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 субстратомдлябиотехнологических процессов, являетсясырье, 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 3,310¹⁴ кг СО₂ и 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 грибногобелка. Либо на биомассе одного микроорганизма выращивать другие виды.