Вопросы для самоконтроля:

1. Бродильное производство ацетона и бутанола.

2. Получение уксусной кислоты.

3. Производство лимонной кислоты.

4. Производство молочной кислоты.

5. Производство аминокислот.

6. Получение протеиназ.

7. Технологии на основе культуры растительных клеток и тканей (получение шиконина).

8. Факторы, влияющие на внедрение биотехнологии в химическую промышленность.

Лекция 9

Материаловедение и биотехнология

1 Биоэкстрактивная металлургия.

2 Биополимеры.

3 Биоповреждение материалов.

1. Биоэкстрактивная металлургия

Из всех микробиологических технологий меньше всего рекламируется и больше всего недооценивается применение микроорганизмов для экстракции металлов из минералов, для концентрирования и извлечения драгоценных металлов из растворов, а также для получения новых промышленных биоматериалов.

Еще за 1000 лет до н.э. римляне, финикийцы и люди других ранних цивилизаций извлекали медь из рудничных вод или вод, просочившихся сквозь рудные тела. В конце XYII в. валлийцы в Англии и в XYIII в. испанцы на месторождении Рио-Тинто применяли такой процесс «выщелачивания» для получения меди из содержащих ее минералов. Эти древние горняки и не подозревали, что в подобных процессах экстракции металлов активную роль играли бактерии.

Лишь в 50-е и 60-е гг. XX в. выяснилось, что в получении металлов из минералов решающую роль играют бактерии. В 1947 г. Колмер и Хинкл выделили из шахтных дренажных вод бактерию Thiobacillus ferrooxidans. Этот организм окислял двухвалентное железо и восстанавливал серусодержащие соединения и некоторые металлы.

Вскоре оказалось, что бактерия участвует и в переводе меди из рудных минералов в раствор.

Сейчас известны и другие микроорганизмы, активно участвующие в извлечении металлов из минералов:

Leptospirillum ferrooxidans – этот организм впервые был выделен в Армении, однако сейчас известно, что он встречается во многих местах, где осуществляется выщелачивание. Он может расти при 40 ⁰С и при рН 1,2 на пирите (Fe S₂) и, по-видимому, окисляет только железо, не затрагивая серу. Этим он отличается от Thiobacillus ferrooxidans, который окисляет серу так же хорошо, как железо.

Thiobacillus thiooxidans – эти ацидофильные организмы окисляют только серу и ее соединения. Они могут участвовать в окислении серы, образующейся в результате химической реакции между ионами трехвалентного железа и сульфидами меди.

Обнаружены различные термофильные, окисляющие пирит, железо и серу бактерии, которые лучше всего растут при температуре около 50 ⁰С. Эта группа умеренных термофилов включает факультативных гетеротрофов и автотрофов, причем обнаруживаются все новые и новые организмы этого класса. Данные организмы могут играть существенную роль в выщелачивании саморазогревающихся минералов и угольных отвалов. Все упомянутые выщелачивающие бактерии переводят металлы в раствор различными путями. Окислительным процессом, катализируемым бактериями, является окисление железа:

4FeSO₄+O₂+2H₂SO₄→2Fe₂(SO₄)₃+2H₂O

и окисление серы:

S₈+12O₂+8H₂O→8 H₂SO₄

Ряд минералов непосредственно окисляется некоторыми выщелачивающими организмами. Примером может быть окисление пирита:

4FeS₂+15O₂+2H₂O→2Fe₂(SO₄)₃+2H₂SO₄

Проведены многочисленные исследования природы организмов, участвующих в процессах выщелачивания металлов. Результаты этих исследований показывают, в частности, что бактериальное выщелачивание может широко использоваться в горнодобывающей промышленности.

В настоящее время бактериальное выщелачивание, известное также как биогидрометаллургия, или биоэкстрактивная металлургия, применяются в промышленных масштабах для перевода в растворимую форму меди и урана.

Методы, использовавшиеся в XYIII в. для извлечения меди из руд выветрившейся породы, в основном сохранились до наших дней.

Выщелачивание отвалов развивается в США; оно используется для получения меди из бедных руд (содержание <0,4% меди по весу), а также из отвальных материалов с очень низким содержанием меди.

Такие отвальные материалы накапливаются при крупномасштабной открытой разработке руды. Отвалы, образующиеся в результате работы землеройной техники, имеют огромные размеры, достигая в высоту 300 и более метров.

Для начала процесса выщелачивания отвал смачивают водой, подкисленной серной кислотой до рН 1,5-3,0, путем ее распыления, полива или иньекции через трубы, помещенные вертикально внутри породы. Этот кислый раствор, или «выщелачиватель» просачивается сквозь бедную руду или отвальные материалы. Он содержит кислород и углекислый газ и создает благоприятную среду для размножения ацидофильных гиобацилл, широко распространенных в сульфидных рудах. В некоторых случаях содержание Thiobacillus ferrooxidans превышает 10⁶ клеток на 1 кг породы и на 1 мл выщелачивающегося раствора.

Поскольку при выщелачивании отвалов в среде развиваются природные тиобациллы, никакого засева не проводят. Проявлению необходимой активности микроорганизмов способствуют обеспечение кислотности отвала и обилие кислорода.

Из выщелачиваемых отвалов вытекают растворы, содержащие 0,75-2,2 г меди в 1 л. Эти растворы направляют в отстойники; медь из них получают путем осаждения с использованием железа или экстракцией растворителями. В первом случае создают условия, при которых растворы контактируют с железом и протекает следующая реакция:

CuSO₄+Fe⁰↔Cu⁰+FeSO₄

«Отработанные» выщелачивающие растворы вновь поступают в отвал. В последние годы для получения меди из раствора начали применять экстракцию растворителями. Ионы меди из водной фазы экстрагируют органическими жидкостями, только частично растворимыми в воде. Затем медь извлекают из органического растворителя.