Криобиологические сосуды > Химия и биотехнология > Химические вещества, получаемые из биомассы

Химические вещества, получаемые из биомассы


Известно, что после окончания второй мировой войны химиче­ская промышленность получала из природного газа и нефти разнообразные виды сырья высокой чистоты в большом коли­честве и по относительно стабильным ценам. Сегодня многое в этой сфере изменилось, кроме того, за последние пятнадцать лет больших успехов достигла биотехнология. Все это побудило переоценить возможности использования биомассы для произ­водства химических веществ. До развития нефтехимии из био­массы получали многие виды сырья для химической индустрии, например жиры и масла (для производства мыла и детергентов), метанол (путем сухой перегонки древесины) и растворители (за счет сбраживания крахмала и Сахаров). Цены и доступность этого сырья (биомассы) существенно менялись. Как уже гово­рилось в этой главе и в гл. 5, большую роль в производстве химических веществ и полимеров, которые находят применение во многих отраслях промышленности, играет биомасса в виде сбраживаемых Сахаров. Но в этом разделе мы уделим особое внимание использованию главных запасов биомассы — лигно­целлюлозы. Утилизация биомассы основана на процессе ее кон­версии в сбраживаемые субстраты, которые в свою очередь служат сырьем для многих отраслей микробиологической про­мышленности, производящих химические вещества, горючее и продукты питания. При этом необходимо эффективно исполь­зовать все компоненты биомассы: целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин. Лигнин защищает полиглюкан от действия ферментов, так что для успешного использования полимерной целлюлозы необходимо прежде всего удалить гемицеллюлозы, далее раз­рушить комплекс лигнина с целлюлозой, а затем —и кристал­лическую структуру самой целлюлозы. Эти задачи могут быть решены с применением разнообразных химических, физических и микробиологических методов.
Гемицеллюлозы легко удаляются путем растворения в сла­бой кислоте в ходе первичной обработки биомассы. При произ­водстве глюкозы из древесины довольно успешно применяется гидролиз слабым раствором кислоты при высоких давлении и температуре. Этот способ нашел применение в ряде стран. Го­раздо эффективнее гидролиз концентрированной кислотой, но для осуществления этого процесса требуются большие капита­ловложения. Особенно успешно применяется плавиковая кисло­та, причем безводную кислоту можно регенерировать. Лигноцел-люлозу можно также размалывать и затем подвергать радиа­ционному облучению в больших дозах. Получаемый такими способами лигнин различается по своим свойствам. Очищенные лигнины используются при выработке клеев, смол, адгезивов, типографской краски, для диспергирования красителей; они применяются как адсорбенты, изоляторы, используются при до­быче йефти, в асфальтовых смесях и при нанесении полимеров. После удаления лигнина экстракцией растворителями получают кристаллическую целлюлозу, которая идет на нужды бумажной-промышленности. Рентабельность этого процесса определяется главным образом стоимостью регенерации растворителя. При­мером одностадийного процесса, протекающего в мягких усло­виях, является экстракция фенолом при 100 °С, когда лигнин-и гемицеллюлозы растворяют в феноле, а высвободившуюся после фильтрования целлюлозу используют для выделки бумаж­ной массы. По мере остывания фенольного экстракта гемицел-люлоза концентрируется главным образом в водной фазе, от­деляясь от масел и лигнина, которые можно использовать для производства новых порций фенола  методом гидрокрекинга-Таким образом, в отношении фенола и энергетических потреб­ностей— это  самообеспечивающийся  процесс.  При  «паровом взрыве» лигноцеллюлоза претерпевает превращения, в резуль­тате которых она становится более чувствительной к фермен­тативному гидролизу (как в рубце животных, так и вне его). При этом увеличивается и выход реакционноспособных лигни-нов, высвобождаемых под действием слабой щелочи. При раз­рушении замораживанием используется жидкий аммиак. В слу­чае умеренно твердой древесины метод автогидролиза на основе парового взрыва дает отходы, пригодные для дальнейшей пере­работки микробами; древесина хвойных и тропических пород, более богатая лигнином, плохо поддается такой обработке.
Для ферментативного превращения целлюлозы в глюкозу необходимы дорогостоящие целлюлазы и, возможно, для их по­лучения придется провести отбор мутантов с повышенной цел-люлолитической активностью. Достигнутая на сегодня скорость гидролиза целлюлозы все еще низка,, но такую переработку можно объединить с процессом брожения при участии дрожжей, так что глюкоза будет и образовываться, и потребляться в од­ном и том же ферментере. Достоинства и недостатки такого-процесса были изучены на опытных установках. Проведены ис­следования по клонированию генов целлюлаз и включению их в геном подходящих организмов-хозяев, которые тем самым приобретают способность к деградации содержащих целлюлозу субстратов. Такой прием позволяет осуществлять более широ­комасштабное и эффективное производство химических веществ из биомассы с помощью ферментов. Альтернативой прямой мик­робной конверсии является применение высокотемпературных анаэробных' процессов при участии Clostridium thermocellum когда одновременно идут и гидролиз, и ферментация.
При помощи ферментов ксиланаз гемицеллюлозы могут быть разрушены с образованием пентозных Сахаров. Найдены виды дрожжей, способные осуществлять ферментацию пентоз, но она чувствительны к спирту. Порог этой чувствительности может быть изменен генетическими методами; кроме того, путем кло­нирования гена ксилоизомеразы дрожжам Saccharomyces может быть передана способность потреблять ксилозу. Это позволит им осуществлять конверсию ксилозы (субстрата, на котором они не растут) в ксилулозу (субстрат, который они сбражи­вают).
Биодеградация лигнина — это окислительный процесс, осуще­ствляемый в первую очередь грибами. Высвобождающейся при этом энергии, по-видимому, недостаточно для обеспечения роста микроорганизмов. Сегодня изучению микробиологических и био­химических аспектов деградации лигнина уделяется все больше внимания. Показано, что в эксперименте внеклеточные фермен­ты гриба Phanerochaete chrysosporium могут осуществлять де­градацию лигниновых модельных субстратов, при этом в про­цессе окислительного расщепления пропильных боковых цепей лигнина участвует перекись водорода.
Обнаружено, что Acetobacter xylinum может синтезировать целлюлозу из Сахаров и крахмала. Это создает предпосылки для получения чистого полимера, необходимого для производ­ства вискозы, целлофана и других целлюлозных полимеров, вы­рабатываемых сегодня на основе лигноцеллюлозы, из которой удален лигнин.
Дискутируется вопрос о том, смогут ли конкурировать с та­ким сырьем, как целлюлоза, хитин (высокомолекулярный по­лимер N-ацетилглюкозамина) или же хитозан (сходный полимер-с небольшим числом ацетилированных N-групп), особенно если иметь в виду, что запасы их ограничены. Хитин можно получать из антарктического криля (рачков), отходов при переработке водных животных, имеющих панцирь, или же из грибного ми­целия—отхода бродильной промышленности. Оба полимера мо­гут иметь разнообразное применение: как адгезивы, коагулянты, переносчики лекарственных веществ, а также как добавки при выделке бумаги и тканей.