Бактерии широко используются для производства белка ферментов витаминов лекарств

Группа компаний «Униконс»

Продвижение и реализация пищевых добавок, антисептиков и другой продукции НПО Альтернатива.

«Антисептики Септоцил»

Септоцил. Бытовая химия

Септоцил — ваш выбор в борьбе за чистоту

«Петритест»

Микробиологические экспресс-тесты. Первые результаты уже через 4 часа.

ГЛАВА 8. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ В ПИЩЕВОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ

До недавнего времени микроорганизмы использовались в пищевой промышленности только в традиционных технологиях – хлебопечении, пивоварении, виноделии. Современная пищевая биотехнология использует микроорганизмы для создания более эффективных продуктов, в том числе генно-модифицированных изделий, а также с продуктивными генетическими штаммами, созданными для конкретных нужд. Внедрение новых методов в технологии получения и использования микроорганизмов позволит создавать новые пищевые и технологические добавки, биологически активные вещества и функциональные ингредиенты, рационально использовать природные биомассы, организовывать экологически чистые процессы и производства.

Известны три области практического использования микроорганизмов:

медицинская микробиология («красная» биотехнология), изучающая болезнетворные микроорганизмы и разрабатывающая методы борьбы с ними; она включает бактериологию, микологию, протозоологию, вирусологию и другие разделы;
промышленная биотехнология («белая» биотехнология), объектами которой являются микроорганизмы, используемые в промышленности для синтеза витаминов, антибиотиков, гормонов, органических кислот, спиртов, альдегидов и других продуктов, важных для человека;
сельскохозяйственная микробиология («зеленая» биотехнология), изучающая участие микроорганизмов в почвенных процессах, уничтожении вредителей и других сельскохозяйственных целях.

В настоящее время существуют следующие основные типы биопродуктов, получаемые методами микробной биотехнологии:

биомассы (например, белок одноклеточных микроорганизмов);
клеточные компоненты (ферменты, нуклеиновые кислоты и т.д.);
первичные метаболиты (химические продукты метаболической активности, такие как этанол, молочная кислота);
вторичные метаболиты (идиолиты – низкомолекулярные биологически активные вещества);
продукты односубстратных конверсий (фруктоза, полученная из глюкозы);
продукты многосубстратных конверсий (обработка сточных вод, утилизация лигноцеллюлозных отходов, выхлопных газов, нефтепродуктов).

ПРОИЗВОДСТВО БИОМАССЫ

Белки и жиры микроорганизмов с успехом могут заменить белки и жиры традиционных пищевых продуктов. Преимущества микроорганизмов как продуцентов белка состоит в высоком содержании белка в биомассе, а также высокой скорости роста микроорганизмов. Термин «белок одноклеточных» (БОК) был предложен в 1966 г. для обозначения биомассы различных микроорганизмов (бактерий, дрожжей, грибов и водорослей). Кроме высокого содержания белка, микробная биомасса содержит также жиры, нуклеиновые кислоты, витамины и минеральные компоненты. Для получения БОК используют разнообразные субстраты, включая парафины нефти, метан, водород, метанол, этанол, уксусную кислоту, углекислый газ, молочную сыворотку, мелассу, крахмал и целлюлозосодержащие отходы промышленности и сельского хозяйства.

Для промышленного использования перспективными являются термофильные микроорганизмы, выдерживающие высокие температуры (до 50°С). Качество биомассы оценивается по содержанию белка (чем выше, тем лучше), нуклеиновых кислот (желательно меньше) и отсутствию вредных веществ.

Как пример промышленного производства биомассы можно привести получение хлебопекарных дрожжей. В производстве хлебопекарных дрожжей используют специально отобранные расы Saccharomyces cerevisiae. При отборе культуры принимают во внимание способность дрожжей сбраживать тесто, они должны обладать хорошей подъемной силой и ферментативной активностью, хорошо расти на мелассной среде в условиях глубинной ферментации и давать высокий выход биомассы. Клетки дрожжей должны легко отделяться от культуральной жидкости сепарированием или фильтрацией и хорошо сохраняться в прессованном виде. Подъемную силу дрожжей выражают в минутах, в течение которых определенное количество дрожжей, развиваясь в определенном количестве теста, увеличивает его объем на предусмотренную стандартом величину. Для хороших дрожжей подъемная сила не должна превышать 75 мин.

Хлебопекарные дрожжи обладают и бродильной активностью, но чтобы направить использование углеводов субстрата только на образование биомассы, спиртовое брожение ограничивают всеми доступными средствами. Это достигается интенсивной аэрацией среды, а также поддержанием низкой концентрации сахара в ней (0,5-1,5 %). При высокой концентрации сахаров наблюдается катаболитная репрессия ферментов цикла Кребса и переключение энергетического метаболизма преимущественно на брожение. Чтобы избежать этого, сахар в среду подают непрерывно с постоянной или возрастающей скоростью притока. Чтобы предотвратить чрезмерное размножение побочной микрофлоры, особенно так называемых диких дрожжей, удельная скорость роста которых выше, чем у хлебопекарных дрожжей, процесс ферментации обычно ведут по периодической схеме в течение 10-20 ч.

Товарные дрожжи обычно получают в три этапа. Сначала размножают первый посевной материал (задаточные дрожжи), затем вторые задаточные дрожжи и из них получают товарные дрожжи. Получение первых задаточных дрожжей идет без притока среды; длительность процесса 6-7 ч. На втором этапе стремятся полностью исключить спиртовое брожение, поэтому дрожжи выращивают в условиях очень интенсивной аэрации, лимитируя концентрацию сахара в среде, по проточному методу культивирования. Чаще всего длительность этого этапа 10-12 ч. Последний этап производства товарных дрожжей длится 10-24 ч. Биомассу дрожжей отделяют от культуральной жидкости, используя сепарирование, в три этапа, при двукратной промывке суспензии клеток водой для удаления остатков среды, бактерий и примесей. Получают концентрат дрожжей, содержащий 80-120 г/л сухой биомассы. Его охлаждают до 8-10 °С, фильтруют на вакуум-фильтрах или фильтр-прессах и получают дрожжевую пасту с 70-75%-ной влажностью. После кондиционирования пасты водой до стандартной (75 %) влажности дрожжи фасуют в плитки массой 50,100,500,1000 г и упаковывают. Хранят прессованные дрожжи при температуре 0-4 °С до 10 суток. Хлебопекарные дрожжи можно высушивать при температуре 30-40 °С до влажности 8 % и хранить до 6 месяцев.

Кормовые дрожжи получают с помощью культуры Candida и Trichosporon. Выбирая культуру, надо следить, чтобы скорость ее роста в соответствующей среде была максимальной, в состав биомассы входило бы много белков, витаминов, чтобы культура в определенных условиях была вирулентной (могла конкурировать с сопутствующей микрофлорой).

Кормовые дрожжи получают из доступных и дешевых видов сырья, содержащих углерод:

углеводсодержащее сырье (гидролизаты древесных и сельскохозяйственных отходов, меласса, сульфитный щелок целлюлозной промышленности);
природные и синтетические субстраты, содержащие органические кислоты, спирты и другие окисленные соединения углерода (отходы спиртовой промышленности – барда, отходы производства синтетических моющих веществ и др.);
углеводороды (нефть, парафины, природные газы).

При производстве кормового белка не требуется получение жизнеспособной микробной массы, поэтому требования при выделении клеток более просты.

Живая биомасса молочнокислых бактерий широко используется в молочной промышленности, в мясной отрасли, в сельском хозяйстве и в ветеринарии. Такая биомасса называется молочнокислой закваской и отличается по видам штаммов и их композиционному составу.

Живые клетки микроорганизмов используются для получения бактериальных удобрений, микробных инсектицидов.

ПРОИЗВОДСТВО КЛЕТОЧНЫХ КОМПОНЕНТОВ (ФЕРМЕНТОВ)

Получение ферментов с помощью микроорганизмов сегодня является ферментации и давать высокий выход биомассы. Клетки дрожжей должны легко отделяться от культуральной жидкости сепарированием или фильтрацией и хорошо сохраняться в прессованном виде. Подъемную силу дрожжей выражают в минутах, в течение которых определенное количество дрожжей, развиваясь в определенном количестве теста, увеличивает его объем на предусмотренную стандартом величину. Для хороших дрожжей подъемная сила не должна превышать 75 мин.

Кормовые дрожжи получают из доступных и дешевых видов сырья, содержащих углерод:

углеводсодержащее сырье (гидролизаты древесных и сельскохозяйственных отходов, меласса, сульфитный щелок целлюлозной промышленности);
природные и синтетические субстраты, содержащие органические кислоты, спирты и другие окисленные соединения углерода (отходы спиртовой промышленности – барда, отходы производства синтетических моющих веществ и др.);
углеводороды (нефть, парафины, природные газы).

Живые клетки микроорганизмов используются для получения бактериальных удобрений, микробных инсектицидов.

ПРОИЗВОДСТВО КЛЕТОЧНЫХ КОМПОНЕНТОВ (ФЕРМЕНТОВ)

Получение ферментов с помощью микроорганизмов сегодня является основным способом их производства. По сравнению с их выделением из растительных и животных источников он намного дешевле. Микробные клетки продуцируют более 2 тысяч ферментов, катализирующих биохимические реакции, связанные с ростом, дыханием и образованием продуктов. Многие из этих ферментов могут быть выделены и проявляют свою активность независимо от клетки. Для получения ферментных препаратов используют как микроскопические грибы, так и бактерии и дрожжи. Иногда получение технического ферментного препарата кончается проведением процесса ферментации, однако активность ферментов в культуральной жидкости быстро снижается. Поэтому широко практикуют получение сухих технических ферментных препаратов.

В мире существует около 25 ООО ферментов, а производится около 20 ферментов. Промышленным способом производят такие ферменты, как амилаза, глюкоамилаза, протеаза, инвертаза, пектиназа, катал аза, стрептокиназа, целлюлаза и др.

Амилазы и протеазы используют в текстильной, хлебопекарной и кожевенной промышленности. Пектолитические ферменты могут быть использованы для мацерации тканей при переработке растительного сырья, например при получении льноволокна. Щелочные протеазы, особенно иммобилизованные, очень эффективно используются в составе моющих средств. Кроме протеолитических ферментов, в состав моющих средств вводят липазу, целлюлазу, оксидазу и амилазу для удаления загрязнений крахмального происхождения. Использование иммобилизованной глюкозоизомеразы для непрерывного получения глюкозы является наиболее крупным процессом такого рода в мире.

Микробные ферменты активно используют в клинической диагностике при определении уровня холестерина в крови и мочевой кислоты. Ферменты предлагают использовать для очистки канализационных и водопроводных труб и т.д., и т.п. Ферменты для медицинских или аналитических целей должны быть высокоочищенными.

В биологических объектах ферменты обычно находятся в фиксированном состоянии на поверхности различных клеточных структур – наиболее часто на мембранах. Благодаря этому ферменты сохраняют свою активность длительное время. В технологии долгое время применялись препараты свободных ферментов; в таком состоянии срок их использования был коротким – один производственный цикл. Для повышения стабильности выделенных ферментов используют технику иммобилизации, то есть связывания ферментов на поверхности нерастворимого в воде носителя, например органических полимеров, стекла, минеральных солей, силикатов и т.п. Иммобилизованные ферменты можно длительное время использовать в биохимических реакторах в условиях непрерывного процесса.

Иммобилизация и получение связанных ферментных препаратов стали возможными благодаря детальному изучению строения многих ферментов. Раскрыт аминокислотный состав ряда ферментных белков, их пространственная конфигурация, выявлены активные центры, значение различных функциональных групп в проявлении каталитической активности фермента и т.д.

Примеры использования иммобилизованных ферментов – изомеризация глюкозы во фруктозу, гидролиз белков, трансформация стероидов, гормонов и т.д. На основе действия ферментов построены биолюминесцентные и иммуноферментные методы анализа, отличительной чертой которых является высокая чувствительность и абсолютная специфичность.

ПРОИЗВОДСТВО ПЕРВИЧНЫХ МЕТАБОЛИТОВ

(Аминокислоты, органические кислоты, витамины и другие БАВы) относится к одной из наиболее передовых областей биотехнологии.

Аминокислоты получают путем химического синтеза или экстракцией из белковых гидролизатов. Незаменимые аминокислоты могут получаться микробиологическим путем более эффективно, чем путем химического синтеза, так как при биологическом синтезе используемые микроорганизмы образуют аминокислоты в биологически активной L-форме. Как продуценты лизина изучаются Brevibacterium lactofermentum и бактерии рода Corynebacterium, также предложены способы биотехнологического получения изолейцина, треонина при использовании Е. coli. Большинство исследованных штаммов микроорганизмов независимо от их систематического положения преимущественно накапливают L-аланин и глутаминовую кислоту. Значительно меньше штаммов и в меньшем количестве выделяют аспарагиновую кислоту, лейцин, валин, изолейцин, лизин. За рубежом 60 % мощностей по производству аминокислот занимают глутаминовая кислота, далее идут метионин, лизин и глицин. Глутаминовая кислота производится при участии в качестве продуцента штамма Corynebacterium.

С помощью микроорганизмов можно получить до 60 органических кислот. Многие из них получаются в промышленном масштабе – итаконовая, молочная, уксусная, лимонная, яблочная, янтарная. Эти пищевые кислоты используются как регуляторы кислотности и консерванты. Лимонную кислоту получают с помощью Yarrowialipolytica, Aspergillusniger, молочную – Endomycopsisfibuligera, Rhisopusoryzae,Lactobacilluscasei, янтарную – Anaerobiospirillumsucciniproducens. Уксусную кислоту получают путем микробиологической конверсии водорода и углекислого газа бактериями Acetobacterium woodi и Clostridium aceticum.

Микроорганизмы содержат много витаминов, которые чаще всего входят в состав ферментов. Состав и количество витаминов в биомассе зависят от биологических свойств данной культуры микроорганизмов и условий культивирования. Некоторые витамины микроорганизмы синтезируют, другие, напротив, усваивают в готовом виде из окружающей среды. Культура, способная синтезировать какой-либо витамин, называется автотрофной по отношению к нему, если кулыура не способна синтезировать данный витамин, она является автогетеротрофной.

Витамины синтезируют в основном химическим путем или получают из естественных источников. Однако эргостерин, рибофлавин (В₂), витамин В₁₂ и аскорбиновую кислоту (микроорганизмы используются как селективные окислители сорбита в сорбозу при производстве витамина С) получают микробиологическим путем. Для синтеза витаминов В,, В₂, В₆, В₁₂ и аскорбиновой кислоты также используют кефирные грибки, а бифидобактерии пригодны для производства витаминов группы В, РР (никотиновая кислота) и Н, однако пока эти микроорганизмы не используются как продуценты витаминов в промышленных масштабах.

Изменяя условия среды, содержание отдельных витаминов можно увеличить. Так, количество рибофлавина зависит от интенсивности аэрации и содержания железа в среде. Количество витаминов в клетках, а также их выделение из последних можно изменить при помощи микроэлементов. Существует производство рибофлавина на основе использования дрожжеподобных грибов Eremothecium ashbyii и Ashbia gossypii. Рибофлавин продуцируется также видами Clostridium и Ascomycetes. Микроводоросль Dunalieiia viridis культивируется с целью получения Р-каротина.

Микроорганизмы являются источником получения липидов специального назначения с заранее определенными свойствами. Микробные жиры заменяют растительные (а в ряде случаев и превосходят) и могут использоваться в разных отраслях промышленности, сельском хозяйстве, медицине.

Получение пищевых ароматизаторов микробиологическим способом становится более выгодным и продуктивным, чем их химический синтез или другие традиционные способы. Например, в США был разработан экологически безопасный биокаталитический способ синтеза ванилина из глюкозы с использованием генетически модифицированного штамма Е. coli и грибного фермента дегидрогеназы. Аромат ванилина при биотехнологическом его получении оказался в несколько раз интенсивнее обычного.

Весьма перспективно использование грибных культур в качестве продуцентов сырных, грибных, рыбных ароматизаторов. Освоены биотехнологические способы получения веществ, имитирующих ароматы земляники, малины, банана, кокоса, яблока, персика, миндаля.

Микроорганизмы являются важным источником получения полимерных материалов на основе полисахаридов. Ценным микробным полисахаридом является декстран, образуемый бактериями рода Leucomonstoc. Декстран служит основой получения медицинских препаратов (кровезаменителей) и препаратов для биохимических исследований – сефадексов и др. молекулярных сит. Нуклеозиды, нуклеотиды и их производные также можно получать с помощью микроорганизмов.

Большинство пищевых красителей синтезируют химическим путем, но некоторые натуральные пигменты микроорганизмов могут быть с успехом использованы в качестве красителей для пищевых продуктов. Так, из гриба Monascus получен натуральный красный пищевой краситель. Из бактерий с Канарских островов получен розовый краситель для мороженого, крема, мыла. Такие красители безвредны и придают стойкий цвет продуктам, что позволяет предположить, что в будущем микробиологическому производству красителей будет уделяться все большее внимание.

ПРОИЗВОДСТВО ВТОРИЧНЫХ МЕТАБОЛИТОВ

Из всех продуктов, получаемых с помощью микробных процессов, наибольшее значение имеют вторичные метаболиты. Вторичные метаболиты, называемые также идиолитами, – это низкомолекулярные соединения, не требующиеся для роста в чистой культуре. Они производятся ограниченным числом таксономических групп и часто представляют собой смесь близкородственных соединений, относящихся к одной и той же химической группе. Промышленное получение идиолитов представляет несомненный интерес, так как эти метаболиты являются биологически активными веществами: одни из них обладают антимикробной активностью, другие являются специфическими ингибиторами ферментов, третьи – ростовыми факторами, многие обладают фармакологической активностью. К вторичным метаболитам относятся антибиотики, алкалоиды, гормоны роста растений и токсины. Фармацевтическая промышленность разработала сверхсложные методы скрининга (массовой проверки) микроорганизмов на способность продуцировать ценные вторичные метаболиты.

Получение такого рода веществ послужило основой для создания целого ряда отраслей микробиологической промышленности. Первым в этом ряду стало производство пенициллина; микробиологический способ получения пенициллина был разработан в 1940-х годах и заложил фундамент современной промышленной биотехнологии.

Молекулы антибиотиков очень разнообразны по составу и механизму действия на микробную клетку. При этом в связи с возникновением устойчивости патогенных микроорганизмов к старым антибиотикам постоянно существует потребность в новых. В некоторых случаях природные микробные антибиотические продукты химическим или энзиматическим путем могут быть превращены в так называемые полусинтетические антибиотики, обладающие более высокими терапевтическими свойствами.

Антибиотики – органические соединения. Они синтезируются живой клеткой и способны в небольших концентрациях замедлить развитие или полностью уничтожить чувствительные к ним виды микроорганизмов. Их продуцируют не только клетки микроорганизмов и растений, но и клетки животных. Антибиотики растительного происхождения называют фитонцидами. Это – хлорелин, томатин, сативин, получаемый из чеснока, а также алии, выделяемый из лука.

Рост микроорганизмов можно охарактеризовать как S-образную кривую. Первая стадия – стадия быстрого роста, или логарифмическая, для которой характерен синтез первичных метаболитов. Далее наступает фаза медленного роста, когда увеличение биомассы клеток резко замедляется. Микроорганизмы, производящие вторичные метаболиты, вначале проходят стадию быстрого роста, тропофазу, во время которой синтез вторичных веществ незначителен. По мере замедления роста из-за истощения одного или нескольких необходимых питательных веществ в культуральной среде микроорганизм переходит в идиофазу; именно в этот период синтезируются идиолиты. Идиолиты, или вторичные метаболиты, не играют явной роли в процессах метаболизма, они вырабатываются клетками для адаптации к условиям окружающей среды, например для защиты. Их синтезируют не все микроорганизмы, а в основном нитчатые бактерии, грибы и спорообразующие бактерии. Таким образом, продуценты первичных и вторичных метаболитов относятся к разным таксономическим группам.

Особенности культурального роста этих микроорганизмов необходимо учитывать при производстве. Например, в случае антибиотиков большинство микроорганизмов в процессе тропофазы чувствительно к собственным антибиотикам, однако во время идиофазы они становятся к ним устойчивыми.

Чтобы уберечь микроорганизмы, продуцирующие антибиотики, от самоуничтожения, важно быстро достичь идиофазы и затем культивировать микроорганизмы в этой фазе. Это достигается путем варьирования режимов культивирования и составом питательной среды на стадиях быстрого и медленного роста.

ПРОДУКТЫ БИОКОНВЕРСИЙ (БИОТРАНСФОРМАЦИЙ)

Микроорганизмы способны осуществлять реакции трансформации (изменение отдельных участков в молекулах органических веществ), превращая те или другие соединения в новые продукты. Условия протекания этих реакций мягкие, и во многих случаях микробиологические трансформации предпочтительнее химических.

Пример существующих крупномасштабных промышленных биоконверсий – производство уксуса из этанола, глюконовой кислоты из глюкозы. Широко используется микробная модификация стероидов, которые являются сложными полициклическими липидами. С использованием биоконверсии получают кортизон, гидрокортизон, преднизолон и целый ряд других стероидов. Применение и совершенствование микробной технологии в сотни раз снижает себестоимость производства стероидов.

В отличие от процессов биосинтеза и брожения, в которых участвует большое количество ферментов, в биоконверсии обычно работает один определенный фермент, катализирующий окисление, декарбоксилирование, метилирование или какую-либо другую реакцию. Чтобы провести трансформацию какого-либо вещества, вначале размножают культуру соответствующего микроорганизма до количества, равного 5-10 % объема трансформируемого раствора. Раствор для трансформации вещества готовят, учитывая, что в нем надо растворить максимально возможное количество трансформируемого вещества (обычно 10-25 %) и надо использовать минимальное количество необходимых для развития культуры питательных солей в таком виде, чтобы не было затруднено химическое выделение вещества. Если трансформируемое вещество не растворяется в воде, его предварительно растворяют в нейтральном органическом растворителе и затем, при интенсивном перемешивании, смешивают с основной средой. Трансформацию ведут в стерильных условиях при оптимуме рН, температуры и других условий. Длительность процесса обычно составляет 1-2 суток. После микробиологической трансформации следует химическое выделение вещества из раствора.

Процессы микробиологической трансформации органических соединений можно разделить на следующие группы:

реакции окисления;
реакции восстановления;
декарбоксилирование;

реакции дезаминирования:

образование гликозидов;
реакции метилирования;
этерификация, в том числе фосфорширование и ацетилирование;
дегидратация;
реакции конденсации;
аминирование и амидирование;

реакции диметоксилирования;

нуклеотизация;
галогенирование;
деметилирование;
ассиметризация;
рацемизация;
изомеризация.

Подбор культур микроорганизмов для микробиологической трансформации определенных соединений по заданному типу реакции осуществляется эмпирическим путем.

БИОКОНВЕРСИЯ ЛИГНОЦЕЛЛЮЛОЗНЫХ ОБЪЕКТОВ

Перспективный путь повышения полезного использования растительной биомассы. Это возобновляемый и легкодоступный источник сырья. Основные ее компоненты – целлюлоза, крахмал, гемицеллюлоза, лигнин. Целлюлоза-высокомолекулярный нерастворимый полимер глюкозы.

Она является главным компонентом как растительной биомассы, так и сельскохозяйственных, бытовых отходов, а также отходов деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности. Лигнин – высокомолекулярный нерастворимый трехмерный неупорядоченный ароматический полимер.

В основе биологической деградации лигноцеллюлозы лежит действие целлюлолитических ферментов. Реакционная способность природных целлюлозосодержащих материалов невелика, поэтому сырье для ферментативного осахаривания целлюлозы должно иметь большую поверхность, а микрофибриллярная структура целлюлозы должна быть разрушена. Реакционную способность природных субстратов также снижает наличие лигнина. Наиболее эффективным, а также дорогим и энергоемким способом предварительной подготовки сырья является размол. Поэтому для предобработки используют воздействие 0,5-2%-ных растворов щелочи, гамма-облучение, механо-термообработку в разбавленной серной кислоте с последующей экстракцией лигнина и др. методы.

Гидролиз можно проводить и биологическим способом, с помощью ферментов, выделяемых грибами видов Trichoderma, Aspergillus, Sporotrichum. Далее при использовании дрожжей можно получить спирт, при использовании бактерий Klebsiella или Aeromonas – бутанол. Ряд микроорганизмов рода Clostridium могут продуцировать уксусную и молочную кислоты, лактат, ацетон из опилок, соломы, отходов сахарного тростника. С помощью Trichoderma reesii биомасса разлагается до сахаров.

Ферменты и неразложившаяся целлюлоза поступают в повторные циклы, а остаточный лигнин используется в качестве источника энергии для перегонки спирта. Технология, разработанная в Арканзасском университете и используемая в промышленности нефтяной компанией «Галф ойл», заключается в одновременном осахаривании целлюлозы и сбраживании сахаров, полученных путем гидролиза. Для этого к смеси целлюлозной биомассы и дрожжей добавляют раствор целлюлаз.

Остающийся лигнин также используется для перегонки в качестве топлива, но пентозы не сбраживаются. Фирма «Биофьюэлиндастриз» из Ричмонда предложила способ сбраживания целлюлозы в этиловый спирт с применением специфических ферментов целлюлаз, который позволяет производить 500 т этилового спирта в сутки из 2500 т целлюлозных отходов посредством этой технологии и целлюлаз из Trichoderma reesii.

Третий вид технологии состоит в прямом сбраживании целлюлозными бактериями гексоз и пентоз, образующихся при гидролизе целлюлозы и гемицеллюлозы. Преимущества этой технологии, разработанной в лабораториях Массачусетского технологического института, заключаются в следующем: помимо одновременной конверсии целлюлоз и пентоз в этанол происходит комбинация целлюлозного и спиртового брожения, а кроме того, необходимая предварительная обработка субстратов сводится к минимуму.

При микробной деградации и конверсии целлюлоз и гемицеллюлоз можно получать этиловый спирт и сырье для химической промышленности (фурфурол, фенолы, крезолы). 200 000 т надлежащим образом переработанной соломы дают 50 000 т этанола и 20 000 т фурфурола. По оценкам некоторых специалистов, при микробной переработке целлюлозы можно получить до 30 % нефтехимикатов. Методы генной инженерии помогут создать штаммы, которые будут лучше адаптированы к этим типам конверсии и дадут больший выход. Это позволит разработать реальную стратегию замещения, которая станет эффективной в III тысячелетии (в настоящее время химия углерода приходит на смену нефтехимии при производстве новых биополимеров, биорастворителей и биодетергентов). Перенос генов целлюлаз и гемицеллюлаз из Clostridium thermocellum в другие виды Clostridium позволит превращать целлюлозы и гемицеллюлозы в этиловый спирт, ацетон, бутанол, уксусную и молочную кислоты.

Термофилия определенных штаммов Clostridium (при оптимальной температуре роста 65-75 °С) создает известные преимущества, так как стоимость перегонки этилового спирта и других растворителей уменьшится, а это сделает производственный процесс более экономичным.

Исследователи из Университета Нового Южного Уэльса (Австралия) и Рутгерского университета (США) обнаружили, что бактерия Zymomonas raobilis, выделяемая из пальмового вина и мексиканского алкогольного напитка пульке, сбраживает сахара вдвое быстрее, чем дрожжи. Этот вид также подвергается геномной модификации, которая позволит разлагать целлюлозу с одновременным сбраживанием сахаров, получающихся в ходе деградации.

В условиях строгого анаэробиоза можно осуществлять биометаногенез ароматических соединений. Этот процесс широко распространен в природе, особенно в отходах и сточных водах, а также при конверсии некоторых биоцидов. По наблюдениям Ферри и Вольфа, в этом процессе участвуют несколько видов микробов, ответственных за различные стадии деградации ароматических колец до ацетата, который является одним из субстратов для метанобактерий (иными словами, его дегидрирование дает электроны, требующиеся для восстановления двуокиси углерода в метан). Среди бактерий видов превалируют, судя по всему, Methanobacterium formicicum и Methanospirillum hungati. Ферри и Вольфу удалось их вывести в чистые культуры.

Бензольное кольцо сначала восстанавливается и затем разрезается на алифатические кислоты под действием грамотрицательных микроорганизмов. Последние превращаются в субстраты, используемые метанобактериями. Образующиеся электроны, вероятно, способствуют образованию водорода, который восстанавливает С0₂ в СН₄.

Разложение бензольного кольца в метан в процессе анаэробиоза не является правилом. Например, в рубце жвачных животных бензоат и ароматические кислоты, получающиеся за счет деградации целлюлозы, не приводят к образованию метана; их можно обнаружить в моче и виде гиппуратов и других сходных соединений. В природных условиях ароматические соединения получаются при медленном разложении таннинов и лигнина главным образом благодаря внеклеточным микробным ферментам. Так как лигнины и таннины составляют значительную часть почвенного органического материала, их метаногенез – важный процесс в углеродном цикле биосферы.

Одним их отходов сельского хозяйства является солома. Эти отходы трудно использовать, так как скорость разложения соломы невелика. Лучшая утилизация – инокулирование ее ассоциацией целлюлолитических грибов, азотфиксирующих и полисахаридообразующих бактерий. В таком виде солому можно запахивать в землю как органическое удобрение, а можно через определенное время использовать как высокобелковый витаминизированный корм.

Источник