Улучшение процесса производства биотоплива для микроорганизмов

Исследователи из Университета Висконсин-Мэдисон и Университета штата Мичиган разработали процесс, который делает рабочую среду менее токсичной для микроорганизмов, выполняющих основную работу в производстве биопродуктов из целлюлозной биомассы.

Когда бактерии, такие как Saccharomyces cerevisiae, Zymomonas mobilis и Escherichia coli, преобразуют сахар из кукурузной соломы и других растительных материалов в этанол, они сталкиваются с ароматическими соединениями, которые для них токсичны. Это замедляет процесс конверсии — серьёзная проблема для отрасли, которой необходимо максимально экономить, чтобы конкурировать с ископаемым топливом.

В США ежегодно можно производить около миллиарда тонн такой биомассы, не связанной с производством пищи. Идеально было бы конвертировать этот материал только в глюкозу, но в растениях присутствуют и другие вещества.

Команда предлагает использовать "микробную команду по очистке" для создания безопасных условий для организмов, потребляющих глюкозу. План основан на использовании бактерии Rhodopseudomonas palustris, которая метаболически универсальна: она потребляет ароматические соединения, но не интересуется сахарами. Это преимущество перед существующими химическими процессами удаления ароматики, которые также удаляют часть глюкозы, что снижает выход ценных топлив или химикатов.

Это достижение актуально, поскольку мир биопродуктов стремится использовать несъедобные части растений, решая проблему дисбаланса между мировыми потребностями в топливе и пище. В 2014 году в США открылись первые заводы по производству этанола из целлюлозной биомасты, включая кукурузную солому.

Отрасль также осознаёт, что "био-НПЗ" должны производить целый спектр продуктов, а не только топливо, чтобы конкурировать с предприятиями по переработке ископаемого топлива. R. palustris может помочь и в этом. Манипулируя метаболическими путями организма, инженеры могут получать другие полезные побочные продукты. Например, R. palustris может преобразовывать сложную смесь ароматических соединений в различные кислоты, которые служат важными прекурсорами для многих продуктов химической промышленности.

"Из 30 или 40 различных ароматических соединений мы можем либо удалить большинство из них, либо сконцентрировать их в одно или два разных химических вещества, которые потенциально можно извлечь, продать или преобразовать в другие продукты", — говорит Даниэль Ногера.

Исследователи продолжают работу, чтобы убедиться, что этот шаг повышает общую эффективность процесса производства биотоплива и биопродуктов. Такие исследования также могут способствовать более полному пониманию всей химии, происходящей в "химическом супе", образующемся при расщеплении растительного материала, и способов генетического манипулирования метаболизмом задействованных организмов.

"Теперь, когда мы определили организм, который потребляет ароматические соединения, не потребляя сахара, мы хотели бы оптимизировать его. Частично это означает сделать его способным потреблять больше ароматики, более устойчивым к концентрации других присутствующих материалов и полезным для многих различных подходов к переработке растительного материала на биорефинериях", — отмечает Ногера.

Исследование было опубликовано онлайн 29 июня 2015 года в журнале Environmental Science and Technology и включено в патентную заявку, поданную WARF, касающуюся микробных методов удаления, трансформации, концентрирования и/или конверсии ароматических соединений из гидролизатов целлюлозной биомассы.

"Хотя использование целлюлозной биомассы лучше, чем использование кукурузы для производства этанола, эта технология всё ещё находится на ранней стадии, и у нас ещё много возможностей для улучшения инженерии и экономики процесса", — заключает Ногера.