L-триптофан - незаменимая аминокислота с обширным спектром действия [1-7]. Он участвует в поддержании азотистого равновесия в обменных процессах, актах возбуждения и торможения, а также трансформации одного вида энергии в другой. Образующаяся из триптофана никотиновая кислота является важным компонентом в энергетическом обмене.

L-триптофан регулирует функцию эндокринного аппарата, предупреждающего анемию, регулирующего кровяное давление, отвечающего за синтез гемоглобина.

Особое значение эта аминокислота имеет в фармакологии, где она и ее производные применяются в качестве ингредиентов многих лекарственных средств. При таких тяжелых заболеваниях, как рак, туберкулез, диабет триптофан способствует нормальному функционированию различных систем организма. Недостаток его у человека и животных ведет к развитию пеллагры, поражению зубов, помутнению роговицы глаз, катаракты.

Установлено, что у пациентов, имеющих активную форму депрессии, наблюдается пониженный уровень триптофана в плазме. Предполагают, что эта аминокислота стимулирует секрецию инсулина, который в свою очередь активизирует синтетазу жирных кислот в печени.

L-триптофан содержится в препаратах, восстанавливающих функции мозга. Известно, что в зонах повышенной радиации и инсоляции и при лечении лучевой болезни употребление пищи, обогащенной L-триптофаном, повышает уровень серотонина и снимает такие отрицательные последствия, как геморрагический синдром.

Триптофан используется как антиокислитель пищевых масел и жиров, в качестве общего повышения калорийности пищи, особенно содержащей бобовые и кукурузу.

триптофан незаменимая аминокислота лекарственное средство

Приведенная краткая информация о значении и применении триптофана свидетельствует о важности развития исследований по получению L-формы аминокислоты. Библиографический поиск показывает, что во многих государствах преимущественное распространение указанной модификации триптофана принадлежит микробиологическому синтезу.

В Азиатском регионе ведущее место занимают фирмы Showa Denko, Mitsui Toatsu Chemical, которые, приобретя контрольный пакет акций американской фирмы Diamond Shamrock, выпускают триптофансодержащую продукцию различного назначения.

В Японии фирма Kyowa Hakko Ajinomoto производит L-триптофан для медицинских и пищевых целей с использованием штаммов микроорганизмов, работающих на низкомолекулярных субстратах.

В Кыргызстане в рамках Государственных научнотехнических и Целевых Комплексных программ СССР сотрудники ВНИИгенетика и специалисты Бишкекского завода антибиотиков создают уникальное опытнопромышленное производство по микробиологическому синтезу L-триптофана. На основе лабораторного регламента они отрабатывают технологию и выпуск аминокислоты методом глубинного выращивания штаммапродуцента Bactilis subtilis на мелассных средах.

Технология получения аминокислоты представляет собой последовательный ряд операций, к которым относятся ферментация, обработка культуральной жидкости коагулянтами, выделение аминокислот из нативного раствора с помощью ионообменных смол, концентрирование растворов и очистка технического продукта осветляющими активированными углями [8].

Необходимо отметить, что микробиологический синтез аминокислот связан с существенным расходом воды и образованием значительных количеств жидких и твердых отходов. Принимая во внимание, что в производстве L-триптофана необходимо соблюдать жесткий санитарно-гигиенический режим, создание малоотходной технологии является одной из актуальных проблем.

По регламенту все виды отходов, включая жидкие стоки, собирают, обезвоживают. Сухой шлам обеззараживают, затаривают в мешки для последующего захоронения.

При выделении L-триптофана жидкие стоки образуются за счет промывных вод производственного оборудования, стадии ионообменной хроматографии, маточников кристаллизации, некондиционных растворов посевного материала и культуральной жидкости. Обеззараживание значительных объемов стоков (более 1 м³ на 1 кг целевой аминокислоты) создает дополнительные финансовые затраты, отражающиеся на себестоимости триптофана.

Дифференцированные стоки, как показали исследования химического состава, могут служить сырьем для вторичной переработки. Учитывая, что сбрасываемые стоки имеют температуру выше 40^oС, их можно рассматривать как готовый исходный субстрат для проведения процесса метаногенеза органического вещества.

Бросовые осадки биомассы продуцентов аминокислот, образующиеся на стадии тепловой и химической обработки культуральной жидкости, и отработанные активированные угли со стадии осветления технического продукта так же, как и канализационные стоки имеют температуру 40-60^oС, что служит положительным фактором в пользу анаэробного сбраживания органического вещества этого вида сырья метаногенным консорциумом микроорганизмов.

Поскольку во всех видах отходов присутствует триптофан, представляло интерес исследовать параметры биоконверсии в термофильном режиме доминирующей аминокислоты. Разложение триптофана в биореакторе в течение 552 ч (23 суток) показано на рисунке.

Потребление аминокислоты метаногенным консорциумом микроорганизмов, т.е. практически полное разложение триптофана, как видно на рисунке, происходит в течение 18 суток и выходе биогаза свыше 10 мМ.

На основании исследований установлено, что этот процесс происходит вначале с разложением линейной цепи, а затем деградации ароматического кольца аминокислоты [9-11].

Накопление биогаза и конверсия аминокислоты при анаэробной микробиологической конверсии триптофана.

Поскольку в жидких отходах содержание органических веществ (ОВ) может изменяться в зависимости от количества некондиционных растворов культуральной жидкости и маточников кристаллизации триптофана в условиях производства, стоки, получаемые от регламентных стадий выделения аминокислот рассматривают как технологические канализационные. О количестве ОВ в этих стоках, а их всего 9 видов, судят по показателям биологического (БПК) и химического (ХПК) потребления кислорода. Высокие значения этих двух показателей наблюдаются у промывных вод ионита ИА-1 после сорбции и в стоке после промывки производственного оборудования, соответственно для первого 300 и 400 и второго - 975 и 1400 мгО₂/л.

Как уже указывалось, технологические стоки собирают в один сборник, после усреднения и взаимной нейтрализации у них показатели БПК и ХПК приближаются к нормативному требованию и составляют 392-420 и 560-580 мгО₂/л. Биоконверсия таких стоков в течение 1500 ч в термофильном режиме показала, что через 750 ч процесс образования метана выходит на стабильный режим, а полученный трансформированный раствор не требует дальнейшего обеззараживания, так как является экологическим жидким биоудобрением. В плане охраны окружающей среды метаногенез такого стока позволяет исключить из технологического цикла стадию стерилизации, высушивания и захоронения шлама. Реализация нового вида продукции - удобрения - существенно отражается на повышении общей рентабельности производства [12].

Биоконверсия трапных операций культуральных жидкостей (КЖ), маточников кристаллизации (МК) и их смесей показала, что при времени оборота реактора 552 ч степень конверсии органических веществ составляет 48,0; 21,6 и 34,8% (табл.1).

Для сопоставления результатов трансформации жидких отходов показатели по выходу биогаза и степени конверсии отнесены к единому компоненту - органическим веществам. Различная степень конверсии, как видно из табл.2, повидимому, может трактоваться особенностями метаногенеза триптофана и других органоминеральных примесей, содержащихся в данных субстратах (табл.2).

Проведенные исследования свидетельствуют, что анаэробная обработка указанных жидких отходов метаногенным консорциумом микроорганизмов в производственном цикле приемлема и экономически оправдана, так как температура выбрасываемых продуктов составляет 40-60^oС, и для них нет необходимости проводить дополнительный нагрев для осуществления процесса метаногенеза.

Таблица 1 Расчетные показатели конверсии отходов триптофана

Таблица 2 Конверсия отработанных активных углей производства триптофана (временя удерживания - 23 суток)

В триптофановом производстве большие проблемы связаны с утилизацией осадков биомассы продуцентов триптофана (ОБПТ) и отработанных осветляющих активированных углей.

Ранее нами была предложена технология разложения ОБПТ методом электродиализа с ионообменными мембранами и разработаны рабочие чертежи для проточной пилотной установки. Экономический эффект данного предложения по сравнению с существующим методом захоронения составляет более 387 тыс. сом [13,14].

Крупномасштабная реализация биогазовой технологии в производстве триптофана требует выяснения степени конверсии ОВ названных продуктов.

Биоконверсия отработанного активированного угля в микробиологическом синтезе триптофана, на наш взгляд, обусловлена самой технологией использования осветляющих активированных углей. В условиях производства отработанный уголь представляет собой горячую массу, которая по регламенту высушивается и отправляется на утилизацию. При этом необходимо учитывать, что при сушке угля вместе с влагой десорбируется значительное количество загрязнений и происходит дополнительный расход энергоносителей.

Исследования по биоконверсии отработанных активированных углей триптофанового производства позволяют сделать вывод, что при культивировании термофильного природного метаногенного консорциума на отработанных углях наблюдалась типичная картина, характерная для конверсии чистого триптофана (табл.2). При этом значение коэффициента газификации (КГ), вычисленное из отношения суммы выделившихся метана и диоксида углерода к органическому веществу, как видно из табл.2, составляет 90%. Высокий процент сорбированных веществ углем, а также его мелкодисперсность позволяют рассматривать процесс биоконверсии в анаэробных условиях этого вида отхода экономически и экологически более выгодным. Превращение органического вещества водной суспензии осадка биомассы продуцента триптофана при времени удерживания 23 суток в термофильном режиме метаногенным консорциумом микроорганизмов, как показали исследования, составило 61%, и этот показатель значительно выше наблюдаемого для растворов КЖ (48%) и представленного в табл.1.

Таблица 3 Состав субстрата для анаэробной конверсии из смеси отходов осадка биомассы продуцента триптофана и культуральной жидкости

Более высокий показатель деградации ОВ осадка биомассы продуцента триптофана, возможно, связан с содержанием в нем фосфатов и пептидов, которые выполняют роль активирующих ростовых примесей. Поэтому для сравнения был проведен метаногенез ОБПТ в различном соотношении с раствором культуральной жидкости (табл.3).

Как и следовало ожидать, выход биогаза (0.43 л/г) и степень конверсии ОВ (57,8%) были выше для смеси ОБПТ+КЖ в соотношении 75: 25.

Таким образом, одним из путей экологически оправданной утилизации отходов и обеззараживания стоков триптофанового производства может служить их довольно легко осуществимый метаногенез, который способен стать одной из альтернативных возможностей вторичного использования бросовых продуктов для выпуска экологического удобрения, повторного использования тепла и дополнительного получения энергоносителя в виде биогаза.

Литература