Презентации _раздел_2_Биотехнология целевых продуктов. Промышленный биосинтез белковых веществ. Субстраты I, ii и iii поколения. Технологии получения белкововитаминных концентратов
 Скачать 7.4 Mb.
|
|
Микробиологическое получение целевых продуктов. Органические кислоты ПИЩЕВАЯ ФАРМАЦЕВТИЧЕСКАЯ ХИМИЧЕСКАЯ Микробиологический синтез Химический синтез ОРГАНИЧЕСКИЕ кислоты интермедиаты ЦТК аэробных м/о Оргкислоты – продукты деградации источника W и C интермедиаты прямого Ox глюкозы (аэробов: б // г) глюконовая кетоглюконовая винная Продукты Ox глюкозы (анаэробов) масляная пропионовая молочная Сверхсинтез торможение скорости роста продуцента блокирование процессов биосинтеза, требующих участия кислот в качестве субстрата полное или избыточное содержание в среде источника C и W дефицит биогенных элементов, ограничивающих рост клеток (N, P) I интенсивное кислотообразование сбалансированный рост биомассы потребление W, C, N//P хорошая аэрация II Микробиологическое получение целевых продуктов. Органические кислоты Продуценты уксуснокислые бактерии: Bacterium Schutzenbachii, Bacterium Curvum Компоненты питательной среды C 2 H 5 OH, NH 4 Cl, MgSO 4 , KH 2 PO 4 рН питательной среды 3,0...3,2 Температура культивирования 28—25 °С Режим аэрации 0,35...0,4 → 0,1...0,15 м 3 / м 3 -мин Продолжительность культивирования 7...10 суток Концентрация уксусной кислоты в КЖ От 6...7 % до 9...14 % УКСУСНАЯ КИСЛОТА ферментация очистка КЖ фильтрование посевной материал C 2 H 5 OH O 2 (стерильный) бентонит 9 % уксусная кислота биомасса + бентонит Микробиологическое получение целевых продуктов. Органические кислоты МО ЛО ЧНА Я КИСЛО ТА Продуценты Lactobactlliy casei, Lactobacterium delbrucki Компоненты ПС Меласса, гидролизаты крахмала, БАВ рН ПС 6,3...6,5 Температура культивирования 50 °С Время культивирования 7...10 суток Концентрация кислоты в КЖ 18...20 % Молочнокислое брожение Нейтрализация (80..90 ° С ) Кристаллизация лактата Ca Разложение лактата Очистка МК Фильтрация I упаривание (↑50%) Фильтрация II упаривание (↑80%) Фильтрация Фасовка конденсат гипсовый шлам пар C акт K 4 [Fe(CN) 6 ]·3H 2 O H 2 SO 4 Фильтрация фильтрат Ca(OH) 2 Размножение ЧК ЧК, ПС ПВК Микробиологическое получение целевых продуктов. Органические кислоты 1 – титруемая кислотность 2 – лимонная кислота 3 – сахар в среде 4 – масса мицелия 5 – рН среды ГЛЮКОЗА Ацетальдегид пировиноградная ЩУК щавелевоуксусная Лимонная Уксусная Янтарная Фумаровая Яблочная Микробиологическое получение целевых продуктов. Органические кислоты ЛИМО НН АЯ КИСЛО ТА Фильтрование Ферментация Продуценты Aspergillus niger, Yarrowia lipolytica Компоненты питательной среды Меласса, хлорид аммония, сульфат магния, дифосфат калия рН питательной среды 7,0...7,2 Температура культивирования 34...36 °С — 32...34 °С Режим аэрации 15 → 30 м3 / м3-ч Продолжительность культивирования 5...7 суток Концентрация уксусной кислоты в КЖ 80-90 % инокулят ПС стерильный воздух мицелий Нейтрализация Ca(OH) 2 Фильтрование фильтрат Промывка цитрата и оксалата Ca H 2 O горяч. Разложение цитрата Ca C акт. H 2 SO 4 Фильтрование CaSO 4 (шлам) Упаривание-1 Фильтрование конденсат Упаривание-2 Кристаллизация H 2 O хол. Маточный раствор Цетрифугирование, промывка, сушка Фасовка 6000 Микробиологическое получение целевых продуктов. Антибиотики Анти био тики – специфические продукты жизнедеятельности организмов, их модификации, обладающие высокой физиологической активностью по отношению к определенным микроорганизмам, вирусам или к злокачественным опухолям, задерживая их рост или полностью подавляя развитие по Н. С. Егорову медицина пищевая промышленность сельское хозяйство 150 высокая токсичность инактивация в организме микроорганизмы, принадлежащие к одной группе, способны синтезировать разные по химическому строению и действию антибиотики один и тот же антибиотик может продуцироваться различными микроорганизмам бактерии актиномицеты мицелиальные грибы Микробиологическое получение целевых продуктов. Антибиотики • узкого спектра действия (пенициллин, эритромицин, грамицидин, бацитрацин), подавляют развитие Г+ м/о (стафилококки, стрептококки, пневмококки) • широкого спектра действия (стрептомицин, тетрациклины, неомицин, хлоромицетин), подавляющие как Г+, так и Г-м/о (кишечную палочку, возбудители дифтерии и брюшного тифа) • противогрибковые (полиеновые – нистатин, гризеофульвин и др.), действующие на микроскопические грибы • противоопухолевые (актиномицины, митомицин и др.), действующие на опухолевые клетки и м/о. по спектру биологического действия • ингибиторы синтеза клеточной стенки - β-лактамы (пенциллины, цефалосприны, монобактамы, карбапенемы), гликопептиды (ванкомицин, тейкопланин) • ингибиторы функции клеточных мембран - полимиксины, полиены (амфотерицин, тербинафин, кетокеназол, флуконазол), имидазолы (химически производные азомицина) • ингибиторы синтеза белка - аминогдикозиды (гентамицин, амикацин, стрептомицин), тетрациклины (террамицин, тетрациклин, гликоциклин), хлорамфеникол (левомицетин, хлоромицетин), линкозамиды (линкомицин, клиндамицин), макролиды (эритромицин, спирамицин), фузидиевая кислота (фуцидин) • ингибиторы синтеза нуклеиновых кислот - сульфаниламиды (стрептоцин, сульфадиазин, сульфадиметоксин), триметоприм, рифамицины (рифоцин, рифамид, рифампицин) по механизму действия Микробиологическое получение целевых продуктов. Антибиотики • грамицидин (Bacillus brevis), полимиксины (Bac. polymyxa, Bac. circulans), бацитрацины (Bacillus licheniformis), низины (Streptococcus lactis) БАКТЕРИИ • аминогликозиды – стрептомицин (Streptomyces griseus), неомицины (Streptomyces fradiae, Str. albogriseolus), канамицины (Str. kanamyceticus), гентамицины (Micromonospora purpurea) и др.; • тетрациклины – хлортетрациклин (Str. aureofaciens), окситетрациклин (Str. rimosus); • актиномицины – большая группа близких по строению препаратов, синтезируемых различными микроорганизмами, в том числе (Streptomyces antibioticus, Str. chrysomallus, Str. flavus); • макролиды – эритромицин (Streptomyces erythreus), олеандоимицин (Str. antibioticus), магнамицин (Str. halstedii), филипин (Str. filipensis); • анзамицины – стрептоварицины (Str. spectabilis), рифамицины (Nocardiamediterranea), галамицины (Micromonospora halophytica), нафтамицин (Str. collinus) АКТИНОМИЦЕТЫ • пенициллины (Penicillium chrysogenum, P. brevicompactum, Aspergillus flavus, Asp. nidulans), цефалоспорины (Cephalosporium acremonium), фумалгин (Aspergillus fumigatus), гризеофульвин (Penicillium nigricans, P. griseofulvum), трихоцетин (Trichthecium roseum) МИЦЕЛИАЛЬНЫЕ ГРИБЫ Микробиологическое получение целевых продуктов. Антибиотики ПИТАТЕЛЬНАЯ СРЕДА источник углерода и энергии источник азота углеводы (глюкоза, лактоза) пенициллин глицерин стрептомицин неомицин грамицидин тип, концентрация (индивидуально) аммоний аминокислоты нитраты источник фосфора источники S, Mn, Fe, Co и др. предшественники антибиотика пеногасители растительные и минеральные масла (жиры) ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ СРЕДЫ рН температура кислород индивидуально Микробиологическое получение целевых продуктов. Антибиотики Антибиотики – это вторичные продукты обмена (идиолиты) Разные условия по стадиям (рост биомассы / накопление антибиотика) строго стерильная, глубинная, аэробная и периодическая культура КОНТРОЛЬ Микробиологическое получение целевых продуктов. Антибиотики ПОСТФЕРМЕНТАЦИОННАЯ СТАДИЯ экзопродукт строго стерильные условия эндопродукт дезинтеграция клеток экстракция, разделение, очистка, концентрир ование опасность инактивации медицинские немедицинские подготовка препарата, фасовка Биологический (стерильность) Фармокологический подготовка препарата, фасовка Антибиотик + БАВ (витамины группы В, ферменты, витамины, аминокислоты) •токсичность, •токсикогенность, •допустимые дозировки фильтрация или центрифугирование (отделение клеток КЖ) Микробиологическое получение целевых продуктов. Ферменты Промышленность Ферменты Использование Пивоваренная амилазы Осахаривание содержащегося в солоде крахмала Текстильная Удаление крахмала, наносимого на нити во время шлихтования Хлебопекарная Превращение крахмала в глюкозу Пивоваренная папаин Этапы процесса пивоварения, регулирующие количество пены Мясная Мягчение мяса Фармацевтическая фицин Добавки к зубным пастам для удаления зубного налета Фотография Смывание желатины с использованной пленки Пищевая пепсин Производство «готовых» каш Фармацевтическая Препараты, способствующие пищеварению Пищевая трипсин Производство продуктов для детского питания Сыроделие реннин Свертывание молока (получение сгустка казеина) Стирка белья бактериальные протеазы Стиральные порошки с ферментными добавками Кожевенная Отделение волос Текстильная Смягчение кожи после дубления Пищевая Получение белковых гидролизатов Пищевая глюкозооксидаза Удаление глюкозы или кислорода Пищевая каталаза Разложение пероксида водорода Резиновая Пищевая целлюлазы, пектиназы Осветление фруктовых соков Пищевая липазы Гидролиз жиров и масел Стирка белья ШИРОКО РЕДКО Микробиологическое получение целевых продуктов. Ферменты Ферменты (энзимы) – это специфические катализаторы белковой природы , вырабатываемые клетками и тканями организмов. fermentum (лат) = брожение, закваска enzyme (от греч. ζύμη [зими] )=закваска каталитическая активность субстратная специфичность ФЕРМЕНТЫ ХИМИЧЕСКИЕ КАТАЛИЗАТОРЫ > ЭКЗО- ЭНДО- оксидоредуктазы трансферазы гидролазы лиазы изомеразы лигазы гликозидазы гидролиз гликозидных соединений амилазы (Bacillus, Aspergillus) декстраназа (Penicillium purpurogenium) пуллоназа (Klebsiella) инвертаза (Aspergillus) пектиназы (Fusarium oxysporum, Erwinia sp.) полигалактуроназа (Clostridium felsineum ) Aspergillus, Actinomyces, C lostridium, E.coli протеиназы гидролиз пептидной связи Aspergillus, Mucor, Rhiz opus, Geotrichum, Candi da липазы гидролиз сложноэфирной связи 50 2000 Микробиологическое получение целевых продуктов. Ферменты СТАНДАРТНАЯ ЕДИНИЦА АКТИВНОСТИ – это количество фермента, которое катализирует превращение 1 микромоля субстрата в минуту при заданных стандартных условиях. E (U) количественная характеристика ферментных препаратов 1 скрининг культур – выбор продуцента конститутивные ферменты вне зависимости от условий синтеза индуцибельные в присутствии субстрата- индуктора амилаза крахмал рибонуклеаза РНК липаза жиры инвертаза сахароза репрессибельные предотвращение накопления продуктов биосинтез при недостатке факторов роста адаптация культуры по устойчивости к токсичному аналогу 2 подбор условий и питательной среды вид и концентрация источника углерода и энергии, факторы роста C, N = природное органическое сырье (крахмал, кукурузный экстракт, соевую муку, гидролизаты дрожжевых биомасс) минеральные элементы (соли Mg, Mn, Ca, Fe, Zn, Cu) индуцирующие субстраты 3 ферментация поверхностная глубинная твердофазная в жидкой фазе периодически непрерывно металлические лотки вертикальные перфорированные кюветы 4 выделение и очистка Микробиологическое получение целевых продуктов. Ферменты ПОВЕРХНОСТНАЯ ФЕРМЕНТАЦИЯ пшеничные отруби, зерновая шелуха древесные опилки, овс яная шелуха 1 - приемный бункер, 2 – шнек-дозатор, 3 – бункер, 4, 5 – нории, 6 – стерилизатор, 7 – увлажнитель, 8 – маточник чистой культуры, 9 – воздушный фильтр, 10 – смеситель, 11 – дозатор, 12 – распределительный механизм, 13 - растильная камера, 14 – стол загрузки, 15 – траверзная тележка, 16 – стол выгрузки с вибратором, 17 – качающийся конвейер, 18 – шнековый измельчитель, 19, 20 – сборник, 21 – камера мойки и стерилизации растильных камер, 22 – распылительная сушилка, 23 – циклоны, 24 - вентилятор 60..90 мин / 105..140 °С 28-32 °С 3648 ч φ = 58-60 …100% экстенсивен (-) > площади (-) не энергоемок (+) высокий выход (+) Микробиологическое получение целевых продуктов. Ферменты 1 – смеситель питательной среды; 2 – стерилизатор, 3 – выдерживатель, 4 – редукционный клапан, 5 – теплообменнник, 6 – центробежный насос, 7 – инокулятор (маточник), 8 – индивидуальный воздушный фильтр, 9 – ферментатор, 10 – воздушный фильтр, 11 – общий воздушный фильтр, 12 – воздуходувка, 13 – сборник готовой культуры ГЛУБИННАЯ ФЕРМЕНТАЦИЯ 3-4 сут интенсивный синтез целевого фермента 1 – -амилаза; 2 – мицелий; 3 – сухие вещества среды бурное развитие мицелия и потребление легкоусвояемого субстрата Процесс образования биомассы продуцента не совпадает во времени с максимумом продукции фермента Различные условия для образования фермента и для оптимального режима синтеза биомассы Контроль и изменение условий Микробиологическое получение целевых продуктов. Ферменты ПОСТФЕРМЕНТАЦИОННАЯ СТАДИЯ Для предотвращения инактивации ферментов КЖ охлаждают до 3-5 °С и направляют на обработку отделение мицелия фильтрование и концентрирование КЖ под вакуумом ультрафильтрация Глубокая очистка ферментов НАИМЕНОВАНИЕ ПРЕПАРАТА потеря активности значительные затраты сокращенное название основного фермента видовое название продуцента ин ^ амилаза Aspergillus oryzae |