Микробный синтез на основе целлюлозы: белок и другие ценные продукты - Лобанок А.Г.
ISBN 5-343-00283-8
Скачать (прямая ссылка):
Wiegel et al. (1985) проанализированы различия в деградации ксилана у разных нецеллюлолитических термофильных анаэробов и Clostridium thermocellum. С помощью специальной предобработки, включающей паровой взрыв и экстракцию, из древесины получили различные фракции гемицеллюлозы с преимущественным содержанием ксилозы, ксилоолигомеров и ксилана. Культура Clostridium thermocellum вначале утилизирует высокомолекулярные фракции ксилана со степенью полимеризации 15—40 ксилозных единиц. В процессе роста в среде накапливаются ксилоза и ксилоолигосахариды. Последние используются клетками после длительной лаг-фазы (100 ч), тогда как ксилоза утилизируется очень слабо.
В противоположность этому бактерии Closiridium thermohydro sulfuricum (оптимальная температура 70 °С) и Thermo-anaerobium brockii (70 °С) утилизируют ксилозу в первую очередь и только после этого начинают потреблять ксилоолигосахариды со степенью полимеризации от 2 до 5. Эти бактерии очень медленно разлагают ксилоолигосахариды со степенью полимеризации больше 6. Thermoanaerobacter ethanolicus, Thermobacteroides acetoethylicus и Clostridium thermosaccha-rolyticum предпочтительно утилизируют ксилозу и используют ксилоолигосахариды со степенью полимеризации 2—6 и выше. Нецеллюлолитнческие организмы на среде с ксилоолигосахаридами образуют этанол, лактат, ацетат, С02 и Н2 (Wiegel et al., 1985).
Tanaka и Shimomura (1986) выделены мезофильная и три термофильные культуры Clostridium sp., разлагающие ксилан. Продуктами сбраживания ксилана мезофильной культурой Clostridium sp. являются этанол, уксусная кислота, Н2 и С02. Термофильные бактерии разлагают ксилан с образованием масляной кислоты в качестве основного продукта.
Ng и Zeikus (1982) исследованы различия метаболизма цел-лобиозьг и глюкозы у Clostridium thermocellum и Clostridium thermohydrosulfuricum, образующих вместе устойчивую ассо-
13 Зак. 966
193
циацию. Clostridium thermohydrosulfuricum повышает выход этанола при сбраживании целлюлозы в ассоциации, этот микроорганизм предпочитает глюкозу целлобиозе в качестве энергетического субстрата. Методом метки установлено, что скорость поглощения клетками глюкозы выше, чем целлобиозы, а урожаи клеток, выращенных на глюкозе и целлобиозе, близки. Для Clostridium thermocellum, напротив, целлобиоза предпочтительнее, чем глюкоза, но скорость роста на обоих субстратах ниже, чем у Clostridium thermohydrosulfuricum. Скорость поглощения обоих субстратов одинакова, однако урожай клеток на целлобиозе почти вдвое выше, чем на глюкозе.
Изучено образование этанола алкогольтолерантным штаммом Clostridium thermohydrosulfuricum 39ЕА при изменении температуры от 45 до 68 °С, который был получен в процессе адаптации исходного штамма к повышающимся концентрациям спирта. Этот штамм превосходит исходный по скорости роста и выходу этанола. При использовании мутанта в промышленных условиях возможна биоконверсия ксилозы и глюкозы в этанол, выход этанола составляет более 4% (Lovitt et al., 1984).
С целью повышения скорости ферментации целлюлозы и устранения ингибирующего эффекта конечных продуктов на целлюлазы были объединены процессы осахаривания целлюлозы культурой Thermomonospora и сбраживания образуемых продуктов бактериями Clostridium thermocellum. Кроме того, комбинированную ферментацию целлюлозы проводили с помощью целлюлазы Thermomonospora sp. и целлюлолитических ксилозоусваивающих термофильных анаэробов. В обоих случаях получен высокий выход этанола. При добавлении нецеллюлолитиче-ского организма, способного утилизировать ксилозу, система может осуществлять ферментацию гемицеллюлозных и целлюлозных компонентов растительной массы в этанол (Alexander et al., 1981).
С целью оптимизации роста Clostridium thermocellum на целлюлозе и предобработанных древесных субстратах последовательно культивировали Clostridium thermocellum и Zymomo-nas anaerobia и добавляли целлобиазу, при этом выход этанола составлял 1,8 мг/мл (Saddler, Chan, 1982).
Для получения этанола из гидролизатов древесины, содержащих целлобиозу, глюкозу и ксилозу, Asther и Khan (1985) использовали Zymomonas anaerobia и устойчивый к спирту штамм Clostridium saccharolyticum. При культивировании исходного штамма Clostridium saccharolyticum на среде с 7% этанола отобран мутант, устойчивый к этанолу. Этот мутант утилизирует целлобиозу с большей, а глюкозу с меньшей скоростью, чем исходный штамм. Смешанная культура на среде с 13% сахаров, из которых 60% приходится на глюкозу, образует 5% этанола, чистая культура Zymomonas anaerobia—только 3,7%, а чистая культура Clostridium saccharolyticum накапливает до 11 г/л
194
ацетата, который ингибирует рост. Преимуществом совместной культуры для получения этанола из гидролизатов древесины по сравнению с применяемыми в настоящее время дрожжами является способность утилизировать целлобиозу и ксилозу.
Гидролиз целлюлозы можно интенсифицировать путем оптимизации условий культивирования Clostridium thermocellum. Так, снижение pH среды до 6,5 приводит к подавлению синтеза уксусной кислоты (Volfova et al., 1983). С целью повышения скорости конверсии целлюлозы в этанол культивирование Clostridium thermocellum АТСС 27405 проводили с подпиткой. В этих условиях концентрацию этанола около 8 г/л удалось’ получить за более короткий период, чем без подпитки. При этом максимальная продуктивность равнялась 1,0 г этанола на 1 г целлюлозы (Spinnler, 1986).
