Определение параметров получения биопластика моделированием процесса биоконверсии лигноцеллюлоз

Размещено на http://www.allbest.ru//

Определение параметров получения биопластика моделированием процесса биоконверсии лигноцеллюлоз

Соколова Ю.А., д-р техн. Наук



Введение

Получение экологически чистых композиционных материалов из измельченной древесины без использования синтетических связующих давно привлекает исследователей во многих странах мира. Наиболее перспективным в этом отношении представляется биотехнологический подход, в основе которого лежит микробиологический (энзиматический) способ биоактивации природных полимеров древесины.

Процесс получения таких пластиков может быть осуществлен направленной биодеструкцией полимеров древесины. Под действием ферментов микробных культур - высших базидиальных грибов, вызывающих белую гниль древесины и относящихся к родам Coriolus, Pleurotus, Panus и другим, расщеплению подвергают главным образом лигнин и гемицеллюлозу, а целлюлозные фибриллы затрагивают в меньшей степени. При этом в макромолекулах лигнина и полисахаридов образуются активные центры и реакционноспособные группы фенольные, карбонильные, гидроксильные, аминогруппы и другие, которые при последующем прессовании и воздействии высоких температур в местах контакта древесных частиц сшиваются с образованием прочных химических связей.

Тем самым биотехнологический подход позволяет реализовать связующую способность природных полимеров древесины и исключить токсичные синтетические смолы для получения древесных пластиков. Такой экологически чистый материал нового поколения с высокими потребительскими свойствами - биопластик, отвечает современной парадигме развития строительного материаловедения, заключающейся в обеспечении экологической эффективности принимаемых решений на всех стадиях жизненного цикла изделия от воздействия на окружающую среду используемого сырья, технологии и готовой продукции, до ее утилизации.

Однако платой за достижение нового качества служит значительное усложнение процессов получения материала (методами биотехнологии) и прогнозирования его эксплуатационных свойств, описание которых связано с приоритетным развитием методов математического моделирования процессов ферментативной биоконверсии (биотрансформации, биоактивации, биодеструкции, биомодификации) древесины.



Независимые переменные математической модели

Древесина состоит в основном из целлюлозы, гемицеллюлоз и лигнина, биодекструкция которых, как отмечалось, осуществляется с помощью комплекса ферментов, продуцируемых грибами-базидиомицетами в процессе их жизнедеятельности. В работе [1] упоминается 4 фермента целлюлазного, 9 ферментов гемицеллюлазного и 7 ферментов лигнолитического комплекса. Существует также 2 “кооперативных” фермента, которые не атакуют лигнин непосредственно, однако участвуют в сопряженных реакциях с ферментами лигнолитического комплекса. Имеется также группа из 5 ферментов «обратной связи», которые координируют метаболитические цепи в процессе окисления древесины [2].

Таким образом, подробное описание биотрансформации древесины потребовало бы включить в математическую модель (ММ) двадцать семь независимых переменных, описывающих динамику синтеза-инактивации ферментов лигноцеллюлазного комплекса и, как следствие, столько же независимых переменных, описывающих динамику образования-потребления (или распада) продуктов, получаемых с участием данных ферментов (помимо трех независимых переменных, описывающих динамику потребления целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина). Очевидно, что подобная модель была бы чрезвычайно громоздкой.

Компромисс возможен за счет сокращения независимых переменных. Так, в ММ [3; 4] рассматривают только два субстрата: полисахариды и лигнин. Тем самым целлюлоза и гемицелюлоза сгруппированы в один компонент полисахариды. Соответственно, две независимые переменные описывают синтез-инактивацию ферментов - гипотетической целлюлазы и лигниназы, а еще две - динамику низкомолекулярных продуктов окисления полисахаридов и лигнина.

Дополнительным аргументом в пользу сокращения количества независимых переменных является и относительно небольшое изменение массы древесины за этот период [5]. Поэтому не имеет смысла разделять в модели и процессы деструкции полисахаридов аморфной, кристаллической целлюлозы и гемицеллюлоз.

В минимальный набор независимых переменных входит биомасса гриба. Биотрансформация древесины является в целом окислительным процессом и в список независимых переменных необходимо включить также растворенный в культуральной жидкости (КЖ) кислород.

Механизм биотрансформации древесины будет неполным без учета растворимой коллоидной фракции лигнина [4], который может увеличивать связующие свойства биоактивированной древесины и которому в схемах активации древесины лакказой предписывается функция медиатора [6].

При построении ММ следует учитывать специфику гриба Panus tigrinus, культура которого использована в данной работе и часто применяется для активации древесины [7-9], что объясняется наличием в нем уникального комплекса лигнолитических ферментов [10; 11]. На основании литературных источников можно допустить, что ферменты гриба Panus tigrinus Mn-пероксидаза и лакказа [12], как и лигниназы других грибов, воздействуют на лигнин опосредованно через медиаторы и радикалы [13-19]. Поэтому в модель целесообразно ввести две независимые переменные: концентрацию радикалов в КЖ и концентрацию радикалов в древесине [3].

В ММ [4] учитывается динамика внутриклеточных запасов вещества и энергии, которые необходимы для поддержания роста и жизнедеятельности микроорганизмов. Подобная переменная используется и в модели [3].

На основании вышеизложенного приведем минимум независимых переменных ММ биоконверсии лигноцеллюлоз: биомасса грибного мицелия - Х; внутриклеточные запасы - Z; экзоферменты, гидролизующие полисахариды - E1; полисахариды - С; продукты (сахара) ферментативного гидролиза полисахаридов - P1; экзоферменты, инициирующие деструкцию лигнина (лигниназы) - E2; свободные органические радикалы в КЖ - FRS; то же в лигнине субстрата - FRL; низкомолекулярные продукты окислительной деструкции лигнина - P2; растворимая (коллоидная) фракция лигнина в КЖ - LS; лигнин - L; растворенный в КЖ кислород - O2.

Базовые схемы биотрансформации полимеров древесины

Базовые схемы биотрансформации полимеров древесины строятся на основе следующих представлений о протекающих при этом процессах.

1. Процесс биотрансформации полимеров древесины протекает при отсутствии внешних лимитирующих факторов в периодической культуре и хорошо перемешиваемой жидкой среде (пульпе), с распределенной в ней измельченной древесиной - частицами древесного субстрата.

2. Древесный субстрат LC состоит из двух полимерных компонент: полисахаридов C и лигнина L, а также содержит сахара P1, низкомолекулярные ароматические соединения P2 и коллоидную (растворимую) фракцию лигнина LS. Начальное количество P1o, P2o и Lso пропорционально содержанию полимеров в субстрате Co + Lo = LCo и исходная концентрация вещества в КЖ составляет LCo + P1o + P2o + Lso.

3. Площадь поверхности субстрата S в процессе его биоактивации остается постоянной, равной произведению величин его удельной поверхности KS и начальной концентрации полимеров, т.е. S = KS LCo.

4. Среда аэрируется при расходе одного литра воздуха на один литр среды в минуту. Коэффициент массопереноса по кислороду KLa = 10 гл-1ч-1 [4].

5. Инокулятом служит древесная пульпа, содержащая мицелий гриба белой гнили. При выборе величин констант ориентировались на культуру гриба Panus tigrinus, а также на близкие по систематическому положению виды, в частности, на Pleurotus ostreatus.

)		б)
Рис. 1. Схема потоков вещества при биодеструкции нерастворимого полисахаридного субстрата (а) и лигнина (б) грибом Panus tigrinus (сплошные линии - потоки веществ, пунктирные регуляторные воздействия)

6. При моделировании роста биомассы гриба X на полисахаридах по схеме, приведенной на рис. 1а, использовали следующие представления.

6.1. Синтез экзофермента E1 запускается или продолжается, если концентрация индуктора в среде (сахаров древесного субстрата или продукта P1, образующегося в процессе гидролиза) будет близка или превышать величину Ci.

6.2. Скорости ферментативного гидролиза полисахаридов и, соответственно, образования сахаров Р1 пропорциональны количеству адсорбированного фермента E1a на полимерной поверхности [5]: dC/dt = kKhE1a.

6.3. Потребление P1 приводит к росту внутриклеточных запасов Z. Когда Z достигает 10-15 % от максимальной величины Zm синтез Е1 репрессируется.

6.4. Инактивация Е1 происходит со скоростью InЕ1: за 1 ч - 3-5 % фермента.

6.5. Cкорость роста биомассы мицелия достигает своего максимального значения при максимальных внутриклеточных запасах, т.е. когда Z = Zm.

6.6. Распад (автолиз) биомассы мицелия X происходит со скоростью XAx, когда внутриклеточные запасы исчерпываются (приближаются к нулю).

7. Для моделирования разложения лигнина грибами (рис. 1б) использовали ту же схему роста биомассы X, пополнения внутриклеточных запасов Z, индукции и репрессии биосинтеза экзоферментов, что и для полисахаридов, но с учетом связи деструкции лигнина с образованием и накоплением органических свободных радикалов.

7.1. Синтез экзофермента E2 запускается или продолжается, если концентрация индуктора в среде (ароматического соединения, содержащегося в составе древесного субстрата или продукта P2, и образующегося в процессе окислительной деструкции) будет близка или превышать некоторую величину Lin.

7.2. При взаимодействии с кислородом и низкомолекулярными ароматическими соединениями P2 фермент E2 генерирует в КЖ органические свободные радикалы FRS со скоростью KGRE2P2/(P2 + Km).

7.3. Одна часть FRS далее полимеризуется со скоростью KGR(FRS)2, но образовавшийся полимер остается в растворе и пополняет растворимую фракцию коллоидного лигнина LS. Другая часть взаимодействует с нерастворимым полимерным матриксом лигнина со скоростью R1SLFRS.

7.4. В нерастворимом полимерном матриксе лигнина происходит накопление свободных радикалов. Часть из них полимеризуется со скоростью KLR(FRL)2 и их концентрация в лигнине понижается до некоторого равновесного уровня FRL.

7.5. Скорость распада или фрагментации F нерастворимого лигнина прямо пропорциональна концентрации свободных радикалов в полимерном матриксе, т.е. F = - Kf FRL и, с учетом снижения реакционной способности субстрата по мере его деструкции, составит F = KfFRLL/(L + 0,01Lo).

7.6. 80 % от всей массы образовавшихся фрагментов являются низкомолекулярными соединениями и увеличивают концентрацию P2; остальная часть пополняет растворимую фракцию коллоидного лигнина LS.

7.7. Увеличение концентрации низкомолекулярных продуктов P2 происходит также при взаимодействии в растворе свободных радикалов FRS с коллоидной фракцией лигнина со скоростью KfFRL LS/(LS + KLS).

7.8. Биосинтез экзоферментов E2 и рост биомассы X, как и при утилизации полисахаридов, определяется количеством внутриклеточных запасов Z, образующихся при потреблении P2.

8. При построении модели грибного роста на лигноцеллюлозе (рис. 2) принимается, что полисахариды не создают барьера для деградации лигнина, а лигнин экранирует целлюлозу от воздействия целлюлаз.

Рис. 2. Схема потоков вещества при биодеструкции лигноцеллюлозного субстрата грибом Panus tigrinus (сплошные линии - потоки веществ, пунктирные регуляторные воздействия)	При описании динамики содержания полимеров в поверхностном слое субстрата использовали предложенные в работе [4] выражения для вычисления: относительного содержания полисахаридов в поверхностном слое Dh в зависимости от их первоначального Со/LCo и текущего С/Со содержаний при послойном изъятии из субстрата, т. е. Dh = DC(С/Сo)(1-(Co/DcLCo)); накопления «избыточного» лигнина Li на поверхности лигноцеллюлозного субстрата при непропорциональном (более быстром) изъятии полисахаридов с поверхности древесных частиц, т. е. Li = LC [LCo(С/Сo)(Co/DcLCo)]; площади поверхности лигнина SL с учетом снижения его доступности при большой доли его изъятия из древесины, т. е. SL = KSLCoL/(L+0,2Lo); относительного содержания (доли) полисахаридов D в поверхностном слое древесных частиц по мере накопления «избыточного» лигнина в результате более быстрого изъятия полисахаридов, т. е. D = Dh (Li/LCDh);

площади поверхности полисахаридов SC лигноцеллюлозного субстрата с учетом экранирования ее лигнином и полной деградации (образование отверстий) целлюлозы на от дельных участках субстрата, т. е. SС = KSLCoD(C/Co);

9. В модели грибного роста на лигноцеллюлозе было также принято ингибирование потребления продукта P2 при наличии в среде сахаров (продукта P1).

После определения условий роста и уточнения некоторых базовых представлений перейдем к более подробному описанию ММ процесса биодеструкции древесины по схеме, представленной на рис. 2.

Математическая модель процесса биотрансформации древесины

Построение ММ процесса биотрансформации древесины начнем с описания роста грибной биомассы. Динамика биомассы мицелия X описывается уравнением:

dX/dt = X(x Ax), (1)

где: x и Ax - удельные скорости роста и распада (автолиза) ферментов.

Как мы условились выше, рост биомассы гриба инициируется при наличии в среде низкомолекулярных органических соединений (питательных веществ), способных диффундировать через клеточные мембраны в клетки грибного мицелия. В качестве таких веществ могут быть простые сахара, органические кислоты или ароматические соединения с небольшой молекулярной массой.

Из питательных веществ для каждого отдельного вида мицелиальных организмов спектр и приоритетность потребления субстратов индивидуальны и генетически предопределены. Обычно из среды последовательно изымаются сахара, спирты, органические кислоты, альдегиды, ароматические соединения, в последнею очередь целлюлоза, гемицеллюлоза и лигнин. Также последовательно в клетках индуцируется синтез ферментов, которые необходимы для метаболизма конкретного вещества, и одновременно подавляется (репрессируется) синтез ферментов, необходимых для усвоения других субстратов.

Скорость qi потребления i-го субстрата единицей биомассы мицелия зависит от его концентрации в среде Pi и описывается кривой насыщения:

qi = QiPi/(Ki + Pi), (2)

где: Qi - максимальная скорость потребления субстрата; Ki - константа полунасыщения, численно равная концентрации Pi, при которой величина qi равна половине Qi.

Поток субстрата q, поступающий в клетки мицелия, расходуется на жизнеподдержание, создание внутриклеточного запаса аминокислот, нуклеотидов, липидов и др. компонентов, а также генерирование и аккумулирование энергии в виде фосфатных связей АТФ при окислении части субстрата до CO2 и H2O.

Масса субстрата, расходуемая на жизнеподдержание m, включают в себя затраты, связанные с поддержанием клеточной целостности: ресинтез клеточных макромолекул, осмотическую работу и другие процессы [20]. Для высших грибов масса субстрата, расходуемая на жизнеподдержание, составляет несколько миллиграмм на грамм биомассы за час. Например, для глубинной культуры Pleurotus ostreatus она равна 0,0024 г/(гч) [21].

Динамика содержания внутриклеточных запасов Z определяется скоростями их пополнения Zp и расходования Rz, что соответствует уравнению:

dZ/dt = Zp Rz. (3)

При потреблении нескольких субстратов, суммарная удельная скорость пополнения запасов пропорциональна сумме удельных скоростей их потребления (qs = qi) за вычетом затрат на жизнеподдержание [4]:

Zp = Y(qs m), (4)

где: Y экономический коэффициент образования биомассы из субстратов, который для Panus tigrinus, составляет 0,58 г/г [22].

В норме (перед делением) клетки микроорганизмов накапливают необходимый запас вещества, но не более определенной величины Zm. При достижении Z значения Zm скорость расходования запасов клетками будет максимальной и равной максимальной величине потребления субстратов клетками [4]:

Rz = (Q1q1+ …+Qnqn)Z/Zmqs. (5)

В процессе роста мицелия на многокомпонентных полимерных субстратах, например, древесине расходование запасенного вещества регулируется в соответствии с генетической «программой». Одна часть потока Rz направляется «регулятором» Rg2 на биосинтез экзоферментов E2, участвующих в деструкции лигнина, другая часть «регулятором» Rg1 на биосинтез экзоферментов E1, участвующих в гидролизе полисахаридов, а остальное - на рост биомассы мицелия. Удельные скоростей образования лигниназ E2, целлюлолитических ферментов E1 и биомассы X:

E2 = RzRg2; (6)

E1 = RzRg1(1 Rg2); (7)

X = Rz(1 Rg1 Rg2 + Rg1Rg2). (8)

Тогда уравнение динамики внутриклеточных запасов (3) примет вид

dZ/dt = Zp E2 E1 X. (9)

Регуляторы расходования внутриклеточных запасов могут принимать любые значения в интервале от 0 до 1 и составляются как произведение двух функций: Rg1 = IcRc - регулирует индукцию/репрессию E1; Rg2 = ILRL - регулирует индукцию/репрессию E2.

Функции Ic и IL определяют индукцию биосинтеза E1 и E2:

Ic = 1 1/[exp{(P1 Ci)/ni} + 1]; (10)

IL = 1 1/[exp{(P2 Lin)/ni} + 1], (11)

а функции Rc и RL - соответственно их репрессию:

Rc = 1/[exp{(Z ncZm)/ni} + 1]; (12)

RL = 1/[exp{(Z nlZm)/ml} + 1], (13)

где: Ci, Lin, ni, nc, nl и ml константы.

В нашем случае индукторами являются продукты деполимеризации полисахаридов P1 и лигнина P2. Функции на индукцию составлены таким образом, что если содержание в среде P1 < Ci, а P2 < Lin, то значения Ic и IL близки к нулю, а если P1 > Ci, а P2 > Lin, то значения Ic и IL близки к единице.

Понятие индукции означает, что в отсутствии индуктора (обычно субстрата, подобного ему соединения или продукта деструкции полимерного субстрата) биосинтез ферментов не идет или идет с очень низкой скоростью. При добавлении индуктора их образование возрастает в десятки и сотни раз.

В частности, индукторами биосинтеза целлюлазы могут являться как полимерные субстраты, так и продукты гидролиза полисахаридов или их производные: целлюлоза, целлобиоза и другие соединения. Например, максимальный уровень индукции синтеза целлюлазы грибом Trichoderma reesei наблюдается при концентрации индуктора (целлобиозы) 0,05 г/л. В то же время при ее содержании 5 г/л синтез фермента прекращается [23]. Индукция биосинтеза лакказы имеет место при наличии в среде ароматических веществ в количестве от 0,01 до 1 г/л [24-26].

Функции репрессии биосинтеза экзоферментов определены через величину внутриклеточных запасов Z: когда Z мало, значения функций Rc и RL близки к единице. По мере приближения размера запасов к некоторым пороговым уровням их значения уменьшаются: в точках Z = ncZm и Z = nlZm значения функций Rc и RL становятся равными 0,5. Если запасы продолжают увеличиваться, то Rc и RL стремятся к нулю. Крутизна функций Rc и RL в переходный момент задается соответствующими константами ni и ml. Определив таким образом механизм регулирования биосинтеза экзоферментов, составим уравнения, описывающие динамику ферментов E1 и E2 (In1 и In2 - константы инактивации):

dE1/dt = XE1 E1In1; (14)

dE2/dt = XE2 - E2In2. (15)

Образование сахаров Р1 является результатом взаимодействия фермента целлюлазы Е1 с поверхностью полимера С. Как было определено выше, скорость ферментативного гидролиза целлюлозы dC/dt пропорциональна количеству адсорбированного фермента E1a на ее поверхности:

dC/dt = kKhE1a, (16)

где: Kh - константа гидролиза, г/(гч); E1a - концентрация адсорбированного на полимере фермента, г/л; k коэффициент трансформации массы C в массу Р1.

Количество адсорбированного на полимерном субстрате фермента определяется совместным решением уравнений баланса массы фермента в среде

Е1 = E1a + E1s, (17)

и изотермы адсорбции Лангмюра [27]

Е1/EC1 = SСE1s/(Ka + E1s). (18)

Обозначив b = EC1SC+Ka+E1, приходим к выражению для определения количества фермента, адсорбированного на поверхности целлюлозы:

E1a = 0,5[b (b2 4EC1SCE1)0,5], (19)

где: EC1 величина предельного насыщения ферментом E1поверхности полисахаридов; SC площадь поверхности полисахаридов, доступная для фермента E1.

Динамика концентрации продукта P2 в КЖ dP2/dt определяется двумя разнонаправленными процессами:

интенсивностью образования низкомолекулярных фрагментов лигнина, при взаимодействии органических свободных радикалов

а) с коллоидным лигнином

dLS/dt = KfFRLLS/(LS + KLS); (20)

б) с нерастворимым лигнином

dL/dt = 0,8KfFRLL/(L + 0,01Lo); (21)

скоростью потребления P2 мицелием (Xq2) и расходованием P2 на образование органических свободных радикалов.

С учетом вышеизложенного динамика концентрации продукта P2 в КЖ будет описываться уравнением (Kf, KLS, KGR и Km - константы):

dP2/dt=KfFRLLS/(LS+KLS)+0,8KfFRLL/(L+0,01Lo)Xq2KGRE2P2/(P2 + Km), (22)

Генерирование органических свободных радикалов в КЖ определяется выражением KGRE2P2/(P2 + Km). Одна часть образовавшихся радикалов взаимодействует в растворе между собой и полимеризуется KRR(FRS)2,

пополняя растворимую фракцию коллоидного лигнина LS. Другая часть R1SLFRS поглощается нерастворимым полимерным матриксом лигнина. Соответствующее уравнение, описывающее динамику концентрации свободных радикалов в КЖ, имеет вид (R1 и SL - константы):

dFRS/dt = KGRE2P2/(P2 + Km) KRR(FRS)2 R1SLFRS. (23)

В матриксе лигнина происходит накопление свободных радикалов. С учетом полимеризации части из них с интенсивностью KLR(FRL)2 изменения концентрации свободных радикалов в матриксе лигнина описывается уравнением:

dFRL/dt = R1SLFRS KLR(FRL)2. (24)

Поскольку было принято, что скорость деструкции нерастворимого лигнина прямо пропорциональна содержанию свободных радикалов в полимерном матриксе, то уравнение, описывающее динамику его изменения, примет вид:

dL/dt = R1SLFRS KfFRLL/(L + 0,01Lo) (25)

(здесь с помощью сомножителя L/(L + 0,01Lo) учитывается снижение реакционной способности лигнина при большой доле его изъятия из субстрата).

Динамика растворимого коллоидного лигнина LS в КЖ определяется скоростью полимеризацией свободных радикалов в жидкой фазе KRR(FRS)2, скоростями фрагментации нерастворимого 0,2KfFRLL/(L + 0,01Lo) и растворимого лигнина KfFRSLS/(LS + KLS), но с разными знаками. Таким образом, приходим к уравнению:

dLS/dt = KRR(FRS)2 KfFRSLS/(LS + KLS) + 0,2KfFRLL/(L + 0,01Lo). (26)

Для оценки потребления и прогноза уровня концентрации растворенного О2 в КЖ в модель введено дополнительное уравнение, учитывающее интенсивность массопередачи О2 в КЖ и скорость потребления кислорода биомассой мицелия:

dO2/dt = KLa(O2m O2) XQX, (27)

где: KLa коэффициент массопередачи кислорода в КЖ; O2m концентрация насыщения О2 КЖ; Qx - удельная скорость потребления О2 биомассой мицелия с учетом стехиометрии синтеза грибной биомассы при потреблении продуктов P1 и P2.

В окончательном виде система ММ, описывающая процесс биотрансформации древесных частиц, приведена в табл. П.1-П.4 Приложения.



Оптимизация параметров биотрансформации древесины

Полученная ММ процесса биотрансформации древесины мицелиальным грибом Panus tigrinus представляет собой систему линейных дифференциальных уравнений первого порядка, решение которой получено с использованием программы Mathcad Enterprise Edition v 11.A и функции rkadapt. Функция для численного решения системы дифференциальных уравнений rkadapt(y, x1, x2, npoints, D) построена с помощью метода Рунге-Кутта с переменным шагом интегрирования. Ниже приведены результаты моделирования процесса биоконверсии древесины.

При расходе инокулята 0,9 г/л концентрация биомассы грибного мицелия Х в КЖ (рис. 3) достигала максимального значения 5,53 г/л на 98 ч культивирования. Концентрация полисахаридов С за 150 ч обработки снизилась с 71,00 до 57,17 г/л, а лигнина L - с 23,43 до 23,06 г/л, т.е. практически не изменилась.

Рис. 3. Изменения в КЖ биомассы грибного мицелия X и нерастворимых компонентов древесного субстрата целлюлозы C и лигнина L	Рис. 4. Изменение запасов Z в грибном мицелии и содержания в КЖ продуктов гидролиза целлюлозы P1 и целлюлазы E1

Отличием графика динамики доли запасов в биомассе мицелия Z является наличие трех пиков (рис. 4). Первый пик (см. рис. 4) 0,418 г/г наблюдается на 25-ом, второй 0,336 г/г - на 59-60-ом и третий 0,249 г/г - на 83-84 ч культивирования. На графике динамики продуктов гидролиза целлюлозы Р1 три пика смещены по времени к началу процесса: первый пик 0,319 г/л наблюдается на 17-ом, второй 0,222 г/л - на 53-ем и третий 0,101 г/л - на 79 ч обработки.

В отличие от графиков запасов и продуктов гидролиза целлюлозы, величины пиков на графике динамики ферментов целлюлазного комплекса - целлюлазы Е1, возрастают по ходу культивирования. Первый пик 0,087 г/л наблюдается на (12-13)-ом, второй 0,165 г/л - на 51-ом и третий 0,513 г/л - на 101 ч культивирования, после чего происходит резкое снижение концентрации целлюлазы в КЖ.

В процессе биообработки древесного субстрата концентрация растворимой фракции лигнина LS в КЖ монотонно возрастает с 0,0230 до 0,0297 г/л (рис. 5). В то же время график динамики изменения низкомолекулярных продуктов деструкции лигнина Р2 имеет три пика, величины которых снижаются по ходу культивирования. Первый пик 0,035 г/л наблюдается на 25-27-ом, второй 0,020 г/л - на 56-ом и третий 0,0067 г/л - на 81 ч культивирования. Синтез лигниназы Е1 начинается уже после двух часов культивирования: ее концентрация увеличивается до 0,021 г/л на 12-13 ч, а затем немонотонно снижается до 0,0069 г/л на 70-72 ч обработки. Далее следует подъем концентрации лигниназы и выход на плато 0,015 г/л на 104-120 ч обработки, после чего следует дальнейшее ее снижение.

Концентрация органических свободных радикалов в КЖ FRS (рис. 6) после начала процесса биотрансформации древесного субстрата увеличивается до 331 10-6 г/л к 14 ч культивирования и в течение 9 ч остается практически постоянной. Следующий пик концентрации 12310-6 г/л наблюдается на 57 ч, а затем происходит ее снижение и стабилизация на уровне (17-40)10-6 г/л до конца процесса.

Концентрация свободных радикалов в лигнине FRL значительно превосходит их концентрацию в КЖ, увеличиваясь после начала процесса до 24110-5 г/л к 41 ч

Рис. 5. Изменение содержания в КЖ растворимой фракции лигнина Ls, низкомолекулярных продуктов его биодеструкции P2 и лигниназы E2	Рис. 7. Изменение содержания O2 и FRS в КЖ FRL в лигнине древесного субстрата

обработки и оставаясь практически постоянной в течение 23-28 ч. В дальнейшем их концентрация в лигнине монотонно уменьшается до 12010-5 г/л.

График зависимости концентрации кислорода в КЖ О2 имеет также колебательный характер (см. рис. 6): после начала процесса концентрация О2 волнообразно снижается с 8010-4 до 4510-4 г/л на 78 ч культивирования, а затем монотонно увеличивается до 7810-4 г/л.

Выявленный в процессе структурно-имитационного моделирования колебательный характер изменений целого ряда параметров при биообработке древесины (см. рис. 4-6) объясняется несинхронным протеканием процессов в системе “биомасса мицелия - запасы вещества - ферменты - продукты”. Это явление находит и экспериментальное подтверждение. Так, например, отмечено три пика лигнолитической активности при твердофазном культивировании гриба Panus tigrinus 8/18 [28]. Два пика активности лакказы наблюдались при культивировании гриба Coriolopsis gallica в жидкой среде Гуилена [29].

Незначительное уменьшение концентрации лигнина в начальный период культивирования (см. рис. 3) объясняется недостаточно интенсивным накоплением органических свободных радикалов в лигнине. Наличие «ступенек» на графике биомассы мицелия гриба Х (там же) совпадает по времени с минимумами запасов в грибном мицелии Z (см. рис. 4), т.е. из-за сокращения внутриклеточных запасов происходит задержка роста биомассы гриба.

Содержание органических свободных радикалов в лигнине FRL существенно выше, чем в КЖ FRS (см. рис. 6). Отмеченное различие можно объяснить тем, что радикалы «оседают» в лигнине за счет адсорбции и сил межмолекулярного взаимодействия. Концентрирование радикалов может происходить не только в субстрате, но и в биомассе гриба. Так в биомассе гриба чаги концентрация радикалов составляет 6,61018 спин/г, а в КЖ значительно ниже - 1014 спин/г [30].

Неодновременность достижения максимума биомассы мицелия гриба (см. рис. 3) и органических свободных радикалов в лигнине (см. рис. 6) усиливает актуальность вопроса о критериях и времени остановки процесса культивирования.

Известно, что увеличение как биомассы гриба при твердофазной ферментации [9], так и содержания свободных радикалов в субстрате при жидкофазной ферментации [6] приводят к увеличению адгезивных свойств субстрата. Учитывая эти данные, а также то обстоятельство, что в инокуляте и КЖ необходимо достижение максимальной концентрации лигноцеллолютических ферментов, принимаем в качестве критериев проведения биотехнологического процесса на различных стадиях достижение наибольших значений следующих технологических параметров:

а) при получении КЖ - содержание ферментов целлюлазы Е1 и лигниназы Е2;

б) при получении биопластика по механизму биоактивации поверхности древесных частиц - содержание свободных радикалов FRL в лигнине древесины;

в) при получении биопластика по механизму образования биомассы на поверхности древесных частиц - количество биомассы грибного мицелия Х.

Продолжительность биотехнологического процесса зависит от достижения максимальных значений этих параметров с учетом степени измельчения древесных частиц, характеризуемой удельной поверхностью KS, и концентрации мицелия гриба ХО, чем определяется снижение затрат при производстве биопластика.

Получение КЖ. Как это следует из рис. 7, на динамику изменения содержания в КЖ целлюлазы E1 бульшее влияние оказывает концентрация инокулята ХО, чем удельная поверхность древесных частиц KS: при изменении ХО с 0,1 до 3,0 г/л время достижения максимальной концентрации целлюлазы E1max увеличивается с 52 до 240 ч (см. рис. 7а,б). В то же время KS неоднозначно влияет на величину E1, что особенно проявляется при большъх концентрациях инокулята: при высокой (5000 см2/г) и низкой (500 см2/г) их дисперсности наблюдаются более высокие значения E1, чем при промежуточных значениях KS от 1000 до 3000 см2/г (см. рис. 7в).

Рис. 7. Содержание в КЖ целлюлазы E1 в зависимости от концентрации инокулята ХО = 0,1 (а), 0,9 (б), 3 г/л (в) и KS = 5000 (1); 3000 (2); 2000 (3); 1000 (4) и 500 см2/г (5)	Рис. 8. Содержание в КЖ лигниназы E2 в зависимости от концентрации инокулята ХО = 0,1 (а), 0,9 (б), 3 г/л (в) и KS = 5000 (1); 3000 (2); 2000 (3); 1000 (4) и 500 см2/г (5)



Как и в случае целлюлазы наблюдается преимущественное влияние на динамику изменения содержания в КЖ лигниназы E2 концентрации инокулята ХО по сравнению с дисперсностью древесных частиц KS: при снижении величины ХО с 0,9 до 0,1 г/л время достижения наибольшего содержания лигниназы в КЖ сдвигается с 11 (рис. 8б) до 180-204 ч (рис. 8а). Причем, при значениях ХО 0,9 г/л на момент проявления первого пика наибольшей концентрации лигниназ в КЖ E12max, равного 0,024 г/л через 12 ч культивирования, не оказывает влияние ни KS, ни ХО, хотя при увеличении последней с 0,9 до 3,0 г/л и наблюдается некоторое (с 0,024 до 0,014 г/л) снижение E12max (см. рис. 8б,в).

Таким образом, можно заключить, что для достижения наибольшей ферментативной активности по целлюалазе E1max получение КЖ следует проводить при большъх начальных значениях концентрации инокулята (около 3 г/л) и использовать древесные частицы удельной поверхностью от 1000 до 3000 см2/г, в то время как для получения наибольшей ферментативной активности по лигниназе E2max следует применять инокулят средних концентраций около 0,9 г/л, и грубодисперсные древесные частицы с удельной поверхностью 500-1000 см2/г. При этих параметрах время достижения E1max и E2max составит соответственно 56 и 11ч.

Для биоактивации древесных частиц, представляющих собой лигноцеллюлазный комплекс, оптимальным является достижение в КЖ максимальной как целлюлазной, так и лигниназной активностей. Поэтому компромиссным решением будет использование большъх начальных значениях концентрации инокулята ХО (около 3 г/л), древесных частиц средней дисперсности удельной поверхностью от 1000 до 3000 см2/г, при

продолжительности культивирования 48-72 ч. При таких параметрах концентрации целлюлаз и лигниназ будут составлять соответственно (45-68)10-2 и (13-15)10-3 г/л.

Образование биомассы на поверхности древесных частиц. Как видно из рис. 9, дисперсность древесных частиц не оказывает существенного влияния на достижение биомассой гриба максимального значения Хmax при их удельной поверхности свыше 2000 см2/г, в то время как для более крупных частиц с увеличением их размеров наблюдается резкое снижение Х независимо от концентрации инокулята. Тем самым удельную поверхность древесных частиц при наращивании биомассы на их поверхности следует назначать в диапазоне 750-1500 см2/г, что соответствует их размерам 0,01-1 мм.

Рис. 9. Рост биомассы грибного мицелия Х в зависимости от ХО = 0,1 (а), 0,9 (б), 3 г/л (в) и KS = 5000 (1); 3000 (2); 2000 (3); 1000 (4) и 500 г/см2 (5)	Рис. 10. Изменение содержания органических свободных радикалов в лигнине FRL в зависимости от KS = 500 (а), 2000 (б), 5000 (в) и ХО = 3,0 (1); 1,5 (2); 0,9 (3); 0,5 (4); 0,2 (5) и 0,1 г/л (6)

Количество внесенного инокулята ХО оказалось более значимым фактором в динамике роста Х и при увеличении расхода мицелия гриба в инокуляте с 0,1 до 3 г (см. рис. 9а,в) наблюдается сокращение времени достижения Хmax с 240 до 48 ч или в 5 раз, т. е. непропорционально изменению ХО, увеличившемуся при этом в 30 раз.

На основании выполненных численных экспериментов по критерию достижения биомассой мицелия гриба максимального значения Хmax оптимальную продолжительность ферментации древесного субстрата при изготовлении биопластика рекомендуется назначать в пределах 60-96 ч при дисперсности частиц 0,01-1,0 мм и концентрации инокулята 1-3 г/л.

Биоактивация поверхности древесных частиц. Увеличение концентрации инокулята ХО (рис. 10) приводит к уменьшению органических свободных радикалов в лигнине FRL независимо от удельной поверхности древесного субстрата. Например, если при ХО = 0,1 г/л максимальная концентрация FRL достигает 68310-5 г/л (п. 6 на рис. 10б), то при увеличении концентрации инокулята до 3 г/л максимальная концентрация FRL уменьшается до 4410-5 г/л (п. 1 на рис. 10б).

С другой стороны, при увеличении ХО сокращается время, необходимое для получения максимального содержания FRL. Так, при ХО = 0,1 г/л максимальное содержание радикалов наблюдается к 160 ч культивирования (п. 6 на рис. 10б), в то время как ее увеличение до 1,5 г/л приводит к сокращению времени получения FRL до 40 ч (п. 2 на рис. 10б). В отличие от остальных вариантов при ХО = 3,0 г/л содержание свободных радикалов в лигнине не проходит через максимум, а монотонно увеличивается по ходу культивирования (п. 6 на рис. 10б).

Установленная закономерность позволяет использовать низкие концентрации инокулята ХО = 0,1-0,2 г/л и завершать процесс ферментативной обработки древесных частиц в течение 72-96 ч, т.е. раньше достижения значения (FRL)max для данных концентраций инокулята. Другой подход основан на увеличении ХО до 0,5-0,9 г/л, достигая тем самым двукратного сокращения продолжительности ферментации (с 72-96 до 36-48

ч). Второй вариант представляется предпочтительнее первого, так как металлоемкость инокулятора несоизмеримо меньше металлоемкости посевного аппарата, используемого для получения КЖ.

В то же время удельная поверхность субстрата КS не оказывает существенного влияния на содержание FRL как на этапе их накопления, так и выхода графиков на плато, что соответствует 70 ч культивирования (рис. 11). Тем самым при биоактивации поверхности древесных частиц, в отличие от образования на их поверхности биомассы, не предъявляется жестких требований к степени дисперсности древесных частиц. Однако, так как число контактов определяет прочность композиционного материала и она увеличивается с ростом дисперсности частиц, то с этих позиций нужно стремиться к уменьшению их размеров.

Рис. 11. Изменение содержания органических свободных радикалов в лигнине FRL при концентрации инокулята ХО = 0,1 г/л в зависимости от Ks = 5000 (1); 3000 (2); 2000 (3); 1000 (4) и 500 см2/г (5)	Некоторое “расслоение” кривых на рис. 11 наблюдается только после 70-72 ч культивирования, когда содержание FRL в лигнине уменьшается. На участке спада (от 72 до 240 ч биообработки) более высокое содержание свободных радикалов в лигнине наблюдается при удельной поверхности субстрата KS, равного 500 (п. 5 на рис. 11) и 1000 см2/г (п. 4 на рис. 11). Следует отметить также, что при всех величинах удельной поверхности субстрата от 500 до 5000 см2/г накопление максимального содержания свободных радикалов в лигнине (FRL)max опережает по времени накопление максимальной биомассы Хmax (см. рис. 9б).

С использованием в качестве критерия остановки процесса биоактивации древесного субстрата достижения максимального содержания органических свободных радикалов в лигнине FRL оптимальная продолжительность ферментации древесного субстрата при изготовлении биопластика рекомендуется назначать в пределах от 36 до 48 ч при дисперсности древесных частиц 0,5-1,5 мм и концентрации инокулята 0,5-0,9 г/л.



Выводы

1. Разработана ММ процесса биотрансформации лигноцеллюлозного комплекса древесины мицелиальными грибами. ММ в виде системы обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка предназначена для определения основных технологических параметров биоактивации древесной пресс-массы, являющейся клеящей матрицей биопластика на природных полимерных связующих - экологически чистого композиционного материала нового поколения.

2. Моделированием процесса биотрансформации древесины грибом Panus tigrinus определены оптимальные параметры получения пресс-массы биопластика:

при получении КЖ: продолжительность культивирования в течение 48-72 ч, дисперсность частиц 0,05-0,01 мм, концентрация инокулята около 3 г/л;

при получении биопластика за счет достижения максимальной биомассы мицелия гриба: продолжительность их обработки инокулятом 60-96 ч, дисперсность частиц 0,01-1,0 мм, концентрация КЖ 1-3 г/л;

при получении биопластика за счет биоактивации поверхности древесных частиц: продолжительность их ферментативной обработки КЖ 36-48 ч, дисперсность частиц 0,5-1,5 мм, концентрация КЖ 0,5-0,9 г/л.

Работа выполнена при поддержке комплексным проектом по государственному контракту № 02.467.11.3004.



Список литературы

1. Leonowicz A., Matuszewska A., Luterek J., Ziegenhagen D., Wojtas-Wasilewska M., Cho N-S, Hofrichter M., Rogalsky J. Biodegradation of lignin by white rot fungi. // Fungal Genetics and Biology. 1999. Vol. 27. P. 175-185.

2. Leonowicz A., Rogalsky J., Szczodrak J., Fiedurek J. The possible key role of glucose oxidase in transformation of lignocellulose // In Proc. 3rd Int. Conf. Biotechnol. Pulp Paper Ind., Stockholm, Sweden, 1986, pp. 160-162.

3. Болобова А.В., Аскадский А.А., Кондращенко В.И., Рабинович М.Л. Теоретические основы биотехнологии древесных композитов. Кн. II. Ферменты, модели, процессы / Отв. ред. А.М. Безбородов. - М.: Наука, 2002. - 343 с.

4. Мануковский Н.С., Абросов Н.С., Косолапова Л.Г. Кинетика биоконверсии лигноцеллюлоз. - Новосибирск: Наука. Сиб. отд., 1990. - 112 с.

5. Клесов А.А., Григораш С.Ю. Взаимосвязь между кинетикой гидролиза растворимой и нерастворимой (природной) целлюлозы под действием полиферментных целлюлазных комплексов // Биохимия, т.45, № 2, 1980, с. 228-240.

6. Felby C. Laccase catalyzed oxidation of fibers from beech (Fagus sylvatica). PHD Thesis. Copenhagen: Royal veterinary and agricultural university, 1997 136 p.

7. Кадималиев Д.А., Ревин В.В., Шутова В.В. Влияние прессования на свойства лигнина древесины сосны, обработанной грибом Panus tigrinus // Химия растительного сырья, № 3, 2001, с. 111-118.

8. Ревин В.В., Кадималиев Д.А., Шутова В.В., Самуилов В.Д. Модификация лигнина древесины грибом Panus tigrinus // Прикл. биох. и микробиология, т. 38, № 5, 2002, с. 529-533.

9. Соломатов В. И., Черкасов В. Д. Создание строительных биокомпозитов из древесного и другого растительного сырья. Сообщение 2. Биохимические процессы при разложении древесины лигнинразрушающими грибами и их влияние на свойства композитов // Изв. вузов. Строительство, № 3, 1997, с. 32-35.

10. Головлева Л.А., Мясоедова Н.М., Баскунов Б.П., Шевченко В.И. Разложение модельных соединений лигнина Я-1- и Я-О-4-типа грибами Panus tigrinus и Coriolus versicolor // Микробиология. 1989. Т. 58, вып. 2. С. 256-260.

11. Леонтьевский А.А., Головлева Л.А. Организация лигнинлитической ферментной системы гриба Panus tigrinus. // Биотехнол. защиты окруж. среды: Тез. докл. конф. - Пущино, 1994. - С. 35.

12. Goncalves A.R, Esposito E., Benar P. Evaluation of Panus tigrinus in the delignification of sugarcane bagasse by FTIR-PCA and pulp properties // J. of Biotechnology. 1998. Vol. 66. P. 177-185.

13. Barsberg S., Thygesen L.G. Spectroscopic properties of oxidation species generated in the lignin of wood fibers by a laccase catalyzed treatment: electronic hole state migration and stabilization in the lignin matrix // Biochimica et Biophysica Acta. 1999. Vol. 1472. P. 625-642.

14. Eggert C., Temp U., Dean J. F. D., Eriksson K-E. L. A fungal metabolite mediates degradation of non-phenolic lignin structures and synthetic lignin by laccase // FEBS Letters. 1996. Vol. 391. P. 144-148.

15. Hammel K. E., Kapich A. N., Jensen K. A., Ryan Z. C. Reactive oxygen species as agents of wood decay by fungi // Enzyme & Micr. Techn. 2002 V. 30. P.445-453.

16. Hofrichter M. Review: lignin conversion by manganese peroxidase (MnP) // Enzyme and Microbial Technology, 2002. Vol. 30. P. 454-466.

17. Kapich A.N., Jensen K.A., Hammel K.E. Peroxyl radicals are potential agents of lignin biodegradation // FEBS Letters. 1999. Vol. 461. P. 115-119.

18. Tanaka H., Itakura S., Enoki A. Hydroxyl radical generation by an extracellular low-molecular-weight substance and phenol oxidase activity during wood degradation by the white-rot basidiomycete Trametes versicolor // J. of Biotechnology. 1999. Vol. 75. P. 57-70.

19. Tuor U., Winterhalter K., Fiechter A. Enzymes of white-rot fungi involved in lignin degradation and ecological determinants for wood decay // J. of Biotechnology. 1995. Vol. 41. P. 1-17.

20. Швинка Ю.Э. Физиологические и биотехнологические аспекты регуляции выхода продуктов, синтезируемых микроорганизмами. // Известия академии наук Латвийской ССР, № 10, 1984, с.56-71.

21. Соломко Э.Ф., Сиренко И.П., Федоров О.Ф. Анализ кинетики роста мицелия высшего базидиального гриба вешенки обыкновенной в глубинной культуре // Производство высших съедобных грибов в СССР: Тез.докл. II Всес. совещания. - Киев: Наукова думка.1985, с. 124-127.

22. Капич А.Н. Биосинтетическая активность дереворазрушающих базидиомицетов при глубинном культивировании. // Микология и фитопатология, т. 24, № 5, 1990, с. 377-384.

23. Reese E.T. Enzyme production from insoluble substrates. // Enzyme engineering. Biotechnology and bioengineering symp. 1972. No. 3. P. 43-62

24. Chen S., Ma D., Ge W., Buswell J.A. Induction of laccase activity in the edible straw mushroom Volvariella volvacea. // FEMS Microb. Letters. 2003. Vol. 218. P. 143-149.

25. Dekker R.F.H., Barbosa A.M. The effects of aeration and veratryl alcohol on production of two laccases by the ascomycete Botryosphaeria sp.// Enzyme and Microbial Technology. 2001. Vol. 28. P. 81-88.

26. Eggert C., Temp U., Eriksson K.-E. L. Laccase is essential for lignin degradation by the white-rot fungus Pycnoporus cinnabarinus // FEBS Letters. 1997. Vol. 407, Nо. 1. P. 89-92.

27. Wald S., Wilke C.R., Blanch H.W. Kinetics of the enzymatic hydrolysis of cellulose // Biotechnol. and Bioeng. 1984. Vol. 26, No. 3. P. 221-230.

28. Головлева Л. А., Квеситадзе Г. И., Элисашвили В. И., Леонтьевский А. А. Лигнолитическая активность грибов при твердофазной ферментации виноградной лозы. // ДАН, 1987. Т. 297, № 3. С. 718-720.

29. Calvo A.M., Copa-Patino J.L. et all. A.E. Studies of the production and characterization of laccase activity in the basidiomycete Coriolopsis gallica, an efficient decolorizer of alkaline effluents. // Archives of Microbiology. 1998, Vol.171. P. 31-36/

30. Соловьев В. А., Кутневич А. М.. Применение метода парамагнитного резонанса для изучения чаги и продуктов метаболизма некоторых других дереворазрушающих грибов. // В кн.: Высшие грибы и их физиологически активные соединения. - Л.: Наука, 1973, с. 35-43.



Приложение

Таблица 1

Математическая модель биотрансформации древесных частиц

Система уравнений	Физический смысл уравнений
dX/dt = X(µX AX)	Биомасса мицелия
dZ/dt = Zp µE1 µE2 µX	Внутриклеточные запасы
dE1/dt = XµE1 E1In1	Концентрация фермента целлюлазы
dC/dt = kKhE1a	Содержание полисахаридов
dP1/dt = KhE1a Xq1	Содержание продуктов гидролиза полисахаридов
dE2/dt = XµE2 E2In2	Концентрация фермента лигниназы
dFRS/dt = KGRE2Ap KRR(FRS)2 R1SLFRS	Содержание свободных радикалов в культуральной жидкости
dFRL/dt = R1SLFRS KLR(FRL)2	Содержание свободных радикалов (органических), в лигнине субстрата.
dP2/dt = 0,8F + KfFRS AL KGRE2Ap Xq2	Содержание продуктов окислительной деструкции лигнина
dLS/dt = KRR(FRS)2 - KfFRS AL + 0,2F	Содержание растворимой фракции (коллоидного) лигнина в культуральной жидкости
dL/dt = R1SLFRS F	Содержание лигнина
dO2/dt = KLa(O2m O2) XQX.	Концентрация растворенного кислорода

Примечание: в уравнениях использованы сокращения Ap = P2/(P2 + Km) и AL = LS/(LS + KLS).

Таблица 2

Основные выражения, используемые в математической модели

Выражения	Наименование и комментарии
1	2
LC = C + L	Лигноцеллюлозный субстрат, г
Dh = DC (С/Сo)(1 - (Co/DcLCo))	Доля полисахаридов в поверхностном слое субстрата в зависимости от их начального и текущего содержаний, отн. ед.
Li= LC [LCo(С/Сo)(Co/DcLCo)]	«Избыточный» лигнин, накапливающийся на поверхности субстрата при непропорциональном изъятии полисахаридов с его поверхности, г
D = Dh (Li/LCDh)	Доля полисахаридов в поверхностном слое субстрата в зависимости от накопления «избыточного» лигнина, отн. ед.
SС = KsLCoD(C/Co)	Площадь поверхности полисахаридов лигноцеллюлозного субстрата с учетом экранирования лигнином и полной деградации целлюлозы на от дельных участках, см2л-1
SL = KsLCoL/(L + 0,2Lo)	Площадь поверхности лигнина с учетом снижения его доступности, см2 л-1
q1 = Q1P1/(K1 + P1)	Удельная скорость потребления грибным мицелием P1, г г-1 ч-1
q12 = 1 P1/(0,1K1+ P1)	Степень ингибирования потребления продукта P2 в зависимости от содержания в среде P1, отн. ед.
q2 = q12Q2P2/(K2 + P2)	Скорость потребления грибным мицелием P2, г г-1 ч-1
qs = q1 + q2	Суммарная скорость потребления мицелием, г г-1 ч-1
Ic = 1 1/[exp{(P1 Ci)/ni} + 1]	Зависимость индукции биосинтеза E1 от концентрации P1 в среде, отн. ед.
Rc = 1/[exp{(Z ncZm)/ni} + 1]	Зависимость степени репрессии биосинтеза E1 от уровня Z, отн. ед.
Rg1 = IcRc	Регулятор индукции/репрессии биосинтеза E1
IL = 1 1/[exp{(P2 Lin)/ni} + 1]	Зависимость индукции биосинтеза E2 от концентрации P2 в среде, отн. ед.
RL = 1/[exp{(Z nlZm)/ml} + 1]	Зависимость степени репрессии биосинтеза E2 от уровня Z, отн. ед.
Rg2 = ILRL	Регулятор индукции/репрессии биосинтеза E2
Zp = Y(qs m)	Скорость пополнения Z за вычетом затрат на жизнеподдержание m и вещества, истраченного на дыхание, г г-1 ч-1.
Rz = Z(Q1q1 + + Q2q2)/qsZm	Скорость расходования внутриклеточных запасов с учетом величины Z и поступления каждого субстрата в запасы, г г-1 ч-1
µE2 = RzRg2	Скорость биосинтеза лигниназ мицелием, г г-1 ч-1
µE1 = RzRg1(1 Rg2)	Скорость биосинтеза E1 мицелием, гг-1 ч-1
µX = Rz(1 Rg1 Rg2 + Rg1Rg2)	Скорость биосинтеза биомассы мицелия, г г-1 ч-1
AX = Am/[exp{(qs 0,5m)/n} + 1]	Скорость автолиза биомассы мицелия, г г-1 ч-1
Qx = (1 - Y)(0,33q1 + + 1,3q2)	Скорость потребления кислорода мицелием с учетом стехиометрии синтеза грибной биомассы из P1 и P2, г г-1 ч-1
b = EC1SC + Ka + E1	Условное обозначение
E1a = 0,5[b (b2 4EC1SC E1)0,5]	Концентрация E1а адсорбированного на целлюлозе в зависимости от общего содержания E1 в КЖ, г л-1
F = KfFRLL/(L + + 0,01Lo)	Скорость образования P2 в зависимости от содержания своб. радикалов в матриксе лигнина и уменьшения реакционной способности полимера по мере его деструкции, г л-1 ч-1



Таблица 3

Константы, используемые для расчета динамики роста гриба на древесине

Обозн.	Знач.	Наименование константы
1	2	3
Ks	2000	Удельная площадь поверхности субстрата, см2 г-1
Dc	0,9	Доля поверхности субстрата, занятая целлюлозой в начальный момент, отн. ед.
	0,025	Количество лигнина, которое экранирует от воздействия целлюлаз поверхность полисахаридов, содержащихся в 1 г субстрата, г г-1
Zm	1,5	Максимальная величина внутриклеточных запасов, г г-1
Am	0,1	Максимальная удельн. скорость автолиза биомассы, ч-1
Y	0,55	Коэффициент образования биомассы мицелия, г г-1
m	0,0024	Константа жизнеподдержания, ч-1
Q1	0,14	Максимальная скорость потребления мицелием P1, ч-1
K1	0,17	Константа полунасыщения потребления мицелием продуктов P1, г л-1
nc	0,15	Показывает, при достижении какой доли Zm биосинтез целлюлаз репрессируется наполовину, отн. ед.
nr	0,01	Определяет `крутизну” репрессии целлюлаз от Z, отн. ед.
Ci	0,04	Концентрация индуктора P1 в культуральной среде, которая индуцирует синтез целлюлаз, г л-1
ni	0,01	Определяет крутизну зависимости индукции целлюлаз и лигниназ от концентрации веществ индукторов в культуральной среде, отн. ед.
Q2	0,055	Максимальная удельная скорость потребления P2, ч-1
K2	0,1	Константа полунасыщения при потреблении продуктов P2, г л-1
nl	0,15	Показывает, при достижении какой доли Zm биосинтез лигниназ репрессируется наполовину, отн. ед.
ml	0,01	Определяет “крутизну” репрессии лигниназ от Z, отн. ед.
Lin	0,05	Концентрация индуктора P2 в культуральной среде, которая индуцирует синтез лигниназ, г л-1
EC1	0,2510-5	Предельное насыщение E1 поверхности полисахаридов, г см-2
Kh	1,3	Конст. ферментативного гидролиза полисахаридов, ч-1
Ka	0,01	Константа адсорбции целлюлаз, г л-1
In1	0,034	Константа инактивации целлюлаз, ч-1
KGR	0,02	Константа генерирования органических своб. рад. при взаимодействии лигниназ с низкомолекулярными соединениями P2, ч-1
Km	0,08	Константа полунасыщения для P2, г л-1
R1	0,210-5	Величина насыщения св. радикалами поверхности лигнина, г см-2
KLs	0,2	Константа полунасыщения для растворимого лигнина, г л-1
Kf	1,4	Константа фрагментации лигнина при взаимодействии со своб. рад., ч-1

Таблица 4

Начальные данные математической модели роста гриба на древесине

Обозн.	Знач.	Наименование
Xo	0,9	Биомасса мицелия - инокулят, г л-1
Zo	0,1	Внутриклеточные запасы в биомассе грибного мицелия, г г-1
E1o	510-3 Xo	Экзоферменты целлюлазного комплекса, внесенные в среду с мицелием гриба, г л-1
E2o	10-5 Xo	То же, экзоферменты - лигниназы, г л-1
Co	71	Полисахариды, внесенные в среду в составе лигноцеллюлозного субстрата, г л-1 ...

Подобные документы

• Роль свободных радикалов в природной среде

  Ознакомление с понятием и общим строением свободных радикалов, их номенклатурой, классификацией, свойствами и значением в природной среде. Рассмотрение химических реакций с участием радикалов в речных и биологических системах, стратосфере и тропосфере.
  
  курсовая работа [1,3 M], добавлен 03.03.2011
  

• Долгоживущие радикалы

  Понятие стабильных радикалов и определение времени их жизни в инертном растворе. Исследование общих реакций радикальных частиц. Анализ химических свойств радикалов двухвалентного азота, нитроксилов и ароксилов, их термодинамика и кинетические свойства.
  
  презентация [250,6 K], добавлен 01.10.2013
  

• Адсорбция полимеров на неорганических носителях

  Изучение теории и составляющих факторов реакции адсорбции полимеров. Гелеобразование геллана. Методика определения количества адсорбированных полимеров на поверхности кернов. Влияние предварительной активации поверхности на кинетику адсорбции полимера.
  
  курсовая работа [6,6 M], добавлен 04.01.2011
  

• Основы физико-химических процессов получения топливных пеллет

  Вязкоупругие свойства древесных волокон при получении топливных пеллет: релаксационные явления, температурные переходы компонентов древесины, межволоконное взаимодействие. Химические превращения компонентов древесины. Содержание теории прочности пеллет.
  
  реферат [288,8 K], добавлен 30.10.2014
  

• Общие свойства растворов

  Определение растворов, их виды в зависимости от агрегатного состояния растворителя, по величине частиц растворенного вещества. Способы выражения концентрации. Факторы, влияющие на растворимость. Механизм растворения. Закон Рауля и следствие из него.
  
  презентация [163,9 K], добавлен 11.08.2013
  

• Особенности полимерного состояния вещества

  Что такое полимеры и особенности развития науки о полимерах. Описание различий в свойствах высоко- и низкомолекулярных соединений. История развития производства полимеров. Технологический процесс образования, получения и распространения полимеров.
  
  реферат [3,5 M], добавлен 12.06.2011
  

• Разработка технологии аминолиза вторичного поликарбоната с целью получения дифенилолпропана и антипиренов для древесных материалов

  Анализ проблемы огнезащиты древесины, способы ее обработки огнезащитными покрытиями. Характеристика азот-фосфорсодержащих огнезащитных составов. Изучение огнезащитной эффективности антипиренов на основе продуктов аминолиза. Схема производства антипирена.
  
  дипломная работа [986,5 K], добавлен 22.01.2013
  

• Пластизоли: особенности структуры, технология получения и переработки в изделия

  Пластизоли как дисперсии частиц специальных сортов полимеров в жидком пластификаторе. Использование ПВХ, полученного микросуспензионной или эмульсионной полимеризацией для получения пластизолей. Промышленные свойства и области применения пластизолей.
  
  презентация [1,1 M], добавлен 11.05.2014
  

• Фазовая (надмолекулярная) структура полимеров. Строение аморфного полимерного тела и его модели. Примеры аморфных полимеров. Модели кристаллического полимера. Типы кристаллических структур

  Молекулярное строение полимерного вещества (химическая структура), т. е. его состав и способ соединения атомов в молекуле. Предельный случай упорядочения кристаллических полимеров. Схема расположения кристаллографических осей в кристалле полиэтилена.
  
  контрольная работа [26,4 K], добавлен 02.09.2014
  

• Строение и свойства алкенов

  Номенклатура и изомерия алкенов. Промышленные и лабораторные способы получения олефинов. Расчет уровня энергии молекулярных орбиталей. Окисление и восстановление алкенов, присоединение к ним электрофильных реагентов, свободных радикалов, карбенов.
  
  контрольная работа [308,8 K], добавлен 05.08.2013
  

• Исследование механизма фотореакции между 3,3’,4,4’-тетракарбоксибензофеноном и гистидином методом ХПЯ 13С

  Химически индуцированная поляризация ядер. Исследование механизма фотореакции и структуры короткоживущих радикалов в реакции 3,3’,4,4’-тетракарбоксибензофенона и гистидина. Расчет структур органических радикалов и значений констант СТВ гибридным методом.
  
  курсовая работа [1,1 M], добавлен 30.05.2013
  

• Об особенностях пострадиационного окисления захваченных радикалов в полиэтилене высокой и низкой плотности

  Зависимость относительной концентрации захваченных аллильных радикалов от времени перенесения из вакуума на воздух при комнатной температуре. Сравнение кинетики накопления стабильных радикалов в образцах с начальными концентрациями аллильных радикалов.
  
  статья [159,1 K], добавлен 22.02.2010
  

• Прооксидантная и антиоксидантная система

  Активные формы, функции и механизмы возникновения кислорода. Типы окислительных реакций. Антиоксидантная система организма, факторы клеточной защиты. Антиоксидантные ферменты крови. Виды свободных радикалов. Процессы перекисного окисления липидов.
  
  курсовая работа [56,0 K], добавлен 29.09.2015
  

• Современные направления развития композитов на основе полимеров

  Общая характеристика современных направлений развития композитов на основе полимеров. Сущность и значение армирования полимеров. Особенности получения и свойства полимерных композиционных материалов. Анализ физико-химических аспектов упрочнения полимеров.
  
  реферат [28,1 K], добавлен 27.05.2010
  

• Модификация полиэлектролитов наночастицами

  Процессы коагуляции и флокуляции, выделение взвешенных твердых частиц из воды, используемые при этом химические вещества. Модификации полиэлектролитов. Физико-химические основы процесса флокуляции. Распределение наночастиц в полимерных матрицах.
  
  курсовая работа [367,3 K], добавлен 07.01.2010
  

• Химия и физика полимеров

  Пластмассы и эластомеры, подобие и различия. Сравнительная характеристика стеклообразного и высокоэластичного состояния полимеров. Химия полимеризации и поликонденсации. Технологии получения заданных свойств полимеров, предупреждение старения.
  
  лекция [42,9 K], добавлен 09.10.2009
  

• Создание эффективной химико-технологической схемы (ХТС) производства алюминия

  Сырье, общая технологическая схема производства алюминия. Процесс получения глинозема, описание электролитической технологии получения алюминия. Его очистка и рафинирование. Определение технической топологии ТХС, специфика определения ее параметров.
  
  лекция [308,5 K], добавлен 14.10.2009
  

• Искусственные волокна

  Сущность волокон, их классификация, технология получения из природных органических полимеров. Достоинства и недостатки вискозных и ацетатных волокон, сфера их применения. Формование триацетатной их разновидности, признаки и свойства ткани из них.
  
  презентация [2,7 M], добавлен 13.11.2013
  

• Получение и описание физико-химических свойств синтетических биодеградируемых полимеров

  Характеристика биодеградируемых (биоразлагаемых) полимеров - материалов, которые разрушаются в результате естественных природных (микробиологических и биохимических) процессов. Свойства, способы получения и сферы использования биодеградируемых полимеров.
  
  реферат [25,3 K], добавлен 12.05.2011
  

• Свойства и применение полимеров

  История развития науки о полимерах - высокомолекулярных соединений, веществ с большой молекулярной массой. Классификация и свойства органических пластических материалов. Примеры использования полимеров в медицине, сельском хозяйстве, машиностроении, быту.
  
  презентация [753,4 K], добавлен 09.12.2013
  

• главная
• рубрики
• по алфавиту
• вернуться в начало страницы
• вернуться к началу текста
• вернуться к подобным работам