Микробный синтез на основе целлюлозы: белок и другие ценные продукты - Лобанок А.Г.
ISBN 5-343-00283-8
Скачать (прямая ссылка):
Биологический метан аккумулирует в себе часть солнечной энергии, трансформированной в скрытую химическую энергию органических соединений. Такую аккумуляцию осуществляют зеленые растения в процессе фотосинтеза. В результате биологической конверсии продуктов фотосинтеза — растительной биомассы — образуется биогаз. Он на 50—80% состоит из метана и на 50—20% — из углекислого газа. При образовании метана энергия солнца переходит в доступное для использования топливо и ценное удобрение.
Весьма высоки коэффициенты конверсии энергии в системах получения метана из органического вещества с помощью микроорганизмов. На метан приходится примерно 90% энергии, содержащейся в субстрате (Соуфер, Заборский, 1985). Теплотворная способность чистого биометана составляет 104 ккал/м3, а биогаза — около 6-103 ккал/м3 в зависимости от содержания углекислого газа в нем (Чань Динь Тоай и др., 1983). Теплотворная способность биогаза и некоторых видов топлива приведена в табл. 37.
Процесс метанообразования издавна привлекал внимание ученых. Омелянский, исследуя процесс разложения клетчатки,
204
приписал этот процесс одному организму (Беляев, 1979). Исследования других авторов показали, что ферментация этанола, которая, как ранее предполагалось, была обнаружена по наличию Methanobacillus omelianskii, на самом деле является результатом действия синтропического сообщества двух видов бактерий, один из которых способствует образованию уксусной кислоты и водорода только из этанола, а другой (метаноген) использует образующийся водород. Было установлено, что ана-
Органическое вещеспю У) леводы Мрснеин Липиды
Рис 6 Схема полного анаэробного расщепления органического вещества под влиянием грех основных групп бактерий: / — ферментативных, 2 — облигатных, производящих Н2, ацетогенных; 3 — метаногенных. Уксусная, а иногда и другие кислоты могут быть образованы в результате \частия бактерий 4-й группы (по Мкппернн, Брайант, 1985)
эробные целлюлолнтнческие бактерии не образуют метан, они лишь поставляют органические кислоты, спирты, Н2 и С02 другим микроорганизмам (Bryant et al., 1967).
В процессе анаэробного разложения биополимеров участвуют многие виды микроорганизмов, однако основными биологическими агентами, способствующими разрушению органического вещества (субстрата) до метана, являются метаногены.
До недавнего времени разложение биомассы с образованием
205
метана рассматривали как процесс взаимодействия двух групп бактерий, осуществляющих распад органических веществ, при этом считалось, что процесс протекает в две стадии. На первой (кислотообразующей) под действием бактерий происходит гидролиз субстрата с образованием главным образом органических кислот, спиртов, С02 н Н2. На второй (метанообразующей) продукты гидролиза (кислоты и спирты) разлагаются в присутствии С02 и Н2 с образованием СН4 и С02 (цит. по Мкинерни, Брайант, 1985).
Мкинерни и Брайант (1985) считают, что, поскольку не были обнаружены чистые культуры метаногенов, разлагающих про-пионовую и другие жирные кислоты с более длинной цепью, двухстадийная система не дает полного представления о процессе ферментации, т. е. катаболизм спиртов (кроме метанола) и жирных кислот (кроме муравьиной и уксусной) вызван не ме-таногенами как таковыми, а какой-то другой группой бактерий, регулирующих обмен веществ (рис. 6). На первой стадии происходит накопление ферментов. По мнению авторов, возможно, что пропиоиовая и другие жирные кислоты с более длинной цепью, а также спирты разлагаются под действием промежуточной группы бактерий, так называемых облигатных ацетогенных бактерий, образующих Н2. Другая группа бактерий образует из Н2 и С02 уксусную, а иногда и другие кислоты. Метаногены используют образованный бактериями водород, восстанавливая С02 до СН4 и уксусную кислоту до С02 и СН4. Последняя реакция имеет важное значение, так как 70% метана, получаемого ферментацией, образуется из метильной группы уксусной кислоты.
Технологически метановое брожение проходит два этапа: 1 — формирование метанового биоценоза; 2 — непрерывная или периодическая ферментация. Первый этап называют кислотным, так как метанообразующие бактерии растут медленнее, чем ферментативные бактерии, поэтому перед началом образования газа в среде накапливаются летучие жирные кислоты. Потом скорости образования и потребления кислот выравниваются, п далее идут параллельно разложение субстрата и образование газа.
Микробиология кислотообразующего этапа изучена недостаточно. Исследования микроорганизмов, осуществляющих образование кислот в метантенке, свидетельствуют о том, что значительную их часть составляют облигатные анаэробы. Наличие их не исключает одновременно присутствия большого количества факультативных анаэробных бактерий, подобных стрептококкам и кишечным бактериям.
Облигатные анаэробы мезофильного типа включают семейства Enterobacteriaceae, Clostridiaceae, Lactobacillaceae, Strep-tococcaceae. Важная роль в процессе анаэробного разложения органических веществ принадлежит неспоровым облигатным
