Сторонников перехода автомобилей с бензина на этанол, полученный из органической биомассы, в настоящее время едва ли не меньше, чем противников такого шага. Первые утверждают, что тем самым снижают собственную зависимость от поставок нефтепродуктов, да к тому же и избавляются от многих вредных выбросов в атмосферу.
Вторые не боятся возразить, что от выбросов парникового газа CO2 эта полумера все равно не спасёт, да и засевать сельхозугодья культурами, обреченными на переработку в биотопливо, в условиях сокращения продовольственных ресурсов в мире – по меньшей мере, неэтично. Потому переходить надо стремиться сразу на водород.
Последней ответной апелляцией сторонников использования биоэтанола стала попытка разработки методов получения его не только из легко разлагаемых природных сахаров, содержащихся в сахарной свекле и тростнике. По мнению многих ученых,
спасти человечество от топливного кризиса, не усугубляя кризис продовольственный, может только разработка методов переработки в биотопливо целлюлозы.
Если эти технологии – технологии производства так называемого биотоплива второго поколения – будут реализованы, на переработку в этиловый спирт можно будет отправить свежеопавшие листья и скошенную траву, опилки деревоперерабатывающей промышленности и даже старую деревянную мебель.
Проблема в том, что эффективно разложить целлюлозу и крахмал на составные части в технологическом процессе не так уж и просто – необходимо использование дорогостоящих ферментов, катализирующих разрыв связей между моносахаридными звеньями. Притом для удешевления процесса делать это необходимо в сочетании с одновременным процессом ферментирования простых сахаров бактериальными культурами с выработкой биоэтанола.
клетчатка, главный строительный материал растительного мира, образующий клеточные стенки деревьев и других высших растений. Самая чистая природная форма целлюлозы – волоски семян хлопчатника.
Химические свойства целлюлозы
Как показано на рисунке, целлюлоза представляет собой высокополимерный углевод, состоящий из глюкозидных остатков [C6H10O5], соединенных эфирными мостиками [-O-] в положении 1,4. Три гидроксильные группы [-OH] в каждом глюкопиранозном звене могут быть этерифицированы (преобразованы в эфирную группу [-О-]) такими органическими агентами, как смесь кислот и ангидридов кислот с соответствующим катализатором, например серной кислотой. Простые эфиры могут образовываться в результате действия концентрированного гидроксида натрия, приводящего к образованию натронной целлюлозы, и последующей реакции с алкилгалогенидом.
Наличием этих гидроксильных групп и геометрией макромолекулы обусловлено сильное полярное взаимное притяжение соседних звеньев. Силы притяжения столь велики, что обычные растворители не в состоянии разорвать цепь и растворить целлюлозу. Эти свободные гидроксильные группы ответственны также за большую гигроскопичность целлюлозы – её склонность адсорбировать пары воды. Этерификация и эфиризация понижают гигроскопичность и повышают растворимость в обычных растворителях.
Под действием водного раствора кислоты разрываются кислородные мостики в положении 1,4-. Полный разрыв цепи дает глюкозу – моносахарид. Первоначальная длина цепи зависит от происхождения целлюлозы. Она максимальна в природном состоянии и уменьшается в процессе выделения, очистки и преобразования в производные соединения.
Окислительные агенты оказывают на целлюлозу воздействие, не вызывая расщепления глюкопиранозного кольца. Последующее действие (в присутствии влаги, например, при климатических испытаниях), как правило, приводит к разрыву цепи и увеличению числа альдегидоподобных концевых групп. Поскольку альдегидные группы [-COH] легко окисляются до карбоксильных [-COOH], содержание карбоксила, практически отсутствующего в природной целлюлозе, резко возрастает в условиях атмосферных воздействий и окисления.
Как и все полимеры, целлюлоза разрушается под воздействием атмосферных факторов в результате совместного действия кислорода, влаги, кислотных компонентов воздуха и солнечного света. Важное значение имеет ультрафиолетовая составляющая солнечного света, и многие хорошо защищающие от УФ-излучения агенты увеличивают срок службы изделий из производных целлюлозы. Кислотные компоненты воздуха, такие, как оксиды азота и серы (а они всегда присутствуют в атмосферном воздухе промышленных районов), ускоряют разложение, зачастую оказывая более сильное воздействие, чем солнечный свет. Так, в Англии было отмечено, что образцы хлопка, испытывавшиеся на воздействие атмосферных условий, зимой, когда практически не было яркого солнечного света, деградировали быстрее, чем летом. Дело в том, что сжигание зимой больших количеств угля и газа приводило к повышению в воздухе концентрации оксидов азота и серы. Кислотные поглотители, антиоксиданты и агенты, поглощающие УФ-излучение, снижают чувствительность целлюлозы к атмосферным воздействиям. Замещение свободных гидроксильных групп приводит к изменению такой чувствительности: нитрат целлюлозы деградирует быстрее, а ацетат и пропионат – медленнее.
Кроме того, для уменьшения затрат на дорогостоящие катализаторы разложения целлюлозы ученые пытаются адаптировать микроорганизмы, способные полностью или хотя бы частично разорвать длинные целлюлозные цепочки.
Проблема подобного подхода в том, что многие анаэробные бактерии, сбраживающие сахар в этанол, могут эффективно работать лишь при пониженных температурах – не более 37 градусов по Цельсию. В то же самое время ферменты, эффективно разлагающие целлюлозу и нецеллюлозные полисахариды, такие как лигнин или ксиланы, эффективно работают только при повышенной до 50–60 oС температуре.
Чтобы скорость сбраживания разложенных сахаров бактериями хоть как-то подогнать под скорость разложения сложных полисахаридов до простых сахаров ферментами последних, зачастую в реакционную смесь приходится добавлять в большом избытке. Это очень дорого и для промышленного производства конкурентоспособного по цене продукта неприемлемо.
В работе, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences, профессор Дартмутского колледжа Ли Райбек Линд
продемонстрировал метод использования высокотемпературных анаэробных штаммов бактерий для разложения целлюлозы и нецеллюлозных полисахаридов при повышенных температурах.
Ученые прежде предпринимали попытки добиться селективного сбраживания от T. Saccharolyticum, в результате которого образовывался бы только этанол, однако классические методы мутагенеза и селекции не позволили получить устойчивых штаммов. Потому Линд прибегнул к методам генной инженерии и попросту блокировал, или, как говорят генетики, нокаутировал гены, ответственные за выработку молочной кислоты.
Однако одного этого шага было мало для достижения нужного результата. Получившийся после блокирования генов штамм Линд в течение нескольких тысяч часов «воспитывал». Не в духе Трофима Денисовича Лысенко, конечно – Линд культивировал бактерии в среде с постепенно повышающейся концентрацией ксилозы – углеводорода, входящего в состав повсеместно встречающихся в растениях полисахаридов. На каждом этапе этого процесса у неизбежно появляющихся в пробирке «мутантов», лучше приспособленных к использованию в процессах жизнедеятельности ксилозы, появлялось эволюционное преимущество, и таким образом, шаг за шагом, их доля возрастала.
Получившийся в результате культивирования штамм оказался выдающимся сразу по нескольким параметрам.
Во-первых, в процессе метаболизма эти бактерии производили только этанол, а во-вторых, использовали для этого в равной степени и пятиуглеродные моносахариды ксилозы, и шестичленную глюкозу; в то время как обычные бактерии предпочитают лакомиться исключительно последней.
При этом культивированные термофилы прекрасно работают при температурах от 50 до 60 градусов Цельсия и производят существенно больше этанола при той же загрузке ферментов разложения целлюлозы.
Однако сам Линд признает, что продемонстрированный им подход к разработке нужных штаммов бактерий с помощью генной инженерии пока что является только первым шагом для внедрения технологии получения этанола с целлюлозной предысторией в промышленность.
Дело в том, что максимальная концентрация спирта в питательной среде, которой ученым удалось достичь в ходе экспериментов, не превышает четырех массовых процентов. Дальнейшее её увеличение снижает активность бактерий, в результате чего переработка целлюлозы сильно замедляется. Грубо говоря, в светлом пиве эти бактерии ещё способны трудиться, а вот с увеличением доли спирта в растворе начинают лениться.
Учитывая, что смертельная концентрация спирта для этого штамма бактерий в два с лишним раза больше – они могут существовать и в крепком «пиве», то основной задачей Линда становится победить эту лень и заставить бактерии выполнять полезную работу и в более алкогольной среде. Подобные работы на других штаммах бактерий коллеги дартмутского профессора уже демонстрировали.
