Меркульева Ю., Бт-32р.
Биологические технологии (биотехнологии) обеспечивают управляемое получение полезных продуктов для различных сфер человеческой деятельности. Эти технологии базируются на использовании каталитиче - ского потенциала различных биологических агентов и систем – микроорганизмов, вирусов, растительных и животных клеток и тканей, а также внеклеточных веществ и компонентов клеток.
субстрат продукт Основные компоненты бт-системы, Виэстур У.Э. 1987г.
К нетрадиционным биологическим агентам на данном этапе развития биотехнологии относят растительные и животные ткани, в том числе гибридомы, трансплантанты. Большое внимание в настоящее время уделяется получению новейших биологических агентов – трансгенных клеток микроорганизмов, растений, животных генноинженерными методами. Развиты также новые методы, позволяющие получать искусственные клетки с использованием различных синтетических и биологических материалов (мембраны с заданными свойствами, изотопы, магнитные материалы, антитела). Таким образом, в биотехнологических процессах возможно использование различных биологических агентов с различным уровнем организации - от клеточной до молекулярной.
Используемые субстраты и получаемые продукты в биотехнологии весьма разнообразны, ибо биотехнологии « по силам» любые превщения. Нередко продукт может стать субстратом для другого бт-процесса. Сахара, спирты, органические кислоты, отходы с/ х и промышленных производств, нефть и нефтепродукты, среды культивирования клеток и т.д.
Вопросами технического обеспечения биотехнологических процессов занимается биоинженерия. Для различных процессов существует огромное разнообразие аппаратуры: собственно для процесса ферментации для выделения и получения готового продукта.
Одним из компонентов бт-системы является режим и услолвия получения продукта, которые варьируют в зависимости от процесса и технологии производства. При выборе метода следует руководствоваться технико-экономической оценкой альтернатив. В настоящее время следует ожидать развития промышленных методов, отвечающих следующим условиям :
В небольшом количестве – микроэлементы ( Fe, Mg, Mn, Cu, K, Ca, Na, Zn и др.) Все эти элементы в клетке находятся в различных соединениях. Большая их часть представлена органическими соединениями, входящими в состав «сухого вещества», на долю которого приходится 15 – 20%. Но самым значительным компонентом клетки в количественном отношении является вода, которая составляет 75 – 85 %. Концентрация ультрамикроэлементов в живом организме не превышает 0,000001%, их физиологическая рольокончательно не определена. К этой группе относятся уран, радий, Лурум, Аргентум, Бериллий, цезий, Селен и многие другие. В наибольшем количестве в клетках содержатся макроэлементы : углерод, азот, водород и кислород. Их называют важнейшими элементами – органогенами и они используются для построения сложных органических веществ: белков, углеводов, липидов. В значительном количестве в клетке обнаруживаются фосфор и сера.
Углерод — входит в состав всех органических веществ; скелет из атомов углерода составляет их основу. Кислород — входит в состав практически всех органических веществ клетки.. Для аэробных организмов служит окислителем в ходе клеточного дыхания, обеспечивая клетки энергией. В наибольших количествах в живых клетках содержится в составе воды. Водород — входит в состав всех органических веществ клетки. В наибольших количествах содержится в составе воды. Некоторые бактерии окисляют молекулярный водород для получения энергии. Азот — входит в состав белков, нуклеиновых кислот и их мономеров — аминокислот и нуклеотидов. Сера — входит в состав серосодержащих аминокислот, поэтому содержится в большинстве белков. Фосфор — входит в состав АТФ, других нуклеотидов и нуклеиновых кислот (в виде остатков фосфорной кислоты
Для развития микроорганизмов необходимы микроэлементы, содержащиеся в клетке в очень малых количествах. К ним относят кобальт, марганец, медь, хром, цинк, молибден и многие другие. Микроэлементы участвуют в синтезе некоторых ферментов и активируют их. Соотношение отдельных химических элементов в микробной клетке может колебаться в зависимости от вида микроорганизма, состава питательной среды, характера обмена и условий существования во внешней среде.
В настоящее время в различных процессах промышленной микробио - логии получают около 200 соединений, обладающих коммерческой ценностью. Важнейшие среди них: алкалоиды, аминокислоты, антибиотики, антиметаболиты, антиоксиданты, белки, витамины, гербициды, инсектициды, коферменты, липиды, нуклеиновые Кислоты,органические кислоты, пигменты, ПАВ, полисахариды, полиоксиалканоаты, противоопухолевые агенты, растворители, сахара, стерины, ферменты, нуклеотиды, нуклеозиды, эмульгаторы.
Виэстур У.Э. 1987г.
Микроорганизмы способны усваивать различные углеродсодержащие субстраты:
Субстраты I-го поколения – углеводы. Идею использования биомас - сы микроорганизмов в качестве белковых компонентов питания с 1890 года начал пропагандировать Дельбрюк, который вместе с коллегами разработал первый технологический процесс выращивания пивных дрожжей Saccharomyces cerevisiae на мелассе. Полученную дрожжевую биомассу ре- комендовали использовать в качестве белковой добавки в пищевые продук - ты. Во время Первой мировой войны мощность действующих в Германии ус- тановок по производству дрожжевого белка достигала 10 тыс. т в год. Saccharomyces cerevisiae
Субстраты II-го поколения – жидкие углеводороды. Способность микроорганизмов использовать в качестве основного ростового субстрата уг - леводороды была доказана Таусоном в 1935 году. Интенсивные научные ис - следования углеводородов в качестве потенциального субстрата для получе - ния белка одноклеточных были развернуты в 50–60-е годы ХХ столетия. Бы- ло установлено, что микроорганизмами могут усваиваться практически все классы углеводородов, включая прямогонные дизельные фракции, очищен- ные жидкие парафины, масляные дистилляты и другие нефтепродукты, со- держащие n-парафины, но с наибольшими скоростями утилизируются угле- водороды нормального строения с длиной углеродной цепи С11–С18, вски - пающие при 200–320 °С. В качестве штаммов-продуцентов белка одноклеточ ных на углеводоро - дах наибольшее распространение получили дрож жи рода Candida : C. guilliermondii, C. maltosa, C. scottii. C. guilliermondii
Субстраты III-го поколения – оксидады углеводородов, газообраз - ные углеводороды, углекислота, водород. Перспективными видами сырья для крупнотоннажного получения микробного белка принято считать спир - ты, природный газ, водород. Масштабы производства, технологичность низших спиртов и качество получаемого микробного белка выдвинули метанол и этанол в разряд наибо - лее перспективных субстратов. Исследования процессов микробного синтеза на спиртах с середины 70-х годов были развернуты всеми развитыми страна- ми. Было показано, что способность усваивать метанол присуща как дрож - жам (рода Hansenula, Candida ), так и бактериям ( Pseudomonas, Methylomonas ). Pseudomonas Methylomonas Methanica Bacteria
Главной частью растительного сырья являются полисахариды (целлюлоза, гемицеллюлозы, пектиновые вещества) - 40-75% и лигнин- от 15 до 60%. Основным источником этанола является нефтехимический синтез. В последние годы установлено, что уксусная кислота представляет собой очень перспективный субстрат для биотехнологии: на ней хорошо развиваются дрожжи как источник микробного белка, однако наиболее интересно применение уксусной кислоты в биосинтезе лизина. Меласса, содержит до 50% сахарозы, является отходом сахарного производства и очень широко используется в микробиологическом синтезе, так как многие продуценты белка и биологически активных веществ прекрасно утилизируют углеводы из мелассы.
Одним из перспективных источников углерода для культивирования продуцентов белка высокого качества считается метиловый спирт. Его можно получать методом микробного синтеза на таких субстратах, как древесина, солома, городские отходы. В США, Японии, Канаде, ФРГ, Великобритании разработаны технологические процессы получения белка на природном газе. Выход биомассы в этом случае может составлять 66% от массы субстрата. Наиболее перспективно получение белка с помощью водородоокисляющих бактерий, которые развиваются за счет окисления водорода кислородом воздуха. Энергия, высвобождающаяся в этом процессе, идет на усвоение углекислого газа. Для получения биомассы используются, как правило, бактерии рода Hydrogenomonas. Особого внимания заслуживают способы прямой биоконверсии продуктов фотосинтеза и их производных в белок с помощью грибов. Эти организмы благодаря наличию мощных ферментных систем способны утилизировать сложные растительные субстраты без предварительной обработки
1.«Введение в биотехнологию», Беккеер В.Е. «Пищевая промышленность»1978г. 2.Виэстур У.Э., Шмитте И.А., « биотехнология. Биологические агенты, технология, аппаратура», 1987г. 3. Бирюков В.В. «Основы промышленной биотехнологии»,М.: «колос», «химия», 2004г. Использованная литература:
