Сырьевая база биотехнологии

Промышленная биотехнология использует протекающие в живых организмах биологические процессы и направляет их на переработку сырья с целью получения нужных человеку продуктов.

Сырьё → Механизм переработки → Продукт

Принципиальным отличием промышленной биотехнологии является её целевой продукт, который может быть в виде:

1. Биомассы, т.е. клеточные массы микроорганизмов, образующиеся в результате их жизнедеятельности и размножения

2. В Виде продукта метаболизма (белки, ферменты, аминокислоты, полисахариды, антибиотики, витамины и другие), которые выделяются из клеток микроорганизмов либо клеток растений и животных.

Примером перового промышленного биотехнологического производства является производство глютаминовой кислоты, организованная в 1956 году в Токио. Сырьё: альфакетоглутароновая кислота, возникающая в цикле Кребса. Получается при переработке бактериями углеводного сырья. Механизм переработки: культивирование бревибактерий и коринебактерий в ферментерах и биореакторах. Продукт – глютаминовая кислота в концентрации 30 г/л.

Глютаминовая кислота является усилителем вкуса, а также препаратом для лечения психических заболеваний. На её долю в мировом производстве среди аминокислот приходится 60% (~ 300000 тонн в год). В целом среди продуктов, получаемых с помощью промышленной биотехнологии, первое место по объёму производства занимают аминокислоты, которые находятся на 2 месте по стоимости производства (после антибиотиков).

I. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ПИТАТЕЛЬНЫХ СРЕД И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА

Питательные среды (субстраты) применяются для выращивания объектов биотехнологии (продуцентов) и призваны обеспечить их жизнедеятельность, рост и развитие, а также синтез целевого продукта с максимальной эффективностью.

Требования, предъявляемые к питательным средам такие же, как и в микробиологии:

1. Питательная среда должна содержать все необходимые для роста питательные вещества в легко усваиваемой форме

2. Питательная среда должна иметь оптимальную влажность, вязкость, pH, быть сбалансированной и, по возможности, прозрачной

3. Компонентный состав определяется питательными потребностями продуцента. В связи с этим универсальных питательных сред не существует, однако основными компонентами любой питательной среды для культивирования микроорганизмов является источники углерода и азота. В качестве источников углерода используют главным образом природные комплексные соединения – отходы различных производств, продукты переработки растительного сырья, компонент из сточных вод и другие. Вышеперечисленные среды называются комплексными, поскольку помимо углеродных соединений содержат минеральные вещества и ростовые компоненты. Минеральные вещества необходимы для роста микроорганизмов и подразделяются на макро- и микроэлементы. Среди макроэлементов на 1 месте стоит азот – обычно используется микроорганизмами в восстановленной форме (мочевина), аммоний или их соли. Часто азот входит в комплексе с фосфором и серой в состав комплексных компонентов. Важным является сбалансированность питательных сред в отношении углерода к азоту, поскольку это воздействует на скорость роста продуцентов, их метаболизм и синтез целевых продуктов. К ростовым факторам питательных сред относят витамины, отдельные аминокислоты и другие. Эти ростовые факторы могут быть внесены в среду в чистом виде, либо в составе ростовых добавок, которыми являются кукурузный или дрожжевой экстракт, экстракт проростков ячменя, картофельный сок и другие.

II. ПИТАТЕЛЬНЫЕ СРЕДЫ ДЛЯ ФЕРМЕНТАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ

Ферментация – процесс, в котором происходит преобразование исходного сырья в продукт с использованием деятельности микроорганизмов или изолированных клеток. Синонимами слова ферментация является культивирование, выращивание микроорганизмов и биосинтез.

По целевому продукту различают следующие типы ферментации:

1. Ферментация, в которой целевым продуктом является сама биомасса микроорганизмов, поэтому такие процессы называют культивированием или выращиванием

2. Ферментация, в которой целевым продуктом является первичный или вторичный метаболит; такие процессы называют биосинтезом.

Задачей ферментации является не только получение нужного продукта, но и утилизация определённых компонентов питательной среды. К таким процессам относятся биоокисление, метановое брожение, биодеградация.

Исходную среду в процессах ферментации обозначают как субстрат.

Сырьё для процессов ферментации, прежде всего, решает проблему формирования питательных сред, в которых должны содержаться все необходимые компоненты для построения биомассы микроорганизмов. В тоже время среда является основой для обитания микроорганизмов. Основным видом сырья является вода. Так, при производстве 1 тонны пекарских дрожжей расходуется от 150 до 180 м³ воды. Кроме того многие виды продуктов биотехнологических производств определяются качеством воды.

По физическому состоянию среды могут быть твёрдыми (на основе агар-агара, желатина), жидкими (на основе воды) и сыпучими (отруби, солома, зерно, опилки).

По составу питательные среды могут быть натуральными и синтетическими.

Натуральные среды включают в себя продукты животного и растительного происхождения, являются сложными и непостоянными по составу.

Синтетические среды составляются из определённых химических соединений, число которых обычно небольшое. Как правило, они более дорогие и менее продуктивные.