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.

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).

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.

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 древе­сины. 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).

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 от­расли лесоводства. Получаемые в этих отраслях материалы представля­ют собой соединения различной химической сложности и включают са­хара, крахмал, целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин.

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 (производ­ство этанола как горючего для двигателей внутреннего сгорания). Бразильский пример быстро убеждает многие другие страны в перспективности такой новой технологии.

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

Половину высушенной растительной массы как сельскохозяйствен­ного, так и "лесного" происхождения составляет один из самых распро­страненных 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.

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.

Использование побочных продуктов в качестве сырья для биотехнологии.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 от­ходов в полезные целевые продукты. 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.

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.

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.

Химические и нефтехимические субстраты.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. 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.