Биоконверсия лигноцеллюлозных объектов

Введение 
 

     Растительная  биомасса - возобновляемый и легкодоступный источник сырья. Основные ее компоненты - целлюлоза (2/3), крахмал, гемицеллюлоза, лигнин. Лигнин - высокомолекулярный нерастворимый  трехмерный неупорядоченный ароматический  полимер. 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.

     Суть  технологии биоконверсии заключается в следующем: сырьевые компоненты (отходы) содержащие сложные полисахариды – пектиновые вещества, целлюлозу, гемицеллюлозу и др. подвергаются воздействию комплексных ферментных препаратов, содержащих пектиназу, гемицеллюлазу и целлюлазу. Ферменты представляют собой очищенный внеклеточный белок и способны к глубокой деструкции клеточных стенок и отдельных структурных полисахаридов, т.е. осуществляется расщепление сложных полисахаридов на простые с последующим построением на их основе легко усвояемого кормового белка.

     Другими словами, трудно усваиваемое сырье  переходит в легко усваиваемую  животными форму путем расщепления  неусваиваемой молекулы белка на простые аминокислоты.

     В качестве исходных сырьевых компонентов  могут быть использованы следующие отходы:

1. Растительные компоненты сельскохозяйственных культур: стебли зерновых и технических культур, корзинки и стебли подсолнечника, льняная костра, стержни кукурузных початков, картофельная мезга, трава бобовых культур, отходы сенажа и силоса, отходы виноградной лозы, чайных плантаций, стебли табака.
2. Отходы зерноперерабатывающей промышленности: отруби, отходы при очистке и сортировке зерновой массы (зерновые отходы), зерновая сорная примесь, травмированные зерна, щуплые и проросшие зерна, семена дикорастущих растений, некондиционное зерно.
3. Отходы консервной,винодельческой промышленности  фруктовые отходы: кожица, семенные гнезда, дефектные плоды, вытерки и выжимки, отходы винограда, отходы кабачков, обрезанные концы плодов, жмых, дефектные кабачки, отходы зеленого горошка (ботва, створки, россыпь зерен, битые зерна, кусочки листьев, створки), отходы капусты, свеклы, моркови, картофеля.
4. Отходы сахарной промышленности: свекловичный жом, меласса, рафинадная патока, фильтрационный осадок, свекловичный бой, хвостики свеклы.
5. Отходы пивоваренной и спиртовой промышленности: сплав ячменя (щуплые зерна ячменя, мякина, солома и др. примеси), полировочные отходы, частицы измельченной оболочки, эндосперма, битые зерна, солодовая пыль, пивная дробина, меласса, крахмалистые продукты (картофеля и различных видов зерна), послеспиртовая барда, бражка.
6. Отходы чайной промышленности: чайная пыль, сметки, волоски, черешки.
7. Отходы эфирно-масличной промышленности: отходы травянистого и цветочного сырья.
8. Отходы масло - жировой промышленности: подсолнечная лузга, хлопковая шелуха.
9. Отходы кондитерской и молочной промышленности.

     Таким образом, любое растительное сырье  и его производные, как лигноцеллюлозный источник, доступны для микробиологической биоконверсии в углеводно-белковые корма и кормовые добавки. 

1. Биоконверсия целлюлозных отходов

     Биоконверсия  представляет собой естественный способ утилизации целлюлозосодержащих отходов, основанный на разрушении органического  субстрата микроорганизмами. Она  позволяет решить две основные задачи: создание экономически выгодного процесса производства целевого продукта и утилизацию потенциальных экологических загрязнителей.

     С помощью биологических катализаторов (ферментов) микроорганизмы  расщепляют целлюлозу с образованием целого комплекса ценных технических продуктов. В зависимости от поставленной цели такими продуктами могут быть технические ферменты (целлюлазы), глюкоза или биоэтанол.

     Промышленное  получение технических ферментов  является экологически и экономически выгодным. Об этом свидетельствует возрастающий объем продаж технических ферментов на мировом рынке, который увеличивается с ежегодной динамикой в 10%.

     Наиболее  широко используемыми ферментами являются протеазы (45%) и карбогидразы (более 32%), в том числе целлюлазы, глюканазы  и гемицеллюлазы (ксиланазы). В настоящее время эти ферментные препараты находят широкое применение в промышленности и сельском хозяйстве – в качестве компонентов моющих средств, для обработки текстильных изделий, в производстве первичной и вторичной целлюлозы; в пищевой промышленности (производстве спирта, пивоварении, кондитерской, хлебопекарной и мясомолочной промышленности), в качестве кормовых добавок.

     Стоимость получаемых технических ферментов  зависит от затрат, производимых при  их производстве. В значительной степени цена конечного продукта – фермента определяется стоимостью среды, на которой культивируют штамм-продуцент. Поэтому для получения технических ферментов обычно используют дешевые и доступные субстраты, основным компонентом  которых является целлюлоза или целлюлозосодержащие субстраты

     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% растворов щелочи, гамма-облучение, механо-термообработку в разбавленной серной кислоте с последующей экстракцией лигнина и др. методы. 

     1.1 Биоконверсия с  помощью бактерий и грибов 

     Особого внимания заслуживают способы прямой биоконверсии продуктов фотосинтеза  и их производных в белок с  помощью грибов. Эти организмы  благодаря наличию мощных ферментных систем способны утилизировать сложные  растительные субстраты без предварительной обработки. Исследования условий биоконверсии растительных субстратов в микробный белок активно ведутся в США, Канаде, Индии, Финляндии, Швеции, Великобритании и других странах мира. Однако в литературе сведения о широкомасштабном производстве белков микробного происхождения немногочисленны. Наиболее известным и доведенным до стадии промышленной реализации является процесс "Ватерлоо", разработанный в университете Ватерлоо в Канаде. Это процесс, основанный на выращивании целлюлозоразрушающих грибов Chaetomium cellulolyticum, можно осуществлять как в глубинной культуре, так и поверхностным методом. Содержание белка в конечном продукте (высушенном грибном мицелии) составляет 45%. Финская фирма "Тампелла" разработала технологию и организовала производство белкового кормового продукта "Пекило" на отходах целлюлозно-бумажного производства. Продукт содержит до 60% протеина с хорошим аминокислотным профилем и значительное количество витаминов группы В.

     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 позволит разлагать целлюлозу с одновременным сбраживанием сахаров, получающихся в ходе деградации.

     В условиях строгого анаэробиоза можно  осуществлять биометаногенез ароматических  соединений. Этот процесс, надо полагать, широко распространен в природе, особенно в отходах и сточных водах, а также при конверсии некоторых биоцидов. По наблюдениям, 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 СО₂ 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, метаногенез этих полимеров - 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 её 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. 

     1.2 Биологический гидролиз 

     Также можно проводить гидролиз 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.

     Наиболее  крупным производителем сырья для  гидролизной промышленности являются деревообрабатывающие предприятия, отходы которых достигают ежегодно десятки миллионов тонн. К сожалению, нерационально или не используются вообще отходы производства лубяных волокон (из льна и конопли), картофелекрахмального производства, пивоваренной, плодоовощной, консервной промышленности, свекловичный жом.

     Ещё один вид технологии состоит в прямом сбраживании целлюлозными бактериями гексоз и пентоз, образующихся при гидролизе целлюлозы и гемицеллюлоз. Преимущества этой технологии 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.

     Не  менее важным продуктом биоконверсии целлюлозосодержащих отходов является глюкоза, которую в зависимости  от чистоты и экономической эффективности процесса используют в медицине, пищевой промышленности, тонкой химической технологии или технической микробиологии.  
 

     1.3 Получение биотоплив  при помощи биоконверсии 

     Процесс биоконверсии целлюлозосодержащих  отходов может быть ориентирован на получение биоэтанола, который является потенциальным источником возобновляемой энергии. Биоэтанол во многих странах мира используется как экологически чистая биоприсадка к бензинам, получаемая из зерновых культур. Помимо экологической выгоды (уменьшение выбросов на 30%) применение биоэтанола повышает октановое число топлива, увеличивая эффективность работы двигателя. Поэтому производству биоэтанола во всем мире уделяется огромное внимание.  Например, только в США действуют 134 завода по производству биоэтанола. Их производственные мощности позволяют выпускать 27,4 млрд. литров топливного этанола ежегодно. Еще 77 заводов, общей мощностью 23,5 млрд. литров находятся в стадии строительства. Ожидаемый объем потребления биоэтанола в США в 2020 г. составит 111,4 млрд. литров. 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. В таблице 1 представлены некоторые виды переработки биомассы.

     Таблица 1.3 Технологии переработки биомассы для энергетических целей