10. 3. Технология глубинного культивирования микроорганизмов – продуцентов ферментов.

Ферменты присущи всем живым существам, однако для их выделения используют те природные объекты, в которых содержание искомого энзима составляет не менее 1%. Для крупномасштабного получения ферментов пригодны растительные организмы на определённой фазе их развития: проросшее зерно злаков и бобовых, сок зелёной массы растений. Пригодны также отдельные органы и ткани животных: поджелудочная железа, слизистая оболочка желудочно-кишечного тракта, сычуг крупного рогатого скота, семенники половозрелых животных.

Практически неограниченный источник ферментов – микроорганизмы: бактерии, грибы, дрожжи, содержащие набор большинства известных в настоящее время энзимов, количество которых можно повысить в десятки и сотни раз методами мутагенеза и индукции биосинтеза.

Технология культивирования микроорганизмов. При извлечении ферментов из растительного сырья и животных тканей технология сводится к экстракции энзимов и очистке их от сопутствующих балластных веществ. Технология ферментных препаратов микробного происхождения более сложная, так как дополнительно включает определённые этапы культивирования микроорганизмов – продуцентов ферментов, в том числе:

1. Получение посевного материала;

2. Производство культуры соответствующего микроорганизма.

Для производства посевного материала используют исходный штамм продуцентов, получаемый из лабораторных чистых культур, который выращивают разными способами на предварительно стерилизованной твёрдой или жидкой питательной среде до определённого возраста. Посевной материал консервируют (высушиванием или хранением при низких температурах) вплоть до дальнейшего использования.

В последние 15 лет для выращивания продуцентов ферментов используют глубинный метод культивирования (рис. 10.3).

В промышленных условиях для этих целей применяют ферментёры из нержавеющей стали, снабжёнными приспособлениями для перемешивания и подачи в жидкую питательную среду стерильного воздуха. Сначала ферментёр:

- заполняют питательной средой;

- затем автоклавируют;

- засевают чистой культурой, подаваемой из специального генератора.

Для предотвращения инфекции в ферментёре поддерживают повышенное давление наряду с оптимальными значениями рН и температуры.

Рис. 10.3. Технологическая схема глубинного культивирования микроорганизмов:

1 - смеситель питательной среды; 2 - стерилизатор в непрерывном режиме потока питательной среды; 3 и 4 - теплообменники;

5 - посевные аппараты; 6, 10, 12 - фильтры для очистки воздуха;

7 - ферментёр; 8, 9 - насосы; 11 - компрессор

В настоящее время наиболее прогрессивным признан проточный метод культивирования микроорганизмов, который обеспечивает непрерывную подачу в ферментёр как питательной среды, так и посевного материала. Размножение микроорганизмов и биосинтез фермента регулируют при использовании этого метода по мере поступления питательной смеси в ферментёр. Такой ферментёр представляет собой вращающийся трубкообразный реактор, через один конец которого в него поступает питательная среда и культура микроорганизмов, а из другого – выводятся ферменты, продукты жизнедеятельности и бактериальная масса. Основное достоинство метода – возможность длительное время поддерживать в автоматическом режиме рост культуры микроорганизма. Например, культура аценобутиловых бактерий находится в таком реакторе в состоянии непрерывного размножения в течение 20 суток.

Важнейшим фактором эффективности технологии ферментных препаратов является качество питательной среды. Основное требование к такому качеству состоит в полноценности её состава, обеспечивающей рост продуцента и биосинтез целевого фермента.

Микроорганизмы нуждаются, прежде всего, в веществах, содержащих углерод, азот, водород и кислород. К ним относятся органические вещества, соли аммония, вода, а также минеральные соединения, содержащие Mg, Ca, P, S, Fe, K, а также витамины и ростовые вещества биотин и инозит.

Питательные среды в зависимости от состава делятся на синтетические и комплексные. Синтетическими считают те среды, которые состоят из определённого по качественному и количественному составу набора индивидуальных веществ. В комплексные среды входят отходы пищевых производств, в том числе различные жмыхи, барда спиртовых заводов, картофельная мезга, кукурузный экстракт, меласса, отруби и прочие продукты.

Благодаря использованию отходов комплексные питательные среды доступны, дёшевы и обеспечивают безотходность биотехнологических производств.