Бутанол и изобутанол: биосинтетические платформы

Бутанол — четырёхуглеродный спирт, растворитель и сырьё для акрилатов; изобутанол — его разветвлённый изомер, интересный как компонент топлива и предшественник изобутена. Оба получают ферментацией, и оба упираются в одну и ту же стену.

Ацетоно-бутиловое брожение и его история

Clostridium acetobutylicum — облигатный анаэроб, растущий в две фазы. Сначала идёт ацидогенез: сахар превращается в ацетат и бутират, pH падает. Затем культура переключается на сольвентогенез, забирая собственные кислоты обратно и восстанавливая их до ацетона, бутанола и этанола примерно в соотношении 3:6:1. Переключение — способ уйти от закисления среды, и оно завязано на споруляционную регуляцию, поэтому штамм, потерявший способность к спорообразованию, часто теряет и способность к сольвентогенезу.

Процесс имел огромное промышленное значение: во время Первой мировой войны он давал ацетон для производства кордита, а затем десятилетиями снабжал химическую промышленность бутанолом. К середине XX века он был вытеснен нефтехимическим оксосинтезом из пропилена, и вытеснен не по качеству продукта, а по себестоимости.

Число, объясняющее поражение

Бутанол растворяется в липидном бислое и нарушает его текучесть, действуя как классический мембранный токсикант. Рост клостридиума прекращается примерно при 13–16 г/л бутанола, то есть при концентрации порядка 1,5 % по массе; сумма растворителей редко превышает 20 г/л. Всё остальное — вода.

Отсюда следует цена разделения. Бутанол кипит при 118 °C, выше воды, поэтому при перегонке испаряется не продукт, а растворитель — из тонны бульона надо выпарить примерно 985 кг воды, чтобы получить 15 кг бутанола. При стоимости энергии, сопоставимой со стоимостью продукта, экономика не сходится.

Выход добавляет второе ограничение. Из одной молекулы глюкозы получается одна молекула бутанола с потерей двух молекул CO2; предельный массовый выход около 0,41 г/г, а наблюдаемый обычно 0,28–0,33 г/г, потому что часть углерода уходит в ацетон, этанол, невозвращённые кислоты и биомассу.

Ответ отрасли: извлечение продукта на ходу

Если титр ограничен токсичностью, единственный выход — не давать продукту накапливаться. Отсюда набор методов извлечения продукта in situ: отдувка газом с конденсацией, первапорация через селективную мембрану, жидкостная экстракция несмешивающимся растворителем, ферментация под вакуумом. Все они снимают ингибирование и позволяют перерабатывать больше сахара на объём реактора, но ни один не отменяет теоретического выхода и все добавляют капитальные затраты. Это структурный компромисс, а не решение.

Изобутанол

Изобутанол получают иначе — не природным путём, а перехватом биосинтеза валина. Метаболит 2-кетоизовалерат выводят из пути кетокислотной декарбоксилазой, а полученный альдегид восстанавливают алкогольдегидрогеназой. Схема была реализована в Escherichia coli и дала титр около 22 г/л; предельный выход по глюкозе тот же порядка 0,41 г/г, поскольку декарбоксилирование снова стоит одного углерода. Преимущество изобутанола не в выходе, а в применении: разветвлённая цепь даёт топливные свойства и открывает дорогу к изобутену и далее к углеводородам авиационного диапазона.