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 # 150; 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 # 150; 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 # 150; 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 # 150; 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 # 150; екстрагуванню розчинником, хроматографії та ультрафільтрації.
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.
Однак технологія виробництва мікробної біомаси як джерела харчових білків була розроблена тільки на початку 1960-х років. Ряд європейських компаній звернули увагу на можливість вирощування мікробів на такому субстраті, як вуглеводні, для отримання т.зв. білка одноклітинних організмів (БОО). Технологічним тріумфом було отримання продукту, який додається в корм худобі і складається з висушеної мікробної біомаси, що виросла на метанолі. Процес йшов в безперервному режимі в ферментере з робочим об'ємом 1,5 млн. Л. Однак у зв'язку з ростом цін на нафту і продукти її переробки цей проект став економічно невигідним, поступившись місцем виробництву соєвої та рибного борошна. До кінця 80-х років заводи з отримання БОО були демонтовані, що поклало кінець бурхливому, але короткому періоду розвитку цієї галузі мікробіологічної промисловості. Більш перспективним виявився інший процес # 150; отримання грибної біомаси та грибного білка мікопротеіна з використанням в якості субстрату вуглеводів.
Продукти метаболізму. Після внесення культури в живильне середовище спостерігається лаг-фаза, коли видимого росту мікроорганізмів не відбувається; цей період можна розглядати як час адаптації. Потім швидкість росту поступово збільшується, досягаючи постійної, максимальної для даних умов величини; такий період максимального зростання називається експоненціальною, або логарифмічною, фазою. Поступово зростання сповільнюється, і настає т.зв. стаціонарна фаза. Далі число життєздатних клітин зменшується, і зростання зупиняється.
Дотримуючись описаної вище кінетики, можна простежити за освітою метаболітів на різних етапах. У логарифмічною фазі утворюються продукти, життєво важливі для росту мікроорганізмів: амінокислоти, нуклеотиди, білки, нуклеїнові кислоти, вуглеводи і т.д. Їх називають первинними метаболітами.
Багато первинні метаболіти становлять значну цінність. Так, глутамінова кислота (точніше, її натрієва сіль) входить до складу багатьох харчових продуктів; лізин використовується як харчова добавка; фенілаланін є попередником замінника цукру аспартама. Первинні метаболіти синтезуються природними мікроорганізмами в кількостях, необхідних лише для задоволення їх потреб. Тому завдання промислових мікробіологів складається в створенні мутантних форм мікроорганізмів # 150; сверхпродуцентов відповідних речовин. У цій області досягнуто значних успіхів: наприклад, вдалося отримати мікроорганізми, які синтезують амінокислоти аж до концентрації 100 г / л (для порівняння # 150; організми дикого типу накопичують амінокислоти в кількостях, що обчислюються миллиграммами).
У фазі уповільнення зростання і в стаціонарній фазі деякі мікроорганізми синтезують речовини, що не утворюються в логарифмічною фазі і не грають явної ролі в метаболізмі. Ці речовини називають вторинними метаболітами. Їх синтезують не всі мікроорганізми, а в основному нитчасті бактерії, гриби і спороутворюючі бактерії. Таким чином, продуценти первинних і вторинних метаболітів відносяться до різних таксономічних груп. Якщо питання про фізіологічну роль вторинних метаболітів в клітинах-продуцента був предметом серйозних дискусій, то їх промислове отримання представляє безперечний інтерес, так як ці метаболіти є біологічно активними речовинами: одні з них мають антимікробну активність, інші є специфічними інгібіторами ферментів, треті # 150; ростовими факторами, багато є неактивними. Отримання такого роду речовин послужило основою для створення цілого ряду галузей мікробіологічної промисловості. Першим в цьому ряду стало виробництво пеніциліну; мікробіологічний спосіб отримання пеніциліну був розроблений в 1940-х роках і заклав фундамент сучасної промислової біотехнології.
Фармацевтична промисловість розробила надскладні методи скринінгу (масової перевірки) мікроорганізмів на здатність продукувати цінні вторинні метаболіти. Спочатку метою скринінгу було отримання нових антибіотиків, але незабаром виявилося, що мікроорганізми синтезують і інші фармакологічно активні речовини. Протягом 1980-х років було налагоджено виробництво чотирьох дуже важливих вторинних метаболітів. Це були: циклоспорин # 150; імунодепресанти, який використовується в якості засобу, що запобігає відторгнення імплантованих органів; имипенем (одна з модифікацій карбапенеми) # 150; речовина з найширшим спектром антимікробної дії з усіх відомих антибіотиків; ловастатин # 150; препарат, що знижує рівень холестерину в крові; івермектин # 150; антигельминтное засіб, що використовується в медицині для лікування онхоцеркоза, або «річковий сліпоти», а також у ветеринарії.
Ферменти мікробного походження. У промислових масштабах ферменти одержують з рослин, тварин і мікроорганізмів. Використання останніх має ту перевагу, що дозволяє виробляти ферменти в величезних кількостях за допомогою стандартних методик ферментації. Крім того, підвищити продуктивність мікроорганізмів незрівнянно легше, ніж рослин або тварин, а застосування технології рекомбінантних ДНК дозволяє синтезувати тварини ферменти в клітинах мікроорганізмів. Ферменти, отримані таким шляхом, використовуються головним чином в харчовій промисловості і суміжних областях. Синтез ферментів в клітинах контролюється генетично, і тому наявні промислові мікроорганізми-продуценти були отримані в результаті спрямованого зміни генетики мікроорганізмів дикого типу.
Рекомбінантні продукти. Технологія рекомбінантних ДНК, більш відома під назвою «генна інженерія», дозволяє включати гени вищих організмів в геном бактерій. В результаті бактерії набувають здатність синтезувати «чужорідні» (рекомбінантні) продукти # 150; з'єднання, які раніше могли синтезувати тільки вищі організми. На цій основі було створено безліч нових біотехнологічних процесів для виробництва людських або тваринних білків, раніше недоступних або застосовувалися з великим ризиком для здоров'я. Сам термін «біотехнологія» набув поширення в 1970-х роках у зв'язку з розробкою способів виробництва рекомбінантних продуктів. Однак це поняття набагато ширше і включає будь-який промисловий метод, заснований на використанні живих організмів і біологічних процесів.
Першим рекомбінантним білком, отриманим в промислових масштабах, був людський гормон росту. Для лікування гемофілії використовують один з білків системи згортання крові, а саме фактор VIII. До того як були розроблені методи отримання цього білка за допомогою генної інженерії, його виділяли з крові людини; застосування такого препарату було пов'язане з ризиком зараження вірусом імунодефіциту людини (ВІЛ).
Довгий час цукровий діабет успішно лікували за допомогою інсуліну тварин. Однак вчені вважали, що рекомбінантний продукт буде створювати менше імунологічних проблем, якщо його вдасться отримувати в чистому вигляді, без домішок інших пептидів, що виробляються підшлунковою залозою. Крім того, очікувалося, що число хворих на діабет буде з часом збільшуватися в зв'язку з такими факторами, як зміни в характері харчування, поліпшення медичної допомоги вагітним, які страждають на діабет (і як наслідок # 150; підвищення частоти генетичної схильності до діабету), і, нарешті, очікуване збільшення тривалості життя хворих на діабет. Перший рекомбінантний інсулін надійшов у продаж в 1982, а до кінця 1980-х років він практично витіснив інсулін тварин.
Багато інші білки синтезуються в організмі людини в дуже невеликих кількостях, і єдиний спосіб отримувати їх в масштабах, достатніх для використання в клініці, # 150; технологія рекомбінантних ДНК. До таких білків належать інтерферон і еритропоетин. Еритропоетин спільно з мієлоїдний колонієстимулюючим фактором регулює процес утворення клітин крові у людини. Еритропоетин використовується для лікування анемії, пов'язаної з нирковою недостатністю, і може знайти застосування як засіб, що сприяє підвищенню рівня тромбоцитів, при хіміотерапії ракових захворювань.
Біотрансформація речовин. Мікроорганізми можна використовувати для перетворення тих чи інших сполук в структурно подібні, але більш цінні речовини. Оскільки мікроорганізми можуть проявляти своє каталітична дія відносно лише якихось певних речовин, що протікають при їх участю процеси більш специфічні, ніж чисто хімічні. Найбільш відомий процес біотрансформації # 150; отримання оцту в результаті перетворення етанолу в оцтову кислоту. Але серед продуктів, що утворюються при біотрансформації, є і такі високоцінні з'єднання, як стероїдні гормони, антибіотики, простагландини. Див. Також ГЕННА ІНЖЕНЕРІЯ.
Промислова мікробіологія і успіхи генетичної інженерії (спеціальний випуск журналу «Scientific American»). М. 1984
Біотехнологія. Принципи та застосування. М. 1 988