Основные типы биопроцессов

В настоящее время существуют следующие основные типы биоп­роцессов:

- производство биомассы (например, белок одноклеточных);

- клеточных компонентов (ферменты, нуклеиновые кислоты ит.д.);

- метаболитов (химические продукты метаболической активнос­ти),

- включая первичные метаболиты, такие как этанол, молочная кислота;

- вторичных метаболитов;

- односубстратные конверсии (превращение глюкозы во фрукто­зу);

- многосубстратные конверсии (обработка сточных вод, утили­зация лигноцеллюлозных отходов).

Производство биомассы

Человек традиционно получает белки, жиры и углеводы (основ­ные компоненты пищи) из животных и растительных источников. Уже сегодня эти источники не покрывают все увеличивающиеся потреб­ности человечества. Выяснилось, что белки и жиры микроорганиз­мов с успехом могут заменить белки и жиры традиционного проис­хождения. Преимущества микроорганизмов как продуцентов белка состоит в высоком содержании белка в биомассе и высокой скорос­ти роста микроорганизмов. Кроме высо­кого содержания белка, микробная биомасса содержит также жиры, нуклеиновые кислоты, витамины и минеральные компоненты.

Для получения БОК используют самые разнообразные субс­траты, включая парафины нефти, метан, водород, метанол, этанол, уксусную кислоту, углекислый газ, молочную сыворотку, мелассу, крахмал и целлюлозосодержащие отходы промышленности и сельского хозяйства. Для промышленного использования перспективными явля­ются термофильные (растущие при высоких температурах до 50°С) микроорганизмы.

Получение спиртов.

Некоторые дрожжи и бактерии способны продуцировать этанол и бутанол, Эти продукты обычно синтезируют из нефти,

Ферментация мелассы различными видами Clostridium . может быть использована для получения не только этанола, но и ацетальдегида, уксусной кислоты, этилацетата и диэтилового эфира.

Производство вторичных метаболитов

Из всех продуктов, получаемых с помощью микробных процес­сов, наибольшее значение имеют вторичные метаболиты. Эта группа включает в основном антибиотики, токсины, алкалоиды и стимуля­торы роста растений.

Фармакологически активные соединения микробного происхожде­ния не ограничены антибиотиками. Живые и убитые микроорганизмы используются как антигены и токсинообразователи для получения антител и антитоксинов. Патогенные бактерии также производятся в больших количествах для получения вакцин. Живые клетки молоч-но-кислых бактерий и кишечной палочки используются для профи­лактики и лечения кишечных заболеваний. Вирусы используются как индукторы синтеза интерферона.

Производство ферментов

Получение ферментов с помощью микроорганизмов более выгод­но, чем из растительных и животных источников. Микробные клетки продуцируют более 2 тысяч ферментов, катализирующих биохимичес­кие реакции, связанные с ростом, дыханием и образованием про­дуктов. Многие из этих ферментов могут быть выделены и проявля­ют свою активность независимо от клетки. В мире производится около 20 ферментов в объеме 65 тыс. тонн (а существует, как предполагают, 25000 ферментов).

Ферменты для медицинских или аналитических целей должны быть высокоочищенными. Для повышения стабильности выделенных ферментов используют технику иммобилизации, т.е. связывания ферментов на поверхности нерастворимого в воде носителя, напри­мер, органических полимеров, стекла, минеральных солей, силика­тов и т. п.

Аминокислоты, органические кислоты, витамины

Производство аминокислот относится к одной из наиболее пе­редовых областей биотехнологии. Аминокислоты получают путем химического синтеза или экстракцией из белковых гидролизатов. Незаменимые аминокислоты могут получаться микробиологическим путем более эффективно, чем путем химического синтеза. За рубе­жом 60% мощностей по производству аминокислот занимают глутами-новая кислота, далее идут метионин, лизин и глицин.

С помощью микроорганизмов можно получить до 60 органических кислот. Многие из них получаются в промышленном масштабе - итаконовая, молочная, уксусная, лимонная.

Витамины синтезируют в основном химическим путем или полу­чают из естественных источников. Микроорганизмы являются также ценным источником получения никотиновой кислоты (витамин РР) и витамин В2.

Объекты биотехнологии

Субклеточные структуры - вирусы и плазмиды.

Микроорганизмы - бактерии, грибы и водоросли.

Растения: низшие - папоротник азолла, высшие - представите­ли семейства рясковых.

Первичные и перевиваемые культуры растительных и животных клеток и тканей.

Микроорганизмы

Микроорганизмов, синтезирующих продукты или осуществляющих реакции, полезные для человека, несколько сотен видов.

1. Полезные бактерии относятся к эубактериям. Уксуснокислые бактерии, представленные родами Gluconobacter и Acetobacter, -это грамотрицательные бактерии, превращающие этанол в уксусную кислоту, а уксусную кислоту в углекислый газ и воду: Род Bacillus относится к грамположительным бактериям,

К молочнокислым бак­териям относятся представители родов Lactobacillus, Leuconostoc и Streptococcus, которые не образуют спор, грамположительны и нечувствительны к кислороду.

2 К грибам относятся актиномицеты, дрожжи и плесени. Истин­ные актиномицеты - строгие аэробы, они грамположительны и не образуют спор. Наиболее представительный в этой группе - род Streptomyces, отдельные виды которого продуцируют широко приме­няемые антибиотики. При росте на твердых средах актиномицеты образуют очень тонкий мицелий с воздушными гифами, которые диф­ференцируются в цепочки конидиоспор.

Из 500 известных видов дрожжей первым люди научились ис­
пользовать Saccharornyces cerevisiae.

Плесени вызывают многочисленные превращения в твердых сре­дах, которые происходят перед брожением. Их наличием объясняется гидролиз рисового крахмала при производстве сакэ.

Требования к штаммам:

· способность к росту на деше­вых питательных средах, высокая скорость роста и образования целевого продукта,

· минимальное образование побочных продуктов, стабильность продуцента в отношении производственных свойств,

· безвредность продуцента и целевого продукта для человека и ок­ружающей среды.

В связи с этим все микроорганизмы, используемые в промышленности, проходят длительные испытания на безвредность для людей, животных и окружающей среды. Важным свойством проду­цента является устойчивость к инфекции, что важно для поддержа­ния стерильности, и фагоустойчивость.

3. Водоросли используются, в основном, для получения белка.
Хлорелла (Chlorella) - ярко-зеленая одноклеточная водоросль,
обитающая в разнообразных экологических условиях. Клетки мел­
кие, шаровидные, с колоколовидным хроматофором. Может давать до
70 грамм сухого органического вещества на 1 кв. метр водоема. В
сухом веществе содержится до 40% белков, углеводы, жиры, вита­
мины В, С, К. Анабена (Anabaena) - нитчатая сине-зеленая водо­
росль.

Все сине-зеленые водоросли (или цианобактерии) обладают спо­собностью к азотфиксации, что делает их весьма перспективными продуцентами белка

Водоросли также могут служить источником углеводородов и редких химических веществ. У широко распространенной зеленой водоросли (обитающей в пресной и солонова­той воде умеренных и тропических зон) углеводороды в зависимос­ти от условий роста и разновидностей могут составлять до - 75% сухой массы. Они накапливаются внутри клеток, и водоросли, в которых их много, плавают на поверхности. После сбора водорос­лей эти углеводороды легко отделить экстракцией каким-нибудь растворителем или методом деструктивной отгонки. Таким путем может быть получено вещество, аналогичное дизельному топливу и керосину.

Растения

Водный папоротник азолла ценится как органическое азотное удобрение, так как растет в тесном симбиозе с сине-зеленой во­дорослью анабена. Это позволяет симбиотическому организму анабена-азолла накапливать много азота в вегетативной массе. Ана-бену-азоллу выращивают на рисовых полях перед посевом риса, что позволяет снижать количество вносимых минеральных удобрений.

Представители семейства рясковых (Lemnaceae) - самые мелкие и простые по строению цветковые растения, величина которых ред­ко превышает 1 см.

Ряско­вые служат кормом для животных, для уток и других водоплавающих птиц, рыб, ондатры. Их используют и в свежем, и в сухом виде как ценный белковый корм для свиней и домашней птицы. Рясковые содержат много протеина (до 45 % от сухой массы), 45% углево­дов, 5% жиров и остальное - клетчатка и т.д.

Культуры клеток

Различают культуры растительных и животных клеток. Культу­ры животных клеток бывают первичными и перевиваемыми. Первичны­ми называются культуры клеток, полученные из экспланта ткани и перенесенные в питательную среду с предварительной трипсиниза-цией или без нее. Обычно такие культуры, приготовленные иэ здо­ровых тканей, обладают ограниченной способностью к размножению: их удается поддерживать в течение определенного времени (дни, недели), после чего культура погибает, либо используется для клонирования с целью получения перевиваемой линии.

Перевиваемые культуры, как правило, получают из опухолевых клеток, обладающих способностью неограниченной пролиферации.

В отличие от животных, растительные клетки предъявляют ме­нее жесткие требования к условиям культивирования. В результате получаются растения, идентичные по генотипу. Культу­ра растительной ткани позволяет получить многочисленные популя­ции в сравнительно короткое время и в ограниченном пространс­тве; в таких популяциях могут быть получены мутанты, которые можно применять в селекционных целях.

Культуры растительных клеток также являются продуцентами многих химических соединений - алкалоидов (кодеин, хинин, ди-гоксин), инсектицидов (пиретрин), ароматических веществ и т.д.

5. Основные принципы промышленного осуществления био­технологических процессов

Существует 5 стадий биотехнологического производства.

Две начальные стадии включают подготовку сырья и биологически дейс­твующего начала. Они обычно состоят из приготовления раствора субстрата с заданными свойс­твами (рН, температура, концентрация) и подготовки партии фер­ментного препарата данного типа, ферментного или иммобилизован­ного. При осуществлении микробиологического синтеза необходимы стадии приготовления питательной среды и поддержания чистой культуры, которая могла бы постоянно или по мере необходимости использоваться в процессе.

Третья стадия - стадия ферментации, на которой происходит образование целевого продукта. На этой стадии идет микробиоло­гическое превращение компонентов питательной среды сначала в биомассу, затем, если это необходимо, в целевой метаболит.

На четвертом этапе из культуральной жидкости выделяют и очищают целевые продукты.

Заключительная стадия биотехнологического производства -приготовление товарных форм продуктов. Общим свойством боль­шинства продуктов микробиологического синтеза является их не­достаточная стойкость к хранению, поскольку они склонны к раз­ложению и в таком виде представляют прекрасную среду для разви­тия посторонней микрофлоры. Кроме того, препараты для медицинских це­лей требуют специальных решений на стадии расфасовки и укупор­ки, так как должны быть стерильными. Ниже приводятся характе­ристики каждой из стадий промышленного микробиологического син­теза.

5.1. Технология приготовления питательных сред для био­синтеза

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: