Криобиологические сосуды > Энергия и биотехнология > Энергобаланс

Энергобаланс


Общий баланс энергии как при производстве спирта, так и при анаэробной переработке может быть слабо положительным или даже отрицательным, поскольку при производстве сырья, его переработке, сортировке, очистке или отжиме потребляется зна­чительное количество энергии. Эти энергозатраты покрываются за счет использования остатков растительного сырья (багассьр или соломы), сжигания древесины или ископаемого топлива. Используются также «тепловые отбросы» электростанций.
Если рассматривать лишь производство этилового спирта, то количество энергии, расходуемой на выработку одного литра продукта, равно или превышает ее количество, запасенное в дан­ном объеме спирта. Поэтому, чтобы получить выигрыш, энерго­обеспечение процесса должно осуществляться за счет возобнов­ляемых источников либо энергопоставляющих побочных продук­тов. На сегодняшний день производство на основе сахарного тростника — это единственный пример процесса с положитель­ным энергобалансом. Необходимую энергию получают, сжигая отжатый тростник (багассу). С другой стороны, производства на основе крахмала или сахарной свеклы требуют дополнительных энергозатрат. Если для этого используется нефть, то выигрыш в энергии в пересчете на жидкое топливо бывает либо небольшим, либо нулевым. С другой стороны, когда топливом служит уголь, то мы по сути имеем дело с одним из процессов превращения его в жидкое горючее для транспорта. Это позволяет экономить энергию, запасенную в нефти. Отметим также, что в производ­ствах на основе сахара или крахмала стоимость сырья состав­ляет 60—85% от стоимости получаемой продукции; здесь воз­можны и снижение цен, и повышение урожайности. В результа­те с учетом качества энергии, стоимости и экономичности этот процесс привлекает все большее внимание.
Научные исследования нацелены сегодня на увеличение эф­фективности использования субстрата, выхода продукта в объ­емном исчислении, его концентрации и на разработку способов осуществления процесса при повышенной температуре. Эти усо­вершенствования помогут экономить дорогой субстрат путем снижения его затрат на выращивание клеток (повторное их ис­пользование или иммобилизация) или подавления побочных реакций, дающих нежелательные продукты (глицерол, ацетат и т. п.). Кроме того, они помогут экономить энергию: уменьшит­ся необходимость охлаждения ферментеров, снизятся затраты на перегонку. Все эти изменения будут плодом совместной рабо­ты микробиологов и инженеров.
Если рассматривать микробиологическую сторону процесса, то основной целью здесь является улучшение ответа микроорга­низмов на изменение концентрации О2, подбор концентрации субстрата и специфичности его использования, повышение кон­центрации спирта. Нужно оптимизировать температуру, соотно­шение стадий брожения и роста клеток, образование побочных продуктов и флокуляционные характеристики дрожжей. Последнее особенно важно, поскольку самоосаждающиеся клетки легко отделить простым отстаиванием, не используя дорогие и энерго­емкие центрифуги. Основной способ улучшения производства по-прежнему состоит в селекции устойчивых штаммов дрожжей. Неустойчивость частично обусловлена осмотическими эффекта­ми, а частично — влиянием накопленного спирта на проницае­мость мембран. Один из возможных выходов заключается в рас­ширении набора используемых организмов (путем включения, например, S. mobilis, видов Clostridium и т. п.). Другой путь — использование генетических методов для передачи полезных ка­честв от различных дрожжей и бактерий дрожжами S. cerevisiae. Вторая возможность кажется особенно привлекательной, так как при работе с этими дрожжами промышленностью на­коплен большой опыт. Кроме того, хорошо изучен их жизненный цикл и генетика, получены плазмидные векторы. Следует ска­зать, что многие используемые промышленностью штаммы дрожжей являются полиплоидными, не принадлежат к опреде­ленному типу скрещивания, а жизнеспособность образуемых ими спор низка. Все это затрудняет их генетический анализ и улучшение при помощи обычных методов скрещивания, что и заставляет обратиться к рекомбинантным методам. Сейчас ве­дутся эксперименты по переносу генов амилазы и целлюлазы в клетки дрожжей.
Что касается самого брожения, то уже выполнена большая работа для систем с иммобилизованными клетками, что позво­лит сделать процесс непрерывным, без повторного использова­ния клеток. Разрабатываются также системы с повторным ис­пользованием дрожжей и отгонкой спирта при пониженном дав­лении (вакуумное брожение). Сложности в разработке обеих систем связаны с интенсивным выделением СО2, который нуж­но удалять, и с необходимостью контролировать рост клеток. Нужна очищенная, не содержащая взвешенных частиц стериль­ная питательная среда. Далее, немалые затруднения возникают из-за высокой стоимости среды, поскольку для достижения большой продуктивности нужны высокие степени разведения, а при высоком разведении плохо используется субстрат. По этим причинам, возможно, придется остановиться на серийном выращивании. В случае микробного заражения потребуется си­стема дублирования. Учитывая все это, сегодня подобные систе­мы вряд ли будут экономически конкурентоспособными.
Все эти проблемы придется решать биотехнологам, исполь­зуя опыт и микробиологов, и инженеров.