Оптимизация биосинтеза бактериальной целлюлозы на средах с отходами биотехнологических производств в процессе масштабирования Автор проекта : Богатырева А. О.

Цель: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) Физико- химические показатели БЦХЦ, 1 сорт Влажность, %3,810,0 Зольность, %1,011,2 Набухание, %186,7- Степень полимеризации средняя, ед Смачиваемость, г 179,7140,11 Определение плотности листа, г/м 3 80,6 - Линейное расширение, % 68,7- Массовая доля α-целлюлозы 98,597,7

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 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.

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. ПЕРСПЕКТИВЫ КОММЕРЦИАЛИЗАЦИИ

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.

Среда для культивирования на основе отходов биотехнологических производств Культивирование продуцента на твердой газированной среде Инокулят Отделение продукта от культуральной жидкости и дальнейшая ее очистка Динамический процесс Статический процесс Процесс культивирования Промывка водой Получение готового продукта СХЕМА ПРОИЗВОДСТВА ПРОДУКТА

БАКТЕРИАЛЬНАЯ ЦЕЛЛЮЛОЗА – УНИВЕРСАЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ БУДУЩЕГО! Богатырева А.О. тел: