Сахар из древесины

Во время второй мировой войны штабы американской армии были встревожены сообщениями, поступившими из тропических районов военных действий. В них говорилось о невероятно быстром разрушении армейских материальных средств, содержащих целлюлозу. Микробиологи быстро установили, что виновниками были микроорганизмы, расщепляющие целлюлозу. Эти микробы продуцируют целлюлазы - ферментативные системы, состоящие минимум из трех различных ферментов (эндоглюканазы, целлобиогидролазы и β-глюкозидазы). Они гидролитически расщепляют целлюлозу до глюкозы. Целлюлоза-это наиболее распространенное органическое соединение на Земле. На ее долю приходится почти 40% всей биомассы, что, по грубым оценкам, составляет 7-10 11 тонн! В связи с тем что при разумном хозяйствовании запасы целлюлозы в противоположность углю и нефти постоянно пополняются, на нее возлагают большие надежды как на неиссякаемый источник энергии и пищи. Целлюлоза, подобно крахмалу, - высокомолекулярное соединение, состоящее из остатков глюкозы: однако в целлюлозе глюкозные остатки связаны принципиально иным способом и поэтому не расщепляются в организме человека и большинства животных. В то же время различные свободноживущие микроорганизмы и бактерии в желудке жвачных могут расщеплять целлюлозу до конечного продукта-глюкозы с помощью целлюлаз. Этот процесс многоступенчатый. Поскольку лес уже используется в промышленных целях и как топливо, речь идет о том, чтобы полнее утилизировать до сих пор практически полностью бесполезно уничтожавшиеся отходы, содержащие целлюлозу. В США, например, в городах ежегодно накапливается 140 млн. тонн отходов, содержащих целлюлозу, 3 млн. тонн на целлюлозно-бумажных производствах, а также сотни миллионов тонн целлюлозы в виде непереработанных отходов в лесном и сельском хозяйстве. Если хотя бы небольшую часть всех этих отходов можно было расщепить промышленными методами до глюкозы с помощью целлюлаз, это был бы существенный вклад в производство продуктов питания. Из глюкозы можно было бы получать этанол путем спиртового брожения, который в свою очередь мог бы использоваться как энергоноситель и сырье для промышленности.

Расщепление целлюлозы с помощью целлюлаз до сих пор остается процессом, требующим решения еще многих проблем. Целлюлоза трудно растворима в воде, перед обработкой она требует сильного размельчения; часто целлюлоза находится в окружении лигнинов (растительных "цементов"), затрудняющих расщепление. Кроме того, в кристаллической форме ее расщепление ферментами затруднено. Поэтому отходы, содержащие целлюлозу, должны быть сначала соответствующим образом - механически, химически и ферментативно (например, с помощью лигниназ, гемицеллюлаз) - подготовлены, чтобы стать доступными для целлюлаз. В ходе многолетней работы из 14 000 в настоящее время известных микроорганизмов-продуцентов целлюлаз были отобраны лучшие. Один из них - гриб Trichoderma viride - был обнаружен в Новой Гвинеи в виде зеленого налета на истлевшем хлопчатобумажном патронташе.

В некоторых странах уже эксплуатируются пилотные установки для производства спирта из целлюлозы. Например, американская нефтедобывающая компания "Галф ойл" с 1975 г. имеет такую установку для утилизации макулатуры. Предварительно обработанная целлюлоза расщепляется при этом целлюлазами из Trichoderma до глюкозы. Одновременно эта глюкоза сбраживается до этанола под действием дрожжей. Всего лишь за один день 8%-ная целлюлозная кашица превращается в 3,6%-ный этанол. По оценкам, в будущем можно будет ежедневно превращать около 1000 тонн (сухой массы) отходов целлюлозы примерно в 285 000 литров этанола, причем одновременно в качестве побочного продукта будет получено около 270 тонн корма для скота. Один американский ученый еще дальше развил идею переработки бумажных отходов с помощью целлюлаз. Под бурные аплодисменты участников научного конгресса он предложил выгодно использовать огромные бесполезные горы бумаги, ежегодно поступающие из правительственных кабинетов: расщеплять их с помощью целлюлазы до глюкозы и далее получать из глюкозы этанол.