Хімія і біотехнологія План
1. Біотехнологічне виробництво розчинників.
2. Виробництво органічних кислот.
3. Виробництво амінокислот.
4. Розділення рацемічних сумішей.
У цій лекції мова йтиме головним чином про принципи, перспективи і технологію одержання хімічної продукції методами біотехнології. Корені сучасної прикладної мікробіології і відповідно біотехнології ідуть у хімічну промисловість з початку ХХ століття: саме тоді були розроблені основи промислового виробництва ряду хімічних речовин, наприклад, ацетону, етилового спирту, бутандіолу, бутанолу та ізопропанолу з вуглеводів рослин. На зміну цій важливій галузі в середині ХХ століття прийшла нафтохімічна промисловість. Однак, зараз запаси викопної сировини стали предметом конкуренції, вона потрібна для виробництва хімічних речовин, енергії і навіть харчових продуктів; усе це збільшує ціни на нафту, газ і вугілля. У таких умовах застосування процесів нового типу при виробництві хімічних речовин з відновлюваної біомаси стає все більш перспективним. Йде переоцінка можливостей використання модернізованих біотехнологічних процесів, по суті розроблених вже давно. У цьому напрямі вже зроблені перші кроки. Так, гліцерол одержують з водоростей; активно ведеться робота з вивчення можливості використання лігніну деревини. З технічної точки зору це складна проблема: вирішення її відкриє новий шлях одержання багатьох цінних ароматичних сполук. Крім нових способів одержання хімічних речовин з біомаси, біотехнологія дає нам також більш ефективні і продуктивні каталізатори. Вони можуть використовуватися двояким шляхом. По-перше, специфічність дії ферментів може застосовуватися при каталізі in vivo чи in vitro простих, але технічно складних перетворень. Прикладом є гідроксилювання стероїдів при синтезі лікарських речовин. По-друге, можна здійснювати повний біосинтез складних і дорогих хімічних продуктів із простих складових частин, наприклад, утворення антибіотиків у процесі вторинного метаболізму грибів. У табл. 1 приведені різні варіанти використання біокаталітичної активності ферментів. Багатообіцяючою галуззю подальшого розвитку є виробництво цінних речовин з рослин, серед яких терпени (ароматичні речовини) і алкалоїди, шляхом культивування клітин рослин.
1. Бродильне виробництво розчинників
До числа важливих бродильних виробництв (крім гліцерину і етанолу) належить одержання ацетону і бутанолу. Вперше у промисловому масштабі вони були здійснені в Манчестері Вейсманом у ході першої світової війни. Ацетон був необхідний для виробництва кордиту, у важкій артилерії. До початку воєнних дій ацетон низької якості одержували шляхом сухої перегонки деревини, але для згаданих цілей потрібний був високоякісний розчинник.
Таблиця 1. Біотехнологія і хімічна промисловість
|
Біокаталіз на стадії росту клітин Нерегульований. Зміна середовища з метою модифікації метаболізму. Одержання мутантів, здатних до надпродукції проміжних продуктів метаболізму. Індукція визначених ферментативних процесів. Інгібована ферментація. Спрямований синтез з попередників в обхід метаболічного контролю |
Білок одноклітинних організмів. Органічні кислоти, амінокислоти
Амінокислоти Антибіотики Антибіотики, амінокислоти |
|
Біокаталіз по завершенні росту продуцента Одностадійні перетворення, що дозволяють обійтися без очищення ферменту чи вживання заходів по збереженню його стабільності. Багатостадійні процеси ферментативної конверсії |
Ізомеризація глюкози, одержання глюконату, трансформація стероїдів Трансформація стероїдів
|
|
Біокаталіз in vitro Використання очищеного ферменту для одностадійної конверсії якого-небудь природного субстрату Одностадійне утворення хімічних проміжних продуктів з неприродних субстратів з використанням очищених ферментів із широким спектром дії Багатостадійні напівсинтетичні метаболічні процеси |
Глюкозоізомераза, амінокислоти
Одержання гідрохінону за участю глюкозооксидази |
|
Хімічний каталіз на основі біологічних принципів. Створення хімічних аналогів ферментативних процесів Одержання хімічних каталізаторів з біологічною специфічністю (утворення «біоорганічних комплексів») |
|
Бродильний процес (ферментація) був заснований на переробці крохмалю, концентрація якого складала до 3,8%, анаеробними спороутворюючими бактеріями Clostridium acetobutylicum. Перетворенню піддавалося до 30% субстрату, у результаті чого одержували суміш розчинників (60% бутанолу, 30% ацетону, 5–10% етанолу, ізопропанол та ін). Інша частина субстрату в ході процесу, представленого на мал. 1, перетворювалася у водень і вуглекислий газ. Оскільки утворювалося багато газів, при великомасштабному виробництві перемішування не потрібно, а головна складність – це гасіння піни. Залежно від штамів, співвідношення продуктів: ацетон - спирт трохи варіювало. Багато мікроорганізмів, які гідролізують крохмаль і здатні утворювати розчинники, можуть також зброджувати мелясу при вмісті цукру в середовищі до 6%. Фактором, що визначає кількість використаного субстрату, виявилася чутливість організмів, що беруть участь у процесі, до бутанолу (близько 1,2%,) і ацетону (0,4%). Зараження бродильних сумішей аеробними бактеріями не відбувалося, а головною проблемою була інфекція бактеріофагами. Згодом з'ясувалося, що мікроорганізми, які беруть участь у процесі, можна імунізувати тепловим шоком і шляхом декількох пересівів у присутності бактеріофага. Розчинники відокремлювали від середовища перегонкою.
Наприкінці першої світової війни головну роль стало відігравати виробництво бутанолу: він знайшов застосування при одержанні широкого кола речовин, включаючи пластмаси, пластифікатори і гальмову рідину. Побічний продукт, водень, став використовуватися у виробництві синтетичного метанолу і для гідрогенізації харчових олій; вуглекислий газ або скраплювали, або перетворювали в сухий лід. Тверді речовини відходів містили велику кількість рибофлавіну (вітаміну В2), і їх можна було використовувати як багату білком добавку до кормів.
Після другої світової війни бродильне виробництво цих розчинників, скоротилося, тому що відносна вартість нафтохімічних продуктів у порівнянні з попередніми була нижчою. Виробництво бутанолу шляхом ферментації продовжувалося лише в ПАР. Однак у даний час одержання бутанолу за допомогою ферментації стає усе більш вигідним, і може бути, що методами генетичної інженерії створяться мікроорганізми-продуценти, здатні витримувати високий вміст спиртів у середовищі, застосування їх буде доцільнішим. Головний недолік існуючих штамів – низька стійкість до кінцевих продуктів і відносно низький вихід розчинників.