Биотехнология. принципы и применение - Бич Г.
ISBN 5-03-000058-5
Скачать (прямая ссылка):
для сбраживания глюкозы в>
€4
Глава 2
спирт можно использовать дрожжи. Если для сбраживания используют
бактерии, например Klebsiella или Aeromonas, то из пентоз можно получить
бутанол. Другая возможность заключается в том, что лигноцеллюлозу
используют как субстрат для бактерий Clostridium thermocellum.
Типичный процесс производства глюкозы из целлюлозы включает механическую
первичную обработку, размягчение паром или химическую делигнификацию. Для
осуществления всех этих операций нужна энергия. При использовании
химических методов возникают сложности, связанные с коррозией и
нейтрализацией стоков. Процессы, основанные на использовании
растворителей, нередко дорогостоящи: приходится регенерировать
растворитель. Что касается свойств продукта, определяющих саму
возможность действия на него ферментов, то к ним относятся степень
кристалличности, лигнификации и размер частиц.
Наиболее хорошо изучена смесь целлюлоз, образуемых Trichoderma viride и
Т. reesei. Детально исследована кинетика их действия. Получены мутантные
штаммы, или разновидности (например, штамм С-30), обладающие высокой
активностью. Выяснено, что смесь целлюлаз Т. reesei включает три
компонента: эндо-фермент (фракция Сх), который атакует субстрат
бессистемно, экзо- 1,4-глюканазу (фракция Ci), в результате действия
которой образуется целлобиоза, и 1,4-глюкозидазу, которая превращает
целлобиозу в глюкозу. Обычно содержание глю-козидазы в смеси невелико и
его приходится увеличивать, добавляя ферменты других грибов, например
Aspergillus. От них несколько отличается фермент возбудителей бурой
гнили: эти грибы способны образовывать Н202, в результате чего процессы
первичного разрушения идут быстрее.
При использовании таких ферментных смесей возникают сложности, связанные
с тем, что и активность ферментов, и их образование ингибируются конечным
продуктом катализируемой реакции. Так, 0,01%-ный раствор целлобиозы
ингибирует активность целлюлазы на 75%. Есть надежда, что путем
модификации активности фермента, его регуляции и синтеза с помощью
мутагенеза, селекции и методов рекомбинантных ДНК удастся получать более
активные и стабильные ферментные препараты, в меньшей степени
ингибируемые конечным продуктом. Было проведено изучение многих других
организмов в плане возможного их использования для разрушения
лигноцеллюлозы. Некоторые из них перечислены в табл. 2.9. Лигнин
деградируют некоторые штаммы Erwinia, а также дрожжи Trichospora
fermentans; ряд грибов, относящихся к числу хорошо известных родов Мисог,
Penicillium, Trichoderma и Aspergillus, образуют активную ксиланазу.
Энергия и биотехнология
65
Таблица 2.9. Микроорганизмы, изученные в плане их использования для
расщепления лнгноцеллюлозы
Целлюлоза и целлюлазы Trichoderma viride Т. reesei Т. koningii Coniphora
cerebella Sporotrichum pulverulentum Polyporus adustus Myrothesium
verrucaria Penicillium funiculosum Fusarium solani Aspergillus wentii
Coniphora thermophila Thielavia terrestris Phanaerochaete chrysosporium
Clostridium thermohydrosulfuricum Clostridium thermocellum Clostridium
thermosaccharolyticum Thermomonospora spp.
Ксиланаза Chaetomum trilaterale Глюкозидаза Aspergillus phoenicus Лигназа
Erwinia spp.
Trichospora fermerUans
2,5.2. Ферментация
Получение метана (биогаза) методом анаэробной переработки сырья и
производство этилового технического спирта путем сбраживания при участии
дрожжей - два главных примера биологических технологий, которые могут
использоваться для получения более высококачественного топлива из
растений.
Если принять, что исходным сырьем является глюкоза, общую схему
осуществляемых превращений можно представить следующим образом:
Производство биогаза: СбН^Ое -> 3(СН4) +3(С02),
Производство этанола: C6Hi206 -"- 2(СН3СН2ОН) +2(С02).
Мы не будем рассматривать здесь все тонкости биохимических процессов,
лежащих в основе этих превращений. Отметим только, что в ходе анаэробных
превращений часть небольшого количества энергии, высвобождающейся в
реакциях, запасается в АТР. Это соединение используется как источник
энергии для роста клеток и поддержания жизнедеятельности бактерий или
дрожжей. Поэтому, хотя метаболизм у этих микроорганизмов и не столь
эффективен (в плане использования субстрата для роста), как у организмов,
растущих в присутствии кислорода и
5-1344
66
Глава 2
при дыхании стехиометрически разлагающих глюкозу до углекислого газа и
воды, в результате брожения удается получить-достаточно высокий выход
продуктов. К тому же удельное содержание энергии в них выше, чем в
исходном субстрате - биомассе. В зависимости от фазового состояния
(жидкость, твердое вещество или газ), температуры и давления реагирующих
веществ и продукта теплоты сгорания (калориметрические) составляют
приблизительно 16 кДж/г для глюкозы, 30 кДж/г для этилового спирта и 56
кДж/г для метана.
Хотя в основе как анаэробных процессов, так и производства этилового
спирта путем брожения лежат микробиологические процессы переработки сырья
