Презентации _раздел_2_Биотехнология целевых продуктов. Промышленный биосинтез белковых веществ. Субстраты I, ii и iii поколения. Технологии получения белкововитаминных концентратов
 Скачать 7.4 Mb.
|
|
Раздел 2. Биотехнология целевых продуктов Промышленный биосинтез белковых веществ. Субстраты I, II и III поколения. Технологии получения белково-витаминных концентратов. Микробиологическое получение целевых продуктов. Аминокислоты. Органические кислоты. Антибиотики. Ферментные препараты Биоэнергетика. Биогеотехнология металлов. Основы сельскохозяйственной биотехнологии Промышленный биосинтез белковых веществ Промышленная микробиология - это наука о получении различных целевых продуктов на основе жизнедеятельности микроорганизмов. Белок – наиболее дефицитный компонент пищи увеличение ресурсов белка непрямое прямое через организм с/х животных микробиологический синтез высокая скорость роста микробов 100 раз > растений 1000 раз > животных эффективное использование ресурсов (материальных и энергетических) малые производственные площади независимость от климатических и погодных условий экологичность (отсутствие ядохимикатов и пестицидов) МИКРОБНЫЕ БЕЛКИ ЖИВОТНЫЕ БЕЛКИ ≈ 60-е годы XX в. single cell protein, «SCP» целые неживые высушенные микробные клетки (водорослей, дрожжей, бактерий, грибов), пред назначенные в качестве белкового продукта для кормовых и пищевых целей. •белки •сахара •липиды •нуклеиновые кислоты условность термина SCP Требования к SCP питательность переваримость экономическая эффективность Промышленный биосинтез белковых веществ Химический состав микробных биомасс и традиционных белковых продуктов Состав, % Водоросли Нитчатые грибы Дрожжи Бактерии Соя Рыбная мука Белок 47–63 31–50 47–56 72–83 45 64 Жиры 7–20 2–8 2–6 1–3 1 9 Зола 7 2 6 8 6 18 Лизин 2.4 1.5 4.2 4.1 2.8 4.0 Метионин-Цистеин 1.7 0.8 1.7 2.3 1.3 2.8 Нуклеиновые кислоты 3–8 9 6–12 8–16 Нет Нет 50 30 20 удельные затраты и стоимость сырья энергозатраты остальное доступность сырьевой базы снижение себестоимости 1-е поколение - углеводы 2-е поколение - жидкие УВ 3-е поколение – продукты окисления УВ, газообразные УВ, CO 2 , включая смеси с водородом. Типовая схема микробиологического производства получение и подготовка сырья получение инокулята ферментация выделение, инактивация и сгущение микробной биомассы высушивание и стандартизация готового продукта из музейной культуры с применением принципа масштабирования инокулят ростовой субстрат питательные компоненты воздух (газовая смесь) Технологический регламент продуцент субстрат Максимальные скорости синтеза SCP при опт. усл. среды, v уд → v max проточный режим (opt: экспоненциальная фаза, линейный рост) ост. влажность 10 %. 10-40 мин., 75-90 °C 1-2,5 % биомассы по сухому веществу (АСВ) (10-25 кг/м 3 ) 12-16 % АСВ сгущение термообработка 20-25 % АСВ сгущение вакуум-выпарные установки сушка мешки 2530 кг гранулирование, фасовка Кормовой SCP – без соблюдения стерильности ОГВ живые клетки, белковая пыль, продукты микробного синтеза КЖ ОСВ технол. вода Субстраты 1-го поколения - углеводы РАЗЛИЧНОЕ САХАРОСОДЕРЖАЩЕЕ СЫРЬЕ отходы пищевой, молочной, спиртовой, сахарной и целлюлозной промышленности продукты переработки растительного сырья – древесины, соломы, торфа, несъедобных частей растений - стебли, лузга, кочерыжки моно- и дисахара, органические кислоты, спирты и другие органические соединения, минеральные элементы сложные многокомпонентные субстраты : 1) расщепляют пентозы, гексозы; 2) устойчивы к спиртам, альдегидам и других продуктов гидролиза растительных биомасс Candida utilis (Кандида утилис) , C. scottii (скоти) , C. tropicalis (тропикалис) глюкоза→уксусная кислота → манноза → ксилоза → галактоза → арабиноза полнота использования УВ различна / max - при использовании смешанных культур параллельно- последовательная двухступенчатая последовательная C. scottii + C. tropicalis неразбавленный гидролизат (сусло) с конц.РВ 30-35 г/л ФI: ↓ на 70 % РВ РВ ≈10-15 г/л (пентозы) Дрожжи, SCP ФII утилизация пентоз КЖ ФII ФI разбавленное сусло с конц. РВ ≈ 15-18 г/л (↓ гексозы) Субстраты 1-го поколения - углеводы V общ 300..600 м 3 V раб = 0,7×V общ P изб. 40-60 КПа аппараты эрлифтного типа Отдельные производства: V → 1300 м 3 , воздухораспределение по 4-5 зонам скорость протока среды = 0,20-0,25 ч -1 , рН 4.2-4.6 (корректировка NH 4 OH (водн.)) температура среды от 30-35 до 38-40 °С rO 2 (10..20 м 3 /кг АСВ) Параметры Суспензия: 20-40 г/л дрожжей, влажность 75 % обработка и концентрирование флотация сепарация (I, II, III ступени) термо- обработка высушивание облучение УФ-излучением эргостерин → D 2 белок - 43-58, липиды - 2-3, углеводы - 11-23, зола – 11, остаточная влажность - ≤10 БИОМАССА ДРОЖЖЕЙ (%): Субстраты 2-го поколения – жидкие углеводороды С 50-60-х гг. ХХ n-парафины t кип = 200..320 °С С 11 -С 18 Candida guilliermondii (Кандида гульермонди) , C. scottii (скоти) , C. maltosa (мальтоза) селекция генная инженерия быстрый рост устойчивость в нестерильных условиях ШТАММЫ С n H 2n+2 O 2 ROH R 1 COH оксидоредуктазы O 2 O 2 R 1 COOH O 2 С m H 2m β-окисление R 3 СOOH C R3 +C < (n×C) 2×C [аром. УВ] ≤ 0.01 % эмульсия: (Г-Ж-УВ-Кл.) ПИТАТЕЛЬНАЯ СРЕДА (ПС): парафины (С, W) – 3..5% хлорид калия (KCl) сульфат аммония (NH 4 ) 2 SO 4 суперфосфат Ca(H 2 PO 4 ) 2 *H 2 O и CaSO 4 микроэлементы аммиачная вода (NH 4 OH) (pH, N) ПАВ rO 2 (20..50 м 3 /кг АСВ) лиазы АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ 12-секционный аппарат, V общ = 800 м 3 (V раб = 320 м 3 ) Секции: самовсасывающие мешалки турбинного типа + эжекционное устройство 1 -9 секции – рост клеток (+ПС) 10-12 секции – «дозревание» (-ПС) ↑ Q, 2.5-3.5 ккал/кг | теплообменники перемешивание под действием Ж [УВ] ост ≤ 0.01 % П ≈ 27 т/сут, Y (по УВ) ≈ 1.0-1.2, УВ ≈ 0.9-1.0 т/т АСВ, O2 ≈ 2.4-2.8 т/т АСВ. τ ф ≈ 8 ч, v протока среды ≈ 0,22 ч -1 рН ≈ 4,0..4,5, t ≈ 32..34 °С. белки - до 60, жиры -5, углеводы - 10-20, зола – до 10 влага - до 10; D 2 - 4000 МЕ B ПРОДУКТ(%) Субстраты 3-го поколения – спирты, природный газ, водород бактерии Pseudomonas (Псевдомонас) , Methylomonas (Метиломонас) дрожжи Hansenula (Хансенула) , Candida (Кандида) ROH→R 1 COH → R 1 COOH →CO 2 ↑ растворимость в воде взрывоопасность (6-35 % об.д.) меры безопасности 70-е гг XX в. ПРОДУЦЕНТЫ: ↓ тепловыделение ↑ токсичность для сторонних м/о доминирование продуцента отсутствие канцерогенов ↓ затраты на подготовку пит. среды + - Питательная среда: Микро- и макроэлементы Спирт (8-10 г/л) Дрожжев. экстр. (N, витам.) – 50 мг/л БИОТЕХНОЛОГИЯ SCP C. boidinii, H.polymorpha Эжекционные аппараты pH 4.2..4.6 t = 34..37 °C Y (CH 3 OH) = 0.4 v п = 0,12..0,16 ч -1 П АСВ = 75 т/сут; [клетки] = 30 г/л З (CH 3 OH) = 2,5 т/т Белки – 56..62 Липиды – 5..6 Зола – 7..11 Влажность - ≤10 Нуклеиновые кислоты – 5..6 ↓ затраты на охлаждение Methylomonas clara Ps.rosea Струйные аппараты pH =6,0..6,4 t = 32..34 °C Y (CH 3 OH) = 0.45 v п = 0,5 ч -1 З (CH 3 OH) = 2,2 т/т П АСВ = 100..300 т/сут Белки – до 74% Нуклеиновые кислоты – 10..13% C. utilis Hancenula anomala Y (C 2 H 5 OH) = 0.4..0.45 v п = 0,14 ч -1 Белки – до 60 % Перспективный субстрат эприн меприн Субстраты 3-го поколения – спирты, природный газ, водород бактерииMethylococcus (Метилококкус), Pseudomonas (Псевдомонас), Methanomonas (Метаномонас) , Mycobacterium (Мукобактериум) CH 4 → CH 3 OH → HCOH → → HCOOH → O 2 ПРОДУЦЕНТЫ: 70-е гг XX в. ↓ растворимость (0,02 г/л) лимитирующий фактор выделение в КЖ продуктов Ox-я (ингибиторов основного продуцента) + 5..6 гетеротрофов ! ↑ потребность в O 2 Сложность аппаратурного оформления в 5 раз > 1 поколение в 2-3 раза > 2 поколение Аппаратура: Струйное диспергирование Г (ФКЭР, V =750 м 3 ) pH 5,5..6,5 t = 38..43 °C v п = 0,25..0,30 ч -1 [клетки] = 10 г/л П = 120 т/сут З (CH 4 ) = 1.8..2.2 т/т З (O 2 ) = 4.5..5.0 т/т СОСТАВ (%): Белки – до 75 Липиды – 5 Зола – 10 Влажность - ≤10 Нуклеиновые кислоты – 10 рециклинг субстрата ↑ P ап O 2 ↑ CH 4 (до 95 %) рыбная мука // соевый шрот аминокислотный состав Methylococcus capsulatus ГАПРИН - белковая биомасса ферментации ПГ, получаемая из инактивированных клеток непатогенных метанокисляющих дрожжей или бактерий Внесение CO 2 (до 30 % об.д.) 6-60 % CH 4 – взрывоопасная смесь ≈ субстрат - ↓ Р взрывоопасно Субстраты 3-го поколения – спирты, природный газ, водород ПРОДУЦЕНТЫ фотоавтотрофные организмы hν = W {CO 2 + H 2 O} = C хемолитоавтотрофные организмы Ox-е {H} = W {CO 2 + H 2 O} = C водоросли Chlorella (Хлорелла) , Scenedesmus (Сценедесмус цианобактерии Spirulina (Спирулина) водородокисляющие бактерии Alcaligenes (Алкалигенез) , Seliberia (Селибериа) , Ralstonia (Ралстониа) 70-е гг XX в. 60-е гг XX в. СЛОЖНОСТЬ В ИСПОЛЬЗОВАНИИ: неперевариваемая КС токсичность хлорофилла дезинтеграция клеток очистка белков Spirulina maxima Spirulina platensis Spirulina platensis перевариваемость КС ↓ нуклеиновых кислот нетоксичность ↑ белка Белки – до 70 Липиды – 4 Зола – 6 Нуклеиновые кислоты – 4 СОСТ А В (%) : КОМПОНЕНТ ДИЕТИЧЕСКОГО ПИТАНИЯ Alcaligenes eutrophus Seliberia car boxydohydrogena Ralstonia eutropha независимость от сырья отходы – H 2 ГВ – CO 2 быстрый рост ↑[белок] побочный продукт - вода; экологичность 6 Н 2 + 2 О 2 + СО 2 = [(СН 2 О) + 5 Н 2 О] биомасса Белки – 71-75 Липиды – 6-9 Зола – 5-6,5 Аминокислоты – 10-12 СОСТАВ (%): Микробиологическое получение целевых продуктов. Аминокислоты ЗАМЕНИМЫЕ НЕЗ АМЕНИМЫ Е мо лодняк пт иц ы с/ х ж ивот ные человек Аргинин Валин Глицин Лейцин Тирозин Серин Глутамин Аспарагин Фенилаланин Аланин Лизин Гистидин Цистеин Пролин Аспарагиновая кислота Триптофан Изолейцин Метионин Треонин Глютаминовая кислота радикал аминогруппа карбоксильная группа составляющие белка не синтезируются организмом комбикормовая ↓ расхода животных белков пищевая пром-ть цистеин: хлебопекарная ПРИМЕНЕНИЕ глицин: напитки глутаминовая: консервант медицина аргининцистеин аспартат цистеин фенилаланин химическая пром-ть полиуретан фармацевтическая пром-ть регуляторные ауксотрофные Микробиологическое получение целевых продуктов. Аминокислоты ХИМИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ГИДРОЛИЗ БЕЛКОВ БИОСИНТЕЗ L- и D-формы токсичны L-форма // многоступенчатая очистка микробная ферментация синтез из предшественников L-форма // в т.ч. сверхсинтез свободные АК (пул) Пируват → аланин, валин, лейцин; 3-фосфоглицерат → серин, глицин, цистеин; ЩУК → аспартат, аспарагин, метионин, лизин, треонин, изолейцин репрессия ретроингибирование «дикий» штамм дисбаланс ↑ выхода АК мутанты утрачена способность синтеза отдельных АК частично нарушен тип регуляции биосинтеза подавление процесса включения АК в белки для биосинтеза АК, являющихся конечными продуктами разветвленных цепей аспаргиновая к-та L- лизин L- метионин гомосерин L- треонин Aerobacter (Аэробактэр) Eschirichia (Эшерихиа) Bacillus (Бацилус) Corynebacterium (Корнебактериум) Microbacterium (Микробактериум) Brevibacterium (Бревибактериум) янтарная фумаровая лимонная изолимонная кетоглутаровая яблочная |