СЫРЬЕ ДЛЯ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ  Сырьевые ресурсы Земли



Мы поможем в написании ваших работ!


Мы поможем в написании ваших работ!



Мы поможем в написании ваших работ!


ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

СЫРЬЕ ДЛЯ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ  Сырьевые ресурсы Земли



СЫРЬЕ ДЛЯ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ  Сырьевые ресурсы Земли

В принципе, микроорганизмы способны ассимилировать любое органическое соединение, поэтому потенциальными ресурсами для микробиологической биотехнологии могут служить все мировые запасы органических веществ, включая первичные и вторич­ные продукты фотосинтеза, а также запасы органических веществ в недрах Земли.

Но, к сожалению, каждый конкретный вид микроорганизмов, используемый в биотехнологии, весьма избирателен к питательным веществам, и органическое сырье (кроме лактозы, сахарозы и крахмала) без предварительной химической обработки малопригодно для микробного синтеза. Тем не менее целлюлозосодержащее сырье после химического или ферментативного гидролиза и очистки от ингибирующих или балластных примесей (фенол, фур­фурол, оксиметилфурфурол и др.) может быть использовано в био­технологическом производстве. Каменный уголь, природный газ и древесина могут служить сырьем для химического синтеза техниче­ских спиртов или уксусной кислоты, а последние, в свою очередь, являются отличным сырьем для микробиологической промышлен­ности..

Из органического сырья наибольшее внимание биотехнологов привлекает крахмал, хотя для его ассимиляции микроорганизмами требуется сложный комплекс амилолитических ферментов, которым владеют только некоторые виды микроорганизмов (например, грибы рода Aspergillus, бактерии Вас. subtilis и др.)- Много крах­мала расходуется для производства этанола, а также для изготов­ления фруктозных сиропов. Из-за того, что мировые запасы крахмалосодержащего в нашей стране ограничены, целесообразно использовать для целей биотехнологии мелассу, глюкозное сырье, метанол и этанол.

При выборе сырья учитывают не только физиологические потребности выбранного продуцента, но и стоимость сырья (табл. 1).

Таблица 1. Стоимость основного микробиологического сырья

 

Сырье Содержание углерода, % от содержания в глюкозе Стоимость 1 т глюкозного эквивалента, доллары
Кукурузный крахмал Глюкоза Сахароза-сырец Сахароза рафинированная Меласса Уксусная кислота 100 100 105 105 50 100 64—91 290 133 629 140 550
Метанол Этанол Метан Кукурузное масло-сырец Пальмовое масло Парафины 94 130 180 200 200 218 160 430 105 300

Таблица 2. Источники углерода, применяемые для микробного синтеза

 

 

Субстрат Содержание основ­ного вещества Характеристика

Кристаллическая глю­коза

Техническая сахароза Техническая лактоза

Гидрол

Крахмал Уксусная кислота

Спирт этиловый синте­тический

Узкая фракция жид­кого парафина

 

 

 


99,5 %  

Сахарозы не менее

99,75 %

Лактозы не менее

92%

РВ не менее 70 % в пересчете на СВ

СВ не менее 80 %

Уксусной кислоты не менее 60 % Этанола не менее 92%

н-Алканов 87—93 %


Содержит до 9 % воды, до 0,07 % зольных веществ, в том числе же­леза не более 0,004 % Влажность до 0,15 %, зольных ве­ществ не более 0,03 % Влажность до 3 %, зольных ве­ществ не более 2 % и 1 % молоч­ной кислоты

Сиропообразная жидкость, РВ представлены главным образом глюкозой, зольных веществ до 7 %, рН 4,0

Зольных веществ Q.-35—1,2 % в пе­ресчете на СВ ( Содержит формальдегид и до 1,0 % муравьиной кислоты Содержит до 0,21 % изопропилового спирта и до 15 мг/л органиче­ских кислот

Содержит до 0,5 % ароматических углеводородов и до 0,5 % серы


Побочные продукты производства

Многие ценные виды побочной продукции раньше считались отходами производства. В канализацию спускали воду после замачива­ния кукурузных зерен при их переработке в крахмал и глюкозу. Теперь эту воду упаривают, получая экстракт, и используют в микробиологической промышленности. Успешно используют отхо­ды химического производства (смесь карбоновых кислот — ян­тарной, кетоглутаровой, адипиновой) и др.; сульфитный щелок, зерновую и картофельную барду, мелассу, гидрол и т. д.

Таблица .3. Химический состав свекловичной мелассы

 

 

Содержание, %

 

Содержание, %

Наименование          
  среднее опти- Наименование среднее опти-
    маль-     маль-
    ное для     ное для
    дрож-     дрож-
    жей     жей

Сухое вещество        75—77

—   Зольность                6,6 — 7,5

7

Сахароза                        45

в том числе:

 

Инвертный сахар    0,5 — 1,2

—           К2О                   2,5—3,5

3,5

Раффиноза                0,5—1,0

MgO                 0,1—0,24

Сбраживаемые са-   46 — 48

50           СаО                  0,5—0,8

1,0

хара (суммарное

Азот

 

количество)

общий                   1,1 — 1,5

1,4

Коллоиды                     3 — 4

аминный

 

Доброкачествен-       62 — 65

65           до гидролиза  0,2—0,35

ность

после гидро-  0,5 — 0,6

0,4

 

лиза

 

Лизин                                            41      Алании

Гистидин                                      24      Цистин

Аргинин                                       26      Валин

Аспарагиновая кислота         251      Метионин

Треонин                                        41      Изолейцин


118

Следы 89 120

13


 



 


Комплексное использование всей побочной продукции производства далеко от совершенства. В нашей стране ежегодно оста­ется неиспользованной или нерационально используется около 1 млн т лактозы, содержащейся в сыворотке и пахте. В США из всего количества молочной сыворотки, образующейся при про­изводстве сыра (ежегодно 20 млн т), половина теряется со сточными водами. В то же время известно, что из 1 т сыворотки мож­но получить около 20 кг сухой биомассы дрожжей. Кроме того, из сепарированной бражки можно выделить допол­нительно около 4 кг протеина. Нерационально используется кар­тофельный сок, выделяемый из картофеля при производстве крахмала, а также альбуминное молоко, получаемое из сыворотки.

В микробиологической промышленности широко применяются меласса и гидрол — побочный продукт производства глюкозы из крахмала. Меласса характеризуется высоким содержанием сахаров (43—57%), в частности сахарозы (табл. 3).

В микробиологической промышленности используется ряд других побочных продуктов (табл. 4). В дальнейшем необходи­мо учесть потенциальные возможности постоянно возобновляю­щихся сырьевых ресурсов — первичных продуктов фотосинтеза, в первую очередь гидролизатов древесины и депротеинизированного сока растений.

Таблица 4. Побочные продукты, используемые в микробиологической промышленности в качестве основного сырья


Продукт Характеристика Область гтр йменён йя~х

Сульфитный щелок Картофельная барда Зерновая барда

Гидрол

Солодовое сусло Молочная сыворотка

Депротеинизирован-ный сок растений

Депротеинизирован-ный картофельный сок

Гкдролизат древесных отходов

Торфа

Гидролизат (упаренный)

Пшеничные отруби


СВ 4,0—4,5 %, в том числе РВ 3,3—3,5 % СВ 4,3—4,5 %, в том числе РВ 2,0—2,2 % СВ 7,3—8,1 %, в том числе РВ 2,5—2,9 % СВ 76—78 %, в том числе сбраживаемых    Сахаров 50%

СВ 15—20 %, в том числе РВ (мальтоза, декстрины) 8—12 %, витамины СВ 6,5—7,5 %, в том числе лактозы 4,0—4,8 %, белков 0,5—1,0%, жиров 0,05— 0,4 %, витамины СВ 5—8 %, в том числе РВ 0,8—2,0 %, аминокислоты, витамины

СВ 4—5 %, в том числе РВ 0,5—1,0 %, витамины, ами­нокислоты

СВ 6—9 %, в том числе РВ 3—4 %, органических кис­лот 0,3—0,4 % СВ 48—52%, в том числе РВ 26—33 % (галактоза, глюкоза, манноза, ксилоза, рамноза); гуминовые веще­ства

СВ 90—92 %, в том числе экстрактивных веществ 48—50%, крахмала 25— 30%, белков 11 — 13%, жиров 2,5—3,0 %, целлю­лозы 15—17 %


 

кормовых

Производство

дрожжей То же

Производство    дрожжей, антибиотиков, этанола

Выращивание   дрожжей, бактерий, микромицетов

Получение дрожжей, эта­нола, лактанов

кормовых

Выращивание дрожжей

Производство хлебопекар­ных дрожжей, антибиотиков

Получение кормовых дрож­жей

То же

Производство ферментов


Источники минерального питания

Азот. В бактериальных клетках азота до 12 % в пересчете на сухую биомассу, в мицелиальных грибах — до 10%. Микроорганизмы могут использовать как органические, так и неорганиче­ские источники азота. Известно, что бактерии более требователь­ны к источникам азота, чем большинство микромицетов, актиномицетов и дрожжей. У клеток животных и растений особые тре­бования к источникам азота. Продуктивность по биомассе в за­висимости от источника азота не всегда совпадает с продуктив­ностью целевого метаболита и зависит также от условий культи­вирования (табл. 5). При выращивании биомасс

Таблица 5. Влияние минеральных источников азота на рост биомассы и биосинтез лимонной кислоты мутантом A . niger при поверхностном и глубинном культивирования (Р. Я- Карклиньш)

 

 

 

 

Источник азота

Поверхностное культивиро­вание

Глубинное культивиро­вание

АСБ, г/л Лимонная кислота, г/л АСБ, г/л Лимонная кислота, г/л

(NH,)2SO4                              6,2 (NH4)2HPO4                       4,2 NH4C1                                   5,5 KNO3                                    5,0

40 59 60 30

12 15 14 11 9 15

82

95 101 30 30 88

Ca(NO3)2                            3,5 NH.CONHs                         6,9

35 58

в концентрации 30—40 г/л потребность в добавках азотсодержащих солей обычно не превышает 0,3—0,4 % от объема среды. В периоди­ческих режимах культивирования потребление азота заканчива­ется в первые 6—12 ч роста (в первой половине экспоненциаль­ной фазы). При направленном биосинтезе азотсодержащих мета­болитов потребность в азоте существенно возрастает.

Большинство дрожжей хорошо усваивает аммиачные соли -сульфат аммония, фосфат аммония, а также аммиак из водного раствора. Соли азотной кислоты не всегда хорошо усваиваются. Только некоторые виды дрожжей испытывают потребность в нитратах. Часто источником азота в состав сред включают мочевину. При направленном биосинтезе, например, целлюлолитических ферментов грибом Peniophora gigantea наивысшая биохимиче­ская активность клеток наблюдается на средах с органическим азотом (аспарагин, пептон и др.).

Другие минеральные соли. Фосфор, как известно, входит в состав нуклеиновых кислот, фосфолипидов и других важных компонентов клетки. Иногда фосфор накапливается в ней в виде полифосфатов. Небольшая часть усвоенного фосфора существует в форме макроэргических соединений — АТР.

Фосфор является важным компонентом клетки. Микроорганизмы нуждаются еще в 10 минеральных элементах, но в значи­тельно меньших количествах (10~3— 10~4М). Повышенная по­требность микроорганизмов в микроэлементах возникает, если целевой метаболит содержит микроэлемент. Так, при биосинтезе витамина В]2 в состав питательной среды включают кобальт; молибден и бор стимулируют биосинтез тиамина в клетках клубеньковых бактерий; медь присутствует в ряде ферментов, перенося­щих электроны от субстрата к кислороду.

Минеральный состав питательной среды формирует распределение электрических зарядов на поверхности клеток. Обычно клетки микроорганизмов имеют отрицательный потенциал (16— 20 мВ). При добавлении в среду электролитов он снижается, и тем сильнее, чем выше валентность добавляемого противоиона. Увеличение содержания К+ или Na+ до 500 мг/л уменьшает величину потенциала клеток до 10—12 мВ. Введение в среду 60— 80 мг/л Са2+, Fe2+ или Си2+, равно как и 5 мг/л Аl+3, может привести клетки в электронейтральное состояние. В отличие от бактерий дрожжи и мицелиальные грибы не перезаряжаются и не приобретают положительный потенциал. Изменение электриче­ского потенциала клеток может изменить их физиологическую деятельность, воздействовать на селективность клеточной мем­браны, вызвать флокуляцию или флотацию клеток.

Кислород и вода

Потребность аэробных микроорганизмов в молекулярном кислороде зависит от источника окисляемого источника углерода и от физиологических свойств и активности роста микроорганизмов (рис. 2, табл. 7). Для биосинтеза 1 кг дрожжевой биомассы необходимо, например, 0,74—2,6 кг молекулярного кислорода. При интенсивном потреблении субстрата продуцент ассимилирует независимо от источника углерода 0,83—4,0 мг кислорода на 1 л среды в минуту.

              

 

Растворимость кислорода в среде сравнительно низка и зависит от температуры, давления и от концентрации растворенных, эмульгированных и диспергированных компонентов. При давле­нии 0,1 МПа (1 кгс/см2) и температуре 30 °С в 1 л дистиллирован­ной воды максимальное количество растворенного кислорода со­ставляет 7,5 мг. В реальной питательной среде максимальная растворимость кислорода 2-—5 мг/л. Запасы кислорода в среде обеспечивают жизнедеятельность аэробного продуцента в течение 0,5—2 мин.

При глубинном культивировании запасы кислорода в питательной среде возобновляются при подаче аэрирующего воздуха. Скорость адсорбции кислорода увеличивается с ростом интенсив­ности перемешивания среды (табл. 7).

 

Таблица 7. Зависимость абсорбции кислорода в воде (мг/л) от концентрации

Таблица 8. Зависимость скорости абсорбции кислорода в воде от аэрации и перемешивания среды, мг/(л-мин)

 

Количество по-

Частота вращения мешалки, об/мин

даваемого воз-          
духа в 1 мин, (М3/(М3-МИИ) 0 500 800 1000 1200

0,35                   1 ,3

4,0 7,5 14.5 15,1

0,65                 3,5

7,3 12,1 19,1 22, i

1 ,00                 6,0

10,0 15,0 23,0 24,0

1,30                 7,5

13,9 18,0 26,0 28,0

1,60               11,0

15,5 20,0 27,0 29,0

* Для лабораторного ферментатора рабочей емкостью 8 л.

 

Оптимальной для роста биомассы считается концентрация кислорода 50—60 % от полного насыщения, для биосинтеза целевых метаболитов— 10—20%.

Вода составляет 80—90 % биомассы микроорганизмов. Для приготовления питательных сред требуется чистая бес­цветная вода, без привкуса, запаха и осадка, отвечающая требо­ваниям ГОСТа. В воде, используемой для приготовления питательных сред, должно содержаться не более 50 мл/л хлоридов и не более 60 мг/л сульфитов. Концентрации ионов метал­лов (в мг/л) не должны превышать следующих цифр: свинец — 0,2, мышьяк — 0,05, фтор — 1,5, цинк — 5,0, медь — 3,0.

Таблица 11. Состав сред (в мг/л) для клеток животных и растений

 

Компоненты Клетки животных Клетки растений
CaCl2-2HsO 185—264 150—440
Fe(NO3h-9H2O FeSO,.7H2O 0,03—0,1 27—28
KCI 320—440
KNO3 __   1900—2500
КН2РО, 60 170—340
MgCl2-6HaO 170
MgSO4-7HaO NaCl 161—242 5100—8000 250—370
NaHCO3 350—3700
NaH2PCv2H2O J 00— 1500 134
NH4NO3 _ 1200—1650
Незаменимые аминокис- +
лоты    
Ростовые вещества Специфичные, в том числе Специфичные, в том числе

инсулин — 0,1 —10; глю- индолуксусная кислота —

кагон — 0,05—5,0; прос- 1—30; кинетин — 0,02—

тагландииы ei—Е2 — по           10; 6-бензиладенин—1,0—

0,01; соматомедин С - 5,0;   гиббереллиновая кис-

0,001; гидрокортизон — лота — 0,5—10 и др.
до 0,03; прогестерон — до
0,003; эстрадной - - до
0,003; тестостерон — до
0,003 и др.

 

 

ЛИТЕРАТУРА.

Биотехнология/под ред. И. Хиггинса, Д. Беста, Дж. Джонса/пере­вод с английского/под ред. А. А. Баева. — М.: Мир, 1988. — 479 с.

Биотехнология микробного синтеза/под ред. М. Е. Бекера — Рига: Зинатне, 1980. — 350 с.

Быков В. А., Винаров В. А., Шерстобитов В. В. Расчет про­цессов микробиологических производств. — Киев: Техника, 1985. — 244 с.

Виестур У. Э., Кристапсонс М. Ж., Б ы л и н к и н а Е. С. Куль­тивирование микроорганизмов. — М.: Пищевая промышленность, 1980. — 232 с.

Виестур У. Э., Ш м и т е И. А., Ж и л е в и ч А. В. Биотехнология. — Биотехнологические агенты, технология, аппаратура. — Рига: Зинатне, 1987. — 263 с.

Воробьев Л. И. Техническая микробиология. — М.: Высшая школа, 1987. — 94 с.

Д е б а б о в В. Г., Лившиц В. А. Биотехнология. — М.: Высшая шко­ла, 1988.

Л и е п и н ь ш Г. К-, Д у н ц е М. Э. Сырье и питательные субстраты для промышленной биотехнологии. — Рига: Зинатне, 1986. — 156 с.

 

СЫРЬЕ ДЛЯ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ  Сырьевые ресурсы Земли

В принципе, микроорганизмы способны ассимилировать любое органическое соединение, поэтому потенциальными ресурсами для микробиологической биотехнологии могут служить все мировые запасы органических веществ, включая первичные и вторич­ные продукты фотосинтеза, а также запасы органических веществ в недрах Земли.

Но, к сожалению, каждый конкретный вид микроорганизмов, используемый в биотехнологии, весьма избирателен к питательным веществам, и органическое сырье (кроме лактозы, сахарозы и крахмала) без предварительной химической обработки малопригодно для микробного синтеза. Тем не менее целлюлозосодержащее сырье после химического или ферментативного гидролиза и очистки от ингибирующих или балластных примесей (фенол, фур­фурол, оксиметилфурфурол и др.) может быть использовано в био­технологическом производстве. Каменный уголь, природный газ и древесина могут служить сырьем для химического синтеза техниче­ских спиртов или уксусной кислоты, а последние, в свою очередь, являются отличным сырьем для микробиологической промышлен­ности..

Из органического сырья наибольшее внимание биотехнологов привлекает крахмал, хотя для его ассимиляции микроорганизмами требуется сложный комплекс амилолитических ферментов, которым владеют только некоторые виды микроорганизмов (например, грибы рода Aspergillus, бактерии Вас. subtilis и др.)- Много крах­мала расходуется для производства этанола, а также для изготов­ления фруктозных сиропов. Из-за того, что мировые запасы крахмалосодержащего в нашей стране ограничены, целесообразно использовать для целей биотехнологии мелассу, глюкозное сырье, метанол и этанол.

При выборе сырья учитывают не только физиологические потребности выбранного продуцента, но и стоимость сырья (табл. 1).

Таблица 1. Стоимость основного микробиологического сырья

 



Читайте также:





Последнее изменение этой страницы: 2021-04-05; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.229.137.68 (0.033 с.)