Химия/4. Химико-фармацевтическое
производство
Яреминец Н.С., Самоткан Т.Ю., Водолагин Э.Р., Россихин В.В.
Национальный технический
университет «Харьковский политехнический институт», Харьков
В настоящее время существуют следующие основные типы
биопроцессов:
- производство биомассы (например, белок
одноклеточных);
- клеточных компонентов (ферменты, нуклеиновые кислоты
и т.д.)
- метаболитов (химические продукты метаболической активности),
включая первичные метаболиты, такие как этанол, молочная кислота;
- вторичные метаболиты ;
- односубстратные конверсии (превращение глюкозы во
фруктозу);
- многосубстратные конверсии (обработка сточных вод,
утилизация лигноцеллюлозных отходов).
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.
Термин белок одноклеточных (БОК) был предложен в 1966
г. для обозначения биомассы различных микроорганизмов (бактерий, дрожжей,
грибов и водорослей). Кроме высокого содержания белка микробная биомасса
содержит также жиры, нуклеиновые кислоты, витамины и минеральные компоненты.
Источниками получения пищевого белка могут стать также белковые изоляты из
различных видов зеленой биомассы, в том числе и из табака.
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 50о С)
микроорганизмы. Качество биомассы оценивается по высокому содержанию белка,
низкому содержанию нуклеиновых кислот и отсутствию вредных веществ.
Как пример промышленного производства биомассы можно
привести получение хлебопекарных дрожжей. В производстве хлебопекарных дрожжей
используют специально отобранные расы Saccharomyces cerevisiae. При
отборе культуры принимают во внимание способность дрожжей сбраживать
тесто, они должны обладать хорошей подъемной силой и ферментативной
активностью, хорошо расти на мелассной среде в условиях глубинной ферментации и
давать высокий выход биомассы. Клетки дрожжей должны легко отделяться от
культуральной жидкости сепарированием или фильтрацией и хорошо сохраняться в
прессованном виде. Подъемную силу дрожжей выражают в минутах, в течение которых
определенное количество дрожжей развиваясь в определенном количестве теста,
увеличивает его объем на предусмотренную стандартом величину. Для хороших
дрожжей подъемная сила не должна превышать 75 мин.
Хлебопекарные дрожжи обладают и бродильной
активностью, но чтобы направить использование углеводов субстрата только на
образование биомассы, спиртовое брожение ограничивают всеми доступными
средствами. Это достигается интенсивной аэрацией среды, а также поддержанием
низкой концентрации сахара в ней (0,5—1,5%). При высокой концентрации сахаров
наблюдается катаболитная репрессия ферментов цикла Кребса и переключение
энергетического метаболизма преимущественно на брожение. Чтобы избежать этого,
сахар в среду подают непрерывно с постоянной или возрастающей скоростью
притока. Чтобы предотвратить чрезмерное размножение побочной микрофлоры,
особенно так называемых диких дрожжей, удельная скорость роста которых выше,
чем у хлебопекарных дрожжей, процесс ферментации обычно ведут по периодической
схеме в течение 10—20 ч.
Товарные дрожжи обычно получают в три этапа. Сначала
размножают первый посевной материал (задаточные дрожжи), затем вторые
задаточные дрожжи и из них получают товарные дрожжи. Получение первых
задаточных дрожжей идет без притока среды; длительность процесса 6—7 ч. На
втором этапе стремятся полностью исключить спиртовое брожение, поэтому дрожжи
выращивают в условиях очень интенсивной аэрации, лимитируя концентрацию сахара
в среде, по проточному методу культивирования. Чаще всего длительность этого
этапа 10 - 12 ч. Последний этап производства товарных дрожжей длится 10 - 24 ч.
Биомассу дрожжей отделяют от культуральной жидкости, используя сепарирование, в
три этапа, при двукратной промывке суспензии клеток водой для удаления остатков
среды, бактерий и примесей. Получают концентрат дрожжей, содержащий 80—120 г/л
сухой биомассы. Его охлаждают до 8—10°С, фильтруют на вакуум-фильтрах или
фильтр-прессах и получают дрожжевую пасту с 70—75%-ной влажностью. После кондиционирования
пасты водой до стандартной (75%) влажности, дрожжи фасуют в плитки массой 50,
100, 500, 1000 г и упаковывают. Хранят прессованные дрожжи при температуре 0 -
4°С до 10 суток. Хлебопекарные дрожжи можно высушивать при температуре 30—40°С
до влажности 8% и хранить до 6 мес.
Кормовые дрожжи получают с помощью Candida и
Trichosporon. Выбирая культуру, надо следить, чтобы скорость ее роста в
соответствующей среде была максимальной, в состав биомассы входило бы много
белков, витаминов, чтобы культура в определенных условиях была вирулентной
(могла конкурировать с сопутствующей микрофлорой). Кормовые дрожжи получают из
доступных, дешевых, содержащих углерод видов сырья:
·
углеводсодержащее сырье
(гидролизаты древесных и сельскохозяйственных отходов, меласса, сульфитный
щелок целлюлозной промышленности);
·
природные и
синтетические субстраты, содержащие органические кислоты, спирты и другие
окисленные соединения углерода (отходы спиртовой промышленности — барда, отходы
производства синтетических моющих веществ и др.);
·
углеводороды (нефть,
парафины, природные газы).
При производстве кормового белка не требуется
получение жизнеспособной микробной массы, поэтому требования при выделении
клеток более просты.
Живая биомасса молочнокислых бактерий, которая широко
используется в молочной промышленности, в пищевой промышленности, в сельском
хозяйстве и в ветеринарии, называется молочнокислые закваски.
Кроме этого, живые клетки микроорганизмов используются для получения бактериальных удобрений, микробных инсектицидов.