ВЫСОКОРОСЛЫЙ, НО КАПРИЗНЫЙ


Сахарный тростник — самый могучий из культурных злаков: высота его достигает 6 метров, толщина стебля — 5 сантиметров. Листья тростника похожи на кукурузные, узкие и длинные: полтора-два метра. Старые листья засыхают и
отпадают, оставляя на стволе кольцевые шрамы, как у бамбука. Цветки собраны в соцветия — широкие метелки, пирамидой венчающие стебель.

Одна из уникальнейших особенностей сахарного тростника — нетрадиционная схема накапливания питательных веществ. Обычно в результате фотосинтеза в листьях и стеблях растений образуются простые сахара, растворы которых переносятся в ствол, клубни и семена; там они полимеризуются в крахмал и запасаются впрок. Сахарный тростник (как и сахарная свекла, а также некоторые другие, весьма немногочисленные растения) запасает не крахмал, а сахарозу. Она накапливается в стеблях и выполняет ту же функцию — служит аккумулятором энергии. Кстати, и сам процесс фотосинтеза у тростника идет необычно. У большинства растений первым продуктом фотосинтеза выступает фосфоглицериновая кислота, соединение с трехуглеродной цепью — результат присоединения СО2 к риболезо-дифосфату. Сахарный тростник, не отказываясь от такой схемы, дополнительно использует фосфоенолпируваткар-боксилазу — особый фермент, который обладает большим сродством к двуокиси углерода. Эта особенность позволяет нашему благородному злаку вылавливать из атмосферы ничтожнейшие доли СО2; фотисинтез идет продуктивнее, а первым продуктом ассимиляции диоксида углерода становится щавелевоуксусная кислота — соединение с четырехуглеродной цепью.

Сахарный тростник — растение требовательное, даже капризное. Необходимая ему средняя температура — плюс 23—27 °С. Заморозки категорически противопоказаны: при минус 3 °С погибают листья, а иногда и стебель. Тростнику требуется много воды — 1500— 2000 мм осадков в год, поэтому его приходится интенсивно поливать. Кроме того, необходимы большие количества удобрений, особенно азотных.

В начале XVI века


В начале XVI века спросом на «сахарную траву» заинтересовались русские купцы и попытались выращивать тростник в районе Курска. Предприятие сулило огромные прибыли, однако тропический злак не прижился. Первый в стране рафинадный завод, перерабатывающий привозной тростниковый сахар-сырец, был построен в Санкт-Петербур-ге в 1719 году. До 1800 года, пока не появились заводы, перерабатывающие сахарную свеклу, Россия потребляла только тростниковый сахар.

В XIX — начале XX столетия было предпринято несколько неудачны*: попыток акклиматизировать сахарный тростник в Грузии. В тридцатые годы нашего века его пробовали разводить около Сухуми. Стебли выросли, но сахара в них было немного, и опыты прекратили.

В 1936 году начались планомерные исследования и работы по выращиванию сахарного тростника в Таджикистане, в долине реки Вахш, и в Узбекистане, близ города Денау. Летние температуры этих мест тростнику подходят, но осень, зима и весна для него холодноьаты. Осваивался тростник с трудом, из 28 привезенных сортов прижился только один. Впрочем, и это было победой селекционеров и работников совхоза «Сахарный тростник».

В тропиках цикл созревания сахарного тростника длится не меньше года, а в Средней Азии — всего семь месяцев. Из-за этого урожайность невелика; в среднем 400—500 центнеров с гектара (на экваторе собирают в 3—4 раза больше). Сахаристость нашего тростника лишь 10 % — вдвое меньше, чем тропического. Вырабатывать из него сахар невыгодно, он обойдется намного дороже свекловичного. Из сво« го тростника у нас делают ром, ромовый спирт и ромовую эссенцию — продукты, которые используют в кулинарном и кондитерском деле, а также в парфюмерной и фармацевтической промышленности.

Впрочем, забот у него хватает и без этого.


На эффективность флокуляции влияет множество факторов: химическое строение флокулянта, электрические свойства и гибкость его макромолекулы, наличие в растворе ионов металлов и т. д. Для полного понимания этих влияний понадобятся еще немалые исследования.

Свои требования предъявляет к флокулянтам и биотехнолог. Например, флокулянт обязан работать при малых концентрациях, не должен быть токсичным как для микробов, так и для потребителей готовой продукции — скажем, для животных и птиц, в рацион которых входят осаждаемые с его помощью дрожжи. Хорошо, когда он к тому же доступен и дешев. В общем, есть над чем поломать голову химику. И флоку-лянтов, скажем прямо, у нас пока выпускается еще мало — как по ассортименту, так и по валу.

Несмотря на это, метод флокуляции уже сейчас с успехом применяется в биотехнологии для концентрирования клеточных суспензий и осветления растворов, а в перспективе, несомненно, будет использоваться еще шире. Напоимер, в производстве одного из основных бактериальных средств защиты растений — энтобактерина, содержащего убийственный для многих насекомых токсин, который вырабатывает бацилла В. thurin-giensis, обработка флокулянтом позволяет сократить потери культуральной жидкости, в которой выращивается бацилла, на 12—15 %. Если бы удалось наладить производство недорогих — рублей по 10 за килограмм — флокуля.,тов для этого процесса, годовая экономия превысила бы около 1 млн. рублей. К тому же применение флокулянтов заметно улучшает качество готового продукта: тот же энтобактерин, полученный с их помощью, гораздо прочнее прилипает к листьям растений, дольше на них удерживается, медленнее смывается дождем.

Производство биоинсектицидов, относящееся к числу среднетоннажных, — лишь частный пример, показывающий большие возможности метода флокуляции. При его использовании в крупных биотехнологических производствах, например при выпуске кормовых дрожжей, экономический эффект будет намного большим.

Между прочим


Между прочим, именно таким образом происходит и самопроизвольная агрегация дрожжевых клеток и микроорганизмов активного ила, о которой мы говорили выше: за этот процесс ответственны полимерные вещества, которые клетки выделяют в раствор на определенной стадии роста. Толчком к этому служит, по-видимому, ухудшение внешних условий, в частности нехватка питания или повышение концентрации токсических продуктов обмена. Было бы, конечно, неплохо «научить» такому удобному свойству и другие микроорганизмы, используемые в биотехнологии, чтобы на определенной стадии культивирования они сами собой, по команде, записанной в их генетическом коде, образовывали легко оседающие агрегаты. Может быть, когда-нибудь в будущем этого и удастся достигнуть средствами генной инженерии…

В биологии известно и еще одно явление, похожее на флокуляцию. Это агглютинация, то есть опять-таки слипание бактериальных клеток, попадающих в организм человека и животных. Вызывают его вырабатываемые организмом защитные белки — иммуноглобулины, которые можно рассматривать как биологические аналоги флокулянтов. Аналогичные защитные «биофлокулянты» есть и у растений — это гликопротеиды, получившие название агглютининов. Уникальная особенность этого жизненно важного процесса — строгая избирательность: для каждого вида патогенных микроорганизмов вырабатывается строго специфичный к ним иммуноглобулин. Химику, занимающемуся созданием флокулянтов, пока приходится только мечтать о такой специфичности

НАВЕДЕНИЕ МОСТОВ


Существует еще один класс веществ, способных влиять на устойчивость коллоидных суспензий,— это полимеры. Действительно, растворы некоторых полимеров, добавленные в определенном количестве к дисперсным системам, нередко уже через 3—5 минут вызывают слипание коллоидных частиц и образование хлопьев, которые вскоре оседают под действием силы тяжести.

Этот прием, между прочим, был известен еще нашим далеким пращурам: в индийской ведической литературе (I тысячелетие до н. э.) упоминается о способе очистки мутной воды соками некоторых тропических растений, которые, как мы теперь знаем, содержат природные полимеры. Однако научная разработка метода концентрирования коллоидных ‘суспензий с помощью полимеров началась лишь в 50-е годы XX века.

Сейчас таких полимеров известно довольно много, и работают многие из них весьма эффективно. Например, если в литр культуральной жидкости, содержащей 15 триллионов клеток кишечной палочки Е. coli, добавить всего 50 мг полиэтиленимина [—CH2CH2NH—]п со степенью полимеризации (п) около 1 ООО, то в жидкости быстро образуются хлопья размером в несколько миллиметров, содержащие по нескольку тысяч клеток. Их называют флокулами (от латинского слова, которое и означает «хлопья»), процесс их образования — флокуляцией, а полимеры, ее вызывающие, — флоку-лянтами. После этого не нужно ни центрифуг, ни сепараторов — флокулы плотным слоем оседают на дно.

Механизм тут состоит в том, что при добавлении к коллоидной суспензии раствора полимера его макромолекулы прилипают к поверхности частиц. Если макромолекулы достаточно велики, то они могут сорбироваться одновременно на двух или нескольких частицах, образуя между ними полимерные мостики. Такие мостики соединяют в агрегаты сотни и тысячи частиц.

Однако выяснилось


Однако выяснилось, что далеко не всякие частицы коагулируют при добавлении электролитов. Известно множество систем, которые сохраняют устойчивость и в таких условиях — это, в частности, суспензии многих глин, цемента и, увы, многих микроорганизмов. Не вдаваясь в подробности, скажем только, что главная причина такого упрямства — слои воды или поверхностно-активных веществ, которые наподобие шубы покрывают частицы, препятствуя их слипанию, как слой жира не хает слипаться зернышкам риса в хорошо приготовленном плове. У бактерий, плохо поддающихся коагуляции, роль такой защитной шубы играют образующиеся на их поверхности капсулы.

К тому же во многих случаях коагуляция может происходить только при добавлении значительных количеств солей металлов, большинство которых токсично для клеток. А это означает, что такой способ неприменим, например, для получения продуктов, в составе которых должны оставаться жизнеспособные клетки (биоинсектицидов, многих медицинских и ветеринарных препаратов). Добавим еще, что применение коагулянтов-электролитов приводит к нежелательному засолению сточных вод, образующихся в процессе концентрирования…

КАК УВЕЛИЧИТЬ ЧАСТИЦЫ

Пивовары и виноделы хорошо знают, что клетки дрожжей обладают способностью на заключительной стадии своего развития, когда основные процессы брожения сусла закончены, самопроизвольно слипаться в хлопья. Такие хлопья сравнительно легко оседают, что заметно облегчает дальнейшие операции по осветлению пива или вина.

С похожим явлением сталкиваются и технологи, занимающиеся биологической очисткой сточных вод. Биоочистка также происходит благодаря деятельности микроорганизмов — так называемого активного ила. И здесь бактерии, составляющие основную часть активного ила, тоже проявляют склонность по завершении своего жизненного цикла слипаться в сравнительно крупные агрегаты и оседать. Здесь тоже особых хлопот с отделением их от очищенной воды не возникает.

А нельзя ли тем или иным способом заставить слипаться клетки микроорганизмов, в обычных условиях к этому
не склонные, чтобы облегчить их отделение от культуральной жидкости?

К сожалению, это не так просто: существуют силы, которые активно препятствуют слипанию коллоидных частиц. Это силы электрические: такие частицы заряжены, и одноименные заряды отталкивают их друг от друга, не давая слипаться.

Ну а если нейтрализовать поверхностные заряды частиц? Это можно сделать, если добавить к коллоидному раствору электролиты: какую-нибудь соль, кислоту или основание, после чего начинается слипание частиц — коагуляция. Так, например, сворачивается молоко, тоже представляющее собой коллоидную систему, если добавить в него хлористого кальция или лимонной кислоты (то же самое происходит и без всяких добавок, когда молоко скисает: в этом случае коагуляцию вызывает молочная кислота, вырабатываемая бактериями).

Bacillus thuringiensis

У микробных клеток, с которыми имеет дело микробиологическая промышленность, как правило, очень малые размеры: например, споры Bacillus thuringiensis, используемой для получения средств защиты растений, имеют длину 1 и диаметр 0,5 мкм, клетки Е. coli — 2 и 0,5 мкм, клетки пекарских дрожжей — 8 и 2 мкм, не говоря уже о совсем крохотных вирусах. Собственно говоря, именно это и делает возможным их биотехнологическое применение: благодаря огромной удельной поверхности клетки создаются благоприятные условия для активного обмена между ней и внешней средой, быстро идут процессы жизнедеятельности клеток, а значит, за сравнительно короткое время культивирования синтезируются большие количества продуктов жизнедеятельности. К тому же особое устройство поверхности клеток микроорганизмов не дает им слипаться между собой, а способность к активному передвижению мешает оседанию даже таких крупных клеток, как дрожжи.

Вот эти особенности микроорганизмов и затрудняют их выделение из культуральной жидкости. Биотехнологам приходится пускать в дело мощную технику — сепараторы, центрифуги, вакуумные фильтры, но и это не всегда помогает. И чем мельче микроб, тем хуже его клетки отделяются от жидкости.

КОВАРСТВО МАЛЫХ ЧАСТИЦ

С необходимостью отделять твердые частицы от жидкости сталкивается каждый химик. И каждый химик знает: если частицы крупные, измеряемые десятками и сотнями микрометров, то достаточно дать такой суспензии постоять, и они осядут на дно. Чем крупнее частицы, тем проще с ними работать.

Трудности начинаются тогда, когда имеешь дело с очень мелкими частицами, размером порядка 10 мкм и меньше: при этом резко возрастает их удельная поверхность, проявляются новые, своеобразные закономерности, изучением которых занимается коллоидная химия. При отсутствии внешних воздействий такие частицы, взвешенные в жидкости или газе, подолгу не оседают — система сохраняет устойчивость. Причину такого явления еще в 1905 г. установил на основании молекулярно-кинетической теории А. Эйнштейн: оказывается, для частиц размером до 1 мкм энергии броуновского движения достаточно для того, чтобы они находились в постоянном движении и не оседали под действием силы тяжести.

Микробиологическая промышленность — наиболее развитая отрасль биотехнологии.

Несмотря на свою молодость, она уже сейчас обеспечивает экономику важнейшими, зачастую уникальными продуктами, получить которые иным способом трудно или просто невозможно. Достаточно сказать, что методами микробного синтеза в нашей стране производится больше половины самых ценных — сбалансированных по аминокислотному составу добавок к животноводческим кормам.

Суть процессов микробного синтеза состоит в том, что в специальных реакторах — ферментерах выращиваются определенные микроорганизмы, которые в процессе жизнедеятельности вырабатывают нужные нам соединения. Это могут быть вещества, из которых состоит сама микробная клетка (например, когда речь идет о производстве белковых добавок к кормам, в качестве которых используется биомасса микробов как таковая), или же продукты метаболизма, выделяемые ею в культуральную жидкость (например, витамины антибиотики, ферменты, этанол и т. д.). Но и в том и в другом случае перед биотехнологом рано или поздно возникает задача отделить отработавшие клетки от культуральной жидкости.
Концентрация целевого продукта, будь то сами клетки или выработанные ими вещества, при этом обычно бывает очень низкой — от долей процента до нескольких процентов, и для выделения его приходится перерабатывать весьма значительные объемы культуральных жидкостей. Затраты на концентрирование могут составлять немалую долю себестоимости продукта: например, при среднетоннажном производстве (более 100 тонн культуральной жидкости в сутки) эта доля составляет более 20 %. Ясно, что любое микробиологическое производство остро нуждается в простом, недорогом и достаточно эффективном способе отделения клеток микроорганизмов от культуральной жидкости.