ТЕМА: Субстраты, используемые в биотехнологии

2 1 Субстраты для культивирования биообъектов. 2 Отходы как сырье для биотехнологических процессов. 3 Химические и нефтехимические суб­страты, применяемые в качестве сырья для биотехнологии. 4 Сырьевые материалы, используемые в биотехнологических процессах.

3 Главным направлением биотехнологии является интенсификация производственных процессов, что достигается внедрением новых высокопродуктивных биологических объектов, подбором подходящего сырья для выращивания продуцента, разработкой наилучшей конструкции биоре­актора, а также усовершенствованием способов выделения и очистки целевого продукта.

1 Субстраты для культивирования биообъектов. Питательные среды для выращивания объектов биотехнологии, т.е. продуцентов тех или иных соединений, могут быть неопределенного со­става и включать различные биогенные добавки (растительные, живот­ные или микробные) - мясной экстракт, кукурузную муку, морские во­доросли и т. п. Применяются также среды из чистых химических соеди­нений определенного состава, так называемые синтетические. 4

органоавтотрофы литогетеротрофы органогетеротрофы Компонентный состав сред определяется питательными потребно­стями продуцента. Во многих процессах используют в качестве объектов гетеротрофные организмы, которые в настоящее время подразделяются на: органоавтотрофы (употребляющие органиче­ские вещества как источники энергии), литогетеротрофы (использующие органические вещества как источники углерода) и органогетеротрофы (для которых органические вещества служат и источниками энергии, и источниками углерода). 5

Для приго­товления питательных сред в биотехнологии используются разнообразные субстраты, которые должны удовлетворять определенным крите­риям. Субстрат представляет собой сырье для получения целевого продук­та и должен быть недефицитным, дешевым, по возможности легкодос­тупным. 6

Достаточно хорошо утилизируемым источ­ником углерода для биотехнологических целей является растительная биомасса и, в меньшей степени, биомасса животных ор­ганизмов. На основе этих источни­ков основано давно существующее производство алкоголя из зерна и сы­ра из молока. Растительные источники могут рассматриваться как прак­тически неистощимые. Наибольшая доля биомассы образуется в виде древе­ сины. Продукция сельского хозяйства со­ставляет лишь 6 % первичной продукции за счет фотосинтеза, хотя именно из этого количества получается основная часть пищи для людей и животных, а также многие необходимые материалы (например, для текстильной и бумажной промышленности). 7

Биомасса сельского и лесного хозяйства в настоящее время является значительным экономическим потенциалом во многих странах, в первую очередь в тропических и субтропических ре­гионах. Природные сырьевые материалы. Источником природного сырья являются сельское хозяйство и от­ расли лесоводства. Получаемые в этих отраслях материалы представля­ют собой соединения различной химической сложности и включают са­хара, крахмал, целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин. 8

Наиболее подходящим и доступным питательным субстратом для биотехнологических процессов является сырье, 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. Уже сейчас сахарный тростник используется в качестве субстрата для бразильской "топливной" программы (производ­ ство этанола как горючего для двигателей внутреннего сгорания). Бразильский пример быстро убеждает многие другие страны в перспективности такой новой технологии. 9

Существенную значимость представляют крахмалосодержащие сельскохозяйственные продукты, включающие различные злаки, такие как кукуруза, рис, пшеница, картофель, различные корнеплоды, сладкий картофель и маниока. 10

Половину высушенной растительной массы как сельскохозяйствен­ного, так и "лесного" происхождения составляет один из самых распро­ страненных биополимеров - полисахарид целлюлоза, являющийся цен­ным источником энергии и углерода. 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, метана и многих других продуктов. В этом плане значитель­ные успехи достигнуты в США, Швеции, Британии. 11

Наибольшие трудности встречаются при попытках утилизации древесины, в которой целлюлоза находится в комплексе с гемицеллюлозой и лигнином. Лигноцеллюлозные комплексы характеризуются очень высокой степенью устойчивости к биодеградации. 12

2 Отходы как сырье для биотехнологических процессов Одной из главных задач биотехнологии является максимальное ис­пользование огромных объемов органических отходов, повсеместно об­разующихся в мировом производстве. Биотехнологическая утилизация этих отходов, во-первых, обеспечит удаление источников загрязнения (например, сточных вод), а во-вторых, обусловит превращение этих от­ ходов в полезные целевые продукты. 13

Так, многие побоч­ные материалы пищевой промышленности оказываются экономически малозначащими и часто выбрасываются в магистральные водные систе­мы, обусловливая мощное загрязнение внешней среды. В связи с этим, весьма перспективной может быть разработка технологии их утилизации в каче­стве биотехнологического сырья, с извлечением двойной выгоды. 14

Широко распространенными видами отходов, которые нашли уже сейчас применение в биотехнологических процессах в качестве сы­рья для ферментации, являются меласса (черная патока) и молочная сы­воротка. Меласса представляет собой побочный продукт, появляющийся при производстве сахара, и содержит до 50 % сахаров. Меласса широко используется как питательный субстрат для ферментационных процессов в производстве антибиотиков, органических кислот и коммерческих дрожжей для хлебопечения; помимо этого, она используется в чистом виде в качестве добавки в корма животным. Сыворотка, получаемая при производстве сыра, также может быть использована в качестве питательного субстрата для ферментации. 15

Более сложные продукты отходов, такие, как солома и жом (отход са­харного производства), также имеющиеся в больших количествах и во многих местах, по мере улучшения процессов расщепления лигноцеллюлозных соединений все больше находят применение в биотехнологиче­ских производствах. 16

3 Химические и нефтехимические суб­страты, применяемые в качестве сырья для биотехнологии. С развитием биотехнологических процессов в коммерческих мас­штабах для производства одноклеточного белка, а также ряда дру­гих органических продуктов многие питательные вещества химического и нефтехимического происхождения приобретают важную роль в каче­стве питательных субстратов для ферментации. Преимущество таких субстратов состо­ит в том, что их можно получать в различных странах мира. Например, метанол и этанол. 17

Наилучшим субстратом из компонентов нефти являются н-алканы 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. 18

4 Сырьевые материалы, используемые в биотехнологических процессах Наиболее важным критерием, определяющим выбор сырья для био­технологических процессов, являются: стоимость, наличие в достаточ­ных количествах, химический состав, форма и степень окисленности ис­ точника углерода и т. п. В настоящее время наиболее широко используе­мыми и коммерчески выгодными материалами являются крахмал (пре­имущественно кукурузный), метанол, меласса и сырой сахар. Практиче­ски нет сомнения в том, что зерновые (в частности, кукуруза, рис и пше­ница) будут основными краткосрочными сырьевыми материалами для биотехнологических процессов именно в тех странах, где развиты интен­сивные биотехнологические процессы. 19

Следует отметить, что биотехнология на совре­ менном этапе своего развития преимущественно ориентируется на раз­личные виды недорогого, легкодоступного и возобновляемого сырья, наиболее значимым из которого является растительная масса. При кон­версии субстратов в биотехнологических процессах основное внимание обращается на создание безотходных производств, когда побочные про­дукты одного процесса служат питательными субстратами для после­дующего. 20

21 Лекция закончена !