Біоконверсія лігноцелюлозних об'єктів

Рослинна біомаса – поновлюване й легкодоступне джерело сировини. Основні її компоненти – целюлоза (²/₃), крохмаль, геміцелюлоза, лігнін. Лігнін – високомолекулярний нерозчинний тривимірний неупорядкований ароматичний полімер. Целюлоза – високомолекулярний нерозчинний полімер глюкози. Вона є головним компонентом як рослинної біомаси, так і сільськогосподарських, побутових відходів, а також відходів деревообробної й целюлозно-паперової промисловості.

В основі біологічної деградації лігноцелюлози лежить дія целюлолітичних ферментів. Реакційна здатність природних целюлозовмісних матеріалів невелика, тому сировина для ферментативного оцукрювання целюлози повинна мати велику поверхню, а мікрофібрилярна структура целюлози повинна бути зруйнована. Реакційну здатність природних субстратів також знижує наявність лігніну. Найбільш ефективним, а також дорогим й енергоємним способом попередньої підготовки сировини є розмел. Тому для передобробки використовують 0,5 – 2% розчини лугів, γ-опромінення, механо-термообробку в розведеній сірчаній кислоті з наступною екстракцією лігніну й ін. методи.

Гідроліз можна проводити й біологічним способом, за допомогою ферментів, які виділяються грибами видів Trichoderma, Aspergillus, Sporotrichum. Далі при використанні дріжджів можна одержати спирт, при використанні бактерій Klebsiella або Aeromonas – бутанол. Ряд мікроорганізмів роду Clostridium можуть продукувати оцтову й молочну кислоти, лактат, ацетон із соломи, відходів цукрового очерету. За допомогою Trichoderma reesii біомаса розкладається до вуглеводів.

Ферменти й целюлоза, що не розклалася, надходять у повторні цикли, а залишковий лігнін використовується як джерело енергії для перегонки спирту. Технологія, розроблена в Арканзасському університеті й використовується в промисловості нафтовою компанією «Галфойл», полягає в одночасному оцукрюванні целюлози й зброджуванні вуглеводів, отриманих шляхом гідролізу. Для цього до суміші целюлозної біомаси й дріжджів додають розчин целюлаз. Лігнін, що залишається, також використовується для перегонки як паливо, але пентози не зброджуються.

Третій вид технології складається в прямому зброджуванні целюлозними бактеріями гексоз і пентоз, які утворюються при гідролізі целюлози й геміцелюлози. Переваги цієї технології, розробленої в лабораторіях Массачусетського технологічного інституту, полягають у наступному: крім одночасної конверсії целюлози і пентози в етанол відбувається комбінація целюлозного й спиртового бродіння, а, крім того, необхідна попередня обробка субстратів зводиться до мінімуму.

При мікробній деградації й конверсії целюлози і геміцелюлози можна одержувати етиловий спирт і сировину для хімічної промисловості (фурфурол, феноли, крезоли). 200 000 т належним чином переробленої соломи дають 50 000 т етанолу й 20 000 т фурфуролу. За оцінками деяких фахівців, при мікробній переробці целюлози можна одержати до 30% нафтохімікатів. Методи генної інженерії допоможуть створити штами, які будуть краще адаптовані до цих типів конверсії й дадуть більший вихід. Це дозволить розробити реальну стратегію заміщення, яка стане ефективною (хімія карбону прийде на зміну нафтохімії при виробництві нових біополімерів, біорозчинників і біодетергентів). Перенесення генів целюлаз і геміцелюлаз із Clostridium thermocellum в інші види Clostridium дозволить перетворювати целюлозу й геміцелюлозу в етиловий спирт, ацетон, бутанол, оцтову й молочну кислоти.

Термофілія певних штамів Clostridium (при оптимальній температурі росту 65 – 75°С) створює переваги, тому що вартість перегонки етилового спирту й інших розчинників зменшиться, а це зробить виробничий процес більше економічним.

Дослідники з Університету Нового Південного Уельсу (Австралія) і Рутгерського університету (США) виявили, що бактерія Zymomonas mobilis, яка виділена з пальмового вина й мексиканського алкогольного напою пульке, зброджує вуглеводи у два рази швидше, ніж дріжджі. Цей вид також піддається геномній модифікації, що дозволить розкладати целюлозу з одночасним зброджуванням вуглеводів, які утворюються в ході деградації.

В умовах суворого анаеробіозу можна здійснювати біометаногенез ароматичних сполук. Цей процес, широко розповсюджений у природі, особливо у відходах і стічних водах, а також при конверсії деяких біоцидів. За спостереженнями Феррі й Вольфа, у цьому процесі беруть участь кілька видів мікробів, відповідальних за різні стадії деградації ароматичних кілець до ацетату, який є одним із субстратів для метанобактерій (іншими словами, його дегідрування дає електрони, які потрібні для відновлення двоокису карбону в метан). Серед бактерій видів превалюють, зважаючи на все, Methanobacterium formicicum й Methanospirillum hungati. Феррі й Вольфу вдалося їх вивести в чисті культури.

Бензольне кільце спочатку відновлюється й потім розрізається на аліфатичні кислоти під дією грамнегативних мікроорганізмів. Останні перетворюються в субстрати, які використовують метанобактерії. Електрони, які утворюються, імовірно, сприяють утворенню водню, який відновлює С₂ у СН₄.

Перетворення бензольного кільця в метан у процесі анаеробіозу не є правилом. Наприклад, у рубці жуйних тварин бензоат й ароматичні кислоти, які утворюються в результаті деградації целюлози, не призводять до утворення метану; їх можна виявити в сечі у вигляді гіпуратів та інших подібних сполук. У природних умовах ароматичні сполуки утворюються при повільному розкладанні танінів і лігніну головним чином завдяки позаклітинним мікробним ферментам.

Оскільки лігніни й таніни складають значну частину ґрунтового органічного матеріалу, метаногенез цих полімерів – важливий процес у вуглецевому циклі біосфери.

Одним із відходів сільського господарства є солома. Ці відходи важко використати, тому що швидкість розкладання соломи невелика. Найкращою є утилізація – інокулювання її з асоціацією целюлолітичних грибів, азотфіксуючих і полісахаридутворюючих бактерій. У такому вигляді солому можна заорювати в землю як органічне добриво, а можна через певний час використати як высокобілковий вітамінізований корм.