Примеры заданий по биотехнологии. Учебнометодический комплекс для студентов специальности 131 01 0102 Биология (научнопедагогическая деятельность)
 Скачать 6.85 Mb.
|
|
2 Производство этанола. Что касается этилового спирта как топлива, то почти все существующие способы его производства основаны на переработке сока сахарного тростника, сахарной свеклы, кукурузного крахмала. Процесс состоит из множества стадий: выращивание растений, их уборка, перевозка на заводы, приготовление сусла, сбраживание, перегонка, обезвоживание, денатурация, приготовление смесей и реализация продукции. Кроме того, приходится решать вопрос об удалении и переработке отходов. При получении этилового спирта из сахарсодержащих культур отжим содержащего сахар сока ведется стандартными способами. Простые сахара из сахарного тростника можно получить механическим отжимом сока, а в случае сахарной свеклы – диффузионным методом. Крахмальное сырье нужно механически измельчить до консистенции жидкого теста, а затем нагревать до разрушения крахмальных зерен. Далее можно применить различные варианты гидролиза, основанного на использовании разных сочетаний кислот или применении ферментов. Весовой выход продукта зависит от природы используемого сырья: из 1 кг сахарозы можно получить до 0,65 л спирта, а из 1 кг крахмала - 0,68 л спирта. В настоящее время главные сложности, связанные с производством спирта как горючего, связаны с тем, что сырье для 221 этого процесса является одновременно и сырьем для производства пищевых продуктов и кормов. Из-за этой конкуренции стоимость сырья весьма высока. В зависимости от типа сырья 60-85% конечной продажной цены получаемого сегодня спирта составляет стоимость сырья. Производство этилового спирта при помощи дрожжей основано на давно устоявшейся технологии. Для получения топливного спирта необходимо осуществить ряд процессов: подготовить сырье, провести брожение, отгонку и очистку, обезвоживание, денатурацию и организовать хранение. Объем производства крупных спиртовых заводов может быть очень большим: они ежегодно потребляют тысячи тонн сырья и выпускают миллионы литров продукции. Наибольший вклад в энергобаланс страны производство этилового спирта дает в Бразилии. В 1982 г. там было получено 5•10 9 литров спирта. Схема процесса производства этанола представлена на рисунке 6. Технический спирт применяют главным образом как горючее для двигателей внутреннего сгорания. Чаще всего его используют в смесях, но при наличии подходящих машин и в чистом виде. Хотя этиловый спирт можно использовать для приготовления пищи, обогрева, освещения или производства пара и электричества, особой выгоды получить здесь не удается. Дело в том, что в процессе превращения биомассы в этанол происходит значительная потеря энергии. Энергия потребляется на всех стадиях переработки спирта. Больше всего тратится ее на концентрирование и обезвоживание при перегонке. Энергию эту можно получить из отходов сырья (соломы и т.д.), сжигая древесину или ископаемое топливо: газ, нефть или уголь. В целом энергозатраты на переработку спирта близки к количеству энергии, получаемой в форме спирта. По этой причине энергообеспечение всего процесса должно идти либо за счет переработки отходов, либо за счет использования самого дешевого топлива. Основную массу вырабатываемого на крупных предприятиях спирта получают сегодня при помощи дрожжей. Существует три основных способа сбраживания сахарсодержащего сырья: периодический, периодический с повторным использованием клеток и непрерывный. 222 Рис. 6. Схема производства этанола По завершении сбраживания концентрация спирта составляет 6- 12%. Она зависит от штамма дрожжей и начальной концентрации сахара. Важно достичь наивысшей концентрации спирта, так как от этого зависит расход пара на перегонку. Дополнительный пар нужен для получения безводного спирта из смеси вода – зтиловый спирт, кипящей при постоянной температуре. Обычно для этого используют десятикратный по отношению к количеству удаляемой воды объем бензола. Сначала при 64-84 0 С отгоняется смесь бензола, воды, спирта, а после удаления всей воды, при 68,25 0 С – другая смесь бензола и спирта. После отгонки всего бензола остается лишь абсолютный спирт, который собирают, а бензол используют повторно. Главным побочным продуктом производства являются: СО 2 , дрожжи, сивушные масла и остатки сырья. Каждый из них обладает определенной ценностью, но переработка жидких остатков может быть затруднена. В большинстве случаев, так как за пищевой спирт нужно платить большой налог, его денатурируют. Для этого Сырье : меласса, сок сахарного тростника, крахмал, целлюлоза Подготовка: гидролиз, осветление, фильтрация Ферментация Перегонка Обезвоживание Денатурация Кубовые остатки, концентрирование СО 2 , дрожжи 96% - ный этанол Абсолютный спирт Удобрения, корма, топливо, метан 223 добавляют вещества, придающие ему горький вкус, или смешивают его с бензином. 3 Получение метана. При переработке сырья в анаэробных условиях получается смесь газов – метана и углекислоты, которые образуются в результате разложения сложных субстратов при участии смешанной популяции микроорганизмов разных видов. Поскольку искомый продукт – это газ, сбор его не составляет труда: он просто выделяется в виде пузырьков. Иногда при более сложных способах его использования или распределения по трубам возникает необходимость в его очистке от примесей или компрессии. В анаэробном реакторе можно перерабатывать самое разнообразное сырье: отходы сельского хозяйства, стоки перерабатывающих предприятий, содержащие сахар; жидкие отходы, образующиеся на сахарных заводах; бытовые отходы; сточные воды городов и спиртзаводов. Весьма важно, что сырье с высоким содержанием целлюлозы не так просто использовать для иных целей: оно дешево или вообще не имеет коммерческой ценности. Обычно масштабы переработки невелики (в пределах одной фермы или деревни), хотя были разработаны и проекты более крупных установок для переработки стоков или же промышленных отходов. Неочищенный биогаз обычно используют для приготовления пищи и освещения. Его можно применять как топливо в стационарных установках, вырабатывающих электроэнергию. Сжатый газ в баллонах пригоден как горючее для машин и тракторов. Очищенный биогаз ничем не отличается от метана из других источников, т.е. природного газа. Нередко, особенно в развитых странах, биореакторы используют главным образом для переработки отходов. Установки для производства биогаза по принципу возрастания объема можно сгруппировать следующим образом: 1. Реакторы в сельской местности в развивающихся странах (обычно имеют объем 1-20 м 3 ); 2. Реакторы на фермах развитых стран (50-500 м 3 ); 3. Реакторы, перерабатывающие отходы промышленности (например, сахарных, спиртовых заводов и т.п., объем 500-10000 м 3 ); 4. Свалки бытовых и промышленных отходов (объем 1-20•10 6 м 3 ). Детали технического устройства таких систем могут сильно различаться. Так, существует несколько конструкций небольших 224 реакторов – от простейшей бродильной ямы в грунте с фиксированным объемом газа до подземных или полуподземных баков с металлическим или резиновым накопителем газа с изменяющимся объемом. Конструкция таких устройств определяется типом перерабатываемого сырья. Задача заключается в том, чтобы не допустить потери микроорганизмов при работе систем. Это достигается либо путем повторного их использования, либо помещением в реактор поддерживающего субстрата, на котором и растут клетки. Переработка сырья в метан происходит в ходе сложных взаимодействий в смешанных популяциях микроорганизмов. По особенностям обмена веществ их можно подразделить на три основные группы: первая осуществляет первичный распад полимерных веществ, вторая образует летучие жирные кислоты, а третья – метан. В осуществлении первой стадии процесса принимают участие разнообразные бактерии, превращающие в растворимые вещества множество соединений, включая целлюлозу, жиры и белки. Ключевую роль при этом играют процессы разложения целлюлозы, так как большинство видов сырья или сточных вод обогащены лигноцеллюлозой. По оптимальной температуре жизнедеятельности эти бактерии можно отнести к одной из трех групп: термофильным организмам, живущим при 50-60 0 С; мезофильным (30-40 0 С); психрофильным, предпочитающим комнатную температуру (около 20 0 С). Большая часть исследований была выполнена для реакторов, работающих на основе мезофилов. При повышенной температуре скорость распада исходного сырья, особенно целлюлозы, увеличивается, а это – важное преимущество. Скорость образования метана лимитируется интенсивностью процессов разложения сырья. Поэтому время удержания при работе с некоторыми субстратами бывает значительным. Время удержания можно уменьшить, если повысить температуру, но это требует энергозатрат. Для получения тепла можно сжигать часть получаемого метана. Можно использовать и тепловые отбросы сопутствующих производств (например воду, использованную для охлаждения). Бактерии, работающие на первом этапе, лучше всего растут при рН от 6 до 7. В культуре рост многих разлагающих целлюлозу бактерий подавляется по механизму обратной связи при накоплении конечных продуктов гидролиза, однако в смешанной 225 популяции бактерий, существующей в анаэробном реакторе, происходит быстрое усвоение этих продуктов и подавление не так выражено. В результате скорость разрушения полимеров оказывается выше, чем можно было бы ожидать. Конечные продукты, обладающие свойствами ингибитора, удаляются с помощью бактерий второй группы, которые превращают различные сахара, аминокислоты и жирные кислоты в летучие жирные кислоты, СО 2 и водород. В ходе этого процесса образуется ряд летучих кислот (молочная, уксусная, пропионовая и др.), но главным субстратом при синтезе метана является уксусная кислота. Метанобразующие бактерии могут также синтезировать метан из СО 2 и Н 2 . Оптимум рН для них тот же (6-7), что и для бактерий первой группы, и это важно, поскольку нарушение баланса образования и потребления кислот приведет к падению рН, если система не обладает достаточными буферными свойствами. Всякое падение рН по этой причине преимущественно сказывается на активности метанобразующих бактерий, что вызывает дальнейшее закисление среды и прекращение образования метана. С этим можно бороться, добавляя известняк и аммиачную воду, но при внесении ионов аммония следует соблюдать осторожность. Метанобразующие бактерии могут использовать аммонийные ионы как источник азота, но при высоких концентрациях азот ингибирует рост бактерий. При образовании метана, когда субстратом является глюкоза, весовой выход газа составляет около 27%, а выход энергии (теоретически) – более 90%. Однако на практике из-за сложного состава сырья, перерабатываемого в анаэробных реакторах и низкой эффективности его переработки валовый выход энергии составляет от 20 до 50%. Состав газа существенно изменяется в зависимости от условий в реакторе, а также от природы подаваемого в него сырья. Теоретически при переработке углеводов на СО 2 и метан эти газы должны образовываться в равных количествах. На самом деле не весь СО 2 выделяется в виде газа, так как он растворяется в воде и может взаимодействовать с гидроксилионами с образованием бикарбонатов. Концентрация образующегося бикарбоната будет зависеть от скорости потока жидкости, рН, температуры и содержания в жидкой фазе ионов металлов и других веществ. Количество образующегося бикарбоната сильно зависит от содержания белка в сырье: чем оно больше, тем богаче биогаз метаном. Обычно биогаз содержит 60-70% метана. Он образуется со скоростью 0,5 м 3 на килограмм сухой массы летучих компонентов; время удержания составляет около 15 суток. 226 В последних сообщениях об установках, перерабатывающих биомассу разного качества, приводятся выходы от 0,17 до 0,4 м 3 метана на килограмм сухой массы сырья. Скорость загрузки при этом составляет от 1 до 10 кг сырья на кубометр реактора в сутки, время удержания 10-40 суток, а глубина переработки субстрата от 20% до более чем 70%. Повышение выхода за счет увеличения содержания энергии в продукте будет способствовать повышению валового производства энергии реактором. К сожалению, это не говорит о чистом выходе энергии, который будет существенно ниже, так как возрастут энергозатраты. Ключевые слова и понятия анаэробная ферментация биогаз биореакторы биотопливоколлекторы газификация гидролиз денатурация лигноцеллюлоза мезофилы пиролиз психрофилы термофилы фотосинтез 227 ЛЕКЦИЯ 9. СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО И БИОТЕХНОЛОГИЯ 1 Перспективы использования биотехнологии в сельском хозяйстве. 2 Улучшение сортов растений. 3 Биологическая фиксация азота бобовыми культурами при симбиозе. 4 Биологический контроль. 1 Перспективы использования биотехнологии в сельском хозяйстве. Прогресс в сельскохозяйственном производстве и производство продуктов питания в целом зависит от почвенных, водных и энергетических ресурсов, которые в принципе могут быть увеличены, но обычно рассматриваются как ограниченные. Достижения в этих областях зависят также от возобновляемых биологических ресурсов, таких, как культурные растения, домашние животные и микроорганизмы. Повышение биологической продуктивности организмов является предметом активных исследований естественных наук. Удельный вес биотехнологических методов в этих исследованиях постоянно возрастает. Методы биотехнологии применяются при использовании микроорганизмов для получения полезных веществ, приготовлении продовольственных продуктов, их консервировании и улучшении питательных свойств. В этой области усилия ученых направлены на увеличение выхода продукции, повышение ее питательности, увеличение устойчивости растений к неблагоприятным погодным условиям, патогенам и вредителям наряду с поддержанием достаточного разнообразия среди культурных видов и сохранением генетических ресурсов, которые заложены в близких к ним диких видах. Концепции и методы генетики растений быстро развиваются благодаря новейшим открытиям молекулярной биологии и особым присущим растениям свойствам. Поэтому она вносит весомый вклад в проводимые исследования. Увеличение объема сельскохозяйственной продукции должно осуществляться экономически приемлемыми способами, а также с учетом влияния на окружающую среду. 228 Развитые страны могут позволить себе в больших масштабах применять химические удобрения, но многим другим странам это недоступно, и они вынуждены искать другие пути. Основным необходимым для роста растений элементом является азот. Он не принадлежит к числу редких, но чтобы перевести азот в доступную растениям форму, его надо фиксировать. В ходе эволюции выработался эффективный процесс биологической фиксации азота при симбиозе. Сейчас интенсивно изучается процесс несимбиотической фиксации азота, но на практике он применяется пока в ограниченном масштабе. Большое внимание привлекают к себе биологические способы снабжения растений фосфором, а также контроля за вредителями и болезнями растений. Разрабатываются способы выращивания ценных культур в контролируемых условиях. Пожалуй, самый большой вклад, который может внести биотехнология в сельское хозяйство, - это улучшение сортов растений; существенный прогресс здесь будет достигнут благодаря использованию методов генетической инженерии и технологий слияния протопластов. 2 Улучшение сортов растений. Исследовательская работа по селекции новых высокоурожайных сортов хлебных злаков, в первую очередь пшеницы, была начата после второй мировой войны. Новые сорта пшеницы и риса, выведенные в различных странах, за 10 лет (1960-1970) распространились по всему миру и способствовали значительному повышению урожаев. Стал применяться целый комплекс мер, направленных на увеличение сельскохозяйственного производства в развивающихся странах на основе использования новых сортов, особенно пшеницы и риса. Эти сорта имеют короткий и жесткий стебель, хорошо реагируют на внесение удобрений и обладают устойчивостью ко многим распространенным заболеваниям. Для культивирования данных сортов помимо удобрений и качественной сельскохозяйственной обработки требовались различные пестициды, а также орошение. Скрещивание новых сортов с местными выносливыми линиями позволило получить сорта, еще более приспособленные к условиям района их возделывания и дающие более высокие урожаи. Достигнутые результаты можно отнести к числу исследований по генетике и усовершенствованию растений. Использованная для их получения техника заключалась в переносе методом скрещивания целых групп хромосомных детерминант. Поскольку большинство 229 растений, потребляемых в пищу, содержит по несколько наборов хромосом (три-, тетра- или даже гексаплоидные виды), у потомства при таких скрещиваниях может проявляться весьма широкий спектр признаков, а роль селекционера состоит в отборе среди этого потомства особей с нужными признаками. Современные исследования по улучшению культурных растений направлены на селекцию и культивирование новых сортов, устойчивых к болезням, вредителям и засухе, и которые можно будет выращивать без применения удобрений и пестицидов. Такого рода исследования базируются уже не на методах скрещивания, перекрестной гибридизации и перекрестного опыления. Новые разработки, в которых используются культуры клеток, протопластов и тканей, а также методы генной инженерии нацелены на создание культурных сортов направленным воздействием на наследственные структуры и клеточные механизмы, которые обеспечивают биологическое разнообразие. Новые методы значительно сокращают затраты времени и труда, но им свойственна и некоторая непредсказуемость результатов. Техника рекомбинантных ДНК и ее последовательная адаптация к миру растений способствуют преодолению барьеров, препятствующих межвидовому скрещиванию. Она позволяет также увеличить генетическое разнообразие, которому нанесло значительный ущерб разрушение среды обитания диких видов, что в свою очередь сделало многие культивируемые виды и сорта чрезвычайно уязвимыми для патогенных микроорганизмов и паразитов. Наряду с коллекциями семян, которые до сих пор далеки от предъявляемых к ним требований, все большую роль в обеспечении генетической изменчивости и разнообразия станут играть культуры клеток и тканей, а также анализ миллионов клеточных линий. |