Бактериальная целлюлоза

Оптимизация биосинтеза бактериальной целлюлозы
на средах с отходами биотехнологических
производств в процессе масштабирования
Автор проекта : Богатырева А. О.
• Цель:
оптимизация
условий
культивирования и питательной среды на
основе
отходов
биотехнологических
производств с целью увеличения выхода
бактериальной
целлюлозы
(БЦ)
в
процессе масштабирования.
• Реализация нашего проекта позволит
создать
в
России
производство
уникального материала бактериальной
целлюлозы в промышленных масштабах и
решить основные затруднения на пути
создания данного материала: снизить
конечную стоимость продукта, придать
ему нужные свойства и увеличить выход
целевого продукта.
Целлюлоза – это один из самых распространенных биополимеров на земле.
Традиционно ее получают из древесины путем долгих обработок. Разрушение
целлюлозных волокон до нанофибрилл и нанокристаллической целлюлозы
позволило
получить
на
основе
этого
полимера
материалы,
характеризующиеся значительно увеличенными параметрами по жесткости и
прозрачности.
Помимо этого ее получают, с использованием различных бактерий, например
Acetobacter, Sarcina, Agrobacterium и других. При этом образуется не только
химически чистый продукт, обладающий уникальными характеристиками,
несвойственными древесному аналогу, но и появляется возможность
утилизировать отходы промышленности.
В отличие от растительной целлюлозы, бактериальная целлюлоза
представляет собой химически чистый внеклеточный продукт. Она не
содержит лигнина, смол, жиров и восков и поэтому не требует отбелки.
Образующиеся кристаллические микрофибриллы бактериальной целлюлозы в
100 раз тоньше микрофибрилл растительной целлюлозы. Они обладают более
высокими аспектными свойствами, что благоприятно для создания
высокопрочных нанокомпозицонных материалов. БЦ отличается от
растительной целлюлозы более высокими показателями кристалличности,
набухаемости и гигроскопичности. Благодаря высокой удельной площади
поверхности (в 200 раз больше, чем у волокон растительной целлюлозы) БЦ
обладает высокими адсорбционными свойствами. Она обладает высокими
физико-механическими свойствами, такими как растяжимость и прочность на
разрыв. Т.о. бактериальная целлюлоза представляет собой перспективный
наноматериал, который можно использовать во многих отраслях
промышленности.
СЭМ изображения
волокон:
а – бактериальной,
b – растительной
целлюлозы.
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА БЦ И ХЦ
(ХЛОПКОВОЙ)
Физикохимические
показатели
БЦ
ХЦ, 1 сорт
Влажность, %
3,8
10,0
Зольность, %
1,0
11,2
Набухание, %
186,7
-
Степень
полимеризации
средняя, ед
947
716
Смачиваемость, г
179,7
140,11
Определение
плотности листа,
г/м3
80,6
-
Линейное
расширение, %
68,7
-
Массовая доля
α-целлюлозы
98,5
97,7
Бактериальная целлюлоза - это универсальный материал будущего.
Который можно использовать во многих отраслях человеческой
деятельности: в медицине, технике, пищевой промышленности,
производстве
нанокомпозиционных
материалов
и
т.д.
ПОТРЕБИТЕЛИ ПРОДУКТА ПРОЕКТА
Основными потребителями продукции проекта будут предприятия,
выпускающие композиционные полимерные материалы, предприятия
выпускающие инженерные пластики и строительные материалы,
материалы для электроники и акустических систем, системы
биофильтрации, предприятия оборонной и аэрокосмической
промышленности, а также медицинские, пищевые и фармацевтические
предприятия.
Среди планируемых потребителей выступают: Самарский завод
полимер-композитных конструкций и ООО « Нижнекамский завод
цельнометаллокордных шин».
ОПИСАНИЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ НОВИЗНЫ
В нашей технологии используются отходы биотехнологических
производств, что с одной стороны позволяет их утилизировать, а с
другой – значительно снизить стоимость конечного продукта за счет
использования дешевой среды для биосинтеза БЦ. Также путем
внесения различных добавок можно изменять свойства БЦ (степень
кристалличности, длину волокон и т.д.). Оптимизация питательных
сред и условий культивирования микроорганизма-продуцента БЦ
способствует увеличению выхода целевого продукта, что также
позволяет снизить стоимость БЦ за счет более полной и
качественной переработки исходной питательной среды.
По сравнению с известными продуцентами используемый штамм
превосходит их по продуктивности, адаптирован к росту на
питательных
средах, полученных
из отходов пищевой
промышленности и способен синтезировать длинномерные волокна
(с высоким аспектным соотношением).
ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ
• 1. Высокая стоимость, вследствие высокой цены
компонентов
традиционных
синтетических
питательных сред (глюкоза, дрожжевой экстракт и
т.д.). Стоимость БЦ составляет порядка 10-30 долларов
за 1 кг.
• 2. Нигде в мире, и в нашей стране в частности не
разработана технология промышленного получения
бактериальной целлюлозы.
• 3. Использование бактериальной целлюлозы для
промышленного
получения
нанокристаллической
целлюлозы
затруднено
из-за
низкой
производительности биосинтеза, который, как правило,
не превышает 5 г/л.
Соответственно, нам необходимо решить следующие
задачи:
• 1. Удешевление питательной среды, за счет
использования дешевых и доступных вторичных
материальных ресурсов, в частности отходов
биотехнологических производств.
• 2. Оптимизация этой среды, путем введения
различных добавок, способствующих повышению
выхода и физико-химических свойств конечного
продукта.
• 3. Оптимизация условий культивирования и подбор
необходимого оборудования.
П Е Р С П Е К Т И В Ы КО М М Е Р Ц И А Л И З А Ц И И
Коммерциализация результатов проекта в первую
очередь связана с потребностью
авиационной,
аэрокосмической, атомной и оборонной отраслей
промышленности в сверхпрочных конструкционных
материалах со сниженными весовыми параметрами и
функциональных
материалов с уникальными
характеристиками .
Основными потребителями продукции могут стать
фармацевтические
предприятия,
учреждения,
работающие в области медицины, косметологии,
приборостроения, строительства, кораблестроения и
промышленной
электроники,
предприятия
авиационной,
аэрокосмической
и
оборонной
промышленности.
РАЗРАБОТКИ АНАЛОГИЧНЫХ ПРОДУКТОВ
На данный момент в России не существует предприятий
по
производству
бактериальной
целлюлозы
в
промышленных масштабах. Внимание многих стран
направлено на изучение данного процесса. В настоящее
время ряд предприятий за рубежом осуществляет
попытки создать промышленное производство данного
продукта, как правило на дорогих сахаросодержащих
средах для медицинского применения. Например,
польская компания BOWIL Biotech производит БЦ в
статических условиях по GMP. Производимая в
лабораторных условиях бактериальная целлюлоза
продается на мировом рынке по цене около 30 $/кг (в 50
раз выше, чем растительная целлюлоза). Произведенная
по нашей технологии будет иметь себестоимость порядка
10 $/кг.
СХЕМА ПРОИЗВОДСТВА ПРОДУКТА
Культивирование продуцента на
твердой агаризованной среде
Среда для культивирнования на
основе отходов биотехнологических
производств
Инокулят
Процесс культивирования
Статический процесс
Динамический процесс
Отделение продукта от
культуральной жидкости и
дальнейшая ее очистка
Промывка водой
Получение готового продукта
БАКТЕРИАЛЬНАЯ ЦЕЛЛЮЛОЗА –
УНИВЕРСАЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ
БУДУЩЕГО!
Богатырева А.О.
E-mail:
BogatyrevaAO@mail.ru
тел: 89375118649