Природные сырьевые материалы

Источником природного сырья являются сельское хозяйство и

отрасли лесоводства. Получаемые в этих отраслях материалы

представляют собой соединения различной химической сложности и

включают сахара, крахмал, целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин. Из

первичных сырьевых материалов в процессе производства тех или иных

продуктов традиционными методами получается огромное число

разнообразных побочных продуктов, которые в силу достаточно высокой

питательной ценности могут использоваться в биотехнологических

процессах.

Наиболее подходящим и доступным, чтобы служить питательным

субстратом для биотехнологических процессов, является сырье,

используемое в производстве сахара – сахарная свекла и сахарный

тростник. Однако в настоящее время в мире традиционное использование

сахара постепенно снижается, и он заменяется более эффективными

подсластителями. Складывающаяся ситуация на мировом сахарном рынке

будет способствовать поискам его нового применения, и многие страны

тропических областей испытают существенный экономический коллапс,

если исчезнет сахарный рынок. Уже сейчас сахарный тростник

используется в качестве субстрата для бразильской "топливной"

программы (производство этанола как горючего для двигателей

внутреннего сгорания и в первую очередь для автомобилей, поскольку

они меньше загрязняют атмосферу). Бразильский пример быстро

убеждает многие другие страны в перспективности такой новой

технологии.

Существенную значимость представляют крахмалосодержащие

сельскохозяйственные продукты, включающие различные злаки, такие,

как кукуруза, рис, пшеница, картофель, различные корнеплоды, сладкий

картофель и маниока. Некоторым недостатком крахмала является то, что

до использования в качестве питательного субстрата он обычно должен

быть разрушен до моносахаридов или олигосахаридов путем

ферментативного переваривания или гидролиза. Тем не менее в настоящее

время с определенным успехом разрабатываются перспективные

биотехнологические процессы, основанные на использовании данного

полисахарида.

Половину

высушенной

растительной

массы

как

сельскохозяйственного, так и "лесного" происхождения составляет один

из самых распространенных биополимеров – полисахарнд целлюлоза,

являющийся ценным источником энергии и углерода. Почти не вызывает

ни у кого сомнения, что целлюлоза должна рассматриваться в качестве

основного питательного сырья для биотехнологических процессов.

Однако необходимым условием подготовки данного материала к

использованию в качестве биотехнологического сырья является ее

гидролиз до простых водорастворимых сахаров (глюкозы, целлобиозы).

Как ни странно, но это до сих пор представляет довольно трудную задачу.

Наибольшие сложности встречаются при попытках утилизации

древесины, в которой целлюлоза находится в комплексе с

гемицеллюлозой

и

лигнином.

Лигноцеллюлозные

комплексы

характеризуются очень высокой степенью устойчивости к природным

силам биодеградации. Именно это свойство и обусловливает

долговечность деревьев и, естественно, построек из дерева, поскольку

деревья состоят главным образом из лигноцеллюлозы.

Лигноцеллюлоза

является

наиболее

распространенным

и

возобновляемым природным сырьем, доступным человеку практически во

всех странах мира. Однако должны быть преодолены огромнейшие

технологические трудности, прежде чем окажется экономически

выгодным использование этого энергетически богатого соединения. В

данный момент для того, чтобы сделать ее доступной для

микробиологической деградации, необходимы весьма дорогие и

энергоемкие процессы предварительной обработки.

Чистая целлюлоза может быть довольно легко разрушена путем

химического или ферментативного гидролиза до растворимых сахаров,

которые затем легко подвергаются ферментации (сбраживанию)

микроорганизмами с образованием этанола, бутанола, ацетона,

одноклеточного белка (SCP), метана и многих других продуктов. В этом

плане разительные успехи достигнуты в США, Швеции, Британии и дело

только во времени, чтобы преодолеть вышеперечисленные трудности.

Довольно точно подсчитано, что на Земле в год фиксируется

приблизительно 3,3Ч10¹⁴кг СО₂и примерно 6 % этого количества, т. е.

22 биллиона т в год приходится на долю целлюлозы. В мировом масштабе

земные растения продуцируют 24 т целлюлозы на человека в год. И все

было бы уже давно сделано, если бы целлюлоза была без примеси

лигнина. Лигнин препятствует химическому и ферментативному

разрушению целлюлозы, мешая доступу к ней реагентов и активно

адсорбируя гидролитические ферменты, выводя их из строя.

Сам по себе лигнин также крайне устойчив к деградационным

воздействиям как химического, так и биологического характера,

вследствие чего представляет серьезную проблему как загрязнитель

внешней среды при производстве бумаги. Причем проблема эта в

настоящий момент далека от разрешения. Причина основная сводится к

сложности пространственной организации молекул этого вещества –

гемицеллюлозы, основным компонентом которой является второй по

распространенности растительный биополимер ксилан, состоящий из

остатков ксилозы, а также небольших количеств арабинозы и

глюкуроновой кислоты. Он является не только отходом при гидролизе

растительного сырья, но и сам по себе может служить

биотехнологическим сырьем. Химический гидролиз ксилана приводит к

накоплению токсичных для микроорганизмов соединений, поэтому в

последнее время разрабатываются методы ферментативного гидролиза

ксилана.

Распространенным источником углерода и энергии являются

компоненты нефти и газа. Наилучшим субстратом из компонентов нефти

являются н-алканы (особенно жидкие) с числом углеродных атомов от 10

до 20. Их могут утилизировать большинство бактерий и дрожжи. Однако

и нефть, и газ также истощаются. Поэтому биотехнологии ориентируются

на возобновляемые источники сырья. Большое внимание уделяется

различным видам растительной массы: плоды, соки, клубни, травяная

масса и упоминавшаяся выше древесина. Используются также отходы

сельского

хозяйства,

деревообрабатывающей

и

бумажной

промышленности, а также многих отраслей пищевой промышленности.

Возможность использования перечисленных сырьевых материалов

является основой создания безотходных производств.

Поэтому многие полагают, что в качестве доступного и, по-

видимому, относительно дешевого сырья для биотехнологии окажутся

различные побочные продукты одних биотехнологических процессов для

других. Например, на отходах микробиологического производства

этанола можно с успехом культивировать кормовые дрожжи. Или же при

получении биомассы путем выращивания дрожжей на гидролизатах

растительного сырья на фильтратах можно осуществлять биосинтез

грибного белка. Либо на биомассе одного микроорганизма выращивать

другие виды.

Побочные продукты –