6.8 Химическая промышленность и биотехнология

Предвосхищая грядущий расцвет биотехнологии еще в 1929 г Дж. Холдейн говорил: "Зачем брать на себя труд изготовления хи- мических соединений, если микроб может сделать это за нас?" Не случайно современные биотехнологи, употребляя микроорганизмы для трансформации органических соединений, то есть, уподобляя их хими- ческим реагентам, называют иммобилизованные биообъекты "закован- ными в цепи рабами".

Многие органические растворители, широко применяемые в хи- мической промышленности, получают путем брожения - биохимиче- ского процесса протекающего в анаэробных условиях. Химизм основ- ных видов брожений был представлен выше. В каждом случае процес- сы инициируются специфичной микробной культурой и проводятся при определенных условиях.

Химическая промышленность органических соединений бази- руется сегодня в значительной мере на нефти, а большинство про- изводимых ею продуктов переработки нефти получают путем частич- ного окисления сырья. Достичь специфического контролируемого и частичного окисления при помощи существующих катализаторов до- вольно сложно, а микроорганизмы осуществляют эти типы реакций ма- стерски, без труда. По этой причине особая роль в решении поставлен- ных задач отводится биокатализу. За последние годы значительно возросло производство ферментов.

Ферменты во многих отношениях превосходят искусственные катализаторы, и в первую очередь - по силе действия. Тысячи химиче- ских реакций протекают в живых организмах при участии ферментов в мягких условиях (температура и давление атмосферные). Скорость этих реакций в миллиарды раз быстрее, чем в присутствии лучших хи- мических катализаторов. От искусственных катализаторов они отлича- ются рациональностью своих действий, строго направленных и макси- мально эффективных.

До сих пор химикам не удалось создать катализаторы, превосхо- дящие по своей эффективности и специфичности биологические ката- лизаторы.

Несмотря на широкое использование биокатализаторов в про- мышленности, все же в целом рынок ферментов оставался сравнитель- но небольшим до появления иммобилизованных ферментов.

146

Основные причины такого относительно медленного развития - нестабильность ферментов, сложность выделения продуктов перера- ботки из гомогенных растворов, содержащих ферменты.

Получение иммобилизованных ферментов существенно расши-

рило спектр их применения наряду с традиционными областями.

Как известно, иммобилизация ферментов обнаруживает ряд со-

лидных преимуществ в сопоставлении с обычным ферментом. Она позволяет остановить реакцию на любой стадии, повторно ис- пользовать катализатор, получать продукт незагрязненный фер- ментом, гетерогенный процесс можно вести непрерывно и регу- лировать скорость реакции. Существует множество способов иммо- билизации ферментов, основные из которых были представлены выше. Производство химических веществ на основе биокатализа

имеет следующие преимущества: специфичность, легкость кон- троля, работа при низких температурах, совместимость с окру- жающей средой и простота.

Существует три главных способа синтеза химических соеди-

нений на основе биокатализа:

- путем использования культур клеток растений или животных,

образующих дорогостоящие вещества;

- путем использования микроорганизмов, при необходимости из- мененных методами генетической инженерии, для биосинтеза или мо- дификации химических веществ;

- путем использования измененных методами генетической инженерии микроорганизмов в качестве "устройств" для экспрессии генов растений и животных, что позволяет синтезировать в больших количествах особые, присущие только высшим организмам химиче- ские соединения.

Многие материалы химической технологии, используемые для строительства инженерных сооружений, аппаратов, трубопроводов подвержены биоповреждениям.

Разработка новых стойких к биоповреждениям веществ - актуаль-

ная задача химической технологии, которая может быть решена мето- дами биотехнологии. Новые материалы должны быть устойчивыми к биоповреждениям, также как и к механическим, химическим и другим воздействиям.

Биоповреждение - это любое нежелательное изменение свойств какого-либо материала, вызванное жизнедеятельностью различных микроорганизмов.

147

Биоповреждения - неизбежное следствие важнейшей роли ми- кроорганизмов в круговороте элементов в биосфере. Проявления био- повреждений весьма разнообразны: от порчи пищевых продуктов до загрязнения смазочных масел и топливных систем, разрушения бетона, резины, пластмасс и эластомеров, развития процессов электрохимиче- ской коррозии.

Биоповреждение следует отличать от биодеградации. Биоповре- ждение - процесс нежелательный, а биодеградация или биоразложение обычно рассматриваются как положительные процессы.

Биодеградация - это разрушение какого - либо продукта, по-

павшего в окружающую среду при участии биоассоциации.

Производство этилового спирта. Как известно, этанол широко используется в химической промышленности. Из него получают большое разнообразие органических растворителей - этилхлорид, этиламин, бутадиен, этилен, ацетальдегид, ацетон и другие, кото- рые, в свою очередь, являются сырьем для производства важней- ших продуктов органического синтеза.

Этиловый спирт должен быть бесцветным, прозрачным, без по-

сторонних частиц. Вкус и запах, характерные для каждого вида спирта,

выработанного из соответствующего сырья, без посторонних привкуса

и запаха. Чем выше сорт этилового спирта, тем меньше примесей он содержит, тем выше его крепость. Питьевой этиловый спирт произ- водят разбавлением спирта-ректификата высшей очистки умягченной водой до крепости 95%. По расходу сырья производство этилового спирта самое крупное биотехнологическое производство в мире. Одна- ко по стоимости валового продукта этанол занимает третье место сре- ди крупнотоннажной продукции. Биотехнологические бродильные процессы изучены сравнительно давно. Возбудителями спиртового брожения могут быть дрожжи - сахаромицеты, некоторые мицели- альные грибы (Aspergillus oryzae) и бактерии (Erwinia amylovora, Sar- cinaventricula, Zymomonas mobilis, Z. Anacrobia). В качестве сырья для производства этанола в различных странах используют националь- ные доступные растительные источники: зерновые, картофель и све- кловичная масса - в России, Украине, Беларуси; сахарозу и тростнико- вую мелассу - в США; рис - в Японии и т.д. В обозримом будущем лю- бой источник растительного сырья может использоваться для произ- водства этанола; целлюлоза в древесине, соломе, торфе и т.д. Поэтому сульфитные щёлока - отходы целлюлозно-бумажной промышленности находят всё более широкое применение в биотехнологии этилового

148

спирта. Важным вопросом в крупнотоннажном производстве этанола, является выбор сырья. Во внимание принимают главным образом эко- номические аспекты - доля затрат на сырье в общей себестоимости. Существенное значение имеет количество этанола, которое получают из растительного сырья, выращенного на 1 га. Из сахарного тростника получается максимальное количество этанола - 4032 л/га, из мелассы -

878 л/га, из картофеля -166 л/га. Из этанола получают этилен - тради- ционное сырье для органического синтеза. Из 3,8 кг сахара можно по- лучить 1,7 кг этанола, из него - 1 кг этилена. Этанол как жидкое топли- во пока не может конкурировать с бензином, поскольку, например в США, полученный из зерна этанол в 2-3 раза дороже бензина. Суще- ствуют национальные программы замены части бензина (до 20%) эта- нолом как топлива для автомобильного транспорта, что позволит уменьшить импорт нефти. Необходимо отметить, что производство спирта - одна из самых старых отраслей биотехнологии и известно много способов его получения.

Рассмотрим наиболее известные способы получения этанола.

Технология комплексной переработки мелассы

В настоящее время у нас на производство этанола расходуется бо-

лее половины ресурсов растительной мелассы. Отечественными био- технологами разработана технология комплексной переработки мелас- сы с получением из 1 т мелассы от 310 л до 320 л этанола, 100 кг прес-

сованных хлебопекарных дрожжей, от 80 кг до 85 кг кормовых дрож-

жей (сухих), от 10 кг до 13 кг диоксида углерода. Кроме того, после дрожжевую барду, содержащую 7 % сухих веществ, можно упаривать до 60 % и использовать как кормовую добавку или как сырье для полу- чения гранулированного органо-минерального удобрения. При дистил- ляции спирта получают еще и сивушные масла в количестве 1 л на

200 кг этанола. Сивушные масла содержат спирты изоамиловый (62%), пропиловый (12%) и изобутиловый (15%). Перед перегонкой из браж- ки выделяют хлебопекарные дрожжи, а на барде выращивают кормо-

вые дрожжи.

Замкнутая безотходная технология получения этанола (Ме-

тод Ямомото)

Ученый Ямомото (Япония) экспериментально доказал, что полу-

ченный из микромицетов рода Rhizopus комплексный ферментный препарат, обладающий амилазной и пектиназной активностью, при до- бавлении к дрожжам хорошо конвертирует крахмал растертой массы катофеля в этанол. Процесс реализуется при рН 4,2 и температуре

25 ⁰С. В этой технологии не требуется разваривать картофель и от-

149

дельно осахаривать массу. После мойки картофель измельчают и про- водят одностадийную ферментацию. Этанол дистиллируют, а барду вместе с ботвой направляют на метановое брожение. Биогаз использу- ют для дистилляции этанола, а ферментированную жидкую фракцию после метанового брожения со всеми минеральными компонентами урожая возвращают на поле в качестве удобрения. Согласно данной технологии с 1 га поля можно получить 270 л этанола за один цикл. Из ферментированного субстрата с содержанием этанола 6-10% об. по- следний выделяют в перегонных аппаратах, получая технический про- дукт (сырец) с содержанием этанола 85 % . После ректификации полу- чают продукт, содержащий 96,5% этанола. В среднем для получения 1

л этанола тратится 4 кг пара.

Получение этанола из синтетического газа

В связи с ограничением ресурсов традиционного сырья для про-

изводства этанола сейчас разрабатываются процессы на основе новых заменителей сахара. К ним можно отнести синтетический газ, по- лучаемый из угля. Как известно, этот газ состоит из СО, Н₂ и СО₂. Вы- делены бактерии, способные конвертировать СО и Н₂ до этанола со- гласно уравнениям :

6СО +ЗН₂О=С₂Н₅ОН + 4СО₂;

^6Н₂ ^{+ 2СО}₂ ^{= С}₂^Н₅^{ОН + ЗН}₂^О.

При получении этанола из синтетического газа большое значение

имеет оптимизация массообмена между газовой, жидкой и твердой фа-

зами. В колонном аппарате можно получить концентрацию этанола от

2% до 3 %.

Биоконверсиия ксилозы в этанол

Во многих лабораториях у нас и за рубежом интенсивно изуча-

ется бактериальный синтез этанола с использованием целлюлозосодер- жащих видов сырья. Предполагается, что термофильная анаэробная ферментация целлюлозосодержащих субстратов рентабельна при кон- центрации этанола выше 4,5 %. Однако в настоящее время испытыва- ют методы интенсификации спиртового производства, основанные на использовании различных штаммов дрожжей. 75 % мирового произ- водства биоэтанола получают в периодическом процессе при средней длительности цикла 36 ч и содержании этанола в среде 6% (47 г/л). Можно отметить следующие методы интенсификации спиртово- го брожения:

1) непрерывная ферментация (вместо периодической), что позво-

ляет увеличить продуктивность системы по этанолу до 5-6 г/л

150

в час вместо 1,8-2,5 г/(л- ч). Длительная ферментация приво- дит к возникновению малопродуктивных, но быстрорастущих мутантов, при этом скорость образования этанола лимитирует- ся вследствие его ингибирующего действия;

2) непрерывная ферментация с применением флокулирующих продуцентов, что позволяет повысить концентрацию биомассы дрожжей до 40-80 г/л и увеличить продуктивность системы до

30-50 г/(л- ч);

3) непрерывная ферментация с рециркуляцией биомассы, что обеспечивает продуктивность 30-40 г/(л- ч);

4) непрерывная ферментация с использованием иммобилизован-

ных клеток, что обеспечивает продуктивность системы 25-

30 г/(л- ч);

5) вакуумная ферментация при разрежении 32-35 мм рт. ст. с це- лью удаления этанола и уменьшения его ингибирующего дей- ствия. Продуктивность системы достигает 80 г/(л- ч). Недос-

татком этого метода является накапливание в среде нелетучих

продуктов, что затрудняет газообмен и вызывает опасность контаминации;

6) применение флеш-ферментации увеличивает продуктивность до 80 г/(л-ч)

Производство метилового спирта

Метиловый спирт является продуктом распада пектина - метило-

вого эфира полигалактуроновой кислоты, который содержится в расти-

тельных тканях. Производство метанола состоит из следующих стадий:

− подготовительного - очистка сырья от примесей, приготовле-

ние солода или культур плесневых грибов;

− основного этапа - разваривание крахмалистого сырья,

− осахаривание крахмала;

− сбраживание осахаренной массы;

− перегонка бражки и получение сырого спирта;

− завершающего этапа - ректификация.