Микробиологично индустрия

МИКРОБИОЛОГИЧНА индустрия. производството на даден продукт, с помощта на микроорганизми. В текущия процес се нарича ферментация на микроорганизми; качеството, в което то се провежда, се нарича за ферментация (или биореактор).

Процесите, които се провеждат с участието на бактерии, дрожди и плесени, лицето, прилагани в продължение на стотици години, за да произвеждат храни и напитки, текстил и обработка на кожа, но участие в тези процеси на микроорганизмите е ясно показано само в средата на 19-ти век.

През 20-ти век. промишленост използва всички различни забележителни биосинтетични възможности на микроорганизми, ферментация и сега заема централно място в областта на биотехнологиите. С помощта на различни химикали, получени с висока чистота и медикаменти са направени като бира, вино, ферментирали храни. Във всички случаи, процесът на ферментация е разделен на шест основни фази.

Създаване на среда. Първо, вие трябва да изберете подходящата хранителна среда. Микроорганизмите за техния растеж изискват органични въглеродни източници, подходящ източник на азот и различни минерални вещества. При производството на алкохолни напитки в средата трябва да присъства малцов ечемик, кюспе от плодове или плодове. Например, една бира обикновено направени от малц жълт и вино - от гроздов сок. В допълнение към вода и възможно някои добавки, тези екстракти и да растежната среда.

Средно за химикали и лекарства, много по-трудно. Най-често се използва в захар и други въглехидрати, но често масла и мазнини, въглеводороди, а понякога и като източник на въглерод. източник на азот са обикновено амоняк и амониеви соли, както и различни продукти от растителен или животински произход: соево брашно, соево брашно, брашно памук семена, фъстъчено, царевично нишесте странични продукти, отпадъци от кланици, рибено брашно, екстракт от мая. Получаване и оптимизация на средата за растеж е много сложен процес и рецепти индустриална среда - ревниво пазена тайна.

Стерилизация. Средата трябва да се стерилизира да унищожи всички микробни замърсявания. Сам ферментатор и стерилизирани аксесоари също. Има два метода за стерилизация: директно впръскване на прегрята пара и се нагрява от топлообменника. Желаната степен на стерилност зависи от природата на процеса на ферментация. Тя трябва да бъде максимално в подготовката на лекарства и химикали. Въпреки това, изискванията за стерилност в производството на алкохолни напитки не са толкова строги. Такива ферментационни процеси се наричат ​​"защитени", защото условията са създадени в една среда, така, че само определени микроорганизми могат да растат в тях. Например, при производството на бира растеж среда е просто загряване, но не се стерилизира; ферментационен също използват чисти, но не стерилни.

Получаването на културата. Преди да започнете процеса на ферментация, е необходимо да се получи чиста високопроизводителна култура. Чисти култури на микроорганизми, се съхраняват в много малки количества и при условия, осигуряващи неговата жизнеспособност и ефективност; Обикновено това се постига чрез съхранение при ниска температура. Ферментаторът може да съдържа няколко стотици хиляди литра културална среда, и процесът се стартира чрез въвеждане в него на култура (инокулум), представляващо 1-10% по обем, при ферментацията ще продължи. По този начин, закваската трябва да бъдат изтеглени (се пресява и), за да се повиши нивото на микробната биомаса се постигне достатъчен процес микробиологически за потока с необходимата производителност.

Това е абсолютно необходимо през цялото време да се запази чистотата на културата, които не позволяват замърсяване му от чужди микроорганизми. Запазване на асептични условия е възможно само с внимателен микробиологична и контрол химически процес.

Ръстът на индустриалното ферментатора (биореактор). Промишлени микроорганизми да растат в ферментатор при оптимална за формиране на желаните условия на продукта. Тези условия са строго контролирани, като се внимава, че те предоставят на микробния растеж и синтез продукт. Конструкцията трябва да позволява да се регулира условията ферментатора растеж - постоянна температура, рН (киселинност или алкалност) и концентрацията на кислород, разтворен в средата.

Нормално ферментатор е затворен цилиндричен съд, в който механично разбърквай медиите и микроорганизми. Средата се изпомпва през въздуха, понякога кислород. Температурата се контролира с помощта на вода или пара, се пропуска през топлообменните тръби. Такава ферментатор с разбъркване се използва в случаите, когато ферментационния процес изисква много кислород. Някои продукти, напротив, са оформени в аноксични условия и в тези случаи ферментаторите се използват и други конструкции. Например, бира, произведена в много ниски концентрации на разтворен кислород, и съдържанието на биореактора не са газирани или разбъркват. Някои производители на бира все още традиционно използват отворени контейнери, но в повечето случаи процесът е в затворени neaeriruemyh цилиндрични контейнери, изтъняваща надолу, като по този начин уреждане мая.

препарат оцет-базирани е окисление на алкохола до оцетна кисели бактерии Acetobacter. Ферментационният процес протича в контейнери, наречени atsetatorami при интензивно аерация. Въздухът и средата смучат въртяща бъркалка и се подава към стената на ферментатор.

Изолиране и пречистване продукти. След завършване на ферментационния бульон в присъствието на микроорганизми, хранителни вещества неизползвани медийни компоненти, различни отпадъци от микроорганизмите и продукт, който се желае да се получи в промишлен мащаб. Следователно, този продукт е пречистен от други компоненти бульон. При получаване на алкохолни напитки (вино и бира) достатъчно за отделяне на дрождите се филтрува и филтратът се довежда до стандарт. Въпреки това, отделните химически вещества, произведени чрез ферментация, извлечени от сложен състав бульон. Въпреки промишлени микроорганизми специално избрани според техните генетични свойства, така че да се получи желаният продукт на техния метаболизъм е максимално (в биологичната смисъл), неговата концентрация е все още нисък в сравнение с тази, постигната в производството чрез химичен синтез. Поради това е необходимо да се прибягва до сложни методи за подбор - екстракция с разтворител, хроматография и ултрафилтрация.

ПРОМИШЛЕНИ микробиологични процеси

Индустриални процеси микробиологични могат да бъдат разделени в 5 основни групи: 1) отглеждане на микробна биомаса; 2) получаване на микробни метаболитни продукти; 3) получаване на микробни ензими; 4) производство на рекомбинантни продукти; 5) биотрансформация на съединения.

Микробни биомаса. се микробни клетки могат да служат като краен продукт на процеса на производство. В промишлен мащаб два основни типа на готова микроорганизми мая, необходима за печене, и едноклетъчни организми, използвани като източник на протеин, който може да се добави към храната на човека и животните. Хлебна мая, отглеждани в големи количества от началото на 20 век. и се използва като хранителен продукт в Германия по време на Първата световна война.

Въпреки това, технологията на производство на микробната биомаса като източник на хранителни протеини е разработена само в началото на 1960. Редица европейски компании са обърнали внимание на възможността за отглеждане на микроби върху подложката, като въглеводороди, за така наречения протеинови едноклетъчни организми (BOO). Технологичен победа е да се получи продукт прибавя към фуража и който се състои от изсушен микробен биомаса отглеждани на метанол. Процесът е непрекъснат процес в ферментатор с работен обем от 1,5 млн. Литра. Въпреки това, поради покачването на цените на петрола и продуктите от неговата преработка Този проект стана нерентабилна, отстъпвайки място на производството на соя и рибно брашно. До края на 80-те години, за да получат Бу растения са били демонтирани, че сложи край на бързото но краткия период на развитие на този отрасъл на микробиологична промишленост. Повече обещаващ оказа друг процес - получаване на биомасата на фунгите и гъбични протеин mikoproteina посредством въглехидрати като субстрат.

продукти от обмяната на веществата. След инокулация в средата се наблюдава фаза закъснение, когато настъпва видим растеж на микроорганизми; този период може да се разглежда като време за адаптация. Тогава скоростта на растеж постепенно се увеличава и достига постоянна, максималната стойност за дадените условия; период на максимален растеж се нарича експоненциална или логаритмична фаза. Постепенно се забавя, и там идва т.нар стационарна фаза. Освен това, броят на живите клетки се редуцира и растежа спира.

След кинетика описани по-горе, могат да бъдат проследени за образуването на метаболити на различни етапи. Фазата на дневника за получаване на продукти, които са от съществено значение за растежа на микроорганизмите: аминокиселини, нуклеотиди, протеини, нуклеинови киселини, въглехидрати и т.н. Те се наричат ​​първични метаболити.

Много първични метаболити на значителна стойност. Така, глутаминова киселина (по-точно нейната натриева сол) е част от много храни; лизин се използва като хранителна добавка; Фенилаланин е прекурсор заместител на захар аспарагин. Първични метаболити синтезирани от природни организми в количества, необходими само за да отговарят на техните нужди. Следователно, промишлени микробиолози задача е да осигури мутантни форми на микроорганизми - superproducer съответните вещества. В тази област ние са постигнали значителен напредък: например, успяха да получат микроорганизми, които синтезират аминокиселини до концентрация 100 г / л (за сравнение - див тип организми натрупват аминокиселината в количества, които са изчислени в милиграми).

Във фазата на спиране на растежа и стационарна фаза в някои микроорганизми синтезират вещества, които не са образувани в логаритмична фаза и играе без видима роля в обмяната на веществата. Тези материали се наричат ​​вторични метаболити. Те се синтезират, не всички микроорганизми, но най-вече филаментозни бактерии, гъбички и спорообразуващи бактерии. Следователно, производителите на първични и вторични метаболити принадлежат към различни таксономични групи. Ако въпросът на физиологичната роля на вторични метаболити в клетките на производителя е предмет на сериозни дискусии, тяхното промишлено получаване е от голям интерес, тъй като тези метаболити са биологично активни вещества: някои от тях имат антимикробна активност, докато други са специфични инхибитори на ензими и други - растежни фактори много от тях имат фармакологична активност. Първи този вид материал е в основата на създаването на редица сектори на микробиологична промишленост. Първият в тази серия е производството на пеницилин; микробиологичен метод за производство на пеницилин е разработен през 1940-те и полага основите на модерна индустриална биотехнологиите.

Фармацевтичната индустрия е разработила много сложни методи за скрининг (маса проверка) микроорганизъм възможността за производство на ценни вторични метаболити. Първоначално прожекцията беше цел получаване на нови антибиотици, но скоро тя е била открита, че микроорганизмите синтезират и други фармакологично активни вещества. През 1980 г., тя е започнала производство на четири много важни вторични метаболити. Това са: циклоспорин - имуносупресивен агент, използван като средство за предотвратяване на отхвърляне на имплантираните органи; имипенем (един от карбапенеми модификации) - вещество с широк спектър на антимикробна активност на всички известни антибиотици; ловастатин - лекарство, което намалява нивото на холестерол в кръвта; Ивермектин - противоглистно се използва в медицината за лечение на онкосерсиазис, или "река слепота", както и в областта на ветеринарната медицина.

Ензимите от микробен произход. В мащаб ензими промишлени, извлечени от растения, животни и микроорганизми. Използване на последната има предимството, че позволява на ензимите в големи количества чрез стандартни техники на ферментация. Освен това, за подобряване на производителността на микроорганизми, много по-лесно от растения или животни и използването на рекомбинантна ДНК технология позволява синтезиране животински ензими в микробни клетки. Ензимите, получени по този начин, се използват главно в хранително-вкусовата промишленост и свързаните с тях области. Синтез ензими в клетки е генетично контролирани, и по този начин наличните промишлени производство на микроорганизми бяха получени в резултат на промени посоката на генетиката на микроорганизми от див тип.

Рекомбинантните продукти. Рекомбинантна ДНК технология, по-известен като "генно инженерство", позволява на висшите организми включват гени в генома на бактериите. В резултат на бактериите придобиват способността да се синтезират "чужди" (рекомбинантен) продукти - съединения, които по-рано може да синтезират само висшите организми. Въз основа на това, че е имало много нови биотехнологични процеси за производство на човешки и животински протеини, недостъпни в миналото или се прилагат с по-голям риск за здравето. Терминът "биотехнология" е разширена през 1970 г. във връзка с разработването на методи за производство на рекомбинантни продукти. Въпреки това, тази концепция е много по-широк и включва всеки промишлен метод, базиран на използването на живи организми и биологични процеси.

Първият рекомбинантен протеин, произведен в промишлен мащаб, човешки хормон на растежа е. За лечение на хемофилия използва един от протеините на системата за съсирване на кръвта, а именно на фактор VIII. Преди Разработени са методи за получаване на този протеин чрез генно инженерство, той се изолира от човешка кръв; използването на такова лекарство е свързано с риска от човешкия имунодефицитен вирус (HIV).

За дълго време диабет успешно лекувани с животински инсулин. Въпреки това, учените вярват, че рекомбинантния продукт ще създаде по-малко имунологични проблеми, ако това ще бъде възможно да се получи в чист вид, без примеси на други пептиди, получени от панкреаса. Освен това, се очакваше, че броят на болните от диабет ще се увеличи с течение на времето се дължи на фактори като промени в диетата, подобрена медицински грижи за бременни жени с диабет (и като следствие - увеличаване на честотата на генетично предразположение към диабет), и най-накрая, очакваните увеличената продължителност на живота на хората с диабет. Първият рекомбинантна инсулина влезе в продажба през 1982 г., а до края на 1980 г. той е бил почти сваления животински инсулин.

Много други протеини са синтезирани в човешкото тяло в много малки количества, и единственият начин да ги до степен достатъчна за използване в клиниката - рекомбинантна ДНК технология. Тези протеини включват еритропоетин и интерферон. Еритропоетинът заедно с миелоидна колония стимулиращ фактор регулира образуването на кръвни клетки при хора. Еритропоетинът се използва за лечение на анемия, свързана с бъбречна недостатъчност, и може да се използва като помощно средство за увеличаване на нивата на тромбоцитите в химиотерапията на рак.

Биотрансформация на веществата. Микроорганизмите могат да бъдат използвани за трансформация на някои съединения, структурно подобни, но по-ценни вещества. Тъй като микроорганизмите могат да упражняват своето каталитично действие срещу само някои специфични вещества, които се случват в процесите за участие са по-специфично от чисто химичното вещество. Най-добре познатият процеса на биотрансформация - получаване оцет от превръщането на етанол, оцетна киселина. Но сред продуктите на биотрансформацията, има много ценни съединения, такива като стероидни хормони, антибиотици, простагландини. Вижте. Също така генно инженерство.

Промишлени микробиология и генното инженерство аванси (специално издание «Scientific American» списание). М. 1984
Биотехнология. Принципи и приложения. М. 1988