Микробиология и основы биотехнологии

Рис. 5.4. Цикл Г. Кребса (цикл трикарбоновых кислот)

81

Цикл Кребса важен не только для процессов дыхания (получения энергии), но и для биосинтеза. Он снабжает клетку веществами, легко превращающимися в аминокислоты, белки, жиры.

5.5. Брожение

Анаэробные микроорганизмы, к которым относятся многие бактерии и некоторые дрожжи, получают необходимую для жизнедеятельности энергию в процессе брожения. К брожению (в строгом смысле слова) относят процессы получения энергии, при которых отщепленный от субстрата водород переносится на органический субстрат, являющийся терминальным акцептором. Кислород в процессе брожения не участвует.

По образному выражению Л. Пастера, «брожение — это жизнь без “воздуха”».

Âкачестве энергетического материала в процессе брожения чаще всего используются углеводы. Акцептором водорода, отщепленного от окисляемого органического соединения, вместо молекулярного кислорода служат промежуточные продукты распада органического вещества, которые восстанавливаются и накапливаются в среде. Водород частично может выделяться в свободном виде.

Âзависимости от характерных или преобладающих продуктов, выделяющихся в среду в процессе брожения, различают: спиртовое, молоч- нокислое, маслянокислое, уксуснокислое, пропионовокислое, метановое

èдругие виды брожения.

Спиртовое брожение осуществляется многими дрожжами в анаэробных условиях. Молекула глюкозы (энергетический материал) в этом процессе распадается на две молекулы этилового спирта и углекислого газа с выделением энергии:

Ñ6Í12Î6 = 2Ñ2Í5ÎÍ + 2ÑÎ2 + 0,1·106 Äæ.

Молочнокислое брожение — процесс получения энергии молочнокислыми бактериями, заключающийся в превращении молекулы сахара в две молекулы молочной кислоты с выделением энергии:

Ñ6Í12Î6 = 2ÑÍ3СНОНСООН + 0,075·106 Äæ.

Молочнокислые бактерии относятся к факультативным анаэробам и, хотя не используют кислород воздуха, могут расти в его присутствии.

82

Маслянокислое брожение вызывается облигатно-анаэробными маслянокислыми бактериями. Глюкоза в этом энергетическом процессе превращается в масляную кислоту, водород и углекислый газ:

Ñ6Í12Î6 = Ñ3Í7ÑÎÎÍ + 2Í2 + 2ÑÎ2 + 0,063·106 Äæ.

Среди конечных продуктов брожения всегда имеются продукты неполного окисления — органические вещества, сохраняющие значительное количество потенциальной энергии.

Известны другие виды брожений, различающиеся составом конечных продуктов, характер которых зависит от комплекса ферментов и возбудителя брожения. Приведенные выше уравнения выражают лишь конечный результат брожений. Эти энергетические процессы у анаэробов проходят в несколько стадий с образованием ряда промежуточных продуктов.

Первая стадия превращения глюкозы до образования пировиноградной кислоты протекает так же, как и у аэробов в процессе гликолиза. На этой стадии происходит реакция окисления — отнятия водорода, который акцептируется промежуточным переносчиком водорода — коферментом НАД.

На второй стадии восстановленный НАД·Н переносит водород к конечному акцептору. Им может быть либо пировиноградная кислота, превращающаяся в молочную кислоту, либо образующиеся из нее соединения, а НАД·Н при этом окисляется. Пировиноградная кислота у различных видов анаэробных микроорганизмов претерпевает превращения с образованием разнообразных веществ. В результате этого конечные продукты брожения специфичны для каждого организма.

Многие процессы брожения являются причиной порчи различных пищевых продуктов.

Некоторые микроорганизмы в анаэробных условиях при окислении органических веществ могут использовать неорганические акцепторы водорода, которые при этом восстанавливаются. В этом случае организмы используют не свободный кислород, а кислород, связанный в окисленных соединениях (NO3 , SO24 ). Такой способностью обладают денитрифицирующие бактерии, восстанавливающие нитраты до свободного азота, и сульфатредуцирующие бактерии, восстанавливающие сульфаты до сероводорода.

В зависимости от конечного акцептора водорода различают процессы:

83

Глава 6 ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

О БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ

6.1. Предмет и задачи биотехнологии

Технология — это совокупность способов и приемов для получения из исходного сырья практически ценного продукта. Все многообразие технологий можно разделить на три основных класса:

–физико-механические, в которых сырье в процессе получения продукта меняет форму или агрегатное состояние, но не меняет своего химического состава;

–химические, в которых сырье претерпевает изменение химиче- ского состава;

–биотехнологии.

Биотехнология — процесс производства, протекающий с использованием живых организмов, изолированных клеток и/или их компонентов; целенаправленное получение ценных продуктов для народного хозяйства и различных областей человеческой деятельности.

По сравнению с химической технологией биотехнология имеет следующие основные преимущества:

–возможность получения специфичных и уникальных природных веществ, которые не удается получить путем химического синтеза (например, белки, ДНК);

–микроорганизмы имеют более высокие скорости роста и накопления клеточной биомассы, чем другие организмы;

–в процессах биотехнологии в качестве сырья можно использовать дешевые отходы сельского хозяйства и промышленности;

–биотехнологические процессы более экономичны по сравнению

ñхимическими, имеют меньше вредных отходов и близки к естественным природным процессам;

87

– технология и аппаратура биотехнологических производств просты и дешевы.

Продукты, полученные в биотехнологическом производстве, используются в следующих отраслях: медицина (вакцины, антибиотики, гармоны, витамины, иммуномодуляторы, иммунодепрессанты, коферменты и др.); пищевая промышленность (вина, пиво, квас, кисло-молоч- ные продукты, уксус, лимонная кислота, сыры, колбасы, пищевые красители, пищевой белок, глюкозо-фруктозные сиропы, консерванты и др); сельское хозяйство (кормовые витамины, ростовые гормоны, кормовые аминокислоты и белок, силосные закваски, феромоны и др.); экологиче- ская биотехнология (биологическая очистка промышленных и городских сточных вод, биокомпостирование твердых отходов, биосорбция тяжелых металлов из сточных вод, метановое сбраживание твердых отходов, биологическая очистка газовых выбросов, биодеградация нефтяных загрязнений в почве и воде, вермикультивирование и др.); энергетика (получение биогаза из органических отходов, биосинтез углеводородов микроорганизмами); нефтедобыча (биополимеры для нефтедобычи); химическая промышленность (красители для тканей, препараты для борьбы с повреждением металлов, получение чистой целлюлозы без добавок лигнина и др.); биоэлектроника (биосенсоры, биочипы — базовые элементы для построения ЭВМ нового поколения).

Целью биотехнологии является применение генной инженерии (отрасль молекулярной биологии, изучающая направленное изменение биологической информации клетки для получения живых организмов с запрограммированными фенотипическими признаками) на практике.

Задачи: защита и охрана окружающей среды; разработка новых технологических производств и оптимизация старых.

6.2. История развития биотехнологии [19]

Биотехнология — одна из самых старых и одновременно молодых наук и отраслей промышленности. Термин «биотехнология» начали использовать с середины 70-х гг. ХХ в., когда биотехнология переживала свое рождение в связи с появлением генной инженерии.

Историю развития биотехнологии можно подразделить на основные этапы (периоды), условно названные «эрами»:

1. Допастеровская эра (до 1865 г.). В этот период биотехнологиче- скими методами были получены хлеб, вино, пиво, сыр, кисло-молочные продукты, разного рода ферментированная пища.

88

2.Пастеровская эра (1865–1940 гг.). В связи с открытием микроорганизмов — продуцентов, созданы производства этанола, бутанола, ацетона, глицерина, лимонной кислоты, многих вакцин и организованы процессы биологической очистки сточных вод аэробными микроорганизмами.

3.Эра антибиотиков (1940–1960 гг.). Были открыты пенициллин, стрептомицин и многие другие антибиотики, разработаны технологии культивирования животных клеток, получены вирусные вакцины и продукты биотрансформации стероидных гормонов.

4.Постантибиотическая эра (1960–1975 гг.). Разработаны технологии производства аминокислот, микробиологического белка на парафинах, технология иммобилизации ферментов (закрепления их на носителях) для получения глюкозо-фруктозных сиропов. Внедряются процессы анаэробной обработки твердых отходов с получением биогаза. Созданы микробиологические технологии получения витаминов В2 è Â12

èмицелярного микроскопического гриба, используемого в качестве заменителя мяса. Культивирование изолированных растительных клеток положило начало биотехнологическому производству многих ценных лекарственных веществ. Бактериальное выщелачивание меди и цинка из руд послужило зарождению биометаллургии.

5.Эра новой биотехнологии (после 1975 г.). В практику широко внедряются методы генной инженерии, позволяющей целенаправленно изменять геном микроорганизмов, переносить в него свойства, заимствованные из геномов растений и животных, что позволило создать микробиологическую технологию производства человеческого инсулина, интерферона, соматотропного и ростовых гормонов и других веществ. Целенаправленное конструирование генома способствовало созданию «трансгенных» растений и животных.

Разработанные к настоящему времени основы биотехнологических производств позволяют получить большое число продуктов с заданными свойствами.

В начале ХХI в. биотехнология, используя достижения фундаментальных теоретических исследований в области таких наук, как биология, медицина, биохимия, определивших практическое использование результатов этих исследований, переживает период необычайного роста. Для успешного решения задач биотехнологии необходимо владение знаниями основ биологии, методологии и стратегии химической технологии.

89

6.3. Аппаратурное оформление биотехнологических процессов

Для изучения кинетики клеточного роста используются обычно реакторы периодического действия с полным перемешиванием и проточ- ные реакторы непрерывного действия.

Рост культур клеток изучается с помощью идеального проточного реактора с полным перемешиванием (ПРПП), который часто называют хемостатом [2].

Схема лабораторного ПРПП представлена на рис. 6.1 [2]. Перемешивание культуральной жидкости в таких реакторах осуще-

ствляется с помощью мешалки, с тем, чтобы каждая фаза содержимого реактора была однородна по составу, т. е. концентрация любых компонентов в любой фазе была одинакова во всем объеме реактора. В результате этого состав вытекающего из реактора потока не отличается от состава содержимого в реакторе.

Рис. 6.1. Схема лабораторного проточного реактора с полным перемешиванием (ПРПП)

90