26. Получение спирта и других продуктов брожения с использованием микробиотехнологическихпроцессов.

В качестве сырья для производства этанола в рааличш jx странах исполідуют доступные растительные источники: зерновые, карто-фель и свекловичная меласса — в России, Украине, Беларуси; сахарозу и тростниковую мелассу — в США, рис — в Японии и т. д. Вприндипелюбой источникгексозановможетбытьиспользован в качестве сырья для получения этилового сгшрта, например, целлюлоза в древесине хвойных, соломе, торфе и пр. Поэтому сульфитные щелока — отходы целлюлозно-бумажной промышлен-ности нашли широкое применение в производстве этилового спирта.

Первым делом необходимо трансформиро-вать крахмал в глюкозу, чего добиваются при обработке сырья амилолитическими ферментами. На практике обычно применяют грибную амилазу (Aspergillusniger, A.oryzae и др.) или пророщенное зерно (солод).

Крахмал для получения этилового спирта может быть различ-ного ироисхожАения (картофельный, кукурузный, пшеничный, рисовый). Крахмалистое сырье предварительио дробят (измельча-ют), применяя для этого вальцовые, молотковые или друтио дро-билки. Крахмал необходимо клейстеризовать при разваривании. Например, пшеница и пшеничная круичатка способны полностью клейстеризоваться при 68*С в течение 30 мин. Крахмал затем должен быть гидролизован до низших сахаров (моноз, биоз), поскольку более высоко полимеризованные углеводы не сбражи-ваются дрожжевыми организмами. В качестве гидролизующих агентов применяют соответствующие ферментиые препараты из нитчатых грибов или солода. Крахмал состоит из амилозы и амилопектина. Неразветвленная амилоза почти полностью гидро-лизуется до биозы — мальтоэы, тогда как разветвленный амило-иектин і-идролизуется лишь частично — до декстринов, медленно разлагаемых дрожжами до мальтозы в процессе брожения.

Кроме сахаров и декстринов в заторах обычно содержатся аминокислоты, пептиды, макро- и микроэлементы в виде неорга-ннческих солей (фосфор — еще и в виде фосфорорганических соединений).

Сбраживание затора рсуществляется с помощью чистых куль-•гур либо периодическим, либо непрерывным способом. Огноси-тельно высокие началыіые коііцентрации сахаров и декстринов в заторах неблагоприятны для бактерий — контамииантов из-за повышснного осмотического давления. Позже, когда осмотическое давление снижается, образующийся этанол и естественно возра-стающая или искусственио создаваемая подкислением серной кислотой) кислотность средьі (рН 3,8—4,0) выступают основными факторами, предотвращающими развитие контаминирующихбак-терий.

В период брожения поллсрживают темпрературу от 30"С до 38°С, (в зависимости от расы дрожжей).

На сбраживание затора влияют не только вид и раса дрожжей, температура и рН, но и конструктивные особенности фермента-ционных аішаратов (система охлаждения/нагрева, способ и интен-сивность перемешивания). Длительность сбраживания составляот в среднем от 1,5 до 3 суток.

В бражке наканливается от 1—-1,5% до 6,5—8,5% этанола; его перегоняют и ректифицируют до 96%. Кроме того, в бражке содержатся так называемые "сивушные масла" (высококипящая фракция;—90"—150"С) и5—10%альдегидовсэфирами. Сивушные масла прслставляют собой смесь изопроиилового и н-пропилового, изобутилового и н-бутилового, изоамиловых (2-метил- и 3-метил-бутанолы) спиртов. Доля последних двух обычно составляет 50%; в сивушных маслах находят также В -фенил- и р-оксифенилэтило-вые спирты.

Исходя из расчетов по содержанию крахмала на сухое веще-ство, различные сорта кукурузы, пшеницы, риса, сорго накапли-вают в среднем 65—75% крахмала, из которого можно получить до 45 дкл этанола.

Отходамн пронзводства являются барда и диокснд углерода. Барду используют для откорма скота и птиц, диоксид углерода — в пищевой промышленности, например, в виде "сухого льда".

Этанол можно получать также при сбраживании гндролизатов древесных н травянистых растений, содержащих целлюлозу. В таких гидролизатах обычио содержится 2—3,5% редуцирующих сахаров (преимущественно — гексозы и, меньше, пентозы, в большем количестве присутствующие в гидролизатах древесины лиственных растений).

Применив методы генетической инженерии, удалось включить в дрожжи Schizosaccharomycos pombe іен, кодирующий биосинтез фермента ксилозоизомеразы. Этот фермент катализирует реакцию превращения D-ксилозы в D-ксилулезу. Векторной системой при этом была "ксилозоизомеразная" плазьшда Escherichia coli.

В качестве сырья для производства этанола в рааличш jx странах исполідуют доступные растительные источники: зерновые, карто-фель и свекловичная меласса — в России, Украине, Беларуси; сахарозу и тростниковую мелассу — в США, рис — в Японии и т. д. В приндипе любой источникгексозановможетбытьиспользован в качестве сырья для получения этилового сгшрта, например, целлюлоза в древесине хвойных, соломе, торфе и пр. Поэтому сульфитные щелока — отходы целлюлозно-бумажной промышлен-ности нашли широкое применение в производстве этилового спирта.

Первым делом необходимо трансформиро-вать крахмал в глюкозу, чего добиваются при обработке сырья амилолитическими ферментами. На практике обычно применяют грибную амилазу (Aspergillusniger, A.oryzae и др.) или пророщенное зерно (солод).

Крахмал для получения этилового спирта может быть различ-ного ироисхожАения (картофельный, кукурузный, пшеничный, рисовый). Крахмалистое сырье предварительио дробят (измельча-ют), применяя для этого вальцовые, молотковые или друтио дро-билки. Крахмал необходимо клейстеризовать при разваривании. Например, пшеница и пшеничная круичатка способны полностью клейстеризоваться при 68*С в течение 30 мин. Крахмал затем должен быть гидролизован до низших сахаров (моноз, биоз), поскольку более высоко полимеризованные углеводы не сбражи-ваются дрожжевыми организмами. В качестве гидролизующих агентов применяют соответствующие ферментиые препараты из нитчатых грибов или солода. Крахмал состоит из амилозы и амилопектина. Неразветвленная амилоза почти полностью гидро-лизуется до биозы — мальтоэы, тогда как разветвленный амило-иектин і-идролизуется лишь частично — до декстринов, медленно разлагаемых дрожжами до мальтозы в процессе брожения.

Кроме сахаров и декстринов в заторах обычно содержатся аминокислоты, пептиды, макро- и микроэлементы в виде неорга-ннческих солей (фосфор — еще и в виде фосфорорганических соединений).

Сбраживание затора рсуществляется с помощью чистых куль-•гур либо периодическим, либо непрерывным способом. Огноси-тельно высокие началыіые коііцентрации сахаров и декстринов в заторах неблагоприятны для бактерий — контамииантов из-за повышснного осмотического давления. Позже, когда осмотическое давление снижается, образующийся этанол и естественно возра-стающая или искусственио создаваемая подкислением серной кислотой) кислотность средьі (рН 3,8—4,0) выступают основными

Прежде чем рассмот-реть конкретные биотехнологические процессы получения орга-нических кислот, необходимо оговориться, что.под рубрику "бро-жения" должно быть отнесено образование в анаэробных условиях только молочной и пропионовой кислот с помощью соответствуЮ-щих бактерий, тогда как биосинтез лимонной, глюконовой, итако-новой и некоторых других органических кислот определенными микромицетами представляет собой разновидность того или иного окислительного (аэробного) процесеа и поэтому отнессние их к брожениям является условным.

Получепие молочной кислопш. Образование молочной кислоты (СНзСНОНСООН) лактобактриями происходит в естественньтх условиях при скисании молока и молочных продуктов, а также прй ее целенаправленном получении в производственных условиях-Молочнокислые бактерии относят к 4 родам: Lactobacilius, Leuconostoc, Streptococcus и Pedicoccus. Род Lactobacillus включает 3 подрода — Thermobacterium, Streptobacterium и Betabacterium. Представители первого из них не растут при 15°С, но могут выдерживать температуры выше 50"С. Стрептобактерии не явля-ются термофилами. Бетабактерии образуют DL-молочную кислоту из глюкозы. Одни из них (термобактерии, стрептобактерии, стреп-тококки и педикокки) являются гомоферментативными, образую-щими при сбраживании гексоз преимущественно молочную кис-лоту, другие (бетабактерии и лейконостоки) — гетерофермента-тивными, образующими молочную и уксусную кислоты, диоксид утлерода, возможно — этанол; молочнокислые бактерии могут использовать мальтоэу, глюкозу, лактозу, осахаренный крахмал и пр. В целом, лактобактерии — требовательны к питательным средам — многие из них нуждаются в ряде витаминов из грутшы В, некоторых аминокислотах, пуринах и пиримидинах, отдельных органических кислотах алифатического ряда (уксусной, лимонной, олеиноиой). Для сбраживания глюкоэы и гидролизатов крахмала на практике применяют обычно Lactobacillus delbrueckii, L. bulgarieus, L. leichmanii (одни или в смеси между собой или со Streptococcus lactis), для сбраживания мальтозы иногда используют L. casei.

В промышленном производстве молочной кислоты обычно используют термофильные гомоферментативные виды, активно синтезцрующие целевой продукт, например, при 50°С. Таким видом яляется L. delbruecku штамм Л-3, отличаюшийся высокими стабильностыо и активностью кислотообразоваиия (выход молоч-ной кислоты составляет 95—98% от потребленной сахарозы). Зтот вид внедрен в промышленность еще в 1923 г. под руководством В. Н. Шапошникова.

Полученце пропионовой кислоты. Пропионовокислое броже-ние характерно для пропионовых бактерий, культивируемих в средах, где глюкоза является источником углерода. Из трех молекул глюкозы образуется 4 молекулы лропионовой кислоты, 2 молекулы ухсусной кислоты, 2 молекулы диоксида углерода и 2 молекулы водьг.