59) Техническая, или промышленная, микробиология
Техническая микробиология изучает микроорганизмы, используемые в производственных процессах с целью получения различных практически важных веществ: пищевых продуктов, этанола, глицерина, ацетона, органических кислот и др.
Огромный вклад в развитие микробиологии внесли русские и советские учёные: И. И. Мечников (1845—1916), Д. И. Ивановский (1863—1920), Н. Ф. Гамалея (1859—1949),Л. С. Ценковский (1822—1887), С. Н. Виноградский (1856—1953), В. Л. Омелянский (1867—1928), Д. К. Заболотный (1866—1929), В. С. Буткевич (1872—1972), С. П. Костычев (1877—1931), Н. Г. Холодный (1882—1953), В. Н. Шапошников (1884—1968), Н. А. Красильников (1896—1973), А. А. Имшенецкий (1905—1992) и др.
Большая роль в развитии технической микробиологии принадлежит С. П. Костычеву, С. Л. Иванову и А. И. Лебедеву, которые изучили химизм процесса спиртового брожения, вызываемого дрожжами. На основании исследований химизма образования органических кислот мицелиальными грибами, проведённым В. Н. Костычевым и В. С. Буткевичем, в 1930 году в Ленинграде было организовано производство лимонной кислоты. На основе изучения закономерностей развития молочнокислых бактерий, осуществлённого В. Н. Шапошниковым и А. Я. Мантейфель, в начале 1920-х годов в СССР было организовано производство молочной кислоты, необходимой в медицине для лечения ослабленных и рахитичных детей. В. Н. Шапошников и его ученики разработали технологию получения ацетона и бутилового спирта с помощью бактерий, и в 1934 году в Грозном был пущен первый в СССР завод по выпуску этих растворителей. Труды Я. Я. Никитинского Ф. М. Чистякова положили начало развитию микробиологии консервного производства и холодильного хранения скоропортящихся пищевых продуктов. Благодаря работам А. С. Королёва, А. Ф. Войткевича и их учеников значительное развитие получила микробиология молока и молочных продуктов
Частью технической микробиологии является пищевая микробиология, изучающая способы получения пищевых продуктов с использованием микроорганизмов. Например, дрожжи применяют в виноделии, пивоварении, хлебопечении, спиртовом производстве; молочнокислые бактерии — в производстве кисломолочных продуктов, сыров, при квашении овощей;уксуснокислые бактерии — в производстве уксуса; мицелиальные грибы используют для получения лимонной и других пищевых органических кислот и т. д. К настоящему времени выделились специальные разделы пищевой микробиологии: микробиология дрожжевого и хлебопекарного производства, пивоваренного производства, консервного производства, молока и молочных продуктов, уксуса, мясных и рыбных продуктов, маргарина и т. д.
60) МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ, производство какого-либо продукта с помощью микроорганизмов. Осуществляемый микроорганизмами процесс называют ферментацией; емкость, в которой он протекает, называется ферментером (или биореактором).
Процессы, протекающие при участии бактерий, дрожжей и плесневых грибов, человек применял сотни лет для получения пищевых продуктов и напитков, обработки текстиля и кожи, но участие в этих процессах микроорганизмов было четко показано только в середине 19 в. В 20 в. промышленность использовала все разнообразие замечательных биосинтетических способностей микроорганизмов, и теперь ферментация занимает центральное место в биотехнологии. С ее помощью получают разнообразные химикалии высокой степени чистоты и лекарственные препараты, изготавливают пиво, вино, ферментированные пищевые продукты. Во всех случаях процесс ферментации разделяется на шесть основных этапов.
Создание среды. Прежде всего необходимо выбрать соответствующую культуральную среду. Микроорганизмы для своего роста нуждаются в органических источниках углерода, подходящем источнике азота и различных минеральных веществах. При производстве алкогольных напитков в среде должны присутствовать осоложенный ячмень, выжимки из фруктов или ягод. Например, пиво обычно делают из солодового сусла, а вино – из виноградного сока. Помимо воды и, возможно, некоторых добавок эти экстракты и составляют ростовую среду.Среды для получения химических веществ и лекарственных препаратов намного сложнее. Чаще всего в качестве источника углерода используют сахара и другие углеводы, но нередко масла и жиры, а иногда углеводороды. Источником азота обычно служат аммиак и соли аммония, а также различные продукты растительного или животного происхождения: соевая мука, соевые бобы, мука из семян хлопчатника, мука из арахиса, побочные продукты производства кукурузного крахмала, отходы скотобоен, рыбная мука, дрожжевой экстракт. Составление и оптимизация ростовой среды являются весьма сложным процессом, а рецепты промышленных сред – ревниво оберегаемым секретом.
Стерилизация. Среду необходимо стерилизовать, чтобы уничтожить все загрязняющие микроорганизмы. Сам ферментер и вспомогательное оборудование тоже стерилизуют. Существует два способа стерилизации: прямая инжекция перегретого пара и нагревание с помощью теплообменника. Желаемая степень стерильности зависит от характера процесса ферментации. Она должна быть максимальной при получении лекарственных препаратов и химических веществ. Требования же к стерильности при производстве алкогольных напитков менее строгие. О таких процессах ферментации говорят как о «защищенных», поскольку условия, которые создаются в среде, таковы, что в них могут расти только определенные микроорганизмы. Например, при производстве пива ростовую среду просто кипятят, а не стерилизуют; ферментер также используют чистым, но не стерильным.
Получение культуры. Прежде чем начать процесс ферментации, необходимо получить чистую высокопродуктивную культуру. Чистые культуры микроорганизмов хранят в очень небольших объемах и в условиях, обеспечивающих ее жизнеспособность и продуктивность; обычно это достигается хранением при низкой температуре. Ферментер может вмещать несколько сотен тысяч литров культуральной среды, и процесс начинают, вводя в нее культуру (инокулят), составляющей 1–10% объема, в котором будет идти ферментация. Таким образом, исходную культуру следует поэтапно (с пересеваниями) растить до достижения уровня микробной биомассы, достаточного для протекания микробиологического процесса с требуемой продуктивностью.Совершенно необходимо все это время поддерживать чистоту культуры, не допуская ее заражения посторонними микроорганизмами. Сохранение асептических условий возможно лишь при тщательном микробиологическом и химико-технологическом контроле.
Рост в промышленном ферментере (биореакторе). Промышленные микроорганизмы должны расти в ферментере при оптимальных для образования требуемого продукта условиях. Эти условия строго контролируют, следя за тем, чтобы они обеспечивали рост микроорганизмов и синтез продукта. Конструкция ферментера должна позволять регулировать условия роста – постоянную температуру, pH (кислотность или щелочность) и концентрацию растворенного в среде кислорода.Обычный ферментер представляет собой закрытый цилиндрический резервуар, в котором механически перемешиваются среда и микроорганизмы. Через среду прокачивают воздух, иногда насыщенный кислородом. Температура регулируется с помощью воды или пара, пропускаемых по трубкам теплообменника. Такой ферментер с перемешиванием используется в тех случаях, когда ферментативный процесс требует много кислорода. Некоторые продукты, напротив, образуются в бескислородных условиях, и в этих случаях используются ферментеры другой конструкции. Так, пиво варят при очень низких концентрациях растворенного кислорода, и содержимое биореактора не аэрируется и не перемешивается. Некоторые пивовары до сих пор традиционно используют открытые емкости, но в большинстве случаев процесс идет в закрытых неаэрируемых цилиндрических емкостях, сужающихся книзу, что способствует оседанию дрожжей.В основе получения уксуса лежит окисление спирта до уксусной кислоты бактериями Acetobacter. Процесс ферментации протекает в емкостях, называемых ацетаторами, при интенсивной аэрации. Воздух и среда засасываются вращающейся мешалкой и поступают на стенки ферментера.
Выделение и очистка продуктов. По завершении ферментации в бульоне присутствуют микроорганизмы, неиспользованные питательные компоненты среды, различные продукты жизнедеятельности микроорганизмов и тот продукт, который желали получить в промышленном масштабе. Поэтому данный продукт очищают от других составляющих бульона. При получении алкогольных напитков (вина и пива) достаточно просто отделить дрожжи фильтрованием и довести до кондиции фильтрат. Однако индивидуальные химические вещества, получаемые путем ферментации, экстрагируют из сложного по составу бульона. Хотя промышленные микроорганизмы специально отбираются по своим генетическим свойствам так, чтобы выход желаемого продукта их метаболизма был максимален (в биологическом смысле), концентрация его все же мала по сравнению с той, которая достигается при производстве на основе химического синтеза. Поэтому приходится прибегать к сложным методам выделения – экстрагированию растворителем, хроматографии и ультрафильтрации.
Переработка и ликвидация отходов ферментации. При любых промышленных микробиологических процессах образуются отходы: бульон (жидкость, оставшаяся после экстракции продукта производства); клетки использованных микроорганизмов; грязная вода, которой промывали установку; вода, применявшаяся для охлаждения; вода, содержащая в следовых количествах органические растворители, кислоты и щелочи. Жидкие отходы содержат много органических соединений; если их сбрасывать в реки, они будут стимулировать интенсивный рост естественной микробной флоры, что приведет к обеднению речных вод кислородом и созданию анаэробных условий. Поэтому отходы перед удалением подвергают биологической обработке, чтобы уменьшить содержание органического углерода.
61) В зависимости от назначения потребляемой воды условно подразделяется на промышленную и питьевую воды. В каждой из них содержание примесей фегламентирутся соответственно государственным стандартам. Питьевая вода в первую очередь освобождается от бактерий, к ней предъявляет особое требование в отношении вируса, цвета и запаха. Промышленная вода не должна содержать примеси больше допустимой нормы, которую устанавливали в зависимости от производства, на котором используется вода.
В сточных водах содержаться очень разнообразные примеси, грубодисперсные, коллоидные частицы, минеральные, органические вещества и биологические микроорганизмы. В задаче очистки воды включаются следующие операции: осветление обеззараживание, умягчение, дегазация и дистилляции. Очистку сточных вод химических производств можно осуществлять различными методами: механическими, химическими, физико-химическими и биологическими. Кроме того, используют термические методы, приводящиеся к ликвидации сточных вод, а также методы закачки сточных в подземных горизонтах или их захоронении. Применяющие методы очистки сточных могут быть подразделяется на регенеративные связанные с извлечением примесей и деструктивные обуславливающие разрушением примесей. Важное место среди этих методов очистки промышленных и бытовых стоков занимает биологическая очистка. Этот метод основан на способности микроорганизмов утилизировать в качестве питательных веществ органические соединения, растворенные в сточных водах. Потребление органики может происходить как в присутствии кислорода (аэробная очистка), так и в его отсутствие (анаэробная очистка). Благодаря высокой эффективности данный метод очистки сточных вод получили наиболее широкое распространение.
Аэробные процессы очистки сточных вод С точки зрения экологической биотехнологии наиболее важны аэробные процессы, используемые для очистки и стабилизации сточных вод. Для этой цели существует много различных конструкций реакторов, но в общем они разделяются на два основных типа: гомогенные реакторы и реакторы, в которых неподвижная биопленка нанесена на инертный субстрат (биофильтры). Некоторые из этих реакторов могут быть взаимозаменяемы, в то время как другие пригодны только в специальных случаях. Однако все эти различные реакторы должны работать в условиях, когда гидравлическая нагрузка и нагрузка по субстрату непрерывно меняются как в течение суток, так и изо дня в день.
Гомогенные реакторы. Процесс очистки сточных вод активным илом представляет собой наиболее обычный вариант процессов такого типа. В случае бытовых сточных вод исходное сырье, как правило, представляет собой стоки, отфильтрованные от крупных частиц и песка и подвергнутые отстаиванию, при котором удаляется около 60 % взвешенных частиц (вместе с ~30 % органического вещества). В Великобритании отстоенные сточные воды содержат обычно 150-200 мг/л взвешенных твердых частиц, 150-200 мг/л органического вещества, определяемого как биохимическая потребность в кислороде (ВПК), и 20-40 мг/л аммонийного азота. Собственно процесс очистки состоит из двух стадий: взаимодействия отстоявшихся стоков с воздухом и частицами активного ила в аэротенке в течение определенного времени, которое может колебаться от 4 до 24 ч и более в зависимости от вида сточных вод, требуемой глубины очистки и типа процесса, и отделения очищенной жидкости от частиц активного ила в отстойнике. Из отстойника удаляют большую часть свободной от твердых частиц надиловой жидкости, а активный ил возвращают в аэротенк. Таким образом, весь процесс может быть представлен как непрерывная ферментация с подачей твердого сырья. Частицы активного ила, часто обозначаемые как взвешенные частицы иловой смеси (ВЧИС), представляют собой флокулированную смесь бактерий и простейших.
62)Сельскохозяйственное производство начинается с процесса фотосинтеза зелёных растений, которые требуют солнечной энергии, воды и углекислого газа. Эти вещества свободно доступны. Поэтому можно сказать, что «задачей сельского хозяйства является произвести нечто из ничего». Хотя звучит это неплохо, но если посчитать его экономическую эффективность, то выяснится, существующее сельское хозяйство имеет чрезвычайно низкую эффективность. И происходит это из-за очень низкой эффективности использования растениями солнечной энергии. Потенциальная способность использования растением солнечного света по теоретическим оценкам составляет от 10 до 20%. Однако фактически она составляет менее 1%. Даже растения типа сахарного тростника, имеющие высокую фотосинтетическую эффективность, используют не более 6-7% в период своего максимального роста. В норме, для получения оптимального урожая, процент использования солнечного света составляет менее 3%. Прошлые исследования показали, что фотосинтетическая эффективность хлоропластов не может быть намного увеличена. Это означает, что их способность производить биомассу достигла максимума. Поэтому лучшая возможность для увеличения производства биомассы состоит в том, что бы использовать видимый свет и инфракрасное излучение, которые хлоропласты пока не могут использовать. Вместе они составляют около 80% полной солнечной энергии. Мы должны так же исследовать пути рециркуляции органической энергии, содержащейся в растительных и животных остатках, через прямое использование органических молекул растениями. В присутствии органического вещества фотосинтетические бактерии и водоросли могут использовать длины волн в пределах от 700 до 1200 nm. Зелёные растения не используют волны этой длины. Ферментирующие микроорганизмы могут так же разлагать органическое вещество, высвобождая комплексные соединения типа аминокислот для нужд растений. Это увеличивает эффективность органического вещества в производстве урожая. Таким образом, ключевым фактором для увеличения урожая является доступность органического вещества, которое было создано с использованием солнечной энергии, а так же наличие эффективных микроорганизмов, способных разложить его. Это увеличивает эффективность использования солнечной энергии
Плодородие почвы зависит, прежде всего, от запаса питательных веществ и активности микроорганизмов. Применение зеленых удобрений повысит содержание в почве органической субстанции, возделывание зернобобовых обеспечит ее азотом. Культуры с развитой корневой системой взрыхлят почву и доставят питательные элементы из ее глубоколежащих слоев. Таким образом, многостороннее и полноценное питание почвы зависит полностью от разумно составленных севооборотов.
Борьба с вредителями и болезнями начинается с выбора устойчивых к ним сортов культурных растений. Для борьбы с насекомыми-вредителями используется биологическая защита.