously unknown composition of the biocatalyst and the combination of its components, namely, various phototrophic bacteria and polyvinyl alcohol cryogel, formed in the presence of cells upon receipt of a biocatalyst designed to produce high-yield hydrogen, which was not previously known.
Собственно получение водорода с помощью биокатализатора на основе иммобилизованных клеток состоит в том, что биокатализатор вносится в реактор, где при рН 7,0-7,4 проводится процесс микробной конверсии субстрата(ов) в водород.Actually, the production of hydrogen by means of a biocatalyst based on immobilized cells consists in the fact that the biocatalyst is introduced into the reactor, where the process of microbial conversion of the substrate (s) to hydrogen is carried out.
Ниже приводятся конкретные примеры реализации заявляемого технического решения.The following are specific examples of the implementation of the proposed technical solution.
Пример 1. Биокатализатор на основе иммобилизованных клеток Rhodospirillum rubrum 2R, включенных в криогель поливинилового спирта.Example 1. A biocatalyst based on immobilized cells of Rhodospirillum rubrum 2R included in the polyvinyl alcohol cryogel.
8,4 г биомассы клеток фототрофных бактерий Rhodospirillum rubrum 2R, полученной после центрифугирования (20 мин, 8000 об/мин), смешивают с 167,6 г 8%-ного раствора поливинилового спирта, приготовленного на основе физиологического раствора (0,9% NaCl), при комнатной температуре до получения однородной массы. Эту суспензию далее используют для получения гранул иммобилизованного биокатализатора. Гранулирование проводят следующим образом: полученную суспензию распределяют с помощью дозирующего устройства (шприц, дозатор и др.) в лунки иммунологических 96-луночных планшетов по 0,2 мл. Замораживание осуществляют при -22°С, продолжительность выдерживания в замороженном состоянии - 17 ч, оттаивание проводят при +2°С. Получают биокатализатор с цилиндрической формой гранул, имеющий следующий состав (мас.%): биомасса клеток бактерий - 0,48 (по сух. массе); ПВС - 7,6; водная фаза - до 100.8.4 g of cell biomass of phototrophic bacteria Rhodospirillum rubrum 2R obtained after centrifugation (20 min, 8000 rpm) are mixed with 167.6 g of an 8% solution of polyvinyl alcohol prepared on the basis of physiological saline (0.9% NaCl ) at room temperature until a homogeneous mass is obtained. This suspension is further used to obtain immobilized biocatalyst granules. Granulation is carried out as follows: the resulting suspension is distributed using a dosing device (syringe, dispenser, etc.) into the wells of immunological 96-well tablets of 0.2 ml. Freezing is carried out at -22 ° C, the duration of aging in the frozen state is 17 hours, thawing is carried out at + 2 ° C. Get a biocatalyst with a cylindrical shape of granules having the following composition (wt.%): Biomass of bacterial cells - 0.48 (by dry weight); PVA - 7.6; aqueous phase up to 100.
Для получения водорода гранулы биокатализатора помещают в реактор объемом 1 л с периодическим режимом культивирования при непрерывном перемешивании среды. Культивирование проводят при 28°С, основным органическим субстратом является глюкоза.To produce hydrogen, the biocatalyst granules are placed in a 1 liter reactor with a batch cultivation mode with continuous stirring of the medium. Cultivation is carried out at 28 ° C, glucose is the main organic substrate.
Полученный биокатализатор способен функционировать 6100 ч (254 сут). Максимальная продуктивность данного биокатализатора составляет 3870,5 мл водорода на л матрицы в час.The resulting biocatalyst is able to function 6100 hours (254 days). The maximum productivity of this biocatalyst is 3870.5 ml of hydrogen per liter of matrix per hour.
Пример 2. Биокатализатор на основе клеток Rhodobacter sphaeroides 2R, включенных в криогель ПВС, для получения водорода.Example 2. A biocatalyst based on Rhodobacter sphaeroides 2R cells included in PVA cryogel to produce hydrogen.
4,3 г биомассы клеток фототрофных бактерий Rhodobacter sphaeroides 2R, полученной после центрифугирования (10 мин, 10000 об/мин), перемешивают с 171,7 г 10%-ного раствора поливинилового спирта, приготовленного на основе 100 мМ Na-фосфатного буфера (рН 6,8), при комнатной температуре до получения однородной массы. Полученную смесь выливают ровным слоем на противень с бортами высотой 3 см для получения гелевых блоков высотой 0,5 см, замораживают при -15°С, выдерживают в замороженном состоянии 15 ч, оттаивают при +10°С и, таким образом, получают биокатализатор, имеющий следующий состав (мас.%): биомасса клеток бактерий - 0,24 (по сух. массе); ПВС - 9,76; водная фаза - до 100.4.3 g of the biomass of Rhodobacter sphaeroides 2R phototrophic bacteria cells obtained after centrifugation (10 min, 10,000 rpm) are mixed with 171.7 g of a 10% solution of polyvinyl alcohol prepared on the basis of 100 mM Na-phosphate buffer (pH 6.8), at room temperature until a homogeneous mass is obtained. The resulting mixture is poured in an even layer on a baking sheet with sides 3 cm high to obtain gel blocks 0.5 cm high, frozen at -15 ° C, kept frozen for 15 hours, thawed at + 10 ° C and, thus, obtain a biocatalyst, having the following composition (wt.%): biomass of bacterial cells - 0.24 (by dry weight); PVA - 9.76; aqueous phase up to 100.
Для получения водорода биокатализатор в виде свернутого гелевого листа помещают в биореактор объемом 2,5 л с проточным режимом культивирования при непрерывном перемешивании среды. Культивирование проводят при 30°С, основным органическим субстратом является малат натрия.To produce hydrogen, a biocatalyst in the form of a rolled gel sheet is placed in a 2.5 L bioreactor with a flow-through cultivation mode with continuous stirring of the medium. Cultivation is carried out at 30 ° C, the main organic substrate is sodium malate.
Биокатализатор способен функционировать 8110 ч (338 сут). Максимальная продуктивность данного биокатализатора составляет 4200 мл водорода на л матрицы в час.The biocatalyst is able to function 8110 hours (338 days). The maximum productivity of this biocatalyst is 4200 ml of hydrogen per liter of matrix per hour.
Пример З. Биокатализатор на основе клеток Rhodobacter capsulatus В10, включенных в криогель ПВС, для получения водорода.Example Z. Biocatalyst based on Rhodobacter capsulatus B10 cells included in PVA cryogel to produce hydrogen.
8,4 г биомассы клеток фототрофных бактерий Rhodobacter capsulatus В10, полученной после отделения от культуральной жидкости центрифугированием (30 мин, 7000 об/мин), смешивают с 167,6 г 10%-ного раствора поливинилового спирта, приготовленного на основе дистиллированной воды, при комнатной температуре до получения однородной массы. Полученную суспензию распределяют в иммунологические 96-луночные планшеты по 0,15 мл. Замораживание осуществляют при -18°С, продолжительность выдерживания в замороженном состоянии - 16 ч, оттаивание - при +4°С. Получают биокатализатор с цилиндрической формой гранул, имеющий следующий состав (мас.%): биомасса клеток бактерий - 0,45 (по сух. массе); ПВС - 9,5; водная фаза - до 100.8.4 g of the biomass of Rhodobacter capsulatus B10 phototrophic bacteria cells obtained after separation from the culture fluid by centrifugation (30 min, 7000 rpm) are mixed with 167.6 g of a 10% solution of polyvinyl alcohol based on distilled water, with room temperature until smooth. The resulting suspension is distributed into immunological 96-well tablets of 0.15 ml. Freezing is carried out at -18 ° C, the duration of aging in the frozen state is 16 hours, thawing at + 4 ° C. Get a biocatalyst with a cylindrical shape of granules having the following composition (wt.%): Biomass of bacterial cells - 0.45 (dry weight); PVA - 9.5; aqueous phase up to 100.
Для получения водорода гранулы биокатализатора помещают в реактор объемом 0,75 л с периодическим режимом культивирования без перемешивания среды. Культивирование проводят при 30°С, основным органическим субстратом является молочная кислота.To produce hydrogen, the biocatalyst granules are placed in a 0.75 L reactor with a batch mode of cultivation without stirring the medium. Cultivation is carried out at 30 ° C, the main organic substrate is lactic acid.
Биокатализатор способен функционировать в таких условиях 13198 ч (550 сут), а максимальная продуктивность данного биокатализатора составляет 5530 мл водорода на л матрицы в час.The biocatalyst is capable of functioning under such conditions for 13198 hours (550 days), and the maximum productivity of this biocatalyst is 5530 ml of hydrogen per liter of matrix per hour.
Пример 4. Биокатализатор на основе клеток Rhodopseudomonas capsulata, включенных в криогельПВС, для получения водорода.Example 4. Biocatalyst based on Rhodopseudomonas capsulata cells included in cryogelPVS to produce hydrogen.
11 г биомассы клеток фототрофных бактерий Rhodopseudomonas capsulata, полученной после отделения от культуральной жидкости центрифугированием (15 мин, 8500 об/мин), смешивают с 869 г 8%-ного раствора ПВС, приготовленного на основе стерильной водопроводной воды, при комнатной температуре до получения однородной массы. Полученную суспензию распределяют в лунки иммунологических 96-луночных планшетов со сферическим дном по 0,1 мл. Замораживание осуществляют при -20°С, продолжительность выдерживания в замороженном состоянии - 12 ч, оттаивание - при +1°С. Получают биокатализатор со сферической формой гранул, имеющий следующий состав (мас.%): биомасса клеток бактерий - 0,125 (по сух. массе); ПВС - 7,9; водная фаза - до 100.11 g of the biomass of Rhodopseudomonas capsulata phototrophic bacteria cells obtained after separation from the culture fluid by centrifugation (15 min, 8500 rpm) are mixed with 869 g of an 8% PVA solution prepared on the basis of sterile tap water at room temperature until a uniform masses. The resulting suspension is distributed into the wells of immunological 96-well tablets with a spherical bottom of 0.1 ml. Freezing is carried out at -20 ° C, the duration of aging in the frozen state is 12 hours, thawing is at + 1 ° C. Get a biocatalyst with a spherical shape of the granules having the following composition (wt.%): Biomass of bacterial cells - 0.125 (by dry weight); PVA - 7.9; aqueous phase up to 100.
Для получения водорода гранулы биокатализатора помещают в реактор объемом 2,0 л с непрерывным режимом культивирования без перемешивания среды. Культивирование проводят при 32°С, основным органическим субстратом является лактат натрия.To produce hydrogen, the biocatalyst granules are placed in a 2.0 L reactor with continuous cultivation without stirring the medium. Cultivation is carried out at 32 ° C, the main organic substrate is sodium lactate.
Биокатализатор способен функционировать в таких условиях 1630 ч (68 сут), а максимальная продуктивность данного биокатализатора составляет 4050 мл водорода на л матрицы в час.The biocatalyst is capable of functioning under such conditions for 1630 hours (68 days), and the maximum productivity of this biocatalyst is 4050 ml of hydrogen per liter of matrix per hour.
Пример 5. Биокатализатор на основе клеток цианобактерий Gloecapsa alpicola CALU 743, включенных в криогель ПВС, для получения водорода.Example 5. A biocatalyst based on cells of cyanobacteria Gloecapsa alpicola CALU 743 included in the PVA cryogel to produce hydrogen.
23,2 г биомассы клеток фототрофных бактерий Gloecapsa alpicola CALU 743, полученной после отделения от культуральной жидкости центрифугированием (25 мин, 6500 об/мин), смешивают с 456,8 г 8%-ного раствора поливинилового спирта, приготовленного на основе 50 мМ Na-фосфатного буфера (рН 6,8-7,0) при комнатной температуре до получения однородной массы. Полученную суспензию распределяют в прямоугольную металлическую форму с бортами высотой 3 см для получения гелевых блоков высотой 0,3 см. Замораживание осуществляют при -19°С, продолжительность выдерживания в замороженном состоянии - 15 ч, оттаивание - при +3°С. Получают биокатализатор со сферической формой гранул, имеющий следующий состав (мас.%): биомасса клеток бактерий - 0,725 (по сух. массе); ПВС - 7,6; водная фаза - до 100.23.2 g of the biomass of phototrophic bacteria cells of Gloecapsa alpicola CALU 743, obtained after separation from the culture fluid by centrifugation (25 min, 6500 rpm), are mixed with 456.8 g of an 8% solution of polyvinyl alcohol prepared on the basis of 50 mM Na -phosphate buffer (pH 6.8-7.0) at room temperature until a homogeneous mass. The resulting suspension is distributed in a rectangular metal form with sides 3 cm high to obtain gel blocks 0.3 cm high. Freezing is carried out at -19 ° C, the duration of aging in the frozen state is 15 hours, thawing at + 3 ° C. Get a biocatalyst with a spherical form of granules having the following composition (wt.%): Biomass of bacterial cells - 0.725 (by dry weight); PVA - 7.6; aqueous phase up to 100.
Для получения водорода гранулы биокатализатора помещают в реактор объемом 0,5 л с периодическим режимом культивирования без перемешивания среды. Культивирование проводят при 27°С, основным органическим субстратом является цитрат натрия.To produce hydrogen, biocatalyst granules are placed in a 0.5 L reactor with a batch mode of cultivation without stirring the medium. Cultivation is carried out at 27 ° C, the main organic substrate is sodium citrate.
Биокатализатор способен функционировать в таких условиях 1440 ч (60 сут), а максимальная продуктивность данного биокатализатора составляет 3950 мл водорода на л матрицы в час.The biocatalyst is capable of functioning under such conditions for 1440 hours (60 days), and the maximum productivity of this biocatalyst is 3950 ml of hydrogen per liter of matrix per hour.
Пример 6. Биокатализатор на основе клеток Rb. capsulatus В10, включенных в криогель ПВС, для получения водорода.Example 6. Biocatalyst based on Rb cells. capsulatus B10 included in the PVA cryogel to produce hydrogen.
21,5 г биомассы клеток фототрофных бактерий Rb. capsulatus В10, полученной после отделения от культуральной жидкости центрифугированием (30 мин, 7000 об/мин), смешивают с 428,5 г 10%-ного раствора ПВС, приготовленного на основе среды роста, при комнатной температуре до получения однородной массы. Полученную суспензию распределяют по лункам иммунологических 96-луночных планшетов по 0,2 мл. Замораживание осуществляют при -18°С, продолжительность выдерживания в замороженном состоянии - 16 ч, оттаивание - при +4°С. Получают биокатализатор с цилиндрической формой гранул, имеющий следующий состав (мас.%): биомасса клеток бактерий - 0,5 (по сух. массе); ПВС - 10,5; водная фаза - до 100.21.5 g of cell biomass of phototrophic bacteria Rb. capsulatus B10, obtained after separation from the culture fluid by centrifugation (30 min, 7000 rpm), is mixed with 428.5 g of a 10% solution of PVA prepared on the basis of growth medium at room temperature until a homogeneous mass is obtained. The resulting suspension is distributed into the wells of immunological 96-well tablets of 0.2 ml. Freezing is carried out at -18 ° C, the duration of aging in the frozen state is 16 hours, thawing at + 4 ° C. Get biocatalyst with a cylindrical shape of granules having the following composition (wt.%): Biomass of bacterial cells - 0.5 (by dry weight); PVA - 10.5; aqueous phase up to 100.
Для получения водорода гранулы биокатализатора помещают в реактор объемом 2,5 л с проточным режимом культивирования и постоянным перемешиванием среды. Культивирование проводят при 32°С, основным органическим субстратом является молочная кислота.To produce hydrogen, the biocatalyst granules are placed in a 2.5 L reactor with flow-through cultivation and constant mixing of the medium. Cultivation is carried out at 32 ° C, the main organic substrate is lactic acid.
Биокатализатор способен функционировать в таких условиях 2210 ч (92 сут), а максимальная продуктивность данного биокатализатора составляет 3890 мл водорода на л матрицы в час.The biocatalyst is capable of functioning under such conditions for 2210 hours (92 days), and the maximum productivity of this biocatalyst is 3890 ml of hydrogen per liter of matrix per hour.
Таким образом, такое ранее неизвестное сочетание компонентов биокатализатора, то есть биомасса фототрофных бактерий и криогель ПВС, при заявляемом соотношении компонентов данного биокатализатора приводит к получению биокатализатора, имеющего следующие преимущества по сравнению с аналогами и прототипом.Thus, such a previously unknown combination of components of the biocatalyst, that is, the biomass of phototrophic bacteria and PVA cryogel, with the claimed ratio of the components of this biocatalyst leads to a biocatalyst having the following advantages compared to analogues and prototype.
1. Заявляемый биокатализатор характеризуется существенно увеличенным периодом эксплуатации, в частности в заявляемом изобретении биокатализатор функционирует до 13198 ч (550 сут, Пример 3), что превышает продолжительность использования аналогичных биокатализаторов, представленных в качестве аналогов и прототипа, более чем в 6 раз.1. The inventive biocatalyst is characterized by a significantly increased period of operation, in particular, in the claimed invention, the biocatalyst operates up to 13198 hours (550 days, Example 3), which exceeds the duration of using similar biocatalysts presented as analogues and prototype by more than 6 times.
2. Использование в качестве матрицы носителя вязкоупругого нехрупкого материала - полимерного криогеля ПВС, практически не подвергаемого абразивному износу, в отличие от аналогов позволяет применять предлагаемый биокатализатор в реакторах различного типа, в том числе с интенсивным перемешиванием, что существенно ускоряет скорость массообменных биокаталитических процессов.2. The use of a viscoelastic non-brittle material as a PVA polymer matrix, which is practically not subject to abrasive wear, unlike analogs, allows the proposed biocatalyst to be used in reactors of various types, including intensive mixing, which significantly accelerates the rate of mass transfer biocatalytic processes.
3. Заявляемый биокатализатор обладает существенно улучшенной продуктивностью, которая превышает ту же характеристику, известную для всех аналогов и прототипа, как минимум в 1,5 раза.3. The inventive biocatalyst has a significantly improved productivity, which exceeds the same characteristic known for all analogues and prototype, at least 1.5 times.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006130758/13A RU2323975C1 (en) | 2006-08-28 | 2006-08-28 | Biocatalist on base of immobilize cells of photosynethic bacteria for producing hydrogen |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006130758/13A RU2323975C1 (en) | 2006-08-28 | 2006-08-28 | Biocatalist on base of immobilize cells of photosynethic bacteria for producing hydrogen |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2323975C1 true RU2323975C1 (en) | 2008-05-10 |
Family
ID=39799957
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006130758/13A RU2323975C1 (en) | 2006-08-28 | 2006-08-28 | Biocatalist on base of immobilize cells of photosynethic bacteria for producing hydrogen |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2323975C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2636041C2 (en) * | 2016-12-20 | 2017-11-17 | Елена Николаевна Ефременко | Immobilized bioacatalyst for bacterial cellulose production |
| RU2805968C1 (en) * | 2023-03-20 | 2023-10-24 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук | Method of obtaining biomass of cyanobacteria of leptolyngbya genus in vortex photobioreactor |
-
2006
- 2006-08-28 RU RU2006130758/13A patent/RU2323975C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| VICENZINI M. et all. Hydrogen production immobilized cells-I. Light dependent dissimilation of organic substances by Rhodopseudomonas palustris. Int. J.Hydrogen Energy, 1982, v.7, №3, pp.231-236. САДРАДДИНОВА Э.Р. и др. Биокаталитическая система на основе иммобилизованных клеток Phodobacter capsulatus для получения молекулярного водорода, 3 Московский международный конгресс «Биотехнология: состояние и перспективы развития», Материалы конгресса, ч.2, М., 2005, с.209, реферат, найдено online 2005-09 BI 13 ВИНИТИ [ISSN 1561-7858]. КОЧЕТКОВА Н.А. и др. Иммобилизованные клетки фототрофных бактерий для биотехнологического получения водорода, Всероссийский симпозиум «Биотехнология микробов», Тезисы докладов. М., 2004, с.48 найдено online 2005-03 BI12 ВИНИТИ [ISSN 1561-7858]. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2636041C2 (en) * | 2016-12-20 | 2017-11-17 | Елена Николаевна Ефременко | Immobilized bioacatalyst for bacterial cellulose production |
| RU2805968C1 (en) * | 2023-03-20 | 2023-10-24 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук | Method of obtaining biomass of cyanobacteria of leptolyngbya genus in vortex photobioreactor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108467118B (en) | Method for removing nitrogen and phosphorus in aquaculture wastewater by using immobilized algae bacteria | |
| Zhang et al. | Influence of mixing method and hydraulic retention time on hydrogen production through photo-fermentation with mixed strains | |
| Tian et al. | Photo-hydrogen production rate of a PVA-boric acid gel granule containing immobilized photosynthetic bacteria cells | |
| US7232669B1 (en) | Process for enhancing anaerobic biohydrogen production | |
| Tsygankov et al. | Immobilization of photosynthetic microorganisms for efficient hydrogen production | |
| Elkahlout et al. | Long-term biological hydrogen production by agar immobilized Rhodobacter capsulatus in a sequential batch photobioreactor | |
| Zheng et al. | Scaling up of ethanol production from sugar molasses using yeast immobilized with alginate-based MCM-41 mesoporous zeolite composite carrier | |
| Zhang et al. | Photosynthetic hydrogen production by alginate immobilized bacterial consortium | |
| CN113151247A (en) | Dunaliella salina-halophilic bacteria immobilized microsphere and preparation method and application thereof | |
| CN117089544A (en) | Microalgae culture method based on modified cellulose carrier | |
| Markov et al. | Spiral tubular bioreactors for hydrogen production by photosynthetic microorganisms: design and operation | |
| Mona et al. | Prolonged hydrogen production by Nostoc in photobioreactor and multi-stage use of the biological waste for column biosorption of some dyes and metals | |
| CN108249564B (en) | Preparation method and use method of denitrification solid carbon source | |
| CN112063611B (en) | Immobilized algae ball and preparation method and application thereof | |
| RU2323975C1 (en) | Biocatalist on base of immobilize cells of photosynethic bacteria for producing hydrogen | |
| KR20150088939A (en) | Method for immobilizing anaerobic microbes with improved gas permeability | |
| CN110408658A (en) | A method of polyhydroxyalkanoates is produced using white wine wastewater as matrix | |
| JP2008043321A (en) | Chlorella vulgaris, method of bioremediation by using the same, and also bioreactor and method for removing harmful substance by using the same | |
| CN112661374B (en) | Method for improving methane yield in sludge anaerobic digestion process by using micro-plastic | |
| KING et al. | Ethanol fermentation of whey using polyacrylamide and kappa-carrageenan entrapped yeasts | |
| Bryers | The biotechnology of interfaces | |
| Liu et al. | Study on improvement of continuous hydrogen production by photosynthetic biofilm in interior illuminant reactor | |
| JP2004097116A (en) | Method and apparatus for producing hydrogen by microorganism | |
| Weissbrodt | Granular Sludge—State of the Art: Looking for Interactions at Different Scales | |
| Sun et al. | A collaborative effect of solid-phase denitrification and algae on secondary effluent purification |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100829 |