Микробы

Этиловый спирт используется для технических нужд - для производства синтетического каучука, как растворитель, для синтеза других веществ, а также на изготовление напитков и медицинские нужды. Спиртовое брожение — хорошо изученный биохимический процесс. Спиртовое брожение вызывают чаще всего дрожжи, реже некоторые бактерии (Sarcina) и плесневые грибы (Mucor). В промышленности дрожжи обычно разделяют на верховые и низовые. Верховые дрожжи интенсивно ведут брожение и труднее осаждаются. К ним принадлежат спиртовые и хлебопекарные дрожжи Saccharomyces cerevisiae, а также винные дрожжи из вида Saccharomyces elipsoideus. К низовым дрожжам относятся виды, используемые в пивоваренной промышленности. В производстве процесс брожения ведут 2 - 3 суток.

В ходе брожения углеводы распадаются в конечном итоге до этилового спирта, углекислого газа и воды. Промежуточный продукт - ацетальдегид. Если к питательной среде добавить сульфиты, которые связывают ацетальдегид, при брожении можно получить значительное количество глицерина, что и применяется в промышленности. В этом случае основной конечный продукт брожения - трехатомный спирт глицерин. В процессе спиртового брожения могут накапливаться изоамиловый, амиловый и изобутиловый спирты (сивушные масла). Некоторые дрожжи и бактерии способны продуцировать бутанол, а также 2,3-бутандиол. Эти продукты обычно синтезируют из нефти, однако микробное получение этанола и других спиртов вызывает все больший интерес.

В России большая часть этанола получается микробиологическим путем из растительного сырья. Сырьем могут быть гидролизаты древесины, меласса, крахмал, молочная сыворотка. Отходы производства этанола содержат белки, углеводы, рибофлавин и др. витамины, и могут использоваться как кормовая добавка.

При получении спирта из древесины перед гидролизом древесину размельчают до стружек толщиной 3 мм, шириной 10 - 70 мм и длиной 25 мм. Гидролиз идет в больших (до 50 кубометров) гидролизных аппаратах, которые наполняют стружкой, добавляют 0,5%-ный раствор Н2SО4 и вводят пар давлением 1-1,2 МПа. Варка идет 40—50 мин. Выход сахара 45— 48% от сухой массы древесины. Реакция среды полученного гидролизата кислая, рН 1,8—2,2, поэтому гидролизат нейтрализуют известковым молоком, в котором содержится 1,1 —1,2 кг/л извести; в гидролизате сравнительно мало азота и фосфора, поэтому предварительно к каждому кубическому метру гидролизата добавляют 0,3 кг суперфосфата и 0,15 кг сульфата аммония. При температуре 85°С через гидролизат продувают воздух, рН среды 5-6. Гипс осаждают, а прозрачную часть гидролизата после охлаждения используют для сбраживания.

Спирт получают и из мелассы. Предварительная подготовка питательной среды очень проста - мелассу разбавляют и добавляют питательные соли. Для приготовления напитков используют спирт, полученный только из пищевого сырья. Для технических нужд используют спирт, полученный из гидролизатов древесины, сульфитного щелока.

Сдвиг в сторону получения микробиологического этанола наблюдается и в др. странах. Найдены бактерии Zymomonas mobilis, которые вдвое эффективнее сбраживают углеводы в этанол, чем дрожжи. В Бразилии производство топливного спирта вносит наибольший вклад в энергобаланс страны и составляет миллиарды литров.

Ферментация мелассы различными видами Clostridium acetobutilicum, другими бактериями, вызывающими маслянокислое брожение, может быть использована для получения не только этанола, но и ацетальдегида, уксусной кислоты, этилацетата и диэтилового эфира. Субстратом для такого брожения могут быть зерновые, мелассно-зерновые заторы или меласса. Если среду готовят из зерна, например, кукурузы, то сначала получают муку грубого помола, ее смешивают с водой из расчета 6—8 кг муки на 100 л воды. Затем затор варят 2 ч под давлением 0,2 МПа и стерилизуют. Охлажденную до 37—42°С массу сбраживают в течение 2 суток, рН среды 5-7. В процессе брожения из глюкозы образуется смесь, содержащая 6 частей бутилового спирта, 1 часть этилового спирта и 3 части ацетона. Разработаны методы получения ацетона и бутилового спирта из сульфитного щелока и гидролизатов древесины. В ацетоно-бутиловом брожении в первый период образуется уксусная и масляная кислоты, выделяется водород и углекислый газ. Затем масляная кислота восстанавливается до бутилового спирта.

Штаммы-продуценты первичных метаболитов получают путем индуцированного мутагенеза, так как в природе мутации, ведущие к сверхпродукции одного из метаболитов вредны. Нарушения в обмене веществ приводят к снижению конкурентоспособности и жизнеспособности микроорганизмов. Первичные метаболиты синтезируются природными микроорганизмами в количествах, необходимых лишь для удовлетворения их потребностей. Мутантные формы микроорганизмов могут синтезировать аминокислоты вплоть до концентрации 100 г/л (для сравнения - организмы дикого типа накапливают аминокислоты в количествах, исчисляемых миллиграммами).