Удобрения, технический белок, липиды

Побочные продукты и отходы, содержащие углеводы, можно пере­работать путем традиционного микробного брожения или биотехно­логических процессов, относящихся к сфере промышленной микро­биологии.

Например, меласса, которая служит маточным сиропом для кри­сталлизации сахарозы и удаляется из технологического цикла, когда концентрация сахара становится слишком низкой, является обильным побочным продуктом, содержащим помимо сахара сульфиты, карбона­ты и соли кальция и магния (особенно свекловичная меласса). Одна­ко при ее брожении используется не весь остаточный сахар.

Крахмал составляет около 50 % сухой массы зерен злаков, карто­феля и маниока. Этот продукт производят главным образом из куку­рузы и пшеницы, непригодной для хлебопечения, а также из картофе­ля. Он легко подвергается кислотному или ферментативному гидро­лизу, в результате чего получаются декстрины и глюкоза, которые по­том используются в промышленности для ферментационного произ­водства спирта и фруктозного сиропа.

Гемицеллюлозы охватывают группу полисахаридов, связанных с целлюлозой в первичной и вторичной стенках растительных клеток. Они составляют до 10 % древесной массы хвойных деревьев и 20 % — лиственных пород. В соломе и кукурузных кочерыжках их доля пре­вышает 30 %. При гидролизе гемицеллюлоз, в частности ксиланов, образуются пентозы, главным образом ксилозы. Швейцарским иссле­дователям, работающим в промышленной группе Шульцера, удалось экстрагировать этот моносахарид из сульфитных растворов, образую­щихся на заводах по производству древесной массы: до 80 кг из 1 т отходов. Выход из жома сахарного тростника еще выше — порядка 120 кг ксилозы на 1 т отходов.

Сотрудники Исследовательского института солнечной энергии (SERI) в 1982 г. обнаружили анаэробную бактерию Thermobacteroides saccharolyticum, которая при температуре выше 40 °С вызывает де­градацию гемицеллюлоз, содержащихся в фураже или древесных от­ходах. Среди полученных конечных продуктов были этанол и молоч­ная кислота. Сейчас исследователи из SERI пытаются выделить фер­менты, ответственные за разрушение гемицеллюлоз и сбраживание продуктов такой деградации.

Шнайдер из Национального исследовательского совета в Канаде и Цао из университета Пардю независимо показали, что после пре­вращения ксилозы в ксилулозу последняя может сбраживаться в спирт при участии Saccharomyces cerevisiae. Изомеризация осуществляется ферментом ксилозоизомеразой. При введении кодирующего его гена в дрожжевые клетки могут происходить превращение альдопентоз в альдоцетозы и последующее спиртовое брожение. С другой стороны, из ксилозы можно получить ксилит, который очень сладок и в то же время не вызывает порчи зубов.

Что касается гидролиза целлюлозы в глюкозу, то его можно про­вести при помощи Trichoderma reesii, целлюлаза которой разрушает кристаллическую и нерастворимую целлюлозу. Спано с коллегами из военно-интендантской службы США (Натик, шт. Массачусетс) выде­лил мутант этого гриба, который продуцирует в два-четыре раза боль­ше целлюлазы, чем штамм дикого типа. Процесс гидролиза целлюло­зы очень прост. Гриб выращивают в среде, содержащей еловую древе­сину и минеральные соли. Затем культура фильтруется, твердые эле­менты отбрасываются. Остается янтарного цвета жидкость с фермен­том. Раствор вместе с измельченной бумагой помещают в реакцион­ный чан и инкубируют при температуре 50 °С и атмосферном давле­нии. В ходе реакции гидролиза образуется неочищенный глюкозный сироп, после чего негидролизованная целлюлоза и фермент использу­ются повторно. Выход глюкозы составляет около 50 % исходной цел­люлозы. Опытная фабрика в Натике перерабатывает до 500 кг этого продукта в месяц; его производственную мощность (по сырью) мож­но увеличить до 2 000 кг. Благодаря этому процессу из 1 т старого картона или соломы после сбраживания глюкозы, полученной гидро­лизом целлюлозы, образуется 150 л спирта.

По мнению американских специалистов, превращение отходов цел­люлозы в спирт заслуживает большего внимания, чем получение спирта из крахмала кукурузы. В настоящее время в США изучаются три вида технологии. В результате работ, выполненных в лабораториях военно-интендантской службы в Натике и в Калифорнийском универ­ситете в Беркли, исследователи используют целлюлазы и гемицеллю-лазы Trichoderma reesii для разложения биомассы до Сахаров. Гексо-зы сбраживаются в спирт дрожжами, тогда как пентозы подвергаются другому типу брожения. 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 применяемая 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, по пентозы не сбраживаются. Фир­ма «Био фьюэл индастриз» из Ричмонда намерена была построить в шт. Вирджиния фабрику, на которой с 1985 г. должно было произво­диться 500 т этилового спирта в сутки из 2 500 т целлюлозных отхо­дов посредством этой технологии и целлюлаз из Trichoderma reesii. Существует и прямое сбраживание целлюлозными бактериями гексоз и пентоз, образующихся при гидролизе целлюлозы и гемицеллюлоз. Преимущества этой технологии, разработанной в лабораториях Мас-сачусетского технологического института, заключаются в следующем: помимо одновременной конверсии целлюлоз и пентоз в этанол проис­ходит комбинация целлюлозного и спиртового брожения, а 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 адаптироваться к этим типам конверсии и дадут больший вы­ход. Это позволит разработать реальную стратегию замещения, кото­рая станет эффективной в третьем тысячелетии, когда химия углерода придет на смену нефтехимии при производстве новых биополимеров, биорастворителей и биодетергентов.

Перенос генов ферментов из Clostridium thermocellum в другие виды Clostridium позволит превращать целлюлозу 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 mobilis, выделяемая из пальмового вина и мексиканского алкогольного на­питка пульке, сбраживает сахара вдвое быстрее, чем дрожжи. Этот вид также подвергается геномной модификации, которая позволяет разлагать целлюлозу с одновременным сбраживанием Сахаров, получа­ющихся в ходе деградации.