Превращение микроорганизмами растительного сырья (биоконверсия)

Во второй половине XX в. в мировой экономике остро стал ощущаться дефицит энергии, пищи и сырья для промышленности. Возникла угроза загрязнения окружающей среды. Эти явления приняли характер глобальных проблем.

Все больше мысль человека стала обращаться к продуктам фотосинтеза как возобновляемому и практически неисчерпаемому источнику энергии, как перспективному сырью для получения продуктов питания и производства различных материальных ценностей. Одновременно внимание было обращено на микроорганизмы как мощную и многообразную каталитическую систему, способную трансформировать природные органические вещества растительного происхождения в любые нужные человеку формы в технически несложных сооружениях, в управляемых, независимых от климата условиях, при сравнительно небольших затратах энергии и труда. Следовательно, целью биоконверсии является получение из недефицитного возобновляемого сырья пищевых и кормовых продуктов, жидких и газообразных видов топлива, химических продуктов и медикаментов, а также защита окружающей среды.

Следовательно, человечество с каждым годом все больше убеждается в том, что основное наше богатство — растительная биомасса (возобновляемые ресурсы органического вещества), которая ежегодно образуется в реакциях фотосинтеза в количестве 2* 10^м т по углероду или 3* I0¹² Гкал по запасенной энергии. При этом для питания человека требуется 0,5%, а для покрытия всех мировых энергетических нужд около 10% этой энергии.

Мощные фотосинтезирующие системы компенсированы столь же мощными гидролитическими системами, причем главным образом за счет ферментов микробного мира. Однако в природных условиях, например в почве, разрушение растительных остатков идет медленно — неделями и месяцами. Другое дело — биоконверсия в реакторах в управляемых условиях.

Под управляемой биоконверсией растительного сырья необходимо понимать превращение компонентов растительной массы микробиологическим или ферментативным путем в различные полезные вещества и продукты в регулируемых условиях.

Для биоконверсии углеводов растительного сырья используют различные микроорганизмы — бактерии, актиномицсты, дрожжи, микромицеты. Продукты биоконверсии растительного мира широко применяются в питании человека (хлеб, квашеные продукты, алкогольные и др. напитки, кислоты и т. д.), в кормлении животных (силос, сенаж, дрожжи, продукты биосинтеза и др.), а также в производстве медикаментов, химикатов, жидких и газообразных видов топлива и др.

Растительное сырье делят на растворимое и нерастворимое. Процессы ферментации наиболее изучены при биоконвсрсии растворимых субстратов. Известно много вариантов ферментационных процессов: глубинная и поверхностная ферментация; аэробная и анаэробная; периодическая и непрерывная; монокультурная и поли культурная; спонтанная; мезофильная и термофильная ферментация и др.

Ферментация нерастворимых субстратов также существует в разных вариантах. Так, в сельском хозяйстве практикуют твердофазную ферментацию растительной массы в анаэробных условиях с целью консервирования кормов. Твердофазная ферментация представляет большой интерес при биоконверсии такого нерастворимого растительного сырья, каким является большинство крахмали целлюлозосодержащих сельскохозяйственных продуктов и отходов производства.

Важное значение в создании процессов получения нужных целевых продуктов методами биоконверсии имеет выбор растительного сырья. Прежде всего анализируются затраты энергии на получение этого сырья. Считают, что высоким выходом энергии отличаются травы (люцерна и др.), а поэтому получение различных продуктов из трав считается весьма перспективным направлением. Большой интерес представляет фракционирование зеленой массы с целью получения белковых концентратов кормового и особенно пищевого назначения.

Говоря о биоконверсии крахмалсодержащего сырья, необходимо отметить возможность получения белка из крахмала п>тем прямого культивирования на этих субстратах микробов с амилазной активностью, в том числе дрожжей.

В настоящее время интенсивно изучается энзимная биоконверсия целлюлозы. Это направление открывает перспективу получения из нее всех продуктов, которые сегодня производят из глюкозы.