Kas ir Clostridium acetobutylicum baktērijas?
Clostridium acetobutylicum ir grampozitīva Clostridia ģints baktērija. Tā kā šī baktērija ar fermentu (fermentācijas) palīdzību spēj ražot butanolu un acetonu, tai ir īpaša biotehnoloģiska nozīme. C. acetobutylicum baktērijas galvenokārt sastopamas ūdenstilpju sedimentos, augsnē, kā arī daudzās citās dzīvotnēs. Daudziem organismiem C. acetobutylicum baktērijas var konstatēt arī zarnu florā. Tāpēc, tāpat kā daudzas klosterīdijas, šo baktēriju klasificē kā visur sastopamu, t. i., tiek pieņemts, ka tā sastopama visur.
Kādas ir Clostridium acetobutylicum baktērijas īpašības?
Clostridium acetobutylicum ir grampozitīva baktērija, kas sastāv no apaļas hromosomas un apaļas plazmīdas. Clostridium acetobutylicum ir anaerobā baktērija, tāpēc, lai veidotu reproduktīvās šūnas, tai nepieciešama bezskābekļa bāze. Aerobos apstākļos baktērija spēj veidot endosporas jau pēc dažām stundām. Tās var saglabāties pat vairākus gadus ar skābekli bagātos substrātos. Anaerobos apstākļos tās atkal spēj veidot endosporas. Baktērija pieder Clostridia ģintij, un, pateicoties tās bārkstiņām, tā var aktīvi pārvietoties un ir klasificējama kā visur sastopama baktērija. Clostridium acetobutylicum baktērija spēj šķelt cukurus (saharolītiski), kā arī ražot dažādus komerciāli vērtīgus produktus . Tie galvenokārt ir acetons, butanols un etanols.
Kad pirmo reizi tika izolēta Clostridium acetobutylicum baktērija?
Baktēriju pirmo reizi no 1912. līdz 1914. gadam izolēja Chaims Veizmans. Veizmans kultivēja Clostridium acetobutylicum baktērijas, izmantojot procesu, ko viņš nosauca par ABE metodi. Šī metode viņam kalpoja galvenokārt acetona, butanola un etanola ražošanai. Pirmā pasaules kara laikā šos produktus izmantoja trotila, kā arī šaujampulvera ražošanā. Īpaši 20. gadsimta 50. gados ABE metodi plaši izmantoja. Pašlaik, ņemot vērā fosilā kurināmā krīzi, tiek veikti pētījumi par ABE metodes izmantošanu, lai noteiktu jaunus naftas ķīmijas procesus.
Cik bīstama ir Clostridium acetobutylicum?
Clostridium acetobutylicum baktērija ir pilnīgi nekaitīga gan augiem, gan dzīvniekiem. Lai gan baktērija ir konstatēta cilvēka resnajā zarnā, to nevar uzskatīt par normālas cilvēka floras sastāvdaļu. Tomēr nešķiet, ka tā būtu toksiska zīdītājiem, ja vien tās daudzums nav milzīgs .
Kā Clostridium acetobutylicum baktērijas izmanto biotehnoloģijā?
Kopš 20. gadsimta Clostridium acetobutylicum baktērijām ir bijusi nozīmīga loma biotehnoloģijā. Acetons, ko baktērijas var iegūt, ir nepieciešams sintētiskā kaučuka ražošanai. Mančestras Universitāte nolīgusi Chaimu Veizmanu (Chaim Weizmann), lai viņš strādātu pie fermentācijas, t. i., organisko vielu mikrobioloģiskās pārveidošanas, ko veic sēnītes un probiotiskās baktērijas. Darba laikā no 1912. līdz 1914. gadam Veizmānam ar tā saukto ABE metodi izdevās izolēt vairākus celmus, no kuriem kļuva zināms Clostridium acetobutylicum. Salīdzinot ar līdz šim zināmajām fermentācijas metodēm, Veizmana ABE metodes priekšrocība bija lielāka efektivitāte.
Sakarā ar Pirmā pasaules kara sākumu strauji pieauga pieprasījums pēc acetona. To cita starpā izmantoja bezdūmu šaujampulvera (kordīta) ražošanai. Lai gan pēc Pirmā pasaules kara beigām acetons gandrīz vairs nebija vajadzīgs, butanols bija pieprasīts kā šķīdinātājs automobiļu rūpniecības krāsu ražošanā. Līdz tam butanols bija acetona ražošanas atkritumprodukts. Tā kā 20. gadsimta 20. gados automobiļu rūpniecība attīstījās, pieauga arī butanola pieprasījums.
Tā kā 20. gadsimta 50. gadu beigās un 60. gados naftas rūpniecība attīstījās neticamā ātrumā un vienlaikus pieauga fermentācijas cena, Veizmana izgudrotā ABE metode nespēja konkurēt ar naftas ķīmijas ražošanu. Līdz 1957. gadam lielākā daļa fermentācijas rūpnīcu tika slēgtas. Tomēr, tā kā naftas cena nepārtraukti pieauga, tagad tiek pārskatīta fermentācijas izmantošana rūpniecisko šķīdinātāju ražošanā.
Clostridium acetobutylicum pētniecības pašreizējais stāvoklis
Pēdējos gados īpaši intensīvi tiek pētīts butanols, bet arī etanols kā Clostridium acetobutylicum fermentācijas produkts, kas varētu būt alternatīvs degvielas avots automobiļiem. Butanola priekšrocība salīdzinājumā ar etanolu ir tā, ka tas rada mazāk emisiju, bet tam ir arī augstāka efektivitāte. Pētījumā, kas veikts 2006. gadā, tika ierosināta butanola fermentācija, izmantojot jaunu patentētu procesu, un tādējādi tika mēģināts aizstāt līdz tam izplatīto ABE metodi. Jaunais ražošanas process paredz izmantot kukurūzas šķiedras (tas galvenokārt ietver ksilemu), lai aizstātu C. acetobutylicum kā substrātu un tādējādi iegūtu ekonomiski izdevīgāku butanolu. Priekšrocība ir arī tā, ka kukurūzas šķiedras ir daudzu lauksaimniecības procesu blakusprodukts un tādējādi ir bagātīgs substrāta avots.
Papildus butanola ražošanai C. acetobutylicum ir arī pētniecības uzmanības centrā, lai ražotu ūdeņraža gāzi kā alternatīvu enerģijas avotu. Ūdeņraža gāzei ir ne tikai liels enerģijas daudzums, bet tā varētu būt arī ļoti noderīga kā alternatīva benzīnam , jo īpaši tāpēc, ka tā nerada oglekļa dioksīdu vai siltumnīcefekta gāzes. Pašlaik lielāko daļu ūdeņraža gāzes ražo no neatjaunojamiem avotiem, tāpēc alternatīva ražošanas metode, izmantojot fermentācijas procesus, būtu ļoti vērtīga. Tāpēc nesen veiktajos pētījumos par Clostridium acetobutylicum tiek aplūkoti dažādi fermentācijas procesi, lai izpētītu, kā uzlabot ūdeņraža gāzes ražošanu. Līdz šim kā ražošanas iespēja tika piedāvāts trikle slāņa reaktors. Trīsplūsmas reaktorā kā substrātu izmanto glikozi, bet līdz šim saražo tikai nelielu daudzumu ūdeņraža gāzes, lai to varētu izmantot rūpnieciskiem mērķiem. Tomēr, ja šī metode tiks pilnveidota, trikle slāņa reaktoru var uzskatīt par iespējamu ražošanas līdzekli nākotnē.