Показано, что наиболее целесообразно использовать клетки мицелиальных грибов для получения этанола и молочной кислоты в иммобилизованном виде, поскольку иммобилизация клеток позволяет снизить отрицательные воздействия различных факторов окружающей среды. Кроме того, иммобилизованные биокатализаторы обладают рядом технологических преимуществ перед свободными клетками: возможностью многократного использования; простотой отделения от среды культивирования и процедуры хранения.

В качестве матрицы носителя для получения иммобилизованных грибных биокатализаторов необходимы высокопрочные, макропористые материалы.

В данной работе использовали биокатализаторы, разработанные на основе клеток мицелиальных грибов, иммобилизованных в макропористый криогель. В дальнейшем их применяли для получения биоэтанола и молочной кислоты из ферментативно предобработанных отходов сельского хозяйства и деревообрабатывающей промышленности.

Для получения молочной кислоты в качестве продуцента служил мицелиальный гриб Rhizopus oryzae, в качестве субстратов — предобработанные комплексом гидролитических ферментов древесина сосны и солома пшеницы. Было показано, что максимальный выход молочной кислоты (от теоретически возможного) 72,3 % можно получить при использовании в качестве субстрата ферментативно предобработанной пшеничной соломы. При этом иммобилизованные клетки мицелиального гриба Rhizopus oryzae сохраняют исходный уровень концентрации внутриклеточного АТФ (6,5·10^-8 моль/г биокатализатора), что свидетельствует об их высокой жизнеспособности и возможности применения в последующих циклах аналогичного процесса.

Для получения этанола в качестве продуцентов использовали клетки мицелиальных грибов родов Rhizopus, Aspergillus, Fuzarium и Mucor, а в качестве субстратов — ферментативно предобработанные целлюлозосодержащие отходы: свекловичный жом, пшеничную солому, кукурузные стебли, жом сахарного тростника и пергамент (рисунок).

Установлено, что с помощью иммобилизованных клеток мицелиальных грибов можно получить этанола в 2—11 раз больше по сравнению со свободными клетками (табл. 2).

Таблица 2

Сравнение эффективности конверсии в этанол различных ферментативно предобработанных отходов сельского хозяйства под действием свободных и иммобилизованных клеток мицелиальных грибов 

В случае применения иммобилизованных клеток гриба М. circinelloides в процессе сбраживания гидролизата свекловичного жома было исследовано влияние способа механической предобработки субстрата на выход целевого продукта. Установлено, что для механически необработанного свекловичного жома характерен более высокий выход этанола по сравнению с сырьем, измельченным и экструдированным перед ферментативной обработкой. Максимальная концентрация спирта (7,23 г/л) получена при сбраживании иммобилизованными клетками гриба гидролизата свекловичного жома, предобработанного препаратом целлюлаз.

При использовании в процессе брожения фильтрованного гидролизата свекловичного жома выход спирта оказался ниже (в некоторых случаях на 50 %) по сравнению с нефильтрованным. Очевидно, в последних оставались частицы исходного субстрата, которые под действием гидролитических ферментов гриба M. circinelloides параллельно с процессом брожения подвергались дальнейшему гидролизу до образования дополнительного количества утилизируемых сахаров.

Проведенные эксперименты показали эффективность иммобилизованных биокатализаторов на основе клеток мицелиальных грибов в процессах конверсии ферментативно предобработанных целлюлозосодержащих отходов.

Параллельно с процессом брожения может протекать ферментативный гидролиз субстратов под действием комплекса гидролаз самого продуцента этанола.

Работа выполнена при финансовой поддержке Президиума РАН (грант 05-РАН-18).