БИОМАССА Как источник энергии

Ферментация субстрата

Первичным субстратом, используемым для получения этанола фермен­тацией, являются глюкоза, лактоза, целлюлоза, сахароза и ксилан. Все субстраты, за исключением ксилана, представляют собой сахара на ос­нове гексозы, и ферментацию каждого из них можно регулировать с по­мощью предварительной обработки, а также путем применения того или иного типа микробной культуры. Первая стадия ферментации суб­стратов - катаболический обмен гексозного сахара - представлена на рис. 1 [13]. Так, сахароза гидролизуется с помощью фермента сахаро­за-фосфорилаза в глюкозу-1-Р и фруктозу, которые в свою очередь фосфорилируются. Целлюлоза ферментативно расщепляется в два эта­па: вначале она превращается в целлобиозу (целлюлозу), а затем-в глю­козу (целлобиоза или целлобиозная фосфорилаза). Крахмал в ходе предварительной обработки гидролизуется в ферментирующийся суб­страт-глюкозу и мальтозу. Мальтоза, димер глюкозы, расщепляется на две молекулы глюкозы. При плохой предварительной подготовке боль­шое количество декстринов остаются негидрализованными, и, следова­тельно, они могут не подвергнуться ферментации. Лактоза превращает­ся в глюкозу и галактозу, в которых постепенно происходит гликолитический обмен.

Ксилан состоит из мономеров пентозного сахара и расщепляется в ксилозу и ксилозу-5-фосфат, в которых затем начинается ассимиля­ционный обмен пятиуглеродного сахара. Такой обмен ведет к образова­нию глицеральдегида-З-Р и ацетила-Р, при этом из каждой молекулы ксилозы образуется одна молекула этанола и одна молекула пировино­градной кислоты. В случае других соединений, таких, как липиды и ор­ганические кислоты, происходит ассоциированный обмен с гликолевой, дикарбоновой кислотой и глиоксалатами.

Поскольку большая часть исследуемых в настоящее время субстра­тов для производства этанола представляет собой гексозы, рассмотрим, каким образом дрожжи или бактериальная культура ферментируют эти соединения в этанол.

После того как сахара достигли начальной стадии превращения в клеточном метаболизме (табл. 1), микроорганизмы могут осущест­влять катаболизм тремя путями. Основным путем метаболизма глю­козы, очевидно, является гликолиз (табл. 1), который состоит из серии трансформаций, включая реакции фосфорилирования, имеющие важное значение в производстве энергии для роста клеток микроорганизмов. Молекула глюкозы последовательно распределяется, образуя два моля пировиноградной кислоты на моль гексозы. Гексозомонофосфатный шунт (табл. 1) несколько отличается от гликолиза: из каждого моля глюкозы (или сахара) образуются один моль этанола и один моль пи­ровиноградной кислоты. При распаде по Энтену-Дудорову (табл. 1) из каждого моля глюкозы образуются два моля пировиноградной кислоты по механизму, отличному от гликолиза. Дрожжам свойственны два пу-

Ти обмена-гликолиз и гексозомонофосфатный шунт; другие бактерии используют все три типа обмена.

Метаболические пути (последовательности), показанные на рис. 1 и 2, протекают не только в анаэробных условиях. Присутствие кислоро­да (или его отсутствие) не влияет на путь обмена. В аэробных условиях восстановленный в этих метаболических последоиательностях никотина - мидадениндинуклеотид (NAD4" до NADH) вновь окисляется через си­стему транспорта электронов, в которой кислород служит акцептором электронов, и образуется вода. Однако в анаэробных условиях микробы используют в качестве акцептора электронов какое-то органическое со­единение, чтобы регенерировать NAD+. В процессе эволюции возмо­жен ряд систем, в которых основной точкой ответвления в процессе фер­ментации служит пировиноградная кислота. При ферментации по этаноль - ному типу пировиноградная кислота превращается в уксусный альдегид и двуокись углерода; уксусный альдегид затем восстанавливается в эта­нол, a NADH вновь окисляется. В этом процессе теоретически возмож­но получить два моля этанола на каждый моль превращенной глюкозы или, исходя из соотношений масс, можно превратить в этанол 51% глю­козы. Практически получают только 90-95% теоретического количества этанола, так как некоторая часть пировиноградной кислоты поглощает-

Гексозомонофосфат - ный шунт

Обмен по типу Знтера-Дударова

Глюкоза \

Глюкоза - 6 - Р і

Фруктоза-б-Р Фруктоза -1,6- di Р Z (глицеральдегид-З-Р)

2{ 1,3-ди-Р - глицери­новая кислота)

Z(3-P-глицериновая кислота) I

2(2-Р-глицериновая

Кислота) \

2(фосфоенол

Пировиноградной

Кислоты)

2 (пировиноградная кислота )

Дрожжи Бактерии

Глюкоза Глюкоза-6-Р

J

6-фосфоглюконат

F-*C02 Пентозофосфат

Глицеральдегид- З-Р-ацетилфосфат I

| Ацетилфоарат

1,3-ди-Р-глицери­новая кислота у

| Ацетальдегид

3 - Р- глицериновая кислота \

2-Р - глицериновая кислота

\осфоенол пирови­ноградной кислоты

Лировиноградн Этанол кислота

Дрожжи Бактерии

Глюкоза \

Плюкоза-6-Р

I

6-фосфоглюконат j

2-кето-З-диокси-В- фосфоглюконовая кислота

Глицеральдегид-З-Р

1,3-ди-Р - глицерино­вая кислота

I

3-Р - глицериновая кислота

I

2 - Р-гли цериновая кислота і

Ьцросфоенал пирови­ноградной кислоты)

І_____________

Пировшоград■ Пировиноград­ная кислота ная кислота

Бактерии

Рис. 2. Микробные метаболические обмены, ведущие к образованию пировино­градной кислоты.

Ся клетками. Побочными продуктами при таком брожении является не­большое количество высших спиртов.

Наиболее эффективный способ производства этанола-дрожжевая ферментация [(табл. 1), [14]]. При брожении с образованием смеси кис­лот (Clostridium) пировиноградная кислота превращается в молочную, муравьиную, уксусную кислоты, диоксид углерода, водород и этанол. При бутандиоловом брожении (Bacillus) получают этанол и четыре дру­гих основных органических продукта, а при бутанол-ацетоновом броже­нии пировиноградная кислота превращается в пять основных конечных продуктов.

Один из путей обмена, рассматриваемых в табл. 2, называется гомо - молочнокислым брожением. В этом случае этанол не образуется, так как на моль глюкозы приходятся только два моля молочной кислоты. Этот процесс упоминается при рассмотрении этанольного брожения, потому что культура с таким типом метаболизма (например, Lactobacillus) за­грязняет ферментирующую среду, в результате чего может резко сни­зиться выход этанола. В некоторых условиях ферментации Lactobacillus
Или Streptococcus конкурирует с ферментацией микроорганизмами, образующими этанол и расщепляющими гексозы до молочной кислоты.