1 Субстраты для культивирования биообъектов.

2 Сырьевые материалы и перспективы биотехнологии.

Главным направлением биотехнологии является интенсификация

производственных процессов, что достигается внедрением новых

высокопродуктивных биологических объектов, подбором

подходящего сырья для выращивания продуцента, разработкой

наилучшей конструкции биореактора, а также усовершенствованием

способов выделения и очистки целевого продукта.

1 Субстраты для культивирования биообъектов. Питательные среды для выращивания объектов биотехнологии,

178

т.е. продуцентов тех или иных соединений, могут быть

неопределенного состава и включать различные биогенные добавки

(растительные, животные или микробные) - мясной экстракт,

кукурузную муку, морские водоросли и т. п. Применяются также

среды из чистых химических соединений определенного состава, так

называемые синтетические.

Компонентный состав сред определяется питательными

потребностями продуцента. Во многих процессах используют в

качестве объектов гетеротрофные организмы, которые в настоящее

время подразделяются на: органоавтотрофы (употребляющие

органические вещества как источники энергии), литогетеротрофы

(использующие органические вещества как источники углерода) и

органогетеротрофы (для которых органические вещества служат и

источниками энергии, и источниками углерода).

Для приготовления питательных сред в биотехнологии

используются разнообразные субстраты, которые должны

удовлетворять определенным критериям. Субстрат представляет

собой сырье для получения целевого продукта и должен быть

недефицитным, дешевым, по возможности легкодоступным.

Достаточно хорошо утилизируемым источником углерода для

биотехнологических целей является растительная биомасса и, в

меньшей степени, биомасса животных организмов. На основе этих

источников основано давно существующее производство алкоголя из

зерна и сыра из молока. Растительные источники могут

рассматриваться как практически неистощимые. Наибольшая доля

биомассы образуется в виде древесины. Продукция сельского

хозяйства составляет лишь 6 % первичной продукции за счет

фотосинтеза, хотя именно из этого количества получается основная

часть пищи для людей и животных, а также многие необходимые

материалы (например, для текстильной и бумажной

промышленности).

Биомасса сельского и лесного хозяйства в настоящее время

является значительным экономическим потенциалом во многих

странах, в первую очередь в тропических и субтропических регионах.

Природные сырьевые материалы. Источником природного

сырья являются сельское хозяйство и отрасли лесоводства.

Получаемые в этих отраслях материалы представляют собой

соединения различной химической сложности и включают сахара,

крахмал, целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин.

Наиболее подходящим и доступным питательным субстратом для

биотехнологических процессов является сырье, используемое в

179

производстве сахара - сахарная свекла и сахарный тростник. Однако в

настоящее время в мире традиционное использование сахара

постепенно снижается, и он заменяется более эффективными

подсластителями. Уже сейчас сахарный тростник используется в

качестве субстрата для бразильской "топливной" программы

(производство этанола как горючего для двигателей внутреннего

сгорания). Бразильский пример быстро убеждает многие другие

страны в перспективности такой новой технологии.

Существенную значимость представляют крахмалосодержащие

сельскохозяйственные продукты, включающие различные злаки,

такие как кукуруза, рис, пшеница, картофель, различные корнеплоды,

сладкий картофель и маниока.

Половину высушенной растительной массы как

сельскохозяйственного, так и "лесного" происхождения составляет

один из самых распространенных биополимеров - полисахарид

целлюлоза, являющийся ценным источником энергии и углерода.

Чистая целлюлоза может быть довольно легко разрушена путем

химического или ферментативного гидролиза до растворимых

сахаров, которые затем легко подвергаются ферментации

(сбраживанию) микроорганизмами с образованием этанола, бутанола,

ацетона, одноклеточного белка, метана и многих других продуктов. В

этом плане значительные успехи достигнуты в США, Швеции,

Британии.

Наибольшие трудности встречаются при попытках утилизации

древесины, в которой целлюлоза находится в комплексе с

гемицеллюлозой и лигнином. Лигноцеллюлозные комплексы

характеризуются очень высокой степенью устойчивости к

биодеградации.

Использование побочных продуктов в качестве сырья для

биотехнологии. Одной из главных задач биотехнологии является

максимальное использование огромных объемов органических

отходов, повсеместно образующихся в мировом производстве.

Биотехнологическая утилизация этих отходов, во-первых, обеспечит

удаление источников загрязнения (например, сточных вод), а во-

вторых, обусловит превращение этих отходов в полезные целевые

продукты. Так, многие побочные материалы пищевой

промышленности оказываются экономически малозначащими и часто

выбрасываются в магистральные водные системы, обусловливая

мощное загрязнение внешней среды. В связи с этим, весьма

перспективной может быть разработка технологии их утилизации в

качестве биотехнологического сырья, с извлечением двойной выгоды.

180

Широко распространенными видами отходов, которые нашли уже

сейчас применение в биотехнологических процессах в качестве сырья

для ферментации, являются меласса (черная патока) и молочная сы-

воротка. Меласса представляет собой побочный продукт,

появляющийся при производстве сахара, и содержит до 50 % сахаров.

Меласса широко используется как питательный субстрат для

ферментационных процессов в производстве антибиотиков,

органических кислот и коммерческих дрожжей для хлебопечения;

помимо этого, она используется в чистом виде в качестве добавки в

корма животным. Сыворотка, получаемая при производстве сыра,

также может быть использована в качестве питательного субстрата

для ферментации.

Более сложные продукты отходов, такие, как солома и жом

(отход сахарного производства), также имеющиеся в больших

количествах и во многих местах, по мере улучшения процессов

расщепления лигноцеллюлозных соединений все больше находят

применение в биотехнологических производствах.

Химические и нефтехимические субстраты. С развитием

биотехнологических процессов в коммерческих масштабах для

производства одноклеточного белка, а также ряда других

органических продуктов многие питательные вещества химического и

нефтехимического происхождения приобретают важную роль в каче-

стве питательных субстратов для ферментации. Преимущество таких

субстратов состоит в том, что их можно получать в различных

странах мира. Например, метанол и этанол. Наилучшим субстратом

из компонентов нефти являются н-алканы с числом углеродных

атомов от 10 до 20. Их могут утилизировать большинство бактерий и

дрожжи. Однако и нефть, и газ также истощаются. Поэтому

биотехнологии ориентируются на возобновляемые источники сырья.

Большое внимание уделяется различным видам растительной массы:

плоды, соки, клубни, травяная масса и упоминавшаяся выше

древесина. Используются также отходы сельского хозяйства,

деревообрабатывающей и бумажной промышленности, а также

многих отраслей пищевой промышленности. Возможность

использования перечисленных сырьевых материалов является ос-

новой создания безотходных производств.