Микробиологическое производство занимается созданием. Значение микробиологическая промышленность в словаре кольера. Микробиологический контроль производства жидких и пастообразных молочных продуктов для детского питания
1) Микроорганизмы использовались человечеством в быту и производстве еще задолго до того как, собственно говоря, они были открыты. Еще в древние времена, не задумываясь об их существовании человечество, использовало их в хлебопечении, виноделии, производстве сыров и кисломолочных продуктов, пивоварении и т.д.
Значение и роль их для производства впервые были открыты Пастером в середине 19 века. Однако знания по физиологии микроорганизмов и закономерностям их роста начали пополняться, только начиная с 20 века.
В результате появилась реальная возможность сделать микроорганизмы неисчерпаемым источником получения биологически активных веществ: белков, аминокислот, ферментов, витаминов, антибиотиков и т.д.
Во второй половине 20 века в промышленно развитых странах зарождается новая отрасль промышленности – микробиологическая промышленность или биотехнология.
Основное преимущество биотехнологии – получение белковых веществ и др. продуктов путем микробного синтеза со огромной скоростью, которая на несколько порядков выше, чем у растений и животных.
Развитие промышленности вызывает потребность в специалистах, технологии, оборудовании и само по себе, разумеется, в соответствующих научных исследованиях.
Данное УМКД написано на основе курса лекции «Оборудование биотехнологии», который на протяжении ряда лет, начиная с 90-х годов, читался авторами в Семипалатинском государственном университете имени Шакарима для студентов-биотехнологов.
2) Биотехнология, биотехнологическая промышленность, оборудование биотехнологии – сравнительно новые термины, которые вошли в практику сравнительно недавно (70 – 80 – 90 годы 20 века).
До этих лет более широко использовался термины:
· микробиология и микробиологическая промышленность,
· а также соответствующее оборудование.
Основная цель биотехнологии –
· производство методами микробиологического синтеза, прежде всего, биологически активных веществ,
· и других продуктов микробиологического производства, например:
Концентрата витамина В 2 ;
Белково-витаминных концентратов;
Кормовых дрожжей на жидких гидролизатах растительных материалов и сульфитных щелоках;
Кормовых дрожжей на отходах пищевой промышленности;
Кормовых дрожжей на очищенных парафинах;
Кормовых дрожжей на газообразных углеводородах;
Лимонной кислоты;
Лизина на свекловичной мелассе, а также других аминокислот, в частности гистидина, аргинина, триптофана и др;
Кормовых антибиотиков (препараты биовит, терравит, бацелихин, бацитрацин и др);
Бактериальных препаратов или удобрений, а также средств защиты растений (нитрагин, азотобактерин, фосфобактерин и др);
Ферментных препаратов;
Солода и т.п.
Для популяции микроорганизмов характерны такие замечательные свойства как:
Высокая интенсивность жизнедеятельности, т.е. роста, размножения и отмирания;
И большое своеобразие обмена веществ (метаболизма).
Например, скорость образования биомассы у микроорганизмов:
В почти, что в 500 раз больше чем у самых урожайных растений;
И в примерно 1000 – 5000 раз больше чем у самых продуктивных пород скота.
За всего лишь каких-нибудь 0,3 – 2,0 часа биомасса микроорганизмов может увеличиться вдвое.
Кроме того, в ряде случаев вся биохимическая активность микроорганизмов направляется на синтез какого-нибудь полезного вещества. Например:
Один из высокопродуктивных мутантов для синтеза пенициллина образует до 0,5 кг пенициллина на каждый 1,0 кг биомассы;
Некоторые из штаммов могут синтезировать витамин В 12 в количествах превышающих их жизненные потребности в 100 – 200 раз.
Одним из главных достоинств биотехнологии является то, что при микробиологическом синтезе используется:
Не дефицитное, не дорогое сырье в виде отходов пищевой промышленности,
А также такое широко распространенное сырье как нефть и природный газ.
3) Используемое в биотехнологии оборудование, классифицируется на соответствующие группы по ряду основных признаков. К таким признакам относятся.
I. Характер воздействия на обрабатываемый материал, либо сырье или продукт.
II. Структура рабочего цикла машины или аппарата.
III. Степень механизации и автоматизации.
IV. Принцип сочетания в технологическом потоке.
V. Функциональное (производственное) назначение.
I. По характеру воздействия на обрабатываемый продукт оборудование делится на три группы:
а) оборудование, в котором на материал оказывается механическоевоздействие без изменения свойств самого материала (т.е. изменяется только форма и размеры продукта, например при измельчении, дроблении или резании);
б) оборудование, в котором на материал оказывается физико-химические, биохимические и тепловые воздействия в результате чего изменяются большинство свойств сырья и даже агрегатное состояние (т.е. изменяется вязкость, плотность, структура и т.д. например, при выпарке, концентрации, экстракции, сушке и т.п.);
в) оборудование, в котором на материал оказываются все виды воздействия.
II. По структуре рабочего цикла оборудование делится на две группы:
а) оборудование периодического действия;
б) оборудование непрерывного действия.
III. По степени механизации и автоматизации оборудование делится на три группы:
а) простые рабочие машины и аппараты (т.е. оборудование, в котором выполняется одна технологическая операция, например дробилка, мешалка, сепаратор и т.п. выполняют, несмотря на свою в некоторых случаях конструктивную сложность только одну технологическую операцию):
б) машины полуавтоматы (т.е. оборудование, в котором имеется несколько рабочих органов выполняющих несколько технологических операции и в котором требуется участие рабочего для выполнения некоторых контрольных функций).
в) машины автоматы (т.е. оборудование, в котором также имеется несколько рабочих органов выполняющих несколько технологических операции в автоматическом режиме и в котором не требуется участие рабочего).
IV. По принципу сочетания в потоке
а) отдельные машины и аппараты;
б) агрегаты или комплексы;
в) комбинированные и автоматизированные виды оборудования (это прежде всего поточно-механизированные линии)
Машины и аппараты отличаются друг от друга по структурной форме. Машина, как правило, состоит из трех частей:
Рабочего органа установленного внутри рабочей камеры;
Передаточного механизма, передающего движение рабочему органу;
И источника движения, т.е. двигателя.
Таким образом, в машине обработка сырья происходит в результате преобразования в движение механической работы двигателя.
V. По производственному назначению оборудование делится на большое количество групп, а именно:
Для проведения вспомогательных и подъемно-транспортных операций по доставке, хранению, дозированию сырья и материалов;
Для стерилизации питательных сред и воздуха;
Для экстрагирования, отжима, фильтрования и флотации;
Для культивирования (т.е. выращивания) микроорганизмов на твердых питательных средах;
Для культивирования микроорганизмов на жидких питательных средах;
Для разделения жидкой и твердой фаз из неоднородных систем (т.е. центрифуги и сепараторы);
Для концентрирования и очистки растворов биологически активных веществ (т.е. вакуум-выпарные установки);
Для мембранного разделения растворов биологически активных веществ(т.е. ультрафильтрационные установки);
Для сушки продуктов микробиологического производства;
Для измельчения, стандартизации, гранулирования и микрокапсулирования продуктов микробиологических производств.
Лекция № 2. Машинно-аппаратурные схемы производства продуктов микробиологического синтеза.
План лекции:
1) Особенности технологии микробиологических производств.
2) линия производства солода.
3) линия производства этилового ректификационного пищевого спирта.
4) линия производства хлебопекарных дрожжей.
5) технологическая линия производства ферментных препаратов.
1) Типовой технологический процесс микробиологического синтеза может быть представлен в виде следующих последовательных стадий:
Приготовление посевного материала;
Приготовление и стерилизация питательной среды;
Культивирование, т.е. микробиологический синтез;
Выделение целевого продукта;
Помол (измельчение);
Стандартизация;
Фасовка.
В отдельных случаях некоторые из этих стадий могут отсутствовать.
В частности,
– если готовый продукт выпускается в жидком виде,
– то отсутствуют операции сушки и измельчения.
Основной стадией микробиологического синтеза является культивирование.
Культивирование есть ни что иное, как развитие популяции микроорганизмов в специальном аппарате, который называют ферментатором.
При этом в аппарате имеет место в большей части жидкая питательная среда.
Это так называемый глубинный (суспензионный) способ культивирования.
На стадии культивирования осуществляется производство:
Во-первых, как самой биомассы;
Так и, во-вторых, продуктов жизнедеятельности (метаболизма).
В ряде случаев – синтезируемые продукты – антибиотики, ферменты, аминокислоты и т.п.
Необходимость осуществления специфических процессов повлекла за собой разработку и создание специального оборудования, которое будет рассматриваться в данном курсе.
2) Солод − проращенное зерно злаковых культур (ячмень, рожь, рис, пшеница, овес, просо) в специально созданных и регулируемых условиях.
Солодоращение − накопление в зерне максимально возможного или заданного количества ферментов (в основном гидролитических).
Под действием ферментов при солодоращении часть сложных веществ зерна превращается в мальтозу, глюкозу, мальтодекстрины и высшие декстрины, лептоны, лептиды, аминокислоты и др.
Солод используют при производстве
· пива, полисолодовых экстрактов, получаемых из смеси кукурузного, овсяного и пшеничного солодов,
· концентрата квасного сусла, хлебного кваса,
· безалкогольных напитков, этилового спирта
· хлебобулочных изделий.
Приготовление солода - сложный комплекс специфических процедур, состоящий из следующих стадий:
Очистка и сортировка зерна;
Мойка, дезинфекция и замачивание ячменя;
Проращивание ячменя (свежепроросший солод для производ-ства спирта и ферментации);
Сушка солода;
Обработка сухого солода (солод для производства хлебобулоч-ных изделий, солодовых экстрактов и концентрата квасного сусла);
Выдержка сухого солода (выдержанный солод для производства пива).
Характеристика комплексов оборудования. Линия начинается с комплекса оборудования, состоящего из зерноочистительных и сортирующих машин - воздушных и зерновых сепараторов, цилиндрических и дисковых триеров, магнитных сепараторов.
Следующий комплекс линии включает аппараты для мойки и замачивания ячменя. К ним относятся моечные и замочные аппараты, входящие в комплекс замочного отделения, а также установки непрерывного замачивания зерна.
Ведущий комплекс линии состоит из оборудования для солодоращения, представленного
· ящичными солодорастильными установками,
· солодовнями с передвижной грядкой,
· статическими солодовнями с совмещенным способом,
· солодорастильными барабанами и кондиционерами для пневматических солодовен.
Наиболее значимым комплексом оборудования линии является оборудование для сушки солода.
К нему относятся:
· сушилки периодического действия (горизонтальные и вертикальные)
· и сушилки непрерывного действия (шахтные и сельные) с топочными устройствами и калориферами.
Завершающий комплекс оборудования линии обеспечивает обработку сухого солода и содержит
· росткоотбойные, солодополировочные машины и измельчители солода.
3) Спирт этиловый (этанол, винный спирт), выработанный из пищевых видов сырья (зерно, картофель, сахар, свеклосахарная и тростниковая меласса, сахарная свекла), - прозрачная бесцветная жидкость без привкуса и запаха посторонних веществ.
Спирт этиловый пищевой получают микробиологическим способом, в основе которого лежит сбраживание сахара в спирт дрожжами семейства сахаромицетов.
Спирт этиловый ректификационный получают на брагоректификационных и ректификационных установках из бражек крахмалосодержащего и сахаросодержащего сырья и из спирта-сырца, полученного из тех же видов сырья.
Переработка зерна и картофеля на спирт осуществляется по однотипной технологии и состоит из следующих стадий:
Подготовка сырья к переработке;
Разваривание крахмалосодержащего сырья;
Осахаривание крахмалосодержащего сырья;
Культивирование дрожжей;
Сбраживание осахаренной массы;
Перегонка бражки;
Ректификация спирта.
Линия начинается с комплекса оборудования для мойки, очистки и измельчения крахмалосодержащего сырья.
В состав этого комплекса входят картофелемойки, камнеловушки, водоотделители, барабанные камнеловушки, дробилки для измельчения картофеля и зерна, а также измельчители для тонкого измельчения зернового сырья.
Далее в состав линии входят комплекс, состоящий из установок для тепловой обработки крахмалосодержащего сырья - смесителей предразварников, варочных аппаратов и паросепараторов, аппаратов гидродинамической обработки замеса, обеспечивающих различные схемы разваривания.
Следующим в линии является комплекс оборудования для охлаждения и осахаривания заторов. В состав этого комплекса входят:
· аппараты с непрерывным осахариванием и вакуум-охлаждением,
· аппараты с двухступенчатым вакуум-охлаждением,
· а также аппараты с непрерывным охлаждением и осахариванием при атмосферном давлении.
Комплекс оборудования для брожения и культивирования дрожжей состоит из бродильных аппаратов и устройств для мойки, спиртоловушек и дрожжевых аппаратов.
В линии для производства спирта из мелассы комплекс оборудования состоит из рассиропников, аппаратов для размножения дрожжей и пеноловушек, а также устройств для отбора проб, измерения расходов мелассы и контроля плотности рассиропки.
Ведущий комплекс оборудования в линии предназначен для перегонки и ректификации спирта. В его составе имеются брагоректификационные и ректификационные установки, установки для получения безводного спирта, холодильники и кипятильники брагоперегонных аппаратов, вспомогательное оборудование ректификационных установок, а также оборудование для учета и хранения спирта.
4) Хлебопекарные дрожжи – одноклеточные микроорганизмы, относящиеся к классу грибов сахаромицетов.
Дрожжевое производство основано на способности дрожжевых клеток (микроорганизмов) расти и размножаться.
Процесс получения хлебопекарных дрожжей на дрожжевых заводах складывается из следующих стадий:
Приготовление питательной среды;
Выращивание маточных и товарных дрожжей;
Выделение товарных дрожжей из дрожжевой суспензии;
Формование и упаковка прессованных дрожжей;
Сушка дрожжей.
Получение дрожжей из спиртовой бражки на спиртовых заводах состоит из стадий:
Выделение дрожжей из зрелой бражки сепарированием;
Промывание и концентрирование дрожжевой суспензии;
Дозревание дрожжей;
Окончательное промывание и концентрирование дрожжей;
- прессование, формование и упаковка дрожжей;
Хранение.
Линия начинается с комплекса оборудования для обработки сырья, состоящего из аппаратов для приготовления питательных сред, сепараторов-кларификаторов для мелассы и пароконтактных установок для стерилизации.
Ведущий комплекс линии представляют дрожжерастильные аппараты, снабженные аэрационной системой для насыщения суспензии кислородом, и воздуходувные машины.
Следующий комплекс линии состоит из аппаратов для выделения дрожжей, в составе которого имеются дрожжевые сепараторы, фильтр-прессы и барабанные вакуум-фильтры.
Наиболее энергоемким комплексом оборудования линии являются сушильные установки, представленные конвейерными ленточными сушилками, установками с виброкипящим слоем, а также вакуумными и сублимационными сушилками.
Завершающий комплекс оборудования состоит из машин для формования и завертывания брикетов дрожжей.
На рис. 2.3 представлена машинно-аппаратурная схема линии производства хлебопекарных дрожжей.
5) Ферментные препараты представляют собой концентраты ферментов, полученные с помощью микроорганизмов. В состав ферментных препаратов наряду с ферментами входят и балластные вещества. Ферментные препараты применяют в пищевых производствах как катализаторы соответствующих биохимических процессов.
В качестве продуцентов ферментов используют разнообразные источники: растения, животные ткани и микроорганизмы.
Производство ферментных препаратов наиболее перспективным глубинным способом на жидких питательных средах можно разделить на следующие стадии:
Приготовление, стерилизация и охлаждение питательной среды;
Приготовление посевного материала и выращивание производственной культуры;
Отделение и сушка биомассы;
Фасовка отходов и отделение фильтрата;
Концентрирование и сушка концентрата;
Осаждение, сушка и стандартизация препарата;
Фасование препарата.
Линия начинается с комплекса оборудования, в состав которого входят:
· циклон – разгрузитель, экстракторы, стекатель, шнек-пресс, ленточный вакуум-фильтр, смеситель,
· а также нагревательная колонка, выдерживатель и теплообменники.
В состав линии входит комплекс оборудования, состоящий из инокулятора и ферментатора.
Следующий комплекс оборудования представляют камерный фильтр-пресс и барабанная сушилка.
Ведущим является комплекс оборудования, включающий вакуум-выпарные аппараты и распылительные (сублимационные) сушилки.
Завершающий комплекс оборудования линии состоит:
· из установки непрерывного осаждения, аппарата обсушки препарата, центрифуги, барабанной вакуум-сушилки, установки для измельчения и смешивания.
Финишным комплексом оборудования являются фасовочные машины.
Машинно-аппаратурная схема линии производства ферментных препаратов глубинным способом на жидких питательных средах представлена на рис. 2.4.
Лекция № 3. Транспортное оборудование в биотехнологии.
План лекции:
1) Насосы. Классификация насосов.
2) Центробежные насосы.
3) Осевые насосы.
4) Роторные насосы.
1) Насосы, используемые в микробиологической промышленности, делятся на две группы: динамические и объемные.
В динамических насосах преобразование энергии происходит под влиянием динамического взаимодействия между потоком жидкости и рабочим органом насоса.
В объемных насосах перемещение жидкости происходит при изменении объема рабочей камеры насоса при вращательном или возвратно-поступательном движении рабочего органа.
К основным характеристикам насосов относятся
Объемная производительность (м 3 /с);
Напор или давление создаваемое насосом, м. жид. ст. или Па;
Потребляемая мощность, кВт;
Допускаемая высота всасывания, м.
Классификация насосов используемых в биотехнологии:
I. Динамические насосы
1. Лопастные 2. Насосы трения
а) центробежные; а) струйные
б) диагоналевые; б) эрлифтные
в) осевые;
г) вихревые.
I.Объемные или роторные насосы
1. С возвратно-поступательным движением
а) поршневые;
б) плунжерные;
в) диафрагменные;
г) шланговые;
д) пневматические.
2.С вращательным движением.
а) шестеренные
б) винтовые;
в) шиберные или эксцентриково-лопастные
2) Центробежные насосы получили наибольшее распространение в биотехнологии.
Они могут быть:
Либо одноступенчатыми, либо многоступенчатыми.
Большая часть насосов в биотехнологии относится к насосам консольного типа.
Центробежный насос типа К состоит:
Из рабочей камеры – собственно корпуса насоса улиткообразной (спиральной) формы с всасывающим и нагнетательным патрубками,
Рабочего органа – рабочего многолопастного колеса (крыльчатки) закрепленного на горизонтальном валу,
И электродвигателя, который посредством муфты соединен с горизонтальным валом.
Все узлы насоса закреплены на литой чугунной раме. Рабочая спиральная камера насоса спереди закрыта крышкой отлитой совместно с входным патрубком.
Горизонтальный вал, установлен в корпусе на подшипниках качения и приводится в действие через муфту от электродвигателя.
Насосы типа К в основном предназначены для перекачивания воды и других маловязких жидкостей.
По такой же схеме выполнены и другие центробежные насосы предназначенные для агрессивных сред.
К ним относятся:
Консольные насосы на отдельной стойке;
Химические консольные насосы типа Х;
Химические консольные насосы для перекачивания жидкостей с твердыми включениями типа АХ;
Химические моноблочные насосы типа ХМ;
Химические погружные насосы типа ХП;
Химические погружные насосы для перекачивания жидкостей с твердыми включениями типа ХПА;
Химические с обогревом корпуса ХО;
Химические погружные насосы для перекачивания жидкостей с твердыми включениями и суспензий типа ПХП.
Они используются для перекачивания кислых, щелочных, слабокислых, аммиачных сред и кислот. Числа оборотов рабочих колес достигает от 24, 1 до 48,3 об/с.
Помимо этих насосов в биотехнологии используются герметические центробежные насосы во взрывозащищенном исполнении типа ЦНГ-70; ХГ; ХГВ.
Они используются для перекачивания агрессивных, токсичных, взрывоопасных и пожароопасных жидкостей.
Особенностью конструкции этих насосов является то, что они не имеют сальниковых и торцевых уплотнений.
3) В осевых насосах жидкость перемещается в осевом направлении. Приращение давления происходит за счет преобразования кинетической энергии в потенциальную.
Жидкость поступает в проточную полость 1 насоса (рис. 3.2), в которой находится рабочее колесо, состоящее из ступицы 2 с закрепленными на ней лопастями 3. Число лопастей обычно от 3 до 6.
Ступица рабочего колеса 2 насажена на вал 5, который приводится в действие электродвигателем.
При прохождении через рабочее колесо жидкость одновременно участвует в поступательном и вращательном движении.
После рабочего колеса жидкость поступает в неподвижно установленный направляющий аппарат 4, состоящий из ряда неподвижных лопастей.
Этот направляющий аппарат предназначен для устранения закрутки потока на выходе из насоса и уменьшения потерь напора внутри проточной полости.
Рабочее колесо по своей форме похоже на гребной винт. Лопасти его изогнуты по винтовой линии.
Осевые насосы могут быть:
Одноступенчатыми и многоступенчатыми,
Жестколопастными и поворотно-лопастными.
Регулирование подачи производится:
В жестколопастных насосах – изменением частоты вращения колеса,
А в поворотно-лопастных – изменением угла наклона лопастей.
Подача в них может достигать 750– 6000 м 3 /ч, а напоры от 1,3 до 23 м.
Используются они в качестве циркуляционных насосов в системах промышленного водоснабжения, а также для циркуляции суспензий в вакуум-выпарных установках.
4) Роторные насосы состоят, как правило, из трех частей:
Неподвижного корпуса со всасывающей и нагнетательной камерами;
И непрерывно вращающихся замыкателей, расположенных на роторе.
По виду замыкателей роторные насосы делятся:
На коловратные (или шестеренчатые);
Поршневые и плунжерные;
И шиберные (пластинчатые или эксцентриково-лопастные).
Одними из наиболее распространенных роторных насосов являются шестеренчатые или шестеренные насосы.
Они состоят из пары цилиндрических зубчатых колес расположенных внутри эллисообразного корпуса.
При вращении шестерен жидкость:
Из всасывающего патрубка попадает в пространство между соседними зубьями каждой из шестерен,
Достоинством этих насосов является простота конструкции, малые масса и габариты.
Эти насосы имеют следующие характеристики:
Вязкость перекачиваемых жидкостей составляет от 2 * 10 -6 до 10 -4 м 2 /с;
Подача (производительность) достигает до 200 м 3 /ч;
Напор до 250 метров жидкостного столба (т.е. давление 25 атм);
Температура перекачиваемой жидкости до 200 0 С.
Лекция № 4. Вспомогательное оборудование в биотехнологии.
План лекции:
1) Классификация емкостного оборудования. Резервуары.
2) Реакторы-смесители.
3) Питатели и дозаторы для сыпучих и жидких сред.
4) Тарельчатые и весовые дозаторы.
1) На любом предприятии большой объем занимают вспомогательные операции:
По транспортировке, хранению, дозированию сырья, материалов и продуктов.
Для этих целей используется вспомогательное оборудование, которое делится на несколько групп:
I. Емкостное оборудование.
А) Резервуары для длительного и временного хранения жидких материалов.
Б) Реакторы-смесители для смешивания компонентов питательных сред.
В) Мерники жидких сред.
Д) Сборники приемники для приема и кратковременного хранения жидких продуктов (культуральной жидкости и др.)
II. Насосы для транспортировки жидких материалов.
III. Дозаторы и питатели для сыпучих и жидких сред.
IV. Машины для мойки оборудования.
Длительному хранению в биотехнологии подвергаются:
Жидкие парафины, свекловичная меласса, метанол, этанол;
Ацетон и др. сырье.
Временному хранению подвергаются такие продукты как:
Растворы солей, компоненты жидких питательных сред и пр.
Резервуары длительного хранения это, как правило, резервуары большой емкости от 100 до 10000 м 3 .
Форма емкости – в основном, вертикальная цилиндрическая с соотношением диаметра к высоте D/H = (1,0 ÷ 2,0).
Для перемешивания жидкости, т.е. придания ей однородности резервуары снабжаются:
Либо переливными трубами, расположенными внутри емкости на разных уровнях;
Либо гомогенизирующими системами, расположенными вне емкости.
Резервуары снабжаются соответствующими средствами контроля и арматурой (штуцерами или патрубками):
Для подачи жидкости и сжатого воздуха в емкость;
Установки манометра контроля давления;
Установки предохранительного клапана для стравливания избыточного давления;
Установки указателя уровня жидкости в емкости;
Спуска остатка жидкости из емкости;
Трубой передавливания, люками и воздушником;
А также подогревателями, внутрь которых подается пар.
МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ
производство какого-либо продукта с помощью микроорганизмов. Осуществляемый микроорганизмами процесс называют ферментацией; емкость, в которой он протекает, называется ферментером (или биореактором).
Процессы, протекающие при участии бактерий, дрожжей и плесневых грибов, человек применял сотни лет для получения пищевых продуктов и напитков, обработки текстиля и кожи, но участие в этих процессах микроорганизмов было четко показано только в середине 19 в.
В 20 в. промышленность использовала все разнообразие замечательных биосинтетических способностей микроорганизмов, и теперь ферментация занимает центральное место в биотехнологии. С ее помощью получают разнообразные химикалии высокой степени чистоты и лекарственные препараты, изготавливают пиво, вино, ферментированные пищевые продукты. Во всех случаях процесс ферментации разделяется на шесть основных этапов.
Создание среды. Прежде всего необходимо выбрать соответствующую культуральную среду. Микроорганизмы для своего роста нуждаются в органических источниках углерода, подходящем источнике азота и различных минеральных веществах. При производстве алкогольных напитков в среде должны присутствовать осоложенный ячмень, выжимки из фруктов или ягод. Например, пиво обычно делают из солодового сусла, а вино - из виноградного сока. Помимо воды и, возможно, некоторых добавок эти экстракты и составляют ростовую среду.
Среды для получения химических веществ и лекарственных препаратов намного сложнее. Чаще всего в качестве источника углерода используют сахара и другие углеводы, но нередко масла и жиры, а иногда углеводороды. Источником азота обычно служат аммиак и соли аммония, а также различные продукты растительного или животного происхождения: соевая мука, соевые бобы, мука из семян хлопчатника, мука из арахиса, побочные продукты производства кукурузного крахмала, отходы скотобоен, рыбная мука, дрожжевой экстракт. Составление и оптимизация ростовой среды являются весьма сложным процессом, а рецепты промышленных сред - ревниво оберегаемым секретом.
Стерилизация. Среду необходимо стерилизовать, чтобы уничтожить все загрязняющие микроорганизмы. Сам ферментер и вспомогательное оборудование тоже стерилизуют. Существует два способа стерилизации: прямая инжекция перегретого пара и нагревание с помощью теплообменника. Желаемая степень стерильности зависит от характера процесса ферментации. Она должна быть максимальной при получении лекарственных препаратов и химических веществ. Требования же к стерильности при производстве алкогольных напитков менее строгие. О таких процессах ферментации говорят как о "защищенных", поскольку условия, которые создаются в среде, таковы, что в них могут расти только определенные микроорганизмы. Например, при производстве пива ростовую среду просто кипятят, а не стерилизуют; ферментер также используют чистым, но не стерильным.
Получение культуры. Прежде чем начать процесс ферментации, необходимо получить чистую высокопродуктивную культуру. Чистые культуры микроорганизмов хранят в очень небольших объемах и в условиях, обеспечивающих ее жизнеспособность и продуктивность; обычно это достигается хранением при низкой температуре. Ферментер может вмещать несколько сотен тысяч литров культуральной среды, и процесс начинают, вводя в нее культуру (инокулят), составляющей 1-10% объема, в котором будет идти ферментация. Таким образом, исходную культуру следует поэтапно (с пересеваниями) растить до достижения уровня микробной биомассы, достаточного для протекания микробиологического процесса с требуемой продуктивностью.
Совершенно необходимо все это время поддерживать чистоту культуры, не допуская ее заражения посторонними микроорганизмами. Сохранение асептических условий возможно лишь при тщательном микробиологическом и химико-технологическом контроле.
Рост в промышленном ферментере (биореакторе). Промышленные микроорганизмы должны расти в ферментере при оптимальных для образования требуемого продукта условиях. Эти условия строго контролируют, следя за тем, чтобы они обеспечивали рост микроорганизмов и синтез продукта. Конструкция ферментера должна позволять регулировать условия роста - постоянную температуру, pH (кислотность или щелочность) и концентрацию растворенного в среде кислорода.
Обычный ферментер представляет собой закрытый цилиндрический резервуар, в котором механически перемешиваются среда и микроорганизмы. Через среду прокачивают воздух, иногда насыщенный кислородом. Температура регулируется с помощью воды или пара, пропускаемых по трубкам теплообменника. Такой ферментер с перемешиванием используется в тех случаях, когда ферментативный процесс требует много кислорода. Некоторые продукты, напротив, образуются в бескислородных условиях, и в этих случаях используются ферментеры другой конструкции. Так, пиво варят при очень низких концентрациях растворенного кислорода, и содержимое биореактора не аэрируется и не перемешивается. Некоторые пивовары до сих пор традиционно используют открытые емкости, но в большинстве случаев процесс идет в закрытых неаэрируемых цилиндрических емкостях, сужающихся книзу, что способствует оседанию дрожжей.
В основе получения уксуса лежит окисление спирта до уксусной кислоты бактериями Acetobacter. Процесс ферментации протекает в емкостях, называемых ацетаторами, при интенсивной аэрации. Воздух и среда засасываются вращающейся мешалкой и поступают на стенки ферментера.
Выделение и очистка продуктов. По завершении ферментации в бульоне присутствуют микроорганизмы, неиспользованные питательные компоненты среды, различные продукты жизнедеятельности микроорганизмов и тот продукт, который желали получить в промышленном масштабе. Поэтому данный продукт очищают от других составляющих бульона. При получении алкогольных напитков (вина и пива) достаточно просто отделить дрожжи фильтрованием и довести до кондиции фильтрат. Однако индивидуальные химические вещества, получаемые путем ферментации, экстрагируют из сложного по составу бульона. Хотя промышленные микроорганизмы специально отбираются по своим генетическим свойствам так, чтобы выход желаемого продукта их метаболизма был максимален (в биологическом смысле), концентрация его все же мала по сравнению с той, которая достигается при производстве на основе химического синтеза. Поэтому приходится прибегать к сложным методам выделения - экстрагированию растворителем, хроматографии и ультрафильтрации.
Переработка и ликвидация отходов ферментации. При любых промышленных микробиологических процессах образуются отходы: бульон (жидкость, оставшаяся после экстракции продукта производства); клетки использованных микроорганизмов; грязная вода, которой промывали установку; вода, применявшаяся для охлаждения; вода, содержащая в следовых количествах органические растворители, кислоты и щелочи. Жидкие отходы содержат много органических соединений; если их сбрасывать в реки, они будут стимулировать интенсивный рост естественной микробной флоры, что приведет к обеднению речных вод кислородом и созданию анаэробных условий. Поэтому отходы перед удалением подвергают биологической обработке, чтобы уменьшить содержание органического углерода.
См. также:
Кольер. Словарь Кольера. 2012
Смотрите еще толкования, синонимы, значения слова и что такое МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ в русском языке в словарях, энциклопедиях и справочниках:
- МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ
промышленность, отрасль промышленности, в которой производственные процессы базируются на микробиологическом синтезе ценных продуктов из различных видов непищевого сырья (углеводородов нефти … - ПРОМЫШЛЕННОСТЬ
ТЯЖЕЛАЯ - см ТЯЖЕЛАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ … - ПРОМЫШЛЕННОСТЬ в Словаре экономических терминов:
ЛЕГКАЯ - см ЛЕГКАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ … - ПРОМЫШЛЕННОСТЬ в Словаре экономических терминов:
ДОБЫВАЮЩАЯ - см ДОБЫВАЮЩАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ … - ПРОМЫШЛЕННОСТЬ в Словаре экономических терминов:
- ведущие отрасли материального производства, предприятия, занятые добычей сырья, производством и переработкой материалов и энергии, изготовлением … - ПРОМЫШЛЕННОСТЬ
(индустрия) важнейшая отрасль народного хозяйства, оказывающая решающее воздействие на уровень экономического развития общества. Состоит из двух больших групп отраслей - … - ПРОМЫШЛЕННОСТЬ в Большой советской энциклопедии, БСЭ:
индустрия, важнейшая отрасль народного хозяйства, оказывающая решающее воздействие на уровень развития производительных сил общества; представляет собой совокупность предприятий (заводов, фабрик, … - ПРОМЫШЛЕННОСТЬ в Энциклопедическом словаре Брокгауза и Евфрона:
Промышленность. - Это слово употребляется в более широком и болееузком смысле. В первом смысле под ним разумеют вообще всякуюхозяйственную деятельность … - ПРОМЫШЛЕННОСТЬ в Современном энциклопедическом словаре:
- ПРОМЫШЛЕННОСТЬ в Энциклопедическом словарике:
(индустрия), важнейшая отрасль материального производства, к которой относится промышленно-производственная деятельность предприятий. Различают: промышленность добывающую и обрабатывающую промышленность тяжелую, легкую, пищевую … - ПРОМЫШЛЕННОСТЬ в Энциклопедическом словаре:
, -и, ж. Отрасль производства, охватывающая переработку сырья, разработку недр, создание средств производства и предметов потребления. Добывающая п. Обрабатывающая п. … - ПРОМЫШЛЕННОСТЬ в Большом российском энциклопедическом словаре:
ПРОМ́ЫШЛЕННОСТЬ (индустрия), важнейшая отрасль нар. х-ва, оказывающая решающее воздействие на уровень экон. развития общества. Состоит из двух больших групп отраслей … - ПРОМЫШЛЕННОСТЬ в Энциклопедии Брокгауза и Ефрона:
? Это слово употребляется в более широком и более узком смысле. В первом смысле под ним разумеют вообще всякую хозяйственную … - ПРОМЫШЛЕННОСТЬ в Полной акцентуированной парадигме по Зализняку:
промы"шленность, промы"шленности, промы"шленности, промы"шленностей, промы"шленности, промы"шленностям, промы"шленность, промы"шленности, промы"шленностью, промы"шленностями, промы"шленности, … - ПРОМЫШЛЕННОСТЬ в Тезаурусе русской деловой лексики:
- ПРОМЫШЛЕННОСТЬ в Тезаурусе русского языка:
Syn: индустрия Ant: ремесло, ручное … - ПРОМЫШЛЕННОСТЬ в Словаре синонимов Абрамова:
см. … - ПРОМЫШЛЕННОСТЬ в словаре Синонимов русского языка:
Syn: индустрия Ant: ремесло, ручное … - ПРОМЫШЛЕННОСТЬ в Новом толково-словообразовательном словаре русского языка Ефремовой:
ж. 1) Отрасль производства, охватывающая переработку сырья, разработку недр, создание средств производства и предметов потребления. 2) Отдельный вид такой отрасли … - ПРОМЫШЛЕННОСТЬ в Словаре русского языка Лопатина:
пром`ышленность, … - ПРОМЫШЛЕННОСТЬ в Полном орфографическом словаре русского языка:
промышленность, … - ПРОМЫШЛЕННОСТЬ в Орфографическом словаре:
пром`ышленность, … - ПРОМЫШЛЕННОСТЬ в Словаре русского языка Ожегова:
отрасль производства, охватывающая переработку сырья, разработку недр, создание средств производства и предметов потребления Добывающая п. Обрабатывающая п. Тяжелая п. Легкая … - ПРОМЫШЛЕННОСТЬ в Современном толковом словаре, БСЭ:
(индустрия) , важнейшая отрасль народного хозяйства, оказывающая решающее воздействие на уровень экономического развития общества. Состоит из двух больших групп отраслей … - ПРОМЫШЛЕННОСТЬ в Толковом словаре русского языка Ушакова:
промышленности, мн. нет, ж. 1. собир. Фабрики, заводы, предприятия, занимающиеся переработкой сырья или разработкой недр земли. Добывающая промышленность (горнорудные разработки, … - ПРОМЫШЛЕННОСТЬ в Толковом словаре Ефремовой:
промышленность ж. 1) Отрасль производства, охватывающая переработку сырья, разработку недр, создание средств производства и предметов потребления. 2) Отдельный вид такой … - ПРОМЫШЛЕННОСТЬ в Новом словаре русского языка Ефремовой:
- ПРОМЫШЛЕННОСТЬ в Большом современном толковом словаре русского языка:
ж. 1. Отрасль производства, охватывающая переработку сырья, разработку недр, создание средств производства и предметов потребления. 2. Отдельный вид такой отрасли … - СССР. ПРОМЫШЛЕННОСТЬ в Большой советской энциклопедии, БСЭ:
Развитие промышленности в 1917-45. При наличии в царской России отдельных хорошо оснащенных и организованных производств технический уровень промышленности в целом … - МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА в Большой советской энциклопедии, БСЭ:
техника, совокупность методов и аппаратуры для изучения микроорганизмов в лабораторных условиях. Специфика микроорганизмов, обусловленная их малыми размерами, особенностями морфологии и … - МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ: ПРОМЫШЛЕННЫЕ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ в Словаре Кольера:
К статье МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ Промышленные микробиологические процессы можно разбить на 5 основных групп: 1) выращивание микробной биомассы; 2) получение продуктов … - БИОТЕХНОЛОГИЯ в Энциклопедии Биология:
, использование живых организмов и биологических процессов для получения и переработки различных продуктов. Биотехнологические методы издавна применяются в хлебопечении, сыроварении, … - МОГИЛЕВ в Большом энциклопедическом словаре:
город в Белоруссии, центр Могилевской обл., на р. Днепр. Железнодорожный узел. 366 тыс. жителей (1993). Машиностроение (заводы: автомобильный, "Электродвигатель", сельскохозяйственного … - ЭТИЛОВЫЙ СПИРТ в Большой советской энциклопедии, БСЭ:
спирт, этанол, винный спирт, C2H5OH; бесцветная подвижная жидкость с характерным запахом и жгучим вкусом; tпл - 114,15|С, t kип 78,39|С, … - ФЕДЕРАТИВНАЯ РЕСПУБЛИКА ГЕРМАНИИ в Большой советской энциклопедии, БСЭ.
- УКРАИНСКАЯ СОВЕТСКАЯ СОЦИАЛИСТИЧЕСКАЯ РЕСПУБЛИКА в Большой советской энциклопедии, БСЭ:
Советская Социалистическая Республика, УССР (Украiнська Радянська Социалicтична Республika), Украина (Украiна). I. Общие сведения УССР образована 25 декабря 1917. С созданием … - ТАЛИЦА в Большой советской энциклопедии, БСЭ:
город, центр Талицкого района Свердловской области РСФСР. Расположен на правом берегу р. Пышма (бассейн Оби), в 6 км от ж.-д. … - СССР. СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО в Большой советской энциклопедии, БСЭ:
хозяйство Сельское хозяйство - важнейшая часть народнохозяйственного комплекса страны, одна из основных сфер материального производства, оказывающая большое влияние на повышение … - СССР. ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ в Большой советской энциклопедии, БСЭ:
науки Математика Научные исследования в области математики начали проводиться в России с 18 в., когда членами Петербургской АН стали Л. …
В структурном отношении микробиологическая промышленность включает две основных группы производств, отличающиеся друг от друга по используемому сырью:
· производство кормовых белковых веществ (главным образом кормовых дрожжей) из углеводородного сырья;
· производство кормовых дрожжей из сырья растительного происхождения, а также фурфурола и другой продукции, получаемой методом гидролиза древесины и растительных отходов сельского и лесного хозяйства.
Кроме того, к отрасли относятся производство аминокислот и ферментных препаратов, кормовых антибиотиков, бактериальных удобрений и микробиологических средств защиты растений и животных, а также различных растворителей из пищевого сырья, следовательно, в ее состав входят предприятия гидролизной промышленности и в то же время промышленности органического синтеза.
Продукция микробиологической промышленности способствует интенсификации сельского хозяйства, в первую очередь, животноводства, а также совершенствованию технологии в легкой, пищевой и некоторых других отраслях промышленного производства (в производстве моющих средств, для очистки сточных вод и др.).
Важным потребителем продукции является комбикормовая промышленность. Примерно 2/3 всей микробиологической продукции используется в сельском хозяйстве.
Кормовые дрожжи – основной продукт отрасли. Для животноводства они имеют такое же значение, как минеральные удобрения для земледелия.
Предприятия, использующие углеводородное сырье для производства дрожжей, ориентированы на центры нефтепереработки, что обусловлено достаточно высокой материалоемкостью производства. Для получения 1 т белка необходимо иметь 2,5 т углеводородного сырья, в качестве которого служат нефтяные дистилляторы и очищенные жидкие парафины нефти .
Производство дрожжей осуществляется в Беларуси на Новополоцком и Мозырском заводах белково-витаминных концентратов. Крупнейший из них – Новополоцкий завод БВК – начал свою работу в 1978 г., Мозырский – в 1983 г.
Гидролизное производство кормового белка на отходах древесины происходит в Бобруйске и Речице. Речицкий гидролизно-дрожжевой завод действует с 1931 г. Сначала он выпускал дубильный экстракт, а кормовые дрожжи поставляет хозяйствам с 1977 г. Бобруйский гидролизный завод дал первую продукцию – этиловый спирт – в 1936 г. После реконструкции в 1967 г. производит и кормовые дрожжи (более 10 тыс. т. в год).
К микробиологической отрасли относятся также:
· Несвижский биохимический завод, который производит около 25 т кормового антибиотика (биомицина) и до 10 млн. гектарных порций в год ризоторфина – бактериального удобрения для бобовых растений;
· Пинский биохимический завод по производству рибофлавина (витамин В 2);
· Обольский цех Новополоцкого завода БВК, который выпускает кормовую добавку – аминокислоту лизин (до 180 т в год).
В Беларуси работает крупнейшее в СНГ научно-производственное объединение "Белмедбиопром" (Минск) по выпуску биопрепаратов.
Следует сказать об экологической вредности как самого производства белка на основе углеводородного сырья, так и присутствии этого белка в кормах.
Процессы, протекающие при участии бактерий, дрожжей и плесневых грибов, человек применял сотни лет для получения пищевых продуктов и напитков, обработки текстиля и кожи, но участие в этих процессах микроорганизмов было четко показано только в середине 19 в.
В 20 в. промышленность использовала все разнообразие замечательных биосинтетических способностей микроорганизмов, и теперь ферментация занимает центральное место в биотехнологии. С ее помощью получают разнообразные химикалии высокой степени чистоты и лекарственные препараты , изготавливают пиво , вино , ферментированные пищевые продукты. Во всех случаях процесс ферментации разделяется на шесть основных этапов.
Создание среды.
Прежде всего необходимо выбрать соответствующую культуральную среду. Микроорганизмы для своего роста нуждаются в органических источниках углерода, подходящем источнике азота и различных минеральных веществах. При производстве алкогольных напитков в среде должны присутствовать осоложенный ячмень, выжимки из фруктов или ягод. Например, пиво обычно делают из солодового сусла, а вино – из виноградного сока. Помимо воды и, возможно, некоторых добавок эти экстракты и составляют ростовую среду.
Среды для получения химических веществ и лекарственных препаратов намного сложнее. Чаще всего в качестве источника углерода используют сахара и другие углеводы, но нередко масла и жиры, а иногда углеводороды. Источником азота обычно служат аммиак и соли аммония, а также различные продукты растительного или животного происхождения: соевая мука, соевые бобы, мука из семян хлопчатника, мука из арахиса, побочные продукты производства кукурузного крахмала, отходы скотобоен, рыбная мука, дрожжевой экстракт. Составление и оптимизация ростовой среды являются весьма сложным процессом, а рецепты промышленных сред – ревниво оберегаемым секретом.
Стерилизация.
Среду необходимо стерилизовать, чтобы уничтожить все загрязняющие микроорганизмы. Сам ферментер и вспомогательное оборудование тоже стерилизуют. Существует два способа стерилизации: прямая инжекция перегретого пара и нагревание с помощью теплообменника. Желаемая степень стерильности зависит от характера процесса ферментации. Она должна быть максимальной при получении лекарственных препаратов и химических веществ. Требования же к стерильности при производстве алкогольных напитков менее строгие. О таких процессах ферментации говорят как о «защищенных», поскольку условия, которые создаются в среде, таковы, что в них могут расти только определенные микроорганизмы. Например, при производстве пива ростовую среду просто кипятят, а не стерилизуют; ферментер также используют чистым, но не стерильным.
Получение культуры.
Прежде чем начать процесс ферментации, необходимо получить чистую высокопродуктивную культуру. Чистые культуры микроорганизмов хранят в очень небольших объемах и в условиях, обеспечивающих ее жизнеспособность и продуктивность; обычно это достигается хранением при низкой температуре. Ферментер может вмещать несколько сотен тысяч литров культуральной среды, и процесс начинают, вводя в нее культуру (инокулят), составляющей 1–10% объема, в котором будет идти ферментация. Таким образом, исходную культуру следует поэтапно (с пересеваниями) растить до достижения уровня микробной биомассы, достаточного для протекания микробиологического процесса с требуемой продуктивностью.
Совершенно необходимо все это время поддерживать чистоту культуры, не допуская ее заражения посторонними микроорганизмами. Сохранение асептических условий возможно лишь при тщательном микробиологическом и химико-технологическом контроле.
Рост в промышленном ферментере (биореакторе).
Промышленные микроорганизмы должны расти в ферментере при оптимальных для образования требуемого продукта условиях. Эти условия строго контролируют, следя за тем, чтобы они обеспечивали рост микроорганизмов и синтез продукта. Конструкция ферментера должна позволять регулировать условия роста – постоянную температуру, pH (кислотность или щелочность) и концентрацию растворенного в среде кислорода.
Обычный ферментер представляет собой закрытый цилиндрический резервуар, в котором механически перемешиваются среда и микроорганизмы. Через среду прокачивают воздух, иногда насыщенный кислородом. Температура регулируется с помощью воды или пара, пропускаемых по трубкам теплообменника. Такой ферментер с перемешиванием используется в тех случаях, когда ферментативный процесс требует много кислорода. Некоторые продукты, напротив, образуются в бескислородных условиях, и в этих случаях используются ферментеры другой конструкции. Так, пиво варят при очень низких концентрациях растворенного кислорода, и содержимое биореактора не аэрируется и не перемешивается. Некоторые пивовары до сих пор традиционно используют открытые емкости, но в большинстве случаев процесс идет в закрытых неаэрируемых цилиндрических емкостях, сужающихся книзу, что способствует оседанию дрожжей.
В основе получения уксуса лежит окисление спирта до уксусной кислоты бактериями Acetobacter . Процесс ферментации протекает в емкостях, называемых ацетаторами, при интенсивной аэрации. Воздух и среда засасываются вращающейся мешалкой и поступают на стенки ферментера.
Выделение и очистка продуктов.
По завершении ферментации в бульоне присутствуют микроорганизмы, неиспользованные питательные компоненты среды, различные продукты жизнедеятельности микроорганизмов и тот продукт, который желали получить в промышленном масштабе. Поэтому данный продукт очищают от других составляющих бульона. При получении алкогольных напитков (вина и пива) достаточно просто отделить дрожжи фильтрованием и довести до кондиции фильтрат. Однако индивидуальные химические вещества, получаемые путем ферментации, экстрагируют из сложного по составу бульона. Хотя промышленные микроорганизмы специально отбираются по своим генетическим свойствам так, чтобы выход желаемого продукта их метаболизма был максимален (в биологическом смысле), концентрация его все же мала по сравнению с той, которая достигается при производстве на основе химического синтеза. Поэтому приходится прибегать к сложным методам выделения – экстрагированию растворителем, хроматографии и ультрафильтрации.
Переработка и ликвидация отходов ферментации.
При любых промышленных микробиологических процессах образуются отходы: бульон (жидкость, оставшаяся после экстракции продукта производства); клетки использованных микроорганизмов; грязная вода, которой промывали установку; вода, применявшаяся для охлаждения; вода, содержащая в следовых количествах органические растворители, кислоты и щелочи. Жидкие отходы содержат много органических соединений; если их сбрасывать в реки, они будут стимулировать интенсивный рост естественной микробной флоры, что приведет к обеднению речных вод кислородом и созданию анаэробных условий. Поэтому отходы перед удалением подвергают биологической обработке, чтобы уменьшить содержание органического углерода.
ПРОМЫШЛЕННЫЕ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Промышленные микробиологические процессы можно разбить на 5 основных групп: 1) выращивание микробной биомассы; 2) получение продуктов метаболизма микроорганизмов; 3) получение ферментов микробного происхождения; 4) получение рекомбинантных продуктов; 5) биотрансформация веществ.
Микробная биомасса.
Микробные клетки сами по себе могут служить конечным продуктом производственного процесса. В промышленном масштабе получают два основных типа микроорганизмов: дрожжи, необходимые для хлебопечения, и одноклеточные микроорганизмы, используемые как источник белков, которые можно добавлять в пищу человека и животных. Пекарские дрожжи выращивали в больших количествах с начала 20 в. и использовали в качестве пищевого продукта в Германии во время Первой мировой войны.
Однако технология производства микробной биомассы как источника пищевых белков была разработана только в начале 1960-х годов. Ряд европейских компаний обратили внимание на возможность выращивания микробов на таком субстрате, как углеводороды, для получения т.н. белка одноклеточных организмов (БОО). Технологическим триумфом было получение продукта, добавляемого в корм скоту и состоящего из высушенной микробной биомассы, выросшей на метаноле. Процесс шел в непрерывном режиме в ферментере с рабочим объемом 1,5 млн. л. Однако в связи с ростом цен на нефть и продукты ее переработки этот проект стал экономически невыгодным, уступив место производству соевой и рыбной муки. К концу 80-х годов заводы по получению БОО были демонтированы, что положило конец бурному, но короткому периоду развития этой отрасли микробиологической промышленности. Более перспективным оказался другой процесс – получение грибной биомассы и грибного белка микопротеина с использованием в качестве субстрата углеводов.
Продукты метаболизма.
После внесения культуры в питательную среду наблюдается лаг-фаза, когда видимого роста микроорганизмов не происходит; этот период можно рассматривать как время адаптации. Затем скорость роста постепенно увеличивается, достигая постоянной, максимальной для данных условий величины; такой период максимального роста называется экспоненциальной, или логарифмической, фазой. Постепенно рост замедляется, и наступает т.н. стационарная фаза. Далее число жизнеспособных клеток уменьшается, и рост останавливается.
Следуя описанной выше кинетике, можно проследить за образованием метаболитов на разных этапах. В логарифмической фазе образуются продукты, жизненно важные для роста микроорганизмов: аминокислоты, нуклеотиды, белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и т.д. Их называют первичными метаболитами.
Многие первичные метаболиты представляют значительную ценность. Так, глутаминовая кислота (точнее, ее натриевая соль) входит в состав многих пищевых продуктов; лизин используется как пищевая добавка; фенилаланин является предшественником заменителя сахара аспартама. Первичные метаболиты синтезируются природными микроорганизмами в количествах, необходимых лишь для удовлетворения их потребностей. Поэтому задача промышленных микробиологов состоит в создании мутантных форм микроорганизмов – сверхпродуцентов соответствующих веществ. В этой области достигнуты значительные успехи: например, удалось получить микроорганизмы, которые синтезируют аминокислоты вплоть до концентрации 100 г/л (для сравнения – организмы дикого типа накапливают аминокислоты в количествах, исчисляемых миллиграммами).
В фазе замедления роста и в стационарной фазе некоторые микроорганизмы синтезируют вещества, не образующиеся в логарифмической фазе и не играющие явной роли в метаболизме. Эти вещества называют вторичными метаболитами. Их синтезируют не все микроорганизмы, а в основном нитчатые бактерии, грибы и спорообразующие бактерии. Таким образом, продуценты первичных и вторичных метаболитов относятся к разным таксономическим группам. Если вопрос о физиологической роли вторичных метаболитов в клетках-продуцентах был предметом серьезных дискуссий, то их промышленное получение представляет несомненный интерес, так как эти метаболиты являются биологически активными веществами: одни из них обладают антимикробной активностью, другие являются специфическими ингибиторами ферментов, третьи – ростовыми факторами, многие обладают фармакологической активностью. Получение такого рода веществ послужило основой для создания целого ряда отраслей микробиологической промышленности. Первым в этом ряду стало производство пенициллина; микробиологический способ получения пенициллина был разработан в 1940-х годах и заложил фундамент современной промышленной биотехнологии.
Фармацевтическая промышленность разработала сверхсложные методы скрининга (массовой проверки) микроорганизмов на способность продуцировать ценные вторичные метаболиты. Вначале целью скрининга было получение новых антибиотиков, но вскоре обнаружилось, что микроорганизмы синтезируют и другие фармакологически активные вещества. В течение 1980-х годов было налажено производство четырех очень важных вторичных метаболитов. Это были: циклоспорин – иммунодепрессант, используемый в качестве средства, предотвращающего отторжение имплантированных органов; имипенем (одна из модификаций карбапенема) – вещество с самым широким спектром антимикробного действия из всех известных антибиотиков; ловастатин – препарат, снижающий уровень холестерина в крови; ивермектин – антигельминтное средство, используемое в медицине для лечения онхоцеркоза, или «речной слепоты», а также в ветеринарии.
Ферменты микробного происхождения.
В промышленных масштабах ферменты получают из растений, животных и микроорганизмов. Использование последних имеет то преимущество, что позволяет производить ферменты в огромных количествах с помощью стандартных методик ферментации. Кроме того, повысить продуктивность микроорганизмов несравненно легче, чем растений или животных, а применение технологии рекомбинантных ДНК позволяет синтезировать животные ферменты в клетках микроорганизмов. Ферменты, полученные таким путем, используются главным образом в пищевой промышленности и смежных областях. Синтез ферментов в клетках контролируется генетически, и поэтому имеющиеся промышленные микроорганизмы-продуценты были получены в результате направленного изменения генетики микроорганизмов дикого типа.
Рекомбинантные продукты.
Технология рекомбинантных ДНК, более известная под названием «генная инженерия», позволяет включать гены высших организмов в геном бактерий. В результате бактерии приобретают способность синтезировать «чужеродные» (рекомбинантные) продукты – соединения, которые прежде могли синтезировать только высшие организмы. На этой основе было создано множество новых биотехнологических процессов для производства человеческих или животных белков, ранее недоступных или применявшихся с большим риском для здоровья. Сам термин «биотехнология» получил распространение в 1970-х годах в связи с разработкой способов производства рекомбинантных продуктов. Однако это понятие гораздо шире и включает любой промышленный метод, основанный на использовании живых организмов и биологических процессов.
Первым рекомбинантным белком, полученным в промышленных масштабах, был человеческий гормон роста. Для лечения гемофилии используют один из белков системы свертывания крови, а именно фактор VIII. До того как были разработаны методы получения этого белка с помощью генной инженерии, его выделяли из крови человека; применение такого препарата было сопряжено с риском заражения вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ).
Долгое время сахарный диабет успешно лечили с помощью инсулина животных. Однако ученые полагали, что рекомбинантный продукт будет создавать меньше иммунологических проблем, если его удастся получать в чистом виде, без примесей других пептидов, вырабатываемых поджелудочной железой. Кроме того, ожидалось, что число больных диабетом будет со временем увеличиваться в связи с такими факторами, как изменения в характере питания, улучшение медицинской помощи беременным, страдающим диабетом (и как следствие – повышение частоты генетической предрасположенности к диабету), и, наконец, ожидаемое увеличение продолжительности жизни больных диабетом. Первый рекомбинантный инсулин поступил в продажу в 1982, а к концу 1980-х годов он практически вытеснил инсулин животных.
Многие другие белки синтезируются в организме человека в очень небольших количествах, и единственный способ получать их в масштабах, достаточных для использования в клинике, – технология рекомбинантных ДНК. К таким белкам относятся интерферон и эритропоэтин. Эритропоэтин совместно с миелоидным колониестимулирующим фактором регулирует процесс образования клеток крови у человека. Эритропоэтин используется для лечения анемии, связанной с почечной недостаточностью, и может найти применение как средство, способствующее повышению уровня тромбоцитов, при химиотерапии раковых заболеваний.
Некоторые продукты микробиологического синтеза давно использовались человеком (например, пекарские дрожжи), но широкое промышленное применение микробиологического синтеза получил начиная с 40-50-х гг. 20 в.
Прогресс в этой области связан прежде всего с открытием пенициллина, что побудило начать детальные исследования у микроорганизмов продуктов обмена веществ, обладающих физиологической активностью. Освоение в промышленных масштабах производства пенициллина привело к решению многих микробиологических, технологических и инженерных задач. Это, наряду с расширением производства дрожжей как белково-витаминных добавок к кормам, послужило основой для развития промышленного микробиологического синтеза. Так, в частности, были созданы специальные аппараты - ферментёры, с помощью которых можно вести технологический процесс биосинтеза без доступа посторонних микроорганизмов, снабжённые устройствами для перемешивания среды и для подачи стерильного воздуха.
Технологически современный процесс микробиологического синтеза состоит из ряда последовательных этапов (операций).
Главные из них:
· подготовка необходимой культуры микроорганизма-продуцента;
· подготовка питательной среды;
· выращивание посевного материала; культивирование продуцента в заданных условиях, в ходе которого и осуществляется микробиологический синтез, часто называемый ферментацией (например, ферментация антибиотиков);
· фильтрация и отделение биомассы;
· выделение и очистка требуемого продукта, когда это необходимо;
Процессы выделения и очистки, часто занимающие важное место среди других технологических операций, определяются химической природой получаемого вещества и могут включать экстракционные и хроматографические методы, кристаллизацию, осаждение и др.
Наиболее прогрессивным способом культивирования считается непрерывный - с непрерывными подачей питательной среды и выводом продуктов микробиологического синтеза. Так производят, например, микробную биомассу (кормовые дрожжи). Однако непрерывный способ разработан далеко ещё не для всех процессов микробиологического синтеза, и большинство метаболитов (аминокислоты, антибиотики, витамины) получают периодическим способом - с выводом продукта в конце процесса. В некоторых случаях (например, при производстве ряда ферментов) продуценты выращивают не в ферментёрах с аэрацией и перемешиванием (глубинный способ), а на поверхности питательной среды - т. н. поверхностным способом.
Для производства разнообразных продуктов микробиологического синтеза в СССР была создана микробиологическая промышленность, уже выпускающая большой ассортимент соединений разных классов. Работы в области микробиологического синтеза проводятся почти во всех промышленно развитых странах. Во многих из них продукты микробиологического синтеза являются важной составляющей экономики страны, например производство ферментов и аминокислот - в Японии, лекарственных препаратов - в Венгрии.
http://studopedia.ru/2_95768_mikrobiologicheskiy-sintez.html
III. Продукция микробиологической промышленности
Антибиотики
Большое число антибиотических веществ, образуемых различными группами микроорганизмов, являются продуктами жизнедеятельности собственно бактерий. Однако лишь немногие из них нашли практическое применение, так как большинство бактериальных антибиотиков токсично для микроорганизмов. Часть этих антибиотиков используется в медицинской практике, другие нашли применение в пищевой и консервной промышленности. Они предохраняют от порчи мясные, рыбные, молочные и другие скоропортящиеся продукты. Некоторые из бактериальных антибиотиков употребляют в сельском хозяйстве как добавки к корму домашних животных.
По химической природе почти все бактериальные антибиотики – полипептиды или белки.
К настоящему времени известно около 1000 антибиотиков бактериального происхождения, но мы остановимся лишь на некоторых из них, имеющих практическое или теоретическое значение.
В большинстве случаев при изучении бактериальных антибиотиков приходится иметь дело не с одиночными веществами, а с группой близких друг к другу по химическим и биологическим свойствам веществ, синтезируемых одним видом бактерий.
У разных бактерий антибиотики-полипептиды, по всей вероятности, образуются идентично. Процесс биосинтеза активируется полиферментными комплексами, близкими по типу действия. Однако некоторые антибиотики продуцируются на рибосомах.
А. Пенициллин (БЕККЕР)
Первым антибиотиком микробногопроисхождения, который начали производить промышленным путем, был пенициллин. Первоначально его получали методом поверхностного культивирования. Технология была весьма примитивна – продуцент культивировали в колбах или бутылках. Потребность в пенициллине была очень высока и объем его производства, хотя и в примитивных условиях, быстро увеличивался. Для культивирования продуцента использовали даже молочные бутылки. В каждую бутылку помещали питательную среду слоем толщиной 1 -4 см, что обеспечивало необходимые условия аэрации. Бутылки помещали в специальные корзины, стерилизовали, а затем охлаждали. Сухие споры или их водную суспензию вносили в бутылки особыми пульверизаторами или при помощи пипеток и ферментировали 5 – 10 суток при температуре 24°С.
В настоящее время во всем мире пенициллин получают так же как и многие другие антибиотики, методом глубинного культивирования.
В качестве продуцентов пенициллина широко используют штаммы культуры Penicillium chrysogenum , виды Penicillium образуют споры (конидии). В развитии мицелия наблюдается ряд различных фаз. В начале и середине развития мицелия в клетках накапливаются жиры. Позже их количество уменьшается, появляются вакуоли с гранулами рибонуклеополифосфатов, затем начинается автолиз. Интенсивный синтез пенициллина начинается при наличии большего количества биомассы мицелия, при полном использовании глюкозы и молочной кислоты в среде и при pH, близком к нейтральному.
Для получения пенициллина вначале размножают споры. Их можно выращивать на агаризированных средах, в состав которых входят, например, 0,5% мелассы, 0,5% пептона, 0,4% поваренной соли, 0,01% однозамещенного фосфата калия и 0,005% сульфата магния. Споры выращивают при температуре 25 - 27°С 4 – 5 суток.
В промышленности споры часто получают, выращивая мицелий в стеклянных флаконах на просяной среде. Высушенный споровый материал можно хранить при комнатной температуре.
Полученный споровый материал используют для засева инокуляров (1 – 3 флакона на аппарат, где мицелий размножают до количества 5 – 10% от объема посевных ферментаторов).
В посевных ферментаторах мицелий выращивают 12 – 18 часов, 15 – 20% объема культуральной жидкости используют для начала основной ферментации. Питательные среды для выращивания мицелия и биосинтеза пенициллина готовят обычно из кукурузного экстракта, лактозы, глюкозы, минеральных веществ и некоторых препаратов фенилуксусной кислоты – предшественников антибиотика.
Ждя стабилизации среды используют мел. Ферментации ведут при температуре 22 - 26°С, в границах рН среды от 5,0 до 7,5 при интенсивной аэрации среды. В течение 4 суток количесво пенициллина достигает максимума и ферментацию прекращают. Мицелий отделяют фильтрацией. Его можно использовать в животноводстве как источник белков и витаминов, а из культуральной жидкости выделяют пенициллин.
После отделения мицелия в фильтрате содержится 3 – 6% сухих веществ, из которых 30 – 40% составляют минеральные вещества, а 15 – 30% пенициллин.
В последнее время экстракцию и химическую очистку пенициллина ведут по непрерывной схеме. Чтобы использовать пенициллин и другие антибиотики в медицине, выделению и очистке активных веществ необходимо уделять особое внимание. Получение антибиотиков отличается от других отраслей микробиологического синтеза именно тем, что содержание активных веществ в культуральной жидкости весьма незначительно, поэтому их химическое выделение усложняется, кроме того, требуется гарантия высокой степени чистоты этих веществ.
Б. Тиротрицин
Впервые был получен Р. Дюбо в 1939 году при развитии бактерии Bacillus brevis , выделенной из почвы. Продуцент тиротрицина – аэробная, спорообразующая грамположительная бактерия.
Температура оптимум развития около 37°С. Для получения антибиотика бактерии выращивались в течение 4-5 суток при 37°С на жидкой питательной среде (обычно мясопептонный бульон), разлитой тонким слоем в матрацы. В процессе развития бактерий образующийся антибиотик в небольшом количестве выделяется в окружающую среду, а основная масса тиротрицина находится в бактериальных клетках.
При выделении антибиотика необходимо помнить, что большая часть его содержится в клетках бактерий, а следовательно, обрабатывать стоит как культуральную жидкость, так и бактериальную массу.
Тиротрицин обладает бактериостатическим бактерицидным действием в отношении грамположительных бактерий и главным образом гноеродных кокков. Преимущество тиротрицина состоит в том, что он действует на те патогенные микробы (например, фекальный стрептококк), на которые не влияют ни пенициллин, ни сульфаниламидные препараты. Грамотрицательные бактерии устойчивы к действию антибиотика.
В. Бацитрацины
Бацитрацины – полипептидные антибиотики, выделенные Б. Джонсоном с соавторами в 1945 году из культуры Bacillus licheniformis. Немного позже (1949) из культуры Bacillus subtilis была выделена смесь антибиотиков, которая получила название «эйфайвин». Позднее было выяснено, что полипептиды, входящие в эйфайвин, идентичны полипептидам бацитрацина, поэтому было принято решение упразднить название «эйфайвин» и сохранить лишь название «бацитрацин».
Бацитрацины получают при поверхностном или глубинном росте бактерий на соответствующих средах, содержащих глюкозу, лактат аммония и неорганические соли или соевую муку и глюкозу. При развитии Bacillus licheniformis и образовании бацитрацина очень важно наличие в среде определенного соотношения углерода и азота. При высоком показателе отношения углерод/азот в среде вырабатываются бацитрацины, но при повышенном соотношении азота к углероду и при развитии бактерий в среде с лактатом аммония преимущество образуется новая группа антибиотиков – лихениформины, в состав которых входят три антибиотика: лихениформин А, В и С.
Бацитрацины обладают высокой антибиотической активностью в отношении грамположительных бактерий и почти не действуют на отрицательные формы.
По спектру действия эти антибиотики близки к пенициллинам. Вместе с тем бацитрацины влияют на многие микробы, устойчивые к пенициллинам. Бацитрацины проявляют определенное синергидное действие с другими антибиотиками, и в частности с пенициллинами, стрептомицином, хлортетрациклином.
В медицинской практике бацитрацины используются преимущественно при местном лечении некоторых гнойных процессов. Их с успехом применяют в целях профилактики и лечения ряда хирургических инфекций, для лечения кожных заболеваний, пневмонии, бациллярной дизентерии и других заболеваний.
При добавке в корма сельскохозяйственных животных бацитрацины могут стимулировать их рост. Однако использование этих антибиотиков должно быть резко ограничено и находиться под строгим контролем.
Г. Полимиксины (Егоров)
Полимиксины – родственные антибиотические вещества полипептидной природы, образуемые различными штаммами Bacillus polymyxa и B. circulans .
П. Стенсли с сотрудниками описали некоторые свойства антибиотика, активного по отношению к грамотрицательным организмам. Эти же ученые решили назвать полученный антибиотик полимиксином и выявили продуцирующий его организм.
Обычно для получения полимиксинов используют среды, в состав которых кроме неорганических солей входят дрожжевой экстракт, глюкоза, а иногда и другие компоненты.
Для развития полимиксина в среде необходимо присутствие сложных растительных компонентов (кукурузный или дрожжевой экстракты, соевая, арахисовая или овсяная мука и другие аналогичные компоненты) или витаминов (биотин, тиамин, никотиновая кислота).
Выделение полимиксинов осуществляется разными способами. В одних случаях антибиотики адсорбируют углем и элюируют подкисленным водным ацетоном, метиловым и этиловым спиртами. Выделять антибиотики можно так же путем экстракции их из нефильтрованной культуральной среды изопропиловым спиртом в присутствии сульфата аммония. Для выделения полимиксинов используют и ионообменные смолы.
Полимиксины избирательно действуют на грамотрицательные бактерии. На грамположительные формы бактерий полимиксины действуют очень слабо. Многие полимиксины обладают фунгицидной активностью.
Под действием полимиксинов нарушается функция ферментов дыхательной цепи чувствительных микробов.
Полимиксины в виде мазей могут использоваться при лечении фурункулов, гидраденитов и других кожных заболеваний. Так же применяются при лечении менингитов, инфекций дыхательных путей и мочеполового тракта, наружного отита. Их часто используют в сочетании с другими антибиотиками.
Аминоксилоты.
В состав природных белков обычно входят следующие аминоксилоты: аланин, аргинин, аспарагин, аспарагиновая кислота, цистеин, глицин, глутаминовая кислота, гистидин, глутамин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, оксипролин, пролин, серин, тирозин, треонин, триптофан и валин. Восемь аминокислот организм животных не способен синтезировать самостоятельно, поэтому их называют биологически незаменимыми аминокислотами. К ним относятся фенилаланин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан и валин.
Эти аминокислоты должны постоянно и в нужном количестве поступать в организм вместе с пищевыми продуктами. Недостаток одной из этих аминокислот в пище может стать фактором, лимитирующим рост и развитие организма.
А. Лизин
Лизин в организме является не только структурным элементом белка, но и выполняет ряд важных биохимических функций – является предшественником карнитина и оксилизина, способствует транспорту кальция и стронция в клетки и др.
В настоящее время во многих странах препарат лизина добавляют к хлебу для повышения его биологической ценности, а также для улучшения внешнего вида. Доказано, что лизин улучшает аппетит, способствует секреции пищеварительных ферментов, предотвращает кариес у детей.
Лизин является самой дефицитной в кормах животных незаменимой аминокислотой. Установлено, что добавка лизина в количестве 0,1 – 0,4% к кормам значительно увеличивает продуктивность домашних животных.
Для биосинтеза лизина используют гомосериндефицитные мутанты ауксотрофных бактерий родов Brevibacterium, Micrococcus, Corynebacterium и др.
Продуценты лизина культивируются на средах, содержащих углеводы или уксусную кислоту, источники азота и кислород.
Б. Триптофан
Триптофан используют в медицине, а также как реагент в биохимических исследованиях; в небольших количествах он требуется для нужд животноводства. Триптофан получают из антраниловой кислоты, используя особые штаммы дрожжей Candida или Hansunella.
Антраниловая кислота ядовита. Синтезируя триптофан, упомянутые дрожжи освобождают клетки от этого вредного соединения, превращая его в важную для биосинтеза белков аминокислоту.
Для размножения дрожжей можно использовать мелассу, диффузионный сок сахарной свеклы, сахарозу или другие среды, содержащие усваиваемые источники углерода.
Органические кислоты
Микробиологическим путем из углеводов, спиртов или даже углеводородов можно получить различные органические кислоты – уксусную, молочную, лимонную, янтарную, итаконовую, фумаровую, глюконовую и др.
Продуцентами этих кислот могут быть бактерии, плесневые грибы или дрожжи. Микроорганизмы, продуцирующие молочную кислоту, а также вызывающие спиртовое брожение, в ходе эволюции приспособились к анаэробному образу жизни. Уксусная и лимонная кислоты в свою очередь образуются в аэробных условиях. По-видимому, кислоты играют определенную роль в борьбе с конкурирующей микрофлорой, а также являются резервными источниками углерода.