Микробиологическая промышленность. Современное микробиологическое производство. Главные из них

Основы микробиологической промышленности составляют предприятия по выпуску кормового микробиологического белка. Предприятия данной отрасли оказывают негативное воздействие на природные водные объекты и атмосферный воздух. В выбросах предприятий содержатся взвешенные вещества, диоксид, оксид углерода, метиловый спирт, уксусная кислота, аммиак, ацетон, серная кислота, формальдегид, оксид ванадия, толуол.

В целом микробиологическая промышленность вносит небольшой вклад в загрязнение атмосферного воздуха, на ее долю приходится 0,4% объема используемой свежей воды и 1% объема сброса сточных вод в поверхностные водоемы.

2.11 Машиностроение

Машиностроительный комплекс по производству продукции является крупнейшим промышленным образованием, включающим следующие отрасли: тяжелое, энергетическое и транспортное машиностроение, станкоинструментальную промышленность, автомобильное, тракторное и сельскохозяйственное машиностроение, электротехническую промышленность, приборостроение и нефтяное машиностроение, строительное, дорожное и коммунальное машиностроение.

Основными источниками загрязнения атмосферы являются литейное производство, цехи механической обработки, сварочные и лакокрасочные цехи и участки. По валовому выбросу вредных веществ в атмосферу доля машиностроительного комплекса составляет около 6% выбросов в атмосферу всей промышленности.

Выбросы характеризуются присутствием в них оксида углерода, диоксида серы, различных видов пыли и взвешенных веществ, оксидов азота, а также таких вредных веществ, как ксилол, толуол, ацетон, бензин, бутилацелат, аммиак, этилацетат, серная кислота, марганец, хром, свинец и др. Из наиболее опасных загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу, значительная доля комплекса в выбросе шестивалентного хрома – 137,9 т, или 43% выброса всей промышленности ежегодно.

Предприятия машиностроения ежегодно используют около 3,5 млрд. м3 свежей воды. Ежегодный сброс сточных вод в поверхностные водоемы составляет около 2 млрд. м3, в том числе загрязненных сточных вод – 0,95 млрд. м3.

2.12 Транспорт

С транспортно-дорожным комплексом связаны газообразные, жидкие и твердые отходы, которые поступают в атмосферу, поверхностные и подземные водоемы, морские воды и почвы. В атмосферу поступает значительное количество углекислого газа и вредных веществ – свинца, сажи, углеводородов, оксидов углерода, серы и азота.

Ежегодно около 53% выбросов загрязняющих веществ в атмосферу приходится на долю транспортных и других передвижных средств, в том числе автомобильных, воздушных, водных, железнодорожных, тракторов и самоходных машин. Общий объем выбросов загрязняющих веществ автомобильным транспортом составляет примерно 70% от всех видов транспорта, или около 40% общего количества антропогенного загрязнения атмосферы.

Отставание в развитии транспортных систем, их экологической защищенности и конкурентоспособности на внутреннем и мировом рынках во многом обусловлено отсутствием системы экологической сертификации в нашей стране, необходимой законодательной и нормативной базы, низким экологическим качеством выпускаемой продукции, отсутствием необходимых механизмов стимулирования проведения работ по снижению токсичности новых и эксплуатируемых автомобилей, включая проведение единой государственной политики в этой области. Наиболее серьезным препятствием к внедрению международных стандартов остается использование свинецсодержащих присадок к моторным топливам, не позволяющих применять каталитические нейтрализаторы.

Значительный выброс в атмосферный воздух загрязняющих веществ производят двигатели воздушных судов. Наиболее неблагоприятное воздействие они оказывают в районе аэропортов, так как здесь выбрасывается почти половина загрязняющих веществ, приходящихся на долю авиации.

Основное загрязнение атмосферного воздуха на железных дорогах дают тепловозы. На их долю приходится до 90% выбросов на железнодорожном транспорте.

Основным источником загрязнения при эксплуатации флота являются накопления на пассажирских и грузовых судах хозяйственно-бытовых и нефтесодержащих вод. Более половины судов (57%), эксплуатирующихся на внутренних водных путях, принадлежат коммерческим и частным компаниям, которые во избежание дополнительных расходов не осуществляют сбор и передачу загрязнений со своего флота на утилизацию, не проводят работ по оснащению судов необходимым водоохранным оборудованием. На их долю приходится более 50% хозяйственно-бытовых сточных вод, нефтесодержащих вод, сухого мусора и отходов, образующихся в процессе эксплуатации речного транспорта.

Потоки автомобильного транспорта являются основным источником шума в городах любой величины. Они не только создают 80% всех зон акустического дискомфорта городов, но и определяют максимальное превышение уровней шума над нормативными.

В настоящее время уровни шума на городских улицах составляют 65–85 дБ (при норме 70 дБ), в дискомфортных условиях проживания в среднем находится около 30% городского населения страны.

Следовательно, транспортно-дорожный комплекс вносит определяющий вклад в загрязнение атмосферного воздух. Особенно существенна его доля по выбросам оксида углерода и углеводородов.

О.В.Мосин

Любое производство начинается с сырья. Общий объем биотехнологической продукции в мире измеряется в миллионах тонн в год. В микробиологической промышленности наибольшая доля сырья (более 90 %) идет на производство этанола. Производство хлебо­пекарных дрожжей требует 5 % расходуемого в микробиологиче­ской промышленности сырья, антибиотики - 1,7 %, органические кислоты и аминокислоты - 1,65 %.

Ферментная биотехнология является крупным потребителем крахмала, так как только одной фруктозной патоки производится свыше 3,5 млн в год. С точки зрения экономики, сырье в биотехнологических производствах, особенно в крупнотоннажных, занимает первое место в статьях расходов и составляет 40-65 % общей сто­имости продукции (рис. 4.1). При тонком биосинтезе доля сырья в общей себестоимости продукции уменьшается.

Питательный субстрат, или питательная среда, является сложной трехфазной системой, содержащей жидкие, твердые и газооб­разные компоненты. Много ферментов расположено на поверхно­сти клетки или выделяется в окружающую среду. Кроме того, зна­чительная часть продуктов биосинтеза после экскреции из клеток накапливается в среде. Некоторые промежуточные метаболиты служат резервным питательным фондом, которым клетка пользует­ся после истощения основных источников питания. Существует тесное взаимодействие между культивируемым биообъектом и фи­зико-химическими факторами среды. С одной стороны, эти факто­ры (рН, осмотическое давление и др.) контролируют рост клеток и биохимическую активность продуцентов. С другой сторо­ны, химический состав и физико-химические свойства среды посто­янно меняются в результате жизнедеятельности самих клеток. Эти обсто­ятельства заставляют рассматривать ферментируемый субстрат как продолжение внутренней среды клетки. Во время ферментации формируется совокупность субстрата и биообъекта.

Сырье для микробиологической промышленности Сырьевые ресурсы Земли

В принципе, микроорганизмы способны ассимилировать любое органическое соединение, поэтому потенциальными ресурсами для микробиологической биотехнологии могут служить все мировые запасы органических веществ, включая первичные и вторич­ные продукты фотосинтеза, а также запасы органических веществ в недрах Земли.

Но, к сожалению, каждый конкретный вид микроорганизмов, используемый в биотехнологии, весьма избирателен к питательным веществам, и органическое сырье (кроме лактозы, сахарозы и крахмала) без предварительной химической обработки малопригодно для микробного синтеза. Тем не менее целлюлозосодержащее сырье после химического или ферментативного гидролиза и очистки от ингибирующих или балластных примесей (фенол, фур­фурол, оксиметилфурфурол и др.) может быть использовано в био­технологическом производстве. Каменный уголь, природный газ и древесина могут служить сырьем для химического синтеза техниче­ских спиртов или уксусной кислоты, а последние, в свою очередь, являются отличным сырьем для микробиологической промышлен­ности..

Из органического сырья наибольшее внимание биотехнологов привлекает крахмал, хотя для его ассимиляции микроорганизмами требуется сложный комплекс амилолитических ферментов, которым владеют только некоторые виды микроорганизмов (например, грибы рода Aspergillus, бактерии Вас. subtilis и др.)- Много крах­мала расходуется для производства этанола, а также для изготов­ления фруктозных сиропов. Из-за того, что мировые запасы крахмалосодержащего в нашей стране ограничены, целесообразно использовать для целей биотехнологии мелассу, глюкозное сырье, метанол и этанол.

При выборе сырья учитывают не только физиологические потребности выбранного продуцента, но и стоимость сырья (табл. 1).

Таблица 1. Стоимость основного микробиологического сырья

Традиционные источники углерода

Углеродсодержащее сырье является основным сырьем микробного синтеза. Наиболее широко применяемые в производственных условиях источники углерода перечислены в табл. 2. Большинство микроорганизмов хорошо ассимилирует углеводы. При катаболизме большое значение имеют строение углеродного скелета молекул (прямой, разветвленный или циклический) и степень окисления углеродных атомов. Легкодоступными счита­ются сахара, особенно гексозы, за ними следуют многоатомные спирты (глицерин, маннит и др.) и карбоновые кислоты.

До недавнего времени существовало мнение, что органические кислоты малодоступны для большинства микроорганизмов, однако на практике довольно часто встречаются микроорганизмы, успешно утилизирующие органические кислоты, особенно в анаэробных условиях.

Низкомолекулярные спирты (метанол, этанол) можно отнести к числу перспективных видов микробиологического сырья, так как их ресурсы существенно увеличиваются благодаря успешному развитию технологии химического синтеза. Многие дрожжи родов Candida, Hansenula, Rhodosporidium, Endomycopsis и др. способны ассимилировать этанол. Дрожжи родов Pichia, Candida, Torulopsis и др. и бактерии, принадлежащие родам Methy-lomonas, Protaminobacter, Flavobacterium и др., используют в качестве единственного источника углерода метанол и образуют биомассу с высоким содержанием белков (60-70%).

В 1939 г. В. О. Таусоном была установлена способность разных видов микроорганизмов использовать в качестве единственного источника углерода и энергии н-алканы и некоторые фракции нефти. Отличительной особенностью углеводородов по сравнению с другими видами микробиологического сырья являет­ся низкая растворимость в воде. Этим объясняется тот факт, что только некоторые виды микроорганизмов в природе способны ассимилировать углеводороды. Максимальная растворимость н-алканов в воде около 60 мл/л при длине молекул от С2 до С4, но при увеличении цепи растворимость снижается.

Таблица 2. Источники углерода, применяемые для микробного синтеза

Субстрат

Характеристика

Кристаллическая глю­коза

Техническая сахароза Техническая лактоза

Крахмал Уксусная кислота

Спирт этиловый синте­тический

Узкая фракция жид­кого парафина

99,5 %

Сахарозы не менее

Лактозы не менее

РВ не менее 70 % в пересчете на СВ

СВ не менее 80 %

Уксусной кислоты не менее 60 % Этанола не менее 92%

н-Алканов 87-93 %

Содержит до 9 % воды, до 0,07 % зольных веществ, в том числе же­леза не более 0,004 % Влажность до 0,15 %, зольных ве­ществ не более 0,03 % Влажность до 3 %, зольных ве­ществ не более 2 % и 1 % молоч­ной кислоты

Сиропообразная жидкость, РВ представлены главным образом глюкозой, зольных веществ до 7 %, рН 4,0

Зольных веществ Q.-35-1,2 % в пе­ресчете на СВ (Содержит формальдегид и до 1,0 % муравьиной кислоты Содержит до 0,21 % изопропилового спирта и до 15 мг/л органиче­ских кислот

Содержит до 0,5 % ароматических углеводородов и до 0,5 % серы

Побочные продукты производства

Многие ценные виды побочной продукции раньше считались отходами производства. В канализацию спускали воду после замачива­ния кукурузных зерен при их переработке в крахмал и глюкозу. Теперь эту воду упаривают, получая экстракт, и используют в микробиологической промышленности. Успешно используют отхо­ды химического производства (смесь карбоновых кислот - ян­тарной, кетоглутаровой, адипиновой) и др.; сульфитный щелок, зерновую и картофельную барду, мелассу, гидрол и т. д.

Таблица.3. Химический состав свекловичной мелассы

Наименование
				Наименование
Сухое вещество 75-77			Зольность 6,6 - 7,5
Сахароза 45			в том числе:
Инвертный сахар 0,5 - 1,2			К 2 О 2,5-3,5
Раффиноза 0,5-1,0
Сбраживаемые са- 46 - 48			50 СаО 0,5-0,8
хара (суммарное
количество)			общий 1,1 - 1,5
Коллоиды 3 - 4
Доброкачествен- 62 - 65			65 до гидролиза 0,2-0,35
			после гидро- 0,5 - 0,6

Лизин 41 Алании

Гистидин 24 Цистин

Аргинин 26 Валин

Аспарагиновая кислота 251 Метионин

Треонин 41 Изолейцин

Следы 89 120

Комплексное использование всей побочной продукции производства далеко от совершенства. В нашей стране ежегодно оста­ется неиспользованной или нерационально используется около 1 млн т лактозы, содержащейся в сыворотке и пахте. В США из всего количества молочной сыворотки, образующейся при про­изводстве сыра (ежегодно 20 млн т), половина теряется со сточными водами. В то же время известно, что из 1 т сыворотки мож­но получить около 20 кг сухой биомассы дрожжей. Кроме того, из сепарированной бражки можно выделить допол­нительно около 4 кг протеина. Нерационально используется кар­тофельный сок, выделяемый из картофеля при производстве крахмала, а также альбуминное молоко, получаемое из сыворотки.

В микробиологической промышленности широко применяются меласса и гидрол - побочный продукт производства глюкозы из крахмала. Меласса характеризуется высоким содержанием сахаров (43-57%), в частности сахарозы (табл. 3).

В микробиологической промышленности используется ряд других побочных продуктов (табл. 4). В дальнейшем необходи­мо учесть потенциальные возможности постоянно возобновляю­щихся сырьевых ресурсов - первичных продуктов фотосинтеза, в первую очередь гидролизатов древесины и депротеинизированного сока растений.

Таблица 4. Побочные продукты, используемые в микробиологической промышленности в качестве основного сырья

Сульфитный щелок Картофельная барда Зерновая барда

Солодовое сусло Молочная сыворотка

Депротеинизирован-ный сок растений

Депротеинизирован-ный картофельный сок

Гкдролизат древесных отходов

торфа

Гидролизат (упаренный)

Пшеничные отруби

СВ 4,0-4,5 %, в том числе РВ 3,3-3,5 % СВ 4,3-4,5 %, в том числе РВ 2,0-2,2 % СВ 7,3-8,1 %, в том числе РВ 2,5-2,9 % СВ 76-78 %, в том числе сбраживаемых Сахаров 50%

СВ 15-20 %, в том числе РВ (мальтоза, декстрины) 8-12 %, витамины СВ 6,5-7,5 %, в том числе лактозы 4,0-4,8 %, белков 0,5-1,0%, жиров 0,05- 0,4 %, витамины СВ 5-8 %, в том числе РВ 0,8-2,0 %, аминокислоты, витамины

СВ 4-5 %, в том числе РВ 0,5-1,0 %, витамины, ами­нокислоты

СВ 6-9 %, в том числе РВ 3-4 %, органических кис­лот 0,3-0,4 % СВ 48-52%, в том числе РВ 26-33 % (галактоза, глюкоза, манноза, ксилоза, рамноза); гуминовые веще­ства

СВ 90-92 %, в том числе экстрактивных веществ 48-50%, крахмала 25- 30%, белков 11 - 13%, жиров 2,5-3,0 %, целлю­лозы 15-17 %

кормовых

Производство

дрожжей То же

Производство дрожжей, антибиотиков, этанола

Выращивание дрожжей, бактерий, микромицетов

Получение дрожжей, эта­нола, лактанов

кормовых

Выращивание дрожжей

Производство хлебопекар­ных дрожжей, антибиотиков

Получение кормовых дрож­жей

Производство ферментов

Источники минерального питания

Азот. В бактериальных клетках азота до 12 % в пересчете на сухую биомассу, в мицелиальных грибах - до 10%. Микроорганизмы могут использовать как органические, так и неорганиче­ские источники азота. Известно, что бактерии более требователь­ны к источникам азота, чем большинство микромицетов, актиномицетов и дрожжей. У клеток животных и растений особые тре­бования к источникам азота. Продуктивность по биомассе в за­висимости от источника азота не всегда совпадает с продуктив­ностью целевого метаболита и зависит также от условий культи­вирования (табл. 5). При выращивании биомасс

Таблица 5. Влияние минеральных источников азота на рост биомассы и биосинтез лимонной кислоты мутантом A . niger при поверхностном и глубинном культивирования (Р. Я- Карклиньш)

Источник азота	Поверхностное культивиро­вание		Глубинное культивиро­вание
		Лимонная кислота, г/л		Лимонная кислота, г/л
(NH,) 2 SO 4 6,2 (NH 4) 2 HPO 4 4,2 NH 4 C1 5,5 KNO 3 5,0			12 15 14 11 9 15	95 101 30 30 88
Ca(NO 3) 2 3,5 NH.CONHs 6,9

в концентрации 30-40 г/л потребность в добавках азотсодержащих солей обычно не превышает 0,3-0,4 % от объема среды. В периоди­ческих режимах культивирования потребление азота заканчива­ется в первые 6-12 ч роста (в первой половине экспоненциаль­ной фазы). При направленном биосинтезе азотсодержащих мета­болитов потребность в азоте существенно возрастает.

Большинство дрожжей хорошо усваивает аммиачные соли -сульфат аммония, фосфат аммония, а также аммиак из водного раствора. Соли азотной кислоты не всегда хорошо усваиваются. Только некоторые виды дрожжей испытывают потребность в нитратах. Часто источником азота в состав сред включают мочевину. При направленном биосинтезе, например, целлюлолитических ферментов грибом Peniophora gigantea наивысшая биохимиче­ская активность клеток наблюдается на средах с органическим азотом (аспарагин, пептон и др.).

Другие минеральные соли. Фосфор, как известно, входит в состав нуклеиновых кислот, фосфолипидов и других важных компонентов клетки. Иногда фосфор накапливается в ней в виде полифосфатов. Небольшая часть усвоенного фосфора существует в форме макроэргических соединений - АТР.

Фосфор является важным компонентом клетки. Микроорганизмы нуждаются еще в 10 минеральных элементах, но в значи­тельно меньших количествах (10~ 3 - 10~ 4 М). Повышенная по­требность микроорганизмов в микроэлементах возникает, если целевой метаболит содержит микроэлемент. Так, при биосинтезе витамина В]2 в состав питательной среды включают кобальт; молибден и бор стимулируют биосинтез тиамина в клетках клубеньковых бактерий; медь присутствует в ряде ферментов, перенося­щих электроны от субстрата к кислороду.

Минеральный состав питательной среды формирует распределение электрических зарядов на поверхности клеток. Обычно клетки микроорганизмов имеют отрицательный потенциал (16- 20 мВ). При добавлении в среду электролитов он снижается, и тем сильнее, чем выше валентность добавляемого противоиона. Увеличение содержания К + или Na + до 500 мг/л уменьшает величину потенциала клеток до 10-12 мВ. Введение в среду 60- 80 мг/л Са 2+ , Fe 2+ или Си 2+ , равно как и 5 мг/л Аl +3 , может привести клетки в электронейтральное состояние. В отличие от бактерий дрожжи и мицелиальные грибы не перезаряжаются и не приобретают положительный потенциал. Изменение электриче­ского потенциала клеток может изменить их физиологическую деятельность, воздействовать на селективность клеточной мем­браны, вызвать флокуляцию или флотацию клеток.

Комплексные обогатители сред

Микроорганизмы лучше растут в присутствии витаминов, аминокислот, цитокининов и других биологиче­ски активных веществ. С наступлением эры антибиотиков и в связи с широким применением микроорганизмов в промышленно­сти остро встал вопрос об экономически оправданных, сбаланси­рованных по составу питательных средах. Эффективной добавкой оказался кукурузный экстракт благодаря наличию в нем витами­нов, аминокислот и минеральных элементов в легко ассимилиру­емых формах. Химический состав кукурузного экстракта приве­ден ниже.

Алании 24-59 Метионин 2-6

Аргинин 10-24 Фенилаланин 8-13

Аспарагиновая кислота 10-27 Пролин 16-20

Цистин 2-4 Серии 12-20

Глутаминовая кислота 35-88 Треонин 4-II

Глицин Следы Тирозин 5-10

Гистидин 2-4 Триптофан 5-10

Изолейцин 35-42 Валин 8-18

Лейцин 27-42 Лизин 16-37

Рибофлавин 7-12 Биотин 15-55

Тиамин 80-100 Никотиновая кислота 120-180

Пантотеновая кислота 80-140

Процессы, протекающие при участии бактерий, дрожжей и плесневых грибов, человек применял сотни лет для получения пищевых продуктов и напитков, обработки текстиля и кожи, но участие в этих процессах микроорганизмов было четко показано только в середине 19 в.

В 20 в. промышленность использовала все разнообразие замечательных биосинтетических способностей микроорганизмов, и теперь ферментация занимает центральное место в биотехнологии. С ее помощью получают разнообразные химикалии высокой степени чистоты и лекарственные препараты , изготавливают пиво , вино , ферментированные пищевые продукты. Во всех случаях процесс ферментации разделяется на шесть основных этапов.

Создание среды.

Прежде всего необходимо выбрать соответствующую культуральную среду. Микроорганизмы для своего роста нуждаются в органических источниках углерода, подходящем источнике азота и различных минеральных веществах. При производстве алкогольных напитков в среде должны присутствовать осоложенный ячмень, выжимки из фруктов или ягод. Например, пиво обычно делают из солодового сусла, а вино – из виноградного сока. Помимо воды и, возможно, некоторых добавок эти экстракты и составляют ростовую среду.

Среды для получения химических веществ и лекарственных препаратов намного сложнее. Чаще всего в качестве источника углерода используют сахара и другие углеводы, но нередко масла и жиры, а иногда углеводороды. Источником азота обычно служат аммиак и соли аммония, а также различные продукты растительного или животного происхождения: соевая мука, соевые бобы, мука из семян хлопчатника, мука из арахиса, побочные продукты производства кукурузного крахмала, отходы скотобоен, рыбная мука, дрожжевой экстракт. Составление и оптимизация ростовой среды являются весьма сложным процессом, а рецепты промышленных сред – ревниво оберегаемым секретом.

Стерилизация.

Среду необходимо стерилизовать, чтобы уничтожить все загрязняющие микроорганизмы. Сам ферментер и вспомогательное оборудование тоже стерилизуют. Существует два способа стерилизации: прямая инжекция перегретого пара и нагревание с помощью теплообменника. Желаемая степень стерильности зависит от характера процесса ферментации. Она должна быть максимальной при получении лекарственных препаратов и химических веществ. Требования же к стерильности при производстве алкогольных напитков менее строгие. О таких процессах ферментации говорят как о «защищенных», поскольку условия, которые создаются в среде, таковы, что в них могут расти только определенные микроорганизмы. Например, при производстве пива ростовую среду просто кипятят, а не стерилизуют; ферментер также используют чистым, но не стерильным.

Получение культуры.

Прежде чем начать процесс ферментации, необходимо получить чистую высокопродуктивную культуру. Чистые культуры микроорганизмов хранят в очень небольших объемах и в условиях, обеспечивающих ее жизнеспособность и продуктивность; обычно это достигается хранением при низкой температуре. Ферментер может вмещать несколько сотен тысяч литров культуральной среды, и процесс начинают, вводя в нее культуру (инокулят), составляющей 1–10% объема, в котором будет идти ферментация. Таким образом, исходную культуру следует поэтапно (с пересеваниями) растить до достижения уровня микробной биомассы, достаточного для протекания микробиологического процесса с требуемой продуктивностью.

Совершенно необходимо все это время поддерживать чистоту культуры, не допуская ее заражения посторонними микроорганизмами. Сохранение асептических условий возможно лишь при тщательном микробиологическом и химико-технологическом контроле.

Рост в промышленном ферментере (биореакторе).

Промышленные микроорганизмы должны расти в ферментере при оптимальных для образования требуемого продукта условиях. Эти условия строго контролируют, следя за тем, чтобы они обеспечивали рост микроорганизмов и синтез продукта. Конструкция ферментера должна позволять регулировать условия роста – постоянную температуру, pH (кислотность или щелочность) и концентрацию растворенного в среде кислорода.

Обычный ферментер представляет собой закрытый цилиндрический резервуар, в котором механически перемешиваются среда и микроорганизмы. Через среду прокачивают воздух, иногда насыщенный кислородом. Температура регулируется с помощью воды или пара, пропускаемых по трубкам теплообменника. Такой ферментер с перемешиванием используется в тех случаях, когда ферментативный процесс требует много кислорода. Некоторые продукты, напротив, образуются в бескислородных условиях, и в этих случаях используются ферментеры другой конструкции. Так, пиво варят при очень низких концентрациях растворенного кислорода, и содержимое биореактора не аэрируется и не перемешивается. Некоторые пивовары до сих пор традиционно используют открытые емкости, но в большинстве случаев процесс идет в закрытых неаэрируемых цилиндрических емкостях, сужающихся книзу, что способствует оседанию дрожжей.

В основе получения уксуса лежит окисление спирта до уксусной кислоты бактериями Acetobacter . Процесс ферментации протекает в емкостях, называемых ацетаторами, при интенсивной аэрации. Воздух и среда засасываются вращающейся мешалкой и поступают на стенки ферментера.

Выделение и очистка продуктов.

По завершении ферментации в бульоне присутствуют микроорганизмы, неиспользованные питательные компоненты среды, различные продукты жизнедеятельности микроорганизмов и тот продукт, который желали получить в промышленном масштабе. Поэтому данный продукт очищают от других составляющих бульона. При получении алкогольных напитков (вина и пива) достаточно просто отделить дрожжи фильтрованием и довести до кондиции фильтрат. Однако индивидуальные химические вещества, получаемые путем ферментации, экстрагируют из сложного по составу бульона. Хотя промышленные микроорганизмы специально отбираются по своим генетическим свойствам так, чтобы выход желаемого продукта их метаболизма был максимален (в биологическом смысле), концентрация его все же мала по сравнению с той, которая достигается при производстве на основе химического синтеза. Поэтому приходится прибегать к сложным методам выделения – экстрагированию растворителем, хроматографии и ультрафильтрации.

Переработка и ликвидация отходов ферментации.

При любых промышленных микробиологических процессах образуются отходы: бульон (жидкость, оставшаяся после экстракции продукта производства); клетки использованных микроорганизмов; грязная вода, которой промывали установку; вода, применявшаяся для охлаждения; вода, содержащая в следовых количествах органические растворители, кислоты и щелочи. Жидкие отходы содержат много органических соединений; если их сбрасывать в реки, они будут стимулировать интенсивный рост естественной микробной флоры, что приведет к обеднению речных вод кислородом и созданию анаэробных условий. Поэтому отходы перед удалением подвергают биологической обработке, чтобы уменьшить содержание органического углерода.

ПРОМЫШЛЕННЫЕ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Промышленные микробиологические процессы можно разбить на 5 основных групп: 1) выращивание микробной биомассы; 2) получение продуктов метаболизма микроорганизмов; 3) получение ферментов микробного происхождения; 4) получение рекомбинантных продуктов; 5) биотрансформация веществ.

Микробная биомасса.

Микробные клетки сами по себе могут служить конечным продуктом производственного процесса. В промышленном масштабе получают два основных типа микроорганизмов: дрожжи, необходимые для хлебопечения, и одноклеточные микроорганизмы, используемые как источник белков, которые можно добавлять в пищу человека и животных. Пекарские дрожжи выращивали в больших количествах с начала 20 в. и использовали в качестве пищевого продукта в Германии во время Первой мировой войны.

Однако технология производства микробной биомассы как источника пищевых белков была разработана только в начале 1960-х годов. Ряд европейских компаний обратили внимание на возможность выращивания микробов на таком субстрате, как углеводороды, для получения т.н. белка одноклеточных организмов (БОО). Технологическим триумфом было получение продукта, добавляемого в корм скоту и состоящего из высушенной микробной биомассы, выросшей на метаноле. Процесс шел в непрерывном режиме в ферментере с рабочим объемом 1,5 млн. л. Однако в связи с ростом цен на нефть и продукты ее переработки этот проект стал экономически невыгодным, уступив место производству соевой и рыбной муки. К концу 80-х годов заводы по получению БОО были демонтированы, что положило конец бурному, но короткому периоду развития этой отрасли микробиологической промышленности. Более перспективным оказался другой процесс – получение грибной биомассы и грибного белка микопротеина с использованием в качестве субстрата углеводов.

Продукты метаболизма.

После внесения культуры в питательную среду наблюдается лаг-фаза, когда видимого роста микроорганизмов не происходит; этот период можно рассматривать как время адаптации. Затем скорость роста постепенно увеличивается, достигая постоянной, максимальной для данных условий величины; такой период максимального роста называется экспоненциальной, или логарифмической, фазой. Постепенно рост замедляется, и наступает т.н. стационарная фаза. Далее число жизнеспособных клеток уменьшается, и рост останавливается.

Следуя описанной выше кинетике, можно проследить за образованием метаболитов на разных этапах. В логарифмической фазе образуются продукты, жизненно важные для роста микроорганизмов: аминокислоты, нуклеотиды, белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и т.д. Их называют первичными метаболитами.

Многие первичные метаболиты представляют значительную ценность. Так, глутаминовая кислота (точнее, ее натриевая соль) входит в состав многих пищевых продуктов; лизин используется как пищевая добавка; фенилаланин является предшественником заменителя сахара аспартама. Первичные метаболиты синтезируются природными микроорганизмами в количествах, необходимых лишь для удовлетворения их потребностей. Поэтому задача промышленных микробиологов состоит в создании мутантных форм микроорганизмов – сверхпродуцентов соответствующих веществ. В этой области достигнуты значительные успехи: например, удалось получить микроорганизмы, которые синтезируют аминокислоты вплоть до концентрации 100 г/л (для сравнения – организмы дикого типа накапливают аминокислоты в количествах, исчисляемых миллиграммами).

В фазе замедления роста и в стационарной фазе некоторые микроорганизмы синтезируют вещества, не образующиеся в логарифмической фазе и не играющие явной роли в метаболизме. Эти вещества называют вторичными метаболитами. Их синтезируют не все микроорганизмы, а в основном нитчатые бактерии, грибы и спорообразующие бактерии. Таким образом, продуценты первичных и вторичных метаболитов относятся к разным таксономическим группам. Если вопрос о физиологической роли вторичных метаболитов в клетках-продуцентах был предметом серьезных дискуссий, то их промышленное получение представляет несомненный интерес, так как эти метаболиты являются биологически активными веществами: одни из них обладают антимикробной активностью, другие являются специфическими ингибиторами ферментов, третьи – ростовыми факторами, многие обладают фармакологической активностью. Получение такого рода веществ послужило основой для создания целого ряда отраслей микробиологической промышленности. Первым в этом ряду стало производство пенициллина; микробиологический способ получения пенициллина был разработан в 1940-х годах и заложил фундамент современной промышленной биотехнологии.

Фармацевтическая промышленность разработала сверхсложные методы скрининга (массовой проверки) микроорганизмов на способность продуцировать ценные вторичные метаболиты. Вначале целью скрининга было получение новых антибиотиков, но вскоре обнаружилось, что микроорганизмы синтезируют и другие фармакологически активные вещества. В течение 1980-х годов было налажено производство четырех очень важных вторичных метаболитов. Это были: циклоспорин – иммунодепрессант, используемый в качестве средства, предотвращающего отторжение имплантированных органов; имипенем (одна из модификаций карбапенема) – вещество с самым широким спектром антимикробного действия из всех известных антибиотиков; ловастатин – препарат, снижающий уровень холестерина в крови; ивермектин – антигельминтное средство, используемое в медицине для лечения онхоцеркоза, или «речной слепоты», а также в ветеринарии.

Ферменты микробного происхождения.

В промышленных масштабах ферменты получают из растений, животных и микроорганизмов. Использование последних имеет то преимущество, что позволяет производить ферменты в огромных количествах с помощью стандартных методик ферментации. Кроме того, повысить продуктивность микроорганизмов несравненно легче, чем растений или животных, а применение технологии рекомбинантных ДНК позволяет синтезировать животные ферменты в клетках микроорганизмов. Ферменты, полученные таким путем, используются главным образом в пищевой промышленности и смежных областях. Синтез ферментов в клетках контролируется генетически, и поэтому имеющиеся промышленные микроорганизмы-продуценты были получены в результате направленного изменения генетики микроорганизмов дикого типа.

Рекомбинантные продукты.

Технология рекомбинантных ДНК, более известная под названием «генная инженерия», позволяет включать гены высших организмов в геном бактерий. В результате бактерии приобретают способность синтезировать «чужеродные» (рекомбинантные) продукты – соединения, которые прежде могли синтезировать только высшие организмы. На этой основе было создано множество новых биотехнологических процессов для производства человеческих или животных белков, ранее недоступных или применявшихся с большим риском для здоровья. Сам термин «биотехнология» получил распространение в 1970-х годах в связи с разработкой способов производства рекомбинантных продуктов. Однако это понятие гораздо шире и включает любой промышленный метод, основанный на использовании живых организмов и биологических процессов.

Первым рекомбинантным белком, полученным в промышленных масштабах, был человеческий гормон роста. Для лечения гемофилии используют один из белков системы свертывания крови, а именно фактор VIII. До того как были разработаны методы получения этого белка с помощью генной инженерии, его выделяли из крови человека; применение такого препарата было сопряжено с риском заражения вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ).

Долгое время сахарный диабет успешно лечили с помощью инсулина животных. Однако ученые полагали, что рекомбинантный продукт будет создавать меньше иммунологических проблем, если его удастся получать в чистом виде, без примесей других пептидов, вырабатываемых поджелудочной железой. Кроме того, ожидалось, что число больных диабетом будет со временем увеличиваться в связи с такими факторами, как изменения в характере питания, улучшение медицинской помощи беременным, страдающим диабетом (и как следствие – повышение частоты генетической предрасположенности к диабету), и, наконец, ожидаемое увеличение продолжительности жизни больных диабетом. Первый рекомбинантный инсулин поступил в продажу в 1982, а к концу 1980-х годов он практически вытеснил инсулин животных.

Многие другие белки синтезируются в организме человека в очень небольших количествах, и единственный способ получать их в масштабах, достаточных для использования в клинике, – технология рекомбинантных ДНК. К таким белкам относятся интерферон и эритропоэтин. Эритропоэтин совместно с миелоидным колониестимулирующим фактором регулирует процесс образования клеток крови у человека. Эритропоэтин используется для лечения анемии, связанной с почечной недостаточностью, и может найти применение как средство, способствующее повышению уровня тромбоцитов, при химиотерапии раковых заболеваний.

Ферментные препараты, антибиотики , бактериальные и вирусные препараты для защиты растений от вредителей и болезней, бактериальные удобрения, а также продукты комплексной переработки растительного сырья - фурфурол, ксилит и др. возникла в ходе современной научно-технической революции и основана на новейших достижениях технической микробиологии , химии, физики, химической технологии и кибернетики.

На научной основе создаются всё более совершенные инженерно-биологические системы, в которых свойственная микроорганизмам огромная энергия ферментативного превращения веществ используется для направленного синтеза продуктов, необходимых сельскому хозяйству и промышленности. Значительная часть продукции Микробиологическая промышленность употребляется для получения биологически полноценных комбикормов . В расчёте на 1 т дрожжей, добавленных в корма, на фермах дополнительно производится до 800-1200 кг свинины, или 1500-2000 кг мяса птицы (в живом весе), или 15-25 тыс. яиц, сберегается 3,5-5 т зерна. Экономическая эффективность животноводства ещё более возрастает, когда вместе с кормовыми дрожжами в состав рационов вводятся недостающие витамины и аминокислоты, кормовые антибиотики, ферментные препараты.

Повышению урожайности полей, огородов, садов и виноградников способствуют микробиологические средства для борьбы с вредителями и возбудителями болезней растений, а также бактериальные удобрения. Микробные и вирусные инсектициды безопасны для человека, полезных животных и насекомых, помогают охране природы и улучшают условия воспроизводства в растительном и животном мире.

Ферментные препараты намного ускоряют ряд технологических процессов обработки с.-х. сырья, повышают выход и улучшают качество продукции в пищевой, мясной, молочной и лёгкой промышленности, значительно увеличивают производительность труда. Ферментные препараты применяются также в химической промышленности (выпуск моющих средств высокого качества), перспективно использование их в чёрной металлургии (удаление жира с тонкокатаного стального листа), в системах очистки промышленных и бытовых сточных вод.

В 1966 предприятия микробиологического синтеза, находившиеся в ведении различных министерств и ведомств, были выделены в самостоятельную новую отрасль и при Совете Министров СССР было организовано Главное управление Микробиологическая промышленность Расширены существовавшие ранее научно-исследовательские и проектные организации, созданы новые всесоюзные научно-исследовательские институты: генетики и селекции промышленных микроорганизмов, микробиологических средств защиты растений и бактериальных препаратов, биотехнический институт, ферментное отделение при Всесоюзном научно-исследовательском институте синтезбелок.

За 1966-70 производство кормовых дрожжей увеличилось в 2,7 раза, выработка кормовых антибиотиков в 3,3 раза, ферментных препаратов в 2 раза. Освоен выпуск белково-витаминных концентратов (БВК) из углеводородов нефти, кормовых антибиотиков - кормогризина и бацитрацина, важнейшей аминокислоты - лизина, витамина 12 , эффективного средства защиты растений - энтобактерина и др. В 1972 по сравнению с 1970 производство кормовых дрожжей в СССР возросло на 40%, кормовых антибиотиков на 29%, ферментных препаратов в 2 раза, лизина в 5 раз. Выпуск продукции для сельского хозяйства на предприятиях Главмикробиопрома за 1971-72 увеличился в 1,7 раза. Среднегодовые темпы прироста промышленной продукции отрасли за 1971-72 значительно выше среднегодового прироста продукции в целом по промышленности СССР.

Построены крупные предприятия Микробиологическая промышленность - Лесозаводский (Приморский край) и Хакасский (Красноярский край) гидролизно-дрожжевые заводы мощностью по 28 тыс. т, Кировский биохимический завод мощностью 60 тыс. т кормовых дрожжей в год, Новогорьковский завод белково-витаминных концентратов из парафинов нефти мощностью 70 тыс. т в год, Вильнюсский (Литовской ССР) завод ферментных препаратов, Ливанский (Латвийской ССР) и Чаренцаванский (Армянской ССР) заводы лизина. Продолжается строительство крупнейших предприятий микробиологического синтеза. Для них создаётся высокопроизводительное оборудование большой единичной мощности. Один Светлоярский (Волгоградская обл.) завод производительностью 240 тыс. т в год белково-витаминных концентратов будет поставлять комбикормовой промышленности более 100 тыс. т переваримого белка и большое количество витаминов.

Новые высокоинтенсивные методы гидролиза древесины открывают перспективу эффективной комплексной химической и биохимической переработки древесного сырья и организации на этой основе производства пекарских дрожжей, пищевой глюкозы, лизина, глицерина, гликолей и др. ценной продукции.

Потребности народного хозяйства, и прежде всего сельского хозяйства, в продуктах микробиологического синтеза непрерывно возрастают. Создание мощной Микробиологическая промышленность - составная часть выработанной КПСС программы развития сельского хозяйства, укрепления его материально-технической базы. Вместе с тем Микробиологическая промышленность ускоряет технический прогресс в ряде отраслей промышленности - пищевой, лёгкой, тяжёлой. В химической промышленности, например, из аминокислот и др. белковых продуктов микробиологического синтеза можно организовать производство новых видов высококачественных искусственных волокон и плёнок - полноценных заменителей шерсти. Продукция Микробиологическая промышленность - лизин, ферментные и белковые препараты - в перспективе будет широко использоваться для обогащения хлеба, хлебных продуктов, пищевых концентратов белком и повышения т. о. их питательной ценности.

Микробиологическая промышленность быстро развивается и в др. социалистических странах. Кормовые дрожжи выпускают Болгария, Венгрия, ГДР, Польша, Румыния, Чехословакия, Югославия. В Болгарии, Румынии и Чехословакии организовано производство лизина, в Болгарии, Венгрии, Польше, Чехословакии, Югославии - кормовых антибиотиков, в Болгарии, Венгрии, ГДР, Польше и Чехословакии - ферментов.

В крупных капиталистических странах Микробиологическая промышленность получила значительное развитие. Так, в США выпуск антибиотиков для добавки в корма увеличился за 1965-70 с 1200 до 3318 т; за 1968-72 потребление ферментных препаратов увеличилось в 1,8 раза. В Японии микробиологический синтез лизина в 1973 составил 20 тыс. т, глутаминовой кислоты, применяемой в основном для улучшения вкусовых качеств пищи, - около 100 тыс. т, производство кормовых антибиотиков в 1970 - 4,7 тыс. м ; больших масштабов достиг выпуск антибиотиков для защиты с.-х. растений от болезней (около 80 тыс. т в 1970); производство ферментных препаратов для различных отраслей промышленности и сельского хозяйства в 1973 составило 13,3 тыс. т.

Лит.: Программа КПСС, М., 1973, с. 127; Материалы XXIV съезда КПСС, М., 1971; Государственный пятилетний план развития народного хозяйства СССР на 1971-1975 годы, М., 1972; Алиханян С. И., Селекция промышленных микроорганизмов, М., 1968; Беляев В. Д., Микробиология - сельскому хозяйству, «Партийная жизнь», 1971, № 12; Денисов Н. И., Кормовые дрожжи, М., 1971; «Журнал Всесоюзного химического общества им. Д. И. Менделеева», 1972, № 5 (номер посвящен промышленной микробиологии); Калунянц К. А., Ездаков Н. В., Производство и применение ферментных препаратов в сельском хозяйстве, М., 1972; Лизин - получение и применение в животноводстве, М., 1973.

Б. Я. Нейман.

Статья про слово "Микробиологическая промышленность " в Большой Советской Энциклопедии была прочитана 9439 раз

Для получения высококачественных и безопасных продуктов детского питания в промышленных условиях необходим микробиологический и санитарно-гигиенический контроль производства на всех этапах.

1. Микробиологический контроль производства жидких и пастообразных молочных продуктов для детского питания.

Микробиологический контроль включает следующие этапы:

контроль сырья (не реже 1 раза в декаду);

контроль компонентов – каждая партия;

контроль технологического процесса производства (не реже 1 раза в декаду);

контроль эффективности пастеризации молока, сливок и нормализованной смеси;

контроль производства качества заливок;

контроль санитарно-гигиенического состояния производства и рук работников;

контроль воды и воздуха (не реже 1 раза в месяц);

контроль качества тары и упаковочных материалов;

контроль готовой продукции.

Контроль эффективности пастеризации молока, сливок и нормализованной смеси.

Контроль эффективности пастеризации осуществляется ежедневно вне зависимости от качества готового продукта.

Показателем эффективности пастеризации является отсутствие в 1мл молока бактерий группы кишечных палочек (БГКП), а также к МАФАМ – общего количества бактерий в 1мл молока – не более 10000.

Если установлено, что результаты анализов исследуемого продукта не соответствуют нормативам, то есть эффективность пастеризации недостаточная, то пастеризационная установка останавливается для выяснения причин снижения эффективности пастеризации.

И только при получении устойчивых результатов анализов исследуемого продукта осуществляют запуск пастеризатора.

Контроль производства качества закваски.

Молоко предназначенное для закваски должно соответствовать требованиям по редуктазной пробе.

Эффективность пастеризации молока для производства заквасок, так же проверяемой на наличие БГКП. Эффективность тепловой обработки молока, стерилизованного в колбах или бутылках, предназначенного для закваски контролируют стерильность (КМАФАМ). Ежедневно проверяют количество закваски, сгустка и запах по следующим показателям: наличие посторонней микрофлоры, кислотности и время сквашивания.

Микробиологический контроль готового продукта.

Микробиологический контроль готовых продуктов детского питания также включает определение следующих показателей: содержание КМАФАМ, дрожжей и плесневых грибов, БГКП (колиформы), E. Coli, B.cereus, S. aureus, патогенных микроорганизмов, в том числе Salmonella. В продуктах, содержащих специфическую микрофлору, контролируют ее титр.

В производственных лабораториях предприятий производящих продукты без термообработки (адаптированные смеси) контролируют каждую партию продуктов по всем показателям.

В продуктах, употребляемых после термической обработки (молочные каши и др.) контролируют каждую партию на содержание КМАФАМ, БГКП, дрожжей и плесневых грибов.

Контроль на содержание B.cereus и S. aureus в сухих, жидких и пастообразных, готовых продуктах проводят периодически, не реже 1 раза в месяц.

Контроль санитарно-гигиенического состояния производства и рук работников.

К санитарно-гигиеническому состоянию производства продуктов детского питания предъявляются повышенные требования.

Все участки оборудования, аппаратуры и молокопроводы должны контролироваться не менее 3-х раз в месяц на БГКП.

Качество мойки оборудования оценивается по КМАФАМ в смывах, не реже 2-3 раз в неделю.

Чистоту рук (хлорирование) работников контролируют не реже 3-х раз в месяц.

Оценка результатов контроля санитарно-гигиенического состояния производства. Один раз в декаду исследуют пробу смыва с оборудования (с 100 см 2) следующих линий:

линии сырого молока и не пастеризованных компонентов;

линии стерилизованного молока;

линии кисломолочной продукции (включая резервуары) и т.д.

При наличии 100 бактерий в 1мл слива мойку считают неэффективной. Ежедневно исследуют пробы (100 см 2) на фасовочных автоматах, в резервуарах и трубах для закваски.

Одежду и руки работников заквасочного отделения проверяют один раз в декаду на наличие БГКП.

Контроль виды и продукты.

Питьевая вода, используемая на бытовые и производственные нужды исследуется на баканализ не реже 1 раза в месяц. Согласно НД коли-индекс не должен превышать 3 в 1мл воды.

В воздухе производственных помещений определяют общее количество бактерий, количество дрожжей и плесневых грибов не реже 1 раза в месяц.

Контроль тары и упаковки и материалов.

На предприятиях в целях контроля тары и упаковочных материалов проводят анализы на содержание КМАФАМ и БГКП. Содержание КМАФАМ на 100см 2 тары должно быть не более 50 КОЕ, при отсутствии БГКП.