Wiley жаңартылатын энергия
Биоотын өндірісіне арналған гендік инженерия
жүктеу/скачать 4,71 Mb. Pdf көрінісі
|
| 4.3 Биоотын өндірісіне арналған гендік инженерия
Лигноцеллюлоза биомассасынан этанол өндірісі қанттың аралас ферментациясын (пентозу және гексозу) қамтиды. Лигноцеллюлоза биомассасының гидролизаты құрамында төменгі молекулярлы органикалық қышқылдар, фуран туындылары, фенолдық қосылыстар және алдын ала өңдеу немесе биомассаның гидролизі кезінде бөлінетін органикалық емес заттар сияқты әртүрлі уытты қосылыстар бар [136]. Бұл улы қосылыстар ферментация процесіне теріс әсер етеді. Ингибиторлар әсер етпейтіндей гексозаны және пентозаны тиімді ферменттейтін қолайлы микроорганизмдерге қажеттілік бар. Saccharomyces cerevisiae- гексоздан этанол өндіру үшін ең қолайлы организм болып табылады. P. stipitis и Candida shehatae гексозды (глюкоза) және пентозды (ксилозды) қантты этанолға ашытуға қабілетті [137]. Clostridium sp сияқты күшті анаэробты мезофильді бактериялар және Thermoanaerobacter sp. [30, 37] жоғары температурада ферментация артықшылықтарын 72 зерттеу үшін ұсынылды. Кейбір басқа термотұрақты микроорганизмдер - K.marxianus, Candida lusitanieae және Z. mobilis. Этанолды өндірудің коммерциялық өміршең тәсілі үшін идеалды микроорганизмде субстратты кеңінен пайдалану, этанолдың жоғары концентрациясына төтеп беру қабілеті, жоғары температуралы төзімділігі, целлюлолитикалық белсенділігі және гидролизаттағы тежегіштерге тұрақтылық болуы тиіс. Көптеген зерттеулер глюкоза мен ксилозаны жеке немесе бір мезгілде ферменттеуге қабілетті тиімді микроорганизмдерді әзірлеуге арналған [136]. Биоэтанол өндірісі үшін лигноцеллюлозды өнеркәсіптік пайдалану пентозды және гексозды қантты тиімді ферменттей алатын идеалды микроорганизмдердің болмауын қиындатады [37]. Осылайша, генетикалық түрлендірілген немесе әзірленген микроорганизмдер гидролизатта қантты толық пайдалануға қол жеткізу және өндіріс тиімділігін арттыру үшін пайдаланылады. Соңғы жылдары метаболикалық инженерия тұжырымдамасы отын этанолын өндіру үшін қолданылды [138]. Гендік инженерия ферментацияның әр түрлі аспектілерін әзірлеу үшін неғұрлым жоғары шығулардан жақсы шығуларға қол жеткізу үшін және алу дәрежесін арттыру үшін субстратты неғұрлым кең пайдалану үшін қолданылды. Көптеген генетикалық түрлендірілген P. stipitis BCC15191 [139], P. stipitis NRRLY-7124 [140, 141]), рекомбинантты E.coli KO11 [142], C. shehatae NCL-3501 [143] және S. cerevisiae ATCC 26603 сияқты микроорганизмдер әзірленді [140]. Пентозды қанттарда этанол ашыту гексозды қанттар жағдайындағыдай микроорганизмдердің көпшілігімен жүзеге асырылмайды. Бактериялардың, ашытқылар мен грибоктардың шектеулі мөлшері пентозды қантты қанағаттанарлық шығуымен және өнімділігімен этанолға айналдыруы мүмкін [144]. E. coli, S. cerevisiae және Z. mobilis генетикалық түрлендірілген штамдары ксилозаны ферменттеу үшін әзірленді [145]. Ксилозоредуктаза мен ксилитдегидрогеназа экспрессиясымен бірге p. Conditionitis және бактериялардың немесе саңырауқұлақтардың басқа да түрлерімен бірге ксилозоредуктаза мен ксилитдегидрогеназаның жоғарғы экспрессиясына қол жеткізу арқылы ксилозды ферменттеу жүзеге асады [146–148]. Этанолды алу үшін Escherichia coli, Klebsiella oxytoca, Zymomonas mobilis және Saccharomyces cerevisiae сияқты этанологиялық рекомбинантты бактериялар биомассадан алынған аралас глюкоза, ксилоза, арабиноза және галактоза ашытқылары бар қанттарды ферменттеу үшін сәтті пайдаланылды. [149]. Генетикалық түрлендірілген микробтар Zymomonas mobilis AX101, Escherichia coli KO11, Klebsiella oxytoca P2 және Saccharomyces cerevisiae өнеркәсіптік қолдану үшін қарастырылады [150]. Saccharomyces cerevisiae MT8–1 ашытқысының рекомбинантты штаммы Pichia stipitis гендерін біріктіру жолымен олар өз кезегінде ксилозоредуктазаны және ксилитдегидрогеназды сондай-ақ Saccharomyces cerevisiae-ге жататын ксилулокиназды және Aspergillus acleatus-дан алынған сәйкестендіру үшін -глюкулазы генді жасушалық бетінде айқындап ксилозды және целлоолигосахаридтерді ферменттейді [151]. Saccharomyces cerevisiae рекомбинантты штаммдары лигноцеллюлоза шикізатының гемицеллюлоза компоненттерін пайдалану үшін қолданылған. MN8140XX гибридті штаммы оның ата-аналық штаммдарымен салыстырғанда 1,3 және 1,9 есе этанолдың өндірілуін жақсартуды көрсетті [152]. Жасушалық бетінде гетерологиялық ферменттерді экспрессиялаған және құрамында ксилан, ксилоолигосахаридтер және целлюлоолигосахаридтер бар гемицеллюлоза материалынан біріккен биоөңдеу кезінде күріш сабанының гидролизатынан этанол шығарған тағы бір штамм әзірленді, ол гидролизациялық қант ферменттерін қосуды немесе детоксикацияны қажет етпейді [153]. Ашытқылардың генетикалық түрлендірілген штаммдары ферменттеуді жақсарту үшін геном орнын ауыстырудың модификацияланған әдісін пайдалану арқылы s. cerevisiae геномымен барлық p. stipitis геномының рекомбинациясы бар ДНҚ ауыстыру әдісімен әзірленді [154]. Осы зерттеуде алынған ашытқының рекомбинанттық штаммы целлюлоза этанолының өнеркәсіптік өндірісі үшін көп үміт күттіретін кандидат болды. Пируватдекарбоксилаза және алкогольдегидрогеназа II сияқты этанолды ферменттейтін гендер Zymomonas mobilisдан клондалған және үш түрлі целлюлолитикалық бактерияларға, атап айтқанда Enterobacter cloacae JV, Proteus mirabilis JV және Erwinia chrysanthemi. Осыдан кейін олардың целлюлоза 73 этанолын өндіру қабілеті зерттелді. Штамм жабайы түрге қарағанда этанолды екі есе көп шығарады, сондай-ақ этанолға деген төзімділікке ие болды [155]. 4.4 Болашақ перспективалар Энергияға сұраныстың өсуіне байланысты лингвоцеллюлозды биомассаның биоэтанолға биоконверсиясы зерттеулердің басым саласы болып табылады. Лигноцеллюлозды этанол қымбат емес және кең қол жетімді шикізаттан өндіріледі, ол біздің қазба отынға тәуелділікті төмендетуі мүмкін. Биоэтанол қоршаған ортаның ластанбауына ықпал етеді, өйткені биоэтанолды жағу кезінде CO 2 шығарындылары фотосинтез кезінде өсімдіктер атмосферадан жұтатын көлемге тең. Демек, олар жаһандық жылыну проблемасын азайтуы мүмкін. Биоэтанол қазба отынының жаңартылатын және тұрақты баламасы болып табылады, өйткені оны өндіруге арналған шикізат мол және оңай өсіруге болады. Ауыл шаруашылығы қалдықтарын қайта өңдеу ауылдық аудандар тұрғындарының экономикалық пайдасын қамтамасыз етеді. Лигноцеллюлоза биомассасының ферменттеу үшін қарапайым қантқа биоконверсиясы өте күрделі процесс болып табылады. Лигноцеллюлозалар морфологиясы тұрғысынан өте күрделі және кристалдылық биоконверсия үшін негізгі кедергі болып табылады. Лигноцеллюлоза биомассасын биоконверсиялау үшін лигнинді ыдырату мақсатында қарапайым қант өндіру үшін өзара әрекет ететін көптеген ферменттер қажет. Толық процесс үшін қажетті барлық ферменттер бар микроорганизмдер жоқ. Лигноцеллюлозды биомассаны ыдырататын және соңғы өнімді тежейтін көптеген ферменттер биомассаны толық игере алмайды. Микроорганизмдерді бірлесіп өсіру күрделі лигноцеллюлоза биомассасының биоконверсиясы мәселесін шеше алады. Қоршаған ортаның экстремалды жағдайларынан жасалған микроорганизмдер өнеркәсіптік қолдану үшін қолайлы жақсартылған қасиеттері бар ферменттерді қамтамасыз етуі мүмкін. Метагеномика, биоалуантүрлілікті зерттеу және метаболикалық инженерия сияқты бірнеше тәсілдердің үйлесімі ферменттердің қасиеттерін жақсарта алады. Лигноцеллюлоза гидролизі кезінде ферменттеуші микроорганизмдердің белсенділігін тежейтін қант пен басқа да уытты қосылыстардың күрделі қоспасы өндіріледі. Гендік инженерияны ингибиторлардың ықпалынсыз пентоз және гексозды ферменттеуге қабілетті ферменттеуші микроорганизмдерді дамыту үшін пайдалануға болады. Гендік-инженерлік микроорганизмдерді әзірлеу және шығулары жақсартылған және өнімділігі бар жаңа биореакторларды әзірлеу болашақта биоэтанол өндірісінің құнын төмендетеді. |