Технології

Мікробіологічний синтез - промисловий спосіб отримання хімічних сполук і продуктів (наприклад, дріжджів кормових), здійснюваний завдяки життєдіяльності мікробних клітин. Іноді до мікробіологічного синтезу відносять також промислові процеси, засновані на використанні іммобілізованих клітин.

Деякі продукти мікробіологічного синтезу, наприклад, пекарські дріжджі, давно використовувалися людиною, проте широке застосування мікробіологічного синтезу почалося в 40-50х роках 20 століття у зв'язку з освоєнням виробництва пеніциліну. До цього ж часу належить виникнення нової галузі народного господарства - мікробіологічної промисловості.

У мікробіологічному синтезі складні речовини утворюються з простіших в результаті функціонування ферментних систем мікробної клітини. Цим він відрізняється від бродіння. в результаті якого також утворюються різні продукти обміну речовин мікроорганізмів (спирти, органічні кислоти та ін.), але переважно в результаті ферментативного розпаду органічних речовин.

Мікробіологічний синтез використовує здатність деяких організмів розмножуватися з великою швидкістю (виділені бактерії і дріжджі, біомаса яких збільшується в 500 разів швидше, ніж у найурожайніших сільськогосподарських культур) і до "надсинтезу" - надмірному утворенню продуктів обміну речовин (амінокислот, вітамінів та ін.) , що перевищує потреби мікробної клітини.

Для мікробіологічного синтезу органічних сполук в якості сировини застосовують найбільш дешеві джерела азоту (наприклад, нітрати або солі амонію) і вуглецю (наприклад, вуглеводи, органічні кислоти, спирти, жири, вуглеводні, у тому числі газоподібні). Мікробіологічний синтез включає ряд послідовних стадій. Головні з них - підготовка необхідної культури мікроорганізму - продуцента, вирощування продуцента, культивування продуцента в заданих умовах, в ході якого і здійснюється мікробіологічний синтез (цю стадію часто називають ферментацією), фільтрація і відділення біомаси, виділення і очистка необхідного продукту (якщо це необхідно), сушка.

Ферментацію проводять у спеціальних реакторах (ферментерах), забезпечених пристроями для перемішування середовища та подання стерильного повітря. Управління процесом може здійснюватися за допомогою електроніки. Найбільш зручно ферментацію здійснювати безперервним способом - при постійній подачі живильного середовища і виведенні продуктів мікробіологічного синтезу. Так виробляють, наприклад, кормові дріжджі. Однак більшість метаболітів отримують періодичним способом - з виведенням продукту в кінці процесу.

Найбільш важливі продукти мікробіологічного синтезу:

Антибіотики. Більшість антибіотиків накопичується поза клітинами мікроорганізму-продуцента, якими в основному є актиноміцети, деякі гриби і бактерії (головним чином їх мутантні форми). Антибіотики, що вживаються переважно в медицині, піддаються високому ступеню очищення. Антибіотики для лікування сільськогосподарських тварин мають специфічну активність щодо найбільш поширених для них захворювань, наприклад гельмінтозів, кокцидіозів та ін. Для додавання в корми зазвичай випускають концентрат середовища після вирощування в ній продуцента, іноді разом з біомасою, що містить значну кількість інших продуктів обміну речовин продуцента, в т.ч. вітаміни, амінокислоти. нуклеотиди та ін.

Амінокислоти. Суттєва перевага мікробіологічного синтезу амінокислот - можливість їх отримання у вигляді природних ізомерів (L-форм). Продуцентами амінокислот служать головним чином мутанти, позбавлені ряду ферментних систем, завдяки чому відбувається надсинтез необхідного продукту. Зазвичай використовують бактерії, що відносяться до роду Brevibacterium. Найбільшу питому вагу серед амінокислот, що виробляються світової промисловістю, займають лізин і глутамінова кислота. Отримано мутанти мікроорганізмів, здатні до надсинтезу всіх кодованих амінокислот.

Нуклеозидфосфати. Розвиток мікробіологічного синтезу нуклеотидів (інозинової, гуанілової та ін. кислот) пов'язане з перспективами отримання штучної їжі, де їх використовують в якості смакових добавок. При введенні до складу середовища для культивування мікроорганізмів метаболічних попередників продуктів синтезу можна отримувати практично всі відомі нуклеозидфосфати, в т.ч. АТФ. Накопичення нуклеозидфосфатов відбувається переважно поза клітинами мікроорганізмів.

Вітаміни, провітаміни, коферменти. Методом мікробіологічний синтез виробляють в основному вітамін В12 і його коферментну форму. Продуцентами в цьому процесі служать пропіоновокислі бактерії. Для отримання кормових концентратів, що містять вітамін В12, на відходах бродильної промисловості (післяспиртова, ацетоно-бутилова барда та ін.) застосовують комплекс метаноутворюючих бактерій. Розроблено способи отримання вітаміну В2, р-каротину і дріжджів, збагачених ергостерином. При використанні відповідних метаболічних попередників можливий також мікробіологічний синтез нікотинамідних коферментів, наприклад нікотинамідаденіндинуклеотиду.

Алкалоїди. Гриби роду ріжків (Claviceps) - продуценти ергоалкалоїдів, в основі будови молекул яких лежить гетероцикл ерголін. Деякі з цих алкалоїдів (напр., ергометрин і ерготамін) використовують як маточні засоби. Описані також численні продуценти інших алкалоїдів.

Гібереліни. Їх мікробіологічний синтез здійснюють при культивуванні грибів, що відносяться до класу аскоміцети (Ascomycetes), наприклад Gibberella fujikuroi. Виділяють гібереліни з фільтрату культуральної рідини. За хімічною природою всі вони є тетрациклічними карбоновими кислотами, що відносяться до дітерпенів.

Ферменти. Продуцентами ферментів є численні представники мікроскопічних грибів, деякі актиноміцети та ін. бактерії. Технологія отримання ферментних препаратів спрощується, якщо фермент продукується в живильне середовище. При виділенні внутрішньоклітинних ферментів необхідно попередньо зруйнувати клітини мікроорганізмів. Для дослідних робіт, аналітичних цілей і т. д. зазвичай отримують ферменти у вигляді гомогенних (індивідуальних) білків. При промисловій переробці сільськогосподарської сировини в харчовій промисловості іноді застосовують комплексні ферментні препарати. Так, при переробці рослинної сировини ферментний комплекс повинен містити целюлази, геміцелюлази, пектинази, протеази і деякі інші ферменти. Один з найважливіших ферментів, одержаний за допомогою мікробіологічного синтезу - глюкоізомераза, що каталізує ізомеризацію глюкози у фруктозу. Утворений глюкозо-фруктозний сироп використовують у харчовій промисловості замість сахарози.

Білково-вітамінні препарати. Особливу увагу як джерело білка привертає мікробна біомаса. Виробництво такої біомаси на дешевій сировині розглядають як один із засобів усунення зростаючого білкового дефіциту в харчуванні тварин. Найбільш інтенсивний розвиток отримали промислові методи мікробіологічного синтезу кормових дріжджів, вживаних у вигляді сухої біомаси як джерела білка і вітамінів в тваринництві.

До числа продуктів мікробіологічного синтезу відносяться також деякі засоби захисту рослин, наприклад бактеріальні ентомопатогенні препарати, що викликають загибель шкідливих комах і запобігають їх масовому розмноженню.

Окремий випадок мікробіологічного синтезу - мікробіологічна трансформація органічних сполук. Вона здійснюється завдяки високій активності специфічних ферментних систем мікроорганізмів, які каталізують перетворення речовини без зміни його основної структури. Найбільш вивчена трансформація стероїдних сполук, наприклад їх дегідрування, деацетилювання і гідроксилювання в строго певних положеннях. Завдяки широкій можливості підбору мікроорганізмів (носіїв специфічних ферментних систем) метод мікробіологічної трансформації набуває все більшого поширення.

 

Наші партнери

Наші клієнти