Микробный синтез на основе целлюлозы: белок и другие ценные продукты - Лобанок А.Г.
ISBN 5-343-00283-8
Скачать (прямая ссылка):
Murray (1986) исследована деградация бактериями Bacteroides cellulosolvens различных целлюлозосодержащих субстратов: кристаллической целлюлозы, фильтровальной бумаги, хлопка, размолотой пульпы, Solka Floe и обработанной паровым взрывом древесины. Эти бактерии способны к деградации целлюлозы в количестве 20 г/л. Целлюлоза и гемицеллюлоза ферментируются целлюлолитическим анаэробом до Н2, С02, уксусной кислоты, этанола и молочной кислоты. Аккумуляция Н2 приводит к замедлению скорости роста и изменяет метаболизм в сторону образования этанола.
При изучении интенсивности ферментации целлюлозы чистой культурой Bacteroides cellulosolvens и в случае ассоциации ее с культурой Clostridium saccharolyticum выявлено, что в условиях смешанного культивирования целлюлозы ферментируется на 33% больше. Автор считает, что связь культур основана на взаимозависимости, при которой целлюлолитические бактерии снабжают Clostridium saccharolyticum питательными веществами, а последние в свою очередь удаляют из среды метаболиты, ингибирующие рост целлюлолитических анаэробов (Murray, 1986).
В связи с тем что в США стоки, образуемые при переработке древесины, являются одним из основных отходов, содержащих сахара, Compere (1983) сделана попытка выделить культуры, способные превращать сахара этих отходов в нейтральные растворители, главным образом в бутанол, ацетон, 2-пропанол, этанол. Отходы деревообрабатывающей промышленности включают щелока, гидролизаты и различные жидкости, применяемые для промывки. Бактерии выделяли методом накопительных культур. Всего выделено 240 штаммов, образующих бутанол, 29 из них образуют более 3% растворителей.
Hayashida и сотр. (1983) показали, что бактерии рода Clostridium при росте на среде с 1% целлюлозы синтезируют эта-
197
нол, м-бутанол, уксусную и масляную кислоты. Целлюлоза подвергается расщеплению на 80%.
Petidemange и сотр. (1983) описали одностадийный процесс ферментации целлюлозы с использованием целлюлолитических бактерий, усваивающих глюкозу. Монокультура Clostridium НЮ за девять дней инкубации расщепляет 34% внесенной целлюлозы Solka Floe и 25% целлюлозы MN 300. Через 48 ч после подсева культуры Clostridium acetobutyricum (при pH 7,0) степень расщепления целлюлозы достигает 85—100%. В среде накапливаются масляная и уксусная кислоты, бутанол и этанол.
Yu (1985) исследовал образование бутандиола из лигноцеллюлозных субстратов при последовательном культивировании Clostridium thermocellum 2688 и Klebsiella pneumoniae. В результате разложения целлюлозы и гемицеллюлозы культурой Clostridium thermocellum (ггри 60 °С в течение 3 сут) в среде накапливается до 5% восстанавливающих сахаров и около 1% этанола. Последующая ферментация сахаров в течение
4 сут при 37 °С проводилась с помощью Klebsiella pneumoniae АТСС 8724, при этом образовывался 2,3-бутандиол (до 1,5%). Применение периодического процесса с подпиткой (добавление по 1 % опилок в момент инокуляции Klebsiella pneumoniae и через 2 сут ферментации) позволило повысить выход бутандиола до 4%, этанола — до 2,5%. Этим же автором показано образование бутанола из целлюлозных материалов при последовательном культивировании Clostridium thermocellum и Clostridium acctobutylicum. Клетки бактерий Clostridium thermocellum NRCC 2G88 выращивали на целлюлозе Solka Floe или на смеси ее с ксиланом из осины при 60 °С в течение 3 сут. Затем добавляли 5 об. % культуры Clostridium acetobutylicum АТСС 824, и дальнейшую ферментацию вели при 37 °С в течение 2—4 сут. При подобном способе утилизации целлюлозных материалов общий выход продуктов увеличивается более чем в 2 раза, причем основными являются уксусная и масляная кислоты (но не растворители). При ферментации глюкозы образование кислот в смешанной культуре повышается, а при добавлении масляной кислоты возрастает выход бутанола (Yu, 1985).
Первая попытка использовать анаэробные бактерии для биоконверсии целлюлозосодержащпх материалов в производственных условиях осуществлена еще в 1932 г. Процесс проводили в течение 7 сут при 60 °С. Бродильные чаны имели емкость 180 л, сырьем служили отруби. В анаэробных условиях наибольшим был выход уксусной кислоты. Была сооружена также опытная установка с бродильным чаном на 4,5 тыс. л, в качестве сырья использовали свекловичный жом, основным продуктом производства была 40%-ная уксусная кислота (Lang-well, 1932).
Чельцова if др. (1938, 1939) проводили полупроизводствен-ные опыты по сбраживанию свекловичного жома и кукурузных
195
кочерыжек термофильными целлюлолитическими бактериями. При сбраживании 3°/о-ного свекловичного жома за 36 ч 12% целлюлозы субстрата было превращено в спирт. Наиболее высокий выход этанола был получен при сбраживании не растительного сырья, а технической целлюлозы — за 9—12 дней до 22% количества исходной целлюлозы.
Производственные опыты показали, что совместное использование Clostridium thermocellum и Thermoanaerobacter ethano-licus ATCC 3150 позволяет практически полностью исключить стадию предобработки целлюлозы кислотами или щелочью. Наряду с этанолом образуются Н2, С02, лактат и формиат. Доказана возможность получения этанола из фильтровальной бумаги, древесины щепы, кукурузной и пшеничной соломы, различных сельскохозяйственных остатков. Максимальный выход этанола при ферментации целлюлозы смешанной культурой достигается при pH 6,8—7,8 и температуре 45—70 °С. При времени ферментации 7—21 сут выход этанола равен 8,3—31,8% общего количества целлюлозы.
