Примеры заданий по биотехнологии. Учебнометодический комплекс для студентов специальности 131 01 0102 Биология (научнопедагогическая деятельность)
 Скачать 6.85 Mb.
|
|
Ключевые слова и понятия 248 активный ил аэробная переработка аэротенки биодеградация отходов детергенты сточные воды ксенобиотики пигменты пестициды алкилсульфаты 249 ЛЕКЦИЯ 11. ХИМИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЯ 1 БРОДИЛЬНОЕ ПРОИЗВОДСТВО РАСТВОРИТЕЛЕЙ. 2 Производство органических кислот. 3 Производство аминокислот. 4 Получение ферментов. Корни современной прикладной микробиологии и биотехнологии уходят в химическую промышленность начала ХХ века: именно тогда были разработаны основы промышленного производства ряда химических веществ (например, ацетона, этилового спирта, бутанола) из углеводов растений. На смену этой важной отрасли промышленности пришла быстро развивающаяся нефтехимическая промышленность. Однако сейчас запасы ископаемого сырья стали предметом конкуренции, так как оно требуется для производства химических веществ, энергии и даже пищевых продуктов; все это усугубляется повышением цен на нефть и уголь. В таких условиях применение процессов нового типа при производстве химических веществ из возобновляемой биомассы становится все более перспективным. Многообещающей областью дальнейшего развития представляется производство ценных веществ из растений путем массового культивирования клеток растений. 1 БРОДИЛЬНОЕ ПРОИЗВОДСТВО РАСТВОРИТЕЛЕЙ. К числу важных бродильных производств относится получение ацетона и бутанола. Впервые в промышленном масштабе они были осуществлены в Манчестере Вейсманом в ходе первой мировой войны. Ацетон был необходим как метательное взрывчатое вещество в тяжелой артиллерии. До начала военных действий его экспортировали из Германии. Ацетон низкого качества получали путем сухой перегонки древесины. Бродильный процесс (ферментация) был основан на переработке крахмала, концентрация которого составляла до 3,8%, анаэробными спорообразующими бактериями Clostridium acetobutylicum. Превращению подвергалось до 30% субстрата, в результате чего получалась смесь растворителей (60% бутанола, 30% ацетона, 5-10% этанола, изопропанола и мезитилоксида). Остальная часть субстрата превращалась в водород и углекислый газ. Поскольку образовывались большие объемы газов, при крупномасштабном производстве перемешивания не требовалось, а главная сложность заключалась в гашении пены. В 250 зависимости от штаммов отношение ацетон-спирт несколько варьировало. Многие микробы, разрушающие крахмал и способные образовывать растворители, могут также сбраживать мелассу при содержании сахара в среде до 6%. Растворители отделяют от среды отгонкой. В конце первой мировой войны главную роль стало играть производство бутанола: он нашел применение при получении широкого круга веществ, включая мочевиноформальдегидные пластмассы, пластификаторы и тормозные жидкости. Побочный продукт, водород, стал использоваться в производстве синтетического метанола и для гидрогенизации пищевых масел; углекислый газ либо сжижали, либо превращали в сухой лед. Твердые вещества отходов содержали большое количество рибофлавина (витамина В 2 ), и их можно было использовать как богатую белком добавку к кормам. После второй мировой войны бродильное производство растворителей сильно сократилось, так как уменьшилась относительная стоимость нефтехимических продуктов по сравнению с полимерами сахаров. Производство н-бутанола путем ферментации продолжалось только в ЮАР. Однако в настоящее время получение бутанола путем ферментации становится все более выгодным. Главный недостаток существующего метода – низкая устойчивость штаммов микроорганизмов к конечным продуктам и относительно низкий выход растворителей. 2 Производство органических кислот. Среди органических кислот самая важная – уксусная. На рынок США ее ежегодно поступает около 1,4 млн. тонн общей стоимостью до 500 млн. долл. В прошлом основную часть уксусной кислоты получали путем микробиологического окисления этанола, но сегодня, за исключением производства уксуса, этот процесс по экономическим соображениям не применяется. Техническая уксусная кислота используется при выработке многих химических веществ, включая каучук, пластмассы, волокна и инсектициды. При обычном способе производства микробиологическая конверсия этанола в уксусную кислоту при участии штаммов Acetobakter и Cluconobakter идет в аэробных условиях и поэтому, строго говоря, не является процессом брожения. Уксус по праву считается важнейшим продуктом микробиологической промышленности. В конце XIX в. началось промышленное производство молочной кислоты при участии молочнокислых бактерий Lactobacillus delbrueckii, L. leichmannii, L. bulgaricus. Это был один из первых 251 процессов, где применялась частичная стерилизация среды нагреванием. Этот микроаэрофильный процесс осуществляется при высокой температуре (45-50 0 С). В нем используют содержащее крахмал сырье, которое предварительно обрабатывают ферментами или подвергают кислотному гидролизу. Lactobacillus bulgaricus активно сбраживает лактозу и может поэтому использовать молочную сыворотку в качестве субстрата. В других случаях конверсии подвергается сахароза. Молочную кислоту используют в качестве добавки к безалкогольным напиткам, эссенциям, фруктовым сокам, джемам и сиропам, для декальцификации кож в дубильной промышленности, а также при производстве пластмасс. Соли молочной кислоты используются в медицине. Производство лимонной кислоты методом ферментации также принадлежит к числу давних биотехнологических процессов: оно было налажено в 1893 г. Его развитие шло в тесной связи с разработкой многих фундаментальных аспектов микробиологии. Вначале основные проблемы были связаны с микробным загрязнением. В поисках их решения было найдено, что процесс можно вести при очень низких рН, и это почти не сказывается на образовании кислоты грибами. В промышленном производстве лимонной кислоты в основном используется Aspergillus niger, но применяется также и A. wentii. Лимонную кислоту широко используют в пищевой, фармацевтической и косметической промышленности. Эфиры лимонной кислоты применяются в производстве пластмасс. Поскольку лимонная кислота связывает металлы, ее используют для их очистки. Схема получения некоторых органических кислот представлена на рисунке 7. 3 Производство аминокислот . Все аминокислоты, из которых состоят белки, являются L-α- аминокислотами. Они находят применение как пищевые добавки, приправы, усилители вкуса, как сырье в парфюмерной и фармацевтической промышленности и при производстве других веществ. Их можно получать как из природных продуктов (главным образом при гидролизе белков растений), так и путем химического, микробиологического или ферментативного синтеза. Производство таких веществ, как L-глутамат, L-валин, DL- аланин, L-глутамин и L-пролин при участии диких штаммов бактерий основано либо на использовании присущих этим бактериям 252 особенностей метаболизма, либо на стимуляции образования аминокислот в ответ на изменение условий внешней среды. Образовывать аминокислоты способны бактерии многих родов (Corynebacterium, Brevibacterium, Bacillus, Aerobacter, Escherichia), причем они настолько продуктивны, что производство становится рентабельным. Так, виды Corynebacterium или Brevibacterium, выращиваемые на углеводном сырье, на этаноле при наличии достаточного количества биотина в среде способны синтезировать до 30 г/л глутамата. 253 Рис. 7. Производство органических кислот из глюкозы Аминокислоты находят применение во многих сферах: 1. Их используют в качестве пищевых добавок. Так, лизином, триптофаном и треонином обогащают растительные белки, а метионин включают в блюда из сои. 2. При выработке пищевых продуктов аминокислоты находят применение в полиусилителях вкуса и добавок. Благодаря 254 выраженному мясному вкусу широко используется мононатриваевая соль глутаминовой кислоты. Глицин добавляют как подсластитель, бактериостатическое вещество и антиоксидант. 3. Аминокислоты применяются в медицине, а некоторые их аналоги используются для лечения психических заболеваний. 4. В химической и фармацевтической промышленности аминокислоты широко используются как предшественники в производстве детергентов, полиаминокислот (из них делают синтетические волокна и пленки), полиуретана и химикатов для сельского хозяйства. 4 Получение ферментов. Применение ферментов в химической технологии обычно бывает обусловлено их высокой избирательностью и стереоспецифичностью. Протеиназы давно применяются в пищевой промышленности. Ранее ферменты для этих целей выделяли из животных и растений, сегодня их частично замещают протеазы микробов. Первым ферментом, нашедшим применение в промышленности, была α- амилаза из Aspergillus oryzae, производство которой началось в 1890 г. Эти препараты содержали значительную примесь протеазы, их рекомендовали использовать как средство, способствующее пищеварению. Необходимо отметить, что производство и поступление на рынок такого рода продуктов было весьма ограниченным вплоть до начала 60-х годов, когда их стали использовать в составе детергентов. Однако, о такой возможности было известно за пятьдесят лет до этого; средства для замачивания белья, содержащие соду и панкреатические ферменты, продавались еще в 1913 г. В конце 60-х годов приблизительно 50% всех деитергентов, выпускавшихся в Европе и США, уже содержали протеазы. Постоянно ведется работа по увеличению активности ферментов и стабильности их в моющих растворах. Для выработки протеаз в промышленном масштабе нужны штаммы микроорганизмов, синтезирующие внеклеточные протеазы с высоким выходом. Эти ферменты подразделяют сегодня на три группы: сериновые, кислые и металлопротеазы. Среди сериновых протеаз на первом месте стоит субтилизин Carlsberg. При участии Bacillus licheniformis ежегодно производится около 500 тонн очищенного фермента. Сериновые протеазы гидролизуют белки до аминокислот. В стиральные порошки обычно добавляют 0,5% препарата, содержащего 3% активного фермента. Хотя содержание фермента в них и мало, при стирке он концентрируется на пятнах 255 белковой природы из-за сродства к субстрату. В состав металлопротеаз входит атом металла, обычно цинка, без которого фермент не активен. В промышленности металлопротеазы получают с помощью Bacillus amyloliguefaciens. Специфичность действия этих ферментов выше, чем у сериновых протеаз. Они применяются в пивоварении, при гидролизе белков ячменя, так как сериновые протеазы ингибируются веществами солода. Удаление с их помощью белков позволяет избежать помутнения пива при охлаждении. Кислые протеазы синтезируются грибами. По свойствам они похожи на пищеварительные ферменты животных пепсин и ренин. Применяют их для гидролиза соевого белка при производстве соевого соуса, в хлебопекарной промышленности (с их помощью видоизменяют свойства клейковины муки так, чтобы получить мягкое, пластичное тесто, из которого делают бисквиты). Кислые протеазы применяют также как средства, способствующие пищеварению или же предотвращающие помутнение пива при охлаждении. Большинство протеаз вызывает свертывание молока, но творог получается невкусным, из-за глубокого гидролиза казеина. Протеазы находят применение и в кожевенной промышленности, при удалении шерсти и умягчении кож. Такая обработка делает кожи мягкими и эластичными. «Королевой» ферментов в промышленности можно считать глюкозоизомеразу, которая катализирует превращение глюкозы во фруктозу. Появление таких препаратов послужило толчком для развития крупного производства фруктового сиропа. При высокой концентрации субстрата и нейтральной рН несладкая глюкоза с выходом 42-47% изомеризуется ферментом в более сладкую фруктозу. Такие фруктозные сиропы сегодня широко потребляются пищевой промышленностью. Запотентовано множество способов иммобилизации и использования как самой изомеразы, так и содержащих ее клеток. Процесс идет при 60-65 0 С при рН 7,0-8,5 в присутствии ионов магния. При производстве насыщенного фруктозного сиропа из кукурузы в качестве субстрата используется либо глюкоза, либо продукт комплексной ферментативной обработки, заключающейся в ожижении и осахаривании крахмала. Использование ферментов в производстве крахмала позволяет контролировать глубину его гидролиза и получать продукцию с желаемыми свойствами: вязкостью, сладостью, осмотическим давлением и устойчивостью к кристаллизации. Гидролиз катализируется ферментами трех разновидностей: эндоамилазами, экзоамилазами и α-1,6-глюкозидазами. 256 Эндоамилазы – это α-амилазы, они расщепляют α-1,4-глюко- зидные связи в амилозе и амилопектине с образованием олигосахаридов с разной длиной цепи. При осахаривании используются термостабильные α-амилазы, особенно мальтогенные ферменты из грибов. Лучше всего они работают при 55 0 С и концентрации субстрата 30-40%. Процесс обычно продолжается более 48 часов. Получаемые из крахмала сиропы содержат много мальтозы (40-50%); они применяются при производстве карамели и замороженных десертных блюд. Для получения сиропов с очень высоким содержанием мальтозы (80%) мальтогенные экзоамилазы используются вместе с α-1,6- глюкозидазами. Экзоамилазы расщепляют α-1,4-глюкозидные связи, а глюкогенные экзоамилазы гидролизуют α-1,6-глюкозидные связи в разветвленных молекулах олигосахаридов. Эти ферменты могут также катализировать полимеризацию глюкозы с образованием мальтозы и изомальтозы. Глюкоамилазы применяются в основном в производстве концентрированного сиропа, из которого вырабатывают кристаллическую глюкозу или концентрированные фруктозные сиропы. В заключение следует отметить, что источником сырья для различных отраслей химической промышленности в обозримом будущем будут нефть и ее производные. Получаемые из них с малыми затратами продукты вряд ли потребуется производить при помощи какой-то другой технологии. Факторами, которые могут оказать сильное влияние на внедрение биотехнологии в эту область, являются истощение источников сырья, повышение стоимости энергии и постоянная необходимость эффективной переработки отходов. Уменьшение доступных источников горючего приведет к тому, что все более широко будут использоваться ресурсы биомассы. Бродильные производства и технологии на основе ферментов будут и далее дополнять спектр обычных химических технологий. Что касается применения биотехнологии в крупномасштабных производствах химических веществ или полимеров, то перспективы здесь весьма ограничены. С экономической точки зрения наиболее целесообразным представляется использование специфических преимуществ биотехнологии в малообъемных производствах редких химических веществ с высокой прибавочной стоимостью. Ключевые слова и понятия 257 ферментация Clostridium acetobutylicum бутанол глутамат амилазы аминокислоты ацетон органические кислоты протеиназа ферменты 258 ЛЕКЦИЯ 12. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И БИОТЕХНОЛОГИЯ 1 Биоэкстрактивная металлургия. 2 Биополимеры. 3 Биоповреждение материалов. 1 Биоэкстрактивная металлургия. Из всех микробиологических технологий меньше всего рекламируется и больше всего недооценивается применение микроорганизмов для экстракции металлов из минералов, для концентрирования и извлечения драгоценных металлов из растворов, а также для получения новых промышленных биоматериалов. Еще за 1000 лет до н.э. римляне, финикийцы и люди других ранних цивилизаций извлекали медь из рудничных вод или вод, просочившихся сквозь рудные тела. В конце XYII в. валлийцы в Англии и в XYIII в. испанцы на месторождении Рио-Тинто применяли такой процесс «выщелачивания» для получения меди из содержащих ее минералов. Эти древние горняки и не подозревали, что в подобных процессах экстракции металлов активную роль играли бактерии. Лишь в 50-е и 60-е гг. XX в. выяснилось, что в получении металлов из минералов решающую роль играют бактерии. В 1947 г. Колмер и Хинкл выделили из шахтных дренажных вод бактерию 259 Thiobacillus ferrooxidans. Этот организм окислял двухвалентное железо и восстанавливал серусодержащие соединения и некоторые металлы. Вскоре оказалось, что бактерия участвует и в переводе меди из рудных минералов в раствор. Сейчас известны и другие микроорганизмы, активно участвующие в извлечении металлов из минералов: Leptospirillum ferrooxidans – этот организм впервые был выделен в Армении, однако сейчас известно, что он встречается во многих местах, где осуществляется выщелачивание. Он может расти при 40 0 С и при рН 1,2 на пирите (Fe S 2 ) и, по-видимому, окисляет только железо, не затрагивая серу. Этим он отличается от Thiobacillus ferrooxidans,который окисляет серу так же хорошо, как железо. Thiobacillus thiooxidans– эти ацидофильные организмы окисляют только серу и ее соединения. Они могут участвовать в окислении серы, образующейся в результате химической реакции между ионами трехвалентного железа и сульфидами меди. Обнаружены различные термофильные, окисляющие пирит, железо и серу бактерии, которые лучше всего растут при температуре около 50 0 С. Эта группа умеренных термофилов включает факультативных гетеротрофов и автотрофов, причем обнаруживаются все новые и новые организмы этого класса. Данные организмы могут играть существенную роль в выщелачивании саморазогревающихся минералов и угольных отвалов. Все упомянутые выщелачивающие бактерии переводят металлы в раствор различными путями. Окислительным процессом, катализируемым бактериями, является окисление железа: |