Примеры заданий по биотехнологии. Учебнометодический комплекс для студентов специальности 131 01 0102 Биология (научнопедагогическая деятельность)
 Скачать 6.85 Mb.
|
|
3 Специализированные ферментационные процессы. Большинство ферментационных технологий связано с жидкими аэрируемыми системами, однако в настоящее время достаточно широко используются ферментационные технологии, основанные на утилизации плотных субстратов, при отсутствии воды или малом ее количестве, а также в безкислородных условиях. Существуют процессы, в которых роль жидкой фазы сведена до минимума: она, используется лишь для увлажнения твердой поверхности или воздуха (газа). В зависимости от превалирующей фазы процессы и соответствующие им аппараты подразделяются на твердофазные и газофазные. Твердофазные осуществляются, как правило, на основе растительного сырья и используют чаще всего мицелиальные грибы или дрожжи. Различают три типа твердофазных процессов: а) Поверхностные, когда слой субстрата не превышает 3-7 см. В качестве "биореакторов" используются большие (до нескольких квадратных метров) подносы или культуральные камеры. б) Глубинные процессы, идущие в не перемешиваемом слое. Биореакторы представляют собой глубокие открытые сосуды. Для аэробных твердофазных процессов разработаны приспособления, обеспечивающие диффузионный и конвекционный газообмен. в) Перемешиваемые процессы, протекающие в перемешиваемой и аэрируемой массе субстрата, который может быть гомогенным (полужидкой консистенции) или состоять из частиц твердого вещества, взвешенных в жидкости (переходный вариант от 192 твердофазного процесса к процессу в жидкой фазе). Для этого обычно используют биореакторы с низкоскоростным перемешиванием. Интерес к твердофазным процессам обусловлен некоторыми их преимуществами по сравнению с процессами, осуществляющимися в жидкой фазе: они требуют меньших затрат на оснащение и более дешевые в эксплуатации; характер субстрата облегчает отделение и очистку продукта; низкое содержание воды препятствует заражению культуры продуцента посторонней микрофлорой; твердофазные процессы не связаны со сбросом в окружающую среду больших количеств сточных вод. Однако, и в данных процессах есть некоторые недостатки. Так, вследствие отсутствия хорошего перемешивания, продуцент часто растет в виде колоний и лишь постепенно может распространяться по субстрату. При этом возникает локальная недостача питательных веществ и часть субстрата вообще не используется продуцентом. В аппаратах с твердым наполнителем, через который пропускают газ, происходят газофазные процессы. В таких аппаратах получают, например, спирт на основе дрожжей. Газ, покидающий аппарат, несет с собой летучие продукты жизнедеятельности дрожжей (в том числе и спирт), которые конденсируются в холодильнике. Ключевые слова и понятия аэрация биоконверсия биореакторы массопередача теплообмен турбидостат хемостат циркуляция 193 ЛЕКЦИЯ 5. ОТДЕЛЕНИЕ, ОЧИСТКА И МОДИФИКАЦИЯ ПРОДУКТОВ 1 Отделение биомассы. 2 Методы разрушения клеток. 3 Отделение и очистка продуктов. 4 Концентрирование, модификация, стабилизация продукта. Завершающие стадии биотехнологических процессов — выделение целевого продукта - существенно различаются в зависимости от того, накапливается продукт в клетке, или он выделяется в культуральную жидкость, или же продуктом является клеточная биомасса. Наиболее сложным является выделение внутриклеточного продукта. При этом клетки необходимо отделить от среды культивирования, подвергнуть их разрушению, а затем целевой продукт очистить от остатков разрушенных клеток. Выделение продукта существенно облегчается, если он экскретируется продуцентом в культуральную жидкость. Поэтому одной из насущных задач биотехнологии является создание промышленных штаммов микроорганизмов, секретирующих возможно большее число ценных продуктов в значительных количествах. Технология выделения и очистки в значительной степени определяется природой целевого продукта. В ряде случаев существует возможность не использовать тщательную очистку продукта, если он обладает требуемыми активностями в неочищенном состоянии и если примесь посторонних веществ не оказывает каких-либо нежелательных влияний при его использовании. Некоторые традиционные биотехнологические про- цессы вообще исключают этап отделения продукта. 1 Отделение биомассы. Первым этапом в процессе очистки целевого продукта является разделение культуральной жидкости и клеточной биомассы — сепарация. В некоторых случаях сепарации предшествует 194 специальная обработка реакционной смеси, способствующая более эффективному отделению биомассы и стабилизации выделяемого продукта. Применяются различные методы сепарации. 1. Флотация. Метод используется в том случае, если клетки продуцента в силу низкой смачиваемости накапливаются в поверхностных слоях содержимого биореактора. Особые устройства (флотаторы) различной конструкции удаляют образующуюся при культивировании пену вместе с прилипшими к пузырькам газа клетками. Повышение эффективности отбора биомассы достигается вспениванием жидкости с последующим отделением ее верхнего слоя механическим путем. Достоинствами метода являются его экономичность, высокая производительность и возможность использования в непрерывных процессах. 2. Фильтрация. Различны применяемые в настоящее время фильтрующие системы (барабанные, ленточные, тарельчатые фильтры, карусельные вакуум-фильтры, фильтры-прессы, мембранные фильтры) основаны на одинаковом принципе - задержке биомассы на пористой фильтрующей перегородке. Недостатком способа является налипание клеток на фильтре, слой которых снижает скорость протока жидкости в процессе фильтрования. Для фильтров непрерывного действия предусматриваются системы автоматической очистки от биомассы, забивающей поры. Она может сдуваться с поверхности фильтров сжатым воздухом или удаляться специальными "ножами". Существуют также фильтры для многократного или однократного периодического использования. Например, мембранные (в частности, тефлоновые) фильтры, позволяющие фильтровать очень разбавленные клеточные взвеси. Однако проблемой их использования является быстрая закупорка пор клетками, белками и другими коллоидными частицами. 3. Центрифугирование. Данный способ требует более дорогостоящего оборудования, чем фильтрование, поэтому он применяется, если: а) суспензия фильтруется слишком медленно; б) возникает необходимость максимального освобождения культуральной жидкости от содержащихся в ней частиц; в) требуется обеспечить непрерывный процесс сепарации, когда фильтры рас- считаны на периодическое действие. 2 Методы разрушения клеток. Разрушение клеток проводится физическими, химическими и ферментативными методами. Наибольшее промышленное значение имеют физические способы дезинтеграции: 1) ультразвуком; 2) 195 лопаточными или вибрационными дезинтеграторами - метод, обычно используемый в пилотных и промышленных установках; 3) встряхиванием со стеклянными бусами; 4) продавливанием через узкие отверстия под высоким давлением; 5) раздавливанием замороженной массы; 6) растиранием в специальных ступках; 7) с помощью осмотического шока; 8) многократным замораживанием и оттаиванием; 9) сжатием клеточной взвеси с последующим резким снижением давления (декомпрессией). Физические способы дезинтеграции отличаются большей экономичностью в сравнении с другими методами, однако они характеризуются отсутствием выраженной специфичности, вследствие чего обработка может отрицательно влиять на качество получаемого целевого продукта. Мягкое и избирательное разрушение клеточной стенки обеспечивается применением химических и ферментативных методов. Так, бактериальные клетки разрушаются лизоцимом в присутствии ЭДТА (этилен-диаминтетрауксусной кислоты), а клеточные стенки дрожжей зимолиазой улитки или ферментами грибного либо актиномицетного происхождения. Клеточные стенки микроорганизмов могут быть разрушены путем обработки толуолом или бутанолом. Элективный лизис клеток вызывается воздействием ряда антибиотиков: полимиксин, новобиоцин, нистатин и др. После дезинтеграции клеток необходимо избавляться от их "обломков", для чего используют те же методы, что и при сепарации, т.е. центрифугирование или фильтрацию. 3 Отделение и очистка продуктов. Выделение целевого продукта из культуральной жидкости или получаемого в результате процессов дезинтеграции гомогената разрушенных клеток осуществляется путем осаждения, экстракции или различных методов адсорбции. Осаждение растворенных веществ осуществляется физическими (нагревание, разведение или концентрирование, охлаждение раствора) или химическими воздействиями, переводящими растворенное вещество в малорастворимое состояние. Экстракция подразделяется на твердо-жидкофазную (при которой продукт из твердой фазы переходит в жидкую) и жидко- жидкофазную (когда обеспечивается перевод продукта из одной жидкой фазы в другую, также жидкую фазу). Твердо-жидкофазная экстракция сводится порой к простой обработке твердого образца водой или органическим растворителем с целью извлечения из него растворимых соединений. Достаточно 196 широко применяются различные органические растворители, в частности экстрагирование ацетоном, который эффективно переводит в раствор ряд липидных и белковых компонентов клеток. При жидко-жидкофазной экстракции используются различные органические растворители - алкилфенолы, эфиры, галогениды, гексан, хлороформ и др. Почти полностью избежать инактивации позволяют методы экстрагирования на холоде, т. е. путем использовании методов криоэкстракции. При этом уравниваются различия между твердым субстратом и культуральной жидкостью, поскольку и то и другое находится в замороженном состоянии (в одной фазе). Криоэкстракция проводится с применением растворителей, температура кипения которых низка и при обычной комнатной температуре находится в газообразном состоянии. Адсорбция является достаточно распространенным методом отделения продукта и рассматривается в качестве частного случая экстракции, при котором экстрагирующим агентом служит твердое тело. Механизм ее сводится к связыванию выделяемого из жидкой или газообразной фазы вещества поверхностью твердого тела. Традиционными адсорбентами являются древесный уголь, пористые глины и т. п. Более современные методы разделения веществ включают хроматографию, электрофорез, электрофокусировку, которые ос- нованы на принципах экстракции и адсорбции. 4 Концентрирование, модификация, стабилизация продукта. За отделением продукта следует этап его концентрирования с помощью основных методов - обратного осмоса, ультрафильтрации и выпаривания. При методе обратного осмоса концентрируемый раствор помещается в мешок из полупроницаемой мембраны, снаружи создается осмотическое давление, превышающее осмотическое давление раствора, в результате чего растворитель начинает вытекать через мембрану против градиента концентрации растворенного вещества, обусловливая дальнейшее концентрирование раствора. Ультрафильтрация представляет собой способ разделения вещества (вернее, его концентрирование) с помощью мембранных фильтров. Этот метод перспективен при концентрировании малостабильных продуктов (некоторые аминокислоты, антибиотики и ферменты). Метод выпаривания наиболее древний и обладает существенным недостатком: для удаления растворителя концентрируемый раствор 197 следует нагревать, но, тем не менее, данный способ достаточно широко используется, особенно в лабораториях. В производственных условиях чаше применяются вакуумные испарители, обеспечивающие более щадящий режим концентрирования. Нагревающим агентом обычно служит водяной пар, хотя используется также обогрев жидким теплоносителем или электрическими нагревателями. Концентрирование методом выпаривания может ограничиваться стадией получения сиропообразного раствора целевого продукта; такая процедура называется упариванием и получаемый продукт относится к категории жидких. Дальнейшее освобождение от влаги достигается путем особой стадии - сушки. Модификация продуктов. Различного рода модификации необходимы в тех случаях, когда в результате процесса получается лишь "заготовка" целевого продукта. Так, например, пенициллин модифицируется до полусинтетических препаратов, поступающих для практического использования как коммерческие препараты. Модификация является необходимым этапом при получении многих ферментов, гормонов и препаратов медицинского назначения. Стабилизация продукта. Для сохранения требуемых свойств получаемых продуктов в процессе их хранения, реализации и использования потребителями применяют различного рода физико- химические воздействия с целью повышения их стабильности. Показано, что определенная степень обезвоживания существенно повышает стабильность активностей ферментов, включая и устойчивость к нагреваниям. Стабилизация ферментов также дос- тигается добавлением к препаратам глицерина или углеводов, которые формируют многочисленные водородные связи с аминокислотными остатками, препятствуя тем самым их денатурированию при нагревании или спонтанной инактивации. В некоторых случаях стабилизация продукта представляет собой задачу особого биотехнологического процесса, а не только простой физико-химической модификации. В качестве примера можно привести стабилизацию пищевого продукта, получаемого из яичных желтков - меланжа, свойства которого при хранении существенно изменяются, что делает его непригодным к использованию. Однако порчу меланжа можно предотвратить, если удалить из него углеводы посредством выращивания на меланже пропионовокислых бактерий. Бактерии "выедают" углеводы, повышают питательную ценность продукта за счет обогащения органическими кислотами и витаминами, а также значительно удлиняют сроки хранения меланжа. 198 Ключевые слова и понятия сепорация адсорбция денатурирование сепарация фильтрация флотация флотатор центрифугирование экстракция криоэкстракция 199 ЛЕКЦИЯ 6. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОТЕХНОЛОГИИ В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ 1 Роль биотехнологии в получении пищевых продуктов. 2 Производство молочных продуктов. 3 Производство хлебопродуктов. 4 Бродильные производства, получение белковых продуктов, пищевых добавок и ингредиентов. 1 Роль биотехнологии в получении пищевых продуктов. Производство пищевых продуктов и напитков основано на переработке сырья, в основном поставляемого сельским хозяйством. Все органические вещества, применяемые в пищевой промышленности, могут использоваться микроорганизмами. Это говорит о ключевой роли микробиологии при производстве продуктов питания: здесь микроорганизмы могут играть и положительную, и отрицательную роль. Последняя более выражена: не случайно меры предосторожности против нежелательной деятельности микробов занимают такое важное место при производстве пищи и ее потреблении. Размножение микробов может вызвать нежелательные изменения качества пищевых продуктов или их внешнего вида. При этом нередко образуются вещества, обладающие токсическим действием. Порча пищи и связанные с этим экономические убытки весьма нежелательны, однако наиболее опасным следствием размножения микробов в пищевых продуктах является образование токсинов. Некоторые микроорганизмы при подходящих условиях образуют токсины, вызывающие серьезные заболевания или даже смерть. Существует две разновидности биотехнологии, различающиеся по ценности получаемых продуктов и по масштабу их производства: 1. Биотехнология маломасштабного производства; 2. Биотехнология крупномасштабного производства. Биотехнология маломасштабного производства характеризуется повышенной стоимостью научных исследований, небольшими объемами производства (100-1000 л), высокой стоимостью продукции, которая производится для медицины, фармацевтической промышленности. Основные направления биотехнологических исследований и разработок - генетические манипуляции. Биотехнология крупномасштабного производства - малоспециализированная, в основном поставляет предметы потребления. Объем установки до 10 000 л. Стоимость научных 200 исследований пониженная, а основные направления биотехнологических исследований и разработок - технологии ферментации. При производстве пищевых продуктов нужен большой выход продукта и простая технология. По этим причинам главными в биотехнологии пищевой промышленности являются методы крупномасштабного производства продуктов. Спектр продуктов питания, получаемых при помощи микроорганизмов, обширен: от вырабатываемых с древних времен за счет брожения хлеба, сыра, йогурта, вина и пива до новейшего вида пищевого продукта – грибного белка микопротеина. Микроорганизмы при этом играют важную роль: используются продуцируемые ими ферменты или другие метаболиты, с их помощью сбраживается пищевое сырье, а некоторые из них выращиваются для непосредственного потребления. В пищевой промышленности для осуществления процессов применяют как культуры микроорганизмов, так и дикие формы, содержащиеся в значительном количестве в сырье, которые размножаются при создании надлежащих условий. Последний способ особенно характерен для традиционных бродильных производств, зародившихся во времена, когда о микробах еще ничего не знали. В промышленном производстве такие процессы обычно ведутся под гораздо более строгим контролем. Особенно это относится к выбору штамма и чистоте культур используемых микроорганизмов. До недавнего времени биотехнология использовалась в пищевой промышленности с целью усовершенствования освоенных процессов и более умелого использования микроорганизмов, но будущее здесь принадлежит генетическим исследованиям по созданию более продуктивных штаммов для конкретных нужд, внедрению новых методов в технологии брожения. Таким путем можно повысить выход и качество выпускаемой продукции и освоить производство новых ее разновидностей. |