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.