53)Производство микробных полисахоридов. Использование микробных полисахаридов

Производство микробных полисахаридов на основе почвенных микроорганизмов в виде постферментационной суспензии как готовой формы представляет собой безотходный процесс, а их использование (в частности, в виде таких композиций как биополимер-силикатные гели) экологически безвредно. К настоящему времени в мировом производстве водонабухающих и водорастворимых полимеров наблюдается тенденция, по крайней мере, к стабилизации стоимости этих продуктов и выпуску полимеров с ярко выраженными функциональными свойствами. При такой тенденции будущее принадлежит микробным полисахаридам. Действительно, цена синтетических полимеров из-за стремительно сокращающихся запасов нефти может только возрастать, тогда как промышленный синтез полисахаридов основан на использовании воспроизводимого сырья. При этом среди полисахаридов различного происхождения микробные полисахариды обладают свойствами, наиболее удовлетворяющими различные отрасли промышленности.

В настоящее время за рубежом производство полисахаридов с помощью микробного синтеза достигает сотни тонн в год. Значительная часть получаемых микробных полисахаридов используется в пищевой промышленности. С помощью микробного синтеза можно получить полисахариды с наперед заданными свойствами: температурным и кислотным оптимумом, желаемой степенью набухаемости. Как доказано рядом расчетов, производство микробных полисахаридов экономически более целесообразно, чем получение других полисахаридов.

54)Метаногенные бактерии. Общая характеристика. Метаболизм метагенных бактерий

Метаногенные бактерии включают три рода микроорганизмов:

– представители первого рода имеют форму прямых или изогнутых палочек размером307 мкм, которые образуют нити, большинство из них неподвижны;

– представители 2 рода имеют сферические клетки размером 0,5–10 мкм неправильной формы. Клетки могут быть одиночными, располагаться попарно или в виде скоплений. Есть неподвижные и подвижные формы;

– третий род – неподвижные бактерии, состоящие из крупных сферических клеток размером 1,5–2,5 мкм. Все метаногенные бактерии – облигатные анаэробы, чувствительные к окислительно-восстановительным реакциям среды. Оптимальное значение рН для них ограничено узким интервалом 6,8–7,5.

Почти все метаногенные бактерии принадлежат к мезофилам. Оптимальная температура составляет 35–40 °С. Половина метанообразующих бактерий в качестве источника углерода используют углекислый газ. Сложные органические соединения метаногенные бактерии потреблять не могут. Источником азота для метанобразующих бактерий служат аммонийные соединения. Наиболее характерной особенностью метаногенных бактерий является специфичность отдельных видов по отношению к донору водорода. Большинство этих бактерий способно потреблять водород.

Эти микроорганизмы способны преобразовывать сложные органические соединения в более простые, к примеру, белки расщепляются до пептидов и аминокислот, углеводы становятся простыми сахарами, а жиры преобразуются в глицерин и жирные кислоты. После окончания первой фазы брожения образуются масляная, уксусная и пропионовая кислоты, спирты и альдегиды, а также ряд других неорганических соединений, к числу которых относятся сероводород, водород и аммиак. Только после этого к работе приступают метаногены.

Метаногенные бактерии образуют метан путем восстановления диоксида углерода молекулярным водородом. Метан является основным продуктом их метаболизма. Считают, что весь метан биогенного происхождения на Земле образован деятельностью метаногенных бактерий. Их ежегодная производительность составляет около 1,0 х 10® т метана

55) Технология производства биогаза. Микробные сообщества, участвующие в процессе производства метана. Биогаз содержит 55–70% метана и 30–45% углекислого газа, в его состав также входят следовые количества водорода, сероводорода, аммиака, азота, ароматических и галогенароматических углеводородов. В нём заключено больше энергии, чем в других видах альтернативного топлива; для производства биогаза, в отличие от биодизеля и биоэтанола, нет необходимости специально выращивать сельскохозяйственные растения. В основном биогаз образуется при разложении отходов животноводства и очистке сточных вод, Из твёрдых отходов метан получают с меньшим успехом. Микробные сообщества синтезируют биогаз при температурах 37 и 55 °С. Конверсия сельскохозяйственных отходов в биогаз осуществляется под действием естественно сложившихся метаногенных микробных сообществ в анаэробных условиях. Такие микробные сообщества основаны на синтрофных взаимодействиях микроорганизмов разных систематических и физиологических групп, осуществляющих межвидовой перенос интермедиатов (водорода, ацетата, формиата). Процесс начинается с гидролиза биополимеров растительного сырья и отходов внеклеточными ферментами бактерий рода Clostridium. Далее продукты гидролиза подвергаются брожениям разных типов под действием микроорганизмов сем. Clostridiaceae, Enterobacteriaceae, Lactobacillaceae, Streptococcaceae, и образуется смесь летучих жирных кислот, спиртов и газов. Далее следует синтрофная стадия, на которой продукты брожения используются бактериями родов Synthrophomonas и Synthrophobacter с образованием субстратов метаногенеза (Н2, СО2 и ацетата). Завершающая стадия процесса приводит к образованию метаногенными археями биогаза. ПРОЦЕСС ПРОИЗВОДСТВА БИОГАЗА Производство биогаза представляет собой сложный биологический и химический процесс, во время которого на органические вещества воздействуют различные бактерии. Во время процесса органические соединения разлагаются на элементарные, которых метаногенные бактерии превращают в биогаз– в соединение метана, углекислого и иного газа. Метаногенные бактерии являются очень чувствительными анаэробами, поэтому температура, кислотность и щелочность, окислительно-редукционный потенциал и другие факторы окружающей среды должны соответствовать их требованиям. Активность обмена веществ и интенсивность производства метана так же зависит от состава субстрата, поддерживаемой температуры и ее колебаний, срока выдержки, факторов ослабления. Производство метана может осуществляться в широком температурном диапазоне – с 0 до 100 ºC. Но для каждого вида микроорганизмов, участвующих в процессе, необходима только им присущая оптимальная температура. В биоэнергетике принято распределят температуру на три группы: психрофильная (10 – 25 ºC), мезофильная (25 – 40 ºC), термофильная (50 – 65 ºC). Мезофильные биогазовые реакторы чаще всего используются для переработки навоза и отходов пищевых предприятий. Для нормальной ферментации необходима устойчивая рабочая температура. Биомасса в реакторе содержится установленное время, за которое большая часть ее разлагается и превращается в биогаз. Данный срок зависит от происхождения и состава биомассы. Продолжительней всего происходит разложение целлюлоза и гемицеллюлоза – связующих веществ биомассы. Быстрее всего разлагаются белки, жиры и углеводы. Чем продолжительней переработка биомассы, тем больше энергетических затрат, поэтому при выборе сырья для производства биогаза и составляя программу производства необходимо провести оценку энергетической эффективности. Отходы скотобойного производства (содержание внутренностей, кровь, жир) содержат огромный энергетический потенциал. Но их использование находится под строжайшим контролем ввиду потенциальной опасности переносить заболевания и опасные бактерии через биореакторы в поля, удобряемые переработанной биомассой. По этой причине отходы скотобойного производства до переработки должны проходить термическое обезвреживание. С этой целью в биогазовых установках устанавливается оборудование по обезвреживанию, автоклавы, в которых отходы содержатся определенное время в условиях повышенной температуры (70 - 130 ºC). Энергетическая ценность биогаза непосредственно связана с концентрацией метана. При содержании метана более 55%, биогаз считается ценным топливом. Метан –без запаха, нетоксичный и легче воздуха. При сгорании метан превращается в углекислый газ и водяной пар. Структура и технологическая схема биогазовой установки зависит от различных факторов: вида и состава сырья, способа его поставки, типа и размера биореакторов, параметров процесса, применения переработанного субстрата, количества и состава полученного биогаза, типа и количества устройств энергетической конверсии, потребителей выработанной энергии. В классической биогазовой установке устанавливается оборудование сбора, подготовки и транспортировки сырья, оборудуются биореакторы, хранилища произведенного биогаза, очистительные и сооружения для сжигания, резервуары переработанной массы, сепараторы, устройства по управлению технологического оборудования и накапливанию данных, электротепловые сети и оборудование по их распределению. Срок службы биореакторов биогазовой установки - более 25-30 лет. 56) Биотехнология. Микробное выщелачивание металлов Биогеотехнология - использование геохимической деятельности микроорганизмов в горнодобывающей промышленности. Это экстракция и концентрирование металлов при биологической очистке сточных вод предприятий горнодобывающей промышленности и флотационных процессах: выщелачивание бедных и отработанных руд, десульфирование каменного угля, окисление пиритов и пиритсодержащих пород. Своими корнями биогеотехнология уходит в геологическую микробиологию. Микроорганизмы принимали и принимают активное участие в геологических процессах. Биологические свойства различных групп микроорганизмов и особенности их жизнедеятельности в месторождениях полезных ископаемых составляют научные основы биогеотехнологии. Способность некоторых микроорганизмов окислять восстановленные соединения серы и металлов применяют в биогидрометаллургии бедных руд. Суспензия таких микробов, обогащенная кислородом, осуществляет реакции, переводящие металл (Ме) в растворенное состояние:

FeS2 + 3½O2 + H2O → FeSO4 + H2 SO4

S0 + 1½O2 + H2O → H2 SO4

2FeSO4 + ½O2 + H2 SO4→ Fe2(SO4)3 + H2O

MeS + 2Fe3+ → Me2+ + 2Fe2+ + S0

Полученный раствор концентрируют и осаждают из него металл. В технологических условиях процесс проходит под действием микробного сообщества, включающего грамотрицательные ацидитиобациллы и лептоспириллы, грамположительные сульфобациллы и археи ацидианусы, металлосферы, сульфолобусы и ферроплазмы. В зависимости от условий один или несколько штаммов в сообществе численно преобладают. Все участвующие в процессе микроорганизмы обладают устойчивостью к высоким концентрациям металлов. Извлечение (выщелачивание) металлов с помощью микроорганизмов осуществляют тремя основными способами. При кучном выщелачивании отвал бедной руды орошают аэрируемой суспензией микроорганизмов. Из стекающего с кучи раствора осаждением или электролизом извлекают металл, а раствор вновь направляют на орошение руды. При подземном выщелачивании обогащенную кислородом суспензию микроорганизмов закачивают в скважину. При чановом выщелачивании сложные руды и концентраты перерабатывают в специальных установках, обеспечивающих непрерывный проточный режим. Микробиологические процессы используют при получении меди, урана, марганца, а также для освобождения олова, серебра и золота из кристаллов сульфидных минералов, содержащих мышьяк. 57)Экологическая биотехнология. Перспективы использования микробиологических методов очистки окружающей среды. Биоконверсия

Одним из направлений развития биотехнологий является экологическая биотехнология, для которой не только в отдаленном будущем, а уже сегодня находится много возможностей и вариантов законного применения. Поскольку вопросы, касающиеся сохранения окружающей среды, качества получаемой продукции и рационального использования в их производстве ресурсов все еще остаются актуальными.

В этом плане, экологическая биотехнология мало чем отличается от других отраслей биотехнологии, которые используются в зависимости от характера проблем, способов их решения. Основное внимание в биотехнологии уделяется очистке, переработке продуктов жизнедеятельности человека: бытовых отходов, стоков. При грамотном подходе и принятии своевременного решения в разработке различных очистных схем удается не только создать безотходные производства, минимизировав тем самым негативные воздействия, а даже извлечь выгоду. Но важно помнить, что биотехнологические производства допускающие нарушения технологического режима могут оказаться опасными для обслуживающего персонала и потребителей продукции.

Относительно сельского хозяйства помощь экологической биотехнологии будет состоять в получении достаточных объемов продуктов питания при минимальном применении химических средств: удобрений, гербицидов, стимуляторов роста. Но здесь важная роль отводится, прежде всего, генетической, клеточной инженерии способной создавать высокоурожайные, устойчивые к болезням сорта культурных растений, тем самым предполагая снижение, а со временем исключение химикатов. Используя достижения современной генетики, биотехнологии можно улучшать свойства многих сельскохозяйственных продуктов, тем самым исключить из рациона животных, птицы различные кормовые добавки химического, микробного синтеза: лизин, витамины, кормовые дрожжи, в производстве которых присутствует определенная экологическая опасность.

В этом свете очень важно расширять производство бактериальных удобрений, биологических средств борьбы, биологических консервантов кормов. Повышения плодородия почвы можно достичь применением органических удобрений, компостов, отходов животноводческих ферм предварительно обезвреженных методом метанового брожения. В дальнейшем экологическая биотехнология должна создать полностью безвредные и рациональные процессы переработки продуктов сельского хозяйства, а химического сырья, в безвредные в биологическом отношении формы.

Биоконверсия – процесс превращения веществ с участием живых организмов, точнее процесс превращения одних соединений в другие при участии ферментных систем живых организмов.

Особенности биоконверсии:

• идет превращение веществ-субстратов в структурно-родственные соединения (под воздействием ферментов органические вещества превращаются в родственные им по структуре вещества);

• не идет полная деградация субстрата, присутствует лишь незначительные его изменения, которые приводят к получению целевого продукта (это связано с ограниченным числом ферментных реакций, т.е., если есть несколько субстратов: S1, S2, …, Sn, но есть только один вид фермента, то будет идти превращение только одного вида).

В иды процессов биоконверсии:

1. Одноступенчатые:

• брожение (продуктами являются спирты и органические кислоты);

• изомеризация (превращение глюкозы во фруктозу);

• получение стероидных гормонов (из гидрокортизона получают преднизалон).

2. Многоступенчатые (требуются смешанные культуры микроорганизмов или последовательное, многостадийное добавление штаммов микроорганизмов):

• получение кормового белка;

• получение БАВ: гормоны, антибиотики, витамины;

• биоконверсионная очистка сточных вод;

• вермикультивирование (природная биоконверсия).

Преимущества биоконверсионных превращений в сравнении с химическими:

• получаются продукты точно химически заданного состава, без побочных включений;

• необходимые катализаторы синтезируются клетками микроорганизмов, что уменьшает число стадий производства, что в свою очередь влечет за собой удешевление;

• высокая специфичность реакций (протекает только один тип реакций);

• стереоспецифичность (образуются соединения родственные по структуре);

• мягкие условия протекания реакций;

• энергетически выгодно (т.к. мягкие условия, то реакции протекают при низких температурах, т.е. идут малые затраты энергии, при значительной скорости процесса);

• большое КПД целевых веществ (93-100%);

• возможность использования иммобилизованных клеток-микроорганизмов, которые более стабильны чем ферменты, как следствие увеличивается эффективность процесса и падает его цена);

• в результате очистки загрязнений (биоразрушения) не появляется второй загрязняющий агент.