Модел биопроцеса производње ксантана на ефлуентима прехрамбене индустрије

Abstract

Све обимнија индустријализација која је одговор на захтеве потрошачког друштва, велики је експлоататор ресурса и генератор, поред жељеног производа и великих количина отпадних токова. У највећем број случајева индустријски ефлуенти бивају испуштени у природне реципијенте јер већ њихова примарна обрада изискује додатна улагања. Развојем технике и технологије омогућена је примена биопроцеса у ову сврху, али само искоришћење отпадних вода као сировине за биотехнолошку производњу обећава симултану заштиту животне средине и економску добит, односно представља решење проблема које је одрживо. У оквиру истраживања која су обухваћена овом докторском дисертацијом доказана је могућности примене отпадних вода прехрамбене индустрије као основе култивационог медијума у биотехнолошкој производњи биополимера ксантана. Полазни корак за индустријализацију предложеног поступка је развој симулационог модела који у највећој мери треба да опише реалну ситуацију у материјалном, енергетском, еколошком и економском смислу. Реализација оваквог циља захтева познавање узрочно-последичне везе између метаболичке активности примењеног биокатализатора и процесних услова међу којима је веома значајан састав култивационог медијума. У ту сврху извршена је карактеризација 18 отпадних вода које припадају различитим гранама преграмбене индустрије и потврђена могућност њихове примене као основе култивационог медијума за биотехнолошку производњу ксантана. Експериментално је потврђена могућност производње ксантана на овим ефлуентима применом производног микроорганизма Xanthomonas campestris ATCC 13951, извођењем биопроцеса у биореактору стандардних геометријских односа, запремине 2 l. Оптимизација састава култивационог медијума са отпадним водама одабраних грана прехрамбене индустрије, у погледу најзначајнијих нутријената и са циљем добијања што већег садржаја жељеног производа, изведена је применом методе жељене функције. У наставку истраживања, дефинисана је кинетика биосинтезе ксантана у биореактору запремине 7 l, а добијени кинетички модели за умножавање биомасе (логистичка једначина), настајање производа (Luedeking-Piret-ова једначина) и потрошњу извора угљеника (модификована Luedeking-Piret-ова једначина)) су искоришћени за развој симулационог модела биопроцеса производње ксантана применом ефлуената прехрамбене индустрије. Генерисаним симулационим моделом производње ксантана применом отпадних ефлуената различитих грана прехрамбене индустрије су предвиђени првенствено процесни, а потом и економски показатељи овог биотехнолошког процеса. Са технолошког аспекта, резултати ових истраживања представљају поуздан извор информација за дефинисање идејног решења предложеног биопроцеса који је основа за израду главног технолошког пројекта.

Sve obimnija industrijalizacija koja je odgovor na zahteve potrošačkog društva, veliki je eksploatator resursa i generator, pored željenog proizvoda i velikih količina otpadnih tokova. U najvećem broj slučajeva industrijski efluenti bivaju ispušteni u prirodne recipijente jer već njihova primarna obrada iziskuje dodatna ulaganja. Razvojem tehnike i tehnologije omogućena je primena bioprocesa u ovu svrhu, ali samo iskorišćenje otpadnih voda kao sirovine za biotehnološku proizvodnju obećava simultanu zaštitu životne sredine i ekonomsku dobit, odnosno predstavlja rešenje problema koje je održivo. U okviru istraživanja koja su obuhvaćena ovom doktorskom disertacijom dokazana je mogućnosti primene otpadnih voda prehrambene industrije kao osnove kultivacionog medijuma u biotehnološkoj proizvodnji biopolimera ksantana. Polazni korak za industrijalizaciju predloženog postupka je razvoj simulacionog modela koji u najvećoj meri treba da opiše realnu situaciju u materijalnom, energetskom, ekološkom i ekonomskom smislu. Realizacija ovakvog cilja zahteva poznavanje uzročno-posledične veze između metaboličke aktivnosti primenjenog biokatalizatora i procesnih uslova među kojima je veoma značajan sastav kultivacionog medijuma. U tu svrhu izvršena je karakterizacija 18 otpadnih voda koje pripadaju različitim granama pregrambene industrije i potvrđena mogućnost njihove primene kao osnove kultivacionog medijuma za biotehnološku proizvodnju ksantana. Eksperimentalno je potvrđena mogućnost proizvodnje ksantana na ovim efluentima primenom proizvodnog mikroorganizma Xanthomonas campestris ATCC 13951, izvođenjem bioprocesa u bioreaktoru standardnih geometrijskih odnosa, zapremine 2 l. Optimizacija sastava kultivacionog medijuma sa otpadnim vodama odabranih grana prehrambene industrije, u pogledu najznačajnijih nutrijenata i sa ciljem dobijanja što većeg sadržaja željenog proizvoda, izvedena je primenom metode željene funkcije. U nastavku istraživanja, definisana je kinetika biosinteze ksantana u bioreaktoru zapremine 7 l, a dobijeni kinetički modeli za umnožavanje biomase (logistička jednačina), nastajanje proizvoda (Luedeking-Piret-ova jednačina) i potrošnju izvora ugljenika (modifikovana Luedeking-Piret-ova jednačina)) su iskorišćeni za razvoj simulacionog modela bioprocesa proizvodnje ksantana primenom efluenata prehrambene industrije. Generisanim simulacionim modelom proizvodnje ksantana primenom otpadnih efluenata različitih grana prehrambene industrije su predviđeni prvenstveno procesni, a potom i ekonomski pokazatelji ovog biotehnološkog procesa. Sa tehnološkog aspekta, rezultati ovih istraživanja predstavljaju pouzdan izvor informacija za definisanje idejnog rešenja predloženog bioprocesa koji je osnova za izradu glavnog tehnološkog projekta.

Increasing industrialization as a response to the demands of the consumer society greatly exploits resources and generates large amounts of waste effluents in addition to the desired product. In most cases industrial effluents are discharged into the natural environment because even their primary processing requires additional investments. The development of biotechnology has enabled bioprocesses to be used for this purpose, and using wastewaters as raw materials for biotechnological production simultaneously provides preservation of the environment and economic benefits which is a sustainable solution to the problem. Within the research covered in this doctoral thesis it was proven it is possible to use food and beverage industry wastewaters as a basis for the cultivation media in the biotechnological production of xanthan. The starting step in industrializing the suggested process is to develop a simulation model which best represents the realistic situation and its material, energy, environmental and economic aspects. Realizing this goal requires the author/researcher to be familiar with the causal link between the metabolic activity of the used biocatalyst and process conditions among which the composition of the cultivation media is very significant. In order to accomplish this goal, 18 wastewaters from different branches of the food and beverage industry were characterized and were confirmed to have the capability to be used as a cultivation media for the biotechnological production of xanthan. Experiments confirmed the possibility of producing xanthan on these effluents using the production microorganism Xanthomonas campestris ATCC 13951 in a 2 liter bioreactor of standard geometric characteristics. Composition of the cultivation media based on the wastewaters of the selected food and beverage industry branches was optimized using the desirability function method, focusing on the most significant nutrients and with the goal of obtaining the maximum amount of the desired product. In further research, the kinetics of xanthan biosynthesis in a 7 liter bioreactor were defined, and the obtained kinetic models for biomass multiplication (logistic equation), product formation (Luedeking-Piret equation) and carbon source consumption (modified Luedeking-Piret equation) were used to develop a simulation model of the xanthan production bioprocess using food and beverage processing industry effluents. The generated simulation model of xanthan production using waste effluents of different branches of the food and beverage industry predicts primarily the process but also the economic indicators of this biotechnological process. From a technological perspective, the results of this research represent a reliable source of information for defining a general design of the suggested bioprocess as a basis for the creation of a major biotechnological project.