Сартакова О.Ю. Промышленная микробиология

Подождите немного. Документ загружается.

111

Преимущество использования солнечной энергии, заключенной в

биомассе, в том, что она запасается в форме органических веществ и

поэтому ее можно хранить и перемещать во времени и в пространстве.

Биомассу можно сжигать или довольно простыми способами при

помощи микроорганизмов превращать в жидкое или газообразное топ-

ливо (метан, этиловый спирт или водород). По

этой причине биомасса

представляет собой постоянно возобновляемый источник энергии.

Сырье, используемое для производства биотоплива: древесина,

масленичные растения, водоросли.

Ранее основным путем использования растительного сырья в ка-

честве топлива во всем мире было прямое сжигание. В настоящее вре-

мя - это система термической модификации такого сырья: пиролиз, га-

зификация и гидрогенизация.

При

всем разнообразии жизненных функций, связанных с потреб-

лением энергии, в их основе лежат три вида трансформации энергии:

• энергия АТФ – энергия химических связей стабильных био-

логических соединений;

• энергия АТФ – механическая работа;

• энергия АТФ – осмотическая работа.

Первый вид использования энергии АТФ составляет основу син-

тезов разнообразных химических соединений, в том

числе и биопо-

лимеров – нуклеиновых кислот, белков и полисахаридов (анаболиче-

ская ветвь метаболизма). Их энергообеспечение достигается сопряже-

нием реакций, протекающих на одном ферменте («энергия из рук в

руки»). При этом запасы энергии в одном из участков реакции повы-

шаются за счёт распада макроэргических соединений с понижением

запасов энергии системы в

целом.

Второй вид - использование энергии АТФ для осуществления

механической работы. Этот процесс лежит в основе разнообразных

форм двигательной активности организмов и клеток: сокращение

мышц у животных, движение листьев и цветков у растений, работы

жгутиков и ресничек у простейших, перемещения ядерного аппарата

при делении клеток и т.п. Коэффициент полезного действия трансфор

мации энергии в мышце составляет около 40%. Решающую роль в та-

ких механо-химических процессах играют сократительные белки, спо-

собные перестраивать свою структуру и взаиморасположение, что на-

ходит свое внешнее проявление в макроскопическом эффекте – сокра-

щении мышцы.

Третий вид использования энергии АТФ – осмотическая рабо-

та. В ее основе лежит генерация и

поддержание концентрационных

112

перепадов (градиентов) различных веществ, и, прежде всего, ионов на-

трия и калия в системах: клетка – окружающая среда или клеточные

органоиды – цитоплазма. Перенос веществ, связанный с расходом бо-

гатых энергией соединений, получил название активного транспорта.

Благодаря активному транспорту в клетках поддерживается необходи-

мое постоянство ионного состава и ионная поляризация мембран воз-

будимых

(нервные, мышечные) клеток – мембранный потенциал, или

потенциал покоя. Это является основной предпосылкой для возникно-

вения и распространения нервного импульса – потенциала действия.

Наконец, энергия АТФ может с высокой эффективностью

трансформироваться в световую энергию. Это имеет место в явле-

нии биолюминесценции. Значительно меньшую роль в биоэнергетике

играют процессы чисто физического переноса энергии.

Наибольшее

функциональное значение миграция энергии имеет в процессе фото-

синтеза: с ее помощью осуществляется перенос энергии квантов света,

поглощенных различными пигментами, к реакционным центрам, с по-

мощью которых энергия электронного возбуждения трансформируется

в химическую энергию продуктов фотосинтеза.

6.6.1 Законы биоэнергетики

Первый закон биоэнергетики. Живая клетка избегает прямого

использования энергии внешних

ресурсов для совершения полезной

работы. Она сначала превращает их в одну из трех конвертируемых

форм энергии («энергетических валют»), а именно в АТФ, ∆ µН

или

∆µNa+, которые затем расходуются для осуществления различных

энергоемких процессов.

Второй закон биоэнергетики. Любая живая клетка всегда рас-

полагает как минимум двумя «энергетическими валютами»: водо-

растворимой (АТФ) и связанной (∆µН

, либо ∆µNa

У морских бактерий имеются, по меньшей мере, АТФ и ∆µNa

, но

очень часто также и ∆µН

. У пресноводных бактерий, «валютой» слу-

жат АТФ ∆µН

. Что касается ∆µNa

, то она, как правило, отсутствует

из-за низкой концентрации Na

в среде обитания.

Третий закон биоэнергетики. «Энергетические валюты» клетки

могут превращаться одна в другую. Поэтому получения хотя бы одной

из них за счет внешних ресурсов достаточно для поддержания жизне-

деятельности.

Так, анаэробные бактерии могут за счет гликолиза производить

АТФ, который затем используется в процессах энергообеспечения ли-

113

бо непосредственно, либо после превращения в ∆µН

или ∆µNa

. Же-

лезобактерии способны окислять кислородом ион Fe

в ион Fe

, обра-

зуя ∆µН

. Эта единственная реакция дыхания питает все потребляю-

щие энергию процессы, в том числе синтез АТФ из АДФ и Н

РО

Описаны бактерии, использующие только свет в качестве энер-

гетических ресурсов. Но, пожалуй, наиболее удивительна энергетика

бактерии Propionigenium modestum, обнаруженной недавно в иле мор-

ского пролива неподалеку от Венеции. У этой бактерии нет ни фото-

синтеза, ни дыхания, ни гликолиза. Вся необходимая энергия чер-

пается из единственной реакции декарбоксилирования янтарной кисло-

ты в

пропионовую. Этот процесс сопряжен с генерацией ∆µNa

, кото-

рая утилизируется для совершения осмотической работы, либо превра-

щается в АТФ посредством Na

-АТФ-синтазы. Propionigenium mod-

estum живет в анаэробных условиях вместе с другими бактериями, об-

разующими янтарную кислоту- конечный продукт брожения.

6.6.2 Биологические мембраны, как преобразователи энергии

Протоплазма любой живой клетки окружена мембраной – тон-

чайшей (около 60 Å) пленкой, состоящей из жироподобных веществ –

фосфолипидов и либо прикрепленных к ним, либо погруженных в

фосфолипиды белков. Эта

мембрана называется плазмалеммой. Плаз-

малемма, внутренняя мембрана митохондрий, мембраны тидакоидов,

вакуолей, секреторных гранул, лизосом и эндосом служат не только ба-

рьерами, отделяющими клетку от внешней среды или одни внутрикле-

точные отсеки от других, но также и важнейшими преобразователями

энергии, играющими ключевую роль в запасании энергии света и ды-

хания и

производстве определенных типов полезной работы. Во всех

этих случаях посредником между энергетическими ресурсами и рабо-

той служит не АТФ, а протонный или натриевый потенциал:

∆µН

и ∆µNa

6.6.3 Характеристика растительного сырья как источника

энергии

Древесина. Достоинства древесины: выход продукции в пересче-

те на гектар очень высок (подсчитано, что лесоводческая "энергофер-

ма" может ежегодно давать около 10 - 30 тонн биомассы с гектара);

114

разведение лесов требует гораздо меньше вложений, чем выращива-

ние других культур. Недостатки древесины: длительность роста; глав-

ный компонент древесины лигноцеллюлоза, очень сложна для перера-

ботки.

Bодоросли. После сбора проводят анаэробную ферментацию во-

дорослей с получением биогаза. Достоинства: быстрый рост и легкость

сбора с поверхности водоема (ежегодный выход составляет 50 - 80

тонн с

гектара); при выращивании водорослей на жидких и полу-

твердых отходах решается одновременно две задачи: обезвреживание

отходов и получение биогаза. Недостаток - большое содержание влаги,

что препятствует прямому сжиганию. Из зеленой водоросли Botryococ-

cus braunii получают вещество аналогичное дизельному топливу, по-

скольку 75% сухой массы представлено углеводородами от С17 до

С34. После сбора водорослей эти углеводороды

легко отделить экс-

тракцией каким-либо растворителем или методом деструктивной от-

гонки.

Масленичные растения. Растительные масла могут быть исполь-

зованы в качестве топлива и получены из сои, подсолнечников, пальм,

кокосовых орехов, арахиса, тыквы, эвкалипта и т.д. Эти масла исполь-

зуются как топливо в чистом виде или в смеси с дизельным

топливом

для применения в двигателях компрессионного зажигания. Ежегодный

выход продукции составляет 1-5 тонн масла с гектара посевов подсол-

нечника и сои. Однако, прежде чем принимать решение об использова-

нии этих масел как топлива, необходимо оценить их стоимость, а так-

же количество энергии, необходимое для выращивания масленичных

растений и переработки сырья. Нет

смысла выращивать растения и по-

лучать из них литр растительного масла, если при этом затрачивается

два литра первосортного горючего.

Перспективы развития биоэнергетики биотехнологи видят в

следующем:

- повышение эффективности конверсии солнечного света в био-

массу, например, путем выращивания водорослей при высокой концен-

трации углекислого газа и ограниченной освещенности в биореакторах

со

строго контролируемыми условиями роста;

- использование нетрадиционных источников энергии.

6.6.4 Альтернативные источники энергии и их получение

Этанол. Это экологически чистое топливо, дающее при сгорании

СО

и Н

О. Теплота сгорания этанола 30 кДж/г. Его используют в дви-

115

гателях внутреннего сгорания в чистом виде или как 10 - 20% добавку

к бензину – газохол. В США газохол заменяет 10% потребляемого

бензина. Широкое внедрение газохола планируется в странах Западной

Европы. Хотя этиловый спирт можно использовать для приготовления

пищи, обогрева, освещения или производства пара и электричества,

особой выгоды получить, здесь не удается. Дело в том, что

в процессе

превращения биомассы в топливо происходит значительная потеря

энергии. Энергия тратиться на всех стадиях переработки спирта.

Больше всего ее тратиться на концентрирование и обезвоживание

спирта при перегонке. Энергию эту можно получать из отходов расти-

тельного сырья (багассы, соломы и т.д.), сжигая древесину или иско-

паемое топливо, газ, нефть

или уголь. Энергозатраты на переработку

сырья близки к количеству энергии, получаемой в форме спирта. По

этой причине энергообеспечение всего процесса должно идти либо за

счет переработки отходов, либо за счет использования самого дешево-

го топлива.

Химизм и технологические аспекты спиртового брожения.

Основной продукт спиртового брожения - этиловый спирт, в не-

значительных количествах

образуются и другие спирты. В основе

процесса лежит сбраживание сахаров до пировиноградной кислоты,

которая затем декарбоксилируется с образованием ацетальдегида и

углекислого газа:

СН

О = С

О + СО

Ацетальдегид принимает водород от комплекса кофермента НАД

с водородом и превращается в этиловый спирт:

О + Н

= С

ОН

Основной возбудитель спиртового брожения - дрожжи рода

Sacсhаromyces, но способностью к сбраживанию углеводов и образо-

ванию спиртов обладают и другие низшие грибы и бактерии.

Дрожжи разнообразны по морфологическим признакам. Лучше

всего дрожжи развиваются при температуре +25-30

С в условиях сла-

бокислой реакции среды (рН 4-6) и могут доводить концентрацию

спирта в среде до 15-17 %. Дрожжи - классический пример зависи-

мости обмена веществ от условий окружающей среды. Это аэроб-

ные организмы, поэтому при получении хлебопекарных и кормовых

дрожжей применяется интенсивная аэрация. При отсутствии кислорода

116

дрожжи переходят к брожению. По этой причине технология произ-

водства вина, пива, спирта предусматривает анаэробные условия. В ка-

честве субстрата все дрожжи потребляют гексозу. Полисахариды

дрожжи, как правило, не используют, но они сбраживают образующие-

ся в результате гидролиза моносахариды. При гидролизе клетчатки об-

разуются гексозы, а при расщеплении гемицеллюлоз - пентозы. На

гек-

созах выращивают спиртовые дрожжи. Для выращивания кормовых

дрожжей пригодны сточные воды многих производств. Используются,

например, сточные воды производства лимонной кислоты, расширяет-

ся культивирование кормовых дрожжей на отходах нефтепродуктов, то

есть их производство решает одновременно две задачи:

1) получение ценного кормового продукта;

2) снижение концентрации загрязнения в сточных водах.

Основная

масса спирта вырабатываемого на крупных предприя-

тиях получают с помощью дрожжей Saccharomyces, обычно

S.cerevisiave, но иногда и S.uvarum и S.diastaticus. Первая задача здесь

заключается в подборе соответствующих видов дрожжей подходящих

для переработки данного субстрата. Дрожжи S.cerevisiae могут расти

на глюкозе, фруктозе, мальтозе и мальтотриозе, то есть на сахарах, со-

держащихся в крахмалсодержащих растениях. Вид дрожжей

S.diastaticus может также использовать декстрины, а виды

Kluyveromuces fragilis и K.lactus - лактозу.

Как было отмечено, образование этилового спирта дрожжами -

это анаэробный процесс, но для их размножения нужен кислород. В

следовых количествах кислород нужен и для поддержания жизнедея-

тельности клеток, образующих этанол. В ходе метаболизма осуще-

ствляется сложная регуляция образования этанола из глюкозы. Сам

процесс

метаболизма, жизнеспособность клеток, их рост, деление и об-

разование спирта зависят от концентрации субстрата, кислорода и ко-

нечного продукта.

Существует три основных способа сбраживания сахарсодержаще-

го сырья: периодический, периодический с повторным использованием

клеток и непрерывный.

При периодическом процессе субстрат сбраживается после внесе-

ния в него свежевыращенной закваски, полученной в аэробных

усло-

виях. Брожение протекает в анаэробных условиях, и весь оставшийся

субстрат превращается при этом в спирт. После завершения брожения

дрожжи удаляют, и для следующего цикла получения спирта выращи-

вают новую порцию закваски. Размножение дрожжей является дорого-

стоящей процедурой, так как расходуется много субстрата. При ис-

117

пользовании дрожжей по периодической схеме около 5% сахара рас-

ходуется на рост клеток и обеспечение энергией синтеза других сое-

динений: глицерола, уксусной кислоты, ацетальдегида и сивушных ма-

сел. По этой причине максимальный выход составляет около 48% от

субстрата по массе. При использовании дрожжей продуктивность

варьирует в пределах от 1г до 2 г этилового спирта

в 1час на 1грамм

клеток (сухого вещества).

Недостатки периодического процесса (длительное сбраживания и

неполное использование субстрата) можно частично устранить, приме-

няя периодическую схему с повторным использованием клеток. При

этом в конце цикла дрожжевые клетки отделяют от сбреженной пуль-

пы и сохраняют для использования в следующем цикле. По заверше-

нии сбраживания

концентрация спирта составляет от 6% до 12%. Она

зависит от штамма дрожжей и начальной концентрации сахара.

Повышение выхода спирта и стабилизация активности его проду-

центов могут быть достигнуты путем иммобилизации клеток. Так эф-

фективный синтез этанола осуществлен с применением клеток

Z.mobilis, иммобилизованных на хлопчатобумажных волокнах.

В большинстве случаев, поскольку за пищевой спирт нужно

пла-

тить большой налог, алкоголь денатурируют. Для этого в спирт добав-

ляют вещества, придающие ему горький вкус, или смешивают его с

бензином.

Главным побочным продуктом производства являются углекис-

лый газ, сивушные масла и кубовые остатки. Каждый из них имеет оп-

ределенную ценность, но переработка жидких остатков может быть за-

труднена. Производство

этанола из растительного сырья не является

безотходным, на каждый литр спирта приходится от 12 литров до 14

литров сточных вод с высокой концентрацией отходов, опасных для

природных экосистем.

Метан. Получение метана - важный путь утилизации сельскохо-

зяйственных отходов. При переработке сырья в анаэробных условиях

участвует смешанная популяция микроорганизмов.

Процесс анаэробного сбраживания отходов, в

результате, которо-

го образуется биогаз (смесь метана и углекислого газа) называют био-

метаногенез. Содержание метана в биогазе составляет от 50 до 85 %.

Присутствие углекислого газа ограничивает теплотворную способ-

ность биогаза, которая в зависимости от содержания СО

составляет от

20,9 кДж/м

до 33,4 кДж/м

. Количество образующегося метана в био-

газе зависит от содержания белка в сырье: чем оно больше, тем богаче

биогаз метаном. Обычно биогаз образуется со скоростью 0,5м

на ки-

118

лограмм сухой массы летучих компонентов, время удержания состав-

ляет около 15 суток.

Неочищенный биогаз используют для приготовления пищи и ос-

вещения. Его можно применять как топливо в стационарных установ-

ках, вырабатывающих электроэнергию. Сжатый газ в баллонах приго-

ден как топливо для машин и тракторов. Его можно подавать в газо-

распределительную сеть. В

последнем случае требуется некоторая

очистка биогаза: осушка, удаление углекислоты и сероводорода.

Процесс метанообразования отличается высокой эффективно-

стью: от 90% до 95% используемого углерода переходит в метан.

Толчком к созданию данного эффективного биотехнологиче-

ского направления послужил энергетический кризис, разразившийся в

середине 70-х гг. Производство биогаза стало одним из основных

принципов энергетической политики ряда

стран тихоокеанского регио-

на: Китая, Индии, Филиппин, Израиля, латинской Америки, в 70-е го-

ды интерес проявили страны Европы, особенно ФРГ, Франция, Нью-

Йорк и страны Африки.

Производство биогаза путем метанового «брожения» отходов

– одно из возможных решений энергетической проблемы в большин-

стве сельских районов развивающихся стран. И хотя при ис-

пользовании коровьего навоза только четверть органического мате-

риала превращается в биогаз, последний выделяет тепла на 20% боль-

ше, чем его можно получить при полном сгорании навоза.

В Китае, Индии, ряде других стран эксплуатируются небольшие

установки, в которые вносят подручный материал (солому, навоз и

др.), что исключает затраты на доставку сырья. В Китае

действует бо-

лее 7 млн. малых установок вместимостью от 10 литров до 15 литров,

достаточных для удовлетворения энергетических потребностей семьи

из пяти человек.

Наиболее крупными установками для синтеза метана можно счи-

тать свалки бытового мусора. О самой возможности использования ме-

тана, образующегося в таких мусорных кучах, задумались, когда стали

искать способы для предотвращения

взрывов и пожаров, возникающие

в результате выделения в них газа. Кислород, оказавшийся в мусоре

при образовании куч, быстро используется аэробными бактериями и

грибами, в результате чего условия в них становятся анаэробными.

Влажность поддерживается либо просачивающейся дождевой водой,

либо грунтовыми водами. Если буферная способность материала до-

статочна для поддержания нейтральных значений рН

, то складываются

благоприятные условия для образования метана. Газ выделяется в сме-

119

си с углекислым газом. Собирают его при помощи труб, проложенных

в толще мусора под пленкой.

Водород. Водород это абсолютно чистое топливо, дающее при

сгорании лишь воду. Отличается исключительно высокой теплотвор-

ной способностью 143 кДж/г. Химические и электрохимические мето-

ды получения водорода неэкономичны, поэтому весьма актуально ис-

пользование микроорганизмов способных выделять

водород в процес-

се своей жизнедеятельности.

Перспективным считается модификация самого процесса фото-

синтеза, в результате которой энергия света с максимальной эффектив-

ностью используется на образование водорода или другого топлива,

минуя стадию фотоассимиляции СО

и синтеза компонентов клетки.

Биотехнологи изучают возможность получения водорода путем

расщепления воды при участии фотосистемы фотосинтезирующих ор-

ганизмов, то есть путем биофотолиза.

Биофотолиз - процесс образования водорода Н

и кислорода О

из воды с помощью микроорганизмов.

Более тридцати лет назад было сделано замечательное открытие.

Установлено, что если взять мембраны, содержащие хлорофилл, и до-

бавить к окружающему раствору ферменты (гидрогеназы), действую-

щие как катализаторы, то на свету будет происходить разложение воды

на водород и кислород. Сегодня уже созданы небольшие фотореакто-

ры, в которых

при надлежащих условиях образование водорода идет с

надлежащей скоростью, до нескольких литров водорода в минуту. Од-

нако фотобиологический способ получения водорода еще не вышел из

стен лаборатории.

Технически проще всего получить водород, используя интактные

сине-зеленые водоросли или процессы ферментации (брожения).

Опыты с цианобактериями (сине-зелеными водорослями) и зеле-

ными

водорослями показали, что они способны образовывать водород

и кислород путем прямого фотолиза воды. Лежащий в основе этого яв-

ления процесс фотосинтеза сформировался в результате генно-инже-

нерной деятельности Природы. Процесс выделения водорода водорос-

лями протекает с участием ферментов гидрогеназы или нитрогеназы.

Фотосинтезирующие бактерии не способны разлагать воду, но

могут на свету

образовывать большие количества водорода (без приме-

сей кислорода) или аммиака. Для этого им нужны только простые орга-

нические и неорганические субстраты. Такие вещества содержатся в

промышленных отходах, и поэтому превращение солнечной энергии

120

фотосинтезирующими бактериями вполне может быть сопряжено с пе-

реработкой отходов.

Высокоэффективными продуцентами водорода являются пурпур-

ные фототрофные бактерии, например Rhodopseudomonas sp., которые

при иммобилизации (закреплении) в агарозном теле дают до 180 мк-

моль водорода за 1 час в пересчете на 1 мг бактериохролофилла.

6.7 Производство пищевых продуктов и напитков

Основой современного пищевого производства является биотех-

нология, базирующаяся на достижениях микробиологии, биохимии,

химической технологии, молекулярной биологии, генной инженерии и

генетики. Пищевая промышленность, в настоящее время, представляет

собой совокупность базовых технологий, которые существуют уже

столетия (выпечка хлеба, заквашивание молока, сыроделие, виноделие

и т.д.) и современных научных разработок, которые становятся все со-

вершеннее. Благодаря этому заметно улучшается качество

продукции,

появляется возможность влиять на тот или иной процесс в зависимости

от заданных параметров продукта, вследствие чего давно знакомые

нам продукты приобретают новые свойства. Так, например, молочные

продукты становятся не только разнообразнее и вкуснее, но и приобре-

тают массу полезных для организма человека свойств, которые обеспе-

чиваются введением в сырье

полезной микрофлоры.

Главным звеном биотехнологического процесса является клетка -

миниатюрный химический завод, работающий с колоссальной произ-

водительностью, предельной согласованностью и по заданной про-

грамме. Новые перспективы для исследователей и работников пи-

щевой промышленности возникают в теоретических и практических

аспектах биотехнологии в результате выяснения механизмов регуля-

ции метаболизма живой клетки и возможности управлять

ходом фер-

ментативных процессов, как в самой клетке, так и вне ее организма.

Применение новых видов ферментных препаратов позволяет с наи-

большим эффектом осуществлять все производственные процессы,

наиболее правильно регулировать их направленность, получать совер-

шенные виды пищевой продукции высокого качества с заданными

свойствами.

Традиционно использование микроорганизмов при производстве

различных продуктов

совершенствовались тысячелетиями. Сегодня

еще трудно говорить о том, каких успехов удастся достичь в этой об-