39. Прямая микробиол трансформации целлюлозосод-х субстратов с целью получэтил спирта

В связи с ограниченностью запасов ископаемого топлива в последние десятилетия во многих странах значит-но возрос интерес к получению этанола из растительной биомассы с помощью м.о.

В ряде стран оказались успешными попытки применения этанола в качестве добавок в горючее для автомашин (10 – 25 % этанола в горючем) или практически на чистом этаноле 95 %. В 1979 г. в США более 1000 станций обслуживания заправляли автомашины смесью, содержащей до 10 % спирта (газохол). Дефицит нефти, охрана окружающей среды – тенденция к усиливанию применения этанола.

Помимо использования этанола в качестве горючего, перспективно его использование в микробиологической промышленности для получения белка, аминокислот, органических кислот.

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 изуч состава целлюлазного комплекса Clostrridium thermocellum показано, что внеклеточ целлюлазный комплекс сост 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 соответственно 50, 55 и 600С.

Практический интерес представляет также получение из целлюлозы органических кислот (уксусной, масленой и др.) и растворителей. Изучена, например, способность к росту и ферментации целлюлозы (ватман) чистых культур Clostrridium thermocellum и Asetogenium kivui, а также ассоциации, составленной из этих м.о. Ацетообразующие термофильные анаэробные бактерии Asetogenium kivui сбраживают глюкозу и фруктозу, но не целлюлозу и целлобиозу. При рН 7,4 Clostrridium thermocellum полностью сбраживают целлюлозу за два дня инкубации с образованием этанола и ацетата.

При совместном культивировании двух культур (рН 6,8) основным конечным продуктом является этанол. Культура не накапливает в среде сахара. Это стабильный ассоциат, превращающий 1 М целлюлоы в 2,7 М ецетата.

Среди м.о., разрушающих целлюлозу с образованием уксусной кислоты вызывает Acetivibrio cellulolyticum, выделенный из ила сточных вод (при рН 6,5 – 7,7, температуре 20 – 40 0С диапазон жизнедеятельности. При оптимальной температуре 35 0С и рН 7,0 этот м.о. утилизирует целлюлозу и целлобиозу с образованием уксусной кислоты, водорода и углекислого газа.

В связи с образованием в США большого количества стоков при переработке древесины, которые содержат сахара, сделана попытка выделить культуры, превращающие сахара в нейтральные растворители (гл. образом бутанол, ацетон, пропанол, этанол). Выделено 240 штаммов, образующих бутанол, 29 из них образуют более 3% растворителй.

Образование бутанола из целлюлозных материалов возможно при последовательном культивировании Clostrridium thermocellum и Clostrridium acetobutylicum.

Анализ получения этанола из целлюлозосодержащих субстратов, крахмала и сахарных сиропов показывает, что использование термофильных бактерий в процессе получения этанола имеет следующие преимущества:

-термофильные культуры меньше подвержены вытеснению, их ферменты термостабильны;

-не требуется жесткая стерилизация среды и оборудования, кроме того снижаются затраты на охлаждение;

-при 50 – 600С осуществляется самопроизвольная отгонка этанола, следовательно снимается проблема ингибирования процесса его образования;

-применение термофильных бактериальных культур позволит снизить себестоимость этанола на 25% по сравнению с существующей.

По оценке экспертов наиболее целесообразно использование для получения этанола ЛЦ-материалов и отходов с/х и лесного хозяйства.

Трудности – процессы делигнификации и осахаривания (при поэтапной, т.е не прямой конверсии) предшествующие получению этанола и органических кислот пока малоэффективны, поэтому широкомасштабное получение этих продуктов пока экономически не выгодно. В связи с этим проблема делигнификации целлюлозосодержащих растительных материалов является очень актуальной.