|
Репа
М.В., магістрант кафедри біотехнології і
мікробіології
Національний університет харчових технологій
м. Київ, Україна
ТЕХНОЛОГІЧНІ ОСОБЛИВОСТІ ОДЕРЖАННЯ БІОЕТАНОЛУ З РОСЛИННОЇ
СИРОВИНИ
На сьогоднійшній день у світовій практиці спостерігаються тенденції
широкого використання палив з біологічної сировини. Такі зміни зумовлені низкою
факторів: виснаження природних запасів нафти, постійно зростаюча ціна на
вуглеводневе паливо та критична екологічна ситуація планети.
Екологічні
аспекти використання біопалива полягають у зменшені викидів в атмосферу оксиду
вуглецю, сажі та двоокису сірки. Під час
згорання біоетанолу виділяється стільки вуглекислого газу, скільки рослина здатна
поглинути його з атмосфери. Разом з тим, паливо з відтворювальних джерел сировини
має високе біологічне розщеплення. У
разі потрапляння у ґрунт або воду біопаливо протягом 25-30 днів практично
повністю розкладається та не завдає екологічної шкоди. [1].
На сьогоднішній день як сировину,
для виробництва біоетанолу широко
застосовують харчові ресурси, що в свою чергу спричинює проблему гуманітарного
характеру. Саме тому, у зв'язку з цим є актуальним створення біопалива з
відновлюваної нехарчової сировини, а саме біомаса цілих рослин як трав'янистих,
так і дерев, включаючи відходи сільського господарства та деревообробної
промисловості.
Проте, технологія одержання біоетанолу з лігноцелюлозної сировини, на
сьогоднішній день має багато проблем, в першу чергу вони пов'язані з будовою
цих біополімерів. Лігноцелюлозні
матеріали являють собою складний комплекс, що включає целюлозу (40-50%),
геміцелюлоз (25-35%) та лігнін (15-30%). Геміцелюлоза та лігнін утворюють між
собою міжмолекулярні ефірні зв'язки, які утворюють міцну оболонку навколо
волокон целюлози. Крім того 50-90% всієї целюлози володіє високою
кристалічність. Ці та інші фактори зумовлюють дуже низьку реакційну здатність
біомаси по відношенню до ферментативного гідролізу. Саме тому, щоб підвищити
швидкість ферментативного гідролізу целюлози проводять попередню обробку
лігнецелюлозної сировини [2].
Після попередньої обробки
сировини оцукрене сусло
передається на процес збродження. Проте, цей процес може бути
здійснено ефективно і економічно вигідним шляхом одночасного оцукрювання і ферментації.
Даний процес поєднує в собі ферментативне оцукрювання полімерів целюлози на
прості форми такі як глюкоза та їх подальше збродження дріжджами до етанол в
тому ж біореакторі.
Дана технологія має такі переваги перед традиційними технологіями: продукти
ферментативного гідролізу (глюкоза ксилоза) відразу споживається
мікроорганізмами, які здійснюють бродіння, що в свою чергу призводить до
більшого виходу біоетанолу, та використання меншої кількості ферментів; значно
зменшується ризик контамінації ферментативного гідролізу; менша кількість апаратурного
обладнання у виробництві, що призводить до зниження капіталовитрат на
виробництво [3]
Вимоги до мікроорганізму, який здійснює спиртове бродіння
цукрів гідролізатів лігноцелюлози, є значно вищими, ніж до організму, котрий зброджує
продукт гідролізу крохмалю (глюкозу) або ж сахарозу. Мікроорганізм, що зброджує
гідролізат лігноцелюлози, повинен бути здатним ефективно ферментувати принаймні
основні цукри гідролізатів, якими є глюкоза (середній вміст 40%) та ксилоза
(30%), а також маннозу, галактозу та L-арабінозу.
Додатковими вимогами до штама, який використовується в
зброджуванні лігноцелюлози, є: висока стійкість до утворюваного етанолу;
максимальна термотолерантність для можливості проведення процесу одночасного
оцукрювання і зброджування; стійкість до токсичних речовин, які утворюються під
час гідролізу; мінімальна кількість побічних продуктів; здатність до одночасної
утилізації вуглецевих субстратів; непатогенність; мінімальні поживні потреби та
деякі інші.
На сьогоднішній день не виявлено у природі жодного
мікроорганізму, який би цілком відповідав усім переліченим критеріям. Для
посилення тих або
інших технологічно важливих
властивостей продуцентів використовують прийоми спрямованої селекції,
мутагенезу, генної інженерії, гібридизаціїта інші.
Існує два основних підходи в цих роботах. Більшість
дослідників працює з усталеними продуцентами етанолу (Saccharomyces
cerevisiae, Zymomonas mobilis), намагаючись увести в них гени метаболізму
ксилози й арабінози з інших організмів та підвищити вихід і продуктивність
синтезу етанолу в таких штамів шляхом додаткових генно-нженерних маніпуляцій.
Інші дослідники прагнуть поліпшити параметри ферментації гексоз та пентоз у
мікроорганізмів (бактерії Escherichia coli, Klebsiella oxytoca, дріжджі Pichia
stipitis, Hansenula polymorpha), які ніколи не використовувалися для
отримання етилового спирту [4].
Література
. Geddes C.C., Nieves I.U., Ingram L.O. Advances in ethanol production // Current
Opinion in Biotechnology. – 2011. – V.22. P. 312 – 319.
2.
Limayem A., Ricke S. C. Lignocellulosic
biomass for bioethanol production:
Current perspectives,
potential issues and future prospects // Progress in Energy and Combustion
Science. – 2012. – V.38.
– P. 449-457.
3. Ishola MM, Jahandideh A. Simultaneous
saccharification and fermentation
(SSF): A novel method for
bioethanol production from lignocellulosic biomass. – 2013. – V.133.
P. 66 – 73.
4.
Zhang F, Rodriguez S. Metabolic
engineering of microbial pathways for
advanced biofuels production
// Current Opinion in Biotechnology. – 2012. – V.22. – P. 775-783.
| 
