Биотехнология. принципы и применение - Бич Г.
ISBN 5-03-000058-5
Скачать (прямая ссылка):
электростанций.
Если рассматривать лишь производство этилового спирта, то* количество
энергии, расходуемой на выработку одного литра! продукта, равно или
превышает ее количество, запасенное в данном объеме спирта. Поэтому,
чтобы получить выигрыш, энергообеспечение процесса должно осуществляться
за счет возобновляемых источников либо энергопоставляющих побочных
продуктов. На сегодняшний день производство на основе сахарного тростника
- это единственный пример процесса с положительным энергобалансом.
Необходимую энергию получают, сжигая отжатый тростник (багассу). С другой
стороны, производства на основе крахмала или сахарной свеклы требуют
дополнительных энергозатрат. Если для этого используется нефть, то
выигрыш в энергии в пересчете на жидкое топливо бывает либо небольшим,
либо нулевым. С другой стороны, когда топливом служит уголь, то мы по
сути имеем дело с одним из процессов превращения его в жидкое горючее для
транспорта. Это позволяет экономить энергию, запасенную в нефти. Отметим
также, что в производствах на основе сахара или крахмала стоимость сырья
составляет 60-85% от стоимости получаемой продукции; здесь возможны и
снижение цен, и повышение урожайности. В результате с учетом качества
энергии, стоимости и экономичности этот процесс привлекает все большее
внимание.
Научные исследования нацелены сегодня на увеличение эффективности
использования субстрата, выхода продукта в объемном исчислении, его
концентрации и на разработку способов осуществления процесса при
повышенной температуре. Эти усовершенствования помогут экономить дорогой
субстрат путем снижения его затрат на выращивание клеток (повторное их
использование или иммобилизация) или подавления побочных реакций, дающих
нежелательные продукты (глицерол, ацетат и т. п.). Кроме того, они
помогут экономить энергию: уменьшится необходимость охлаждения
ферментеров, снизятся затраты на перегонку. Все эти изменения будут
плодом совместной работы микробиологов и инженеров.
Если рассматривать микробиологическую сторону процесса, то основной целью
здесь является улучшение ответа микроорганизмов на изменение концентрации
Ог, подбор концентрации субстрата и специфичности его использования,
повышение концентрации спирта. Нужно оптимизировать температуру,
соотношение стадий брожения и роста клеток, образование побочных
продуктов и флокуляционные характеристики дрожжей. Послед-
72
Глава 2
нее особенно важно, поскольку самоосаждающиеся клетки легко отделить
простым отстаиванием, не используя дорогие и энергоемкие центрифуги.
Основной способ улучшения производства по-прежнему состоит в селекции
устойчивых штаммов дрожжей. Неустойчивость частично обусловлена
осмотическими эффектами, а частично - влиянием накопленного спирта на
проницаемость мембран. Один из возможных выходов заключается в расширении
набора используемых организмов (путем включения, например, Z. mobilis,
видов Clostridium и т. п.). Другой путь - использование генетических
методов для передачи полезных качеств от различных дрожжей и бактерий
дрожжами S. cerevisiae. Вторая возможность кажется особенно
привлекательной, так как при работе с этими дрожжами промышленностью
накоплен большой опыт. Кроме того, хорошо изучен их жизненный цикл и
генетика, получены плазмидные векторы. Следует сказать, что многие
используемые промышленностью штаммы дрожжей являются полиплоидными, не
принадлежат к определенному типу скрещивания, а жизнеспособность
образуемых ими спор низка. Все это затрудняет их генетический анализ и
улучшение при помощи обычных методов скрещивания, что и заставляет
обратиться к рекомбинантным методам. Сейчас ведутся эксперименты по
переносу генов амилазы и целлюлазы в клетки дрожжей.
Что касается самого брожения, то уже выполнена большая работа для систем
с иммобилизованными клетками, что позволит сделать процесс непрерывным,
без повторного использования клеток. Разрабатываются также системы с
повторным использованием дрожжей и отгонкой спирта при пониженном
давлении (вакуумное брожение). Сложности в разработке обеих систем
связаны с интенсивным выделением СОг, который нужно удалять, и с
необходимостью контролировать рост клеток. Нужна очищенная, не содержащая
взвешенных частиц стерильная питательная среда. Далее, немалые
затруднения возникают из-за высокой стоимости среды, поскольку для
достижения большой продуктивности нужны высокие степени разведения, а при
высоком разведении плохо используется субстрат. По этим причинам,
возможно, придется остановиться на серийном выращивании. В случае
микробного заражения потребуется система дублирования. Учитывая все это,
сегодня подобные системы вряд ли будут экономически конкурентоспособными.
Все эти проблемы придется решать биотехнологам, используя опыт и
микробиологов, и инженеров.
Л
Энергия и биотехнология
73
2.5.5. Получение метана в анаэробных условиях
При переработке сырья в анаэробных условиях получается смесь газов -
