industria microbiologice

Industrie microbiologica. pentru fabricarea unui produs cu ajutorul microorganismelor. Procesul continuu se numește microorganisme de fermentație; calitatea în care are loc, se numește fermentator (sau bioreactor).

Procesele care au loc cu participarea bacterii, drojdii și mucegaiuri, persoana care a solicitat sute de ani pentru a produce alimente și băuturi, textile și de prelucrare a pieilor, dar participarea la aceste procese de microorganisme a fost demonstrată doar în mijlocul secolului al 19-lea în mod clar.

În secolul al 20-lea. Industria folosit toate varietate de capacități remarcabile biosintetice de microorganisme, fermentare și acum ocupă un loc central în domeniul biotehnologiei. Cu ajutorul diferitelor produse chimice obținute cu puritate ridicată și medicamente sunt făcute ca bere, vin, alimente fermentate. În toate cazurile, procesul de fermentație este împărțită în șase faze principale.

Crearea unui mediu. În primul rând, trebuie să selectați mediul de cultură corespunzător. Microorganismele pentru creșterea lor necesită surse de carbon organic, sursa de azot adecvat și diferite substanțe minerale. În producția de băuturi alcoolice în mediu trebuie să fie prezent malt, tescovină de fructe sau de fructe de pădure. De exemplu, o bere, de obicei, realizate din must de malț și vin - din suc de struguri. În plus față de apă și, eventual, unii aditivi, aceste extracte și să facă mediul de creștere.

Mediu pentru produse chimice și medicamente mult mai dificil. Cel mai des folosit in zahar si alti carbohidrati, dar de multe ori uleiuri și grăsimi, hidrocarburi, și, uneori, ca sursă de carbon. o sursă de azot sunt de obicei amoniac și săruri de amoniu, precum și diferite produse de origine vegetală sau animală origine: făină de soia, făină de soia, făină de semințe de bumbac, arahide, produse secundare amidon de porumb, deșeuri de abator, făină de pește, extract de drojdie. Pregătirea și optimizarea mediului de creștere este un proces foarte complex și rețete medii industriale - secrete jealously păzit.

Sterilizare. Mediul ar trebui să fie sterilizate pentru a distruge toate contaminanții microbieni. Sam fermentator si accesorii sterilizate. Există două metode de sterilizare: injectarea directă a aburului supraîncălzit și încălzit de schimbătorul de căldură. Gradul dorit de sterilitate depinde de natura procesului de fermentație. Ar trebui să fie maximizate în prepararea de medicamente și substanțe chimice. Cu toate acestea, cerințele pentru sterilitate în producerea de băuturi alcoolice sunt mai puțin stricte. Astfel de procese de fermentație sunt denumite „protejate“, deoarece condițiile sunt create într-un mediu astfel încât doar anumite microorganisme se pot dezvolta în ele. De exemplu, în producția de mediu de creștere de bere este pur și simplu fiert, dar nu se sterilizează; fermentator, de asemenea, angaja curat, dar nu și steril.

Obținerea culturii. Înainte de a începe procesul de fermentare, este necesară pentru a obține o cultură extrem de productiv curat. culturi pure de microorganisme sunt depozitate în cantități foarte mici și în condiții care să asigure viabilitatea și eficiența acestuia; de obicei, acest lucru se realizează prin depozitare la temperatură scăzută. Fermentatorul poate conține mai multe sute de mii de litri de mediu de cultură, iar procesul este pornit prin introducerea în ea a unei culturi (inocul) constituind 1-10% în volum, în care fermentația se va proceda. Astfel, cultura inițială ar trebui să fie eliminate (e subcultivă) pentru a ridica nivelul biomasei microbiene realiza procedeu microbiologic suficient pentru debitul cu productivitatea necesară.

Este absolut necesar tot timpul pentru a menține puritatea culturii, care nu permite contaminarea cu microorganisme străine. Salvarea condiții aseptice este posibilă numai cu microbiologică atentă și controlul procesului chimic.

Creșterea în fermentator industriale (bioreactor). microorganismele industriale să crească într-un fermentator sub optim pentru formarea condițiilor dorite ale produsului. Aceste condiții sunt strict controlate, având grijă ca acestea să asigure creșterea microbiană și sinteza produsului. Design-ul trebuie să permită să se adapteze condițiilor de creștere fermentatorului - temperatură constantă, pH (aciditate sau alcalinitate) și concentrația oxigenului dizolvat în mediu.

fermentator normală este un vas cilindric închis, în care media agitat mecanic și microorganisme. Mediul este pompat prin aer, uneori oxigenat. Temperatura este controlată cu ajutorul apei sau a aburului, este trecută prin tuburile schimbătoare de căldură. O astfel de fermentator cu agitare este utilizat în acele cazuri în care procesul de fermentație necesită o mulțime de oxigen. Unele produse, în schimb, sunt formate în condiții anoxice și, în aceste cazuri, fermentatoare sunt utilizate alte construcții. De exemplu, berea produsă în concentrații foarte scăzute de oxigen dizolvat, iar conținutul bioreactorului nu sunt aerate sau agitate. Unii producători de bere încă mai folosesc în mod tradițional containere deschise, dar în cele mai multe cazuri, procesul este în containere închise cilindrice neaeriruemyh, îngustează în jos, stabilindu-se astfel de drojdie.

Preparatul pe bază oțet este oxidarea alcoolului la bacterii producătoare de acid acetic Acetobacter. Procesul de fermentare are loc în recipiente numite atsetatorami sub aerare intensivă. Aerul și mediul aspirat de agitator rotativ și alimentat în peretele fermentator.

Izolarea și purificarea produselor. După terminarea bulionul de fermentație în prezența microorganismelor, nutrienți componente media neutilizate, diverse reziduuri microorganisme și produsul în care se dorește să se obțină la scară industrială. Prin urmare, acest produs este purificat din alte componente bulion. La primirea de băuturi alcoolice (vin și bere), suficient doar pentru a separa drojdia este filtrat și filtratul a fost adus până la standard. Cu toate acestea, substanțele chimice individuale produse prin fermentație, extrase dintr-un bulion de compoziție complexă. Cu toate că microorganismele industriale special selectate în funcție de proprietățile lor genetice, astfel încât pentru a obține produsul dorit al metabolismului lor a fost maximă (în sens biologic), concentrația acestuia este încă scăzută în comparație cu cea obținută în producția prin sinteză chimică. Prin urmare, este necesar să se recurgă la metode sofisticate de selecție - extracție cu solvent, cromatografia și ultrafiltrare.

procesele microbiologice INDUSTRIALE

procesele microbiologice industriale pot fi împărțite în 5 grupe principale: 1) creșterea biomasei microbiene; 2) obținerea de produse metabolice microbiene; 3) obținerea de enzime microbiene; 4) producerea de produse de recombinare; 5) biotransformarea compușilor.

biomasa microbiana. Celulele microbiene se pot servi ca produs final al procesului de producție. La scară industrială două tipuri principale de drojdie microorganisme preparate necesare pentru coacere și organisme unicelulare utilizate ca sursă de proteine ​​care pot fi adăugate în alimentele umane și animale. drojdie Baker cultivate în cantități mari, de la începutul secolului al 20-lea. și folosit ca un produs alimentar în Germania în timpul primului război mondial.

Cu toate acestea, tehnologia de producere a biomasei microbiene ca sursă de proteine ​​alimentare a fost dezvoltat abia la începutul anilor 1960. O serie de companii europene au acordat o atenție la posibilitatea cultivării de microbi de pe substrat, cum ar fi hidrocarburile, pentru așa-numitele proteine ​​organisme unicelulare (BOO). triumf tehnologic a fost de a obține un produs adăugat la nutrețul și care constă din biomasa microbiană uscată crescute pe metanol. Procesul a fost un proces continuu, într-un fermentator cu un volum de lucru de 1,5 mln. Litri. Cu toate acestea, din cauza creșterii prețurilor la petrol și produse de prelucrare sale Acest proiect a devenit nerentabilă, dând cale de soia producție și făină de pește. Până la sfârșitul anilor '80 pentru a obține plante BOO au fost demontate, care a pus capăt perioadei de rapidă, dar scurt de dezvoltare a acestei ramuri a industriei microbiologice. Mai promițător dovedit un alt proces - obținerea biomasei fungice și mikoproteina proteinelor fungice folosind carbohidrați ca substrat.

produse de metabolism. După inoculare în mediu este faza de lag observată, atunci când are loc o creștere vizibilă a microorganismelor; această perioadă poate fi considerată ca un timp de adaptare. Apoi, rata de creștere crește treptat și atinge, valoarea maximă constantă pentru condițiile date; o perioadă de creștere maximă se numește faza exponențială sau logaritmică. Treptat încetinește, și vine așa-numitul faza staționară. În plus, numărul de celule viabile este redusă și de creștere se oprește.

Urmând o cinetică descrise mai sus, pot fi urmărite pentru formarea metaboliților în diferite etape. Faza log pentru a produce produse care sunt vitale pentru creșterea microorganismelor: aminoacizi, nucleotide, proteine, acizi nucleici, glucide, etc. Acestea se numesc metaboliți primari.

Mulți metaboliți primari de valoare considerabilă. Astfel, acidul glutamic (mai precis, sarea sa de sodiu) face parte din multe alimente; lizină este utilizat ca aditiv alimentar; Fenilalanina este un precursor de aspartam înlocuitor de zahăr. metaboliți primari sintetizate de organisme naturale în cantități necesare doar pentru a satisface nevoile lor. Prin urmare, microbiologi industriale obiect este de a furniza forme mutante de microorganisme - superproducer substanțele respective. In acest domeniu, am făcut progrese semnificative: de exemplu, a reușit să obțină microorganisme care sintetizează aminoacizi până la o concentrație de 100 g / l (pentru comparație - organisme de tip sălbatic acumulează aminoacizi în cantități care sunt calculate în miligrame).

În faza de decelerare a creșterii și a fazei staționare în unele microorganisme sintetiza substanțe, care nu au format în faza logaritmică și nu joacă nici un rol aparent in metabolismul. Aceste materiale sunt numite metaboliți secundari. Ele sunt sintetizate, nu toate microorganismele, dar mai mare parte bacterii filamentoase, fungi și bacterii formatoare de spori. Astfel, producătorii de metaboliți primari și secundari aparțin diferitelor grupuri taxonomice. În cazul în care problema rolului fiziologic al metaboliților secundari în celulele producătorului a făcut obiectul unor discuții serioase, lor industriale obtinerea este de mare interes, deoarece acești metaboliți sunt substanțe biologic active: unele dintre ele au activitate antimicrobiană, în timp ce altele sunt inhibitori specifici ai enzimelor și altele - factori de creștere mulți au activitate farmacologică. Obținerea acestui tip de material a fost baza pentru crearea unui număr de sectoare ale industriei microbiologice. Primul din această serie a fost producerea de penicilina; metoda microbiologica de producere a penicilinei a fost dezvoltat în 1940 și a pus bazele biotehnologiei industriale moderne.

Industria farmaceutica a dezvoltat metode de screening extrem de complexe de microorganisme (masa verificare) capacitatea de a produce metaboliți secundari valoroși. Inițial, screening-ul a fost scopul de a obține noi antibiotice, dar a fost în curând descoperit că microorganismele sintetiza și alți agenți activi farmacologic. În timpul anilor 1980, a fost lansat producția de patru metaboliți secundari foarte importante. Acestea au fost: ciclosporină - un agent imunosupresor, utilizat ca un mijloc de prevenire a respingerii organelor implantate; imipenem (una dintre modificările carbapenem) - o substanță cu un spectru larg de activitate antimicrobiană a tuturor antibioticelor cunoscute; lovastatina - un medicament care reduce nivelul de colesterol din sânge; Ivermectina - antihelmintic utilizat în medicină pentru tratamentul onchocerciasis, sau „orbire rau“, precum și în medicina veterinară.

Enzimele de origine microbiană. În enzime la scară industrială derivate din plante, animale și microorganisme. Folosind aceasta din urmă are avantajul că permite enzime în cantități mari prin tehnici de fermentare standard. Mai mult decât atât, pentru a îmbunătăți productivitatea microorganismelor mult mai ușor decât plantelor sau animalelor și utilizarea tehnologiei ADN-ului recombinant permite sintetizarea enzimelor animale in celulele microbiene. Enzimele obținute în acest mod sunt utilizate în principal în industria alimentară și domenii conexe. enzime de sinteză în celule este controlată genetic, și astfel disponibile microorganismele industriale producătoare au fost obținute ca urmare a modificărilor direcționale ale geneticii de microorganisme de tip sălbatic.

Produsele recombinante. Tehnologia ADN-ului recombinant, mai bine cunoscut sub numele de „inginerie genetică“, permite organismelor superioare includ gene in genomul bacteriei. Ca rezultat, bacteriile dobândesc capacitatea de a sintetiza produsele „străin“ (recombinante) - compuși care ar putea anterior sintetizeaza numai organisme superioare. Pe această bază, au existat multe noi procedee biotehnologice pentru producerea de proteine ​​umane sau animale, anterior inaccesibile sau aplicate, cu un risc mai mare pentru sănătate. Termenul „Biotehnologia“ a fost extins în 1970, în legătură cu dezvoltarea metodelor de producție a produselor de recombinare. Cu toate acestea, acest concept este mult mai larg și include orice metodă industrială bazată pe utilizarea organismelor vii și a proceselor biologice.

Prima proteină recombinantă produsă în scară industrială, hormonul de creștere uman a fost. Pentru tratamentul hemofiliei folosi una dintre proteinele sistemului de coagulare a sângelui, și anume factorul VIII. Înainte de a fi fost dezvoltate metode pentru producerea acestei proteine ​​prin inginerie genetică, a fost izolat din sânge uman; utilizarea unui astfel de medicament a fost asociat cu riscul de virusul imunodeficienței umane (HIV).

Pentru o lungă perioadă de timp de diabet tratate cu succes cu insulină animală. Cu toate acestea, oamenii de știință au crezut că produsul recombinant va crea probleme mai puțin imunologice, dacă va fi posibil să se obțină într-o formă pură, fără adaosuri de alte peptide produse de pancreas. Mai mult decât atât, era de așteptat ca numărul de pacienți cu diabet zaharat va crește în timp datorită unor factori cum ar fi schimbari in dieta, imbunatatit de ingrijire medicala pentru femeile gravide cu diabet zaharat (și ca o consecință - creșterea frecvenței de o predispoziție genetică la diabet zaharat), și în cele din urmă, de așteptat creșterea speranței de viață a persoanelor cu diabet zaharat. Prima insulina recombinant a fost în vânzare în 1982, și până la sfârșitul anilor 1980 a fost aproape alungat insulina animală.

Multe alte proteine ​​sunt sintetizate în corpul uman în cantități foarte mici, iar singura modalitate de a le obține în măsura suficientă pentru utilizare in clinica - tehnologia ADN-ului recombinant. Astfel de proteine ​​includ eritropoietina și interferon. Eritropoietina împreună cu colonie mieloide factor de stimulare regleaza formarea celulelor sanguine la om. Eritropoetina este utilizat pentru tratamentul anemiei asociate cu insuficienta renala, si poate fi folosit ca un ajutor pentru a crește nivelul de trombocite în chimioterapia cancerului.

Biotransformarea substanțelor. Microorganismele pot fi utilizate pentru transformarea anumitor compuși similari structural, dar mai multe substanțe valoroase. Deoarece microorganismele pot exercita acțiunea catalitică numai împotriva unor substanțe specifice care au loc în cadrul proceselor participative sunt mai specifice decât pur chimice. Procedeul cel mai bine cunoscut de biotransformare - obținerea oțetului din conversia etanolului în acid acetic. Dar printre produsele biotransformării, sunt compuși extrem de valoroase, cum ar fi hormoni steroizi, antibiotice, prostaglandine. A se vedea. De asemenea, de inginerie genetică.

microbiologie industrială și avansuri de inginerie genetică (problemă specială «Scientific American» revista). M. 1984
Biotehnologie. Principii și aplicații. M. 1988