Микробный синтез на основе целлюлозы: белок и другие ценные продукты - Лобанок А.Г.
ISBN 5-343-00283-8
Скачать (прямая ссылка):
Впервые такие работы появились в 1923 г. Langwell (1923) выяснил, что при сбраживании целлюлозы термофильными бактериями образуется большое количество продуктов, представляющих большой практический интерес. Бактерии хорошо сбраживали многие растительные материалы и, следовательно, могли найти применение в промышленности. Были выделены бактерии, разлагающие целлюлозу с образованием этилового спирта. Они хорошо развивались без доступа воздуха при 60—¦ 65 °С, энергично разлагали целлюлозу и утилизировали углеводы с образованием спирта, уксусной и молочной кислот, углекислоты, водорода. При сбраживании отработанного сухого хмеля (отход пивоваренного производства) из 1 т сырья получали 180 л смеси спирта и органических кислот, а при сбраживании солодовой дробины—320 л. Однако чистые культуры бактерий не были выделены.
Fred (1924) сообщил, что при использовании целлюлозы термофильные бактерии в течение 11 сут при 62—66 °С разлагали от 60 до 80% исходной целлюлозы. В продуктах брожения содержалось 56,8% уксусной кислоты и 10% спирта. Позже удалось выделить бактерию — возбудителя брожения в чистой культуре, которую назвали Clostridium thermocellum (Viljoen, 1926). Однако исследователи, работавшие в более поздний период, сомневались в чистоте этой культуры, так как количество продуктов брожения сильно варьировало: спирта — от 5 до 25%, уксусной кислоты — от 19,6 до 56,8% исходной целлюлозы. В результате тщательных исследований этой культуры удалось выделить еще два спутника'—Bacillus cereus var. mycoides и В. starothermophilus (Первозванский, 1935; Oates, 1964).
Поиск анаэробных бактерий. С целью интенсификации процессов получения этанола из целлюлозосодержащего сырья проводился поиск, выделение и идентификация природных штаммов термофильных анаэробных целлюлолитических микроорганизмов. Ng et al. (1977) из различных природных источников выделено три грамотрицательных штамма бактерий, которые оказались облигатными анаэробами, образовывали терминальные споры и росли на целлюлозе, выделяя при этом
183
желтый пигмент. По этим свойствам, а также по содержанию суммы гуанина и цитозина (38,1—39,5 мол. %) выделенные штаммы были идентифицнрованы как Clostridium thermocellum. Кроме целлюлозы, бактерии ферментировали и производные целлюлозы, но были не способны использовать для роста глюкозу, ксилозу и другие моносахара. При культивировании на целлюлозе в среде накапливались Н2, С02, этанол, лактат и ацетат. Оптимальной для роста была температура 60—64°С. Выделенные штаммы с одинаковой скоростью росли на среде с целлюлозой и целлобиозой (Ng et al., 1977).
Guiliano (1983) выделил три анаэробные мезофильные целлюлолитические культуры и Clostridium thermocellum. Изучена способность указанных бактерий расщеплять целлюлозу, накапливать сахара и другие продукты при культивировании на среде с целлюлозой. Все культуры разлагали хлопковую целлюлозу, делигнифицированную целлюлозную пульпу и обработанную паром древесину. Наибольшей способностью к деградации целлюлозы обладали Clostridium thermocellum и мезофнль-ная бактерия РВ-25, которые разлагали около 80% обработанной древесины. Степень конверсии субстрата снижалась при повышении концентрации до 10 г/л.
Термофильный штамм Clostridium thermocellum в отличие от мезофильиьгх бактерий продуцировал больше этанола при росте на целлюлозе, кроме этанола образовывались масляная, молочная и уксусная кислоты. Мезофильные анаэробные бактерии кроме этанола накапливали в среде небольшое количество масляной и молочной кислот. Оба типа анаэробов образовывали Н2 и С02, степень разложения целлюлозы была ниже у мезофильных бактерий, чем у термофильной культуры, однако мезофильные бактерии в конце процесса аккумулировали больше сахаров. Для мезофильного штамма РВ-25 выход сахаров составлял 14,5 г/л, пли 50% общего количества использованной целлюлозы. Среди сахаров преобладала глюкоза и целлобиоза.
Bender (1985) выделил шесть штаммов Clostridium thermocellum и проверил их способность образовывать сахара, этанол и уксусную кислоту на средах, содержащих целлюлозу, а также адаптироваться к повышенным концентрациям этанола и к росту при температуре 45°С. Для сравнения использовался Clostridium thermocellum, описанный в работе Ng et al. (1977). Пять из шести выделенных штаммов синтезировали этанола на 7—15% больше, а два штамма накапливали на 45%) больше редуцирующих сахаров, чем стандартный штамм. Лишь один штамм (МС-6) быстрее других адаптировался к росту в среде, содержащей 2% этанола (Bender, 1985).
Поиск анаэробных бактерий — продуцентов спирта из целлюлозы был начат в наше стране в 1930 г. во ВНИЙ спиртовой промышленности. Первозванский (1933) для экспериментов использовал элективные культуры бактерий, выделенные из кон-
184
ского навоза, которые поддерживались регулярным пересевом в жидкую питательную среду с фильтровальной бумагой, в течение трех — шести дней при 50 °С на среде с 4%-ной целлюлозой. При этом сбраживалось до 90% целлюлозы, выход спирта составлял 15—20%, а органических кислот — 30—40%. Позднее это направление получило развитие в работах по изучению накопительных и чистых культур термофильных целлюлолитических анаэробных бактерий (Логинова и др., 1966; Имшенец-кий, 1953; Ротмистров, 1939).
