12.2 Биотехнология преобразования солнечной энергии. Фотопроизводство
водорода.
Клеточные мембраны некоторых галобактерий также рассматриваются как альтернативные источники получения энергии. Были получены фотогальванические элементы на основе бактериородопсина, генерировавшие электрический ток. Кроме того, отличным экологически чистым и возобновляемым источником энергии является фотоводород, который получают с использованием мембран хлоропластов.
Фотоводород — условное название водорода, произведённого при помощи искусственного или естественного освещения (фотодиссоциация). Примером может служить водород, полученный в зелёных частях растений (для синтеза углеводов), путём разделения молекул воды (побочным продуктом является кислород, выбрасываемый в воздух и используемый нами для дыхания). Фотоводород также может быть получен в процессе фотодиссоциации воды под воздействием ультрафиолета.
Получение фотогальванических элементов с использованием бактериальных мембран
Другой механизм превращения энергии существует у галофильных бактерий.Halobacterium halobium используют энергию света, поглощаемую пурпурным пигментом бактериородопсином, находящимся в мембране клеток. С его помощью бактерии улавливают энергию Солнца. Поглощение света вызывает химические и физические превращения в молекуле пигмента, приводящие к переносу протонов с одной стороны мембраны на другую, при этом создаётся электрохимический градиент. Разность потенциалов может быть использована для генерирования электрического тока.
Бактериородопсин несложно выделить из бактерий. Для этого бактерии помещают в воду, где они переполняются водой и лопаются. Мембраны, содержащие бактериородопсин, не разрушаются в воде из-за прочной упаковки молекул пигмента, которые образуют белковые кристаллы – так называемые фиолетовые бляшки. В них молекулы бактериородопсина объединены в триады, а триады – в правильные шестиугольники. Бляшки крупные, легко отделяются центрифугированием. После промывания осадка получается паста фиолетового цвета. На 75% она состоит из бактериородопсина и на 25% из фосфолипидов, заполняющих промежутки между белковыми молекулами.
Бактериородопсин устойчив к факторам внешней среды: не утрачивает активность при нагревании до 100оС, хранится в холодильнике годами, устойчив к кислотам и химическим окисляющим агентам. Устойчивы и фосфолипиды фиолетовых бляшек.
H.halobium можно культивировать в водоемах с высокой концентрацией хлористого натрия и других минеральных солей. Бактериородопсин осаждают с помощью катионов кальция или другим способом. Пигмент можно фиксировать на подложках, обладающих физическими и химическими свойствами для транспорта протонов, и создавать на их основе системы, генерирующие электрический ток. При освещении таких систем на мембране обнаруживается электрический потенцииал, то есть бактериородопсин функционирует как генератор электрического тока.
13.1 Получение экологически чистой энергии. Производство этанола
Человечество потребляет для своих нужд громадное количество энергии, и потребности в ней пока увеличиваются вдвое каждые 25 лет. За девяносто лет, прошедших с начала прошлого века, энергопотребление выросло более чем в12 раз.
Современная наука пытается перевести мировую энергетику на экологически чистые источники энергии. Существуют различные способы осуществления этой идеи – в первую очередь это увеличение эффективности действующих установок, улучшение их технических и экологических характеристик. Второй путь – освоение нетрадиционных источников на основе последних физических открытий в области свойств материи. Это требует, прежде всего, разработки теорий, касающихся неисследованных, пока еще загадочных явлений. У природы есть еще не мало подобных явлений, что дает современной науке множество направлений для поиска решения энергетической проблемы. Эфиродинамика и акустический термоядерный синтез – одни из направлений в поисках экологически чистой энергии. Атмосферные вихри - смерчи и циклоны – это природные машины по переработке потенциальной энергии атмосферы в кинетическую энергию вихрей, поэтому естественно желание человека использовать эту громадную энергию для своих целей. Шаровая молния имеет множество необъяснимых свойств, если в будущем будет разгадана ее природа, это также даст возможность синтезировать энергию.
В основе биотехнологического получения этилового спирта, кормовых и пищевых дрожжей, пивоварения и виноделия лежит процесс брожения - один из разновидностей биологического окисления субстрата у гетеротрофных микроорганизмов. Биотехнологические бродильные процессы изучены сравнительно давно. Однако некоторые процессы брожения реализованы на практике только сейчас. В основе брожения лежит универсальная реакция превращения источника углерода глюкозы в ключевой промежуточный продукт-пировиноградную кислоту, из которой синтезируются дальнейшие продукты, включая этиловый спирт. Возбудителями спиртового брожения могут быть дрожжи - сахаромицеты, некоторые мицелиальные грибы (Aspergillus oryzae) и бактерии (Erwinia amylovora, Sarcinaventricula, Zymomonas mobilis, Z. anaerobia). По расходу сырья производство этилового спирта самое крупное биотехнологическое производство в мире. Однако по стоимости валового продукта этанол занимает третье место среди крупнотоннажной продукции. Как известно, этанол широко используется в химической, фармакологической и пищевой промышленности. Кроме того, он может стать источником энергетических ресурсов.
В качестве сырья для производства этанола в различных странах используют национальные доступные растительные источники: зерновые, картофель и свекловичная масса - в России, Украине, Беларуси; сахарозу и тростниковую мелассу - в США; рис - в Японии и т.д.
Рис.1. Annapатурно-технологическая схема получения этанола из мелассы:
1 - рассиротшики, 2-4 --- аппараты чистой культуры, 5 - стерилизатор, 6 - дрожже-генератор, 7 - насос, 8 -- бродильный аппарат, 9 -- головной бродильный аппарат
Существует много технологических вариантов реализации процесса спиртового брожения. На рис. 1 представлена схема двухпоточного способа сбраживания мелассы. Данная схема предусматривает приготовление отдельных сред для получения дрожжей (концентрация СВ 8-12%) и для сбраживания (32- 36% СВ); соотношение этих сред (1 Ч- 1,2):1. В дрожжегенераторах применяют аэрацию 3-4 м3/(м3-ч), поддерживают температуру 28-30 ?С и рН 4,2-4,5. Концентрация этанола в дрожжегенераторах достигает 2,8-3,5 % об., дрожжей - 2,5- 6,5 % СВ. Выращенные дрожжи из дрожжегенераторов по верхним линиям отбора направляют в головной бродильный аппарат, куда одновременно поступает среда с концентрацией СВ 32- 36 %. После заполнения головного аппарата культуральная жидкость последовательно проходит бродильные аппараты и из последнего поступает на перегонку. Температура брожения 29- 31 ?С. Концентрация СВ в первом бродильном аппарате 7,5- 8,5%, во втором - 8,0-9,0%, в третьем - 9,0-9,5% и в последнем - 5,0-6,5 %. Система работает без возобновления дрожжей 7-10 сут и обеспечивает получение 66,5 дал спирта из 1 т условного крахмала. Перед перегонкой из бражки выделяют хлебопекарные дрожжи, а на барде выращивают кормовые дрожжи. Важным вопросом в крупнотоннажном производстве этанола, является выбор сырья. Во внимание принимают главным образом экономические аспекты - доля затрат на сырье в общей себестоимости. Существенное значение имеет количество этанола, которое получают из растительного сырья, выращенного на 1 га. В настоящее время значительный интерес для производства этанола представляют аэротолерантные бактерии Zymomonas mobilis. В отличие от дрожжей эти бактерии характеризуются отсутствием катаболитной репрессии и низкой чувствительностью к этанолу. Кроме того, удельная скорость потребления глюкозы и образования этанола у них в 2-3 раза выше (Q глюк= 3,75; Qэт. = 1,87 г/(г-ч). Zymomonas mobilis утилизируют глюкозу, фруктозу, а некоторые штаммы также сахарозу, причем катаболизм глюкозы идет по пути Энтнер - Дудорова (рис. 2). В сахарозных средах изолированный штамм продуцирует также фруктозный полисахарид леван, сорбитол и глюконовую кислоту. Штаммы, дефицитные по фруктокиназе, сбраживают глюкозу до эталона, при этом в среде накапливается фруктоза, что позволяет получить из сахарозы этанол и фруктозу.