1598005439-1326b994f1090c560653e496106b7ac8 (811216), страница 64
Текст из файла (страница 64)
Так, например, если в смеси сахаров присутствует глюкоза, то некоторые микробы вначале будут разлагать глюкозу, что приведет к репрессии или блокированию метаболизма других сахаров (катаболитная репрессия), Метаболизм мальгозы и других сахаров, полученных путем гидролиза крахмала, может начаться, например, только после полного расщепления глюкозы. Такая метаболическая последовательность практически не влияет на периодическую ферментацию )'!5, 24), но может привести к снижению эффективности производства этанола при непрерывной ферментации, поскольку один вид сахара в сырье может ингибировать или подавлять метаболизм другого вида сахара.
3.6. Питательные вещества н витамины Для роста микробов, образующих этанол, важное значение имеют соли, Для обеспечения роста микроорганизмам требуются макропитательные вещества, такие, как азот, фосфор, калий, натрий и сера, а также микро- питательные вещества, такие, как цинк, медь, железо, магний и марганец ) 371, Макропитательные вещества нужны в первую очередь для синтеза клеточного материала, в то времи как микропитательные вещества выполняют функции коэнзимов и кофакторов.
Надлежащее количество макро- н микропитательных веществ зависит от типа ферментации. Так, 319 318 Часть !! Способы получения энергии из биомассы например, при поддержании слишком низкого содержания азота образуется меньше клеток и больше этанола. В тех случаях, когда нежелателен рост кле! ок, добавляются только микропитательные вешества для превращения ыпокозы в этавол. различные виды сахарного сырья содержат неодинаковое количес!во неорганических питательных вегпеств, поэгому возникают проблемы их сбалансирования для обеспечения оптимальной кинетики процесса.
Некоторые микроорганизмы нуждаются в специфических органических соединениях )витамины). Для роста дрожжеи обычно нужен биотин (витамин Н), но если дрожжи выращиваются аиаэробно, то требуются предшественники липидов. Для поддержания рН жидкой среды в пределах 3,5 — 5,0 требуется использование буферного компонента. Комплексные естественные субстраты, такие, как солод, имеют собственную буферную способность; однако для ферментации сахарных растворов требуется дополнительное буферное действие.
Калиевые и натриевые одно- и двухосновные фосфатные буферы хороши для нейтральной или слегка кислой среды, а углекислотный буфер — для ферментации в щелочной среде. 4. ФЕРМЕНТАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 4.1. Система нерноднчной ферментацнн При периодичной ферментацни субстрат загружают в реактор н добавляют посевную культуру. Процесс продолжается 4 — 10 сут. Содержимое ферментера перемешивают механически или естественно за счет выделяющегося диоксида углерода. Сахар или ферментируюшийся источник углерода добавляю! к вырашиваемой культуре периодически, уменьшая интервалы подачи или непрерывно увеличивая интенсивность. по мере роста микробной кулшуры. 4.2. Система непрерывной ферментацин Для непрерывной ферментации может быть использован бродильный аппарат того же типа, что и для периодического процесса, но несколько модифицированный )'36, 38, 391. В этом случае сахар и питательная среда непрерывно добавляются в реактор при выходящих продуктах, содержащих этанол и клеточный материал, который непрерывно обрабатывается для отделения гшеток и извлечения основного продукта.
Поскольку концентрация сахара в бродильном аппарате остается близкой к нулю, не возникает никаких проблем, связанных с вредным действием высоких концентраций сахара на рост клеток или производство этанола. Интенсивность добавления сахара регулируется таким образом, чтобы исключить ингибируюшее действие этанола и снижение скорости роста микроорганизмов. Для большей эффективности бродильный аппарат непрерывного действия должен эксплуатироваться в режиме, близком, но несколько ниже максимальной скорости роста клеток (равной максимальной скорости разбавления). Если на начальной с~адин окажется слишком большое количество сахара, то это может привести к образованию в бродильном аппарате высокой концентр ации этанола, что в свою очерс,п, вызовет ингибирование роста микроорганизмов.
Если же скорость разбавления превышает скорость роста культуры, то культура будет разбавляться и «вымываться» из бродильного аппарата. При эксплуатации бродильного аппарата в условиях вакуума !28, 40, 411 этанол по мере образования непрерывно удаляется из жидкой среды и его ингибируюшее действие на рост клеток снижается. При этом повышается скорость производства этанола иа 1 л жидкой среды и образуется конденсат с более высокой концентрацией этанола. Большая плотность клеток микроорганизмов после снижения этанольного ингибирования достигается путем возвращения клеток из отходящих продуктов в бродильн!лй аппарат )42).
4,3. Клетки, лишенные подвижности Поскольку производство этанола не зависит от росса клеток, последние могут быть лишены подвижности, если их заключить в гели и поместить в реактор непрерывного действия !43, 443. Поддерживая условия, при которых не происхолит роста клеток. можно превратить в зтанол свыше 95',:; глюкозы !441. Кроме того, в этом случае достигается большая плотность клеток, чем при их рециркуляции, не говоря уже о том, что отпадает необходимость в системах для отделения клеток центрифугированием и для их рециркуляции. Со~звено имеюшимся данным, производительность этанола на! г сухой массы клеток, лишенных подвижности, увеличивается более чем на 80;,', по сравнению с производительностью со свободно суспендированными клетками.
Наконец, в этом процессе получается жилкость, которая может направляться на отгонку этаиола без предварительного отделения клеток центрифугированием. б. ВЫВОДЫ В настояшее время нет единого мнения относительно целесообразности производсгва топливного этанола ферментацией, Более того, до сих пор прололжаются дебаты по поводу возможного сопоставления стоимости энергии, содержашейся в этаноле, со стоимостью энергии, затраченной на его производство !3, 4]. Однако помимо этих проблем существуют проблемы технического характера, связанные с производством этанола. Одна из них заключается в процессе отгоики этанола. Для того чтобы этанол бьш конкурентоспособен по стоимости с бензином, для его производства необходимо лоступное дешевое сырье и эффективный процесс переработки субстрата в этанол.
На сегодняшний день таким эффективным способом переработки является только дрожжевая фер- 320 32! Часть Н Способы получения энергии вз биомассы ментация. Поэтому все усилия должньг быть сосредоточены на совершенствовании биохимического способа переработки субстрата. В процессе бактериальной ферментации этанол является одним из многих конечных продуктов, и его общий выход значительно снижается, если углеродсодержащий субстрат расходуется иа образование различных кислот, спиртов и диоксида углерода. Биохимический механизм обмена, с помошью которого производятся эти отходяшие продукты, регулируется генетически н физиологически, и понимание это~о механизма позволит изменять соотношения конечных продуктов [!8).
Если эксперименты окажутся успешными, то можно будет разработать достаточно эффективные системы ферментации при высоких температурах. Кроме того, необходимо для каждого субстрата, предназначенного для ферментации в этанол, выбрать наилучшую микробную культуру. Так, Бассйатотусев сегештдае оказывается эффективной для ферментации сахаровы или глюкозы, но совершенно бесполезна для молочнокислотной ферментации. Многие промышленные пропессы могут быть использованы для переработки более чем одного субстрата, т.е. картофеля, кукурузы и хлебных злаков вмесге взятых. Однако влияние смешанных субстратов на производство этанола пока не ясно.
Возможно, что большая эффективность может быть достигнута именно за счет применения смешанных, а не чистых дрожжевых культур. До сих пор остается неизвестным, допустимо или нет использование в качестве сырья сельскохозяйственных продуктов, загрязненных афлатоксинами или пестицидами, поскольку эти загрязнители мос ут оказывать отрицательное действие на образование протеина одноклеточных микроорганизмов и тем самым ограничивать их использование. Кроме того, токсины могут ингибировать кинетику превращения сахара в этанол. Процесс отгонки этанола, по-видимому, может быть улучшен либо путем создания культуры, способной расти в растворах с высоким содержанием этанола, либо путем совершенствования химической технологии производства этанола.
Вероятно, предпочтение следует отдать второму пути, тем более что в этом направлении уже сделан решительный шаг-вакуумная перегонка этанола. Не исключено, что сочетание вакуумной перегонки и ферментации с участием клеток, лишенных подвижности, позволит значительно уменьшить стоимость отгонки зтанола, Стоимость извлечения зтанола может быть также снижена за счет усовершенствования сольвентной экстракции, Литература 1. О'Бий!чап Гу.А. ()Х вот(шйор игдев вйег иве оГ ейапо1. Сбей. Епд. Агевв, 57, !7, !1-12 (1979). 2. Хочо !пдивсгу, Хоче епхугиев Гог а1соЬо! Ргодисцоп: Сопчешюп оГ всагсЬ, Хочо 1пдивсгу, Машагопесй Хев УогК !977. 3. Апдегвоп Е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
