БІОТЕХНОЛОГІЧНЕ ВИРОБНИЦТВО МАТЕРІАЛІВ

ПЛАН

1. Виробництво біополімерів (полісахаридів, циклодекстринів).

2. Біоекстрактивна металургія.

1.Біополімери

Давно відомо і про здатність мікроорганізмів синтезувати полімерні сполуки; адже більшість компонентів клітини – це полімери. Однак на сьогоднішній день менше 2 % усієї кількості полімерних матеріалів виробляє мікробіологічна промисловість; інші 99% одержують з нафти. Поки біотехнологія не зробила вирішального впливу на технологію полімерів.Але, у майбутньому за допомогою мікроорганізмів удасться створювати нові матеріали спеціального призначення.

Термін «біополімери» відноситься до багатьох високомолекулярних сполук (наприклад, до нуклеїнових кислот, полісахаридів і ліпідів), які синтезуються різними організмами. Ми розглянемо утворення мікроорганізмами полісахаридів. Ці біополімери часто синтезуються у відповідь на специфічні умови середовища у тих випадках, коли сполуки вуглецю не є чинником, що лімітує ріст продуцента, тож можуть служити резервним джерелом вуглецю і енергії .

Полісахариди служать джерелом енергії і структурними компонентами клітинних стінок і позаклітинних капсул. Багато з цих полімерів мають комерційну цінність як промислові клеї, раніше їх отримували з рослинних тканин (екстракти насіння і морських водоростей та ін). Полісахаридні гідроколоїди часто застосовуються в харчовій, фармацевтичній, парфюмерно-косметичній, нафтовій, паперовій і текстильній промисловості. Наприклад, з червоних водоростей виробляють у промислових масштабах каррагінан і агар, а з бурих – альгінати. Однак, одержання полісахаридів з рослин і водоростей має свої недоліки.

1. Хімічний склад полісахаридів залежить від метаболічних потреб синтезуючих їх організмів, пов'язаних у свою чергу зі змінами зовнішніх умов (наприклад, сезонні зміни, різні цикли розвитку рослин, час їхнього збору і т.д.). Тому при переробціі сировини неможливо забезпечити контроль якості продукта.

2. При переробці відбуваються зміни і руйнування продукту, оскільки вона нерідко включає такі впливи як лужна екстракція, що призводить до руйнування; вилужування гарячою водою; відбілювання. При цьому кінцевий продукт може набути небажаного запаху або кольору.

3. Кількість одержуваного рослинного продукту залежить від врожайності, кліматичних умов, захворювань рослин чи забруднення навколишнього середовища.

При одержанні полісахаридів з мікроорганізмів забезпечується контрольований синтез полімерів і сталість продукції. Крім того, мікробні полісахариди часто мають унікальні фізичні і хімічні властивості, поліпшені функціональні характеристики. Мікроорганізми синтезують безліч полісахаридів у формі позаклітинних капсул чи слизі, не зв'язаних із клітинною стінкою. Як правило, у їхній склад входить невеликий набір моносахаридів (нейтральні гексози, метилпентози, кетоцукри, аміноцукри, уронові кислоти), однак, різне їх сполучення дає полімери з різноманітними фізичними властивостями. Відзначимо, що одержання мікробних полісахаридів відносно дорогий процес: для його здійснення необхідні великі капіталовкладення й енергетичні витрати та кваліфікований персонал. Оцінюючи доцільність промислового виробництва того чи іншого полісахариду варто враховувати наступні фактори: 1) потенційний обсяг річного виробництва продукту і попит на нього як у даний час, так і в майбутньому; 2) унікальність властивостей даного продукту в порівнянні з іншими мікробними і рослинними полісахаридами; 3) економічність виробництва і передбачувану тривалість застосування продукту.

Синтез полімерів йде як в аеробних, так і в анаеробних культурах в основному психрофільними мікроорганізмами

Для утворення великої кількості полімеру потрібно легкодоступне і дешеве джерело вуглецю. Ферментація дозволяє культивувати організм-продуцент у визначених умовах середовища, контролюючи, таким чином, процес біосинтезу і впливаючи на тип продукту і його властивості. Специфічно змінюючи умови росту, можна змінювати молекулярну масу і структуру полімеру, що утвориться. Звичайно вуглеводними субстратами служать глюкоза і сахароза, хоча полісахариди можуть утворюватися і при рості мікроорганізмів на н-алканах (C_12-61), гасі, метанолі, метані, етанолі, гліцеролі та етиленгліколі. Недоліком проведення процесу у ферментерах є те, що середовище стає дуже густим, тому культурі швидко недостає кисню, витрачається багато енергії на перемішування. Необхідно також контролювати швидкі зміни рН середовища. Часто лімітуючим фактором є азот (співвідношення вуглець: азот–10:1), хоча можна використовувати й інші (сірку, магній, калій і фосфор). Природа фактора, що лімітує, здатна визначати властивості полісахариду, наприклад його густину і ступінь ацилювання. Так, багато з полісахаридів, синтезованих грибами, фосфорильовані. При нестачі фосфору ступінь фосфорилювання може зменшуватися, у цих умовах може навіть змінитися співвідношення моноцукрів у кінцевому полімері. Нестача калію приводить до зниження синтезу полісахаридів через зменшення надходження живильних речовин у клітини.

Після видалення мікробних клітин центрифугуванням продукт видаляють з культуральної рідини відносно м'яким і простим способом, що включає осадження органічними розчинниками (спиртами, ацетоном). У такий спосіб зменшується імовірність руйнування чи модифікації полімеру. Великі клітини грибів найкраще видаляти центрифугуванням. При великомасштабному виробництві ефективне видалення продуцента часто ускладнено через швидке загусання, тоді культуральну масу пастеризують або розріджують гомогенізацією.

Недоліки, властиві культивуванню у ферментерах, для якого характерні постійні зміни концентрації живильних речовин, мікроорганізмів і синтезованих продуктів, можна усунути, застосовуючи безперервні культури. Ріст мікроорганізмів можна регулювати за допомогою тільки одного компонента, при постійних інших умовах середовища (наприклад, регулювати кількість розчиненого кисню шляхом зміни швидкості обертання мішалки й інтенсивності аерації). У деяких мікроорганізмів, наприклад у Xanthomonas campestris і Azotobacter vinelandii, швидкість утворення полісахариду залежить від розведення, причому при менших концентраціях поживного середовища спостерігається збільшення виходу полімеру. У випадку безперервних культур виникає проблема стабільності штамів, тобто появи варіантів, які утворять інший полісахарид. Усе тут визначається природою організму й умовами його культивування

До невирішених біоінженерних проблем відноситься: велика витрата енергії на перемішування в’язких середовищ, нестача кисню через неідеальне перемішування і необхідність постійної обробки культурального середовища, що включає видалення клітин і використання великих кількостей розчинників для осадження. У зв'язку з низькою концентрацією продукту (часто нижче 5%,) застосовуються великі ферментери (50–200 м³). Проблеми обробки кінцевого продукту при синтезі полісахаридів пов'язані насамперед з видаленням мікроорганізмів, що украй важливо, якщо цей продукт застосовується в харчовій промисловості. Для руйнування бактерій використовують літичні і протеолітичні ферменти, що у свою чергу приводить до подальшого забруднення середовища. Для освітлення розчинів полісахаридів їх пропускають через іммобілізовані ендоглюканази, що приводить до незначного зменшення в'язкості внаслідок гідролізу глікозидних зв'язків. У наш час здійснюється промислове виробництво ряду мікробних полісахаридів, як декстран, ксантан, гелланова смола, занфло, леван і політран. Одержання багатьох інших перебуває на стадії розробки. Далі описані основні властивості полісахаридів мікробного походження і можливості їхнього застосування.

Мікробні полісахариди: властивості і застосування.