Виробництво спиртів і поліолів

Етиловий спирт використовується для технічних потреб – для виробництва синтетичного каучуку, як розчинник, для синтезу інших речовин, а також на виготовлення напоїв і медичні потреби. Спиртове бродіння – найбільш вивчений біохімічний процес. Спиртове бродіння викликають найчастіше дріжджі, рідше деякі бактерії (Sarcina) і цвілеві гриби (Mucor). У промисловості дріжджі класифікують на верхівкові й низові. Верхівкові дріжджі інтенсивно ведуть бродіння й складно осаджуються. До них належать спиртові й хлібопекарські дріжджі Saccharomyces cerevisiae, а також винні дріжджі з виду Saccharomyces elipsoideus. До низових дріжджів відносяться види, які використовуються в пивоварній промисловості. У виробництві процес бродіння ведуть 2 – 3 доби.

У ході бродіння вуглеводи розпадаються в кінцевому результаті до етилового спирту, вуглекислого газу й води. Проміжний продукт – ацетальдегід. Якщо до поживного середовища додати сульфіти, які зв'язують ацетальдегід, при бродінні можна одержати значну кількість гліцерину, що й застосовується в промисловості. У цьому випадку основний кінцевий продукт бродіння – трьохатомний спирт гліцерин. У процесі спиртового бродіння можуть накопичуватися ізоаміловий, аміловий та ізобутиловий спирти (сивушні масла). Деякі дріжджі й бактерії здатні продукувати бутанол, а також 2,3-бутандіол. Ці продукти, як правило, синтезують із нафти, однак мікробне одержання етанолу й інших спиртів викликає все більший інтерес.

У більшості країн світу етанол добувають мікробіологічним шляхом з рослинної сировини. Сировиною можуть бути гідролізати деревини, меляса, крохмаль, молочна сироватка. Відходи виробництва етанолу містять білки, вуглеводи, рибофлавін та інші вітаміни, і можуть використовуватися як кормова добавка.

При одержанні спирту з деревини перед гідролізом деревину роздрібнюють до стружок товщиною 3 мм, шириною 10 – 70 мм і довжиною 25 мм. Гідроліз здійснюють у великих (до 50 кубометрів) гідролізних апаратах, які наповнюють стружкою, додають 0,5%-ний розчин Н₂SО₄ і вводять водяну пару під тиском 1 – 1,2 МПа. Варіння триває 40 – 50 хв. Вихід цукру 45 – 48% від сухої маси деревини. Реакція середовища отриманого гідролізату кисла, рН 1,8 – 2,2, тому його нейтралізують вапняним молоком, у якому міститься 1,1 – 1,2 кг/л вапна; у гідролізаті порівняно мало азоту й фосфору, тому попередньо до кожного кубічного метра гідролізату додають 0,3 кг суперфосфату й 0,15 кг сульфату амонію. При температурі 85°С через гідролізат продувають повітря, рН середовища 5 – 6. Гіпс осаджують, а прозору частину гідролізату після охолодження використовують для зброджування.

Спирт одержують і з меляси. Попередня підготовка поживного середовища дуже проста – мелясу розбавляють і додають поживні солі. Для готування напоїв використовують спирт, отриманий тільки з харчової сировини. Для технічних потреб використовують спирт, отриманий з гідролізатів деревини, сульфітного лугу.

Однак, знайдено бактерій Zymomonas mobilis, які вдвічі ефективніше зброджують вуглеводи в етанол, ніж дріжджі. У Бразилії виробництво паливного спирту вносить найбільший вклад в енергобаланс країни й становить мільярди літрів.

Ферментація меляси різними видами Clostridium acetobutilicum, іншими бактеріями, які викликають маслянокисле бродіння, може бути використана для одержання не тільки етанолу, але й ацетальдегіду, оцтової кислоти, етилацетату й діетилового ефіру. Субстратом для такого бродіння є зернові, мелясно-зернові відходи або меляса. Якщо середовище готують із зерна, наприклад, кукурудзи, то спочатку одержують борошно, змішують із водою з розрахунку 6 – 8 кг борошна на 100 л води. Потім закваску варять 2 години під тиском 0,2 МПа й стерилізують. Охолоджену до 37 – 42°С масу зброджують протягом 2 діб, рН середовища 5 – 7. У процесі бродіння із глюкози утворюється суміш, яка містить 6 частин бутилового спирту, 1 частину етилового спирту й 3 частини ацетону. Розроблено методи одержання ацетону й бутилового спирту із сульфітного лугу й гідролізатів деревини. При ацетоно-бутиловому бродінні на першому етапі утворюється оцтова й масляна кислоти, виділяється водень і вуглекислий газ. Потім масляна кислота відновлюється до бутилового спирту.

Штами-продуценти первинних метаболітів одержують шляхом індукованого мутагенезу, тому що в природі мутації, які ведуть до надмірної продукції одного з метаболітів шкідливі. Порушення в обміні речовин призводять до зниження конкурентноздатності й життєздатності мікроорганізмів. Первинні метаболіти синтезуються природними мікроорганізмами в кількостях, необхідних лише для задоволення їхніх потреб. Мутантні форми мікроорганізмів можуть синтезувати амінокислоти аж до концентрації 100 г/л (для порівняння – організми дикого типу накопичують амінокислоти в кількостях, які виражаються міліграмами).