Биотехнологическая биоэнергетика. Биомасса как дополнительный источник топлива

2. Чувствительность к  этанолу, которая снижает выход целевого продукта на единицу объема биореактора. Получены устойчивые к этанолу мутанты, характеризующиеся измененным строением клеточных мембран.

3. Отсутствие ферментов,  катализирующих расщепление крахмала, целлюлозы, ксилана. Необходим предварительный гидролиз субстрата или засев биореактора смешанной культурой, содержащей, помимо S. cerevisiae, микроорганизмы с соответ­ствующей гидролитической активностью.

Бактерия Zymomonas molilis, применявшаяся центрально­американскими индейцами для сбраживания сока агавы, более эффективно сбраживает сахара и более устойчива к этанолу. Дальнейшее повышение устойчивости Z. mobilis к этанолу достигается добавлением в среду инкубации Mg²⁺ и ряда нуклеотидных компонентов.

Термофильные бактерии, продуценты этанола характеризуются высокой  скоростью роста и метаболизма, чрезвычайно стабильными ферментами, необычной для остальных бактерий устойчивостью к этанолу (до 15% и  более). Термофилы способны к биоконверсии полисахаридных субстратов в этанол. Так, Thermoanaerobium brockii сбраживает крахмал, Clostridium thermocellum — целлюлозу, Cl. thermohydrosulfuricum утилизирует продукты деградации целлюлозы с очень высоким выходом спирта. Перспективно применение экстремально термофильного продуцента спирта Thermoanaerobacter ethanolicus. Планируют использование также ацидофильных (оптимум рН 1,5) и галофильных продуцентов спирта.

Повышение выхода спирта и  стабилизация активности его продуцентов  могут быть достигнуты путем иммобилизации  клеток. Так, эффективный синтез этанола  осуществлен с применением клеток Z. mobilis, иммобилизованных на хлопчатобумажных волокнах.

В качестве субстрата для  производства этанола методом анаэробной ферментации может быть использована любая сельскохозяйственная культура с высоким содержанием крахмала или сахаров (кукуруза, картофель, сахарная свекла, зерно) или целлюлозные материалы (древесина,   солома,   бумага,   отходы   лесозаготовительной   промышленности)

Несомненно, что самым  мощным источником углеводов, из которых  может быть получен этанол, являются целлюлозные материалы. Так, древесина  содержит целлюлозу (полимер глюкозы), гемицеллюлозу (смешанные гексозы  и пентозы) и ксилан (полимер ксилозы), которые при правильной предварительной обработке могут оказаться субстратом для производства этанола ферментацией. Источником ферментирующихся Сахаров для производства этанола могут быть также целлюлозосодержащие отходы, такие, как солома, шелуха риса, обрезки деревьев и бумага. Для производства этанола могут быть использованы отходы производства пищевых продуктов, в частности молочная сыворотка-отход сыроваренной промышленности.

Немного про процесс ферментации  этанола.

Начинается процесс с  подготовки сырья – чаше всего  он представлен просто измельчением. Далее следует гидролиз субстрата. После измельчения субстрат подвергается гидролизу для образования ферментирующихся сахаров из углеводных полимеров. Наиболее ферментирующейся частью зерен злаков является крахмал, который после обработки высокотемпературными ферментами на этапе «варки» полностью сжижается. Гидролиз завершается образованием глюкозы. При ферментации целлюлозы также образуются стойкие к разложению твердые остатки. В современных условиях целлюлоза может быть гидролизована с помощью ферментов или кислот в процессах, более сложных, чем гидролиз крахмала. При получении сока сахарного тростника или мелассы нет необходимости в гидролизе, поскольку образующийся твердый остаток является ферментирующимся.

Стерилизация сырья. После  измельчения и суспендирования или растворения субстрат должен быть освобожден от конкурирующих микроорганизмов. В тех случаях, когда для стерилизации субстрата недостаточно высокотемпературного гидролиза, проводят самостоятельную стерилизацию. Эта операция может быть осуществлена в ферментерах периодического действия с подводом жидкой среды перед ферментацией после нагревания. Однако при этом сокращается рабочая емкость ферментера. В случае непрерывной ферментации необходима предварительная стерилизация субстрата; для растворимых субстратов могут пользоваться стандартные теплообменники и емкости с надлежащим временем удержания. Для стерилизации твердых субстратов, образующих суспензии, требуется более сложное оборудование, поскольку должен обеспечиваться прогрев всей массы.

Концентрация ферментирующихся твердых веществ. Конечная стадия подготовки сырья состоит в его разбавлении  для получения определенной концентрации твердых веществ, способных к  ферментации. Концентрация определяется способностью микроорганизмов выдерживать  действие образующегося этанола  при эксплуатационных условиях ферментации. Такие условия устанавливаются  на основании баланса между большой  производительностью при высокой  концентрации и большими выходами при  низкой концентрации сырья.

Этанольная ферментация

Периодическая ферментация. Некоторые виды сырья могут подвергаться только такой ферментации. При ферментации  сырья из хлебных злаков неферментирующуюся часть обычно также приходится пропускать через ферментер. Извлечение дрожжевых клеток из твердых веществ, содержащихся в ферментационной жидкой фазе, при непрерывной рециркуляции неэффективно и неэкономично. Суспендированные субстраты чувствительны к загрязнению, которое легче предотвратить при периодической ферментации.

Для периодической ферментации  требуется ряд ферментеров, действующих  последовательно. В типичных случаях  полный ферментационный цикл в одном  аппарате периодического действия продолжается 2-3сут. Емкость аппарата должна быть такой, чтобы обеспечивалась ферментация сырья в присутствии отходящих продуктов, а остальная часть установки эксплуатировалась на непрерывном потоке. Поэтому для проведения периодического процесса используются ферментеры большой емкости.

Непрерывная ферментация. Такая  ферментация осуществляется обычно при использовании растворимого сырья. В случае растворимого сырья  рециркуляция дрожжевых клеток не вызывает затруднений, и, кроме того, легче  осуществляется его стерилизация. Для нормальною производства этанола важное значение имеет наличие соответствующего штамма дрожжей. Дрожжи могут покупаться на стороне или производиться на месте. Более выгодно разводить штамм в среде, где перерабатывается субстрат. В этом случае штамм приспосабливается к субстрату и окружающим условиям. Для приготовления посевных культур с достаточным количеством дрожжевых клеток используются ферментеры меньшего размера, чем для ферментации субстрата.

В периодическом процессе инакуляция производится для каждой ферментации. В непрерывном процессе большая часть дрожжевых клеток выделяется из жидкой среды и используется для роста культуры в ферментере. Выделение дрожжевых клеток осуществляется обычно центрифугированием. Теряемые дрожжи восполняются новыми из системы выращивания,  которая значительно   меньше,  чем   требовалось   бы  для периодических процессов с такой же производительностью.

Обычно этанол получают отгонкой, и, по всей вероятности, этот способ будет  применяться и в ближайшем  будущем. Отгонка производится в  колоннах путем последовательного  отделения этанола от других компонентов  жидкой фазы.

Отделение барды. В первой колонне отделяются продукты ферментации (главным образом этанол) и некоторое  количество воды от неферментирующихся твердых веществ в жидкой фазе (барде). Эта колонна обычно называется «пивным перегонным кубом». Желательно, чтобы на этом этапе из жидкой среды был отогнан весь этанол. В некоторых конструкциях колонн возможно увеличение концентрации этанола в верхнем погоне путем ректификации. Для отделения твердых веществ из жидкой фазы, движущейся вниз, предусмотрена отпарная секция.

Производство безводного этанола. Последовательность перегонки  после «пивного перегонного куба»  зависит от требований, предъявляемых  к этанолу. При производстве пищевого этанола последний должен быть очищен в соответствии с требованиями спецификаций на этанол или продукт, в котором  он будет использован. При производстве этанола промышленного назначения необходимо удалить из него все загрязняющие вещества, в том числе сивушные масла. При получении безводного к очищенному продукту добавляют вещества, разрушающие водно-этанольную азеотропную смесь. Этанол и азотообразующую компоненту отделяют друг от друга в следующей колонне. В стандартных условиях для производства безводного этанола требуется по крайней мере четырехкратная перегонка.

Этанол, предназначенный  для использования в качестве топлива, не должен содержать воду [8]. Вместе с тем предполагается, что  из такого этанола нет необходимости  отделять сивушные масла. Поэтому перегонная система для получения этанола, предназначенного для использования  в качестве топлива, включает «пивной  перегонный куб» с ректификацией  и колонны для азеотропной  перегонки и отпарки.

Получение водорода как топлива будущего.

Получение водорода как топлива  пока остается на уровне поисковых  разработок. Это абсолютно чистое топливо, дающее при сгорании лишь Н₂О, отличается исключительно высокой теплотворной способностью — 143 кДж/г. Химический и электрохимический способы получения Н₂ неэкономичны, поэтому заманчиво использование микроорганизмов, способных выделять водород. Такой способностью обладают аэробные и анаэробные хемотрофные бактерии, пурпурные и зеленые фототрофные бактерии, цианобактерии, различные водоросли и некоторые простейшие. Процесс протекает с участием гидрогеназы или нитрогеназы.

Гидрогеназа — фермент, содержащий FeS-центры. Она катализирует реакцию

2Н⁺ + 2е^- = Н₂

Одна из технологических  возможностей основана на включении  изолированной гидрогеназы в состав искусственных Н₂-генерирующих систем. Сложной проблемой является нестабильность изолированного фермента и быстрое ингибирование его активности водородом (продуктом реакции) и кислородом. Повышение стабильности гидрогеназы может быть достигнуто ее иммобилизацией. Иммобилизация предотвращает ингибирование гидрогеназы кислородом.

Предложено много вариантов  модельных систем, катализирующих образование  водорода из воды за счет энергии света. Эти системы различаются механизмом улавливания энергии света и  содержат хлоропласты или изолированный  из них хлорофилл, а также восстановленные  никотинамидные нуклеотиды. Некоторые  системы наряду с водородом образуют кислород: в этом случае речь идет о  биофотолизе воды.

Примером может служить  система хлоропласт — ферредоксин — гидрогеназа. Ферредоксин служит промежуточным переносчиком электронов от фотосинтетической цепи хлоропластов к добавленной гидрогеназе. Серьезной проблемой является поддержание низкого парциального давления этих газов, с тем чтобы не наступило ингибирование гидрогеназы. При замене ферредоксина на флавопротеид или метилвиологен система образует только Н₂. Флавопротеид и, по некоторым данным, метилвиологен защищают гидрогеназу от ингибирования кислородом. Разрабатываются системы с изолированным хлорофиллом, встроенным в детергентные мицеллы или липосомы вместе с гидрогеназой. Предложена также система с гидрогеназой, иммобилизованной в агарозном геле, с которым прочно связан полимерный виологен и металлопорфирин, аналог хлорофилла.

Водород получают также с  применением целых клеток микроорганизмов, стабильность которых возрастает при  их иммобилизации. Высокоэффективными продуцентами Н₂ являются пурпурные фототрофные бактерии, например Rhodopseudomonas sp., которые при иммобилизации в агарозном геле дают до 180 мкмоль Н₂ за 1 ч в пересчете на 1 мг бактериохлорофилла. Важное направление работ — поиск продуцентов Н₂ с устойчивой к О₂ гидрогеназой.

Другим ферментом, катализирующим выделение водорода, является нитрогеназа. У всех микроорганизмов нитрогеназа состоит из двух, компонентов, а именно из MoFeS-протеида (молибдоферредоксина) и FeS-протеида (азоферредоксина). Основной функцией нитрогеназы является восстановление молекулярного азота:

N₂ + 8H⁺ + 8е^- + nАТФ -> 2NH₃ + Н₂ + nАДФ + nфосфорная кислота

В отсутствие основного субстрата (N₂) нитрогеназа катали­зирует энергозависимое восстановление Н⁺ с образованием Н₂. Переключение фермента с одного режима работы на другой является технологической проблемой. Один из путей решения — получение штаммов микроорганизмов с нитрогеназой, не утилизирующей азот.

В Японии получен штамм  Anabaena sp., который осуществляет биофотолиз воды в режиме, не чувствительном к Н₂, О₂ и N₂. Повышению эффективности биофотолиза воды способствует чередование периодов функционирования биообъекта как продуцента Н₂ и О₂ с периодами «отдыха», когда клетки фотоассимилируют СО₂ (вводимый на этот период в среду культивирования). Возможно комбинирование процессов получения Н₂ и других ценных продуктов. В частности, представители рода Clostridium дают органические растворители и в то же время обладают активной гидрогеназой. Если в реакторе с культурой Cl. saccharo-perbutylacetoniocum не создавать оттока для выделяющегося Н₂, то наблюдается ингибирование образования Н₂ и эффективный синтез бутанола, ацетона и этанола. Если водороду обеспечивают свободный отток, то наряду с довольно активным образованием Н₂ культура синтезирует лишь этанол. Этот пример иллюстрирует возможность управления ходом биотехнологического процесса условиями культивирования биообъекта.

Таким образом, предложены разнообразные  проекты систем для получения  водорода с использованием биообъектов. Речь идет о вмешательстве человека в процесс биоконверсии энергии с целью добиться ее возможно более полного превращения в энергию химической связи в молекуле Н₂.

Выводы.

Использование биомассы как  дополнительного источника энергии  не вполне однозначно. С одной стороны, основная практическая польза использования альтернативного биологического топлива это то, что в рамках определенных ограничений по объему, они могут быть объединены с традиционным "ископаемым" топливом и использованы в существующих энергетических системах, таких, как двигатели легковых машин и грузовиков.