МІКРОБІОЛОГІЧНА ПРОМИСЛОВІСТЬ
МІКРОБІОЛОГІЧНА ПРОМИСЛОВІСТЬ, виробництво якого-небудь продукту за допомогою мікроорганізмів. Здійснюваний мікроорганізмами процес називають ферментацією; ємність, в якій він протікає, називається ферментерами (або біореактором).
Процеси, які відбуваються за участю бактерій, дріжджів і цвілевих грибів, людина застосовував сотні років для отримання харчових продуктів та напоїв, обробки текстилю та шкіри, але участь в цих процесах мікроорганізмів було чітко показано тільки в середині 19 ст.
У 20 ст. промисловість використовувала всю різноманітність чудових биосинтетических здібностей мікроорганізмів, і тепер ферментація займає центральне місце в біотехнології. З її допомогою отримують різноманітні хімікалії високого ступеня чистоти і лікарські препарати. виготовляють пиво. вино. ферментовані харчові продукти. У всіх випадках процес ферментації розділяється на шість основних етапів.
Створення середовища.
Перш за все необхідно вибрати відповідну культуральне середовище. Мікроорганізми для свого росту потребують органічних джерелах вуглецю, відповідному джерелі азоту і різних мінеральних речовинах. При виробництві алкогольних напоїв в середовищі повинні бути присутніми осолодженого ячмінь, вичавки з фруктів або ягід. Наприклад, пиво зазвичай роблять з солодового сусла, а вино - з виноградного соку. Крім води і, можливо, деяких добавок ці екстракти і складають ростові середу.
Середовища для отримання хімічних речовин і лікарських препаратів набагато складніше. Найчастіше в якості джерела вуглецю використовують цукру і інші вуглеводи, але нерідко масла і жири, а іноді вуглеводні. Джерелом азоту зазвичай служать аміак і солі амонію, а також різні продукти рослинного або тваринного походження: соєве борошно, соєві боби, борошно з насіння бавовнику, борошно з арахісу, побічні продукти виробництва кукурудзяного крохмалю, відходи боєнь, рибне борошно, дріжджовий екстракт. Складання та оптимізація ростовой середовища є досить складним процесом, а рецепти промислових середовищ - ревниво оберігаємою секретом.
Стерилізація.
Середу необхідно стерилізувати, щоб знищити всі забруднюючі мікроорганізми. Сам ферментер і допоміжне обладнання теж стерилізують. Існує два способи стерилізації: пряма інжекція перегрітої пари і нагрівання за допомогою теплообмінника. Бажана ступінь стерильності залежить від характеру процесу ферментації. Вона повинна бути максимальною при отриманні лікарських препаратів і хімічних речовин. Вимоги ж до стерильності при виробництві алкогольних напоїв менш суворі. Про таких процесах ферментації говорять як про «захищених», оскільки умови, які створюються в середовищі, такі, що в них можуть рости тільки певні мікроорганізми. Наприклад, при виробництві пива ростові середу просто кип'ятять, а не стерилізують; ферментер також використовують чистим, але не стерильним.
Отримання культури.
Перш ніж почати процес ферментації, необхідно отримати чисту високопродуктивну культуру. Чисті культури мікроорганізмів зберігають в дуже невеликих обсягах і в умовах, що забезпечують її життєздатність і продуктивність; зазвичай це досягається зберіганням при низькій температурі. Ферментер може вміщати декілька сотень тисяч літрів культурального середовища, і процес починають, вводячи в неї культуру (інокулят), що становить 1-10% обсягу, в якому буде йти ферментація. Таким чином, вихідну культуру слід поетапно (з пересіву) ростити до досягнення рівня мікробної біомаси, достатнього для протікання мікробіологічного процесу з необхідною продуктивністю.
Абсолютно необхідно весь цей час підтримувати чистоту культури, не допускаючи її зараження сторонніми мікроорганізмами. Збереження асептичних умов можливо лише при ретельному мікробіологічному і хіміко-технологічному контролі.
Зростання в промисловому ферментере (біореакторі).
Промислові мікроорганізми повинні рости в ферментере при оптимальних для утворення необхідного продукту умовах. Ці умови строго контролюють, стежачи за тим, щоб вони забезпечували зростання мікроорганізмів і синтез продукту. Конструкція ферментера повинна дозволяти регулювати умови зростання - постійну температуру, pH (кислотність або лужність) і концентрацію розчиненого в середовищі кисню.
Звичайний ферментер є закритий циліндричний резервуар, в якому механічно перемішуються середовище та мікроорганізми. Через середу прокачують повітря, іноді насичений киснем. Температура регулюється за допомогою води або пари, що пропускаються по трубках теплообмінника. Такий ферментер з перемішуванням використовується в тих випадках, коли ферментативний процес вимагає багато кисню. Деякі продукти, навпаки, утворюються в безкисневих умовах, і в цих випадках використовуються ферментери іншої конструкції. Так, пиво варять при дуже низьких концентраціях розчиненого кисню, і вміст біореактора НЕ аерується і не перемішується. Деякі пивовари досі традиційно використовують відкриті ємності, але в більшості випадків процес йде в закритих неаеріруемих циліндричних ємностях, що звужуються донизу, що сприяє осіданню дріжджів.
В основі отримання оцту лежить окислення спирту до оцтової кислоти бактеріями Acetobacter. Процес ферментації протікає в ємностях, які називаються Ацетатори, при інтенсивній аерації. Повітря і середовище засмоктуються обертається мішалкою і надходять на стінки ферментера.
Виділення і очищення продуктів.
По завершенні ферментації в бульйоні присутні мікроорганізми, невикористані живильні компоненти середовища, різні продукти життєдіяльності мікроорганізмів і той продукт, який бажали отримати в промисловому масштабі. Тому даний продукт очищають від інших складових бульйону. При отриманні алкогольних напоїв (вина і пива) досить просто відокремити дріжджі фільтруванням і довести до кондиції фільтрат. Однак індивідуальні хімічні речовини, одержувані шляхом ферментації, екстрагують зі складного за складом бульйону. Хоча промислові мікроорганізми спеціально відбираються за своїми генетичними властивостями так, щоб вихід бажаного продукту їх метаболізму був максимальний (в біологічному сенсі), концентрація його все ж мала в порівнянні з тією, яка досягається при виробництві на основі хімічного синтезу. Тому доводиться вдаватися до складних методів виділення - екстрагуванню розчинником, хроматографії та ультрафільтрації.
Переробка та ліквідація відходів ферментації.
ПРОМИСЛОВІ МІКРОБІОЛОГІЧНІ ПРОЦЕСИ
Промислові мікробіологічні процеси можна розбити на 5 основних груп: 1) вирощування мікробної біомаси; 2) отримання продуктів метаболізму мікроорганізмів; 3) отримання ферментів мікробного походження; 4) отримання рекомбінантних продуктів; 5) перетворення речовин.
Мікробна біомаса.
Мікробні клітини самі по собі можуть служити кінцевим продуктом виробничого процесу. У промисловому масштабі отримують два основних типи мікроорганізмів: дріжджі, необхідні для хлібопечення, і одноклітинні мікроорганізми, які використовуються як джерело білків, які можна додавати в їжу людини і тварин. Пекарські дріжджі вирощували у великих кількостях з початку 20 ст. і використовували в якості харчового продукту в Німеччині під час Першої світової війни.