УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

КОТИНСЬКИЙ Андрій Валерійович

УДК 581.192; 582.232; 582.095

Розробка технології одержання йодованої біомаси спіруліни в закритих умовах культивування

03.00.20 – Біотехнологія

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українському державному університеті харчових технологій Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Салюк Анатолій Іванович,

Український державний університет харчових технологій, кафедра біохімії та екології харчових виробництв, завідувач кафедри

Офіційні опоненти: доктор біологічних наук, професор

Сіренко Лідія Акимівна,

Інститут гідробіології НАН України, відділ екологічної фізіології водних рослин, завідувач відділу

кандидат технічних наук

Кошель Михайло Іванович,

Український науково-дослідний інститут спирту і біотехнології продовольчих продуктів Міністерства агропромислового комплексу України, відділ екології, завідувач відділу

Провідна установа: Одеська державна академія харчових технологій, кафедра біохімії і мікробіології, Міністерство освіти і науки України, м. Одеса

Захист відбудеться “_5_” грудня 2001 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.058.03 Українського державного університету харчових технологій за адресою: 01033, м.Київ-33, вул. Володимирська, 68, аудиторія А-311.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Українського державного університету харчових технологій за адресою: 01033, м.Київ-33, вул. Володимирська, 68.

Автореферат розісланий “ 5 ” листопада 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Ромоданова В.О.

Актуальність теми. Останнім часом у багатьох країнах світу велика увага приділяється новим нетрадиційним джерелам біологічно активних речовин. Особливе місце серед продуцентів цих речовин займають мікроводорості і, в першу чергу, Spirulina platensis (надалі спіруліна), яка містить унікальний комплекс необхідних організмові людини компонентів.

Окрім того, спіруліна здатна синтезувати йодовмісні сполуки гормональної природи - тироксин і трийодтиронін, які швидко й ефективно засвоюються організмом людини. Тому спіруліна може бути використана також як ефективне додаткове джерело легкозасвоюваного йоду в якості харчової добавки.

Зважаючи на все це , дуже важливою на даний час є проблема одержання природних, збалансованих за вмістом біологічно активних речовин йодовмісних харчових добавок, що дозволить знизити рівень йодозалежних захворювань в Україні. Розв’язання проблеми йодозалежних захворювань є пріоритетним напрямком у розвитку науки і техніки.

Існуючі в Україні застарілі методи культивування спіруліни відкритим способом не забезпечують сучасні санітарно-епідеміологічні нормативні вимоги.

Актуальним є створення нових біотехнологічних систем, які забезпечують безумовне дотримання гігієнічних та біологічних вимог, розробка сучасної технології виробництва йодованої біомаси спіруліни із контрольованим вмістом біологічно активних сполук.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Представлена робота виконувалась в рамках дослідної роботи згідно з господарським договором № 0100 / 006501 (відповідно до договору №8/67-99 Міністерства освіти і науки України) за темою “Розробка технології і створення технологічної лінії одержання біологічно активних йодовмісних харчових добавок із спіруліни” на кафедрі біохімії та екології харчових виробництв Українського державного університету харчових технологій та в Інституті біохімії ім. О.В.Палладіна НАН України. Роль автора полягала у розробці конструкції високопродуктивного закритого фотобіореактора, відпрацюванні технологічних умов культивування, визначенні вмісту основних біологічно-активних сполук, розробці біотехнології культивування і одержання йодованої біомаси спіруліни, апробації розробленої технології у промислових умовах, одержанні дослідної партії біомаси спіруліни з визначеним вмістом йоду.

Мета та задачі дослідження. Мета роботи полягає в розробленні технології одержання йодованої біомаси спіруліни в якості харчової добавки із контрольованим вмістом біологічно активних речовин, яка дозволяє знизити негативний вплив навколишнього середовища на процес біосинтезу ціанобактерії.

Задачі, що визначені метою досліджень:

·

·

·

·

·

·

·

Об’єкт дослідження – технологія одержання йодованої біомаси спіруліни в фотобіореакторі, який забезпечує закриті умови культивування.

Предмет дослідження – ціанобактерія Spirulina platensis, закритий фотобіореактор для культивування фототрофних мікроорганізмів.

Методи дослідження. Для визначення фотосинтетичної активності спіруліни та якісного складу одержаної біомаси спіруліни використовували загальноприйняті стандарти та модернізовані біохімічні, фізико-хімічні і мікробіологічні методики. Побудова плану експериментів, математичне моделювання і оптимізація технологічних параметрів культивування спіруліни у розробленому фотобіореакторі здійснювались на ЕОМ з використанням пакету прикладних програм “ПРІАМ” – “Планування, регресія і аналіз моделей”.

Наукова новизна одержаних результатів. Встановлена закономірність впливу основних технологічних параметрів культивування на фотосинтетичну активність спіруліни в процесі вирощування у площинному аероліфтному фотобіореакторі закритого типу. Вперше одержані математичні моделі технологічного процесу культивування спіруліни у площинному аероліфтному фотобіореакторі. Визначено оптимальний взаємозв’язок параметрів культивування за допомогою оптимізації технологічного процесу.

Визначено, що одночасне внесення у поживне середовище іонів йоду у певних співвідношеннях з іонами кобальту сприяє адаптації клітин спіруліни до високих концентрацій йоду, інтенсифікує процес біосинтезу спіруліни, а також значно підвищує її йодоакумулюючу здатність. Визначені оптимальні концентрації і співвідношення іонів йоду і кобальту, при яких досягаються найбільша продуктивність спіруліни по біомасі, а також найбільше накопичення йоду клітинами спіруліни.

Практичне значення отриманих результатів. Запропоновано апаратурно-технологічну схему культивування і одержання йодованої біомаси спіруліни у фотобіореакторі закритого типу.

Здійснено інженерно-дослідницькі роботи, розроблена технологія одержання біомаси спіруліни з підвищеним вмістом органічно-зв’язаного йоду, яка передбачає напівбезперервний від’ємно-доливний режим культивування.

Розроблена та затверджена нормативно-технічна документація (ТУ, ДПР) на виробництво біомаси спіруліни з підвищеним вмістом йоду на підприємстві ВАТ “Біофор” (м. Бориспіль). Економічна доцільність розробки визначається розрахованим рівнем собівартості йодованої біомаси (216 грн/кг) у порівнянні з існуючим аналогом харчової добавки без йоду “Спіруліна елітна” (360 грн/кг).

Виробництво йодованої біомаси спіруліни дозволить забезпечити населення високоефективним легкозасвоюваним джерелом йоду, поступово вирішити проблему профілактики та лікування йодозалежних захворювань в Україні, а також розробити технології одержання нових біологічно активних йодомістких харчових добавок.

Розроблена технологія одержання біомаси спіруліни зі значним вмістом йоду дозволяє рекомендувати її для практичного використання у біотехнології одержання йодованої спіруліни. Одержана йодована біомаса спіруліни, згідно розробленої технології, рекомендується для отримання екстрактів, які в подальшому можуть бути використані для виробництва безалкогольних напоїв, кондитерських та макаронних виробів, збагачених йодом.

Особистий внесок здобувача полягає у розробці конструкції фотореактора, методик досліджень, організації і проведенні експериментальної роботи в лабораторних і виробничих умовах, визначенні вмісту деяких біологічно активних сполук спіруліни, аналізі і узагальненні одержаних даних, формуванні висновків і рекомендацій, підготовці до публікації результатів теоретичних і експериментальних досліджень, участі у промисловій апробації розробленої технології. Особистий внесок здобувача підтверджено поданими документами та науковими публікаціями.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідалися і позитивно оцінені на Міжнародній науково-технічній конференції “Розроблення та впровадження прогресивних ресурсоощадних технологій та обладнання в харчову та переробну промисловість” (Київ, 1997 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Техника и технология пищевых производств” (Могильов, 1998 р.), 6-ій Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми та перспективи створення і впровадження нових ресурсо- та енергоощадних технологій, обладнання в галузях харчової і переробної промисловості” (Київ, 1999 р.), IX з’їзді Українського мікробіологічного товариства (Чернігів, 2000 р.), науково-практичній конференції “Нові технології при вирішенні медико-екологічних проблем” (Піщане (Крим), 2000 р.)

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 9 робіт, отримано один патент України.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, трьох розділів, висновків та 2 додатків. Матеріали дисертаційної роботи викладено на 121 сторінках друкованого тексту, містять 23 таблиці та 21 рисунки. Список використаних джерел включає 186 найменувань в тому числі 91 зарубіжне.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

вступ

Обгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету та задачі досліджень, визначено наукову новизну та практичну цінність роботи, наведено відомості про особистий внесок, апробацію, структуру та обсяг роботи.

розділ 1. Огляд літератури

На базі аналізу літературних джерел розглянуто біохімічну характеристику і практичну цінність спіруліни. Визначено вплив освітленості, температури, мінеральних і органічних компонентів живлення, концентрації вуглекислого газу, кисню і рН на ріст та вихід біомаси. Встановлено, що досі ще не створено ефективної технології одержання йодованої біомаси спіруліни як природного джерела органічно зв’язаного йоду. Проаналізовано основні методи культивування фототрофних мікроводоростей, стан розробок та існуючі типи фотореакторів. Виявлено, що існуючі установки для вирощування фототрофних мікроводоростей, зокрема спіруліни, недосконалі, у більшості випадків не забезпечують сприятливих умов культивування, мають низьку продуктивність по біомасі і не завжди придатні для промислового використання.

розділ 2. Об’єкти та методи досліджень

Для досліджень автором використовувалася альгологічно чиста культура трихомної ціанобактерії Spirulina platensis (Gom.) Geitl. штам ЛГУ-603, депонований з колекції культур Ботанічного Інституту Ленінградського університету. Культуру вирощували на модифікованому поживному середовищі Зарука. Для проведення лабораторних досліджень застосовували розроблений площинний аероліфтний фотореактор загальним об’ємом до 30 л.

В процесі досліджень визначено вміст білка, хлорофілу, фікоціаніну, каротиноїдів, аскорбінової кислоти, -токоферолу і ціанокобаламіну. Кількісне визначення йоду проводили згідно ГОСТ 26185-84. Для визначення абсолютно сухої речовини (надалі с.р.) використовували методику, яка дозволяє видаляти при промиванні біомаси важко розчинні солі. Статистичну обробку одержаних результатів здійснювали за критерієм Ст’юдента. Побудова плану експериментів, математичне моделювання і оптимізація технологічних параметрів культивування спіруліни у розробленому фотобіореакторі здійснювалася на ЕОМ за алгоритмом пакету прикладних програм “ПРІАМ”.

Розділ 3. Дослідження технологічних параметрів процесу культивування спіруліни

Встановлено, що передумовою для створення конструкції біореактора, здатного забезпечувати необхідні умови культивування спіруліни є визначення основних технологічних і конструктивних вимог.

На основі визначених вимог розроблена установка площинного аероліфтного фотобіореактора, яка дозволяє інтенсифікувати процеси біосинтезу спіруліни, одержувати механічно неушкоджену, альгологічно чисту біомасу мікроводорості. Цю установку рекомендовано для промислового застосування, тому деталі цієї конструкції наведено в розділі 7 “Розробка апаратурно-технологічної схеми одержаня йодованої біомаси спіруліни”.

В результаті проведених досліджень визначено (табл. 1), що найбільша фотосинтетична активність спіруліни при культивуванні у площинному фотобіореакторі, досягається при температурі суспензії 331,50С та освітленості 8,00,2 кЛк.

Таблиця 1

Вплив технологічних параметрів процесу культивування

на фотосинтетичну активність спіруліни

Параметри культивування | Значення параметрів | Продуктивність по біомасі, г с.р./л | Вміст білка, % с.р. | Вміст хлорофілу, % с.р.

Температура, 0С | 28,0 | 1,63 | 52,6 | 1,88

33,0 | 1,81 | 57,7 | 2,16

38,0 | 1,56 | 54,1 | 1,68

Освітленість, кЛк | 5,0 | 1,37 | 52,8 | 2,24

8,0 | 1,81 | 57,7 | 2,16

11,0 | 1,63 | 49,6 | 1,66

Коефіцієнт періодичності | 1,3 | 2,90 | 68,2 | 2,44

1,5 | 2,88 | 66,5 | 2,58

2 | 2,40 | 61,8 | 2,47

3 | 1,81 | 57,7 | 2,16

4 | 1,58 | 56,5 | 1,73

Концентрація середовища, % | 5 | 1,49 | 55,3 | 1,65

50 | 1,81 | 57,7 | 2,16

70 | 2,07 | 61,0 | 2,22

100 | 2,19 | 62,7 | 2,37

Аналізуючи динаміку росту культури при різних рівнях освітленості впродовж 120 год., було визначено, що при освітленості 8,0 кЛк ріст спіруліни протягом всього періоду культивування є порівняно стабільним, при цьому має місце поступове зниження питомої швидкості росту.

Визначивши ділянки кривих росту з найбільшою питомою швидкістю росту при даних освітленостях, побудовано криву регулювання освітленості спіруліни в залежності від її концентрації в суспензії (рис. 1). Ця крива є графічним відображенням закону регулювання освітленості культури в процесі культивування спіруліни. Поступово збільшуючи освітленість залежно від концентрації біомаси, можна значно інтенсифікувати процес росту культури за рахунок адекватного введення світлової енергії у суспензію.

Збільшення освітленості значно пригнічує процес біосинтезу ціанокобаламіну і каротиноїдів та інтенсифікує процес накопичення -токоферолу і аскорбінової кислоти (табл.2).

Таблиця 2

Вміст ціанкобаламіну, -токоферолу, аскорбінової кислоти і каротиноїдів у біомасі спіруліни залежно від освітленості

Рівень освітленості, кЛк | Вміст ціанкобаламіну, мкг/100 г с.р. | Вміст

-токоферолу, мг/100 г с.р. | Вміст аскорбінової кислоти, мг/100 г с.р. | Вміст каротиноїдів, мг/100 г с.р.

5,0 | 42,94 | 20,8 | 23,2 | 0,46

8,0 | 9,13 | 32,0 | 87,4 | 0,24

11,0 | 0,92 | 66,0 | 122,7 | 0,13

Фотосинтетична активність спіруліни також залежить і від тривалості знаходження культури на світлі протягом доби і від частоти чергування світлової і темнової фаз росту. Для визначення цієї залежності було введено коефіцієнт, який характеризує технологічні і конструктивні особливості розробленого площинного аероліфтного фотобіореактора - коефіцієнт періодичності – FР. Зі збільшенням коефіцієнта періодичності знижується частота чергування світлової і темнової фаз росту, причому найбільш різке зниження частоти відбувається при коефіцієнтах періодичності в межах від 2,0 до 3,0. Для цього діапазону відмічено значне зниження фотосинтетичної активності.

Визначено, що зменшення тривалості знаходження культури на світлі з 12 до 6 год. на добу, а також зниження частоти чергування світлової і темнової фаз росту нижче 0,017 чергув./хв, що відповідає коефіцієнту періодичності 2,0 призводить до значного зниження основних показників фотосинтетичної активності спіруліни (табл. 1).

Зменшення коефіцієнта періодичності нижче значення 1,5, тобто збільшення тривалості фотоперіоду більше 16 год. за добу, не призводить до вагомих збільшень продуктивності, вмісту білка і хлорофілу. Для одержання найбільшої валової продуктивності фотобіореактора доцільно проводити культивування при коефіцієнті періодичності в межах 1,5…2,0.

Встановлено, що зменшення концентрації мінеральних солей у поживному середовищі Зарука до 50% при 100%-ному внесенні мікроелементів в процесі культивування спіруліни не призводить до значних втрат продуктивності і зниження фотосинтетичної активності культури. Зниження концентрації мінеральних солей до 30% призводить до значного зниження продуктивності по біомасі – на 48%, білку – на 20% і хлорофілу – на 33%.

розділ 4. Математичне моделювання та оптимізація технологічних параметрів культивування спіруліни

За допомогою пакету прикладних програм ПРІАМ розроблено план експериментів з використанням результатів попередніх досліджень. В результаті обробки на ЕОМ результатів 32 дослідів одержані рівняння, які описують процес залежності продуктивності по біомасі У1, білку У2 і хлорофілу У3 від освітленості Х1, температури суспензії Х2, коефіцієнта періодичності Х3 і концентрації основних компонентів поживного середовища Х4:

У1 = 1,79 – 0,21 x3 + 0,10 x4 + 0,08 z3

У2 = 59,81 – 1,21 x3 + 1,64 x4 – 1,28 z2

У3 = 2,09 - 0,14 x3 - 0,10 x1 + 0,07 x4 - 0,06 x2 - 0,05 z1

де хі –лінійні функції змінних Хі, zi – квадратичні функції змінних хі (і=1…4).

Одержані моделі відповідають вимогам адекватності, інформативності, стійкості та іншим статистичним перевіркам.

Аналіз одержаних моделей виявив найбільш впливові фактори і ступінь їх впливу на продуктивність по біомасі, білку та хлорофілу. Згідно з одержаними результатами встановлено, що найбільш впливовими факторами на продуктивність спіруліни по біомасі є коефіцієнт періодичності (64%) і концентрація компонентів поживного середовища (19%); по білку – коефіцієнт періодичності (34%), концентрація компонентів поживного середовища (26%) і температура суспензії (12%); по хлорофілу – всі досліджувані фактори (освітленість – 43%, температура – 21%, коефіцієнт періодичності – 16% і концентрація компонентів поживного середовища – 11%).

У відповідності з результатами експериментів здійснена оптимізація технологічного процесу культивування спіруліни за алгоритмом випадкового накиду пробних точок для глобального пошуку екстремума у багатомірному факторному просторі. Оптимальне поєднання факторів наведено у табл. 3.

В результаті оптимізації процесу культивування спіруліни визначені наступні параметри: на початку процесу освітленість - 7,60,9 кЛк, температура суспензії -31,0 … 32,50С, коефіцієнт періодичності – 1,80,5, концентрація компонентів поживного середовища – 90 … 100%; після виходу на робочий режим концентрація компонентів середовища знижується до 53,0 … 60,0%, освітленість підвищується до 8,40,7 кЛк, температура суспензії підвищується до 34,0 … 35,00С, коефіцієнт періодичності знижується до 1,50,5. Виконання цих вимог дозволяє максимально підвищити фотосинтетичну активність спіруліни.

Таблиця 3

Оптимальне поєднання факторів

Фактори оптимізації | Критерії оптимізації

Освітленість, кЛк | Температура,

0С | Коефіцієнт

періодичності | Концентрація

середовища,% | Біомаса,

г сух.реч/л | Білок,

% с.р. | Хлорофіл,

% с.р.

8,5 | 32,5 | 1,9 | 90 | 2,08 | 62,5 | 2,26

7,7 | 34,0 | 1,5 | 60 | 2,06 | 62,9 | 2,24

6,7 | 31,0 | 1,8 | 100 | 2,02 | 62,2 | 2,32

9,1 | 35,0 | 1,4 | 53 | 2,07 | 62,4 | 2,18

Розділ 5. Розробка технології одержання йодованої біомаси спіруліни

З метою одержання йодовмісної біомаси спіруліни вивчено вплив різних концентрацій йоду на процес накопичення його клітинами спіруліни.

Визначено, що максимальне накопичення йоду у біомасі спіруліни відбувається при освітленості 8,0 кЛк (табл. 4).

Таблиця 4

Вплив освітленості на накопичення йоду у біомасі спіруліни

при внесенні 0,2 мг/л йодиду калія

Освітленість, кЛк | Біомаса,

г с.р./л | Вміст білка,

% с.р. | Вміст йоду,

% с.р.

5,0 | 1,83 | 52,30 | 0,0047

8,0 | 2,24 | 56,20 | 0,0080

11,0 | 2,06 | 50,28 | 0,0050

Внесення у поживне середовище іонів йоду, у вигляді йодиду калія, у кількості 12 мкМ максимально інтенсифікує процес біосинтезу спіруліни. Концентрація йоду, більша за 30,0 мкМ, зменшує темпи накопичення йоду.

Максимальне накопичення йоду 112,0 мг/100 г с.р. відбувається при внесенні 60,0 мкМ йоду. Розроблені умови культивування підвищують йодакумулюючу здатність спіруліни. Встановлено, що використання тільки іонів йоду не дозволяє отримувати біомасу спіруліни з досить значним його вмістом.

Іони кобальту сприяють синтезу ціанокобаламінів, які виступають як фактори синтезу білка. Внесення сполук кобальту, призводить до інтенсифікації процесів біосинтезу спіруліни, зокрема йодовмісних сполук.

Одночасне дробове внесення у поживне середовище іонів йоду та кобальту дозволяє адаптувати культуру спіруліни до високих концентрацій іонів йоду – 30,0 мкМ (в якості джерела кобальту використовується нітрат кобальту). В присутності іонів йоду у кількості 30,0 мкМ спіруліна здатна адаптуватися до значних концентрацій кобальту – 60,0 мкМ, більш високі концентрації іонів кобальту пригнічують ріст та продуктивність культури.

Вміст йоду в біомасі спіруліни значною мірою залежить від співвідношення внесених до середовища іонів йоду і кобальту (рис. 2). Внесення йоду разом з кобальтом дозволяє значно підвищити йодакумулюючу здатність спіруліни при визначених співвідношеннях цих елементів. Максимальне накопичення йоду відбувається при співвідношенні йоду до кобальту – 0,5 при дозі йоду до 12,0 мкМ. При збільшенні дози йоду до 60 мкМ найбільший вміст йоду в біомасі спіруліни спостерігається при співвідношенні йоду до кобальту – 1,0.

Одержані дані свідчать, що збільшення концентрації іонів йоду у середовищі призводить до зменшення їх поглинання (відносно внесеної кількості йоду). При внесенні у середовище мінімальної з досліджених концентрацій йоду – 1,2 мкМ, поглинання йоду становить 52,4%, а при внесенні 60,0 мкМ – тільки 14,6%.

Клітини спіруліни мають певний поріг поглинання йоду, після якого відбувається перенасичення. Внесення іонів йоду разом з іонами кобальту у встановлених співвідношеннях значно підвищує поріг насичення клітин йодом. Внесення йоду в концентрації – 60,0 мкМ разом з кобальтом у співвідношенні йоду до кобальту – 1,0, дозволяє збільшити поріг поглинання йоду у 4,5 рази (з 14,6% до 65,4%).

В табл. 5 наведено біохімічний склад біомаси спіруліни, одержаної при культивуванні на середовищі Зарука з внесенням різних концентрацій йодиду калія та нітрату кобальта.

Одержана біомаса спіруліни характеризується не тільки значним вмістом йоду, але й значним вмістом білка, фікоціаніну та -токоферолу, що дозволяє рекомендувати її для широкого використання як концентрованого джерела органічно-зв’язаного йоду, -токоферолу і фікоціаніну.

Збільшення співвідношення йоду до кобальту сприяє одержанню найбільшого вмісту йоду в біомасі спіруліни і високій продуктивності, відповідно до збільшення дози йоду, що вноситься в процесі культивування. При внесенні невеликих концентрацій йоду (до 6,0 мкМ), кобальт вноситься у співвідношенні J–:Co2+=0,25 … 0,5; при концентраціях йоду до 30,0 мкМ – у співвідношенні J–:Co2+=0,5…1,0 і при високих концентраціях йоду (до 60,0 мкМ) – у співвідношенні J–:Co2+=1,0…2,0. Дробове внесення сполук йоду і кобальту проводиться у визначених співвідношеннях.

Таблиця 5

Біохімічний склад біомаси спіруліни,

одержаної при культивуванні в присутності іонів йоду і кобальту

Показники | Результати досліджень | Дані літератури

Умови культивування

Без йоду і кобальту | 60,0 мкМ йоду | 60,0 мкМ кобальту | По 60,0 мкМ йоду і кобальту | Без йоду і кобальту

Продуктивність*, г с.р./л | 1,81 | 1,95 | 2,27 | 2,5 | 0,6…3,0

Білок, % с.р. | 57,7 | 54,3 | 55,0 | 75,0 | 48,0…65,0

Хлорофіл , % с.р. | 2,16 | 2,27 | 1,93 | 2,54 | 0,5…1,15

Фікоціанін С, % с.р. | 17,4 | 18,7 | 15,3 | 23,6 | 3,84…15,0

Каротиноїди, % с.р. | 0,24 | 0,16 | 0,36 | 0,11 | 0,22…0,82

Вітамін С, мг/100г с.р. | 87,4 | 97,6 | 90,3 | 94,0 | 5,0…170

-токоферол, мг/100г с.р. | 32,0 | 193,3 | 220,0 | 232,6 | 5,0…21,88

Ціанокобаламін, мкг/100г с.р. | 9,13 | 9,87 | 14,96 | 16,4 | 98,0…320,0

Йод, мг/100 г с.р.– | 112,0– | 500,0 | 6,0…30,0**

* - за 120 год культивування;

** - при спеціальному внесенні йодиду калія у кількості 10,0 мг/л.

Розділ 6. Дослідження від’ємно-доливного режиму культивування спіруліни

Визначені особливості внесення солей йоду і кобальту на етапі виходу у робочий режим. Відбувається поступове зниження вмісту йоду у біомасі спіруліни після першого відбору у разі внесення відповідної до відібраного об’єму суспензії кількості йоду і кобальту. Клітини спіруліни поглинають до 65% внесеного йоду, у випадку одночасного внесення по 10 мг/л йодиду калія і нітрату кобальта. Після кожного відбору концентрація іонів йоду та кобальту доводиться до встановленої, з урахуванням не тільки відібраної кількості йоду, а й поглиненої клітинами спіруліни.

Кількість сполук йоду і кобальту, яку необхідно вносити у середовище після першого і другого відборів при від’ємно-доливному режимі вирощування, визначається за наступними формулами:

· кількість мг сполуки йоду (або кобальту), що вноситься у середовище після першого відбору;

А1 = A [Kv + Kj – Kv Kj]

· кількість мг сполуки йоду (або кобальту), що вноситься у середовище після другого і подальших відборів;

A2 = A Kv [1 + Kj – Kv Kj]

де: А – початкова кількість мг сполуки йоду (або кобальту);

Кj – коефіцієнт поглинання йоду (або кобальту) клітинами спіруліни;

Kv – коефіцієнт відбору суспензії.

В процесі від’ємно-доливного культивування основною вимогою є відтворення початкової щільності культури між відборами суспензії.

Дослідження динаміки росту спіруліни при різних коефіцієнтах відбору (табл. 6) свідчить, що при 20%-му відборі суспензії кожної доби (швидкість розбавлення 0,008 год-1), приріст біомаси за три доби складає 22%. Внаслідок високої щільності культури в суспензії (понад 2,5 г с.р./л) спостерігається поступове зниження питомої швидкості росту з 0,013 до 0,010 год-1.

В процесі 30%-го відбору кожної доби (швидкість розбавлення 0,013 год-1), спостерігається збільшення питомої швидкості росту до 0,017 год-1. За три доби культура встигає перевищити початкову щільність відбору лише на 12%. Подальше збільшення швидкості розбавлення культури до 0,017 год-1 при тому ж самому відсотку відбору, але кожні 18 год., призводить до стабілізації процесу росту з незначним підвищенням питомої швидкості росту до 0,019 год-1.

Таблиця 6

Динаміка росту спіруліни при різних коефіцієнтах відбору

Тривалість росту, год | Внесення сполук йоду і кобальту, мг/л | Концентрація біомаси,

г с.р./л | Тривалість росту, год | Концентрація біомаси, г с.р./л

Коефіцієнт відбору, % | Коефіцієнт відбору, %

KJ | Co(NO3)2 | 20 | 30 | 40 | 30

0 | 0,10 | 0,04 | 0,30 | 0,30 | 0,30 | 0 | 0,30

24 | - | - | 0,48 | 0,48 | 0,48 | 24 | 0,48

48 | 0,10 | 0,44 | 0,93 | 0,93 | 0,93 | 48 | 0,93

72 | 0,90 | 3,96 | 1,67 | 1,67 | 1,67 | 72 | 1,67

96 | 8,90 | 5,56 | 2,22 | 2,22 | 2,22 | 96 | 2,22

120 | Відбір | 2,50 | 2,50 | 2,50 | 120 | 2,50

120 | 6,22 | 3,00 | 1,98 | 1,77 | 1,52 | 120 | 1,81

144 | Відбір | 2,69 | 2,61 | 2,18 | 138 | 2,48

144 | 3,47 | 3,00 | 2,20 | 1,84 | 1,32 | 138 | 1,79

168 | Відбір | 2,87 | 2,71 | 2,01 | 156 | 2,50

168 | 3,47 | 3,00 | 2,32 | 1,87 | 1,20 | 156 | 1,80

192 | Відбір | 3,04 | 2,80 | 1,93 | 174 | 2,49

Збільшення відбору суспензії до 40% кожної доби (швидкість розбавлення 0,017 год-1) не дозволяє підтримувати культуру в рівновазі: спостерігається поступове вимивання культури. Після кожного відбору питома швидкість росту збільшується до 0,020 год-1, що пояснюється збільшенням відібраної кількості продуктів метаболізму, а також зниженням щільності культури мікроводорості.

Розділ 7. Розробка апаратурно-технологічної схеми одержаня йодованої біомаси спіруліни

Розроблено апаратурно-технологічну схему промислового одержання біомаси спіруліни з підвищеним вмістом йоду.

Технологія промислового культивування спіруліни включає у себе такі технологічні процеси: зберігання чистих штамів культури; нарощування посівного матеріалу; підготовка газо-повітряної суміші; підготовка поживного середовища; процес культивування спіруліни; одержання готової продукції у вигляді суспензії, пасти чи сухої біомаси.

Для забезпечення цієї технології розроблена апаратурно-технологічна схема (рис. 3). Оригінальна частина стосується апаратурного забезпечення процесу приготування поживного середовища та культивування спіруліни в площинному фотобіореакторі. Інші частини схеми: підготовка газо-повітряної суміші і одержання готової продукції – стандартні і не зазнають ніяких змін.

Площинний фотореактор складається з робочої панелі, транспортуючого аероліфтного пристрою, накопичувальної місткості та системи шлангів, що з’єднують їх. Робоча панель реактора складається з трьох основних частин: плоскої структурованої світлопрозорої порожнистої конструкції (системи паралельних прямокутних з’єднаних каналів) 15 мм завтовшки, системи розподілення газоповітряної суміші для аероліфта та кришки, яка дозволяє відводити повітря з верхньої частини панелі та дає доступ до її каналів.

Робочу панель облаштовано у вигляді змійовика, у якому суспензія повністю рециркулює за допомогою аероліфта.

Газоповітряна суміш для аероліфту надходить у панель через систему клапанів, об’єднаних у систему розподілення. Система розподілення газоповітряної суміші складається з конічної гребінки для рівномірного розподілу повітря, з’єднаної з блоком самоочисних клапанів. Під час аероліфту у робочій панелі реактора пухирці газоповітряної суміші, підіймаючись зі швидкістю 0,25 … 0,3 м/с, транспортують суспензію через усю панель, при цьому відбувається активне перемішування суспензії і насичення її вуглекислим газом.

Світло, під час проходження крізь шар суспензії, відбивається від бульбашок і розсіюється у всіх напрямках, що дозволяє більш ефективно освітлювати всі прошарки суспензії. Це забезпечує максимально ефективне використання світлової енергії.

Установка не містить перекачуючих насосів, що забезпечує неушкодженість культури в процесі росту. Замість насосів у схемі використовується оригінальний аероліфтний транспортуючий пристрій.

Установка передбачає вилучення кисню, що накопичується у суспензії в процесі культивування. За рахунок зниження парціального тиску над поверхнею суспензії у накопичувальній ємності збільшується рушійна сила десорбції і газоподібні продукти метаболізму виходять із суспензії.

Установка призначена для розміщення у закритих термостатованих приміщеннях. Освітлення здійснюється люмінесцентними або ртутними лампами, розташованими з однієї чи двох сторін робочої панелі реактора.

Основні технологічні параметри від’ємно-доливного режиму культивування спіруліни:

РН середовища 10,0 … 10,5

Вміст СО2 у повітрі 2,0 … 2,6%

Вологість повітря у реакторі 100%

Швидкість протоку 0,03 м/с

Швидкість розбавлення не більше 0,017 год-1

1.

Рівень освітленості на поверхні фотореактора 7,60,9 кЛк

Температура суспензії 31,0 … 32,50С

Коефіцієнт періодичності 1,80,5

Концентрація компонентів поживного середовища 955%

2.

Рівень освітленості на поверхні фотореактора 8,40,7 кЛк

Температура суспензії 34,0 … 35,00С

Коефіцієнт періодичності 1,50,5

Концентрація компонентів поживного середовища 574%.

Технологія одержання йодованої біомаси спіруліни пройшла промислові випробування на виробництві ТОВ “Біофор”, м. Бориспіль Київської області. Розроблено ТУ та ДПР на одержання йодованої біомаси спіруліни. Одержана в результаті випробувань біомаса спіруліни характеризувалася значним вмістом йоду – до 492 мг в 100 г с.р., фікоціаніну – до 23,4 г і -токоферолу – до 228,7 мг. Постійний альгологічний контроль культури спіруліни в процесі культивування у площинному аероліфтному фотобіореакторі не виявив сторонніх мікроводоростей. Вміст йоду в біомасі спіруліни, одержаної при культивуванні у лотковому фотореакторі каскадного типу, складав в середньому 320 мг/100 г с.р., що на 35% менше, ніж у площинному.

ВИСНОВКИ

1. Створення ефективної технології одержання йодованої біомаси спіруліни із контрольованим вмістом біологічно активних речовин є необхідною передумовою для забезпечення населення високоякісним легко засвоюваним джерелом йоду та інших мікроелементів, амінокислот, вітамінів, пігментів.

2. Визначено основні технологічні і конструктивні вимоги для розробки фотобіореактора, які передбачають повну ізоляцію культури від зовнішнього середовища, постійне і інтенсивне перемішування суспензії в робочій зоні реактора, постійне вилучення газоподібних продуктів метаболізму, розвинену поверхню для фотосинтезу та масообміну між суспензією та газоповітряною сумішшю. Розроблено вертикальний площинний аероліфтний фотобіореактор для культивування фототрофних мікроводоростей.

3. Визначені основні технологічні параметри (температура та освітленість суспензії, концентрація компонентів поживного середовища) процесу культивування спіруліни у площинному фотобіореакторі. Визначено, що поступове збільшення освітленості культури залежно від її концентрації значно інтенсифікує процес росту за рахунок адекватного введення світлової енергії у суспензію.

4. Розраховано коефіцієнт періодичності, який враховує залежність фотосинтетичної активності спіруліни від тривалості перебування культури на світлі та частоти чергування світлової і темнової фаз росту.

5. На основі розроблених математичних моделей проведена оптимізація технологічного процесу культивування спіруліни на запропонованому площинному фотобіореакторі. Встановлена закономірність впливу основних технологічних параметрів культивування на фотосинтетичну активність спіруліни в умовах площинного фотобіореактора.

6. В результаті оптимізації технологічного процесу визначений оптимальний режим культивування спіруліни: на початку процесу освітленість - 7,60,9 кЛк, температура суспензії -31,0 … 32,50С, коефіцієнт періодичності – 1,80,5, концентрація компонентів поживного середовища – 90 … 100%; після виходу на робочий режим концентрація компонентів середовища знижується до 53,0 … 60,0%, освітленість підвищується до 8,40,7 кЛк, температура суспензії підвищується до 34,0 … 35,00С, коефіцієнт періодичності знижується до 1,50,5.

7. Встановлено, що одночасне внесення у поживне середовище іонів йоду і кобальту сприяє адаптації клітин спіруліни до високих концентрацій цих сполук, підвищеному синтезу біологічно активних речовин спіруліни, особливо білка, хлорофілу, фікоціаніну, ціанокобаламіну, -токоферолу, інтенсифікує процес біосинтезу спіруліни, а також значно підвищує її йодоакумулюючу здатність. Визначені оптимальні концентрації та співвідношення іонів йоду і кобальту.

8. Розроблено технологію одержання йодованої біомаси спіруліни, яка передбачає напівбезперервний від’ємно-доливний режим культивування.

9. Встановлено, що при від’ємно-доливному режимі культивування йодованої спіруліни максимальна швидкість розбавлення становить 0,017 год-1, при якій спостерігається стабілізація процесу росту культури з питомою швидкістю росту 0,019 год-1.

10. Розроблено апаратурно-технологічну схему одержання йодованої біомаси спіруліни з використанням площинного аероліфтного фотобіореактора.

11. Наукові розробки і узагальнення дисертаційної роботи підтверджені в процесі їх практичного застосування. Зокрема, проведена апробація і впровадження технології одержання йодованої біомаси спіруліни у виробництво на підприємстві “Біофор” (м.Бориспіль, Київська обл.). Розроблено ТУ та дослідно-промисловий регламент на одержання йодованої біомаси спіруліни.

ПЕРЕЛІК РОБІТ, ЩО ОПУБЛІКОВАНІ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. А.В.Котинський, А.І.Салюк, О.І. Адаменко Спіруліна – перспективи використання та біотехнологія виробництва // Тез. доп. Міжнародної науково-технічної конференції “Розроблення та впровадження прогресивних ресурсоощадних технологій та обладнання в харчову та переробну промисловість”. – К.: УДУХТ. – 1997. – С.54.

2. А.В.Котинский, А.И.Салюк, А.О.Рыбак Интенсификация процесса биосинтеза жирных кислот у синезеленой микроводоросли Spirulina platensis // Тез. Докл. Международной научно-технической конференции “Техника и технология пищевых производств”. – Могилев: Могилевский технологический институт. – 1998. – С.100-101.

3. А.В.Котинський, А.І.Салюк, О.Ф.Нікулін Культивування мікроводоростей роду Spirulina (Перше повідомлення) // Харчова промисловість. - 2000. - 45. - С. 192-198.

4. А.В.Котинський, А.І.Салюк, О.Ф.Нікулін, Карпенко В.І. Вплив світлових умов культивування на продуктивність мікроводорості Spirulina platensis при вирощуванні її у площинному аероліфтному фотобіореакторі закритого типу // Наукові записки НаУКМА: Біологія та екологія. – 18. – 2000. – с. 56 – 62.

5. А.В.Котинський, А.І.Салюк, Л.О.Чернухіна Одержання йодованої біомаси спіруліни. // Бюлетень інституту сільськогосподарської мікробіології, - №7. – 2000. – с.22-23.

6. А.В.Котинський, А.І.Салюк, Л.О.Чернухіна Новий спосіб одержання йодованої біомаси // Харчова та переробна промисловість. - №8. – 2000. – с. 18-19.

7. А.В.Котинский, Л.А.Чернухина, А.И.Салюк, Ю.В.Костенко, Г.В.Донченко Экстракты йодированной спирулины, выращенной в закрытом фотобиореакторе // Збірник матеріалів науково-практичної конференції “Нові технології при вирішенні медико-екологічних проблем”. – К.:“Знання”. – 2000 р. – С.50-52.

8. А.В.Котинський, А.І.Салюк, Л.О.Чернухіна Одержання йодованої біомаси спіруліни з використанням площинного аероліфтного фотобіореактора закритого типу // Праці Міжнародної науково-практичної конференції “Проблеми та перспективи створення і впровадження нових ресурсо- та енергоощадних технологій, обладнання в галузях харчової і переробної промисловості”. – К.: УДУХТ. – 2000. – С.96-97.

9. А.В.Котинський, А.І.Салюк, Л.О.Чернухіна, О.Ф. Нікулін Вплив світла і температури на продуктивність спіруліни // Харчова та переробна промисловість. - №1. – 2001. – с.19-21.

10. Патент №99031154/7200. Україна, МКІ 6 А01G31/02. Фотореактор для вирощування водоростей. / О.І. Адаменко, І.О. Адаменко, І.М. Голодний, А.В. Котинський; Заявл. 01.03.99; Опубл. 15.02.2001, Бюл. № 1. - 4 с.

Котинський А.В. Розробка технології одержання йодованої біомаси спіруліни в закритих умовах культивування. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 03.00.20. – “Біотехнологія”. – Український державний університет харчових технологій Міністерства освіти і науки України. Київ, 2001.

Дисертація присвячена розробленню та науковому обгрунтуванню технології одержання йодованої біомаси спіруліни в закритих умовах культивування з контрольованим вмістом біологічно активних речовин.

Розроблено установку площинного аерліфтного фотобіореактора закритого типу, яка дозволяє інтенсифікувати процеси біосинтезу спіруліни. Відпрацьовані основні технологічні параметри культивування в розробленому фотобіореакторі: освітленість, температура, коефіцієнт періодичності, концентрація компонентів поживного середовища.

Проведено математичне моделювання і оптимізацію технологічного процесу культивування спіруліни у площинному фотобіореакторі.

Встановлені оптимальні концентрації іонів йоду і кобальту та їх співвідношення, які дозволяють інтенсифікувати процес біосинтезу спіруліни, підвищити її йодакумулюючу здатність.

Розроблено та апробовано на виробництві апаратурно-технологічну схему одержання йодованої біомаси спіруліни і затверджена нормативно-технічна документація. Одержана за розробленою технологією біомаса спіруліни може бути використана в якості харчової добавки.

Ключові слова: Spirulina platensis, площинний фотобіореактор, йодована спіруліна.

Котинский А.В. Разработка технологии получения йодированой биомассы спирулины в закрытых условиях культивирования. Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 03.00.20. – “Биотехнология”. – Украинский государственный университет пищевых технологий Министерства образования и науки Украины. Киев, 2001.

Диссертация посвящена разработке и научному обоснованию технологии получения йодированной биомассы спирулины в закрытых условиях культивирования с контролируемым содержанием биологически активных веществ.

Определены основные технологические и конструктивные требования к разработке фотобиореактора, которые предусматривают полную изоляцию культуры от окружающей среды, постоянное и интенсивное перемешивание суспензии в рабочей зоне реактора, постоянное удаление газообразных продуктов метаболизма, развитой поверхности для фотосинтеза и массообмена между суспензией и газовоздушной смесью.

Разработан вертикальный плоскостной аэролифтный фотобиореактор для культивирования фототрофных микроводорослей, который позволяет: получать механически неповрежденную, альгологически чистую биомассу, интенсифицировать процесс биосинтеза, увеличить скорость роста культуры за счет: герметической конструкции, аэролифтной системы транспортирования и перемешивания суспензии, эффективного введения света в суспензию культуры.

Отработаны основные технологические параметры культивирования в разработанном фотобиореакторе: освещенность, температура среды, коэффициент периодичности, концентрация компонентов питательной среды.

Получено графическое выражение закона регулирования освещенности в зависимости от концентрации биомассы в суспензии. Определено, что постепенное увеличение освещенности культуры в зависимости от концентрации биомассы способствует значительной интенсификации процесса роста за счет адекватного введения световой энергии в суспензию.

Рассчитан коэффициент периодичности, который учитывает зависимость фотосинтетической активности спирулины от продолжительности пребывания культуры под освещением и частоты чередования световой и темновой фаз роста.

Получены математические модели технологического процесса культивирования спирулины в плоскостном аэролифтном фотобиореакторе закрытого типа. Определена оптимальная взаимосвязь технологических параметров в результате оптимизации технологического процесса. Установлена закономерность влияния основных технологических параметров на фотосинтетическую активность спирулины в условиях разработанного плоскостного фотобиореактора.

Определены оптимальные концентрации и соотношения ионов йода и кобальта. Одновременное дробное внесение в питательную среду ионов йода и кобальта позволяет адаптировать культуру спирулины к высоким концентрациям ионов йода – 30,0 мкМ (в качестве источника йода используется йодид калия, а источника кобальта – нитрат кобальта). В присутствии ионов йода в количестве 30,0 мкМ спирулина способна адаптироваться к высоким концентрациям кобальта – 60,0 мкМ. Более высокие концентрации ионов кобальта угнетают рост спирулины.

Содержание йода в