БІОТЕХНОЛОГІЯ - Іншина Н.М. - 2009

РОЗДІЛ 6. БІОТЕХНОЛОГІЯ ОХОРОНИ ДОВКІЛЛЯ

Утилізація рослинної біомаси

Відходи сільського господарства, деревообробної і целюлозно- паперової промисловості містять велику кількість лігноцелюлозних матеріалів. Ці відходи можна використовувати як промислову сировину.

Як відомо, целюлоза, геміцелюлоза і лігнін утворюють структурний каркас рослин. Целюлоза - це найпоширеніший природний полімер, побудований із залишків глюкози, сполучених Р-1,4-глікозидними зв’зками. Геміцелюлоза — це гетерогенний полімер, що складається із гексозних (глюкоза, маноза, галактоза) і пентозних (ксилоза, арабіноза) мономерів. Лігнін побудований із залишків фенілпропану. Цей полімер обумовлює стійкість рослин до механічних пошкоджень і дії мікробів.

Відомо, що бактерії і гриби здатні розщеплювати целюлозу завдяки сумісній дії кількох ферментів — целюлаз. Високу целюлазну активність проявляють гриби Trichoderma, Aspergillus, Sporotrichun;. Однак гідроліз целюлози під дією целюлолітичних мікроорганізмів відбувається повільно і не до кінця. За допомогою генної інженерії були створені мікроорганізми з високою целюлазною активністю. Для цього гени целюлолітичних ферментів виділили із прокаріот та еукаріот, а потім клонували їх у мікроорганізмах: Е.соїі, S.cerevisiae і Z.mobilis. Мікроорганізми, що містять целюлазні гени, можуть здійснювати перетворення целюлози в етанол.

Була досліджена можливість використання ферментів целюлаз у промисловій переробці паперових відходів. Гідроліз паперових відходів за участі целюлаз здійснювали за температури 45°С, а потім проводили ферментацію вивільненої глюкози за допомогою S.cerevisiae за температури 37ºС. Це дозволило одержати 400 л етанолу із 1 т паперових відходів.

Як відомо, у промисловому виробництві етанолу використовують дріжджі S.cerevisiae, але їх може замінити бактерія Zymomonas mobilis, що ефективніше зброджує вуглеводи. За допомогою генної інженерії на основі Z.mobilis був створений продуцент етанолу, який як джерело Карбону може використовувати ксилозу - побічний продукт деревообробної і целюлозно-паперової промисловості.

Крім етанолу, з рослинної біомаси можна отримувати сировину для хімічної промисловості: бутанол, ацетон, фурфурол, фенол, крезол. Було встановлено, що із 200 000 т соломи можна одержати 50 000 т етанолу і 20 000 т фурфуролу. Також за мікробної конверсії целюлози можна одержати до 30% нафтопродуктів. Мікроорганізми роду Clostridium можуть синтезувати оцтову і молочну кислоти, а також ацетон, використовуючи як субстрат солому або відходи цукрової тростини. Clostridium acetobacylicum зброджує цукри в ацетон, етанол, ізопропанол, n-бутанол.

Одним з основних компонентів рослинної біомаси с крохмаль. Як відомо, крохмаль - це резервний полісахарид, що є сумішшю гомополімерів D-глюкози — лінійних (амілоза) і розгалужених (амілопектин). Амілоза складається з 1 · 10² — 4 · 10⁵ залишків глюкози, з’єднаних α-1,4-глікозидними зв’язками. Амілопектин містить 1 · 10⁴—4 · 10⁷ залишків глюкози, що з’єднані α-1,4- й α-1,6-зв’язками. Крохмаль широко використовується у харчовій промисловості: його гідролізують до глюкози, з якої одержують етанол або сироп з високим вмістом фруктози.

Гідроліз крохмалю здійснюють ферменти α-амілаза і глюкоамілаза. Для промислового виробництва α-амілазу одержують із бактерій Bacillus amyloliquefaciens, глюкоамілазу — із грибів Aspergillus niger.

Таким чином, мікробна деградація і конверсія рослинної біомаси с ефективним шляхом одержання цінних речовин, які можна використовувати у харчовій (етанол, фруктозний сироп) та хімічній промисловості (етанол, бутанол, ацетон, фенол, крезол, фурфурол).