ТЕГИ
Биосинтез мономеров для полимерной химии.
Биосинтез мономеров для полимерной химии. Biosynthesis of monomers for polymer chemistry.
Исполнитель: 1ГосНИИ генетики и селекции промышленных микроорганизмов, Москва, Яненко1 А.С., Т.В.Герасимова1, Г.А.Ларикова1, Т.Е.Леонова1, А.Д.Новиков1, Л.Е. Рябченко1 , Е.Н. Ефременко2, О.В. Сенько2, О.В. Спиричева2
Соисполнители: 2Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова.
Целью проекта являлось создание эффективных биокатализаторов и разработка основ биотехнологии получения акриловых мономеров и молочной кислоты для синтеза полимеров широкого назначения.
Разработаны оригинальные способы получения акриловых мономеров, которые базируюся на использовании новых биокатализаторов, созданных на основе бактерий Rhodococcus rhodochrous M20 и Acinetobacter radioresistence М6. В совокупности эти два катализатора позволяют получать весь спектр растворов акриламида, акрилата аммония и их смесей, которые обеспечивают получение полимеров с различной молекулярной массой вплоть до десятков млн.
В результате широкого скрининга селектирован штамм мицелиального гриба R. oryzae -продуцент молочной кислоты и на его основе создан уникальный биокатализатор, содержащий мицелий гриба в геле поливинилового спирта. Процесс получения молочной кислоты с помощью этого катализатора характеризуется рядом преимуществ перед существующим процессом на основе свободных клеток бактерий, а получаемая при этом преимущественно L(+)-форма молочной кислоты может быть успешно использована в качестве мономера для полимерной химии и, в частности, для синтеза биодеградируемых полимеров.
Сравнительный анализ технико-экономических показателей продемонстрировал высокую эффективность и конкурентоспособность разработанных процессов и их значительный потенциал для развития промышленных технологий получения мономеров.
Purpose of the project is constructing effective biocatalysts and development of bases of the biotechnology for obtaining acrylic monomers and lactic acid for synthesis of polymers.
The original methods for obtaining of acrylic monomers, based on usage of new biocatalysts which were constructed on the basis of bacteria Rhodococcus rhodochrous M20 and Acinetobacter radioresistence M6, are developed. In total these two catalysts allow to obtain all spectrum of acrylic monomer (acrylamide, ammonium acrylate or their mixtures), which provide obtaining of polymers with various molecular weights up to tens millions.
As a result of wide screening was selected the strain of mycelium fungus R. oryzae - producer of lactic acid and on its basis is constructed a unique biocatalyst, containing mycelium of the fungus in gel of polyvinyl alcohol. The process of obtaining of lactic acid with the help of this biocatalyst is characterized by several of advantages in comparison with existing process on the basis of free cells of bacteria. It allows to obtain predominantly L (+) form of the lactic acid that can be successfully utilized as monomer for polymer chemistry and, in particular, for synthesis of biodegradable polymers.
Comparative analysis of technological parameters has demonstrated high performance and competitiveness of the designed processes and their great potential for implementation in polymer industry.
Использование микроорганизмов и их ферментов для устойчивого и экологически безопасного получения разнообразных химических соединений является одним из приоритетных направлений развития биотехнологии. По оценкам экспертов в течении текущего десятилетия доля биотехнологических продуктов в общем объеме химической продукции возрастет в 10 раз. Особенно быстрыми темпами (более чем в 15 раз) будет увеличиваться производство полимеров из мономеров, получаемых биосинтетическим путем.
Получение мономера акриламида с помощью бактерий, обладающих нитрилгидратазной активностью, было первым успешным примером использования биокатализа для получения продуктов крупнотоннажной химии. Из всего многообразия мономеров, используемых в настоящее время в полимерной химии, два типа мономеров – акриловые мономеры (непредельные соединения) и молочная кислота (оксикислота) являются наиболее привлекательными объектами для биотехнологических подходов. Именно применение биокаталитических систем для получения акриловых мономеров и молочной кислоты могло бы повысить качество получаемой продукции, а также обеспечить разработку экономически эффективных технологий, способных составить конкуренцию существующим технологиям.
Цель проекта: Создание эффективных биокатализаторов и разработка основ биотехнологии получения акриловых мономеров и молочной кислоты для синтеза полимеров широкого назначения.
В ходе выполнения настоящего проекта была разработана оригинальная технология получения в одном процессе смешанных растворов мономеров – акриламида и акрилата аммония с помощью нового биокатализатора М20. Биокатализатор М20, разработанный на основе бактериальных клеток Rhodococcus rhodochrous, позволяет получить целую гамму продуктов: растворы одного мономера –акриламида или акрилата аммония или смеси мономеров акриламида и акрилата аммония в требуемых соотношениях в широком интервале значений от 1:99 до 99:1 (Акриламид:акрилат аммония), при этом он способен использовать в качестве субстрата и акрилонитрил и акриламид. Катализатор М20 имеет высокую продуктивность свыше 700 г продукта на г катализатора. Биокатализатор М20 и способ получения раствором мономеров с помощью этого биокатализатора являются оригинальными изобретениями, на которые оформлена заявка на патент РФ (N 2006106496). Другой биокатализатор, полученный в ходе настоящей работы, создан на основе штамма Acinetobacter radioresistence М6. Он обладает уникально высокой термостабильностью и позволяет получать растворы одного мономера – акрилата аммония с концентрациями до 50-52%. В совокупности этих два катализатора позволяют получать весь спектр растворов акриламида, акрилата аммония и их смесей, которые обеспечивают получение полимеров с различной молекулярной массой вплоть до десятков млн. Разработанная биокаталитическая технология получения акриловых мономеров выгодно отличается от разработанных ранее традиционных химических способов — сернокислотного и каталитического, высокой степенью селективности и конверсии гидратации акрилонитрила, мягкими условиями проведения процесса, чистотой получаемого продукта, низкими энергетическими затратами, экологической безопасностью.
В результате широкого скрининга селектирован штамм мицелиального гриба R. oryzae -продуцент молочной кислоты и на его основе создан уникальный биокатализатор, содержащий мицелий гриба в геле поливинилового спирта. Новый БК способен продуцировать молочную кислоту таких субстратов как, глюкоза, кислотные гидролизаты крахмала и клейстеризованный крахмал. Максимальная концентрация молочной кислоты, полученная с использованием БК, составила 184г/л. Процесс получения молочной кислоты с помощью этого катализатора характеризуется рядом преимуществ перед существующим процессом на основе свободных клеток бактерий, а получаемая при этом преимущественно L(+)-форма молочной кислоты может быть успешно использована в качестве мономера для полимерной химии и, в частности, для синтеза биодеградируемых полимеров.
Таким образом, в результате выполнения проекта будут разработаны основы биотехнологического процесса получения мономеров на основе биокаталитических систем и их последующей полимеризации. Полученные результаты будут положены в основу технико-экономического обоснования перспективности создания крупномасштабной биотехнологии получения акриловых мономеров и молочной кислоты.
Выводы, перспективы дальнейшего использования: Разработатываются основы биокаталитических технологий получения акриловых мономеров и молочной кислоты, которые характеризуются высокой эффективностью, чистотой получаемого продукта, низкими энергетическими затратами, экологической безопасностью. Созданные биокатализаторы для получения мономеров отличаются оригинальностью и новизной разработанных решений, соответствуют мировому уровню развития.
Сравнительный анализ технико-экономических показателей продемонстрировал значительный потенциал разработанных биокатализаторов и процессов для развития на их основе промышленных технологий получения мономеров.
