ОСНОВЫ ПРОМЫШЛЕННОЙ МИКРОБИОЛОГИИ

ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ МИКРОБИОЛОГИИ 1. Допастеровский период до 1865г. (приготовление хлеба, молочных продуктов (сыры, йогурт), получение спиртосодержащих напитков (вино, пиво) и других продуктов на основе процессов брожения (уксус). 1. Допастеровский период до 1865г. (приготовление хлеба, молочных продуктов (сыры, йогурт), получение спиртосодержащих напитков (вино, пиво) и других продуктов на основе процессов брожения (уксус). 2. Пастеровский период ( гг.), включающий промышленное культивирование микроорганизмов с целью получения продуктов брожения (этанол, бутанол, ацетон, глицерол, органические кислоты). 2. Пастеровский период ( гг.), включающий промышленное культивирование микроорганизмов с целью получения продуктов брожения (этанол, бутанол, ацетон, глицерол, органические кислоты). 3. Производство антибиотиков ( гг.), период, включающий промышленное производство пенициллина, стрептомицина, хлортетрациклина и др. и микробное превращение стероидов (получение кортизона, тестостерона, эстрогена). 3. Производство антибиотиков ( гг.), период, включающий промышленное производство пенициллина, стрептомицина, хлортетрациклина и др. и микробное превращение стероидов (получение кортизона, тестостерона, эстрогена).

4. ( гг.) Период расширения круга промышленно производимых микробных продуктов, включающий микробиологическое производство аминокислот (глутамин и лизин), разработку методик производства микробного белка, производство ферментов (протеазы, амилазы, глюкозоизомеразы), промышленное применение иммобилизованных ферментов (глюкозоизомераза), производство бактериальных полисахаридов (ксантан). 4. ( гг.) Период расширения круга промышленно производимых микробных продуктов, включающий микробиологическое производство аминокислот (глутамин и лизин), разработку методик производства микробного белка, производство ферментов (протеазы, амилазы, глюкозоизомеразы), промышленное применение иммобилизованных ферментов (глюкозоизомераза), производство бактериальных полисахаридов (ксантан). 5. Развитие синтетической биотехнологии (с 1975г. по настоящее время), включающий разработку технологий рекомбинантной ДНК (1974г.) и получение с ее использованием первых продуктов в 1982г. (инсулин человека, вакцины против диареи животных). 5. Развитие синтетической биотехнологии (с 1975г. по настоящее время), включающий разработку технологий рекомбинантной ДНК (1974г.) и получение с ее использованием первых продуктов в 1982г. (инсулин человека, вакцины против диареи животных).

Промышленные микробиологические процессы условно можно разбить на несколько основных групп: 1) получение живой или инактивированной микробной биомассы (производство пекарских, винных, кормовых дрожжей; вакцин, белково-витаминных концентратов, средств защиты растений, заквасок для получения кисломолочных продуктов и силосования кормов, почвоудобрительных препаратов и т.д.); 1) получение живой или инактивированной микробной биомассы (производство пекарских, винных, кормовых дрожжей; вакцин, белково-витаминных концентратов, средств защиты растений, заквасок для получения кисломолочных продуктов и силосования кормов, почвоудобрительных препаратов и т.д.); 2) получение продуктов метаболизма микроорганизмов (антибиотики, гормоны, аминокислоты, витамины, органические кислоты и т.д.); 2) получение продуктов метаболизма микроорганизмов (антибиотики, гормоны, аминокислоты, витамины, органические кислоты и т.д.); 3) получение ферментов микробного происхождения; 3) получение ферментов микробного происхождения; 4) получение рекомбинантных продуктов; 4) получение рекомбинантных продуктов; 5) биотрансформация веществ; 5) биотрансформация веществ; 6) утилизация неприродных соединений. 6) утилизация неприродных соединений.

ОСНОВНЫЕ СТАДИИ (ЭТАПЫ ИЛИ ОПЕРАЦИИ) ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА Подготовка необходимой культуры микроорганизма-продуцента. Подготовка необходимой культуры микроорганизма-продуцента. Подготовка сырья. Подготовка сырья. Стадия ферментации. Стадия ферментации. Выделение и очистка целевого продукта. Выделение и очистка целевого продукта. Приготовление товарной формы целевого продукта. Приготовление товарной формы целевого продукта.

Выбор и требования к штаммам-продуцентам 1) способность расти в чистой культуре и генетическая стабильность; 1) способность расти в чистой культуре и генетическая стабильность; 2) отсутствие патогенности и токсичности; 2) отсутствие патогенности и токсичности; 3) высокая скорость роста при массовом культивировании и способность синтезировать продукт в большом количестве и за короткий промежуток времени; 3) высокая скорость роста при массовом культивировании и способность синтезировать продукт в большом количестве и за короткий промежуток времени; 4) устойчивость к контаминации; 4) устойчивость к контаминации; 5) способность расти на простых и дешевых питательных средах. 5) способность расти на простых и дешевых питательных средах.

Объекты промышленного использования а) бактерии и цианобактерии; а) бактерии и цианобактерии; б) грибы; б) грибы; в) водоросли; в) водоросли; г) простейшие. г) простейшие.

Продукты микробиологического производства Микроорганизмы-продуценты Пищевые продукты Кисломолочные продукты Соления и маринады Уксус Пищевые и кормовые добавки АминокислотыБелокВитамины Lactobacillus spp., Leuconostoc spp., Streptococcus spp., Lactococcus spp. Lactobacillus spp., Leuconostoc spp., Pediococcus spp. Acetobacter aceti, Gluconobacter suboxidans Corynebacterium glutamicum, Brevibacterium flavum, Micrococcus spp. Methylomonas spp., Methylophillus methylo- trophus, Anabaena spp., Spirulina spp. Saccharomyces cerevisiae. Clostridium spp., Propionibacterium freudenreichii, Pseudomonas denitrificans, Bacillus megaterium, Gluconobacter spp. Бактерии и цианобактерии

Продукты микробиологического производства Микроорганизмы-продуценты Промышленные соединения Спирты Ацетон Органические кислоты Полисахариды Ферменты Лекарственные препараты Антибиотики Биологически активные вещества Инсектициды Zimomonas mobilis, Clostridium spp. Clostridium spp. Lactobacillus spp., Acetobacter spp., Clostridium aceticum, Gluconobacter spp., Propionibacterium spp., Pseudomonas spp. Leucomonstoс mesenteroides, Azotobacter vinelandii Bacillus spp., Streptomyces spp., Actinomyces spp., Escherichia coli, Clostridium spp. Streptomyces spp., Bacillus spp. Bacillus thuringiensis

Группы ферментовФерментыБактерии-продуценты Гликозидазыα-амилаза Пуллуланаза β-галактозидаза Инвертаза Полигалактуроназа, пектин-эстераза Пектиназы Bacillus licheniformis Klebsiella pneumoniae Escherichia coli Bacillus subtilis, B.diastaticus Clostridium felsineum Erwinia spp., Bacillus polymyxa ПротеазыКоллагеназа Аспартаза Комплекс «римопротелин» Комплекс «протелин» Clostridium histolyticum Escherichia coli Actinomyces rimosus Streptomyces griseus ЛипазыФосфокиназыClostridium spp., Bacillus spp. Негидролитические ферменты Фумараза Глюкозоизомеразы Escherichia coli Streptomyces spp., Bacillus spp. Ферменты, получаемые путем промышленного культивирования продуцентов

Грибы антибиотики (Penicillium spp.); антибиотики (Penicillium spp.); гиббереллины и цитокинины (Fusarium spp., Botrytis spp.); гиббереллины и цитокинины (Fusarium spp., Botrytis spp.); каротиноиды (астаксантин, Rhaffia rhodozima,); каротиноиды (астаксантин, Rhaffia rhodozima,); белок (Candida, Saccharomycopsis lipolytica); белок (Candida, Saccharomycopsis lipolytica); спирты (Saccharomyces cerevisiae, Kluyveromyces fragilis); спирты (Saccharomyces cerevisiae, Kluyveromyces fragilis); сыры типа рокфор и камамбер (Penicillium spp.); сыры типа рокфор и камамбер (Penicillium spp.); соевый соус (Aspergillus oryzae). соевый соус (Aspergillus oryzae).

Простейшие Противоопухолевые препараты круцин и трепаноза (Trypanosoma (Schizotrypanum cruzi)), астазилид (Astasia longa), парамилон (Astasia spp., Euglena spp.). Противоопухолевые препараты круцин и трепаноза (Trypanosoma (Schizotrypanum cruzi)), астазилид (Astasia longa), парамилон (Astasia spp., Euglena spp.). Потенциальные продуценты белка и гетерополисахаридов. Потенциальные продуценты белка и гетерополисахаридов.

Водоросли кормовой и пищевой белок (Chlorella spp., Scenedesmus spp); кормовой и пищевой белок (Chlorella spp., Scenedesmus spp); пищевые и витаминные добавки (Ulva spp., Porfira spp., Undaria spp., Rhodimenia spp., Alaria spp.); пищевые и витаминные добавки (Ulva spp., Porfira spp., Undaria spp., Rhodimenia spp., Alaria spp.); глицерол (Dunaliella bardawil) глицерол (Dunaliella bardawil)

Классификация процессов культивирования 1)по состоянию питательной среды (поверхностные и глубинные); 1)по состоянию питательной среды (поверхностные и глубинные); 2)по наличию или отсутствию перемешивания (динамические или статические); 2)по наличию или отсутствию перемешивания (динамические или статические); 3)по содержанию кислорода (на аэробные или анаэробные); 3)по содержанию кислорода (на аэробные или анаэробные); 4)по способу действия (закрытые, чаще периодические, и открытые, чаще непрерывные); 4)по способу действия (закрытые, чаще периодические, и открытые, чаще непрерывные); 5)по количеству ферментеров (одно-, дву- и многостадийные); 5)по количеству ферментеров (одно-, дву- и многостадийные); 6) по способу управления (хемостатные, турбидостатные, оксистатные, рН-статные и другие). 6) по способу управления (хемостатные, турбидостатные, оксистатные, рН-статные и другие).

Рис.1. Основные методы культивирования микроорганизмов.

Системы твердофазного или твердожидкостного типа Рис. 2. Основные фазы кривой роста периодической культуры микроорганизмов.

ПРОИЗВОДСТВА, ОСНОВАННЫЕ НА ПОЛУЧЕНИИ МИКРОБНОЙ БИОМАССЫ Производство белка микроорганизмов Производство белка микроорганизмов Препараты для сельского хозяйства Препараты для сельского хозяйства

Производство белка микроорганизмов Области применения микробного белка 1) техническая (компоненты питательных сред, различного рода наполнители, загустители-эмульгаторы, стабилизаторы и т.д.), 1) техническая (компоненты питательных сред, различного рода наполнители, загустители-эмульгаторы, стабилизаторы и т.д.), 2) кормовая (для хозяйственно ценных животных), 2) кормовая (для хозяйственно ценных животных), 3) пищевая. 3) пищевая.

Основные продуценты белка – с технологической точки зрения наилучшими из продуцентов являются дрожжи Saccharomyces cerevisiae, Candida spp., Trichosporon spp., Hansenula spp., Zygofabospora spp., Pichia spp. Помимо дрожжей также используют мицелиальные грибы родов Aspergillus и Fusarium, виды рода Mucor и бактерии Methylomonas spp., Methylophillus methylotrophus, Hypomicrobium spp., Pseudomonas spp.

Сырье для микробиологического производства Поиск сырья для микробиологического производства белковых веществ осуществляется по двум направлениям – ориентация на чистые виды сырья, желательно, индивидуальных соединений и ориентация на использование различных отходов. Основные виды сырья для производства микробного белка : Нормальные (неразветвленные) парафины и дистилляты нефти, природный газ, спирты, растительные гидролизаты, метан, водород, метанол, этанол, уксусная кислота, углекислый газ, молочная сыворотка, меласса, крахмал и целлюлозосодержащие отходы промышленности и сельского хозяйства.

Препараты для сельского хозяйства Препараты, производимые для сельского хозяйства подразделяются на: энтомопатогенные препараты; энтомопатогенные препараты; бактериальные удобрения. бактериальные удобрения.

Бактериальные энтомопатогенные препараты Бактериальные препараты на основе Bacillus thuringiensis - энтобактерин, дипел, инсектин, алестин, токсобактерин, дендробациллин, битоксибациллин, гомелин, бактокулицид, текнар, бактимос, вектобак, москитур, бактоспеин. Активны против 130 видов насекомых. Бактериальные препараты на основе Bacillus thuringiensis - энтобактерин, дипел, инсектин, алестин, токсобактерин, дендробациллин, битоксибациллин, гомелин, бактокулицид, текнар, бактимос, вектобак, москитур, бактоспеин. Активны против 130 видов насекомых.

Грибные энтомопатогенные препараты Beaveria bassiana (боверин), Entomophthora thaxteriana (энтомофторин), Aschersonia aleuroides (верталек, майкотал), Verticillium lecanii (вертициллин). Beaveria bassiana (боверин), Entomophthora thaxteriana (энтомофторин), Aschersonia aleuroides (верталек, майкотал), Verticillium lecanii (вертициллин).

Бактериальные удобрения Rhizobium spp. (нитрагин и ризоторфин), Azotobacter chroococcum (азотобактерин), Bacillus megaterium var. Phosphaticum (фосфобактерин). Rhizobium spp. (нитрагин и ризоторфин), Azotobacter chroococcum (азотобактерин), Bacillus megaterium var. Phosphaticum (фосфобактерин).

Получение товарных форм целевого продукта Все товарные формы биопрепаратов с точки зрения технологии их получения можно разделить на три основные группы. 1. Биопрепараты, имеющие в товарном продукте в качестве основного компонента жизнеспособные микроорганизмы. К этой группе относятся средства защиты растений, бактериальные удобрения, закваски для силосования кормов, биодеграданты, другие активные средства биотрансформации. 1. Биопрепараты, имеющие в товарном продукте в качестве основного компонента жизнеспособные микроорганизмы. К этой группе относятся средства защиты растений, бактериальные удобрения, закваски для силосования кормов, биодеграданты, другие активные средства биотрансформации. 2. Биопрепараты, в состав которых входит инактивированная биомасса клеток и продукты ее переработки. Это кормовые дрожжи, грибной мицелий и т.д. 2. Биопрепараты, в состав которых входит инактивированная биомасса клеток и продукты ее переработки. Это кормовые дрожжи, грибной мицелий и т.д. 3. Биопрепараты на основе очищенных продуктов метаболизма микроорганизмов. К ним относятся витамины, аминокислоты, ферменты, антибиотики, липиды, полисахариды, продукты комплексной переработки микробных масс и метаболитов. 3. Биопрепараты на основе очищенных продуктов метаболизма микроорганизмов. К ним относятся витамины, аминокислоты, ферменты, антибиотики, липиды, полисахариды, продукты комплексной переработки микробных масс и метаболитов. В зависимости от конкретных целей производства товарные формы представляют собой либо сложную смесь, содержащую некоторое количество основного вещества, либо высокоочищенный препарат, отвечающий ряду специальных требований.

Общие принципы разделения веществ На первом этапе переработки культуральной жидкости производят отделение массы продуцента от жидкой фазы – сепарацию. Технологические приемы, используемые для отделения клеток от среды, зависят от природы продуцента. Часто используют флотацию и фильтрование. Сгущенная биомасса высушивается или прессуется (пекарские дрожжи). Если биомасса не содержит значимых количеств целевого продукта, то она осаждается добавлением твердых компонентов, увлекающих клетки или мицелий на дно - физическое осаждение либо подвергается фильтрации или центрифугированию. Для выделения и очистки продуктов, находящихся внутри клеток продуцента (например интерферонов, гормонов) вводится стадия разрушения клеточных оболочек (дезинтеграция биомассы).

Жидкость далее также подвергается переработке, если содержит метаболиты, представляющие практическую ценность. Культуральная жидкость перерабатывается путем экстракции, адсорбции, осаждения, ионообмена, высаливания, кристаллизации или с помощью микро- и ультрафильтрации через полимерные мембраны со специально подобранным размером пор.

Методы тонкой очистки и разделения препаратов Хроматография Хроматография - хроматография на бумаге - хроматография в тонком слое или тонкослойная хроматография - колоночная хроматография (в зависимости от типа матрикса подразделяется на : ионообменную хроматографию, гидрофобную хроматографию, хроматографию гель-фильтрацией, аффинную хроматографию, высокоэффективную жидкостную хроматографию.) Высокоскоростное центрифугирование Высокоскоростное центрифугирование Ультрацентрифугирование Ультрацентрифугирование Электрофорез Электрофорез