Важность и разнообразие микробных продуктов
Началом эры современной промышленной микробиологии можно считать 40-е годы XXвека, когда методами ферментации стали осуществлять биосинтез пенициллина.
Факторы, влияющие на выбор между биосинтезом и химическим синтезом вещества для промышленности:
1. Экономический (цена сырья).
При микробном брожении сырьем обычно являются полисахариды (крахмал, целлюлоза) или побочные продукты пищевой промышленности (меласса, молочная сыворотка и пр.). При химическом синтезе сырьем служит нефть или ее производные.
2. Эффективность процесса:
- количество субстрата, превращаемого в конечный продукт;
- длительность синтеза;
- стоимость отделения продукта от культуральной среды или от искусственных реагентов синтеза;
- стоимость уничтожения отходов или побочных продуктов производственного процесса и стоимость их возможного использования.
Микроорганизмов, синтезирующих продукты или осуществляющих реакции, полезные для человека, несколько сотен видов. Их относят к четырем группам: бактерии, актиномицеты (филаментозные бактерии, обитающие в почве), дрожжи и плесени.
Основными элементами, слагающими биотехнологические процессы, являются биологический агент, субстрат, аппаратура и продукт.
Биологический агент является активным началом в биотехнологических процессах и одним из наиболее важных ее элементов.
Номенклатура биологических агентов бурно расширяется, но до настоящего времени важнейшее место занимает традиционный объект – микробная клетка (табл. 3).
В биотехнологических процессах возможно использование различных биологических агентов с различным уровнем организации, от клеточной до молекулярной.
Субстраты и среды, используемые в биотехнологии, весьма разнообразны, и их спектр непрерывно расширяется.
С развитием промышленных процессов происходит накопление новых видов отходов, которые могут быть обезврежены и конвертированы в полезные продукты методами биотехнологии. С одной стороны, развивающиеся бурными темпами биотехнологические промышленные направления, сталкиваются с проблемой исчерпания традиционных видов сырья, поэтому возникает необходимость в расширении сырьевой базы, с другой, – увеличение объемов накапливающихся отходов, делает необходимым разработку нетрадиционных, в том числе биотехнологических способов их переработки.
Таблица 3. - Микроорганизмы, используемые в промышленности для получения целевых продуктов
В настоящее время наблюдается рост интереса биотехнологов к природным возобновляемым ресурсам – продуктам фотосинтеза, биоресурсам мирового океана. В состав сред для биотехнологических процессов входят источники углерода и энергии, а также минеральные элементы и ростóвые факторы.
Традиционно состав питательной среды, оптимальной для биотехнологического процесса, определяется методом длительного эмпирического подбора, в ходе которого на первых этапах определяется качественный и количественный состав среды.
Аппаратура. Для различных процессов существует огромное разнообразие аппаратуры: ферментации, выделения и получения готового продукта. Наиболее сложна и специфична аппаратура для ферментационной стадии. Технически наиболее сложным процессом ферментации является аэробный глубинный стерильный и непрерывный (или с подпиткой субстратом). Аппараты для поверхностной и анаэробной ферментации менее сложны и энергоемки. В современной литературе описаны сотни биореакторов, отличающихся по конструкции, принципу работы и размерам (от нескольких литров до нескольких тысяч кубометров).
Многочисленность методов культивирования, чрезвычайное многообразие используемых биологических агентов привели к огромному разнообразию конструктивных решений, которые зависят от ряда факторов: типа продуцента и среды, технологии и масштабов производства, а также целевого продукта и пр. Техническое оснащение биотехнологии базируется на общих положениях технической биохимии и пищевой технологии, однако имеет свою специфику.
Принципиальное отличие биотехнологических процессов от чисто химических заключается в следующем:
– чувствительность биологических агентов к физико-механическим воздействиям;
– наличие межфазового переноса веществ (по типу «жидкость – клетки», «газ – жидкость – клетки»);
– требования условий асептики;
– низкие скорости протекания многих процессов в целом;
– нестабильность целевых продуктов;
– пенообразование;
– сложность механизмов регуляции роста и биосинтеза.
Биотехнологический продукт. Биологически активные вещества - химические вещества, необходимые для поддержания жизнедеятельности живых организмов, обладающие высокой физиологической активностью при небольших концентрациях по отношению к определенным группам живых организмов или их клеткам, злокачественным опухолям, избирательно задерживая (или ускоряя) их рост или полностью подавляя их развитие.
За единицу биологической активности химического вещества принимают минимальное количество этого вещества, способное подавлять развитие или задерживать рост определенного числа клеток, тканей стандартного штамма (биотеста) в единице питательной среды.
В настоящее время известен широкий спектр биологически активных веществ различно-го назначения, которые могут быть либо получены из природных живых организмов, либо синтезированы с помощью различных химических превращений.
Природные БАВ образуются в процессе жизнедеятельности живых организмов. Они могут образовываться в процессе обмена веществ, выделяясь в окружающую среду (экзогенные) или накапливаться внутри организма (эндогенные). Эффективность синтеза БАВ зависит от физиологических особенностей живых организмов, экологических факторов. Рассмотрим БАВ микробиологического происхождения.
К экзогенным природным БАВ можно отнести:
антибиотики - органические вещества - продукты жизнедеятельности микроорганизмов в процессе обмена веществ, выделяющиеся в окружающую среду или накапливающиеся внутри клетки, подавляющие или угнетающие другие виды микроорганизмов;
маразмины - органические вещества, выделяемые микроорганизмами, вызывающие угнетение низших растений;
микотоксины - биологически активные вещества, вырабатываемые грибами (рода Fusarium, Aspergillus и др.) в процессе обмена веществ, которые выделяются в организм высших растений (злаковых) при их совместном развитии, и вызывающие заболевание последних.
К эндогенным БАВ можно отнести: белки, жиры, углеводы, аминокислоты, витамины, ферменты, гормоны, красители. Рассмотрим только некоторые из них:
Белки - природные полимеры, молекулы которых построены из остатков аминокислот.
По своему строению белки делятся на простые и сложные. Протеины (от греч. protas - первый, важный) представляют собой простые белки. К ним относятся альбумины, глобулины, глютемины. Протеиды относятся к сложным белкам, которые кроме белковых макромолекул содержат в своем составе небелковые молекулы. К ним относятся нуклепротеиды (кроме белка содержат нуклеиновые кислоты), липопротеиды (кроме белка содержат липиды), фосфолипиды (кроме белка содержат фосфорную кислоту). Большинство микроорганизмов способны синтезировать все входящие в их состав аминокислоты из простых веществ - углекислоты, воды и минеральных солей.
Витамины - низкомолекулярные органические вещества, обладающие высокой биологической активностью и выполняющие роль биорегуляторов. Организмы человека и животных не способны к синтезу витаминов. Основным источником их поступления в организм человека и животных являются растения и микроорганизмы, которые синтезируют почти все витамины (за исключением В12).
Ферменты - биокатализаторы белковой природы, ускоряющие обмен веществ в клетках и имеющие молекулярную массу от 15000 до 1000000. Ферменты используются в различных областях практической деятельности человека как биологические катализаторы. Основным поставщиком ферментов долгое время были грибы. В настоящее время все более широкое применение находят ферменты бактерий. Уровни накопления ферментов в клетках могут быть повышены в 100-1000 раз путем генетического обмена и подбора питательных сред.
Лекарственные препараты являются биологически активными веществами эндо- или экзогенной природы, законодательно разрешенные для профилактики и лечения заболеваний человека. Эти вещества при определенных концентрациях должны оказывать четко выраженные бактерицидное, антисептическое, наркотическое, дезинфицирующее и другие действия.