39. Прямая микробиологическая трансформация целлюлозосодержащих материалов в этанол.

В связи с ограниченностью запасов ископаемого топлива в последние десятилетия во многих странах значительно возрос интерес к получению этанола из раст-ой биомассы с помощью м.о.Биоконверсия раст-ой массы в этанол энергетически более выгодна, чем ее конверсия в микробную биомассу (белок). Дефицит нефти, охрана окружающей среды – тенденция к усиливанию применения этанола.Помимо использования этанола в качестве горючего, перспективно его использование в микробиологической промыш-ти для получения белка, аминокислот, органических кислот.В качестве субстрата для произ-ва этанола м-ом анаэробной фер-ции м. б. исп-на любая с/х кул-ра (или отходы с/х) с высоким сод-ем крахмала или сахаров или Цсод-ие мат-лы (древесина, солома, бумага, отходы лесозаготовительной промышленности) и навоз.Некоторые м.о. способны расщеплять орг-ие сое-ия, в частности сахара, в отсутствие кислорода с образованием в качестве побочного продукта этанола.М.о., ответственные за образование этанола являются факультативными, т.е. они могут расти в присутствии кислорода или без него.Если при фер-ции поступает достаточно большое количество воздуха, то более эфф-ым становится аэробный процесс (цикл Кребса) и пр-во этанола прекращается. Некоторые м.о. расщепляют крахмал на сахара – мальтозу и глюкозу, которые затем могут быть превращены а этанол. Однако используемая в большинстве ферментационных процессов дрожжевая культура Saccharomyces не способна превращать крахмал в ферментирующиеся сахара. Поэтому крахмал перед ферментацией в этанол подвергают гид-зу, в рез-те которого образуется мальтоза и глюкоза. Т.е. в большинстве случаев пр-ва этанола из крахмала кукурузы, картофеля и т.п. требуется предварительная подготовка сырья.При получении целлюлозы из древесины и с/х отходов требуется предварительная обработка. При ферментации целлюлоза предварительно гидролизуется до целлобиозы, а затем подвергается дальнейшему расщеплению до глюкозы.Целлюлоза ферментативно расщепляется в два этапа: вначале она превращается в целлобиозу, а затем в глюкозу.Крахмал в ходе предварительной обработки гидролизуется в ферментирующийся субстрат – глюкозу и мальтозу (которая являясь димером гюкозы расщепляется на две молекулы глюкозы).Дрожжам свойственны два пути обмена – гликолиз и гексозомонофосфатный шунт; бактерии используют все три типа обмена.Возможен ряд типов ферментации (анаэробного брожения) пировиноградной кислоты

Анаэробное брожение пировиноградной кислоты

Тип ферментации	Конечные продукты	Микрорганизмы
Этанольный	Этанол, диоксид углерода	Дрожжи
Смешанокислый	Молочная кислота, муравьиная кислота, уксусная кислота, диоксид углерода, водород, этанол	Clostrridium и многие кишечные бактерии
Бутандиольный	Как при смешаннокислой ферментации плюс 2,3-бутандиол	Bacillus и др. бактерии
Бутано-ацетоновый	Уксусная кислота, масляная кислота, этанол, ацетон, изопропанол, диоксид углерода, водород	Clostrridium
Гомомолочнокислый	Молочная кислота	Lactobacillus, Streptococcus

Наиб эфф-ый способ производства этанола – дрожжевая ферментация. При брожении с образованием смеси кислот (Clostrridium) пировиноградная кислота превращается в молочную, муравьиную, уксусную кислоты, диоксид углерода, водород и этанол.

При бутандиоловом брожении (Bacillus) получают этанол и четыре других основных органических продукта, а при бутанол-ацетоновом брожении пировиноградная кислота превращается в пять основных конечных продуктов.

При гомомолочнокислом брожении этанол не образуется, т.к. на моль глюкозы приходится только два моля молочной кислоты. Однако мы рассматриваем этот процесс при этанольном брожении потому, что культура с таким типом метаболизма (например, Lactobacillus) загрязняет ферментирующую среду, в результате чего может резко снизиться выход этанола.

За рубежом реализованы различные способы получения спирта ферментацией целлюлозы путем поэтапного осахаривания целлюлазой Trichoderma viride, затем спиртового брожения и выращивания кормовых дрожжей на отходах. Полученный на первом этапе раствор глюкозы сбраживают до спирта используя дрожжи рода Saccharomyces или микроскопические грибы Rhizopus.

По расчетам стоимость глюкозы для рентабельного производства из нее этанола не должна превышать 8 центов за 1 кг. Себестоимость глюкозы, получаемой ферментативным путем, составляет пока 20 – 50 центов за 1 кг.

При сравнеии экономических показателей различных способов производства этанола на основе целлюлозосодержащих материалов, кукурузного зерна и этилена, полученного синтетическим путем, выявлено, что спирт из целлюлозы м.б. конкурентноспособным на рынке, т.к. его себестоимость равна 18,5 цента за 1 л, коммерческая стоимость – 38 ц/л, а текущая цена за спирт на мировом рынке в 1983 г. составляла 44 ц/л. при этом чистая прибыль при продаже этанола из целлюлозы в 2 раза выше, чем при продаже синтетического этанола и в 1,5 раза выше, чем этанола из зерна.

Особое внимание привлекает способ прямой микробиологической трансформации целлюлосодержащих субстратов в этанол, органические кислоты и др. ценные продукты без предварительного химического или ферментативногогидролиза.Выделены термофильные (60 – 65 ⁰С без доступа воздуха) бактерии, энергично разлагающие целлюлозу и утилизирующие углеводы с образованием этанола, уксусной и молочной кислот, углекислоты, водорода. Наибольшей способностью к деградации целлюлозы и продуцированию этанола обладает термофильный штамм Clostrridium thermocellum. При изучении состава целлюлазного комплекса Clostrridium thermocellum показано, что внеклеточный целлюлазный комплекс состоит из эндоглюканазы, экзоглюканазы и экзоглюкозидазы. От 80 до 90 % активности целлобиазы, целлобиофосфорилазы и целлодекстинфосфорилазы связано с клеткой.Бактерии Clostrridium thermocellum способны конвертировать целлюлозу в этанол в одностадийном процессе. Однако в отличие от дрожжей они сильно ингибируются сравнительно низкими (5 г/л) концентрациями этанола. Получен штамм Clostrridium thermocellum S-4, устойчивый к 40 г/л этанола. Выход этанола при периодическом режиме культивирования возрастает с увеличением температуры и составляет 0,08; 0,12 и 0,20 г/г целлюлозы при температурах ферментации соот-но 50, 55 и 60 ⁰С.Анализ пол-ия этанола из целлюлозосод-их субстратов, крахмала и сахарных сиропов пок-ет, что исп-ние термофильных бактерий в пр-се получения этанола им след преим-ва:-термофильные к-ры меньше подвержены вытеснению, их ферменты термостабильны;-не требуется жесткая стерил-ия среды и обор-ия, кроме того ↓ затраты на охл-ие;-при 50 – 60 ⁰С осущ самопроизвольная отгонка этанола→снимается проблема ингибирования пр-са его обр-ния;-прим-ние термофильных бактериальных к-р позволит ↓ с/с этанола на 25 % по сравнению с сущ-щей.Наиб целесообразно исп-ие для получения этанола ЛЦ-материалов и отходов с/х и лесного хозяйства.Трудности – пр-сы делигнификации и осахаривания пока малоэффективны.