Біоконверсія

Біоконве́рсія (від біо… та конверсія) — процес перетворення речовин та енергії у біологічних системах; трансформація бактеріями і грибами (мікро- та макроміцетами) високомолекулярних вуглецевих сполук; метод у біотехнології.

Зміст

1 Історична довідка
2 Характеристика
3 Застосування
4 Література
5 Автор ВУЕ

Історична довідка

Одним із найдавніших прикладів біоконверсії є перетворення спирту етилового на оцтову кислоту під час одержання оцту. Оцет, який містить оцтову кислоту, був відомий щонайменше 7 тис. років тому. Його отримували шляхом природного бродіння алкогольних напоїв (перекисання виноградного вина, яке відбувалося за участі оцтовокислих бактерій). Відкриття природного бродіння та загалом мікроорганізмів, які здійснили чимало вчених, зокрема А. Левенгук, Л. Пастер та інші, уможливили їх використання і обумовили виникнення біотехнології та біоконверсії як одного з її методів.

Характеристика

Уся сутність біоконверсії зводиться до перетворення метаболітів на споріднені сполуки, які мають той самий склад, що й вихідні речовини, але при цьому характеризуються стереоспецифічністю.

Здебільшого процес біоконверсії схематично описують біохімічні реакції (див. Реакція хімічна), які відбуваються послідовно за кілька етапів:

Глюкоза → Кислота молочна → Масляна кислота + СО₂ + Н₂↑.

Біоконверсія складного органічного субстратного комплексу відбувається в аеробних умовах за підвищеного рівня вологості, завдяки чому зростає ферментативна активність мікроорганізмів. Складні органічні субстрати утворюють за допомогою компостування відходів (або рослинної сировини), яке характеризується взаємодією між органічними сполуками біомаси, ферментними системами ґрунтової біоти за умов достатньої вологості й доступу кисню. Компостування біомаси супроводжується прямою біоконверсією в енергію теплову. Обидва процеси (компостування біомаси і пряма біоконверсія у теплову енергію) базуються на спільному принципі — аеробному окисненні за участю мікроорганізмів із коефіцієнтом корисної дії, який у спеціальних установках може сягати 95 %.

Трофічні потреби мікроорганізмів у джерелах карбону, нітрогену, фосфору, калію та певних мікроелементів забезпечують речовини, які містяться в біомасі. Споживаючи органічні компоненти біомаси, живі організми ростуть, розмножуються і продукують нові хімічні сполуки та енергію. Частину енергії (у формі кислоти аденозинтрифосфорної) вони використовують для власних процесів обміну речовин, а решту виділяють у вигляді теплоти. Шлам, який залишається після біоконверсії складних органічних субстратів, здебільшого використовують як добрива органо-мінеральні.

Біохімічні перетворення внаслідок біоконверсії рослинної біомаси умовно поділяють на три етапи:

1) аеробний (у ферментативні реакції дихального ланцюга вступає зафіксований рослинними клітинами кисень);
2) анаеробний (переважно бродіння молочнокисле);
3) стаціонарний анаеробний процес (біостабілізація рослинної маси для її подальшого зберігання).

Залежно від мети і поставлених завдань технологія біоконверсії може включати лише один із цих етапів як самостійними процес, або варіюватися (наприклад, починатися зі стадії підготовки). До прикладу, теплову енергію одержують за допомогою прямої аеробної конверсії, тоді як добування палива [зокрема біоетанолу, біогазу, розчинників (бутану, ацетону)] потребує анаеробної біоконверсії.

У природних умовах біоконверсії передують біодеградація та біодеструкція. Якщо субстрати не здатні до біологічного розкладання, біодеструкції чи хімічної деструкції, то і біоконверсійні процеси також для них неможливі. Біоконверсія може відбуватися разом із біодеградацією та біодеструкцією.

Інколи біоконверсія потребує змішаних культур мікроорганізмів або послідовного додавання мікробних штамів чи видів, кожен з яких здійснює специфічну стадію конверсії. Використання іммобілізованих клітин, які характеризуються вищою стійкістю в порівнянні з ферментами або клітинними культурами, не лише підвищує ефективність біоконверсії, але й зменшує її вартість.

Реальними субстратами біоконверсії здебільшого є відходи або вторинні продукти агропромислових підприємств (наприклад, післяспиртова барда, відходи переробки та зберігання плодоовочевої продукції, гноївка тваринницьких і птахівничих господарств) тощо.

Застосування

Біоконверсію використовують у промисловій біотехнології для отримання цінних продуктів, необхідних для різних галузей народного господарства та медицини (ацетон, глюконова кислота, сорбоза, стероїдні гормони тощо).

Спеціальні технології біоконверсії застосовують у виробництві кормових добавок та комбікормів на мікробіологічний основі для потреб сільського господарства.

За допомогою біоконверсії відбувається:

утилізація сільськогосподарських, промислових і побутових відходів;
біодеградація речовин, які повільно й важко розкладаються, а також токсичних речовин (пестицидів, гербіцидів, нафти);
створення замкнених технологічних циклів;
виробництво нешкідливих пестицидів, полімерів, що легко руйнуються.

З метою біогазифікації, біовилуговування, скраплення здійснюється біоконверсія твердих горючих копалин.

Видобування теплової енергії та палива за допомогою біоконверсії — один із шляхів поповнення енергетичних ресурсів із поновлювальної рослинної сировини й органічних відходів. Наприклад, для виробництва водню, який належить до найенерговмісніших та екологічно безпечних різновидів біопалива, використовують біоконверсію біомаси мікроводоростей за участі анаеробних бактерій (зокрема, роду клостридіум) з виділенням водню та кисню. Максимальний коефіцієнт корисної дії утворення водню складає 33 %, що перевищує аналогічний показник для процесу електролізу води (20 %), однак значно поступається показнику конверсії в метан (до 85 %).

Література

Корнієнко І. М., Ястремська Л. С., Кузнєцова О. О. та ін. Біоконверсія органічних відходів — європейський досвід та українські практики // Технології та інжиніринг. 2022. № 3 (8). С. 37–51.
Василенко О. В., Фещенко В. В., Балабак О. А. та ін. Особливості біоконверсії відходів овочівництва // Природнича освіта та наука. 2024. Вип. 4. С. 92–96.
Gasparrini W., Lee S., Woolston B. Pathways to Sustainability: A Quantitative Comparison of Aerobic and Anaerobic C1 Bioconversion Routes // Current Opinion in Biotechnology. 2025. Vol. 93. P. 1–10. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0958166925000540
Sun J., Loh K.-C. One-Pot Lignin Bioconversion to Polyhydroxyalkanoates based on Hierarchical Utilization of Heterogeneous Compounds // Bioresource Technology. 2025. Vol. 419. № 132056. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0960852425000227?via%3Dihub